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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Hanf.
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Grundsätzlich ist es möglich und auch bekannt Proteine aus Hanf zu gewinnen. Eine große Herausforderung ist dabei, sensorische Komponenten während des Prozesses zu entfernen, ohne die Proteine irreversibel zu denaturieren.
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Diese Aufgabenstellung konnte nicht mit den bisherigen Verfahren zur Proteingewinnung aus ölhaltigen Saaten oder deren Zwischenprodukte nach der Ölgewinnung realisiert werden.
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Bekannte Soja-Proteingewinnungsverfahren mit einer Auswaschung der unlöslichen Stoffe im Sauren erzielen Konzentrate.
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Verfahren mit einer Extraktion im Alkalischen mit anschließender Fällung dagegen Isolate. Bekannt sind die ethanolisch-wässrige Extraktion bei Raps oder die Filter- und/oder Zentrifugationsverfahren von Burcon bei denen die Proteine zunächst in Salzlösung gebracht werden. Diesen ist gemein, dass die entweder rein wässrig beginnend mit einem alkalischen Schritt, Proteinkonzentrate gewinnen oder mit Ethanolkonzentrationen >10% arbeiten.
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Sonnenblumenenproteine werden gewöhnlich in Trockenverfahren durch die selektive Abtrennung der Schalenfraktion gewonnen.
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Bei Hanf werden diese Verfahren nicht zur Herstellung von ölfreien Proteinprodukten angewandt, da das gewonnene Proteinprodukt sensorisch schwierig ist. Der verbleibende bittere Geschmack kann auf das Vorhandensein von phenolischen Komplexe zurückgeführt werden. Verfahren zur Herstellung von Hanfproteinprodukten mit ca. 50-60% Protein auf TS sind durch o.g. Trockenverfahren erreichbar, bei denen die Schalen durch Siebung oder Wind-Sichtung abgetrennt werden. Dabei verbleiben jedoch die unangenehmen Geschmackskomponenten im Wesentlichen in der Proteinfraktion.
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Die
WO 2004/043157 A1 verwendet Hanfsaat als Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Hanfmilch und eine Erhitzung auf 80°C, was zur partiellen Denaturierung der Proteine und damit zu erhöhtem Verlust führt.
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Die
WO 2005/094603 A1 behandelt proteinhaltige phytatreduzierte Nahrungsmittel unter Verwendung von Ultrafiltration. Der Phytatgehalt wird im proteinhaltigen Endprodukt durch eine Ultrafiltration der zucker-, protein und phytathaltigen Extrakte reduziert. Im Retentat verbleibt Phytat und zuckerreduziertes Protein. Eine Ultrafiltration geht mit dem Verlust von filtriertem Rückspülwasser einher. Weiterhin kann es bei längerem Einsatz zu einem sogenannten Membranfouling kommen. Ein Ultrafiltrationsverfahren eignet sich besonders gut bei geringem Feststoffanteil. Kommt es zu einer quantitativen Fällung von Proteinen, so ist die Gefahr des Zusetzens der Membran durch Filtrat vergleichsweise hoch. Ein Verblocken ist die Folge.
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Die
WO 2006/003110 A1 setzt nach der Lösemittelextraktion eines Fettes aus Pflanzen an. Eine solche Extraktion schädigt allerdings die Proteine.
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Die
WO 2019/213757 A1 nutzt in einer Variante Mikrokapseln für den Einschluss von Fett und Protein. Eine weitere Variante wandelt Hanfteile aus dem Pressvorgang unmittelbar in eine alkalische Suspension um, analog dem Soja- Proteinisolat -Verfahren. Die sensorischen Aspekte sind hierbei irrelevant und werden daher nicht betrachtet, da das Protein ausschließlich zur Herstellung von ölbasierten Mikrokapseln dient. Da das Öl -/egal ob es das Restöl im Protein oder das Kapselöl ist- sensorisch als Geschmacksträger entscheidend für das Endprodukt ist, bleibt die sensorische Komponente des Proteinproduktes unbeachtet.
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Wässrige Verfahren zur sensorischen Verbesserung benötigen typischerweise große Wassermengen. Hierbei werden i.d.R. die extrahierten Proteine mehrmals gewaschen.
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Dabei sind hohe Verluste an Proteinen zu verzeichnen. Auch hindern die Restölgehalte im Rohstoff eine effektive Abtrennung der Proteine aus der organischen Matrix, oder alternativ behindert das Öl eine effektive Abtrennung der störenden Stoffe daraus.
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Die Aufgabe ist, ein effektives, wirtschaftliches Verfahren zu entwickeln für eine nutzbare Proteinfraktion mit funktionellen Eigenschaften. Zugleich soll durch das erfindungsgemäße Verfahren ein nicht denaturiertes und sensorisch akzeptables Proteinkonzentrat hergestellt werden mit geringen Anteilen an Ölbegleitstoffen, wie Polyphenole.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung von Proteinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren betrifft die Gewinnung, insbesondere möglichst reine Isolierung von Proteinen aus Hanf.
