DE1767912B2 - Verfahren zur Herstellung hochreiner Maltose - Google Patents

Verfahren zur Herstellung hochreiner Maltose

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von maltose hoher Reinheit durch Verflüssigung von Stärke und anschließende enzymatische Verzuckerung.
Bisher gewann man Maltose aus Stärke durch Verflüssigung beispielsweise mittels Beta-Amylase und nach Zusatz von Malz durch Verzuckerung unter Einwirkung der Malz-Amylase, d. h. einem Gemisch von Alpha- und Beta-Amylase. Die verzuckerte Lösung erhielt aber höchstens 70% reine Maltose, selbst wenn die Menge an Beta-Amylase durch Anwendung von Malz mit einem recht hohen Gehalt an Beta-Amylase vermehrt war.
Das Aufarbeiten einer derart verzuckerten Lösung ist äußerst schwierig, da eine Reinigung durch Rekristallisation nicht erfolgen kann. Deshalb wird das Erzeugnis in der Regel entweder durch fraktionierte Ausfällung mit Alkohol oder durch Rekristallisation eines Derivats raffiniert. Jedoch kann sogar die beste der im Handel befindlichen Maltose nicht bis zu einer Reinheit von über etwa 93% raffiniert werden; sie enthält vielmehr Dexirine, Mal/.-Triose, Glucose und andere Verunreinigungen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Entwicklung eines einfachen und wirksamen Verfahrens zur Herstellung von Maltose hoher Reinheit durch Verzuckerung verflüssigter Stärke mit Beta-Amylase. Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch eine Verzuckerung mit Beta-Amylase in Gegenwart von Alpha-I.ö-Glucosidascn, die bekanntlich bei der Spaltung der ,i-l.ö-glucosidischen Bindungen im Amylopektin der Stärke spezifisch mitzuwirken befähigt sind, eine Maltose hoher Reinheit erzeugt wird.
Das erfindiingsgemäßc Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in bekannter Weise verflüssigte und auf den pH-Wert von etwa b eingestellte Stärke mittels Beta-Amylase oder einem Gemisch von ßcta- und Alpha-Amylase. jeweils in Gegenwart einer oder mehrerer Arten von Alpha-I.b-Glycosidascn. vcr/.ukkert.
Die* Verflüssigung der Stärke kann mit Säure, einem amylolytischen Enzym wie Alpha-Amylasc oder durch I lit/.cgclutinicrung erfolgen.
Alpha-1.6-GlucosidaJicn bciwrkcn, wie gesagt, die Spaltung der alpha-1.6 glycosidisehen Bindung am Vcr/wcigungspiinki des Amylopcklins der Stärke zu eitler Gcrailkcttciisiiiiklur. wie Ann lose, die sich durch Beta-Amyhise leicht /erlegen IiIIIl. Hierdurch wird das Ver/uckeriingsverniögiMi der verflüssigen Stärke mit Hilft· von Bctii-Amvliisc verbessert, ohne dall ein Dextrin mit einer alpha-1,6-glucosidischen Bindung zurückbleibt Andererseits wird die Erzeugung von Nebenprodukten wie Malz-Triose und Glukose durch Benutzung von verflüssigter Stärke mit einem niedrigen D.E-Wert gehemmt. Vor allem durch das Zusammenwirken vorgenannter Maßnahmen wird eine Maltoselösung hoher Reinheit gewonnen.
Alpha-1,6-Glucosidasen schließen erstens die PuIIuIanase ein, die mit Hilfe des Bakterienstammes Aerobacter aerogenes gemäß Patentanmeldung P 17 67 6543 gewonnen wird. Zweitens gehört zu den Alpha-1,6-GIycosidasen auch die Iso-Amylase, die mittels Pseudomonas amyloderamosa gemäß Patentanmeldung P 17 67 653.8 gewinnbar ist.
Die Verwendung eines Gemisches verschiedener Arten von Alpha-1,6-Glucosidasen statt nur einer einzigen Art bewirkt einen erhöhten Maltose-Ertrag. Die verstärkte Erzeugung an Maltose durch gleichzeitige Verbindung verschiedener Alpha-1,6-Glucosidase-Arten ist besonders auf das verschiedene Spaltungsvermögen der Puüulanase und der !so-Amy!ase zurückzuführen.
