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Verfahren zur enzymatischen Verflüssigung von stärkehaltigem liaterial"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur enzymatischen
Verflüssigung von stärkehaltigem Material für die enzymatische Hydrolyse.
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Bei der Herstellung von Stärkeverzuckerungserzeugnissen, wie Glucosesirup
und Dextrose, durch Säurehydrolyse von Stärke entstehen während der Konversion erhebliche
;engen an Nebenprodukten, welche nicht nur zu einer Verringerung der Ausbeute führen,
sondern auch relativ hohe Kosten für das Raffinieren verursachen. Demgegenüber führt
die enzymatische Stärkehydrolyse zu einer Reduzierung der Reinigungskosten und zu
höheren Ausbeuten.
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Bevor die Stärke durch Verzuckerungsenzyme, wie Amyloblucosidase (Glucamylase)
und beta-Amylase (Maltase), konvertiert werden kann, muss sie gelatiniert und verflüssigt
werden. Dieser Prozess erfolgt üblicherweise durch Erwärmen einer wässrigen Stärkesuspension
über den Verkleisterun0spunkt der Stärke und gleichzeitige oder nachfolgende partielle
Hydrolyse der verquollenen Stärke mit Säuren oder alpha-Amylase. Durch diese Vorbehandlung
wird die Stärke in einen vollstKndig ge -lösten, nicht retrogradierbaren Zustand
überführt.
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Zu den Faktoren, welche die enzymatische Stärkekonversimon beeinflussen,
gehören die Stärkekonzentration, die
Temperatur, das pH, die zunge
an verflüssigenden und verzuckernden Enzymen, Brt und Ausmass der Verflüssigung
und die Reaktionszeit. Niedrige Substratkonzentrationen ergeben im allgemeinen eine
wirksamere Ionversion als höhere, insbesondere solche über 40 %, bezogen auf Trockensubstanz.
Wie man festgestellt hat, wird die enzymatische Konversion zu D-Glucose um so weniger
wirksam, je intensiver vor der Ronversion mit Amyloglucosidase die Verflüssigung
mit Säure war. Beim ßnzym-Prozess erfolgt die enzymatische Verflüssigung üblicherweise
mit alpha-Amylase aus Bacillus subtilus oder ähnlichen Organismen im pH-Bereich
von etwa 5,5 bis etwa 7,0 bei Temperaturen von 80 bis 90°C oder bei höheren Temperaturen.
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Die hierfür erforderliche Zeit beträgt einige Stunden.
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Gewöhnlich wird der Verflüssigungsprozess mit alpha-Amylase bis zu
D.E.-'Nerten von etwa 10 bis etwa 20 O/j durchgeführt, wobei unter dem D.E.-lert
der Gehalt an reduzierenden Zuckern, berechnet auf D-Glucose und bezogen auf Trockensubstanz,
zu verstehen ist. Nach der Verflüssigung wird die Stärkelösung üblicherweise gekühlt,
erforderlichenfalls der pH-Wert eingestellt und die enzymatische Hydrolyse durch
Einwirkung von Amyloglucosidase bzw.
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beta-Amylase vervollständigt.
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Beim Enzym-Prozess wird gegenüber dem klassischen Säure-und dem Säure-Enzym-Prozess
eine deutliche Verbesserung in sofern erreicht, als bei der vollständigen Verzuckerung
bis zum Monosaccharid D-Glucose höhere Dextrose-Ausbeuten erzielt werden, weil bei
der Hydrolyse der Stärke weniger gefärbte Zersetzungsprodukte, wie 5-Hydroxymethylfurfurol
(HMF), gebildet werden. Einzelheiten über die enzymatische Verflüssigung von Stärke
und über den Enzym-Enzym-Prozess sind von E.R. Kooi und F.C. Armbruster in Band
II industrial Aspects" Seite 553 bis 568 des Buches von Whistler-Paschall "Starch,
Chemistry and Technology", New Xork und London 1967, ausführlich beschrieben
worden.
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Die vorliegende erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die enzymatische
Hydrolyse von Stärke zu Stärkeverzuckerungserzeugnissen dadurch zu verbessern, dass
in der ersten Stufe der enzymatischen Verflüssigung ein neuartiges Verfahren angewendet
wird.