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Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- A Bereitstellen von Hanf-Pressresten, insbesondere eines Hanf-Presskuchens insbesondere aus der Gewinnung von Hanföl
- B Vorwäsche der Hanf-Pressreste unter Zugabe von Wasser unter Suspendieren der Hanf-Pressreste unter Bildung einer wässrigen Suspension mit einem pH-Wert < 7 und Phasentrennung unter Ausbildung einer wässrigen proteinarmen Verunreinigungsphase, die Öl und/oder Ölbegleitstoffe enthält, sowie einer proteinreichen vorgewaschenen Phase
- C Extraktion von Proteinen durch Alkalisieren der proteinreichen vorgewaschenen Phase unter erneutem Suspendieren unter Bildung einer wässrigen Suspension und Phasentrennung unter Ausbildung einer Schalenfraktion und einer wäßrigen Proteinfraktion
- D Fällung von Proteinen unter Zugabe eines kurzkettigen Alkohols mit weniger als vier Kohlenstoffatomen und unter Zugabe einer Säure unter Verschiebung des pH-Werts in den sauren Bereich und Zugabe von Alkohol; und
- E Phasentrennung, insbesondere zentrifugale Phasentrennung, in eine proteinarme Phase und eine proteinreiche Phase.
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Es wird mit diesem Verfahren ein Endproteingehalt im finalen Produkt von über 70% erreicht.
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Dabei ist besonders die Erhaltung das Gelbildungsvermögen bei der Verarbeitung des Proteinproduktes als Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu etwaigen Verbraucher-Endprodukten von Interesse. Im Gegensatz zu typischen Pflanzenproteinen, die wenig Gelbildungsvermögen zeigen, hat das Hanfproteinprodukt ein hohes Potential zur Gelbildung und daher steht diese Eigenschaft im Fokus neben der Sensorik und der Wasserbindung.
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Bei dem vorgenannten Alkohol handelt es sich bevorzugt um verdünnten bzw. wässrigen Alkohol.
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Der typische Prozess aus der Literatur zur Herstellung von Pflanzenproteinprodukten wie Isolaten aus entölten oder stark ölreduzierten Zwischenprodukten wie Presskuchen oder Schrot - basierend auf einer alkalischen Extraktion mit anschließender Fällung- ist dafür allein nicht zielführend. Der neue Prozess basiert auf einer 5- stufigen wässrigen Separierung und einer anschließenden optionalen Trocknung.
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Dabei haben sich zwei Maßnahmen überraschender Weise als besonders effektiv erwiesen, verstärkt, wenn diese Maßnahmen gemeinsam in einem Gesamtprozess umgesetzt werden.
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Die erste Maßnahme ist eine Vorwäsche mit einer vergleichsweise geringen Menge an Wasser. Hierbei wird eine Wasserphase mit einem grünlichen organischen Saft abgetrennt, der sehr unangenehm aromatisch und sehr intensiv bitter schmeckt. Da der Extrakt wässrig ist, und das im Rohstoff enthaltenen CBD (Cannabidiol) nicht wasserlöslich ist, wird nur eine marginale Menge CBD mit in den Extrakt überführt.
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Dagegen wird gemeinsam mit Kohlenhydraten auch Öl abgetrennt, das gemeinhin als Geschmacksträger gilt. Diese Prozessstufe wird vorzugsweise kalt, also bevorzugt im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur, realisiert.
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Es werden mehr als 50% des zugegebenen Wassers als Extrakt abgetrennt. Bei anderen Rohstoffen ist die Quellung deutlich höher und erst ab Wassermengen von mehr als dem 5-fachen bezogen auf den Rohstoff ist überhaupt freies Waser abzutrennen.
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Ohne diese Stufe der Vorwäsche ist das finale Produkt deutlich intensiver in Geschmack und Bitterkeit. Die Verluste an Proteinen sind auf weniger als 30 Gew.% der Trockenmasse des Extraktes limitiert. Typischerweise gehen mit dieser Waschphase weniger als 5% Protein verloren, bezogen auf die im Rohmaterial enthaltende Menge an Protein.
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Die zweite Maßnahme ist die Durchführung der Fällung im wässrigen ethanolischen Milieu.
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Dazu werden, soweit vorhanden, mehrere Extrakte zusammengeführt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass schon geringe Mengen von 3-7 Vol.%, insbesondere 5 Vol.% EtOH, bezogen auf die Gesamtmenge an Fluid, ausreichen, um eine kompakte Proteinphase zu erzeugen, die sensorisch deutlich besser ist als die aus einer ethanolfreien Fällung.
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Ebenso überraschend ist das Ausbleiben einer harten Schaumschicht als leichte Phase. Diese Schaumschicht tritt häufig bei anderen Pflanzen und/oder anderer Prozessführung auf und stört bei einer zentrifugalen Trennung immer dann, wenn der EtOH nur unverdünnt zugegeben wird. Dagegen entfällt diese kompakte Schaumschichte bei der Zugabe von verdünnten EtOH auch wenn die gleiche Endkonzentration in der Dispersion wie bei konzentrierter Zugabe eingestellt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es ist von Vorteil, dass in Schritt B das Verweilen ab Beginn der Suspensionsbildung über zumindest 1h erfolgt. Dadurch wird eine Quellung der Feststoffe im Wasser und damit eine intensive Extraktion erreicht. Zugleich wird das Wasser bei der Quellung nicht in dem Maße aufgesaugt wie dies bei der Proteingewinnung anderer Pflanzen der Fall ist. Sollte eine langsame oder sogar kontinuierliche Wasserzugabe erfolgen, so setzt das Verweilen parallel zur Wasserzugabe ab einer Suspensionsbildung ein. Eine Suspension ist insbesondere ein Brei, welcher eine Flüssigphase und darin ungelöste Feststoffe aufweist.
