DE2855392C2

DE2855392C2 -

Info

Publication number: DE2855392C2
Application number: DE2855392A
Authority: DE
Inventors: Raoul Guillaume Philippe Bruessel/Bruxelles Be Walon
Original assignee: Unilever Bestfoods North America
Current assignee: Unilever Bestfoods North America
Priority date: 1978-01-12
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1988-03-17
Also published as: FR2414556B1; FR2414556A1; KR830000555B1; US4199372A; TR21081A; NL7900117A; IT1111010B; DE2855392A1; AU4271478A; AR215781A1; AU520395B2; JPS54145292A; YU4979A; YU41140B; MY8300151A; ATA1079A; CH641205A5; AT363406B; IT7919267A0; SE7900252L

Description

Die Erfindung und ihre Ausgestaltung ist in den Patentansprüchen zusammengefaßt.

Nach einer in den letzten Jahren bekanntgewordenen Feststellung führt die Verwendung eines maltogenen Enzyms, wie β-Amylase, in Kombination mit den sogenannten Zweigketten von Stärke abspaltenden Enzymen (wie α-1,6-Glucosidase), die die 1,6-Glucosidbindungen des Amylopectins angreifen (nachstehend kurz "α-1,6-Glucosidase(n)"), bei der Stärkeverzuckerung zu Stärkehydrolysaten mit einem weit höheren Maltosegehalt, als er früher mit maltogenen Enzymen allein erzielt werden konnte. Eine der frühesten auf diesem Gebiet bekanntgewordenen Erfindungen ist in der US-PS 35 65 765 offenbart, in der die Verzuckerung "verdünnter" bzw. verflüssigter Stärkesubstrate mit einem Feststoffgehalt von 30% mit maltogenen Enzymen plus Pullulanase zu Hydrolysaten beschrieben ist, die bis zu 80% Maltose enthalten.

Auf diesem Gebiet, d. h. der Technik der Herstellung hochmaltosehaltiger Produkte (d. h. von Produkten mit einem Maltosegehalt von 70% und mehr), wurden von zahlreichen Wissenschaftlern auch umfangreiche weitere Arbeiten durchgeführt, wobei die Entwicklung im allgemeinen in zwei verschiedene Richtungen ging, nämlich

1) die Herstellung als solcher zu verwendender, hochmaltosehaltiger Sirupe, die bei einer Feststoffkonzentration von etwa 80% unter normalen Bedingungen, wie sie bei der Lagerung und/oder dem Transport usw. üblicherweise auftreten, gegen spontane Kristallisation, d. h. Trübung, beständig sind, und
2) die Herstellung und Gewinnung von Maltose als solcher mit größtmöglicher Reinheit.

Die meisten Entwicklungsarbeiten in jüngster Zeit befaßten sich mit der Herstellung bzw. Gewinnung von Maltose als solcher, wobei bei den meisten der hierzu vorgeschlagenen Verfahren logischerweise versucht wurde, Stärke so zu hydrolysieren, daß man Hydrolysate mit höchstmöglichem Maltosegehalt und kleinstmöglichem Gehalt an anderen Sacchariden, also Dextrose, Maltotriose und höhere Saccharide, erhält.

Obwohl die bekannten Verfahren zur Herstellung dieser Hydrolysate mit extrem hohem Maltosegehalt zweifellos ausführbar und effektiv sind, weist keines dieser bekannten Verfahren alle die Vorzüge auf, die von einem wirklich guten großtechnischen Verfahren zu fordern sind, d. h. geringe Kosten, einfache Durchführung und geringer Energieverbrauch.

Bei einer Reihe der Verfahren des Standes der Technik muß man für die Verzuckerung Substrate mit extrem niedrigen Feststoffgehalten, d. h. einem Feststoffgehalt von höchstens 10 bis 15%, einsetzen (wobei natürlich am Schluß große Wassermengen abgetrennt werden müssen) und/oder neu entwickelte Enzymquellen einsetzen, deren Gewinnung oder Herstellung kostspielig ist. Typische Beispiele dieser bekannten Verfahren sind in den nachstehenden Vorveröffentlichungen beschrieben.