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Das erfindungsgemässe Verfahren zur enzymatischen Verflüssigung von
stärkehaltigem i.iaterial für die enzy -matische Hydrolyse ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine wässrige Stärkesuspension während der enzymatischen Verflüssigung bei
relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von etwa 50 bis etwa 1000C einem hohen
mechanischen Druck ausgesetzt wird, der wesentlich höher liegt als der entsprechende
Druck von gesättigtem Wasserdampf bei gleicher Temperatur.
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Die mechanische Druckbehandlung während der Stärkeverflüssigung erfolgt
Im Bereich von etwa 35 bis etwa 3.500kcm2 (etwa 500 bis etwa 50.000 pes.i) vorzugs-2
weise im Bereich von etwa 70 bis etwa 700 kcm2 (etwa 1.000 bis etwa 10.000 p.s.i.).
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Als verflüssigendes Enzym wird üblicherweise alpha-Amylase verwendet.
Das Verfahren eignet sich aber auch für andere amylolytische enzyme und für entsprechende
Enzymgemische mit alpha-Axaylase.
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Das neue Verfahren kann entweder einstufig, z.B. unter Verwendung
eines für hohen Druck ausgelegten Homogenisators durchgeführt werden. Vorzugsweise
wird es aber in zwei oder mehreren Stufen durchgeführt, wobei der mechanische Druck
von Stufe zu Stufe erhöht wird. Dies kann z.B. entweder in einem einzigen Homogenisator
oder
in zwei oder mehreren hintereinandergeschalteten Homogenisatoren
geschehen.
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Die Erzeugung des hohen Druckes kann auf jede beliebige Weise erfolgen,
beispielsweise mit Hilfe eines Homogesators bzw. einer Impeller-Puipe, durch Einpumpen
der wässrigen Stärkesuspension unter hohem Druck in eine beheizbare Rohrschlange,
die am Ende mit einem Ventil zur Regulierung des Druckes ausgerüstet ist, oder durch
Einleiten eines unter Druck verflüssigten inerten Gases, beispielsweise Stickstoff,
in einen mit der wässrigen Stärkesuspension beschickten Autoklaven.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Verfahrens besteht darin,
dass das stärkehaltige Material in einer ersten Stufe der enzymatischen Verflüssigung
in Gegen -wart einer ausreichenden Menge alpha-Amylase bei Temperaturen im Bereich
von etwa 50 bis etwa 70°C und bei einem mechanischen Druck im Bereich von etwa 50
bis etwa 200 kcm2 (etwa 711 bis etwa 2.840 p.s.i.) gegebenenfalls mehrmals durch
einen Homogenisator gegeben wird, und dass die Verflüssigung in einer zweiten Stufe
bis zu dem gewünschten D.S.-Wert von etwa 10 bis etwa 20 % bei Temperaturen im Bereich
von etwa 70 bis etwa 1000C und bei einem mechanischen Druck im Bereich von etwa
200 bis etwa 700 kcm2 (etwa 2.840 bis etwa 10.000 p.s.i.) vervollstandigt wird.
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Durch das erfindungsgemässe Verfahren der enzymatischen Verflüssigung
von stärkehaltigem Material unter hohem mechanischem Druck bei relativ niedrigen
Temperaturen werden gegenüber der konventionellen enzymatischen Verflüssigung von
Stärke erhebliche Vorteile erzielt. Es wird nicht nur eine wesentliche Verkürzung
der für die
enzymatische Verflüssigung bis zu einem bestimmten D.E.-Wert
erforderliche Zeit erreicht, sondern es werden auch hinsichtlich der Qualität verbesserte
Vorhydrolysate erhalten, die wesentlich geringere Anteile an unlöslicher Amylose
aufweisen, als nach dem konventionellen Verfahren.
