DE2244999A1 - Verfahren zur entmineralisierung von proteinloesungen - Google Patents

Verfahren zur entmineralisierung von proteinloesungen

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DE2244999A1
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Description

RECHTSANWÄLTE
DR. )ψθDIPL-CHEM. WALTER BEIi ALFRteDf HOEPPEN ER
DR. JUR. DIPL-GfIEM R-J. WOLFF DR. JUR. HANS CHR. BEIL
623 FRANKFURT AM MAIN- HÖCHST
ADUONSiRASStM
13. Sep. 1972
Untere Hr. 18 157
stauffer Chemical Company Westport, Conn., V.&t.A.
Verfahren zur kntmirieraliuierung von Proteinlösungen«
Gesamtmolke, die gewöhnlich1 "bei der Käseherstellung nach Bildung und Entfernung des ^uarks anfallende Flüssigkeit, enthält etwa 5 bis 1 ο,ί .b'e st stoffe mit der folgenden näherungsv/oi sen Zuaaiiimenüetzung:
iid,JL.ex ^)J, c.
Protein o^9
Lactose 5,1
l«(ett o, 3
i-iineralstoffe (Asche) ' °,5
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.. 2 - ■ ■■■ ' '
Verschiedene Verfahren wurden "bereits entwickelt, um Bestandteile der Wolke rein zu erhalten.
Das Hauptproblem bei der Abtrennung der Proteinfraktion von Käsemolke ist deren relativ hoher Gehalt an Mineralstoffen (Asche), insbesondere Calcium, das mit den Protelnbeatandteilen verbunden ist. Unter den Bedingungen der normalen Verarbeitung sind die Mineralstoffe an das Molkenprotein gebunden, so daß sie zusammen mit diesem in das Endprodukt gelangen.
Für bestimmte Verwendungsarten sollte das Proteija von anderen Bestandteilen der Molke möglichst frei u»ä möglichst: rein sein, d.h. einen geringen Iiactoaegehaiiir'.''1!)^''^]!^)^ geringen Mineralstoffgehalt aufweisen. Proteine mit niedrigem Mineralstoffgehalt sind zur Verwendung iß kohlens&urehaltigen sauren Getränken geeignet. Xn diesem Anwendungsgebiet wird für bestimmte Anwendungefälle ein hohes Verhältnis von Protein zu Asche verlangt» 8.-B. von mehr als 15s1. Ferner benötigt man Löslichkeit des Proteinbestandteils in ^äure. Diese Vorauseetzungen icoiinten durch die bisher bekannten Verfahren nicht leicnt geschaffen werden.
Die Erfindung betrifft ein neues und verbessertes Verfahren zur üntmineralisierung Mineralstoffe enthaltender Proteine durch Zusatz einer ausreichenden Menge einer üäure zu einer Prot einleitung zwecks Verminderung des pH-Werts unter mindestens 4,25, wobei wirksame Lösung der Komplex-Di-ACtLn0 zwischen Mineralstoff und Protein eintritt, und Abtrennung des Proteins von den Mineralstoffe» äiirch Umkehrosmose, Ultrafiltration, Malyse, Elektrodialyse, transporter Schöpfung, Ionenaustausch, Ionenverzögerung oder MoIekülijieb-ausschluß.
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Erfindungsgemäß wird ein entmineralisiertes Proteinprodukt mit hohem Verhältnis von Protein zu Mineralstoffen erhalten. Dieses Produkt eignet sieh zur Verwendung in sauren Getränken. Das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert auch die Einhaltung der Hygienevorschriften in der Herstellung dadurch, daß während der Verarbeitung ein niedriger pH-Wert aufrecht erhalten wird. Bei pH-Werten unterhalb 4,5 wird die Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen wesentlich verlangsamt.