Wenn eine aus verflüssigter Stärke mit Beta-Amylase und Alpha-1,6-Glucosidase gewonnene verzuckerte Lösung in gewohnter Weise gereinigt wird, machen äußerst kleine Mengen an hochmolekularen Dextrinen die Reinigung mit einem lonenausiauscherharz sehr schwierig und ergeben leicht ein trübes Produkt. Diese Erscheinung wird durch Zusatz von Alpha-Amylase
JO während der Verzuckerung behoben.
Die Aktivität der angewandten Enzyme wurde wie folgt bestimmt
(a) Bestimmung der Aktivität der Alpha-l.ö-Glucosi- }. dase:
Eine Reaktionslösung, bestehend aus
Enzymlösung I ml
I %iger Lösung löslicher klebriger
Reisstärke 5 ml
O.SM-Essigsäure-Puffcrlösung vom pH 6 ImI,
läßt man bei 40QC 30 min reagieren. 0,5 ml des Reaktionsgemisches und 05 ml einer 0,Oi M-Jodlösung werden zu 15 ml Wasser zugegeben. Nach 4- 15 min wird die Absorption bei einer Wellenlänge
von blOpm bestimmt und die enzymatisch^ Aktivität für eine Änderung von 0,1 zu 10 Einheiten angenommen.
(b) Bestimmung der Aktivität von Hem-Amylase:
l(' Eine Mischlösung, bestehend aus
I %iger löslicher Stärke
0.1 M-Essigsäure-Pufferlösung
En/.ymlösung
5 ml
4 ml
1 ml
läßt man bei 40"C 30 min reagieren. Der so erhaltene reduzierende Zucker wird als Glucose gewcrtel; wenn er 10 mg Maltose enthält, wird er als eine Einheit gewertet.
(c) Bestimmung der Aktivität der Alpha-Aniyla.sc:
Diese wird in Übereinstimmung mil Abschnitt 11-12-1 a auf Seile 88 der »Analysis Methods of Starch Sugar industry« (herausgegeben von der Society for Technical Research of Starch Sugars) ermittelt.
In den nachfolgenden Versuchen werden die mittels der crfindiingsgemäli angewandten Verfahrenshedingtingcn erzielten Wirkungen nachgewiesen:
Versuch I
Wirkung der Pullulanase-Mitverwendung
Ein 10%iger wäßriger Stärkebrei aus Süßkartoffeln wird mittels Alpha-Amylase bis zu einem Dextrose-Äquivalent (D. E.) von 2,7 verflüssigt und hierauf auf zweierlei Weise bei45°C in 16 h verzuckert:
Lösung (A):
unter Anwendung von
25 Einheiten Beta-Amylase
je g Stärke;
Lösung (B):
unter Benutzung von
25 Einheiten Beta-Amylase und
10 Einheiten Pullulanase
je g Stärke.
Die Zusammensetzung der in den erhaltenen verzuckerten Lösungen enthaltenden Feststoffe sind in Tabelle I wiedergegeben.
Aus dieser ist ersichtlich, daß bei Anwendung von Beta-Amylase für sich allein der Maltosegehalt der verzuckerten Lösung (A) nur 69,6% beträgt, während derjenige bei Mitverwendung von Pullulanase (Lösung B) 90% übersteigt.
Tabelle I
Lösung Maltose Glucose Malz-Triose Dextrin
A B
69,6
90,4
1,1
0,4
3,5
1,3
25,7
Versuch 2
Wirkung des Alpha-Amylase-Zusatzes
Es werden aus verflüssigter Stärke folgende zwei Vergleichslösungen mit einem Zuckergehalt von 39,4% bereitet:
Lösung (C):
durch Verzuckerung mit Beta-Amylase und Pullulanase:
M Lösung (D):
durch Verzuckerung mit Beta-Amylase. Pullulanase und Alpha-Amylase.
Beide Lösungen wurden mit Ionenaustauschharz gereinigt. Die Ergebnisse sind in Tabelle Il zusammengestellt. Wie hieraus zu ersehen, läßt sich die Lösung (C) mit Ionenaustauschharz beinahe überhaupt nicht reinigen, wogegen sich die Lösung (D) leicht reinigen läßt.