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Dies wirkt sich bei der nachfolgenden Verzuckerung, beispielsweise
mit Amyloglucosidase oder beta-Amylase, in sofern günstig aus, als die Stärkeverzuckerungsprodukte
Dextrose bzw. Glucosesirup nicht nur in höherer Ausbeute, bezogen auf die eingesetzte
Menge Stärke-rockensubstanz, erhaltenwerden, sondern dass gegenüber dem konventionellen
Verfahren auch wesentlich kürzere Verzuckerungszeiten erforderlich sind, um zu den
geunschten D.E. -Werten zu gelangen. Weiterhin wirkt es sich auf die Wirt-Schaftlichkeit
des neuen Verfahrens günstig aus, dass gegenüber dem konventionellen Verfahren wesentlich
weniger oder garkeine Entfärbungskohle benötigt wird, weil weniger Zersetzungsprodukte
gebildet werden.
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Die folgenden Beispiele sollen das erfindungsgemässe Verfahren naher
erläutern, ohne seine vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten auf die mitgeteilten
speziellen Versuchsbedingungen zu beschränken.
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Beispiel 1 Dieses Beispiel erläutert die enzymatische Verflüssigung
von Maisstärke mit alpha-Amylase in einem Homogenisator unter hohem mechanischem
Druck und nachfolgende Vereuckerung mit Amyloglucosidase.
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Eine Stärkesuspension von 170 Bb mit einem Gehalt an 0,017 % alpha-Amylase
wurde auf 600C erwärmt und. unter
Anwendung eines Druckes von 105
kg/cm2 (1.500 p.s.i.) durch einen Homogenisator gegeben.
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Nachdem die Dispersion eine Temperatur von etwa 650C erreicht hatte,
wurde der Druck im Homogenisator auf 422 kg/cm2 (6.000 p.s.i.) erhöht, wodurch die
Temperatur bis auf etwa 850C anstieg.
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Die Verflüssigung mit alpha-Amylase erforderte insgesamt 120 min.
Das Vorhydrolysat hatte einen D.E.-Wert von 11,3 Vo, die Reaktion auf Stärke verlief
negativ.
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Anschliessend erfolgte die Verzuckerung mit der üblichen Menge an
Amyloglucosidase (140 Einheiten/kg Trockensubstanz). Nach 42 Stunden wurde ein D.E.-Wert
von 97 % erreichtgegenüber 72 Stunden nach dem konventionellen Verfahren, bei dem
zusätzlich ein Hitzeschock durchgeführt wurde (kurzzeitiges erhitzen des mit alpha-Amylase
behandelten Vorhydrolysats auf etwa 150ob).
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Die Farbe nach dem Klären durch Filtrieren war 0,7 Lovibond gegenüber
2,1 Lovibond nach dem konventionellen Verfahren. Die geklärte Lösung wurde mit 0,1
* Entfärbungskohle behandelt, wonach eine Farbe von 0,4 Lovibond erhalten wurde
gegenüber 1,3 Lovibond nach Behandlung mit der gleichen Menge Entfärbungskohle beim
konventionellen Verfahren.
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Durch die enzymatische Verflüssigung der Stärke unter hohem Druck
wurde demnach bereits ohne Behandlung mit Entfärbungskohle in kürzerer Zeit eine
bessere Qualität des Hydrolysats erhalten (vgl. Tabelle 1).
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Tabelle 1 Konventionelles lIockdruckverfahren Verfahren (mit) im Homogenisator
Hitzeschock % D.E. Nachweis % D.E. Nachweis v.Starke v.Stärke nach 2-stündiger Behandlung
mit alpha-Amylase 9,5 + 10,5 + nach 2 1/2 stündiger Behandlung mit alpha-Amylase
10 + 11,3 -nach 4 1/2 stündiger Behandlung mit alpha-Amylase 15 - -nach 24-stündiger
Behandlung mit Amyloglucosidase 84,5 - 89 nach 42-stündiger Behandlung mit Amyloglucosidase
93,2 - 97,1 -nach 72-stündiger Behandlung mit Amyloclucosidase 97 - -
BeisPiel
2 Dieses Beispiel demonstriert ebenfalls die enzymatische Verflülssigung von Maisstärke
unter hohem mechanischem Druck und nachfolgende Verzuckerung mit Amyloglucosidase.
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Eine stärkesuspension von 180 BS mit einem Gehalt von 0,017 % alpha-Amylase
wurde auf 60°C erwärmt und unter Anwendung eines Druckes von 105 kg/cm² (1500 p.s.i.)
durch einen Homogenisator gegeben. Nach dem Erreichen einer Temperatur von 63°C
wurde der Druck im Homogenisator auf 422 kg/cm2 (6.000 p.s.i.) erhöht, wodurch die
Temperatur auf 800 anstieg.
