DE2540177A1 - Verfahren zur gewinnung von proteinen aus raps - Google Patents

Description

Prof. Dr. Helmut Karl Mangold

Dr. Kumar Deb Mukherjee

Prof. Dr. Ahmed Sameeh El Nockrashy

Bundesanstalt für Fettforschung, Insitut für Biochemie und Technologie - H.P. Kaufmann-Institut, 44 Münster (Westfi) Piusallee 68

Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Raps

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinen Proteinen aus Rapssaat.

Wegen der weltweiten Knappheit an Proteinen, die für die tierische und menschliche Ernährung geeignet sind, erlangen ölsaaten wie Sojabohnen, Erdnüsse und Baumwollsaaten wachsende Bedeutung für die Produktion eßbarer Proteine.

Raps - Brassica napus - die wichtigste ölsaat der gemäßigten Klimazonen, hat bisher nur wenig Verwendung für die Herstellung von Proteinen gefunden, weil darin gesundheitsschädliche Stoffe, vor allem Erucasäure und Glucoslnolate, enthalten sind. Die Züchtung neuer Rapssorten, deren Samen nur geringe Mengen an Erucasäure und Glucosinolaten enthalten, führt zur Verbesserung der ernährungsphysiologischen Eigenschaften von Rapsprodukten. Eine Winterrapssorte (Brassica napus, Leslra), die einen geringen Gehalt an Erucasäure aufweist, und eine Sommerrapssorte (Brassica napus, Erglu), die geringe Mengen von Erucasäure sowie Gluoosinolaten enthält, werden in wachsendem Umfang vorzugsweise für die Gewinnung von öl angebaut. Die Saatöle dieser neuen Sorte sind nahezu frei von Erucasäure und ihre Mehle enthalten wesentlich geringere Mengen von Gluoosinolaten als herkömmliche Rapssaaten. Nach Schätzungen der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (PAO) kann ab I980 eine Rapssaat-Produktion von etwa 12 Mio. t jährlich erwartet werden.

7098 1 1 /0496

Die neuen Rapssorten können wesentlich zur Deckung des Bedarfs an eßbaren Proteinen beitragen, vorausgesetzt, daß geeignete Verfahren zur isolierung der Rapsproteine gefunden werden. Ein einfaches und wirtschaftlich rentables Verfahren zur Gewinnung der in der Rapssaat enthaltenen Proteine in industriellem Maßstab kann zur Deckung des Bedarfs an eßbarem Eiweiß beitragen und zusätzlich einen wertvollen Rohstoff für die KunststoffIndustrie liefern.
Die Erfindung geht von folgendem Stand der Technik aus:

Proteinkonzentrate mit einem Gehalt von 5o bis 60 % Protein kann man aus Sojabohnen und anderen ölsaaten in einfacher Weise nach Schälen der Saaten und Extraktion des 01s gewinnen. Auch aus konventionellen Rapssaaten kann man durch Schälung, Entölung und Extraktion von Gluoosinolaten entsprechende Proteinkonzentrate herstellen; die Ausbeuten liegen nur zwischen 2j5 und 28 % des Saatgewichts.

Protein-Konzentrate aus Sojabohnen und Baumwollsaat, in sehr geringem Ausmaß auch aus Rapssaat, finden Anwendung als Tierfutter. Für die menschliche Ernährung und für viele technische Anwendungen werden jedoch Proteine von wesentlich höherer Reinheit, das sind "Proteinisolate",benötigt.

Bei der Isolierung von Proteinen aus ölsaaten in industriellem Maßstab bestehen die wesentlichen Schritte in folgendem:

Die Proteine werden zunächst aus der entölten Saat, dem Mehl, mit Wasser oder wäßrigen Lösungen von Salzen oder Alkallen extrahiert. Aus den Extrakten werden danach die Proteinisolate durch lyophilisation, Trocknung oder Ausfällung gewonnen.