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Die in Schritt A bereitgestellten Hanf-Pressreste weisen vorteilhaft eine Normalverteilung über einen mittleren Durchmesser der Partikeln von 1,2-2,5 mm, vorzugsweise 1,5 - 2 mm, auf, wobei die Hanf-Pressreste im Vergleich zu einem geernteten Hanf bereits teilentölt sind. Sowohl die Partikelverteilung als auch die vorangegangene Teilentölung helfen bei der effizienten Vorwäsche und insbesondere der Verringerung an phenolischen Verbindungen im Hanf-Zwischenprodukt auf dem Weg zur Proteingewinnung.
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Bevorzugt wird in Schritt B zu der Masse an bereitgestellten Hanf-Pressreste zumindest die gleiche bis zur fünffachen Masse an Wasser, vorzugsweise zumindest die doppelte bis vierfache Masse gegeben, insbesondere die 2,5 bis 3,5-fache Masse an Wasser, gegeben. Dadurch wird die Reduzierung von Öl und Ölbegleitstoffen erreicht. Öl kann im flüssigen Zustand oder aber dispergiert in Wasser, z.B. als Öl-Wasser-Emulsion, von den Feststoffen entfernt werden. Zugleich wird ein Großteil an phenolischen Verbindungen gemeinsam mit dem Öl und/oder der Emulsion aus den Feststoffen entfernt.
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Die Suspensionsbildung in Schritt B erfolgt vorzugsweise bei 15-50°C, vorzugsweise 20-35°C. Dadurch werden die Proteine nicht thermisch belastet und die Löslichkeit von Proteinen in Waschwasser wird zugleich gering gehalten.
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Darüber hinaus empfiehlt sich beim Verweilen zur Effizienzsteigerung der Waschung langsam zu Rühren. Dies kann bei einer Rührergeschwindigkeit an der Peripherie des Rührerelements des Rührers, z.B. dem Rührblatt, von 3-7 m/s erfolgen.
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Die Extraktion in Schritt B kann zumindest einmal mit der bei der Extraktion gebildeten Schalenfraktion wiederholt werden. Die nochmalige Extraktion von Proteinen aus der Schalenfraktion ermöglicht einen erheblichen Zugewinn an Proteinen von ca. 20% oder auch darüber. Dies ist abhängig von der Protein-Extraktionsrate in der ersten Stufe. Weitere Wiederholungen der Extraktion ergeben deutlich geringere Zugewinne bei der Proteinausbeute. Die Konditionen der Wiederholung können dabei analog zur ersten Extraktion gewählt werden. Der Begriff Schalenfraktion bezieht sich nicht nur auf Schalen, sondern auch auf Hanfreste wie Fasern oder andere Feststoffe, welche unter den angegebenen Extraktionsbedingungen als abgetrennte Feststoffe anfallen.
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Es ist von Vorteil für eine effiziente Verfahrensführung und einen optimalen Proteingewinn, wenn die Extraktion zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- C.i Suspendieren der proteinreichen vorgewaschenen Phase und/oder der Schalenfraktion in Wasser;
- C.ii Alkalisieren unter Zugabe einer Base, insbesondere von NaOH, auf einem pH-Wert zwischen 9-bis 11;
- C.iii Phasentrennung, insbesondere zentrifugale Phasenseparation, in eine feststoffreiche Verunreinigungsphase und in eine proteinreiche wässrige Phase.
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Die Extraktion in Schritt C kann insbesondere bei weniger als 55°C, insbesondere 40-50°C, erfolgen.
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Zumindest eine der vorgenannten Phasentrennungen, insbesondere alle Phasentrennungen, erfolgen in einem Dekanter, vorzugsweise in einem Trenndekanter. Hierbei wird insbesondere ein Dekanter mit Vollmantel und vorzugsweise horizontaler Drehachse eingesetzt.
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Die Konzentration des zugeführten Alkohols in Schritt D kann zwischen 30-70 Vol.%, vorzugsweise 45-55 Vol.%, betragen.
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Die Wassermenge und die Menge an zugeführten Alkohol wird insbesondere so eingestellt, dass Konzentration an Alkohol in der Suspension weniger als 8 Gew.%, vorzugsweise 3-7 Gew.%, insbesondere 5 +/- 0.5 Gew.% beträgt.
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Die Säurezugabe ermöglicht vorteilhaft eine Einstellung eines pH-Werts von 5,0 +/- 0.8.
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Der zugeführte Alkohol in Schritt D kann Ethanol und/oder Isopropanol (Isopropylalkohol) sein, welcher zum Einsatz als Lebensmittel bestimmt ist. Es versteht sich, dass Ethanol oder auch Isopropanol idealerweise vor der Bereitstellung des Endproduktes zum Großteil aus dem Protein entfernt werden sollte.
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Das Alkalisieren in Schritt C mit Natronlauge, insbesondere mit einer Konzentration von 10-50%, insbesondere 12-40 Gew.%, erfolgen.