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Die Verflüssigung mit alpha-Amylase nahm insgesamt 90 Minuten in Anspruch.
Der D.E.-Wert betrug dann 11,2 C/o und der Gehalt an löslichen Bestandteilen 96,8
%. Der Nachweis von Stärke verlief negativ.
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Anschliessend wurde das Vorhydrolysat mit der üblichen Amyloglucosidase-Menge
(140 Einheiten/kg Trockensubstanz) verzuckert. Nach 42 Stunden gegenüber 72 Stunden
beim Arbeiten nach dem konventionellen Verfahren war ein D.S.-Wert von 97% erreicht.
Die Farbe des Hydrolysats nach dem Klaren durch Filtration betrug 0,5 Lovibond gegenüber
2,3 Lovibond beim Arbeiten nach dem üblichen Verfahren. Das geliiärte Hydrolisat
wurde mit 0,1 % Entfärbungskohle behandelt. Nach dieser Behandlung betrug die Farbe
nur noch 0,3 Lovibond gegenüber 1,5 Lovibond nach der Behandlung des in üblicher
Weise erhaltenen Hydrolysats mit der gleichen Menge Entfärbungskohle.
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Auch bei diesem Versuch wurde also bereits ohne Behandlung mit Entfärbungskohle
in kürzerer Zeit eine bessere Hydrolysatqualität erreicht als nach dem konventionellen
Verfahren.
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Beispiel 3 Dieses Beispiel erläutert die enzymatische Verflüssigung
von Saisstärke mit alpha-Amylase unter hohem mechanischem Druck in zwei Stufen und
nachfolgende Verzuckerung mit Amyloglucosidase.
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Sine wässrige Stärkesuspension von 19°Bé mit einem Gehalt von 0,015
% alpha-Amylase wurde auf 55°C erwärmt und bei einem Druck von 175 kg/cm² (2.500
p.s.i.) durch einen Homogenisator gegeben. Anschliessend wurde die Dispersion mit
6500 bei einem Druck von 422 kg/cm2 (6.000 p.s.i.) so lange durch einen zweiten
Homogenisator gegeben, bis die Temperatur auf etwa 850C angestiegen war. Nach einer
gesamten Verflüssigungszeit von 120 min. betrug der D.E.-Wert 12,5 %. Der Stärkenachweis
verlief negativ.
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Anschliessend wurde das Vorhydrolysat mit Amyloglucosidase verzuckert.
In 42 Stunden wurde ein D.E.-Wert von 97,2 % erreicht.
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Die Farbe des geklärten Hydrolysats ergab ohne Behandlung mit Entfärbungskohle
0,5 Lovibond. Ein nach dem konventionellen Verfahren erhaltenes Hydrolysat zeigte
nach der Behandlung mit 0,5 % Entfärbungskohle noch eine Farbe von 0,7 Lovibond.
Dieses Beispiel demon -striert die Wirtschaftlichkeit der enzymatischen Verflüssigung
unter hohem mechanischem Druck hinsichtlich der Behandlung mit Entfärbungskohle.
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Beispiel 4 Dieses Beispiel erläutert die enszmatische Verflüssigung
von
Maisstärke mit alpha-Amylase unter hohem mechanischem Druck und die Nachverzuckerung
mit beta-Amylase.
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Eine wässrige Stärkesuspension von 19°BE mit einem Gehalt von 0,015
c/o alpha-Amylase wurde auf 550C erwärmt und bei einem Druck von 175 kg/cm2 (2.500
p.s.i.) durch einen Homogenisator gegeben. Anschliessend wurde die Dispersion mit
65°C bei einem Druck von 422 kg/cm2 (6.000 p.s.i.) durch einen zweiten Homogenisator
gegeben, wodurch die Temperatur auf 8500 anstieg. Nach einer gesamten Verflüssigungszeit
von 120 min. betrug der D.E.-Wert 12,5 4'0. Der Nachweis von Stärke verlief negativ.
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Das Vorhydrolysat wurde einer 12-stündigen Einwirkung von beta-Amylase
(0,03 % Biozyme M) unterworfen, wodurch ein D.E.-Wert von 46 96 erreicht wurde.