Die US-PS 37 95 584 betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Stärkehydrolysaten mit einem Maltosegehalt von 93% und mehr, indem ein verflüssigtes Stärkesubstrat mit einem Feststoffgehalt von weniger als 15% mit β-Amylase und einer aus einem speziellen Bakterium gewonnenen α-1,6-Glucosidase verzuckert wird.

In der US-PS 39 92 261 werden Mikroorganismen offenbart, die, bei Züchtung in einem Kulturmedium, gleichzeitig sowohl b-Amylase als auch α-1,6-Glucosidase erzeugen können und die Umwandlung löslicher Stärke bis zu einem Maltoseäquivalent von 100% unter Verwendung eines Substrats mit einem Stärkefeststoffgehalt von 10%% beschreibt.

Die GB-PS 12 68 096 und die US-PS 38 04 715 betreffen beide hauptsächlich Verfahren zur einleitenden Verflüssigung der Stärkeaufschlämmung vor der Verzuckerung mit maltogenen Enzymen und α-1,6-Glucosidase und schlagen jeweils vor, anstelle der herkömmlichen Verflüssigung mit α-Amylase eine nicht-enzymatische Verflüssigung bei sehr hohen Temperaturen unter Erzeugung einer verdünnten Stärke mit einem DE-Wert von weniger als 5 durchzuführen. Die genannte US-PS enthält außerdem eine gute Beschreibung und Erörterung vieler der mit der Herstellung von Stärkehydrolysaten mit extrem hohem Maltosegehalt verbundenen Probleme.

Bei der Herstellung hochmaltosehaltiger Produkte ist es fraglos wünschenswert, als Verzuckerungssubstrat eine verflüssigte Stärke mit möglichst niedrigem DE-Wert, das heißt vorzugsweise einem DE-Wert von weniger als 5, einzusetzen, jedoch müssen bei den aus der GB-PS 12 68 096 bzw. der US-PS 38 04 715 bekannten, nicht-enzymatischen Hochtemperaturverfahren Spezialanlagen verwendet werden, was zu hohen Kosten und einem hohen Energieverbrauch führt, und außerdem enthalten die dabei hergestellten Verzuckerungsprodukte, wenn man bei diesen Verflüssigungsverfahren Stärkeaufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt einsetzt, häufig große Mengen nicht-konvertierter Stärke, was zu Produktverlusten und sehr niedrigen Filtrationsgeschwindigkeiten führt, wenn man in den Verfahrensablauf nicht zusätzliche und kostspielige Stufen zur Entfernung dieser Stärke einbaut.

Ein völlig anderer Weg zur Herstellung von extrem reiner Maltose als solcher ist aus der US-PS 38 32 285 bekannt, wonach keine Zweigketten abspaltenden Enzyme verwendet werden. Bei diesen bekannten Verfahren verkleistert man zunächst eine Aufschlämmung (Feststoffgehalt 15% oder weniger) von Stärke, die mindestens 50 Gew.-% Amylopectin enthält, vorzugsweise einer sogenannten "wachsartigen Stärke" bzw. "Waxy-Stärke", die fast ausschließlich aus Amylopectin besteht, und unterwirft die verkleisterte Stärke dann der Einwirkung einer β-Amylase, die frei von aktiver α-Amylase, Maltase, Glucamylase und Isoamylase ist, wodurch nur Maltose durch Abbau von Stäre von den nicht-reduzierenden Endgruppen der Stärkemoleküle her erzeugt wird. Die Maltose wird dann gewonnen, indem man das Umsetzungsprodukt gegen Wasser dialysiert. Dieses Verfahren liefert zwar hochreine Maltose, jedoch ist es so unwirtschaftlich, daß es für eine industrielle Durchführung im großtechnischen Maßstab absolut ungeeignet ist.

