DE2311682C3 - Verfahren zum enzymatischen Abbau von lipidhaltigem Cerealienprotein - Material oder von bei der Gewinnung pflanzlicher öle anfallenden proteinreichen Rückständen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum enzymatischen Abbau von lipidhaltigem Cerealienprotein-Material oder von bei der Gewinnung pflanzlicher öle anfallenden proteinreichen Rückständen (nachfolgend zusammenfassend als lipidhaltiges proteinreiches Material bezeichnet).

Bei der Gewinnung pflanzlicher und tierischer öle fallen häufig proteinreiche Rückstände an. Diese Rückstände sind sehr komplex und heterogen zusammengesetzt und enthalten neben unterschiedlichen Mengen Protein zahlreiche andere sowohl hoch- wie auch niedermolekulare Bestandteile, wie Fette, Stärke, Cellulose, Pektinstoffe, Hemicellulose, Farbstoffe und Salze. so

Auf Grund .des hohen Protein- und Kohlenhydratgehaltes finden die bei der ölgewinnung anfallenden Rückstände bisher überwiegend als Futtermittel Verwendung. Um sie als Proteinquelle für die menschliche Ernährung nutzbar zu machen, bedarf es im allgemeinen besonderer Aufbereitungs- und Isolierungsverfahren. Eine zusammenfassende Darstellung über derartige Verfahren findet sich in R. Noyes, »Protein Food Supplements«, Noges Data Corp., 1969.

Bei den Aufbereitungsverfahren kommt es darauf an, störende Begleitstoffe, wie Stärke, Cellulose, Fette, Mineralstoffe oder unerwünschte Geschmackstoffe, wie die Bitterstoffe der Soyabohne, zu entfernen, ohne dabei die Qualität des Proteins negativ zu beeinflussen.

Während eine Gruppe von bekannten Verfahren durch Herauslösen des Proteins z. B. mit Wasser, wäßrigen Salz- oder Alkalilösungen, alkoholischen I osiingen, oder durch ciweißspaltende Enzyme, eine Anreicherung, Reinigung und teilweise auch eine Fraktionierung oder Spaltung des Proteins zum Ziel hat werden nach einer zweiten Gruppe von Verfahren die unerwünschten oder störenden Begleitkomponenten entfernt In ähnlicher Weise, wie das Herauslösen des Proteins auf enzymatischem Wege vorgenommen werden kann, bedienen sich auch Verfahren dieser Gruppe des enzymatischen Abbaus der unerwünschten Komponenten, beispielsweise der Stärke durch Amylasen, oder der Cellulose und Pektinstoffe durch Cellulasen bzw. Pektinasen.

Besonders störend wirkt bei allen Aufbereitungsverfahren der öl- oder Fettgehalt dieser proteinreichen Rohstoffe, selbst wenn es sich dabei- um den vergleichsweise niedrigen Restölgehalt in dem nach der ölabtrennung anfallenden Preß- oder Extraktionskuchen handelt. Dieser Restölgehalt setzt die Hydrophilität des Preßkuchens oder des Extraktionsschrotes in erheblichem Maße herab. Die Benetzung durch Wasser, wäßrige Salz- oder alkalihakige Lösungen oder hydrophile Lösungsmittel, welche zum Herauslösen des Proteins oder der störenden Begleitkomponenten üblicherweise verwendet werden, ist so erschwert, daß nur eine unvollkommene Abtrennung möglich ist.

Durch erschöpfende Extraktion mit organischen Lösungsmitteln, durch Zusatz von Netzmitteln oder durch Aufschluß mit Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und Herausschmelzen und Separieren des Öls läßt sich die Zugänglichkeit sowohl des Proteins als auch der daneben vorliegenden Begleitstoffe und deren Abtrennung voneinander verbessern.