Erfindungsgemäß kann man jedes mineralstoffhaltige Proteinmaterial, welches unterhalb pH 4,25 säurelöslich ist, entmineralisleren. Diese Proteinmaterialien lassen sich allgemein als tierische oder pflanzliche Proteine der Klause ö.ex Globuline oder Albumine kennzeichnen. Als Beispiele für spezielle, erfindungsgemäß verarbeitbare Proteinmaterialien seien genannt:' Milch, Magermilch, Molke (süß oder sauer), Sojaprotein,. 3?ischproteinkonzentrate, oojamolke, Baumwollsamenprotein, Blutserumalbumin und hydrolysierte Pflanzenproteine. Das bevorzugte -Ausgangaiuaterial ist Molke, sowohl Käse- und Soja-Molke, feimer Sojaprotein und hydrolysiertes Pflanzenprotein. Da insbesondere Käsemolke (Rennet-Gheddar oder Sauer-Hüttenkäse) ein bevorzugtes Protein-Auegangsmaterial darstellt, wird die Erfindung der Einfachheit halber am Beispiel die ,se β Ausgaiigsmaterials im folgenden näher erläutert. Diese Erläuterungen gelten jedoch auch für sämtliche anderen Iroteinmaterialien.
Vor dem Linsatz wird die liäsemolke gewöhnlich gereinigt, um überschüssiges Fett oder andere, möglicherweise darin vornandene Verunreinigungen zu entfernen. Die Reinigung kann durch Zentrifugieren oder vollständiger durch Lipid-Komplexbildung, siehe ILj-PS 3 56a 219, erfolgen.
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Käsemolke wird in jeder Käse produzierenden Gegend im allgemeinen in zwei Formen angeboten, nämlich süß (pH 6 bis 6,5) und sauer (pH 4,5)· Beide Sorten können verwendet werden. Süße und saure Molke kann allein eingesetzt werden, oder beide können zusammen im erfindungsgemäßen Verfahren benützt werden. Beim Mischen von süßer und saurer Molke
muß sichergestellt werden, daß der pH des Gemische ermittelt wird, so daß man nur so viel Säure zusetzt, daß der pH auf den gewünschten Wert herabgesetzt wird.' Die pH-Wertbestimmung in süßer oder saurer oder gemischter Molke kann nach ü'tandardmethoden erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von Indikatoren oder elektronischen Meßgeräten.
Der pH-Wert der Protein- oder Molkenlösung wird dann mit einer entsprechenden Menge einer üäure unterhalb pH 4,25 , jedoch auf einen pH oberhalb des Werts, bei welchem das Protein zerstört wird, eingestellt. In den meisten J?ällen erfolgt Hydrolyse und damit Zersetzung des Pi'Oteine bei pH-V/erten unterhalb etwa 2. Falls eine Hydrolyse zu vermeiden ist, wird die Azidität des Systems vorzugsweise im pH-Bereich zwischen 2 bis 4 und insbesondere zwischen 3 und 4, speziell bevorzugt zwischen 3 und 3,6, eingestellt. Falls eine Hydrolyse des Proteins erwünscht ist, können selbstverständlich pH-Werte unterhalb 2 verwendet werden. Der pH-Wert des Proteinmaterials ist auch vom späteren ■ Trennverfahren abhängig, da einige dieser Verfahren innerhalb bestimmter enger pH-Grenzen wirksamer arbeiten.
Als üäuren eignen sich beliebige organische oder Mineralsäuren, vorzugsweise werden Mineralsäuren verwendet. Ferner ist vorzugsweise die üäure eine in ftahruii.^ mitteln zugelassene Säure, da das Endprodukt im allgemeinen für Nahrungazwecke bestimmt ist. Als Beispiele für geeignete säuren seien salzsäure, Phosphorsäure, Zitronensäure, Essigsäure» 'Schwefel-
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■ ■ ~s-
säure, Salpetersäure ;und dgl. genannt. Vorzugsweise wird zur Erniedrigung des pH-Werts der Proteinlösung Salzsäure verwendet.
