DE1517833A1

DE1517833A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Staerke und anderen Polysacchariden in dextrose- und maltosehaltige Erzeugnisse

Info

Publication number: DE1517833A1
Application number: DE19661517833
Authority: DE
Inventors: Kroyer Karl Kristian Kobs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-09-09
Filing date: 1966-09-06
Publication date: 1970-01-22
Also published as: GB1157515A; DK120940B; BE686700A; US3592734A; NL6612585A

Description

Karl Kristian Kobs Kr0yer, Fabrikant, Vester Kongevej 80, Aarhus - Viby, Dänemark.

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Stärke und anderen Polysacchariden in dextrose- und maltosehaltige Erzeugnisse.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Stärke und anderen Polysacchariden in dextrose- und Maltosehaltige Erzeugnisse, bei welchem Verfahren Stärkemilch oder ein ähnliches Polysacchariderzeugnis zunächst einer enzymatischen Verflüssigung und anschliessend einer enzymatischen Verzuckerung unterworfen wird.

Es ist bekannt, dextrose- und maltosehaltige Erzeugnisse durch Säurehydrolisierung von Stärke herzustellen. Bei einem solchen bekannten Verfahren wird mit verdünnter Säure, wie z.B. Schwefelsäure oder Salzsäure versetzte Stärkemilch auf eine Temperatur von 12o-14-o°C erhitzt.

Die bekannten Säurehydrolisierungsmethoden leiden indessen an dem Nachteil, dass die gebildeten Enderzeugnisse verhältnismässig niedrige DE-Werte, und zwar nicht über etwa 9o, aufweisen, was damit zusammenhängt, dass sich bei der Säurehydrolyse zwischen den erwünschten Abbauerzeugnissen und den sogenannten Reversionserzeugnissen ein Gleichgewicht einstellt.

Man hat versucht, die von der Bildung der genannten Reversionserzeugnisseji herrührenden Probleme dadurch zu [lösen, dass man die Stärkemilch zunächst einer Säurehy-909884/0662

Hdrolyse unterwirft und danach diese durch Zusatz einer Base unterbricht, wonach Verzuckerungsenzyme zugesetzt werden, um eine enzymatische Verzuckerung hervorzurufen. Bei diesem Verfahren war es indessen noch nicht möglich, Enderzeugnisse mit dem erwünschten hohen DE-Wert von 95 und darüber zu erhalten, weil die durch die Säurehydrolyse gebildeten Reversionserzeugnisse nicht durch die enzymatischen Verzuckerungsenzyme abgebaut werden.

Bei der Herstellung von Stärkeabbauerzeugnissen mit hohen DE-Werten hat man deshalb in den meisten Fällen enzymatische Verfahren benutzt. Bei einem solchen bekannten Verfahren wird eine Mischung von Stärkemilch und einem Verflüssigungsenzym auf eine Temperatur oberhalb der Gelatinierungstemperatur der Stärke, z.B. auf eine Temperatur von etwa 85⁰C, erhitzt. Nach einer Aufenhaltszeit von einigen Minuten bei dieser Temperatur wird das verflüssigte Erzeugnis auf eine Temperatur von 60⁰C gekühlt und anschliessend in einen Verzuckerungsbehälter übergeleitet, wo es mit Verzuckerungsenzym versetzt und danach für 3-4 Tage bei der genannten Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise kann ein Abbauerzeugnis mit einem DE-Wert von 95-98 oder noch höher hergestellt werden.

Es hat sich indessen gezeigt, dass das durch Verzuckerung gebildete Erzeugnis kleinere Mengen von ungelösten Erzeugnissen, wie nicht umgewandelter oder teilweise umgewandelter Stärke, sowie im Ausgangsmaterial enthaltenen unlöslichen Fremdstoffen enthält.
ι Bevor ein Eindampfen der dextrose- und maltosehaltigen

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["Lösung stattfindet, müssen diese ungelösten Erzeugnisse entfernt werden, was im allgemeinen durch Filtrierung erfolgt. Eine solche Filtrierung ist indessen mühsam und

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sehr zeitraubend, die genannten ungelösten Erzeugnisse die Filterporen verstopfen.