In der US-PS 36 77 896 ist ein Verfahren zur Herstellung von Stärkehydrolysaten mit einem Maltosegehalt von mehr als 90% offenbart und beansprucht, bei dem verflüssigte Stärke mit β-Amylase und a-1,6-Glucosidase verzuckert, das Hydrolysat zu einem Maltosekristalle enthaltenden Magma konzentriert und dieses Magma dann zu einem Trockenprodukt sprühgetrocknet wird. Aus diesem Patent ist auch eine Arbeitsweise bekannt, bei der Kristalle mit außergewöhnlich hoher Reinheit gewonnen werden, indem aus dem Magma die sich beim Konzentrieren und Animpfen des Sirups bzw. Magmas bildenden Maltose-Mikrokristalle abgetrennt werden. Im Hinblick auf die Verfahrensökonomie ist es jedoch offensichtlich vorzuziehen, das gesamte Magma sprühzutrocknen, statt daraus Kristalle zu gewinnen bzw. abzutrennen.

Dieses US-Patent beschreibt zwar eine Reihe geeigneter Verfahren, um Hydrolysate mit hohem Maltosegehalt zu erhalten, darunter auch einige, bei denen Substrate mit relativ hohem Feststoffgehalt (25 bis 35%) eingesetzt werden, jedoch sind diese bekannten Verfahren, soweit dabei von Stärkeaufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt ausgegangen wird, insofern unbefriedigend, als dabei im allgemeinen eine einleitende Verflüssigung bei sehr hohen Temperaturen unter Verwendung von Spezialvorrichtungen mit sehr hohem Energieverbrauch durchgeführt werden muß und/oder nur Kartoffelstärke eingesetzt werden kann, die sich im Gegensatz zu den meisten anderen Stärken, wie Maisstärke, verhältnismäßig leicht zu Produkten mit hohem Maltosegehalt verzuckern läßt. Außerdem werden zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens α-1,6-Glucosidasen aus sehr speziellen Mikroorganismenstämmen empfohlen, die dementsprechend teuer sind.

Die kürzlich veröffentlichten US-PS 40 28 186 und 40 32 403 beschreiben interessante Methoden zur Erhöhung des Maltosegehalts von Stärkehydrolysaten, wodurch es möglich wird, Maltosekristalle guter Größe und Form in erheblich verbesserten Ausbeuten zu gewinnen. Die US-PS 40 28 186 empfiehlt die Verwendung verschiedener pilzlicher α-Amylasen während oder nach der Verzuckerung mit maltogenen und Zweigketten abspaltenden Enzymen. Die für diesen Zweck einsetzbaren α-Amylasen, bei denen das Verhältnis der Maltotriose spaltenden Aktivität zur dextrogenen Aktivität in einem Bereich von 0,001 bis 0,1 liegt, greifen, wie gezeigt wird, die Maltotriose und die höheren Saccharide eines hochmaltosehaltigen Stärkehydrolysats an, was zu einer beträchtlichen Steigerung des Maltosegehalts und einer nur leichten Zunahme des Dextrosegehalts führt. Dieses Patent lehrt, daß Hydrolysate mit einem Maltosegehalt von mehr als 90% in der angegebenen Weise behandelt werden sollen, bevor die Kristallisation durchgeführt wird, und geben an, daß die so von Hydrolysaten mit erhöhten Maltosegehalten gewonnenen Kristalle hinsichtlich Größe und Form den aus nichtbehandelten Hydrolysaten gewonnenen Kristallen überlegen sind.

Die US-PS 40 32 403 beschreibt und beansprucht eine ähnliche Arbeitsweise, wobei jedoch eine Gruppe anderer Enzyme als pilzliche α-Amylasen verwendet wird, und zwar Enzyme, die durch ihre Substratzersetzungsaktivitäten und andere Parameter definiert sind. Diese Enzyme greifen ebenfalls die Maltotriose und höhere Saccharide an und erhöhen so den Maltosegehalt bei einer nur geringen gleichzeitigen Zunahme des Dextrosegehalts.