Als Proteinmaterial verwendet man vorzugsweise eine wässrige Löoung, die mindestens ΐο',4 Protein (auf wasserfreier Basis) und mindestens Af> Mineralstoffe (auf wasserfreier Basis) und Ms zu 60, vorzugsweise mindestens Aofi Protein und 5o?£ MinerT^stoffe aufweist. Auch bei verschiedenen "bekannten Verfahren angefallene Proteinisolate können wieder gelöst und erfindungsgemäß entmineralisiert werden.
Nach Erniedrigung des pH-Werts wird die Molke dann einer weiteren Bearbeitung zugeführt, bei welcher die aus dem Proteinkomplex gelösten Mineralstoffe vom Protein abgetrennt werden. Konventionelle Methoden, die diesen Zweck erreichen, · sind z.B. die Umkehrosmose, Ultrafiltration, !Dialyse, Elektrodialyse, Transporterschöpfung, Ionenaustausch,, lonenverzögerung und Holekularsieb-aussehluß. I)iese Methoden sind dem Fachmann gut bekannt, sie werden nachfolgend daher nur kurz skizziert: -
1. Umkehrosmose: Eine Membran verwendendes Trennverfahren, bei welchem durch hydraulischen Druck Wasser (und möglicherweise bestimmte gelöste Bestandteile) durch eine semipermeable Membran gedruckt werden. Wasser und Mineralsalze . passieren unter hydraulischem Druck die Membran, während Lactose und die Moltenproteine im Konzentratstrom zurückgehalten' werden. .
2. Ultrafiltration: Ein mit einer Membran arbeitendes Trennverfahren, welches den Durchtritt niedermolekularer Molkebestandteile, d.h. Lactose und Mineralstoffe, durch die Membran erlaubt, während die Molkenproteine im Könzentratstrom zurückgehalten werden. Bei der Molke handelt es sich
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um ein derart komplexes Gemisch von gelösten Stoffen, daB bei Trennverfahren mit einer Membran sowohl die Umkehrosmose wie die Ultrafiltration angewandt werden.
3. Dialyse: Die Dialyse benutzt die Unfähigkeit vojii Molekülen hohen Molekulargewichts (Macromoleküle) und/oder kolloidaler Teilchen zur Diffusion durch bestimmt© semipermeable Membranen, z.B. aus Kollodium, Pergament oder Zellophan.
V/ird die Molke mit eingestelltem pH einer Dialyse unterworfen, so gibt man die Beschickung in einen Di&lyeator, welcher mit einer geeignete» dimensionierten Membran ausgestattet ist, daß nur Mineralsalze durch diftHefflbran in das jenseits der Membran befindliche Lösungsmittel diffundieren.
4. Elektrodialyse: Die Elektrodialyse ist der Dialyse ähnlich, jedoch wird in einer geeignete» eingerichteten Vorrichtung ein elektrischer Dtrom durch die Lösung geleitet. Bei der Elektrodialyse werden gewöhnlich mehrere Paare ionenselektiver Membranen zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet« Verwendet man die Elektrodialyse zum Entminekeralisieren der angesäuerten Molke, so wird diese durch mehrere Kammern gepumpt,, welche Paare ionenselektiver Membranen zwischen einem Elektrodenpaar aufweisen. Man kann eine Vielzahl derartiger Kammern vorsehen, womit man einen Produktstrom mit geringem Gehalt an Mineralsalzen und einem "SaIz"-Strom mit hohem MineralSalzgehalt erhält.
5. Transporterschöpfung: Diese ist der Elektrodialyse verwandt, unterscheidet sich jedoch dadurch, daß anstelle der ionenselektiven Membran eine neutrale Membran verwendet wird. Bei Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren wird die
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Molke durch, die die neutrale Membran und ein Elektrodenpaar' aufweisenden Kammern gepumpt. Anionen und Kationen gelangen durch die Membran, dabei erhält man einen Strom mit vermindertem Mineralsalzgehalt und einen anderen, an Mineralsalzen konzentrierten Strom.