Bei der Behandlung mit Lösungsmitteln zur Entfernung der Lipide kann auf Grund der durch die verwendeten Lösungsmittel bewirkten Denaturierung jedoch eine Verschlechterung z. B. der Quellfähigkeit oder der enzymatischen Abbaufähigkeit eintreten. Außerdem kann nicht in jedem Fall mit einer quantitativen Entfernung von Lipiden gerechnet werden. Die Lipidkomponenten in den Rückständen der ölgewinnung bestehen nämlich im allgemeinen nicht nur aus unvollständig abgetrenntem Öl oder Fett, sondern insbesondere bei Cerealien in erhablichem Umfang aus komplexgebundenen Lipoproteinen (zwischen etwa 2 und etwa 10%, bezogen auf Gesamtprotein) und/oder Lipopolysacchariden. In diesen Komplexen sind die Lipide strukturell so fest an die Proteinbzw. Kohlenhydratkomponente gebunden, daß sie beispielsweise durch Lösungsmittel nicht entfernt werden können. Darüber hinaus wird durch die Ausbildung von Protein-Lipoproteinkomplexen die Löslichkeit der Proteine in so hohem Maße herabgesetzt, daß sie wie beispielsweise die Proteine des Weizenklebers, selbst in Harnstofflösung nicht mehr löslich sind.

Die bisher vorgeschlagenen Behandlungsverfahren zur Verbesserung der Hydrophilität und Löslichkeit führen daher insbesondere bei Cerealienproteinen, wie Maiskleber und Weizenkleber, immer nur zu einer graduellen Verbesserung, beispielsweise der enzymatischen Abbaubarkeit.

Weiterhin ist es bekannt, Mikroorganismenzellen zunächst mit Protease zum Abbau des Zellwandproteins zu behandeln, die Protease zu desaktivieren oder zu entfernen und dann ein Gemisch aus Cellulase und Lipase einwirken zu lassen (GB-PS 11 75 912).

Wie nunmehr überraschenderweise gefunden wurde, läßt sich durch Behandlung von derartigem lipidhaltieem proteinreichem Material mit Lipasen nicht nur ein

vollständiger Abbau des frei vorliegenden Fettes bzw. Öles, sondern auch ein Abbau des komplex an Proteine oder Kohlenhydrate gebundenen Lipidanteils erreichen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum enzymatischen Abbau von lipidhaltigem Cerealienprotein-Material oder von bei der Gewinnung pflanzlicher öle anfallenden proteinreichen Rückständen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material vor der Einwirkung von proteolytischen Enzymen in wäßriger Suspension mit Lipasen behandelt wird oder daß die Behandlung des proteinreichen lipidreichen Materials mit Lipasen und proteolytischen Enzymen gleichzeitig erfolgt.

Grundsätzlich können für das Verfahren Lipasen jeder Herkunft verwendet werden. Bevorzugt finden «5 jedoch Lipasen mikrobieller Herkunft, wie Candida-, Aspergillus-, Rhizopus-, Pseudomonas- una Geotrichum-Arien, Verwendung, beispielsweise Lipasen aus Candida cylindracea und Aspergillus oryzae.

Die Konzentration des lipidhaltigen proteinretchen Materials bei der Behandlung mit Lipasen in wäßriger Suspension hängt ab von der Wasseraufnahme (Quellfähigkeit) bzw. Konsistenz des betreffenden Materials im Hinblick auf die technische Verarbeitbarkeit (Rühren, Pumpfähigkeit usw.). Sie liegt bei Maiskleber zwischen 1 und 30% und vorzugsweise bei etwa 10%.

Die optimale Lipasekonzentration ist proportional dem Lipidgehalt des zu behandelnden Materials. Sie liegt beispielsweise bei Maiskleber zwischen 0,002 und 1 %, vorzugsweise 0.005 bis 0,01 %.

Die Lipasen gelangen auf die wäßrige Suspension des lipidhaltigen proteinreichen Materials im Temperaturbereich von etwa 20 bis 65° C, vorzugsweise bei 35 bis 45° C, und im pH-Bereich von etwa 3 bis 9, vorzugsweise von 6,0 bis 8,5, zur Einwirkung.

In Abhängigkeit von Lipidkonzentration und Lipaseaktivität sind Inkubationszeiten bis zu 16 Stunden, vorzugsweise von 1 bis 6 Stunden, erforderlich.