Tabelle
Losung Starke Säure/mittelstarke Base
Zweibett-Vorbehu, llung
Starke Säure/starke Base
Gemischtbett-Behandlung
8maligcr Durchgang des Lösungsvolumens auf Basis des sauren
Harzvolumens
Kolonne 5 XlO4Cm
20mali.ger Durchgang des Lösungsvolumens auf Basis sauren Harzvolumens
Kolonne I XlO5 cm
2maliger Durchgang des Lösungsvolumens auf Basis des
Harzvolumens/pH 3,7
Kolonne 8X 103-
cm
40ma!iger Durchgang des Lösungsvolumens auf Basis des Harzvolumens/pH 5,0
Kolonne I xi03cm
Versuch J
Wirkung eines Gemisches von Alpha-I.b-Glycosidasen
Bei jedem Versuch νιτ/iickcrtc man eine gelatinierte Lösung mit einem GehVu von 2% Süßkartoffel-Stärke bei 4TC in 64 h mittels der gleichen F.nzymmengc.
wobei die in Lösung Z verwendete Pullulanascmenge der in Lösung F benutzten vereinten Menge an Pullulanase und Iso-Amylasc gleich war. Die Rrgcbnis.se. d. h. die unterschiedlich hohe Maltosciuisbcutc. ist aus Tabelle III zu ersehen.
Tabelle IH
Losung Kn/.ymgcmisch
Pullulunasc
Bctii-Amylase
Pullulunasc
Iso-Amylase
Hcln-Amyliise
pll Zusiimmensetzung in %
Maltose Glucose
6.0
5.S
93,0 Malz-Triosc
5,1
4,0
Dextrin
1.9
0.9
Versuch 4
Wirkung verschiedener Stärken
Breie mit je 2% verschiedener Stärken werden durch eine 5 min lange Druckbehandlung bei 130°C verflüssigt. Die Stärkekonzentration bei Anwendung von wachshaltiger Maisstärke kann bis zu 5% gesteigert werden. Die erhaltenen Flüssigkeiten verzuckert man in
Tabelle IV
16 h bei 45r C unter Zusatz von
100 Einheiten Beta-Amylase
20 Einheilen Pullulanase und
5 Einheilen Alpha-Amylase.
Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle IV wiedergegeben.
Stärkeart Amylolysegrad Zusammensetzung in % Glucose Malz-Triose Dextrin
D.E. in % Maltose 1,1 4,0 3,1
Kartoffelstärke 59,55 91,8 1,7 4,3 1,7
Maisstärke 59,97 92,3 2,2 3,3 1,9
Wachs haltige 63,38 92,6
Maisstärke
Wie aus dieser zu ersehen, verändern sich der Verzuckerungsgrad und die Reinheit der gjwinnbaren Maltose-je nach der Art des Stärkematerials· wachshaltige Maisstärke zeitigt die besten Ergebnisse; es folgen Maisstärke, Kartoffelstärke sowie lösliche Stärke.
Versuch 5
Wirkung verschiedener Stärkekonzentrationen
Man verflüssigt Stärkebreie mit verschiedener Konzentration von Kartoffelstärke unter Verwendung von Alpha-Amylase bei erhöhten Temperaturen in gewohn-
tcr Weise unter Druck bei !300C in 5 ~,\r, (D. E. 10%) und verzuckert dann jede Versuchsmischung nach Zusatz von
25 Einheiten Pullulanase und
.' Einheiten Beta-Amylase
je g Stärke bei einem pH-Wert von 6,0 und 45°C in 6 h. Die Ergebnisse sind in Tabelle V wiedergegeben. Wie zu ersehen, ist unter den genannten Bedingungen am geeignetesten eine Konzentration des zu verflüssigenden Stärkebreies von etwa 10%.
Tabelle V
Stärkekonzenzentration
D.E. in % Zusammensetzung in %
Maltose Glucose Malz-Triose Dextrin
10
20
56,62
53,7
77,7 75,4
0,2
8,6
8,6
13,4
15,7
Versuch 6 Wirkung des Siärkeverflüssigungsgrades
Für die Verzuckerung wird das Verfahren gemäß Verusch 5 angewandt, jedoch unter Benutzung von
15 Einheiten Beta-Amylase und
22 Einheiten Pullulanase
je g Stärke. Aus der die Ergebnisse zeigenden Tabelle Vl ersieht man, daß, je größer der Verflüssigungsgrad, umso höher der D.E.-Wert ist. je niedriger aber der D.E.-Wert. desto höher die Maltoseausbeute ist.