6. Ionenaustausch/: Diese Methode arbeitet mit sehr unlöslichen synthetischen Polymerharzen mit sauren (Kationenaustauscherharze) oder "basischen (Anionenaustauseherharze) funktioneilen Gruppen. Bei der Abtrennung der aus dem Komplex gelösten Mineralstoffe wird die angesäuerte Kolke durch eine Schicht geleitet, welche ein Anion- und/oder Kationaustauscherharz enthält. Dabei werden die mineralischen Bestandteile1 durch Wasserstoffionen ausgetauscht. - . ^ .
7. lonenverzögerung: Diese Methode verwendet ein Harz, welches aufgrund seiner lonenadsorptionseigenschaften den Durchfluß der Ionen durch das Harz verzögert. Das Harz enthält sowohl anionische wie kationische Adsorptionsstellen. Wird die angesäuerte Molke auf eine das die Ionenwanderung verzögernde
/enthaltende Schicht ,;.,,.,. . . ^ ,. Harz aufgegeben und aus der Schicht eluiert, so weist die erste Fraktion ein hohes Verhältnis von Protein zu Mineralstoffen auf, während die späteren Fraktionen die vom Harz adsorbierten Mineralsalze enthalten.
8. Molekularsieb-ausschluß: Dieses Verfahren verwendet ein Harz, in welches Moleküle, die größer uind als die größten Poren des Harzes nicht eindringen können und daher außer- . halb der Harzteilchen durch die Harzschicht wandern und * daher zuerst eluiert werden. Kleinere Moleküle, z.B. Mineralien, dringen jedoch ihrer Größe und Form entsprechend in vex'schieden starkem Ausmaß in die Harzteilchen ein.
Die iiiluierung aus dem Harz erfolgt somit in der Reihenfolge abnehmender Molekülgröße. Bei dieser Methode wird die
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angesäuerte Molke einem hydraii-iertem Molekularsieb-ausschluß-harz zugesetzt und die Probe wird mit Wasser oder einem anderen geeigneten Eluierungsmittel eluiert· Da MineifLsalze und andere kleinere Moleküle in die Oberfläche des Harzes eindringen können, während Macromöleküle ausgeschlossen bleiben, wird die Geschwindigkeit der Mineralsalze verringert, während die Macromoleküle in der mobilen Phase durch die Schicht hindurchgelaiifjen. Uie" erste^. die »Schicht verlassende Fraktion enthält daher das entmineralisierte Kolkenprotein, während spätere Fraktionen die Mineralsalze enthalten.
Im Grunde arbeiten sämtliche der erwähnten Methoden mit einer differentiellen Migration zur Bewirkung der Materialtrennung. Jede beliebige der genannten Methoden kann einfach oder wiederholt durchgeführt werden, gegebenenfalls mit Kreislauf, bis eine befriedigende Trennung erzielt ist.
Die entmineralivierten Molkenproteine werden als flüssige Konzentrate erhalten. Diese können beispielsweise in proteinhaltigen Getränken direkt verwendet oder beim pH der Verarbeitung, d.h. unterhalb pH 4,25 oder nach Einstellung eines neutraleren pH (6 bis 7) mit einer geeigneten Base wie z.B. Natriumhydroxyd, getrocknet werden. Zum Trocknen der flüssigen Konzentrate werden konventionelle Trockenverfahren für Proteinisolate angewandt.
Wegen der Säurelöslichkeit des erfindungsgemäßen Produkts kann dieses auch dort eingesetzt werden, wo Proteinlöelichkeit bei saurem pH benötigt v/ird. J;uißpielbweise kann man kohlensäurehaltige und saure Getränke durch Zusatz der erfindungsgemäßen entmineralisierten Molkenproteine im Nährwert verstärken. Die erhöhte üäurelöslichkeit des Produkts kann ferner zur Herstellung eines flüssigen Konzen-
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trat s mit einem Pe st st off gehalt von 4o-5o;a ausgenutzt werden; dieses kann zur Herstellung saurer Getränke verwendet werden.