Die Extraktion der Proteine wird einstufig oder mehrstufig unter Benutzung eines oder mehrerer Lösungsmittel durchgeführt. Diese Verfahrensweisen erfordern erhebliche Mengen von Lösungsmitteln, um eine hohe Ausbeute zu gewährleisten.

709811/0496

Die Gewinnung der Proteine aus den Extrakten durch Lyophilisation oder Trocknung führt zu Produkten, die zwar die gesamten extrahierten Proteine enthalten« jedoch durch Nicht-Proteine, die aus der Saat und dem Lösungsmittel stammen, verunreinigt sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für die menschliche Ernährung geeignete Protelnlsolate zu gewinnen, die frei von unlöslichen und vor allem für Kinder unverdaulichen Kohlehydraten sind, keine gesundheitsschädlichen Faktoren, weder unerwünschte Geruchsbestandteile noch Bitterstoffe oder andere für die menschliche Ernährung nachteilige Beimengungen enthalten und auch eine Vermischung mit anderen Nahrungsmitteln zum Zwecke der Erhöhungr d^s Proteingehalts ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Gewinnung von Proteinlsolaten aus Rapssaat in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Arbeitswelse, durch das zwei Proteinisolate aus der entfetteten Rapssaat durch Gegenstromextraktion mit Wasser bei pH 7 oder mit wässrigen Lösungen von Natriumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd bei pH 1,5 bis Io,vorzugsweise pH 9, herausgelöst werden und daß aus dem gewonnenen Extrakt in zwei nacheinander einsetzenden Schritten durch allmähliche Zugabe einer Mineralsäure z.B. Salzsäure bei pH 5 bis 6,5> vorzugsweise bei pH 5#7 bis pH 6,0 (Proteirisolat I)#nd darauf bei pH 3,0 bis 4,0, vorzugsweise pH 3,6 (Proteinisolat II) nacheinander ausgefällt und mittels Wasser und/oder einem organischen Lösungsmittel gewaschen und nach Filtrieren oder Zentrifugieren in an sich bekannter Weise getrocknet werden.

Die wichtigsten Vorteile des Gegenstromextraktions-Verfahrens sind:

-etwa 95 % ige Extraktionsausbeute an Proteinen -geringer Bedarf an Lösungsmitteln und Chemikalien aufgrund optimaler Ausnutzung des Lösungsmittels

-Anwendung einer je nach Bedarf kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Arbeitswelse

709811/0496

-kleiner Flächenbedarf der Betriebsanlage -geringer Umfang der maschinellen Ausrüstung -geringer Aufwand an Kosten für den Betrieb der Anlage

Die wichtigsten Vorteile der stufenweisen Fällung der Proteine bei verschiedenen pH-Werten sind:

-nahezu vollständige Rückgewinnung der Proteine aus den Extrakten bei geringem Aufwand an Chemikalien und Energie

-Anwendung einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Arbeitsweise

-Erzeugung von mehreren Typen von Proteinen -hoher Proteingehalt (95 %) der isolate -geringer und unschädlicher Gehalt der Isolate an Glucosinolaten

-günstige Aminosäurenzusammensetzung der isolate

Die Proteinisolate sind hell, geruchlos und von mildem Geschmack; sie sind sowohl für die menschliche und tierische Ernährung, als auch für verschiedenartige technische Anwendungen geeignet.

Das er^indungsgemäße Verfahren ist in großem Maßstab durchführbar, weil jeder der beiden Verfahrensechritte - die Gegenstrom-Extraktion der Proteine aus der entfetteten Saat und die Ausfällung der Proteine aus dem Extrakt - kontinuierlich durchgeführt werden kann. Die Gesamtausbeute an Proteinisolaten ist sehr hoch, weil beide Verfahrensschritte nahezu quantitative Ausbeuten ergeben. Die Kombination von Gegenstrom-Extraktion mit schrittweiser Ausfällung der Proteine tragen als integrierter Prozess zu den geringen Kosten der Herstellung von Proteinisolaten aus Rapssaat bei.