Tabelle VI D.E.-Endwert
%		 Zusammensetzung in %
Maltose Glucose		 0,6
0,9
1,1		 Malz-Triose Dextrin
Stärkeverflüssi
gungsgrad in %		 53,69
54,86
55,16		 82,0
75,0
68,5		 6,7
13,8
1,0		 10,7
10,3
9,4
3,8
11,8
18,8
Versuch 7
Wirkung unterschiedlicher Pullulanase-Mengen
Es wird ein aus Süßkartoffeln gewonnener 10%iger Stärkebrei verwendet Der Verflüssigungsgrad beträgt 2,5%, und die Verzuckerung wird bei einem pH von 6,0 b5 und 45°C in 36 h durchgeführt, wobei 30 Einheiten Beta-Amylase unr' verschiedenen Mengen Pullulanase je g Stärke benutzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII zusammengestellt.
7 D. E.-Endwert 17 67 912 Glucose 8 Dextrin
% 0,8 7,5
Tabelle VII 55,8 0,9 5,1
Einheiten 57,5 Zusammensetzung in % 1.0 Malz-Triose
Pullulanase 58,9 Maltose 1.1 6,3 25,7
10 58,9 85,4 6,3
20 87,7 13,5
200 92,0 3,5
0 69.6
Die günstige Menge an zuzugebenden Pullulanase beträgt vorzugsweise etwa 20 Einheiten je g Stärke: größerer Zusatz hat eine unerwünschte Wirkung auf die Vcrziickcrungswirkung der Amylose.
Versuch 8
Wirkung unterschiedlicher Beta-Amylase-Mengen
Wenn man /ur Verzuckerung
20 Einheiten Pullulanase und
5 Einheiten Alpha-Amylase
sowie verschiedene Mengen Beta-Amylase je g Stärke anwendet und im übrigen gemäß Versuch 5 verfährt.
HlP
VIII
orsphpnnpn
erhallen.
Tabelle VIII Verzuckerungs 5 D. E.- Zusammensetzung in Glucose % Malz-Triose Dextrin
Einheiten dauer 12 Endwert 0.5 11,0 13,5
Beta-Amylase h 24 % Maltose 2.2 12.2 6,7
46 53,7 75,0 1,6 il.8 3,3
20 6 57,6 78,9 1.4 13,1 3.0
20 12 59,51 83,3 1,1 9,0 10,3
20 24 60.0 82,5 2,2 9,0 6,0
20 46 55,5 79,6 2,0 8,4 2,5
60 59,5 82,8 2,2 7.0 2,5
60 61,3 87,1
60 61,9 88.3
60
Obwohl die Erzeugung der Maltose entsprechend der beigegebenen Beta-Amylase-Menge zunimmt, ist es vom technischen Standpunkt zweckmäßig, 30 bis 60 Beta-Amylase-Einheiten je g Stärke zu verwenden: die Verzuckerungszeit beträgt etwa 46 h.
Versuch 9
Wirkung des Zeitpunkts der Alpha-Amylase-Zugabe
Die Menge der während der Verzuckerung hinzuzufügenden Alpha-Amylase ist begrenzt, da sie lediglich
Tabelle IX
zur Zersetzung des restlichen Dextrins bestimmt ist.
■in Gewöhnlich sind für diesen Zweck 5 Einheiten Alpha-Amylase je g Stärke ausreichend; eine größere Zugabe kann die Reinheit der Maltose verschlechtern. Den Einfluß des Zeitpunkts der Alpha-Amylase-Zugabe zeigt die Tabelle IX. aus der zu ersehen ist, daß eine Zugabe während der Verzuckerung die besten Ergebnisse liefert: jedoch würde eine zu späte Zugabe die beabsichtigte Wirkung nicht eintreten lassen.