Es wurde vorgeschlagen, den Inhalt der genannten ungelösten Erzeugnisse in dem durch die Verzuckerung gebildeten Erzeugnis dadurch herabsetzen, dass die Verflüssigung in zwei getrennten Stufen mit zwischenliegender Erhitzung auf eine Temperatur wesentlich über 1oo°C ausgeführt wird, und dass nach der genannten Erhitzung ein erneuter Zusatz von Verflüssig',ngsenzym stattfindet. Die genannte Erhitzung bewirkt, dass gewisse Teile der StärkemolekUle, die nicht von den Enzymen abgebaut werden, thermisch abgebaut werden. Wegen des Zusatzes von Enzymen in beiden Verflüssigungsstufen entsteht bei diesem Verfahren ein recht wesentlicher Enzymverbrauch.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren der geschilderten Art zu schaffen, durch das ein Enderzeugnis mit hohem DE-Wert hergestellt werden kann, ohne dass gleichzeitig Stoffe gebildet werden, die die Filtrierung des genannten Enderzeugnisees erschweren.

Zu diesem Zweck wiref erfindungsgemäss die Stärkemilch oder ein ähnliches Polysaechariderzeugnis zunächst einer Bilden Säurebehandlung unter Druck und bei gleichzeitiger Erhitzung auf eine Teeperatur von über 1oo°C und an- schlieseend einer Neutralisierung und Kühlung auf einen ypH-Wert bzw, eine Temperatur, die für Verflüssigung 90988A/0562

I zweckmässig sind, unterworfen, wonach das so erhaltene Erzeugnis einer enzymatisehen Verflüssigung und schliesslich einer enzymatisehen Verzuckerung unterworfen wird. Mit dem Ausuruck "milde Säurebehandlung" wird eine solche Hydrolisierung der Stärke gemeint, dass diese nach der Säurebehandlung einen DE~Wert von weniger als 1o aufweist. Eine solche milde Säurebehandlung kann entweder als eine kurzdauernde Behandlung mit einer starken Säure oder als eine Behandlung für längere Zeit mit einer schwächeren Säure ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Säurebehandlung in einem Zeitraum von etwa 5 Minuten bei einem pH-Wert von 1,8-2,5 und bei gleichzeitiger Erhitzung auf eine Temperatur von etwa Ho C vorgenommen. Es kann indessen auch eine niedrigere Temperatur verwendet werden, falls die Behandlung über einen längeren Zeitraum hinausgedehnt wird.

Durch die milde Säurebehandlung wird eine einleitende Hydrolisierung der Stärkekörner hervorgerufen, was mit sich führt, dass die Viskosität der erhitzten Stärkemilch in einem solchen Grad herabgesetzt wird, dass die Stärkemilch durch einen rohrförmigen Wärmeaustauscher gepumpt werden kann. Während der Erhitzung der Stärkemilch auf die verhältnismässig hohe Temperatur erfolgt ein Abbau der kristallinischen Bereiche der Stärkekörner, der sogenannten Kristalite, deren Molekülketten und -fäden bei einer normalen enzymatischen Verflüssigung nicht von den Enzymen abgebaut werden. Es sind mutmasslich u.a. diese

[nichtabgebauten oder nur teilweise abgebauten Moleküle der 90988k /0562

'Kristalite, die bei den bekannten Verfahren die Schwierigkeiten bei der Piltrierung des gebildeten Enderzeugnisses hervorrufen.

Nachdem das durch die Säurebehandlung gebildete Erzeugnis neutralisiert worden ist, und Verflüssigungsenzyme zugesetzt worden sind, entsteht indessen die Möglichkeit, dass diese Enzyme leichter die durch den Abbau der Kristalite freigemachten Molekülketten und -fäden angreifen und abbauen können. Um zu vermeiden, dass während der Säurebehandlung Reversionserzeugnisse gebildet werden, muss aber diese verhältnismässig kurzdauernd und wie genannt mild sein, so dass nur in begrenztem Umfang solche Abbauerzeugnisse gebildet werden, aus welchen die Reversionsprodukte gebildet werden.

Hierdurch wird erreicht, dass das nach Kühlung und Zusatz von Verzuckerungsenzym einer enzymatischen Verzuckerung zu unterwerfende Erzeugnis nur sehr kleine Mengen von Stoffen, die durch die Verzuckerungsenzyme nicht abgebaut werden können, enthalten.

