DE1916741A1 - Verfahren zur Gewinnung von Maltosen aus Staerke - Google Patents

Description

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ZELLETiN ü, LUYKEISl

3ν··Γ.;.; ■ - ■;: . _c S κ η χ2

Hayashibara AG.^ Okayama-shi, 31. März 1969

Okayama / Japan SJ/Hu

hao 7047

Verfahren zur Gewinnung von Maltosen aus Stärke

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wirtschaftlichen Gewinnung hochreiner Maltosen hoher Konzentration aus verschiedenen Stärkeaufschlämmungen und ist dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) Stärkeaufschlämmungen einer Konzentration von mindestens 10% bei mindestens 100⁰O gleichmäßig gelatiniert bzw. verflüssigt,

(b) die erhaltenen Lösungen schnell, bevor eine Rückstufung erfolgen kann, abkühlt,

(c) gleichzeitig zwecks Verzuckerung gründlich mit ß-Aaylase und einer e^-1,6-Glucosidase durchmischt und

(d) nach beendeter Verzuckerung in üblicher Weise das Beak« tionsprodukt aufbereitet.

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Die neue Erfindung fußt auf dem Verfahren zur «Gewinnung ii reiner Maltosen nach Patent ... (P 1? 6? 912.9), .^emäß ehern eine verflüssigte oder gelatinierte Stärkeauf schlä^nmung nach Einstellung auf den pH-Wert von etwa 6 der. Einwirkung von ß-Amylase oder einem Geiaisch von ß~ und d/~Amy läse in Gegenwart einer oder mehreren Arten ^-1,6-Glucqsidase ausgesetzt wird. Das Verfahren bezweckt in erster Linie die Behandlung von Amylopektin, dem wichtigsten Stärkebestandteil mit verzweigter Struktur, mit einer der verschiedenen e^~1,6-Glucpr sidasen zwecks Hydrolyse der Seitenketten unter Bildung geradkettiger Moleküle, wie solcher von Amylose, die mit ß~Amyläse vollkommen auf spaltbar sind. Bisher war eine völlige «Auf spal·- tung des Amylopektins mit ß-Amyläse nicht möglich; denn ob- _Λ wohl ß-Amyläse das Amylopektin mit Ausnahme der Seitenketten, allmählich zersetzt, kann sie die Struktur innerhalb d§r ^rer?^ zweigten Bindungen oder der ^ -1,6-Glycosidbindungen nicht zerlegen und hinterläßt daher sogenanntes ß-Grenzdextrin. ^;" ''■

Außer der vollständigen Aufspaltung des Amylopektins bezweckt das vorliegende Verfahren ferner folgendes: Wenn Stärk© durch cL -1,6~Glucosidase vollkommen in Moleküle vom Amy losetyp ... mit geradkettigen Bindungen zerlegt ist, hinterlassen die :■-Amylosemoleküle mit einen ungleichen Polymerisationsgrad^gegebenenfalls^Glukose odervdurch S»Aaylolyse Malstriose j somit auS die Gewinnung von Maltose durch £**A^lo!yse gering sein, wenn die der ß-Aa^lolyse unterworfenen AmyIoaeaoleküle nieder-

BAD ORIGINAL

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molekular sind. Bas bedeutet, daß der zwecks Verflüssigung oder Gelatinierung erefolgende Stärkeabbau bis zu einem möglichst geringen Grad durchgeführt werden soll, - einem Grade, der lediglich ausreicht, um die Stärke in flüssiger Form zu halten. Zu diesem Zweck ist die Anwendung einer Stärkeaufschlämmung mit einer möglichst geringen Konzentration sowie besser eine einfache Gelatinierung der Stärke bis in die Nähe der Neutralität, als eine Verflüssigung mit oC -Amylase oder einer Säure wünschenswert. Gleichwohl ist eine gleichmäßige Gelatinierung von Stärke mit einer Konzentration von 10# oder mehr vom technischen Gesichtspunkt aus so gut wie unmöglich. Daher muß für eine wirtschaftliche Produktion auf ein Verfahren zurückgegriffen werden, bei welchem Rücksichten auf die Konzentration und Reinheit der zu gewinnenden Haitose zu nehmen sind.

Beim Verfahren gemäß Patent ... (P 17 6? 912.8) wird eine Stärkeaufschlämmung bei 100°0 verflüssigt und dann zwecks völliger Zerlegung weiter bei 130°0 erhitzt oder mittels dC-Amylase bei etwa 90⁰O bis zu einem geringen Zersetzungsgrad zerlegt. Jedoch ist die Konzentration vor der Reaktion mit einer *6-1,6-Glucosidase zweckmäßig nicht höher als 10%; dies ist aber su dünn für eine wirtschaftliche Arbeitsweise.