Die Verwendung von proteolytischen Enzymen zum Herauslösen und zum Abbau des Proteins ist vor allem für Sojabohnenpreß- oder extraktionsschrot bzw. für daraus durch Auslaugung gewonnene Proteinfraktionen beschrieben worden. Wesentlich unvollständiger als bei Sojaproteinen verläuft der enzymatische Abbau durch Proteasen bei Cerealienproteinen (Kleber) auf Grund des hohen Lipoproteingehalts dieser Produkte. Dies gilt insbesondere für Maiskleber, der im Gegensatz zum Weizenkleber nur eine geringe Quellfähigkeit besitzt und daher nicht wie dieser beispielsweise in Teigwaren eingesetzt werden kann, sondern überwiegend als Futtermittel bzw. Futtermittelzusatz verwendet wird. Ein enzymatischer Abbau der Maiskleberproteine zu vollständig löslichen Peptiden und Aminosäuren ist bisher mit keiner der bekannten Proteasen zu erreichen.

Es ist charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren zur enzymatischen Spaltung sowohl der freien als auch der komplex gebundenen Lipide, daß es nicht nur zu einer Erhöhung der Quellfähigkeit des so behandelten Materials führt, sondern daß es die enzymatische Abbaufähigkeit solcher lipidhaltigen Materialien mit Proteasen bzw. proteolytischen Enzymen signifikant verbessert.

Durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung mit Lipasen gelingt erstmals eine vollständige Verflüssigung der Maiskleberproteine zu vorzugsweise niedermolekularen Peptiden. Die vollständige Hydrolyse gelingt nach entsprechender Vorbehandlung sowohl bei in der Naßvermahlung von Mais anfallendem Naßmaiskleber als entsprechender Trocknung (z. B. Vakuum, Sprüh-, Gefriertrocknung usw.) ein in Wasser klarlösliches Produkt

Obwohl die Verbesserung des proteolytischen Abbaus durch die Lipasenvorbehandlung für alle proteolytischen Enzyme gilt, eignen sich für den vollständigen Abbau — insbesondere von Maiskleber — am besten alkalische Proteasen, vorzugsweise Proteasen aus Bac subtilis.

Mit einer neutralen Protease, wie Trypsin, wird trotz Lipasevorbehandlung ein nur etwa 30%iger Abbau von Maiskleber erreicht, was gegenüber dem nicht vorbehandelten Kleber (etwa 20%iger Abbau) aber ebenfalls noch eine Steigerung des Abbaus um 50% bedeutet.

Die Verbesserung des enzymatischen Abbaus ist bei allen lipidhaltigen Materialien feststellbar, sie liegt jedoch bei den lipoproteirireichen Cerealienproteinen (Maiskleber, Weizenkleber) deutlich höher als bei Soja- und Erdnußschrot. Die Vorbehandlung mit Lipasen eignet sich somit besonders für Materialien, in denen die Lipidkomponente wie in den Cerealienproteinen besonders fest gebunden ist.

Neben der vollständigen Verflüssigung der Proteinkomponenten spricht für die Wirtschaftlichkeit der Behandlung des lipidhaltigen proteinreichen Materials mit Lipasen, daß die lipasehallige Lösung nach der Behandlung von dem Material bzw. von suspendiertem Protein abgetrennt und erneut für die Behandlung des lipidhaltigen proteinreichen Materials verwendet werden kann. Auch kann die Behandlung des lipidhaltigen Materials mit Lipasen und mit Proteasen bzw. proteolytischen Enzymen gleichzeitig erfolgen. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, vor oder während der Behandlung mit Lipasen eine Behandlung mit anderen Enzymen, wie Amylasen und/oder Cellulasen, durchzuführen.

Insgesamt bietet die Vorbehandlung des lipidhaltigen proteinreichen Materials mit Lipasen gegenüber anderen bekannten Verfahren folgende Vorteile:

1. Durch Lipasebehandlung werden auch Lipoproteine oder andere komplex gebundene Lipide abgebaut, welche z. B. durch Lösungsmittel nicht entfernt werden können. Die Wirksamkeit der Vorbehandlung tritt daher insbesondere bei Cerealienproteinen ein.