Es ist wichtig, dass die Kühlung des durch die einleitende Säurebehandlung gebildeten Erzeugnisses schnell erfolgt, und dass sofort hiernach Verflüssigungsenzym zugesetzt wird. Dies hangt damit zusammen, dass Stärke bei einer niedrigen Temperatur die Neigung hat zu retrogradieren, wodurch Erzeugnisse gebildet werden, die durch die enzymatische Verflüssigung und die anschliessende enzymatisch^ Verzuckerung nicht abgebaut werden. Me LKühlung des neutralleierten Erzeugnisses erfolgt deshalb 909884/0562

I zweckmässig in einem Entspannungszyklon bei gleichzeitiger Einführung von Verflüssigungsenzym am Boden des Zyklons. Hierdurch wird erreicht, dass die VerflUssigungsenzyme mit dem gekühlten Erzeugnis gründlich gemischt werden, und dass die Enzyme sofort nach der Abkühlung auf die Verflüssigungstemperatur in Punktion treten.

Die enzymatische Verflüssigung wird zweckmässig bei einer Temperatur von etwa 88⁰C ausgeführt, während das Erzeugnis gleichzeitig durch ein Umwandlerrohr hindurchgeführt wird.

Nachdem die Verflüssigung beendet ist, wird das Erzeugnis auf eine geeignete Verzuckerungstemperatur, d.h. eine Temperatur von etwa 60⁰C, gekühlt und in einen Verzuckerungsbehälter übergeleitet, worin das Verzuckerungsenzym zugesetzt wird.

Bei einem bevorzugten Au£führungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird das mit Säure behandelte Erzeugnis, nachdem die Neutralisierung stattgefunden hat, aber vor der Kühlung und dem Zusatz von Verflüssigungsenzym, einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von über 1oo°C unterworfen. Hierdurch wird ein weiterer Abbau der Kristalite erreicht, und die Neigung zur Bildung von Reversionserzeugnissen somit weiter herabgesetzt.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Ausübung des beschriebenen Verfahrens. Erfindungsgemäss enthält diese Vorrichtung eine Serienschaltung von einem Wärmeaustauscher, Mitteln um Stärkemilch mit zugesetzter Säure unter hohem Druck durch diesen Wärmeaus-909884/0562

ptauscner zu pressen, Mitteln um in die gesäuerte Stärkemilcn eine Base einzuleiten, um diese zu neutralisieren, einem ersten Kühler zur schnellen Kühlung des neutralisierten Erzeugnisses, Mitteln um ein Verflüssigungsenzym einzuführen, Mitteln um das neutralisierte gekühlte Erzeugnis mit zugesetztem Verflüssigungsenzym durch einen Um>-wandler und einen zweiten Kühler zu pressen und in einen Verzuckerungsbehälter einzuleiten, der mit Mitteln zur Einführung eines Verzuckerungsenzyms versehen ist. Als Wärmeaustauscher für die Heizung von Stärkemilch mit zugesetzter Säure wird vorzugsweise der in der deutschen Patentanmeldung No. K 14844 IVa/89i beschriebene Wärmeausteuscher verwendet. Durch die Verwendung dieses Wärmeaustauscners wird eine schnelle Heizung des Stärkematerials erreicht, was bedeutungsvoll ist, um Verstopfen des Wärmeaustauschers beim Durchlaufen des Gelatinierungstemperaturbereiches zu vermeiden.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden, die ein Strömungsdiagram für eine Ausführungsiorm einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt.

Auf der Zeichnung bezeichnet 1 einen Behälter für Stärkemilch und Säure, die durch ein Rohr 2 bzw. 3 zugeleitet werden. Der Behälter ist ferner mit einem Rührwerk 4 versehen und durch ein Rohr 5, worin eine Membranpumpe ό eingeschaltet ist, mit einem Wärmeaustauscher 7 der in der deutschen Patentanmeldung No. K 14844 IVa/89i angegebenen Art verbunden |he>4. Dieser Wärmeaustauscher 7 ist mit ■ einem Rohr 8 für die luleitung von Heizdampf und mit einem

