DE2227976B2

DE2227976B2 - Verfahren zur verzuckerung von staerke

Info

Publication number: DE2227976B2
Application number: DE19722227976
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Purr, Arnulf, Dr.-Ing., 8000 München; Reichel, Maximilian, Dr.-Ing., 6202 Wiesbaden-Biebrich
Priority date: 1972-06-08
Filing date: 1972-06-08
Publication date: 1976-09-30
Also published as: DE2227976A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzuckerung von Stärke aus ungekeimten Getreide, Kartoffeln oder Mais in Gegenwart von α- und j3-Amylasen mit oder ohne Proteasen.

Es ist bekannt, daß im Gerstenmalz zwei Arten von Amylasen, nämlich «- und J3-Amylase, gleichzeitig w irksam sind, die sich durch ihren verschieden gearteten Reaktionsverlauf der Stärkehydrolyse zu mit Hefe vergärbarem Zucker auszeichnen und z. B. nach E. OhI son, CR. Lab. Carlsberg, 16,7 (1926), durch Erhitzen und Säurebehandlung — »Dextrinogen« — und »Saccharogenamylase« oder nach der Arbeitsweise von E. Waldschmidt-Leitz und M. Reiche 1, wo die Trennung ausschließlich auf Adsorption beruht, getrennt werden können. j9-Amylase setzt aus Stärke durch Hefe vergärbare Maltose viel schneller als ät-Ainylase frei, verändert aber bei der Hydrolyse der Stärke das Makromolekül weniger. a-Amylase, wenngleich weniger wirksam für die Bildung der Maltose aus Stärkelösungen, erzeugt hingegen eine viel tiefer Behendere Hydrolyse der Stärke.

Malz wird industriell durch 15-20 Tage dauerndes Keimen von Gerste erhalten. Anschließend wird die gekeimte Gerste bis auf 2-3% Wassergehalt getrocknet. In Gerste sind etwa 70% vergärbare Stoffe (Kohlenhydrate) enthalten. Bei den bekannten Malverfahren ist es unvermeidbar, daß ein großer Teil der Kohlenhydrate im getrockneten Gerstenmalz durch das Wachsen des Keimlings, der Wurzeln und des gesamten Atmungsprozesses verlorengeht. Der für die Herstellung von Alkohol oder Bier tatsächlich verwendete Anteil der ursprünglich 70% betragenden vergärbaren Kohlenhvdrate der Gerste ist daher wesentlich geringer. Außerdem ist während des Trocknens der nekeimten Gerste mit einem Verlust enzymatischer Aktivität zu rechnen. Alle diese nachteiligen Faktoren müssen aber in Kauf genommen werden.

Durch die DT-OS19 11 571 ist ein Verfahren bekannt geworden, das zur Gewinnung von Würze aus Gerstenrohfrucht mit oder ohne Zusatz von Malz dient und insbesondere eine Rohfruchtbierherstellung gestattet Nach diesem bekannten Verfahren kann Gerste als Rohfrucht im Austausch von Malz besonders vorbehandelt werden, wobei das Produkt im Laufe des Verfahrens gegebenenfalls mit Malz versetzt werden kann. Dabei wird Gerste einem Wäscher und Entlauger zugeführt, bei erhöhter Temperatur behandelt, die Rohfruchtmaische mit Malz- oder Grünmalzzusatz oder Zusatz eines a-Amylasepräparates enzymatisch behandelt und gegebenenfalls in einen Maischetrenner überführt und entweder die gesamte Rohfruchtmaische oder nur die Dickmaische vollkommen aufgeschlossen, danach in einem Kühler und/oder durch Zugabe von Malzmaische abgekühlt und in einem Maischegefäß mit Zuschlagstoffen versehen, der Maischeprozeß, einschließlich Druckaufschluß bei 10 bis 150⁰C, vorzugsweise bei 50 bis 150⁰C, während 20 bis 180 Minuten durchgeführt, kochendheiß abgeläutert und nach Abkühlung in einem Kühler auf 50 bis 8O⁰C mit kohlenhydratabbauenden und/oder eiweißstoffeabbauenden Enzympräparaten zur vollständigen Verzuckerung sowie gegebenenfalls zum weiteren Abbau in Lösung gegangener Eiweißstoffe und mit Stoffen zur Beschwerung der Würze versetzt.