Wie in der US-PS 40 28 186 wird auch hier die Behandlung von Hydrolysaten mit einem Maltosegehalt von mehr als 90% in der angegebenen Weise und nachfolgende Kristallisation empfohlen und angegeben, daß die so erhaltenen Kristalle den aus den damals bekannten Hydrolysaten gewinnbaren Kristallen überlegen sind.

Das bislang bei weitem wirtschaftlichste und praxisgerechte Verfahren zur Herstellung hochmaltosehaltiger Hydrolysate, das in technischem Maßstab mit jeder Stärkeart bei Stärkekonzentrationen von bis zu 35 oder sogar 40% durchgeführt werden kann, ist das in den verschiedenen Beispielen der weiter oben erwähnten US-PS 35 65 765 beschriebene Verfahren, bei dem eine wäßrige Stärkeaufschlämmung vorzugsweise mit a-Amylase verflüssigt wird, und zwar vorzugsweise bis zu einem DE-Wert von höchstens 5, worauf man mit β-Amylase und Pullulanase verzuckert. Je nachdem, welche speziellen Bedingungen im Einzelfall hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter, einschließlich der Substratkonzentration und der Enzymmenge angewandt werden, erhält man Hydrolysate, die 75 bis etwa 85 oder sogar bis zu etwa 87% Maltose, weniger als etwa 5% Dextrose und als Rest Maltotriose und höhere Saccharide enthalten.

Der Maltosegehalt dieser Hydrolysate ist natürlich nicht so hoch, daß man die Hydrolysate als solche bereits als "hochreine Maltose" betrachten könnte, jedoch ist ihr Maltosegehalt hoch genug, um es zu ermöglichen, daraus durch herkömmliche Kristallisationsverfahren der zur Gewinnung anderer Zucker, wie Dextrose, aus Lösungen angewandten Art, wobei die Temperatur und der Feststoffgehalt des Hydrolysats so eingestellt werden, daß das Hydrolysat bezüglich Maltose übersättigt ist, dann die Kristallisation, etwa durch die Zugabe von Impf- bzw. Saatkristallen eingeleitet und hierauf die Temperatur unter gelindem Rühren in einem herkömmlichen Kristallisationsapparat allmählich gesenkt wird, um die Bildung von Maltosekristallen zu bewirken, reine Maltose gewinnen zu können.

Die auf diese Weise aus solchen Hydrolysaten erzeugten Kristalle sind jedoch extrem klein, wodurch ihre Gewinnung bzw. Abtrennung wirtschaftlich uninteressant und fallweise bei Verwendung herkömmlicher Einrichtungen sogar unmöglich ist. Dieser Umstand war den Fachleuten zweifellos bekannt, weshalb sie darum bemüht waren, den Maltosegehalt der Hydrolysate so weit wie möglich zu erhöhen.