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Die Säurezugabe in Schritt D unter Zugabe von Salzsäure, Phosphorsäure und/oder Zitronensäure erfolgt, wobei die Säure zumindest halbkonzentriert vorliegt. Eine konzentrierte Salzsäure ist beispielsweise etwa 37%ig, mit 370 g HCl auf einen Kilogramm Wasser.
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Die Verweilzeit nach der Säurezugabe kann vorteilhaft zumindest 10 min, vorzugsweise zumindest 15 min, betragen. Damit wird die Fällung möglichst quantitativ ermöglicht.
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Die Extraktion in Schritt C erfolgt bei weniger als 55°C, insbesondere 40-50°C. Die Extraktion sollte vorteilhaft warm erfolgen um eine hohe Proteinausbeute zu erreichen. Allerdings sollte das Protein nicht denaturieren.
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Die proteinreiche Phase, welche in Schritt E anfällt, kann durch Zugabe von Wasser und anschließende Phasenseparation gewaschen wird. Das Waschwasser dieses Schrittes kann in den Schritten B und C nochmals genutzt werden.
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Zur Verminderung der Denaturierungsgefahr empfiehlt es sich, wenn während des gesamten Verfahrens zur Gewinnung von Proteinen aus Hanf die Temperatur von 55°C, vorzugsweise 50°C, nicht überschritten wird.
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Vorteilhaft erfolgt das Bereitstellen der Hanf-Pressreste durch mechanisches Auspressen von Öl, ohne Zusatz eines organischen Lösungsmittels. Ein Denaturieren wird dadurch ebenfalls verhindert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsvarianten näher beschrieben. Dabei werden identische Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können auch einzelne konstruktive Merkmale aus den Ausführungsbeispielen auf andere nicht-dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele übertragen werden. Es zeigen:
- 1 Verfahrensverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 detaillierter Verfahrensverlauf eines zweiten Verfahrensschritts des Verfahrens der 1;
- 3 detaillierter Verfahrensverlauf eines dritten Verfahrensschritts des Verfahrens der 1;
- 4 detaillierter Verfahrensverlauf eines vierten Verfahrensschritts des Verfahrens der 1;
- 5 detaillierter Verfahrensverlauf eines fünften Verfahrensschritts des Verfahrens der 1;
- 6 detaillierter Verfahrensverlauf eines finalen Verfahrensschritts des Verfahrens der 1;
- 7 Konzentrationsdiagramm an Proteinen im Oberlauf eines Dekanters bei wechselndem pH-Wert;
- 8 Konzentrationsdiagramm an Proteinen in verschiedenen Phasen bei verschiedenen pH-Werten und Ethanolkonzentrationen; und
- 9 Darstellung einer Zwischenstufe der Proteingewinnung mit und ohne vorhergehende Vorwäsche.
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1 zeigt den Verlauf einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Bereitstellen eines Hanf-Presskuchens 1. Der Hanfpresskuchen kann aus der Ölgewinnung resultieren. Er enthält selbst noch eine erhebliche Menge Restöl.
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In einem zweiten Schritt 102 wird eine Vorwäsche durchgeführt, welcher im Detail in 2 dargestellt ist.
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Zunächst erfolgt im Rahmen der Vorwäsche 102 ein Suspendieren 102-1 von zerkleinertem Hanf-Presskuchen 1 mit Wasser 2. Dieses Suspendieren 102-1 wird nachfolgend auch als Anmaischen bezeichnen. Der Hanfpresskuchen 1 weist vorzugsweise eine Normalverteilung über einen mittleren Durchmesser der Partikeln von ca. 1,5 - 2 mm auf.
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Dazu werden zu einem Teil Hanf-Presskuchen drei Teile Wasser gegeben und bei 15-50°C, vorzugsweise 25°C, vermischt mit einer Rührergeschwindigkeit an der Peripherie von 3-7 m/s vorzugsweise 5 m/s. Dabei quillt der Feststoff auf. Durch die Wasserzugabe resultiert ein pH-Wert von ca. pH = 6,2.
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Durch das Rühren lösen sich die kleinen Stückchen und der Feststoff dispergiert. Es werden lösliche Öle und/oder Ölbegleitstoffe im Wasser gelöst oder auch spezifisch leichteres ÖL im Wasser teilweise emulgiert.
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Anders als andere proteinhaltigen Pflanzen, so z.B. Raps, ist diese Art der Vorwäsche bei dem Hanf-Presskuchen überraschend möglich, da der Feststoff des Hanfpresskuchens im Vergleich zu anderen Pflanzen im deutlich verminderten Maße quillt.
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Da Öl Geschmacksträger ist, der Geschmack von Hanf und den daraus gewonnenen Produkten, wie z.B. den Proteinen, üblicherweise aber sehr intensiv-bitter. Im Rahmen der Vorwäsche wird es allerdings ermöglicht und ist zugleich vorteilhaft, dass das Öl und die Ölbegleitstoffe zumindest teilweise vor der Proteinextraktion abgetrennt werden.