70981 1 /0496

Der feste Rückstand, der nach der Extraktion der Proteine verbleibt, hat einen hohen Pasergehalt und kann z.B. als Füllstoff eingesetzt werden. Die nach der Ausfällung der Proteine verbleibende Flüssigkeit kann wegen ihres hohen Kohlehydratgehaltes in der Gärungsindustrie verwendet werden.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß es sich bei der Erfindung um ein integriertes Verfahren handelt, das einen wesentlichen Fortschritt in der Gewinnung von Proteinen aus Rapssaat darstellt. Die Kombination zweier Prozeßstufen, nämlich die Gegenstromextraktion der Proteine aus entfettetem Mehl und die schrittweise Fällung der Proteine aus dem Extrakt bei unterschiedlichen pH-Werten ist völlig neu. Ausführungsbeispiele, die den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken:

Beispiel I

Die Arbeitsweise der Gegenstromextraktion von Proteinen aus entölter Rapssaat ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. In einem typischen Beispiel wurden vier Proben (Je 250 g) von mit Hexan entöltem Rapsmehl (Erglu), bezeichnet mit den Ziffern I - IV, mit 0,02 N Natriumhydroxyd extrahiert. In jeder der vier Stufen, bezeichnet mit den Buchstaben A-D, wurde die erste Probe mit 6 250 ml frischen Lösungsmittels bei einem Feststoff-Lösungsmittel-Verhältnis von 1:25 extrahiert. Die Extraktion'»wurde bei Zimmertemperatur für die Dauer von Io Minuten unter Verwendung eines hochtourigen Homogenisators ausgeführt. Anschließend wurden die Proben unter Vakuum durch ein Baumwolltuch filtriert. In jeder Stufe wurde das Filtrat der einen Probe nach Messung des Volumens (nach Entnahme von Aliquoten für die Stickstoffbestimmung) zur Extraktion der nächsten Probe eingesetzt. Zu Beginn einer jeden Stufe wurde die erste Probe aus der vorangegangenen Stufe an das Fnde dieser Stufe gesetzt. Die Extrakte der vier Stufen wurden vereinigt (pH 9,2), für 15 Minuten bei 5000 χ g zentrifugiert und bei 5° C aufbewahrt. Aus den eingesetzten 25 1 0.02 N Natriumhydroxyd wurde eine Gesamtmenge

- 6 709811/0496

von 2j5 1 Extrakt erhalten. Die Ergebnisse cer Gegenstromextraktion sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der Prozentsatz des im Mehl enthaltenen Stickstoffs (Mehlstickstoff), der aus jeder einzelnen Probe extrahiert wurde, wird aus der Gesamtsumme des Stickstoffs in extrahierten Proteinen und der Summe des Stickstoffs, der ursprffeiglich in den Proben vorhanden war, berechnet. Der Prozensatz des gesamten Mehlstickstoffs, der in den verschiedenen Stufen extrahiert wurde, wird aus dem Stickstoffgehalt der Proteinextrakte, die aus den vier Proben in der jeweiligen Stufe gewonnen wurden, und der Summe des ursprünglich in den vier Proben enthaltenen Stickstoffs berechnet.

Die Ergebnisse zeigen, daß ungefähr 94 # des in Mehl enthaltenen Stickstoffs durch eine vierstufige Gegenstromextraktion herausgelöst werden.

709811/0496

Tabelle 1 : Gegenstromextraktion der Proteine aus entfettetem Rapsmehl

Extraktionsstufe

Probe

Extrahierter Mehlstickstoff

Gesamter extrahierter Mehlstickstoff

II III IV

67,1 12,0

31,1 26,0

34,1

II

III

IV

90,6 49,1 48,8 71,0

3o,8

III IV I II

83,4

81,9 82,1

93,1

20,3

IV I

II III

97,2 92,0 94,2 91,2

8,6

70981 1 /0496

Es ist offensichtlich, daß die Gegenstromextraktion von Proteinen, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wegen der hohen Ausbeute an Proteinen bei minimalem Bedarf an Lösungsmitteln, große Vorteile gegenüber der stufenweisen Extraktion bietet. Ein weiterer Vorteil des Gegenstromextraktions-Verfahrens besteht darin, daß durch die Verwendung konzentrierter Suspensionen,trotz hohen Durchsatzes,der Umfang der in Verarbeitung befindlichen Stoffe klein bleibt. Der nach der Gegenstromextraktion verbleibende Rückstand enthält 4,0 % Protein., und 21,7 % Fasern und 12,9 % Wasser.