Beispiel 1
!Teilweise von Lactose befreite, kolke, die durch Molekularsieb-ausschluß erhalten wurde und einen Proteihgehalt von 55,16/''» (frei von Feuchtigkeit) und ein Verhältnis von Protein zu Mineralstoffen (Asche) von etwa 4i1 aufwies wurde ausgehend vom normalen pH/ 7*0 mit Salzsäure behandelt bis zum pH 3,5· Dann erfolgte Umkehrosmose mit einem Molekulargewicht sschnitt bei 12000, so daß die niedermolekularen, nicht-proteinartigen Moleküle durch die Membran entfernt und die Proteinmoleküle zurückgehalten vurden. Man erhielt ein Produkt mit einem Proteingehalt, von 87,66°£ (feuchtigkeit sfrei) und einem Ascnegehalt von 1,9&ΐ> (feuchtigkeitsfrei), entsprechend einem Verhältnii||&Otein zu Mineralstoffen von 46,4 zu 1,o.
Beispiel 2 ; . ' .
Durch Molekularüieb-ausuchluß teilweise von Lactose befreite Molke mit einem Feststoffgehalt von 4,8>, einem Proteingehalt von 49,'8^o (feuchtigkeitsfrei) und einem Mineralstoff gehalt (Asche) von 12,o?ö (feuchtigkeitsfrei), was ein anfängliches Verhältnis von Protein zu Mineralstoffen von 4,2 zu ergibt, wurde bei pli 7,ο (normaler Verabeitungs-pH) eingesetzt. Dieses Material wurde einer Umkehrosmose, wie in Beispiel 1 beschrieben, unterv-Gi-fen. Die Analyse des Produkts ergab einen Proteinö -ehalt von 73,75,a (feuchtigkeitsfrei) und einen■Mineralstoffgehalt von 12,5$ (feuchtigkeitsfrei), entsprechend einem Vernältnis Protein zu Mineralstoffen
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von 5,9:1,ο.
Ein Vergleich der Beispiele 1 und 2 zeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren Kolke wirksam entminej^lisiert , wird. In Beispiel 1 erhält man "beim pH 3,5 ein Produkt mit einem Proteingehalt von 87,66<ώ und einem Mineralstoffgehalt von 1,89$, entsprechend einem Verhältnis von Protein zu Mineralstoffen von 41,7:1. In Beispiel 2 wurde gleichermaßen und unter den gleichen Bedingungen wie das Ausgangsmaterial von Beispiel 1 konzentrierte Molke bei pH 7 der Umkehrosmose unterworfen} dabei wurde ein Produkt mit einem Proteingehalt von 73,3$ und einem Mineral stoff gehalt von 12,5>, entsprechend einen f erhälitnis Protein zu Mineralstoffen von 5,9:1 ,o hergestellt.
Beispiel 3
Molke von rohem Hüttenkäse wurde durch Umkehrosmose wie in Beispiel 1 beschrieben beim natürlichen pH (4»5) &«- handelt. Der anfängliche Proteingehalt betrug 11,56$ (feuchtigkeitsfrei), der nineralstoffgehalt 8,o$ (feuchtigkeit sfrei). Die Probe wurde dann durch Umkehrosmose auf eine Proteinkonzentration von 57,75$ (feuchtigkeit©frei) gebracht, der Mineralstoffgehalt betrug 6,6o$ (feuchtigkeitsfrei), entsprechend einem Verhältnis Protein zu Mineralstoffen von 8,8:1.
Beispiel 4
Beim Einengen von Käsemolke und teilweiser Entfernung der Lactose durch Kristallisieren erhaltene Mutterlauge wurde
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weiter geklärt, um restliche suspendierte l'est stoffe zu entfernen. Dann wurde der pH 3,5 eingestellt und es erfolgte Umkehrosmose wie in Beispiel 1 beschrieben. Der anfängliche Protelngehalt betrug 19,17$ (feuchtigkeitsfrei). Die Konzentration durch Umkehrosmose wurde fortgesetzt, bis das Produkt einen Proteingehalt von 75,3$ (feuchtigkeits-. frei) aufwies und einen Mineralstoffgehalt von 14,7$» (feuchtigkeitsfrei). Das resultierende Verhältnis Protein zu Mineralstoffen betrug 18,1:Λ ,ο.