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Dabei wird vorzugsweise weniger als das Sechsfache an Wasser bezogen auf das Gewicht an Hanf-Presskuchen zum Suspendieren 102-1 genutzt. Es hat sich gezeigt, dass sich einzelne Inhaltsstoffe einer dicken Maische aus Gründen einer besseren Scherung der Feststoffpartikel besser lösen als eine dünne Suspension.
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An das Suspendieren 102-1 schließt sich im Rahmen der Vorwäsche ein Verweilen 102-2 an. Dies erfolgt vorzugsweise unter Rühren. Dabei wird es den Inhaltsstoffen des Presskuchens ermöglicht sich weiter in Wasser an- oder aufzulösen oder zu suspendieren. Das Verweilen 102-2 der Maische (Presskuchen-WasserGemisch) unter Rühren sollte vorzugsweise nicht unter einer Stunde liegen.
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Anschließend erfolgt ein Schritt der Phasentrennung 102-3, vorzugsweise durch Zentrifugation.
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Da sich das Protein nicht bei dem vorgenannten pH-Wert löst, wird eine kompakte Proteinschicht zusammen mit den Schalen als Feststoff ausgetragen.
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Eine abgetrennte wässrige proteinarme Verunreinigungsphase 3, auch Hanf-Presskuchen-Waschwasser genannt, weist suspendiertes und/oder gelöstes Öl und/oder Ölbegleitstoffe auf und hat TS-Werte von < 5%, im vorliegenden Beispiel 3,6% m/m. Es wurde im Rahmen von Versuchen beobachtet, dass der TS-Gehalt des Waschwassers bei höheren Temperaturen zunimmt, was Proteinverluste bedeutet. Der Proteinanteil im Waschwasser beträgt bei 25°C ca. 1%, was 1/3 des TS-Gehalts im Waschwasser entspricht. Ein Fünftel bis ein Viertel der Trockenmasse im Waschwasser ist Öl. Der Rest ist Zucker, der mit ca. 2°Brix bemessen wurde.
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Die zweite Fraktion der Phasentrennung 102-3 ist eine vorgewaschene proteinreiche Phase 4, insbesondere in Form einer feuchten Hanf-Presskuchen-Feststofffraktion. Dieser feuchte gewaschene Feststoff mit ca. 50% Trockenmasse und 36% Protein /TS und < 2% Öl auf die Trockenmasse wird zur Proteinextrakion im Folgeschritt verwendet. Als Teilmenge des Wassers kann auch eine Teilmenge des Waschwassers aus der letzten Stufe verwendet werden.
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Sodann erfolgt eine erste Extraktion 103 des vorgewaschenen Feststoffs 4. Diese wird in 3 näher dargestellt. Diese erste Extraktion wird dem vorgewaschen Feststoff 4 Wasser 5 hinzugegeben. Somit erfolgt ein erneutes Suspendieren 103-1 des Feststoffs.
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Sodann erfolgt ein Alkalisieren 103-2 durch Zugabe von verdünnter Natronlauge 6. Die Konzentration kann (Konzentration 10-50% Gew.% bezogen auf die Menge an Natronlauge) auf einen pH-Wert von 9 bis 11 vorzugsweise 10 eingestellt.
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Dabei ist so viel Fluid, also Wasser und Lauge, hinzuzugeben, dass der TS Anteil in der Suspension bei ca. 20-26% m/m vorzugsweise 23% m/m liegt.
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Sodann erfolgt abermals ein Verweilen 103-3, vorzugsweise bei 10-55°C, besonders bevorzugt über zumindest 10 min, insbesondere zumindest 30 min. Das Verweilen kann unter Rühren erfolgen. Alternativ ist eine Verweilzeit auch lediglich bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur für den anschließenden Trennungsschritt nötig. Die Rührergeschwindigkeit ist für bis zu 3 m/s an der Peripherie optimal.
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Eine anschließende Phasentrennung 103-4 kann vorzugsweise zentrifugal und besonders bevorzugt durch einen Dekanter erfolgen. Dieser trennt die Suspension in etwa 2/3 leichte Phase 7 und 1/3 schwere Phase, der Schalenfraktion 8. Die Arbeitstemperatur bei der Phasentrennung liegt bei vorzugsweise weniger als 60°C, vorzugsweise 40-55°C, insbesondere 50°C. Die leichte Phase 7 umfasst einen wässrigen Extrakt mit hohem Proteingehalt.
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Die Schalenfraktion 8 wird einer zweiten Extraktion zugeführt. Der Proteinextrakt 7 wird in Schritt 4 einer Fällung zugeführt, gemeinsam mit dem Proteinextrakt der zweiten Stufe oder den eventuell erzeugten weiteren Extrakten aus weiteren Extraktionsstufen. Dies wird im späteren Verlauf näher erläutert
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Als Teilmenge des Wassers 5 kann auch eine Teilmenge des Waschwassers aus der letzten Stufe des Verfahrens verwendet werden, welches nachfolgend als Proteinwaschwasser 12 beschrieben wird.
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Es wird der Feststoff 8 der ersten Extraktion zur zweiten Extraktion 104 genutzt, wie sie in 4 dargestellt wurde.