Das hochmaltosehaltige Hydrolysat hatte eine Farbe von 1,2 Lovibond.
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Durch Behandlung mit 0,1 5' Entfärbungskohle konnte die Farbe auf
0,3 Lovibond reduziert werden.
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Bei einem vergleichsweise nach dem konventionellen Verfahren durchgeführten
Versuch betrug die Verflüssi -gungszeit mit alpha-Amylase 360 min, während die anschliessende
Verzuckerung mit beta-Amylase wenigstens 48 Stunden erforderte. Die Farbe des Hydrolysats
lag mit 6,5 Lovibond wesentlich höher, und es waren 0,6 % Entfärbungskohle erforderlich,
um ein gereinigtes Erzeugnis mit 0,4 Lovibond zu erhalten.
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Auch bei diesem Versuch wurde durch die enzymatische Hochdruck-Verflüssigung
eine wesentliche Abkürzung der Verflüssigungs-und Verzuckerungszeiten erreicht,
und gleichzeitig wurde ein reineres Hydrolysat erhalten,
das wesentlich
weniger Entfärbungskohle erforderte, als das konventionelle Verfahren.
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Beispiel 5 Dieses Beispiel soll zeigen, dass die Behandlung im Homogenisator
ohne Anwendung von hohem mechanischem Druck nicht zum Erfolg führt.
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Zur Verflüssigung der Stärke wurde eine Impeller-Pumpe verwendet,
deren mechazischer Druck unter etwa 35 kg/cS (500 p.s.i.) eingestellt war. Wie orientierende
Versuche zeigten, war das Ergebnis negativ. Nach einer Verflüssigungszeit von 120
min. und selbst noch nach der Einwirkung von Amyloglucosidase war Stärke noch im
Hydrolysat nachweisbar. Der Anstieg des D.E.-Wertes erfolgte wesentlich langsamer,
so das er nach 90 Stunden Amyloglucosidase-Einwirkung noch unterhalb des Wertes
lag, der beim Arbeiten unter hohem Druck bereits in 42 Stunden erreicht wurde.
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Beispiel 6 Dieses Beispiel demonstriert, dass die Wirkung des hohen
mechanischem Druckes auch ohne Anwendung eines Romogenisators eintritt.
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Die Verflüssigung der Stärke erfolgte mit alpha-Amylase bei pH 5,9
in einem Autoklaven, der mit einem magnetischen Rührwerk ausgerüstet war. Eine wässrige
Stärke suspension von 220 Be mit einem Gehalt von 0,015 % alpha-Amylase SP.250 wurde
zunächst im offenen Autoklaven auf 85 bis.880C erhitzt. Sobald der Viskositäts-Peak
überschritten war, wurde der Autoklav geschlossen,
und durch Einleiten
von verflüssigtem Stickstoff wurde der Druck im Autoklaven auf 35 bzw. 50 kg/cm2
erhöht.
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In Abhangigkeit von der Zeit wurde der Anstieg des D.E.-Wertes und
der Gehalt an Stärke geprüft. Vergleichsweise wurde ein Versuch im Autoklaven ohne
erhöhtem Druck durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in der folgenden Tabelle zusammengestellt
(Tabelle 2): Tabelle 2 Vergleichs- Versuch Versuch versuch bei bei einem bei einem
einem Druck2 Druck vod Druck soe von O kg/cm 35 kg/cm 50 kg/cm % D.E. nach 1 Stunde
4,47 8,15 12,70 2 Stunden 4,97 19,00 20,50 3 Stunden 6,70 20,90 21,30 4 Stunden
7,80 21,40 23,80 5 Stunden 9,10 25,10 25,30 96 Stärke (colors nach 1 Stunde 80 19,40
6,20 2 Stunden 75 3,70 2,30 3 Stunden 60 2,00 1,70 4 Stunden 40 1,70 1,70 5 Stunden
20 1,70 1,70 Durch die Anwendung eines Stickstoff-Druckes von 35 bzw.
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50 kg/cm2 wurde demnach gegenüber dem Vergleichsversuch ohne erhöhten
Druck eine wesentliche Beschleunigung der Vorhydrolyse erreicht.