DE2540177B2

DE2540177B2 - Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Raps

Info

Publication number: DE2540177B2
Application number: DE2540177A
Authority: DE
Inventors: Helmut Karl Prof. Dr. Mangold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-10
Filing date: 1975-09-10
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2323334A1; SE429186B; SE7609919L; CA1086307A; DE2540177A1; FR2323334B1; DE2540177C3

Description

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

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 Glucosinolate, 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, Lesira), die einen geringen Gehalt an Erucasäure aufweist, und eine Sommerrapssorte (Brassica napus, Erglu), die geringe Mengen von Erucasäure sowie Glucosinolafen (Thioglucoride von Kruziferen) 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 Glucosinolaten als herkömmlicher Raps. Nach Schätzungen der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinigten Nationen (FAO) kann ab 1980 eine Raps-Produktion von etwa 12 Mio.t jährlich erwartet werden.

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 Raps enthaltenen Proteine in industriellem Maßstab kann zur Deckung des Bedarfs an eßbarem Eiweiß beitragen und zusätzlich einen wertvollen Rohstoff für die Kunststoffindustrie i'.efern.

Die Erfindung geht von folgendem Stand der Technik aus:

Proteinkonzentrate mit einem Gehalt von 50 bis 60% Protein kann man aus Sojabohnen und anderen ölsaaten in einfacher Weise nach Schälen der Saaten und Extraktion des Öls gewinnen. Auch aus konventionellem Raps kann man durch Schälung, Entölung und Extraktion von Glucosinolaten entsprechende Proteinkonzentrate herstellen; die Ausbeuten liegen nur zwischen 23 und 28% des Saatgewichts.

Protein-Konzentrate aus Sojabohnen und Baumwollsaat, in sehr geringem Ausmaß auch aus Kups, 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

ίο 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 Alkalien 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.

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.

Dieser Stand der Technik ergibt sich aus Lehrbüchern, Abhandlungen und ist in der US-PS 37 58 452 eingehend beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für die menschliche Ernährung geeignete Proteinisolate aus Raps 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 Erhöhung des Proteingehalts ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe wird ausgehend vom Stand der Technik durch den Patentanspruch wiedergegeben.

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 Arbeitsweise

— 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 erfindungsgemäße Verfahren ist in großem Maßstab durchführbar, weil jeder der beiden Verfahrensschritte — die Gegenstrom-Extraktion der Proteine aus dem entfetteten Raps 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 Gegenstnvn-Extraktion mit schrittweiser Ausfällung der Proteine tragen als integrierter Prozeß zu den geringen Kosten der Herstellung von Proteinisolaten aus Raps bei

Der feste Rückstand, der nach der Extraktion der Proteine verbleibt, hat einen hohen Fasergehalt und kann z. B. als Füllstoff eingesetzt werden. Die nach der Ausfällung der Proteine verbleibende Flüssigkeit kann wegen ihres hohen liCohlehydratgehaltes 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 Raps 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. Die Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung näher.

Beispiel I

Die Arbeitsweise der Gegenstromextraktion von Proteinen aus entöltem Raps 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 6250 ml frischen Lösungsmittels bei einem Feststoff-Lösungsmittel-Verhältnis von 1 :25 extrahiert. Die Extraktion wurde bei Zimmertemperatur für die Dauer von 10 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 jt'den Stufe wurde die erste Probe aus der vorangegangenen Stufe an das Ende 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 251 0,02 N-Natriumhydroxyd wurde eine Gsramtmenge von 231 Extrakt erhalten. Die Ergebnisse der 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 ursprünglich in den Proben vorhanden war, berechnet Der Prozentsatz 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.

Tabelle 1

Gegenstromextraktion der Proteine aus entfettetem Rapsmehl

	Extraktions	Probe	Extrahierter	Gesamter
IO	stufe		Mehlstick	extrahierter
			stoff	MehlsticU-
				stoff
15	A	I	67,1	34,1
	A	H	12,0
		III	31,1
		IV	26,0
	B	Il	90,6	30,8
20		III	49,1
		IV	48,8
		I	71,0
	C	III	83,4	20,3
25		IV	81,9
		I	82,1
		II	93,1
	D	IV	97,2	8,6
		I	92,0
30		II	94,2
		III	91,2

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 (23 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

so Zusatz von 93 ml 6 N-Salzsäure auf pH 6,0 eingestellt wobei eine Proteinfraktion ausfiel. Dieser Proteinniederschlag setzte sich innerhalb von 2 Stunden ab. Die überstehende Flüssigkeit wurde in ein zweites Gefäß abgesaugt Der Niederschlag wurde bei 5000 χ g 10 Minuten zentrifugiert und die überstehende Flüssigkeit wurde zu der Lösung in dem zweiten Gefäß gegeben. Die so gewonnenen Proteine wurden mit 400 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) ist 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-Wert von 6,2. Sie wurde durch

Zusatz von 6 N-Salzsäure auf pH 3,6 eingestellt. Dies führte zur Ausfällung einer weiteren Proteinfraktion. Man ließ den Niederschlag 4 Stunden absetzen und saugte dann die überstehende Flüssigkeit ab. Der Proteinniederschlag 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 g) ist weiß und nahezu geschmackfrei.