Der gesamte Proteinextrakt (2j5 Liter) wurde zwecks Fällung der Proteine in ein Gefäß aus säurebeständigem Stahl überführt. Dieser Extrakt, der Proteine, Kohlehydrate, Glucosinolate und Mineralstoffe enthielt, hatte einen pH-Wert von 9*2. Diese Lösung wurde durch Zuaatz von 93 nil 6 N Salzsäure auf pH 6,0 eingestellt, wobei eine Proteinfrafction ausfiel. Dieser Proteinniederschlag setzte sich innerhalb von 2 Stunden ab. Die überstehende Flüssigkeit wurde in ein zweites Gefäß abgesaugt. Der Niederschlag wurde bei 5 000 χ g 10 Minuten zentrifugiert und die überstehende Flüssigkeit wurde zu der Lösung in dem zweiten Gefäß gegeben. Die so gewonnenen Proteine wurden mit 4oo ml Wasser gewaschen. Die Waschflüssigkeit wurde ebenfalls der Lösung im zweiten Gefäß zugefügt. Der mit Wasser gewaschene Proteinniederschlag wurde zweimal mit jeweils 400 ml Aceton gewaschen und Proteinisolat I wurde bei Zimmertemperatur an der Luft getrocknet. Das Proteinisolat I (220 g) 1st hellgrau und nahezu geschmackfrei.

Die im zweiten Gefäß befindliche Lösung, die sich aus der überstehenden Flüssigkeit nach Fällung des Proteinisolats I und den Waschflüssigkeiten zusammensetzte, hatte einen pH-V/ert von 6,2. Sie wurde durch Zusatz von 6 N Salzsäure auf pH 3,6 eingestellt. Dies führte zur Ausfällung einer weiteren Proteinfrafctlon. Man ließ den Niederschlag 4 Stunden absetzen und saugte dann die überstehende Flüssigkeit ab. Der ProteIn-

70981 1/0496

niederschlag wurde einmal mit 200 ml Wasser und zweimal mit je 200 ml Aceton gewaschen. Proteinisolat II wurde bei Zimmertemperatur an der Luft getrocknet. Das Proteinisolat II (77 S) ist vreiß und nahezu geschmackfrei.

Die Ausbeuten der Proteinisolate I und II, berechnet als Prozentsatz des Proteins (N χ 6,25) im Mehl, sind nachstehend angegeben:

Insgesamt

Protein-	Protein
isoüsfc I	isolat II

Ausbeute 65,2 22,9 88,1

Die gesamte Ausbeute der zwei Isolate betrug 88,1 %.

Analysen der zwei Raps-Proteinisolate sind in Tabelle dargestellt.

Tabelle 2: Analyse der Proteinisolate aus Rape (B. napus, Erglu)

Proteinisolat I Proteinisolat II

Feuchtigkeit % 10,5 8,1 Protein (bez. auf Trockengew. )# 92,9 Lipide # 0,00 Asche % 0,70 Rohfaser % 0,06 Glucosinolate ff Spuren Statischer Schaum (Sigma) 310

Diese analytischen Daten zeigen, daß die Proteinisolate von großer Reinheit sind. Sie enthalten wenig Asche und Fasern und sind praktisch frei von Gluoosinolaten und anderen toxischen Bestandteilen. Die Sigmawerte zeigen an, daß die zwei Isolate

- 10 -

70981 1/0496

98,	6
0,	00
0,	02
Spuren
395

aus liapssaat eine mehr als zweimal so hohe Schaumstabilität ' wie die handelsüblichen teilweise degradierten Sojabohnenproteine aufweisen.