Aus dieser Offenlegungsschrift ist es mithin bekannt, μ- und j9-Amylaseeinheiten unter Zusatz von Proteinasen als Gemisch auf ungekeimte Rohfrucht einwirken zu lassen. Nach diesem Verfahren können Enzympräparate verwendet werden, die sich z. B. aus a-Amylase, ß-Amylase, 0-Glucanase und Proteinasen zusammensetzen können.

Das Verfahren gemäß der DT-OS 19 11571 geht davon aus, daß durch die direkte Verarbeitung von Gerste als Rohfrucht die Stufe des Vermälzens überflüssig wird. Diese Möglichkeit kann jedoch praktisch nicht in Betracht kommen. Es muß nämlich notwendigerweise nach dem Aufschluß wieder Malz zugesetzt werden, weil der Aufschluß bei Temperaturen von 100 - 138°C (im Autoklaven) durchgeführt wird und dadurch die Amylasen zerstört werden. Der Fachmann entnimmt der Lehre der entgegengehaltenen DT-OS also, daß praktisch nur mit Zugabe von Malzmaische gearbeitet werden kann. Dabei können jedoch keine Verzuckerungswerte entnommen werden.

In der Zeitschrift »Die Branntweinwirtschaft«, Juni 1970, S. 230, wird über Erfahrungen mit flüssigen Bakterien- und Schimmelpilz-Amylasen bei der Alkoholgewinnung aus Getreide berichtet, wobei handelsübliche Enzyme verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zu schaffen, bei dem eine Einsparung an Malz oder Rohfrucht erzielt wird und bei welchem ohne vorherige Vermäizung bzw. Keimung höhere Zuckerausbeuten erhalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zerkleinerten mit oder ohne Zusatz von vollaktivierten Proteasen durch Quellen und Waschen von ^-Amylase befreiten zu verzuckernden Produkte nach Aufschluß der Stärke im Temperaturbereich von 90 - 95° C und Abkühlen der Masse auf 40 - 60° C mit <x- und /J-Amylasen im kontrollierten Mengenverhältnis

von 1 α-Amylaseeinheit zn 4-6 0-Amylaseeinheiten nacheinander oder gleichzeitig im Temperaturbereich von 60 - 65° C verzuckert werden.

Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die Reaktionsmasse bei der nacheinanderfolgenden Verzuckerung mit den α- und /J-Amylasen nach einer Dextrinierung mit a-Amylase bis zu 40% für 15 Min. auf 85-95° C erhitzt und nach Abkühlen auf 37-40⁰C bei 60-65⁰C mit 0-Amylase zu Ende verzuckert wird und daß die einzusetzende 0-Amylase durch Aufquellen zerkleinerten Gerstenschrots mit Wasser im Temperaturbereich von 25—40⁰C erhalten worden ist und das Filtrat bei einer Quellung ohne Proteasen mit ß-Amylase aus Sojabohnen angereichert werden kann.

Versuche mit den nach der Arbeitsweise von Waldschmidt-Leitz und Re ich el getrennten Amylasen aus Gerstenmalz zeigen Ergebnisse, die für den gegenüber den Angriffsweisen von Amylasen tierischer, pilzartiger und bakterieller Herkunft andersartigen Verlauf der Verzuckerung mit Gerstenmalz-Amylase ihre Erklärung finden und es erstmalig ermöglichen, das im Gerstenmalz vorherrschende Verhältnis von α- und J3-Amylase auf der Grundlage gleicher, nach der Hypojodid-Methode von R. Willstätter und G. Schudel (Ber. 51, 780 [1918]), ermittelten Verzuckerung bei Einhaltung gleicher experimenteller Bedingungen, wie z. B. pH-Wert, Reaktionstemperatur, Reaktionsvolumen, Substratkonzentration zu ermitteln.