Dies gelang bislang, wie vorstehend ausgeführt, nur mit vergleichsweise hohem Aufwand.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von kristalliner, hochreiner Maltose zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und es insbesondere gestattet, ausgehend von Stärkehydrolysaten mit nicht allzu hohem Maltosegehalt auf wirtschaftliche und einfache Weise Maltosekristalle hoher Reinheit und vergleichsweise beachtlicher Korngröße in hoher Ausbeute zu gewinnen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Glucamylase ist bekanntlich ein ohne weiteres verfügbares und preiswertes Enzym, das bei der Verzuckerung von Stärke zu Dextrose oder dextrosehaltigen Sirupen seit langem verbreitete Anwendung findet. Es ist als überraschend anzusehen, daß dieses Enzym, wenn man es einem hochmaltosehaltigen Sirup zusetzt, nicht sofort eine Verringerung des Maltosegehalts bewirkt. Überraschend und unerwartet ist die von Glucamylase beim Verfahren der Erfindung entwickelte Wirkung insbesondere angesichts der weiter oben erwähnten US-Patentschriften 40 28 186 und 40 32 403, die beide die Behandlung von Maltosesirupen mit anderen Enzymen als Glucamylase betreffen, und zwar mit Enzymen, die, wie gezeigt wird, befähigt sind, den Gehalt eines Maltosesirups an höheren Sacchariden zu verringern, ohne gleichzeitig den Maltosegehalt zu senken. Die US-PS 40 28 186 beschreibt und beansprucht die Verwendung pilzlicher α-Amylasen, die ein Verhältnis der Maltotriose spaltenden Aktivität zur dextrenogenen Aktivität in einem Bereich von 0,001 bis 0,1 besetzen. Tests, die mit zwei handelsüblichen Glucamylasepräparaten, darunter dem bei der Durchführung der Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendeten Glucamylase nach der in dieser US-PS angegebenen Testmethode durchgeführt wurden, ergaben, daß die fraglichen Aktivitätsverhältnisse bei den geprüften Glucamylasepräparaten 0,00043 bzw. 0,00058 betrugen und damit weit unter dem unteren Grenzwert von 0,001 lagen, der für diesen Kennwert in der fraglichen US-PS zwingend vorgeschrieben wird. Die US-PS 40 32 403 offenbart eine Reihe von Enzympräparaten und weist unmißverständlich darauf hin, daß diese Enzyme, um eingesetzt werden zu können, ein Verhältnis von Maltotriose spaltender Aktivität zu Maltose spaltender Aktivität von mindestens 2,5 besitzen müssen. Die beiden vorstehend erwähnten Glucamylasepräparate wurden deshalb nach der in diesem US-Patent angegebenen Testmethode geprüft, wobei Aktivitätsverhältnisse von 0,73 bzw. 0,83 ermittelt wurden, also Werte, die wiederum weit unter dem in diesem Stand der Technik zwingend vorgeschriebenen unteren Grenzwert lagen. Es ist weiterhin als außerordentlich überraschend anzusehen, daß beim Verfahren der Erfindung nach der Behandlung mit Glucamylase große Maltosekristalle in guten Ausbeuten aus Stärkehydrolysaten erhalten werden können, die weniger als 90% und, fallweise, sogar nur 75% Maltose enthalten.

Die Behandlung mit Glucamylase führt zu einer Abnahme des Gehalts an Maltotriose und höheren Sacchariden und zu einer Zunahme des Dextrosegehalts, wobei, natürlich, gleichzeitig die Viskosität des Hydrolysats entsprechend abnimmt. Obwohl natürlich diesen Vorgängen auch ein anderer Mechanismus zugrunde liegen kann, scheint es, daß die Viskosität eines herkömmlichen Stärkehydrolysats mit einem Maltosegehalt von 75 bis 87%, obwohl sie verhältnismäßig niedrig ist (in der Regel beträgt sie weniger als 800 cPs, gemessen bei 57°C an einer 78%igen Lösung), für das Kristallwachstum einen "limitierenden Faktor" darstellt. Was auch immer der Mechanismus bzw. die Ursache für den erfindungsgemäß erzielten Erfolg sein mag, wurde jedenfalls festgestellt, daß man durch einen herkömmlichen Kristallisationsvorgang eine hohe Ausbeute großer Maltosekristalle erhalten kann, wenn die Viskosität des Hydrolysats auf weniger als 400 cPs, gemessen bei 57°C und einem Feststoffgehalt von 78%, reduziert wird. Somit kann das Bedienungspersonal das optimale Ausmaß der Glucamylasebehandlung leicht bestimmen, indem es die Viskosität des Hydrolysats mißt. In der Beschreibung und den Ansprüchen beziehen sich Viskositätswerte jeweils auf eine wäßrige Lösung mit einem Feststoffgehalt von 78% und einer Temperatur von 57°C, soweit nicht etwas anderes ausdrücklich angegeben ist.

Nachfolgend wird eine kurze Zusammenfassung des Verfahrens der Erfindung gegeben.