Die Analysen der Aminosäurenzusammensetzung der zwei Isolate zeigen einen hohen Lysingehalt. Isoleucin, das als die limitierende Amineeäure in Rapsmehl angesehen wird, kommt in den Isolaten in höheren Anteilen vor als im Ausgangsmaterial.

Dieses Beispiel zeigt, daß reine, hellfarbige und nahezu geschmackf-freie Proteinisolate, die eine wünschenswerte Aminosäurenzusammensetzung aufweisen, aus Rapssaat (Erglu) in hoher Ausbeute durch die Kombination von Gegenstromextraktion und schrittweiser Ausfällung gewonnen werden können.

Beispiel II

Die Gegenstromextraktion (Abb, 1) wurde auch mit einer großen Menge von mit Hexan entöltem Rapsmehl (Lesira) durchgeführt.

Vier Proben (je 1.250 g) dieses Mehls wurden auf jeder Stufe mit je 25 L einer 0,2 N Natriumhydroxyd-Lösung bei einem Feststoff/Lösungsmittel-Verhältnis von 1:20 extrahiert. Die Aufschlämmung wurde unter einem Druck von 3 Atmosphären filtriert. Die Ergebnisse der Gegenstromextraktion sind in Tabelle 3 dargestellt. Der Prozentsatz des gesamten extrahierten Mehl-Stickstoffs in jöer Extraktionsstufe wurde aus der Summe von Stickstoff in dem Proteinextrakt auf der jeweiligen Stufe und der Summe des ursprünglich in den vier Proben enthaltenen Stickstoffs berechnet.

- 11 -

70981 1/0496

Tabelle 3: Gegenstromextraktion von Raps (3. napus, Lesira) -Protein

Extraktionsstufe Gesamter extrahierter

Mehl-Stickstoff

A 49,2

B 27,2

C 14,4

D 1,9

Diese Ergebnisse zeigen, daß auch mit einem relativ großen Ansatz des Rapsraehls bei einem Mehl/Lösungsmittel-Verhältnis von 1: 2o ein hoher Wirkungsgrad der Gegenstromextraktion für die Herauslösung des Proteins erreicht wird. Insgesamt 93 % des Proteinstickstoffs, der im Mehl enthalten ist, wurde mit einem Minimum an Lösungepittel extrahiert.

Die kombinierten Extrakte der vier Stufen (91 1) wurden bei

5 000 χ g zentrifugiert und in einem Gefäß gesammelt. Die schrittweise Ausfällung wurde wie Waschen und Trocknen des abgesetzten Proteinniederschlags entsprechend Beispiel 1 unter Benutzung desselben Verhältnisses von Wasser und Aceton ausgeführt. Der Extrakt mit einem pH-Wert von 9,2 wurde durch Zusatz von 391 ml einer 6 N Salzsäure auf pH 5,7 eingestellt, wobei der Niederschlag des Proteinisolats I ausfiel. Danach wurde die vereinigte Lösung bestehend aus der überstehenden Flüssigkeit unddem Waschwasser durch Zusatz von 378 ml einer

6 N Salzsäure auf pH 3,6 gebracht und damit Proteinisolat II ausgefällt.

Das luftgetrocknete Proteinisolat I (1 168 g) ist hellgrau und das luftgetrocknete Proteinisolat II (287 g) ist weiß. Beide Isolate sind nahezu geschmackfrei. Die Ausbeuten der

- 12 -

709811/0496

Proteinisolate, berechnet als Prozentsätze des Proteins (fo Proteinstickstoff χ 6,25) im Mehl, sind nachstehend angegeben:

Proteinisolat I

Proteinisolat II

Insgesamt

Ausbeute

73,2

18,0

91,2

Die gesamte Ausbeute der zwei Isolate betrug 91,2 #.