Wird in Reihenexperimenten die ß-Amylasewirkung auf die Hydrolyse von Amyloamylose (durch Elektrodialyse erhaltene Stärkefraktion) als Substrat, vom Verzuckerungswert X, durch 15 Minuten lang andauerndes Erhitzen auf 85° C zersvört, auf 37 -40⁰C abgekühlt, mit destilliertem Wasser auf das ursprüngliche Reaktionsvolumen gebracht, die gleich lange Zeit Λ-Amylase vom gleichen Verzuckerungswert zugegeben und einwirken gelassen, so wird der Summenwert der Verzuckerung mit beiden Amylasen (2X) erhalten. Wird jedoch unter den gleichen Arbeitsbedingungen zuerst Λ-Amylase vom Verzuckerungswert X einwirken gelassen, anschließend dieselbe durch 15 Minuten langes Erhitzen auf 85° C zerstört, auf 37 -4O⁰C abgekühlt, mit destilliertem Wasser auf das ursprüngliche Reaktionsvolumen gebracht und die gleich lange Zeit ß- Amylase einwirken gelassen, so wird ein Verzuckerungswert von bis zu 6X erhalten. Werden «- und /J-Amylase des gleichen Verzuckerungswertes X gleichzeitig zur Einwirkung gebracht, so erhält man einen drei- bis vierfachen Verzuckerungswert X. Die gleichzeitige λ- und jS-Amylasewirkung, wie sie im Gerstenmalz vorhanden ist, zeigt, daß der aufeinander erfolgende Reaktionsverlauf der Verzuckerung von zuerst Λ-Amylase und dann 0-Amylase der gleichzeitigen Einwirkung von Λ- und /J-Aniylase überlegen und wirtschaftlich vorteilhafter ist.

Allerdings wird erfindungsgemäß auch bei gleichzeitiger Einwirkung von et- und J3-Amylase im erfindungsgemäßen kontrollierten Mengenverhältnis eine Verzuckerung ermöglicht, ohne daß das Getreide vorher gekeimt werden muß. Dies kann insbesondere für die Praxis in der Brennerei vorteilhaft sein.

Durch Ermittlung des für Amyloamylose als Substrat leicht festzustellenden Farbumschlages von blau nach blau-violett mit verdünnter Jodlösung können die ⁶S Mengenverhältnisse von «- zu ^-Amylase im Vergleich zu den mit Gerstenmalzlösung erhaltenen Werten für Verzuckerung und Farbumschlag ermittelt werden. Im natürlichen Gerstenmalz wird dabei das Verhältnis von 1 «-Amylase zu 6 ß-Amylase als vorherrschend gefunden.

Wie aus obigen Versuchen gefunden wird, kann die ungewöhnlich hohe enzymatische Aktivität von Gerstenmalzauszügen noch weiter gesteigert werden, wenn die durch eine aufeinander erfolgende enzymatische Aktivität, d. h. eine enzymatische Vorhydrolyse (Dextrinierung) vergärbarer kohlenhydrathaltiger Stoffe mit «-Amylase und anschließend die Verzuckerung zu vergärbarem Zucker mit /?-Amylase zu Ende geführt wird, erfolgt Die Anwendung dieser neuen Arbeitsweise der aufeinander erfolgenden enzymatischen Aktivität von «- und 0-Amylase erweist sich praktisch durchführbar und vermeidet gleichzeitig das unwirtschaftliche und kostspielige Mälzen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

1 kg Gerstenschrot wird mit 10 Liter Wasser versetzt, 12 Stunden lang bei 30—40⁰C unter mechanischem Rühren und Zusatz von 12 g Papain des Handels plus 4 g Cysteinchlorhydrat zur Erreichung der Vollaktivität des Papains - Voraktivierungszeil 12 Stunden (über Nacht) bei 30 — 3 ' —, das die noch zellgebundene ß- A rnylase freisetzt, extrahiert. Anschließend wird mit 5 Liter Wasser der abgesaugte Rückstand nachgewaschen. Das erhaltene Filtrat enthält 200 j3-A.E. ohne Mitverwendung von Papain 80 β -A.E. (Bestimmungsmethode nach Willstätter-Schudel).

Der abgesaugte Rückstand wird nach Zugabe von 10 Liter Wasser 1 —2 Stunden lang unter mechanischem Rühren auf 90-95⁰C erhitzt, um die stärkehaltigen Anteile des Gerstenschrotgemisches unter Verkleistern aufzuschließen.

Nach dem Abkühlen auf 55 -65°C erfolgt die Zugabe der Λ-Amylase, hergestellt aus Bacillus mesentericus subtilis im erfindungsgemäßen Verhältnis von l«:4-6j3; 18g stärkeabbauender Λ-Amylase, aus Kulturen von Bacillus subtilis gewonnen, enthaltend 33,4 α-A.E. Nach bis zu etwa 40% erfolgter Verzuckerung wird das Reaktionsgemisch unter mechanischem Rühren 15 Minuten lang auf 85-95°C erhitzt, um die «-Amylaseaktivität zu zerstören, wobei gleichzeitig nicht zu Aminosäuren abgebautes Eiweiß koaguliert.

Anschließend wird auf 37-40°C abgekühlt, unter mechanischem Rühren das ß-Amylase-Filtrat (200 β A.E. enthaltend) zugegeben und die Verzuckerung bei 60-65⁰C zu Ende geführt. Es wird ein Verzuckerungswert von 75,3% gefunden.