Im Verlauf der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurden zwecks Gewinnung Ainer gleichmäßig verflüssigten bzw. gelati-

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nierte'n hocÄöiekülären ]bosiing versehiedSnairtiige Versüclie bei GeiaMnierun^stemperätüren oberhalb 1ÖÖ°G durchlief ülirt. Die Verflüssigung mit^-Amylase erwies sich zur Ve'rfitläsigung von Hais·» und Weizenstärke als ungeeignet, da das Auftreten kleiner Moleküle als Nebenprodukt nicht vermeidbar isifc. Sodann wurde das Erhitzen und Zerlegen der Stärke in der UJaUe des Neutralpunktes untersucht.

Die Erfinder benutzten hierbei Maisstärke, die gewöhnlich der völligen Gelatinierung widersteht, erhitzten diese bei Konzentrationen über 20% in einem.Autoklaven unter Rühren und beobachteten den Zersetzungsverlauf bei verschiedenen Temperaturen. Es ergab sich, daß die Stärkehydrolyse in einem beträchtlichen Ausmaß eintritt, die Viskosität abnimmt, das Heduktionsvermögen im Verlauf der Zeit sich stark erhöht und bei Temperaturen oberhalb 170⁰G selbst eine Dextrosezersetzung merklich stattfindet. Man fand, daß ein gleichförmig verflüssigtes Produkt erhalten wird, wenn ein gleichmäßiges Erhitzen bei Temperaturen bis zu 170⁰O gewährleistet ist.

Da bei hohen Konzentrationen die Gelatinierung und Zerlegung im Anfangsstadium des Erhitzens eine rasche Erhöhung der Viskosität bewirkt, ist das Arbeiten in einer kontinuierlich betreibbaren Vorrichtung mit starker Rühreinrichtung zweckmäßig. Aus diesem Grunde verwendete man bei den Versuchen eine kontinuierliche Anlage mit direkter Dampfbeheizung, wie sie in

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der japanischen Auslegeschrift Nr. 1998/1964 beschrieben ist. Die Untersuchungen ergaben, daß eine Stärkebreikonzentration von höchstens 40% und eine Temperatur von höchstens 170⁰O, vorzugsweise von 150 bis 160°G, die besten Ergebnisse liefert. Unter diesen Bedingungen und bei einer Verweilzeit von 10 bis 30 Minuten wird ein viskoses, homogenes, dispergiertes Produkt mit einem Zersetzungsgrad von höchstens 1% Dextrose-Äquivalent (D.E.) erhalten. Ähnliche Ergebnisse gewinnt man mit einem drehbaren Wärmeaustauscher mit indirekter Beheizung; da hierbei keine Verdünnung durch Dampfentwässerung erfolgt, ist eine Anfangskonzentration des Stärkebreies von höchstens 35% erwünscht,

Die auf diese Weise erfindungsgemäß in Stufe (a) gewonnene, gelatinierte Stärkelösung stellt eine klare, viskose und homogene Dispersion dar· Bei Temperaturabfall wird sie jedoch hell, rückläufig (retrograde) und für die Enzymeinwirkung unbenutzbar. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die gelatinierte Lösung schnell und gleichmäßig abzukühlen und gründlich mit dem Enzym zu vermischen, bevor eine !Rückstufung erfolgen und diese einen Abbau verursachen könnte; das Verdünnen soll durch ein schnelles Eingießen und Dispergieren der Lösung un ter Bühren in eine große Menge einer verzuckerten Lösung, de ren Tiakosität bei einem ziemlich hohen Grad an Verzuckerung herabgesetzt ist, bewirkt werden.

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Unter Berücksichtigung der Hitzefestigkeit des Enzyms ist ' es vorteilhaft, die Stärkelösung auf 60 bis 70°Ö zu kühlen, Ί dann ß-Amylase zuzusetzen, hierauf, - während die Verzuckerung im Gang ist,-die Temperatur weiter auf 45°C herabzusetzen, und dann die Lösung unter Rühren und Zumischen von X-1,6-Glucosidase in einen Maischebottich einzugießen.