Rohr 9 für die Ableitung von nicht-kondensiertem 909884/(fS 62

und Kondensat versehen. Der Wärmeaustauscher 7 ist an das eine Ende eines Umwandlerrohres 1o angeschlossen, dessen anderes Ende mit einem Entspannungszyklon 11 verbunden ist. Vor dem Entspannungszyklon 11 ist ein Rohr 12 zur Einführung einer Base in das Umwandlerrohr, sowie ein Gegendruckventil 13 vorgesehen. Falls man wünscht, de*· Stärkematerial nach der Neutralisierung, aber vor der Einleitung in d&S Entspannungszyklon 11, einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, wird zwischen das BaseeinfUhrungsrohr 12 und das Gegendruckventil 13 ein Rohrstück entsprechender Länge eingeschaltet. Das untere Ende des Entspannungszy/f-KLons ist mit einem Rohr 14 verbunden, worin eine Pumpe eingesetzt ist. Das Rohr 14 ist ferner mit einem Rohr 16 für die Einführung von VerflUssigungsenzym versehen. Das Rohr 14 verbindet ebenfalls d&& Entspannungszyklon 11 mit dem einen Ende eines Umwandlerrohres 17. Das andere Ende dieses Umwandlerrohres 17 ist mit einem Kühler 18 verbunden, der durch ein Rohr 19 mit einem Verzuckerungsbehälter 2o verbunden ist. Der Behälter 2o hat Rohre 21 und 22 für die Einführung von Verzuckerungsenzym bzw. Säure. An den Boden des Behälters 2o ist ein Rohr 23 angeschlossen, worin ein Ventil 24 eingesetzt ist.

Die Wirkungsweise der gezeigten Vorrichtung ist die folgende:

Stärkemilch wird kontinuierlich durch das Rohr 2 in den Behälter 1 eingeführt, während gleichzeitig durch das Rohr 3 Säure, z.B. Salzsäure, zugesetzt wird. Der Zusatz ivon Salzsäure wird so gewählt, dass der Inhalt des Be-

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I hältera einen pH-Wert zwischen 1,8 und 2,5 erhält. Vom Behälter T wird die Stärkemilch mit zugesetzter Säure mittels der Pumpe 6 in den Wärmeaustauscher 7 hineingepumpt. Im Wärmeaustauscher 7 wird die Temperatur des Erzeugnisses durch Dampferhitzung schnell auf mehr als 1oo°C, vorzugsweise etwa 14o°C, gebraucht. Die schnelle Erhitzung des mit Säure versetzten Stärkematerials hat zur Folge, dass eine einleitende Verflüssigung der gelatinierten Stärkelösung stattfindet, die dadurch eine solche Konsistenz erhält, dass sie durch den Wärmeaustauscher hindurch und weiter durch das ümwandlerrohr 1o gepumpt werden kann. Der Druck im Wärmeaustauseher 7 und im Umwandlerrohr 1o wird auf einen Wert gehalten, der grosser ist als der

et* Dampfdruck bei der verwendeten Temperatur, es mit Rücksicht auf die schnelle Erhitzung wichtig ist, dass keine wesentliche Verdampfung des im Stärkematerial enthaltenen Wassers eintritt. Vorzugsweise werden der Wärmeaustauscher und das Umwandlerrohr auf einem Druck von 15-3o Atmosphären gehalten, es können aber auch grossere Drücke verwendet werden, falls dies notwendig gefunden wird, um eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten.

Am anderen Ende des Umwandlerrohrs 1o wird durch das Rohr 12 Base, z.B. Natriumcarbonat zugesetzt. Die Auf ent· haltszeit des Erzeugnisses im Wärmeaustauscher und im Umwandlerrohr ist verhältnismäßig kurz, nämlich von der Grossanordnung 5 Minuten, wodurch vermieden wird, dass die [Verflüssigung so weit vorschreitet, dass unlösliche und 809884/0562

ίnicht-abbaubare Reversionserzeugnisse gebildet werden. Falls zwischen das Baseeinführungsrohr 12 und das Gegendruckventil 13 ein Rohrstück eingesetzt ist, kann die hohe Temperatur des Stärkematerials nach dem Basezusatz aufrechterhalten werden, wodurch ein weiterer thermischer Abbau erhalten wird, ohne dass gleichzeitig eine weitere Säurehydrolyse stattfindet.

dusch
Nach dem Durchgang xiaü Gegendruckventil 13 strömt

das neutralisierte Material in da» Entspannungszyklon 11, worin eine plötzliche Druckentlastung eintritt, was zur Folge hat, dass ein Teil des Wassers im neutralisierten Material verdampft. Gleichzeitig erfolgt eine sehr schnelle Kühlung des Erzeugnisses, dessen Temperatur dadurch fast augenblicklich auf die Verflüssigungstemperatur, d.h. etwa 88⁰C, gebracht wird. Unmittelbar danach wird durch das Rohr 16 VerflUssigungsenzym, z.B. bakterielle Alfa-Amylase zugesetzt. Die Menge des zugesetzen Verflüssigungsenzyms ist von der Grössenordnung 25o-3oo SKB-Einheiten pro 1oo g trockene Stärke.