Analysen der zwei Proteinisolate sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4: Analyse der Proteinisolate aus Raps (B. napus, Lesira)

Proteinisolat I Proteinisolat II

Feuchtigkeit %	99,6	7,2
Protein % (bez. auf Trookengew.)	Spuren	99,3
Lipide %	0,04	Spuren
Asche %	Spuren	0,09
Rohfaser %	Spuren	Spuren
Glucosinolate %	411	Spuren
Statischer Schaum (Sigma)	45o

Diese analytischen Ergebnisse zeigen, daß die Isolate fast ausschließlich aus Proteinen bestehen. Sie enthalten wenig Asche, weder Pasern noch Lipide und sind frei von Glucosinolaten und anderen toatischen Stoffen. Sigraa-Werte zeigen an,daß die zwei Isolate aus Rapssaat eine dreimal so hohe Schaumstabilität aufweisen wie die handelsüblichen teilweise degradierten Sojabohnenproteine·

- 13 -

709811 /0496

Die Analysen der Aminosäuren ergaben, daß die Isolate eine Wünschenswerte Aminosäurenzusanmensetzung aufweisen. Sie enthalten mehr Isoleucin als das als Ausgangsmaterial verwandte Mehl. Fütterungsversuche an Küken zeigten« daß die Wachstumswerte der Proteinisolate zwischen 2.6 und 3.2 liegen, während der Wachstumswert des Milcheiweißes (Casein) bei 2.5 liegt.

Will man in gewissen Fällen mehr als zwei Proteinfrahkfftnen gewinnen, so erfolgt dies durch schrittweise Zugabe einer Elektrolyt-Lösung zu dem Extrakt, wodurch mehrere pH-Werte zwischen pH 6.5 und pH 3 eingestellt werden; die Proteinisolate werden danach durch Abtrennung des jeweils ausgefällten Proteinniederschlags mittels Filtrieren oder Zentrifugieren gewonnen, gewaschen und getrocknet.

In Ausnahmefällen besteht die Möglichkeit, ohne aus dem Rahmen der Lehre dieser Erfindung herauszufallen, das Gegenstrennverfahren in der Welse abzuwandeln, daß die gesamten Proteine durch einmalige oder wiederholte Extraktion jeweils mit Wasser bei pH 7*0 oder mit wässrigen Lösungen von Natviumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd bei pH 7.5 bis Io herausgelöst werden.

Das Prinzip der Erfindung kann unter geeigneten Abwandlungen auch für die Gewinnung von Proteinen aus anderen ölsaaten als Raps angewendet werden.

7C98 1 1 /0498

Claims (2)

1. Patentansprüche

   1^) Verfahren zur Gewinnung von Proteinisolaten aus ftps, wobei die bei der Ölgewinnung anfallenden Preßrückstände oder Extraktionsschrote oder Extraktionsmehle als Ausgangsstoffe eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Arbeitsweise Proteine aus der entfetteten Rapssaat durch Gegenstromextraktion mit Wasser bei pH 7 oder mit wässrigen Lösungen bei pH 7,5 bis pH lo, vorzugsweise pH 9* herausgelöst werden und daß aus dem gewonnenen Extrakt zwei Proteine in zwei nacheinander einsetzenden Schritten durch allmähliche Zugabe einer Mineralsäure z.B. Salzsäure bei pH 5 bis pH 6,5* vorzugsweise bei pH 5*7 bis pH 6 (Proteinisolat I) und darauf bei pH 3,0 bis 4,0, vorzugsweise bei pH J5,6 (Proteinisolat II),nacheinander ausgefällt und mittels Wasser oder einem organischen Lösungsmittel gewaschen und nach Filtrieren und/oder Zentrifugieren in an sich bekannter Weise getrocknet werden.
2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Proteinisolate aus dem Extrakt durch schrittweise Zugabe einer Elektrolyt-Lösung mit jeweiliger Einstellung mehrere pH-Werte zwischen pH 6,6 und pH 3,0 ausgefällt, gewachen und nach Filtrieren oder Zentrifugleren in an sich bekannter Weise getrocknet werden.

   7 0 9 8 1 1 / ü 4 9 6