Für diesen Zweck dient ein Vakuumkühler, in welchen zuerst die gelatinierte Stärkelösung und dann, während der Druck auf rechterhalifn und die Temperatur im Bereich von 60 bis 70 0 gehalten wird, mit Hilfe einer Dosierpumpe eine ß-Amylaseiö-> sung von 6Q⁰O eingespritzt werden· Auf diese Weise werden die zwei Lösungen in form von kleinen Tröpfchen gründlich vermischt^ und das Kühlen und Mischen erfolgt beinahe augenblicklich.

Zu der mit ß-Amylase versetzten und auf 4-5⁰G abgekühlten Lösung gibt man ,-.während si® auf einen geeigneten pH-Wert eingestellt wird, 00-1,6-GKLucosidase zu und rührt in einem Mischer gründlich durch, worauf die Mischung unter Rühren in einen Maischebottich eingegossen wird.

Auf diese Weise wird ermöglicht, aus hochmolekularen, hochkonzentrierten und geringfügig zersetzten gelatinierten Stärke lösungen Maltosen höherer Reinheit,als bisher durchführbar, zu erhalten.

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Eine Auf schlämmung gereinigter Hais stärke, die auf deii pH-Wert 5 bis 6 und eine Konzentration voii 15 Ms 35% eingesteiit ist, wird unter Benutzung einer kontirtuierliciien Stärke verflüssigungsanlage gemäß der japanischen Auslegeschrift Nr. 1998/1964 mittels einer Dosierpumpe in eine heizbare mehrflügelige Hübrkolonne eingeführt. Während Frischdampf am Kolonnenboden zugeführt und die Temperatur in der Kolonne automatisch auf den Bereich von 160 bis HJ6$°0 eingesteirb wird» regelt man den Zufluß der Stärkeauf schlämmung derart, daß deren Verweilzeit 15 min beträgt· Man ändert versuchsweise die Stärkekonzentration in der Ausgangsaufschlämmung und bestimmt in allen Fällen die Konzentration der gelatinierten Löstuig. Der Aufschließungsgrad der erhaltenen gelatinierten Stärkelösungen beträgt etwa 0,5 bis 1% D.E.

Zwecks Verzuckerung der gelatinierten Lösung wird ß-Amylase in einer Menge von 100 Einheiten je g Stärke benutzt. Hierbei spritzt man die gelatinierte Lösung, deren Temperatur selbsttätig auf 65°C gehalten wird, mittels einer Düse in den oberen Teil eines Vakuumkühlers und gleichzeitig ß-Amylase mittels einer Enzymsprühdüse ebenfalls in den oberen Kühlerteil. Die gemischte Lösung läßt man aus dem unteren Kühlerteil abfließen und in einem Wärmeaustauscher auf 45 bis 50⁰C abkühlen; gleichzeitig wird unter Rühren der Lösung mit Hilfe

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einer geeigneten Pumpe eine zum Beispiel nach den Patenten .... (P 17 6? 653.8 und P 17 67 654.9) bereitete ^-1,6-Glucosidase in einer Menge von 20 Einheiten ^e g Stärke eingeführt. Nach . Einstellung auf den pH-Wert 5,7 bis 6,0 wird die mit den beiden Enzymen vermischte Lösung sofort unter Rühren in einen Maischebottich geleitet und hier 4-8 Stunden bei 45⁰C der Enzymeinwirkung überlassen. Danach bestimmt man papierchromatographisch die Saccaridzusammensetzung; die Ergebnisse zeigt die nachfolgende Aufstellung, in welcher in Klammern die Werte der gemäß Patent ... (P 17 67 912.8) durchgeführten Untersuchungen eingetragen sind.

Konzentration	(io!o)	0.5 (1.0)	11,5	13.0	13.7	14.5	16.1	ΊΩ Ω	23.1	30.	0	5
vor Verzucke rung %	62.2 (61.5)	95.1 (93.0)	62.0	61.8	62.0	60.8	60.2	(20.0)	60.2	60.	2
D.E.		2.4 (4 5)						60.2 (58.2)
Saccharid-	-	0 η
Zusammenset- ■"		cL,\J (1.5)
zung:		0.5	0.8	1.0	0.9	1.1		0.6	.0.	5
Glukose %	94.7	94.5	93.1	92.5	91.3	0.9 (1.5)	90.0	91.	0
Maltose %	3.3	3.0	4.3	4.7	4.8	90.8 (86.8)	5.0		5>O
Malztriose %						5.2 (7.0)
höhere Sac	1.5	1.7	1.6	1.9	2.8		4.4	4.
charide %					(4!7}