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Dieser wird zu ca. 70-130 Gew.%, bezogen auf den eingesetzten Feststoff, mit Wasser 9 resuspendiert. Hierzu kann teilweise auch das Proteinwaschwasser 12 genutzt werden. Nach dem Suspendieren 104-1 erfolgt ein Alkalisieren 104-2 unter Zugabe von Natronlauge 10. Der pH- Wert ist vorzugsweise zumindest auf 9,0 und besonders bevorzugt auf pH = 9,6-10 anzuheben, da er durch die Wasserverdünnung abgefallen ist.
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Der Trockensubstanzwert vor der Trennung kann vorteilhaft bei ca. 22% +/- 3% m/m liegen. Die Arbeitstemperatur kann vorzugsweise im Bereich von maximal 55°C, vorzugsweise von 40-50 °C, liegen.
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An das Alkalisieren 104-2 schließt sich optional ein Verweilen 104-3 unter Rühren an. Die optionale Verweilzeit beträgt vorzugsweise weniger als 20 min, vorzugsweise 0-15 min.
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Eine anschließende Phasentrennung 104-4 erfolgt vorzugsweise zentrifugal und insbesondere mit einem Dekanter. Es wird eine Schalenfraktion 11 und eine wässrige Proteinfraktion 13 gebildet.
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Die Schalenfraktion 11 dieser Prozessstufe kann vorzugsweise durch Trocknung 108 zu Schalenpulver 20 weiterverarbeitet werden, entweder direkt oder nach einer pH-Korrektur hin zu einem pH-Wert im neutralen Bereich bei pH = 6,5 - 7,5.
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Es ist ferner möglich, die Schalenfraktion 11 direkt weiter zu nutzen oder zu entsorgen. Ein Restproteingehalt von 10-15% verbleibt in der Schalenfraktion 8 und kann durch weitere Extraktionsstufen verringert werden. Hauptbestandteil des Schalenpulvers 20 sind jedoch die Ballaststoffe.
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Im Extrakt 13 der zweiten Extraktion 104 liegen ca. 5% Trockensubstanz vor, wobei ca. 2/3 davon Proteine sind. Damit ist der Proteingehalt prozentual höher als der im Extrakt 7 aus der ersten Extraktion 103. Dagegen ist der Ölgehalt mit <1% bezogen auf die Trockenmasse geringer als der im ersten Extrakt 7 mit 1-2% m/m.
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Beide proteinreichen wässrigen Fraktionen 13 zusammengenommen enthalten ca. 60-70 % des im Rohmaterials enthalten Proteins, wobei ca..80% davon aus der ersten Extraktion und 20% aus der zweiten Extraktion stammen.
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An die zweite Extraktion 104 schließt sich der besagte Schritt der Fällung 105 an. Dieser wird in 5 im Detail näher erläutert.
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In dieser Prozessstufe werden die Extrakte der vorangegangenen Extraktions-stufen in durch Verblenden 105-1 miteinander vermischt.
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Anschließend wird in einem Schritt des Mischens unter Zugabe von wässrigem Alkohol 19, 105-2, insbesondere wässrigem Ethanol, in einer Konzentration von 30-70 Gew.% vorzugsweise 50 +/- 5 Gew.% hinzugegeben, so dass die Endkonzentration des Ethanols im Fluid der Suspension bei 3-7 Vol.%, vorzugsweise 5 Vol.% liegt. Eine Zugabe von höher-konzentriertem Alkohol, z.B. 90 Vol.%, führte zur Ausbildung eines schwer-abtrennbaren Proteinflotats.
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Es resultiert ein Gemisch mit ca. 10% +/- 3% TS aus ca. 58 Gew.% +/-3 Gew.% Protein bezogen auf die Trockenmasse und weniger als 2 Gew.% Öl im Trockenmassenanteil.
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Sodann wird das Protein im Rahmen einer Fällung durch Einstellen des pH-Werts 105-3 insbesondere durch die Einstellung des isoelektrischen Punktes, der einem pH- Wert von 5,0 +/- 0,8 hat. Hierzu wird Säure 18, insbesondere Salzsäure in der Konzentration mit einem Massenanteil von 35 % verwendet.
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Andere Säuren wie Phosphorsäure oder Zitronensäure in Konzentration mit Massenanteilen bis zu 50% wären ebenfalls ergänzend oder alternativ nutzbar. Die Fällung erfolgt bei Temperaturen von 40-55 °C vorzugsweise bei 50°C.
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Optional kann ein Verweilen erfolgen. Die Verweilzeit ist in keinem Prozessschritt in der Fällungsstufe 105 nötig, jedoch ist eine Verweilzeit von zumindest 10 min nach Zugabe der Säure von Vorteil für die Ausflockung des Proteins. Auch sollte während der Ausführung der Prozessschritte gerührt werden, bei max. 3 m/s an der Peripherie des Rührwerkes.
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Durch die Säurezugabe 105-3 entstehen zwei Phasen, eine Klarphase 14 und eine schwere Phase (Proteinquark) 15, welche durch Phasenseparation, insbesondere zentrifugale Phasenseparation 105-4, besonders bevorzugt durch einen Dekanter, insbesondere eines Trenndekanters, voneinander getrennt werden. Die Klarphase 14 hat üblicherweise einen Trockensubstanzgehalt von ca. 2% , wobei auch diese wieder Öl enthält, mit ca. 10% bezogen auf die Trockenmasse in dieser Klarphase. Damit ist der Proteinquark mit ca. 20% +/- 4% TS deutlich ölärmer, nämlich mit nur noch 0,6% +/- 0,4%.