Beispiel 2

1 kg Gerstenschrot wird mit 10 Liter Wasser 12 Stunden lang bei 30 —40⁰C unter mechanischem Rühren und Zusatz von 10 g Monzym (gewonnen aus Bacillus subtilis). das die noch zellgebundene j3-Amylase freisetzt, extrahiert. Gesamt-/?-Amylaseaktivität des Filtrates, ermittelt nach Willstätter-Schudel, wird zu 196 ß-A.E. gefunden. Der abgesaugte Rückstand wird wie in Beispiel 1 angegeben weiterbehandelt. 22 g stärkeabbauender λ-Amylase, aus Kulturen von Bacillus subtilis gewonnen, (40 «-A.E.) entsprechend dem Amylase-Verhältnis von 1 α. :4-6jJ werden nun zusammen mit dem /i-Amylase-Filtrat dem auf 55 —65⁰C abgekühlten und durch Erhitzen aufgeschlossenen Rückstand zugegeben, anschließend langsam auf

eine Temperatur von 60—65° C erwärmt und 90 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wird 1 Stunde lang auf 90-95°C erhitzt und nach dem Abkühlen auf 40-50⁰C abgesaugt Es wird ein Verzuckerungswert von 73,2% gefunden.

Beispiel 3

1 i-g Gerstenschrot wird mit 10 Liter Wasser 12 Stunden lang bei 30 - 40⁰C unter mechanischem Rühren und ohne Mitverwendung von Protease extrahiert. Die Aktivität der löslichen JJ-Amylase beträgt HOjS-AE. Die noch zellgebundene /J-Amylase von 86 0-A.E. (vgl. Beispiel 2) wird durch Zugabe von 26 g j3-Amylase-Trockenpräparat aus Soja (vgl. Beispiel 5) — 1 g Trockenpräparat enthält 330-A.E. — ersetzt Der abgesaugte Rückstand wird, wie im Beispiel 1 angegeben, weiterbehandelt 22 g stärkeabbauender α- Amylase, aus Kulturen von Bacillus subtilis gewonnen, (40 Ot-A.E.) entsprechend dem Amylasen-Verhältnis von 1 * : 4 — 6 j9 werden dem Reaktionsansatz zugegeben, langsam auf eine Temperatur von 60 —65°C erwärmt und 1,5 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wird eine Stunde lang auf 90-95⁰C erhitzt, um die amylolytische Aktivität zu zerstören und nach dem Abkühlen auf 40 —50⁰C abgesaugt. Es wird ein Verzuckerungswert von 74,1 % gefunden.

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 850 g Kartoffelstärke und 150 g Maisstärke wird mit 5 Liter Wasser versetzt, unter mechanischem Rühren auf 75° C erwärmt und 1 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten.

Nach dem Abkühlen auf 37-40°C wird ein Gemisch bestehend aus 3 g stärkeabbauender a-Amylase, aus Kulturen von Bacillus subtilis gewonnen, (5,4 a-AE) und 1,5 Liter Gersten ß-Amylase-Fütrat (3OjS-A.E.) eingerührt Die Verzuckerung bei 65° C war nach einer Stunde bei 65% und nach 24 Stunden bei Raumtemperatur 76%.

Beispiel 5

1 kg Kartoffelstärke werden mit 5 Liter Wasser versetzt, unter mechanischem Rühren auf 75° C erwärmt, eine Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten, anschließend bei 37 -40° C ein Enzymgemisch aus 3 g stärkeabbauender a-Amylase, aus Kulturen von Bacillus subtilis gewonnen, (5,4λ-Α.Ε.) und 9,4 g /3-Amyiase-Trockenpräparat aus Soja (31 £-A.E.) 90 Minuten lang bei 60-65⁰C einwirken gelassen. Der Verzuckerungswert wurde zu 78,8% gefunden.

In einem wissenschaftlichen Laboratorium wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, die als Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 im folgenden beschrieben werden:

Vergleichsbeispiel 1

Es wurden Versuche mit verschiedenen Verhältniszahlen von ix- und /3-Amyiasen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Die Meßwerte sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle 1

Verhältnis in Am.E.