Aus der Aufstellung ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäß durchgeführte Hochtemperaturverflüssigung und Hochkonzentra

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tionsverzuckerung einen "bemerkenswerten technischen Fortschritt gegenüber dem Verfahren nach Patent ··. (P 17 6? 912.8) darstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Verzuckerung "bei einer doppelt so hohen Konzentration als beim älteren Verfahren und bewirkt eine Erhöhung der Zersetzungsgrenze bzw. der Maltosereinheit. Während es bisher schwierig war, eine hochreine Maltose zu gewinnen, erhält man erfindungsgemäß eine Reinheit von über 90%; dies stellt vom betrieblichen Standpunkt eine bedeutende Verbesserung dar, zumal der hohe Beinheitsgrad, dessen weitere Erhöhung bis auf praktisch 100% durch das nachfolgende Umkristallisieren sehr erleichtert.

Beispiel 2»

Eine aus gereinigter Maisstärke gemäß Beispiel 1 bereitete gelatinierte Stärkelösung wird mit einer aus Lactobacillus plant arum gewonnenen <?6-1₉6-Crlucosidase abgebaut· Dieses erst kürzlich entdeckte Enzym ist hitzebeständiger als das ähnliche, aus der Gattung Aerobacter erhältliche Enzym, das Temperaturen von 55⁰Q oder höheren widersteht; auch se igt das neue Enzym eine optimale Heaktißnsteiiperatur oberhalb 50⁰Q*

Zur Verzuckerung der Sterkelösung wird diese bei 150⁰O in den oberen Teil dee Vakuuakühlers unter Abkühlen auf 50-56⁰O und die auf 45⁰O vorgewärmte Snsjmlöeung ebenfalls in den oberen Kühlerteil in einer Menge von 30 bis 20 Einheiten Je

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g Stärke eingespritzt· Nach Einstellung der gemischten Lösung auf den pH-Wert 6 bis 7 iind Abkühlen auf 45 bis 50⁰O vermischt man sie gründlich mit 100 Einheiten ß-Amylase je g Stärke und läßt 48 Stunden reagieren.

Wird zwecks Verzuckerung der gelatinierten Stärkelösung eine Mischung beider Enzyme eingeführt, so erhält man gleichartige Ergebnisse.

Die verzuckerte Lösung wird abschließend erhitzt, in üblicher Weise entfärbt, durch Ionenaustausch gereinigt, konzentriert und mit 10% Wasser zur Kristallisation gebracht. Die papierchromatographische Untersuchung zeigt keine wesentlich andere Saccharidzusammensetzung als beim Beispiel 1 $ es werden aus über 20%igen Lösungen ebenfalls hochreine farblose Produkte mit mindestens 90% Maltose erhalten.

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Claims (6)

Patentanwälte ZBlENTlN u. LUYKEN 8000 München 11 Z.v. eib.-Ockonxlf. 6 hao 7047 Patentansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Maltosen aus Stärke, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) Stärkeaufschlämmungen einer Konzentration von mindestens 10% bei mindestens 100°C gleichmäßig gelatiniert bzw. verflüssigt,

(b) die erhaltenen Lösungen sofort schnell abkühlt,

(c) gleichzeitig gründlich mit ß-Amylase und einer oC-Λ Grlucosidase durchmischt und

(d) nach beendigter Verzuckerung in üblicher Weise das Reaktionsprodukt aufbereitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärkeaufschlänmungen im Bereich von 100 bis 170⁰C gelatiniert bzw. verflüssigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die gelatinierten Stärkeaufschlammungen schnell auf 40 bis 7O⁰C abkühlt und dann mit beiden Enzymen versetzt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die gelatinierten Stärkeaufschlämmungen nach Abkühlen auf 60 bis 70⁰C mit ß-Amylase und nach weiterem Abkühlen auf 40 bis 50⁰O mit Ä>-1,6-Glucosidase ^ versetzt,

5· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet^ daß man die gelatinierten Stärkeauf schlämmungen nach Abkühlen auf 50 bis 60⁰C mit einer aus dem LactobazillUs bereiteten, hitzebeständigen .^-1,6-GlucosidaB© und nach weiterem Abkühlen auf 40 bis 50°C mit ß-Amylase versetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man die gelatinierten Stärkeauf schlämmungen durch schnelles Zerstäuben in einem Vakuumkühler abkühlt.

7· Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verzuckerung bei 45 bis 60⁰C \yry\ einem für die zugesetzten Enzyme optimalen pH-Wert durchführt.

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