2. Die Lipasebehandlung ermöglicht erstmalig eine im Vergleich zu anderen Hydrolyseverfahren, z. B. der Säurehydrolyse, sehr schonende vollständige enzymatische Hydrolyse von Maiskleber. Für die bekannten Verwendungsbereiche von Kleberhydrolysaten werden wasserlösliche Produkte sehr heller Farbe zugänglich, und eine Abtrennung von Huminstoffen, wie z. B. nach der Säurehydrolyse, ist nicht erforderlich.

3. Die Einwirkung von Lipasen kann in einfacher Weise in einer wäßrigen Suspension des lipidhaltigen proteinreichen Materials durchgeführt werden. Da der optimale Wirkungsbereich der Lipase zwischen pH 6 und 8, d.h. im neutralen Bereich, liegt, sind Zusätze von Puffern oder anderen Hilfsstoffen nicht erforderlich.

4. Die lipolytische Behandlung ist sehr schonend, so daß Schädigungen des Proteins, wie eine Denaturierung durch Lösungsmittel oder Abbau bestimmter wertvoller Aminosäuren durch zugesetzte Hilfsstoffe, wie z. B. Alkali, in wäßriger Suspension nicht auftreten. Außerdem entfällt die Entfernung

von häufig sehr fest an das Protein gebundenen Lösungsmittel- oder Hilfsstoffrückständen, die aufwendige Nachbehandlungsverfahren erfordert

5. Durch den Abbau der Lipide wird die bei der Weiterverarbeitung häufig auftretende Bildung stabiler Lipid-Proteinemulsionen vermieden.

6. Die wäßrige Lipaselösung kann nach Abtrennung des suspendierten Proteins beispielsweise durch Zentrifugieren ohne zusätzliche Behandlungs- oder Auibereitungsverfahren wieder verwendet werden.

7. Die lipolytische Behandlung kann in einfacher Weise mit anderen bekannten enzymatischen Abbaumethoden, wie beispielsweise mit Proteasen, Amylasen, Cellulasen, kombiniert werden. Dies ist möglich auf Grund des sehr breiten pH-Wirkungs-15 bereiches, so daß selbst außerhalb des optimalen Wirkungsbereiches der Lipasen z. B. bei Verwendung alkalischer Proteasen bei pH 9 noch signifikante Verbesserungen des proteolytischen Abbaus erzielt werden. Auf diose Weise können in einem einzigen Prozeßschritt Lösungen erhalten werden, die z. B. gleichzeitig lösliche Kohlenhydrate und Stickstoffverbindungen enthalten und somit als leicht verdauliche Nahrungs- und/oder Futtermittel Verwendung finden können.

8. Bei einem lipidhaltigen proteinreichen Material, bei dem auf Grund seines Gehaltes an komplex gebundenen Lipoproteinen oder Lipopolysacchariden hohe Proteasekonzentrationen erforderlich sind, kann durch die lipolytische Vorbehandlung die erforderliche Proteasekonzentration beispielsweise bei Weizenkleber auf weniger als V20, herabgesetzt werden, was eine wesentliche Senkung der Enzymkosten für den proteolytischen Abbau bedeutet

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Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

40 Um die Wirkung der Lipasebehandlung auf den Maiskleber festzustellen, wurde ein weiterer Maisklebersuspensionsansatz wie vorstehend angegeben behandelt wobei der Kleber jedoch nach Abschluß der Lipasebehandlung abzentrifugiert und

a) einer Umlufttrocknung,

b) einer Gefriertrocknung
unterworfen wurde.

Die Quellfähigkeit der Trockenprodukte (90% Trockensubstanz) war im Vergleich zu nicht vorbehandelten Proben bei beiden Trocknungsarten deutlich höher.