Beispiel 5
Teilweise von Lactose befreite Molke aus einem Gemisch aus 7o Teilen Hüttenkäse-Kolke und 3o Teilen Gheddar-Iväsemolke wurde gemäß Beispiel 1 auf pH 3,2 eingestellt und dann durch Umkehrosmose wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben auf einen End-Proteingehalt von .84,25$ (feuchtigkeitsfrei), bei einem Mineralstoffgehalt von 1,83$·, konzentriert. Das Verhältnis Protein zu Mineralstoffen betrug somit 46:1,o.
Dann wurde der pH mit Natriumhydroxyd wieder auf 7,ο eingestellt, wobei man einen Mineralstoffgehalt von 5,69$ (feuchtigkeitsfrei) erhielt. Das resultierende -Verhältnis Protein zu Mineralstoffen war nach- der pH-Werteinstellung auf 7,o "14,8:1.
Beispiel 6
Dan Molkenproteinprodukt gemäß Beispiel 1 wurde unter Einstellung einer Proteinkonzentration von 2$ in handelsüblichem Preiselbeersaft gelöst. Der ursprüngliche pH-V/ert des
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Preiselbeersaftß betrug vor Zugabe dee Proteinprodukt8 2,86, danach 2,95. Nach dein Zentrifugieren der Lösung zeigten sich kaum erkennbare Spuren ungelöster Feetstoffe. Aufgrund der Geschmacklosigkeit des Molkenproteinprodukte wurde durch den Zusatfc praktisch keine GeBchmacksänderung bewirkt .
Die obigen Protein-Prozentangaben basieren auf Kjeldahl-StickstoffbeStimmungen (NI 6,38).
Die erfindungsgemäß erhältlichen Produkte besitzen einen ungewöhnlich niedrigen Mineraletoffgehalt und sind durch Säurelöslichkeit gekennzeichnet. Sie eignen sich insbesondere als proteinhaltige Additive zu sauren Getränken.
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Claims (10)

- 13 - ·. ■■ P a t en t a nsp r ü ch e
1. Verfahren zur EntmineraliVierung mineralstoffhaltiger ' Proteine,' dadurch gekennzeichnet, daß man eine iösühg eines mineralstoffhaltigen Proteins mit einer wirksamen Menge einer für ITahrungszwecke geeigneten Säure "behandelt unter Herabsetzung des pH der Lösung unterhalb mindestens 4»25 zwecks Spaltung des Komplexes aus Mineralstoffen und Protein, und dann die Mineralstoffe vom Protein trennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch- gekennzeichnet, daß die mineralstoffhaltige Proteinlösung'eine Käsemolke ist;
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine konzentrierte Molke mit einem Proteingehalt von mindestens 4-oft (auf feuchtigkeitsfreier Basis) verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH mit Salzsäure herabsetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH auf einen Wert zwischen etwa 2 und etwa 4fo einstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH auf einen Wert zwisehen etwa 3 und etwa 3,6 einstellt,
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trennung von Mineralstoffen und Protein durch Umkehrosmose, Ultrafiltration, Dialyse, Elektrodialyse, Transporterschöpfung, Ionenaustausch, Ionenverzögerung oder Molekularsieb-auüSchluß bewii'kt.
308813/0826
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die i'rennung durch Umkehrosmose bewirkt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trennung durch Ultrafiltration bewirkt.
10. Verfahren nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, daß man die I'rennung durch Molekularoieb-außachluÖ bewirkt.
Für: Stauffer Chemical Company Westport, Conn., V.St.A.
Dft Hont Chr. ΒΛ Re ent sanwalt
309813/0828
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