Zeitpunkt der Alpha-Amyiase-Zugabe
D.E.-
Zusammensetzung in
Maltose Glucose
Malz-Triose Dextrin
Anfangs
6 h später
12 h später
24 h später
62,82
62,80
62,80
62,90
87,3 1,4 9,1 2,2
87,3 2,2 7,4 3,1
88,2 1,3 7,1 3,4
89,8 1,4 5,9 2,9
Beispiel 1
100 g Maisstärke werden mit 4500 ml kochendem Wasser gelatiniert Die erhaltene wäßrige Dispersion unterwirft man für 5 min einem Druck bei 1300C, kühlt dann auf 45°C ab und stellt den pH-Wert auf 6,0 ein. Nach Zugabe von
100 Einheiten Beta-Amylase und
20 Einheiten eines durch Aussalzen gewonnenen Puiluianase-Enzyms
(beschrieben in der Patentanmeldung
P 17 67 6545)
je g Stärke wird die Mischung in 48 h bei 450C verzuckert. Die verzuckerte Lösung wird dann in gewohnter Weise erhitzt, filtriert, konzentriert und durch Entfärbung gereinigt. Nach Eindampfen bis auf einen Wassergehalt von 15% erhält man farblose Kristalle. Die Analyse der Trockenbestandteile ergibt, daß eine aus 93,0% Maltose, 1,5% Glucose, 4,0% Malz-Triose und 1,5% anderen Bestandteilen bestehende hoch· eine Maltose gewonnen ist.
Beispiel 2
100 g wachshaltigcr Maisstärke werden gemäß Beispiel 1 gelatiniert und nach Zusatz von
100 Einheiten Beta-Amylase und
20 Einheiten Pullulanase
je g Stärke bei 45'C 10 h und nach Zugabe von 5 Einheiten Alpha-Amylase je g Stärke noch 45 h verzuckert. Das Reaktionsgemisch wird nun gekocht, entfärbt, konzentriert und mit Hilfe eines im Handel befindlichen lonenaustauscherharzes auf Polystyrolgrundlage gereinigt. Nach einem weiteren Konzentrieren erhält man ein völlit.' festes Produkt mit einem Wassergehalt von 130O. Die Analyse der Trockenbesfindteile ergibt einen Gehalt von 93,5% Maltose. Die 70%ige Lösung kristallisiert unter Bildung von Mikrokristallen. Durch Fraktionierung der Kristalle gewinnt man Maltose mit einer Reinheit von 96 bis 97%.
Beispiel 3
100 g wachshaltiger Maisstärke werden nach Gelatinieren gemäß Beispiel I mit
25 Einheiten Beta-Amylase
20 Einheiten Pullulanase und
40 Einheiten Alpha-I,6-Glycosidase
(Iso-Amylase, bereitet mit Hilfe des Bakterienstammes Pseudomonas amyloderamosa
nach Patentanmeldung P 17 67 653.8)
je g Stärke versetzt. Nach Einstellen des pH-Wertes des Gemisches auf 5,5 verzuckert man es bei 45"C 46 h, kocht hierauf, reinigt in üblicher Weise mit Aktivkohle und konzentriert. Der gewonnene Sirup enthält 13% Wasser und kristallisiert unmittelbar. Feststoffausbeute 95% mit einem Maltosegehalt der Feststoffe von 95%.
Beispiel 4
Ein aus 500 g Kartoffelstärke bereiteter Brei mit etwa 30% Stärke wird nach Zugabe von im Handel erhältlicher 0,2%iger Alpha-Amylase beim pi I 6 und bei 88°C bis zum D.E.-Wert 2,7 verflüssigt. Sodann führt man den Brei durch Zusatz von heißem Wasser in eine Lösung mit einem Feststoffgehalt von 10% über.
Nunmehr werden
50 Einheiten Beta-Amylase und
25 Einheiten Pullulanase
und nach I5stündigem Verzuckern beim pH-Wert 6 und bei 45"C 5 Einheiten der obigen Alpha-Amylase je g Stärke zugegeben. Die Gesanitdauer der Verzuckerung beträgt 48 h. Das Reaktionsgemisch wird nunmehr erhitzt, filtriert, mit Aktivkohle und lonenaustauscherharz in der gewohnten Weise gereinigt und durch Konzentrieren auf einen Wassergehalt von 15% zum Kristallisieren gebracht. Ausbeute an Feststoff 92% mit einem Maltosegehalt der Feststoffe von 94%.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung hochreiner Maltose aus Stärke durch Verflüssigung und anschließende Verzuckerung mittels Amylase, dadurch gekennzeichnet, daß man in bekannter Weise verflüssigte und auf den pH-Wert von etwa 6 eingestellte Stärke mittels Beta-Amylase oder einem Gemisch von Beta- und Alpha-Amylase, jeweils in Gegenwart einer oder mehrerer Arten von Alpha-1,6-Glucosidasen, verzuckert.
2. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß man als Alpha-1,6-Glucosidase PuIIuIanase oder Iso-Amylase verwendet.
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