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Ferner gehen die Stoffe zum Großteil in die Klarphase, die im ethanolisch-wässrigen Milieu lösbar sind. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass der Fluidanteil im Fällungsalbumin mehr als 60% des Fluides in der Suspension entspricht, die in dieser Fällungsstufe zur Trennung gebracht wird. Bei einem Teil der gelösten Stoffe handelt es sich um Aromakomponenten (phenolische Komplexe).
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Der Anteil vom Gesamtprotein, der als Albumin mit der leichten Phase abgetrennt wird, ist signifikant klein gegenüber dem Proteinanteil, der als Globulin mit dem Proteinquark abgetrennt wird. Typisch sind hier Mengenverhältnisse von 5 bis 8 Gew.% Albuminprotein bezogen auf die Proteinmenge im Globulin.
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Die letzte Stufe des Verfahrens stellt die Waschung 106 des Proteins 15 dar. Dies ist in 6 dargestellt. Hier wird dem Proteinquark 15 aus der Fällungsstufe 105 im bevorzugten Anteil von 70-130 Gew.% Wasser 16 zugegeben, durch Mischen 106-1 eine Suspension gebildet, durch Verweilen 106-2 ein günstiges Auswaschen von löslichen Bestandteilen erreicht und anschließend im Schritt des Separierens 106-3 wieder abgetrennt.
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Damit hat das Gemisch einen TS-Wert von ca. 10% m/m. Volumenbezogen werden circa 50 % als gewaschener Quark mit ca. 20% TS m/m als Feststoffsuspension (Quark) gewonnen.
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Die Mischung erfolgt im Rührkessel bei Rührgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/s an der Peripherie des Rührwerkes. Die Verweilzeit ist mit zumindest 5 min, vorzugsweise 6-15 min relativ gering.
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Die Temperatur liegt bei ca. 40-55°C vorzugsweise 50°C. Das abgetrennte Waschwasser 12 enthält weniger als 2% TS und kann als Proteinwaschwasser dem ersten und/oder zweiten Extraktionsschritt 103, 104 zugeführt werden.
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Die Trennung erfolgt erfindungsgemäß zentrifugal mit einem Trenndekanter in eine quarkartigen Feststoffdispersion 17 und einen fast wässrigen Oberlauf als Proteinwaschwasser. Das Waschwasser kann ggf. nach einer Aufreinigung, als Verdünnungswasser zur ersten und /oder zweiten Extraktion verwendet werden.
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Alternativ ist es auch als Waschwasser für die Vorwäsche 102 verwendbar. Letzteres hat sogar den Vorteil, dass das Waschwasser der Vorwäsche verlorenes Wasser ist und somit keine oder nur eine sehr geringe zwischenzeitliche Anreicherung ausgewaschener Aromastoffe und von Ölanteilen im Extrakt erfolgt.
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Die Proteinverluste im Waschwasser 12 liegen absolut bei unter 1 Gew.%. Dessen Anteil stellt mit weniger als 2 Gew.% des Proteins im Rohmaterial eine geringe Menge dar. Dagegen ist der Proteingehalt im gewaschen Proteinquark mit über 70%, sogar über 73%, nahezu unverändert zum Wert vor der Waschung geblieben.
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Sensorisch zeigt sich eine deutliche Abnahme des bitteren und hanftypischen Geschmackes durch den Schritt der Waschung 106.
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Schließlich erfolgt ein Trocknen 107 des proteinreichen Proteinquarks 17, insbesondere unterhalb von 55°C und vorzugsweise optional bei Unterdruck, zu einem Proteinpulver 21.
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7 zeigt nochmals den Einfluss des pH-Werts auf den Trockensubstanzgehalt im Oberlauf. Dieser Oberlauf ist die Klarphase nach der Fällung. Um einen Verlust an Protein relativ gering zu halten, sollte der Proteingehalt dieser Phase möglichst gering gehalten werden.
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Wie man erkennt, ist der Übergang von Proteinen in die Klarphase im vorbeschriebenen isoelektrischen Punkte ideal, so dass keine Produktverluste auftreten.
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Eine Verkapselung der Proteine, was ein zusätzliches Abtrennen der Kapselmaterials erfordern würde, findet im Prozess nicht statt. Zudem erfolgt keine Erhöhung der Temperatur im Prozess auf über 55°C, was eine Denaturierung begünstigen würde.
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Ebenfalls findet während des gesamten Verfahrens zur Gewinnung von Proteinen aus Hanf keine zusätzliche Salzzugabe in quantitativen Mengen zum Zwecke des Aussalzens statt.
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8 zeigt ein Diagramm der Trockenmasseausbeute im Verhältnis zur Ethanolkonzentration nach der Fällung in Schritt D bei neutralem bis saurem pH-Wert.
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Die markierten Messpunkte 151 zeigen den Anteil an Trockenmasseausbeute in der alkoholisch-wässrigen Phase nach der Ethanolzugabe bei neutralem pH-Wert und die oberen Messpunkte 150 zeigen den Anteil an Trockenmasse in der abgetrennten Proteinphase nach Säurezugabe.