Die Mischung des neutralisierten gekühlten Materials und des VerflUssigungsenzyms wird danach mittels der Pumpe 15 in das Umwandlerrohr 17 hineingepumpt, wo eine vollständige Verflüssigung des Materials bei der oben genannten Temperatur von etwa 88⁰C stattfindet. Die Auferihaltszeit des Erzeugnisses im Entspannungszyklon 11 und im Umwandlerrohr 17 ist von der Grössenordnung 2o-3o Minuten.

Nachdem das verflüssigte Erzeugnis das Umwandlerrohr ■verlassen hat, wird ee in den Kühler 18 eingeleitet, wo es

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fauf eine Temperatur vom etwa 60⁰C gekühlt wird, die bei der Verwendung von Amyloglucosidase als Verzuckerungsenzym die optimale Verzuckerungstemperatur darstellt. Das gekiihlte verflüssigte Erzeugnis wird in den Behälter 2o eingeleitet, während gleichzeitig durch das Rohr 21 Verzuckerungsenzym und durch das Rohr 22 Säure eingeführt werden, welch letztere dazu dient, den pH-Wert auf 4-4,5 herabzusenken.

Nach einem Aufenthalt von 72-9o Stunden im Behälter bei der obengenannten Temperatur von etwa 60 C wird das gebildete Erzeugnis, das nun einen DE-Wert von etwa 97 erreicht hat, durch das Rohr 23 an eine nicht gezeigte Filtervorrichtung geleitet, worin die ungelbsten Bestandteile entfernt werden, bevor das Erzeugnis eingedampft wird.

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Claims

Γρ a t entans prtlche.

1. Verfahren zur Umwandlung von Stärke und anderen Polysacchariden in dextrose- und maltosehaltige Erzeugnisse, bei welchem Verfahren Stärkemilch oder ein ähnliches PoIysacchariderzeugnis zunächst einer enzymatischen Verflüssigung und anschliessend einer enzymatischen Verzuckerung unterworfen wird, dadurch gekennz ei chnet, dass die Stärkemilch zunächst einer milden Säurebehandlung unter Druck und bei gleichzeitiger Erhitzung auf eine Temperatur von über 1oo C und anschliessend einer Neutralisierung und Kühlung auf einen pH-Wert bzw. eine Temperatur, die für Verflüssigung zweckmässig sind, unterworfen wird, wonach das so erhaltene Erzeugnis einer enzymatischen Verflüssigung und schliesslich einer enzymatischen Verzuckerung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das säurebehandelte Erzeugnis einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 1oo°C unterworfen wird, nachdem die Neutralisierung stattgefunden hat, aber vor der Kühlung und dem Zusatz von Verflüssigungsenzym.

3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Serienschaltung der folgenden Elemente enthält: ein Wärmeaustauscher,Mittel um Stärkemilch mit zugesetzter Säure unter hohem Druck durch diesen Wärmeaustauscher zu pressen, Mittel um in die gesäuerte Stärkemilch eine Base

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[ einzuleiten, um diese zu neutralisieren, ein erster Kühler zur schnellen Kühlung des neutralisierten Erzeugnisses, Mittel um ein Verflüssigungsenzym einzuführen, Mittel um das neutralisierte gekühlte Erzeugnis mit zugesetztem Verflüssigungsenzym durch einen Umwandler und einen zweiten Kühler zu pressen und in einen Verzuckerungsbehälter einzuleiten, der mit Mitteln zur Einführung eines Verzuckerungsenzyms versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Mittel enthält, um das säurebehandelte Material einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur über 1oo°C zu unterwerfen, nachdem die Neutralisierung stattgefunden hat, aber vor der Kühlung und dem Zusatz von Verflüssigungsenzym.

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