Behandlung Quellung

(Zunahme in "/0 des Anfangsvolumens)

Umlufltrocknung Gefriertrocknung

keine
Lipase

50
100

Beispiel 2

75 150

Eine Suspension von 1 kg trockenem Maiskleber (Trockensubstanz-Gehalt etwa 90%) wurde gemäß Beispiel 1 zunächst einer Lipasebehandlung und danach dem proteolytischen Abbau unterworfen.

Im Vergleich zu einer gleichen Probe ohne Lipasevorbehandlung, bei der nur ein 73°/oiger Abbau zu löslichen Produkten erreicht werden konnte, gelang durch die Vorbehandlung eine 100%ige Verflüssigung der Maiskleberproteine.

Weiter wurde zum Vergleich je 1 kg Maiskleber vor der proteolytischen Hydrolyse einer erschöpfenden Extraktion (Soxhlet) mit Hexan bzw. Trichlorethylen unterworfen.

Eine Verbesserung der Abbaubarkeit im Vergleich zum unbehandelten Maiskleber wurde dabei nicht erzielt.

Eine Suspension von 2 kg feuchtem Maiskleber mit einem Trockensubstanz-Gehalt von etwa 50% in 101 Wasser wurde unter Zusatz von 0,01% Lipase, bezogen auf Maiskleber-Trockensubstanz, nach Einstellung des pH-Wertes durch Zusatz von NaOH auf 7,0 bei 40° C gerührt. Als Lipase fand dabei ein Lipasepräparat auf der Basis von Candida cylindracea der Firma Meito Sangyo Co. Ltd, Japan, mit einer Aktivität von etwa · IC·⁶ i. E. pro kg Verwendung. Nach etwa 6 Stunden wurde der Kleber durch Zentrifugieren abgetrennt, in Wasser suspendiert (End-Trockensubstand etwa 5%) und unter Zusatz von 1,0% Protease (bezogen auf Maiskleber-Trockensubstanz) bei 47° C 6 Stunden hydrolysiert. Als Protease kam dabei ein Proteasepräparat der Firma Nagase Sc Co, Japan, auf der Basis von Bacillus subtilis mit einer Aktivität von 000 PUN/g (Protease units Nagase) zum Einsatz. Der pH-Wert wurde zu Beginn der Hydrolyse durch Zugabe von NaOH auf 9,2 eingestellt und während der Hydrolyse durch Zugabe weiterer Lauge auf diesem Wert gehalten.

Es wurde ein vollständiger Abbau zu 100%ig wasserlöslichen Produkten erreicht (bestimmt nach K j e 1 d a h I nach dem Zentrifugieren). Im Vergleich hierzu ergab ein nicht mit Lipase vorbehandelter Maiskleber unter gleichen Bedingungen einen wasserunlöslichen Rückstand, der noch etwa 27% des ursprünglichen Stickstoffs enthielt.

Behandlung Lösliches Prolein

keine

Hexanextraktion
Trichlorethylen
Lipase-Vorbehandlung

73

74

70

100

Beispiel 3

Eine Suspension von 1 kg Weizenkleber mit einem Trockensubstanz-Gehalt von etwa 92%, einem Proteingehalt von etwa 86% i. Tr. und einem Lipidgehalt von etwa 1,7% i. Tr. wurde gemäß Beispiel 1 zunächst einer Lipasebehandlung und danach einem 16stündigen proteolytischen Abbau unterworfen. Die Verbesserung der Abbaubarkeit im Vergleich zu nicht vorbehandelten Proben zeigt die folgende Tabelle

Vorbehandlung

Löslicher Stickstoff (% Gesamt-N)

keine
Lipase

75 100

Beispiel 4

Suspensionen von jeweils 1 kg Soja-Extraktionsschrot (89% Trockensubstanz, 54% Protein i.Tr„ 0,1% Lipid i. Tr.) und Erdnußschrot (93% Trockensubstand, 57% Protein i.Tr., 0,01% Lipid i. Tr.) wurden gemäß Beispiel 1 zunächst einer Lipasebehandlung und danach einem 16stündigen proteolytischen Abbau unterworfen. Die Verbesserung der Abbaubarkeit im Vergleich zu nicht vorbehandelten Proben zeigt die folgende Tabelle.