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Man erkennt, dass unabhängig von der Ethanolkonzentration wenig proteinhaltige Trockenmasse in der ethanolisch-wässrigen Phase anfällt. Daraus wurde geschlussfolgert, dass eine Vorwäsche mit Wasser bei neutralem pH-Wert zu sehr geringen Produktverlusten führt.
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9 zeigt schematisch die Phasen von Zentrifugengläsern nach der zentrifugalen Behandlung an den jeweiligen Stufen des Verfahrens. Dabei stellt eine erste Darstellung einen Verfahrensverlauf mit Vorwäsche und eine zweite Darstellung einen Verfahrensverlauf ohne Vorwäsche dar.
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Man erhält für den Prozess ohne Vorwäsche nach der ersten Extraktion eine Emulsionsphase 201 umfassend Öl, Proteine sowie ggf. Anteile an Wasser.
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Weiter erhält man eine wässrige Extraktionsphase 202 umfassend Proteine, Zucker und unerwünschte Phenole als Ölbegleitstoffe.
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Zudem erhält man eine Feststoffphase 203 aus Schalen, Protein, Phenole und sonstige Verbindungen.
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Nach der pH-Wertverschiebung und Fällung in Schritt D erhält man sodann folgende Phasen. Eine flüssige Extraktphase 204 umfassend gelöste Stoffe wie z.B. Phenole sowie eine Feststoffphase 205 umfassend Proteine.
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Ähnliche Beobachtungen wurden bei dem Verfahrenserlauf mit der Vorwäsche gemacht, allerdings fielen bereits bei der Vorwäsche eine Emulsion 201 umfassend Öl und Proteine an. Weiterhin wurde eine flüssige Phase 206 gebildet, die Zucker, Phenol und weniger als 5 Gew.% Proteine umfasst.
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Zudem wurde eine Feststoffphase 207 gebildet, die Schalen, Proteine, Phenole und dergleichen aufweist.
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Durch die vergleichsweise reinen Phasen 206 und 207 nach der Vorwäsche wird daraus nach der Extraktion eine flüssige Phase 202 gebildet umfassend Proteine, Zucker und Phenole.
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Die Feststoffphase 203 selbst enthielt lediglich Schalen und Proteine. Schließlich erfolgt eine Fällung unter Bereitstellung einer Proteinphase 205 und einer flüssigen Phase 204.
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Die Aufteilung der Phasen ist wie folgt:
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Für die erste Extraktion (ohne Vorwäsche): 25 Vol. % Feststoffe 203, 72 Vol.% Flüssigphase 202 und 2 Vol.% Emulsion 201.
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Für die Fällung (ohne Vorwäsche): 20 Vol.%. Feststoffe (Proteine) 205 und 80 Vol.% wässrig-ethanolische Phase 204.
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Für die Vorwäsche: 30 Vol% Feststoffephase 207, 67 Vol.% wässrige Phase 206 und 3 Vol.% Emulsion 201.
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Für die erste Extraktion (mit Vorwäsche): 25 Vol% Feststoffe 203, 75 Vol% Flüssigphase 202.
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Der Anteil an Polyphenolen in der Proteinphase in der Variante ohne Vorwäsche ist höher als in der Variante mit Vorwäsche.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hanf-Presskuchen
- 2
- Wasser
- 3
- wässrige proteinarme Verunreinigungsphase
- 4
- proteinreiche vorgewaschene Phase
- 5
- Wasser
- 6
- Verdünnte NaOH-Lauge
- 7
- leichte Phase
- 8
- Schalenfraktion
- 9
- Wasser
- 10
- Verdünnte Natronlauge
- 11
- Schalenfraktion
- 12
- Proteinwaschwasser
- 13
- wässrige Proteinfraktion
- 14
- Klarphase
- 15
- Proteinquark
- 16
- Wasser
- 17
- Feststoffdispersion
- 18
- Säure
- 19
- Alkohol
- 20
- Schalenpulver
- 21
- Proteinpulver
- 101
- Bereitstellen von Hanf-Pressresten
- 102
- Vorwäsche
- 102-1
- Suspendieren
- 102-2
- Verweilen
- 102-3
- Phasentrennung
- 103
- Extraktion
- 103-1
- Suspendieren
- 103-2
- Alkalisieren
- 103-3
- Verweilen
- 103-4
- Phasentrennung
- 104
- zweite Extraktion
- 104-1
- Suspendieren
- 104-2
- Alkalisieren
- 104-3
- Rühren
- 104-4
- Phasentrennung
- 105
- Fällung
- 105-1
- Verblenden
- 105-2
- Zugabe von wäßrigen Alkohol
- 105-3
- Einstellen des pH-Werts
- 105-4
- Phasenseparation
- 106
- Waschung
- 106-1
- Suspension
- 106-2
- Verweilen
- 106-3
- Separieren
- 107
- Trocknen
- 108
- Trocknen
- 201
- Emulsionsphase
- 202
- Extraktionsphase
- 203
- Feststoffphase
- 204
- Extraktphase
- 205
- Feststoffphase
- 206
- wässrige Phase
- 207
- Feststoffphase
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/043157 A1 [0008]
- WO 2005/094603 A1 [0009]
- WO 2006/003110 A1 [0010]
- WO 2019/213757 A1 [0011]