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

Proteinisolat I

Proteinisolat II

Insgesamt

Ausbeute

65,2

22,9

88,1

Proteinisolat I

Proteinisolat II

Die gesamte Ausbeute der zwei Isolate betrug 88,1%. Analysen der zwei Raps-Proteinisolate sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Analyse der Proteinisolate aus Raps (B. napus, Erglu)

Feuchtigkeit, /o 10,5 8,1

Protein (bez. auf Trocken- 92,9 98,6
gew.), % j5

Lipide, % 0,00 0,00

Asche, % 0,70 0,31

Rohfaser, % 0,06 0,02

Glucosinolate, % Spuren Spuren

Statischer Schaum (Sigma) 310 395 -to

Diese analytischen Daten zeigen, daß die Proteinisolate von großer Reinheit sind. Sie enthalten wenig Asche und Fasern und sind praktisch frei von Glucosinolaten und anderen toxischen Bestandteilen. Die Sigmawerte zeigen an, daß die zwei Isolate aus Raps 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 Aminosäure in Rapsmehl angesehen wird, kommt in den Isolaten in höheren Anteilen vor als im Ausgangsmaterial.

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

50

Beispiel II

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

Vier Proben (je 1250 g) dieses Mehls wurden auf jeder Stufe mit je 25 1 einer 0,02 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 jeder 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.

Tabelle

Gegenstromextraktion von Raps-Protein (B. napus,
Lesira)

Extraktionsstufe

2« Gesamter

extrahierter

Mehlstickstoff

49,2

27,2

14,4

1,9

Diese Ergebnisse zeigen, daß auch mit einem relativ großen Ansatz des Rapsmehls bei einem Mehl/Lösungsmittel-Verhältnis von 1 :20 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 Lösungsmittel extrahiert

Die kombinierten Extrakte der vier Stufen (91 1) wurden bei 5000 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 und dem Waschwasser durch Zusatz von 378 ml einer 6 N-Salzsäure auf pH 3,6 gebracht und damit Proteinisolat II ausgefällt.

Das luftgetrocknete Proteinisolat I (1168 g) ist hellgrau und das luftgetrocknete Proteinisolat II (287 g) ist weiß. Beide Isolate sind nahezu geschmackfrei. Die Ausbeuten der Proteinisolate, berechnet als Prozentsätze des Proteins (% Proteinstickstoff χ 6,25) irn Mehl, sind nachstehend angegeben:

Proteinisolat I

Proteinisolat II

Insgesamt

Ausbeute 73,2

18,0

91,2

b5 Die gesamte Ausbeute der zwei Isolate betrug 91,2% Analyse der zwei Proteinisolate sind in Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4

Analyse der Proteinisolate aus Raps (B. napus, Lesira)

Proteinisolat 1

Feuchtigkeit, % 7,3

Protein, % 99,6 (bez. auf Trockengew.)

Lipide, % Spuren

Asche, % 0,04

Rohfaser, % Spuren

Glucosinolate, % Spuren

Statischer Schaum (Sigma) 411

Proteinisolat Il

7,2 99,3

Spuren

0,09

Spuren

450

Kl

Beispiel III

Entfettetes Mehl aus der Saat von Brassica napus Sorte Diamant, ergab nach Gegenstromextraktion mil 0,02 N-Natriumhydroxid-Lösung, entsprechend Beispiel I, einen Protein-Extrakt, in dem 93,5% des im Mehl enthaltenen Proteins vorlag. Stufenweise Fällung mil 6 N-Salzsäure, zuerst bei pH 6,0 und dann bei pH 3,8 ergab Protein-Isolate I und II, die, wie im Beispiel 1 beschrieben, gereinigt und getrocknet wurden. Die Ausbeute an Protein-lsolat I betrug 66,3%, die ar Protein-lsolat Il betrug 24,7%, die Gesamtausbeute lag also bei 91,0% des im Mehl enthaltenen Proteins.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Gewinnung von Proteinisolat aus Raps, wobei bei der ölgewinnung anfallende Preßrückstände oder Extraktionsschrote oder Extraktionsmehle in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Arbeitsweise mit wäßriger Lösung bei pH 7,0 bis pH 10, vorzugsweise pH 9,0, extrahiert werden, aus dem gewonnenen Extrakt bei pH 4,0 bis 3,0, vorzugsweise 3,6 Protein ausgefällt, mittels Wasser oder einem organischen Lösungsmittel gewaschen und nach Filtrieren und/oder Zentrifugieren getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Extraktion im Gegenstrom vornimmt und vor der Fällung bei pH 4,0 bis 3,0 eine Fällung bei pH 6,5 bis 5,0, vorzugsweise 6,0 bis 5,7, durchführt