*:ß

Verzuckerung % mg

Indikation: Jodfärbung

0,0018	—	1 :0	11,5	16,1	Blau-blauviolett
0,0018	0,0036	1 :2	39,8	56,2	desgl.
0,0018	0,0072	1 :4	65,5	91,7	desgl.
0,0018	0,0108	1 :6	82,1	115,0	desgl.
0,0036	0,0018	2:1	26,9	38,0	desgl.
0,0072	0,0018	4:1	22,3	32,0	desgl.
0,0108	0,0018	6:1	18,4	25,8	desgl.

Es zeigt sich ganz eindeutig, daß im Bereich des beanspruchten Verhältnisses die Verzuckerungswerte direkt in die Höhe schnellen, was keineswegs zu erwarten war.

Vergleichsbeispiel 2

Vergleichende Versuchsergebnisse der Verzuckerung in % zwischen der Wirkung der Malzamylase und dem Amylasegemisch bestehend aus Bacillus mesentericus subtilis («-Amylase) + 0-Amylase aus Sojabohnen, in beiden Fällen im erfindungsgemäßen Verhältnis

Ansatz:

Substrat:50g Kartoffelstärke + 250 ml Wasser
Enzym: a) Darrmalz: 4,5 g

b)Baciiius mesentericus subtilis
(a-Amylase) + /:!-Amylase aus
Sojabohnen:

0,9 g; Verhältnis (1 α : 4 - 6 β)
Zeit: 1 Stunde
Tem D.: 65° C

Aktivität der Amylasen bezogen auf 1 g:

a) Darrmalz: 0,86 A.E.

b) Bacillus mesentericus subtilis

(a-Amylase) + /3-Amylase aus
Sojabohnen:
0,96 A.E.; Verhältnis (\<κ·Λ-6β)

Durchführung:

a) Für 50 g Kartoffelstärke wurden 4,5 g Darrmalz eingesetzt, die (0,86 χ 4,5) = 3,87 A.E. enthielten.

f>5 b) Es wurden 0,9 g Bacillus mesentericus subtilis (a-Amylase) + jJ-Amylase aus Sojabohnen benützt, die (0,96 χ 0,9) = 0,86 A.E. enthielten; Verhältnis (1 α: 4-6/?).

Die Ergebnisse sind nochmals in der folgenden Tabelle II zusammengestellt:

Tabelle II

Verzuckerungs- Verzuckerung in %

zelt und Darrmalz Bacillus mescntericus

Temperatur (3,87 A.E.) subtilis (ot-Amylase)

+ ß-Amylase aus Sojabohnen (0.86 A.E.)

1 Std. bei 65⁰C 70,0

66,0

Um mithin diese Zahlenwerte zu erreichen, sind bei Darrmalz 3,87 A.E. notwendig, während beim erfindungsgemäß zu verwendenden Amylasegemisch bereits mit 0,86 A.E. die ermittelte Verzuckerung von 66% erhalten wurde.

Dies bedeutet im wesentlichen, daß eine erhebliche Einsparung an Mal/ bzw. Rohfrucht erzielt wird. Das künstliche Gemisch ist also dem natürlichen Gemisch weit überlegen.

Die Verwertung dw Erfindung kann durch gesetzliche Bestimmungen beschränkt sein.

«d9 540/354

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verzuckerung von Stärke aus ungekeimten Getreide, Kartoffeln oder Mais in Gegenwart von α- und j9-Amylasen nut oder ohne Proteasen, dadurch gekennzeichnet, daß die zerkleinerten mit oder ohne Zusatz von vollaktivierten Proteasen durch Quellen und Waschen von j3-Amylase befreiten zu verzuckernden Produkte nach Aufschluß der Stärke im Temperaturbereich von 90—95^C C und Abkühlen der Masse auf 40 —60⁰C mit «- und 0-Amylasen im kontrollierten Mengenverhältnis von 1 a-Amylaseeinheitzu^ 6 ß-Amylaseeinheiten nacheinander oder gleichzeitig im Temperaturbereich von 60-65⁰C verzuckert werden.

2. Verfahren nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse bei der nacheinanderfolgenden Verzuckerung mit den «- und j?-Amylasen nach einer Dextrinierung mit Λ-Amylase bis zu 40% für 15 Min. auf 85-95°C erhitzt und nach Abkühlen auf 37 - 40' C bei 60 - 65° C mit ß-Amylase zu Ende verzuckert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzusetzende /?-Amylase durch Aufquellen zerkleinerten Gerstenschrots mit Wasser im Temperaturbereich von 25-40° C erhalten worden ist und das Filtrat bei einer Quellung ohne Proteasen mit /?-Amylase aus Sojabohnen angereichert werden kann.