Vorbehandlung

Sojaschrot

Erdnußschrot

keine
Lipasc

89
100

83
100

Die Abbaubarkeit wurde bei beiden Produkten deutlich erhöht, die erzielbare Verbesserung war jedoch geringer als bei den lipoproteinreichen Cerealienproteinen (Beispiel 1 bis 3).

Beispiel 5

Eine Suspension von 2 kg Maiskleber, feucht, wurde gemäß Beispiel 1 der Lipasebehandlung unterworfen. Der abgetrennte Kleber wurde in 2,5%iger wäßriger Suspension bei ph = 7,5 und 35° C 16 Stunden unter Zusatz von 1 % Trypsin, bezogen auf Trockensubstanz, hydrolysiert. Als Trypsin kam dabei ein Trypsinpräparat der Fa. Merck, Darmstadt, mit einer Aktivität von 20 000 E/g zur Anwendung.

Im Vergleich zu einer unbehandelten Probe, bei der ein maximaler Abbau von 20% erzielt werden konnte, wurde die Abbaubarkeit durch die Vorbehandlung auf 30% erhöht.

Beispiel 6

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Eine Suspension von 2 kg Maiskleber, feucht, in 201 H2O wurde unter Zusatz von 0,01% Lipase und 1,0% Protease (jeweils bezogen auf Kleber-Trockensubstanz) 6 Stunden bei 47° C gerührt, wobei der pH-Wert durch Zugabe von NaOH vom Beginn bis zum Ende der Hydrolyse konstand auf 9,2 gehalten wurde. Für diesen

Versuch wurden die gleichen Enzympräparate wie ir Beispiel 1 verwendet.

Vorbehandlung

Prolcolyse

Löslicher
Stickstoff
% des
Gcsamt-N

keine
keine

Lipase

Protease
Protease +
Lipase
Protease

73

97
100

Obwohl bei der direkten gleichzeitigen Einwirkung von Lipase und Protease außerhalb des pH-Optimums der Lipase gearbeitet wurde, ließ sich eine signifikante Verbesserung des enzymatischen Abbaus und eine 97%ige Überführung in lösliche Produkte erzielen.

Beispiel 7

Weizenkleber mit und ohne Lipase-Vorbehandlung (0,1%, bezogen auf Trockensubstanz) wurde mit verschiedenen Mengen Proteasepräparat gemäß Beispiel I 16 Stunden inkubiert.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, führte die Vorbehandlung zu einer erheblichen Einsparung der für eine 100%ige Verflüssigung der Kleberproteine notwendigen Proteasemenge.

Protease Konz.	% des Gesamt-N in	Lösung
(% bez. auf	mit Lipase-Vorbe-	ohne Lipase-
Trockensubstanz)	handlung	Vor-
		behandlung
0.05	96	64
0.2	100	75
0.5	100	83
1,0	100	87
1,5	100	96
2,5	100	98
5.0	100	99

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum enzymatischen Abbau von lipidhaltigem Cerealienprotein-Material oder von bei der Gewinnung pflanzlicher öle anfallenden proteinreichen Rückständen, dadurch gekennzeichnet, daß das Materiaj vor der Einwirkung von proteolytischen Enzymen in wäßriger Suspension mit Lipasen behandelt wird oder daß die Behandlung des proteinreichen lipidhaltigen Materials mit Lipasen und proteolytischen Enzymen gleichzeitig erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lipasen auf die wäßrige Suspension des protein reichen lipidhaltigen Materials im Temperaturbereich von etwa 20 bis 65° C, vorzugsweise bei 35 bis 4 5° C, und im pH-Bereich von etwa 3 bis 9, vorzugsweise von 6,0 bis 8,5, zur Einwirkung gelangen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lipasehaltige Lösung nach der Behandlung von dem proteinreichen Material mechanisch abgetrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Anspruch 3 abgetrennte lipasehaltige Lösung als Lipase wiederverwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder während der Behandlung mit Lipasen eine Behandlung mit Amylasen und/oder Cellulasen erfolgt.