Zunächst wird Stärke zu einem Stärkehydrolysat hydrolysiert, das mindestens 75% Maltose enthält und eine Viskosität von mehr als 400 cPs aufweist. Dieses Stärkehydrolysat wird dann mit Glucamylase weiterhydrolysiert, bis die Viskosität auf einen Wert unter 400 cPs vermindert ist, wobei darauf geachtet wird, daß noch keine wesentliche Abnahme des Maltosegehalts erfolgt. Schließlich wird das dabei erhaltene Hydrolysat in bezug auf Maltose übersättigt, indem man die Temperatur und den Feststoffgehalt entsprechend einstellt, worauf die Kristallisation, z. B. durch Zugabe von Impf- bzw. Saatkristallen eingeleitet bzw. induziert wird, wonach man das Kristallisationsverfahren in herkömmlicher Weise fortsetzt, indem man die Temperatur langsam senkt. Die dabei erhaltenen großen Maltosekristalle werden dann in herkömmlicher Weise, z. B. durch Zentrifugieren oder Filtrieren, gewonnen.

Die nach der Abtrennung der Maltosekristalle verbleibende flüssige Phase besteht aus einer wäßrigen Lösung aus Maltose, Dextrose und kleineren Mengen höherer Saccharide und stellt ein wertvolles "Nebenprodukt" dar, das als Süßungsmittel in einer großen Vielzahl verschiedener Nahrungsmittelprodukte, z. B. Konfekt, Eiscreme, Marmeladen und Gelees usw., verwendet werden kann. Diese Lösung bzw. Mutterlauge ist nicht nur so wie sie ist ein wertvolles Produkt, sondern kann auch mit anderen Süßungsmitteln gemischt werden, wobei man eine große Vielzahl verschiedener interessanter Produkte für die Lebensmittelindustrie erhalten kann. Wenn als Ausgangsmaterial ein Stärkehydrolysat mit extrem hohem Maltosegehalt verwendet wird, kann die nach der Kristallisation verbleibende flüssige Phase bzw. Mutterlauge unter Umständen genügend Maltose enthalten, um eine zweite Kristallisation zu ermöglichen, bei der zusätzliche Maltosekristalle gewonnen werden können; jedoch werden die hauptsächlichen wirtschaftlichen Vorteile der Erfindung bei der bzw. durch die Verwendung eines Stärkehydrolysats als Ausgangsmaterial erzielt, das 75 bis 85% Maltose enthält, und dabei enthält die nach der (ersten) Kristallisation solcher Hydrolysate verbleibende Mutterlauge in der Regel nicht genügend Maltose, um eine zweite Kristallisation praktisch sinnvoll zu machen.

Nachstend folgt eine detaillierte Beschreibung der Erfindung und insbesondere erfindungsgemäß bevorzugter Verfahrensbedingungen.

Herstellung des ursprünglichen bzw. als Ausgangsmaterial zu verwendenden Stärkehydrolysats mit hohem Maltosegehalt

Die Art des Verfahrens, nach dem das als Ausgangsmaterial einzusetzende Stärkehydrolysat hergestellt wird, ist für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung ohne nennenswerte Bedeutung, so daß hierfür nach jedem beliebigen bekannten Verfahren gearbeitet werden kann. Selbstverständlich wird man vorzugsweise ein möglichst wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung des Ausgangsmaterials anwenden, weshalb folgende, für die großtechnische Durchführung besonders zweckmäßige Arbeitsweise empfohlen wird:

Eine wäßrige Aufschlämmung einer beliebigen Stärkesorte mit einem Feststoffgehalt von 25 bis etwa 40% wird zunächst mit α-Amylase bis zu einem verhältnismäßig niedrigen DE-Wert von höchstens etwa 10 und insbesondere nicht über 5 hydrolysiert. Das verflüssigte Produkt wird dann einer kurzen Hochtemperaturbehandlung, d. h. einer Behandlung bei über 100°C und vorzugsweise einer Temperatur von bis zu etwa 140°C unterworfen, um eventuell noch vorhandene Stärke zu verkleistern und vollständig zu verflüssigen. Diese Hochtemperaturbehandlung ist deswegen wichtig, weil das Produkt schließlich vor der Kristallisation filtriert werden muß und jeder auch noch so geringe Rest an Stärke, der nach der Verzuckerung noch vorhanden ist, die Filtration stark stört.

Hierauf wird die verflüssigte Stärkeaufschlämmung abgekühlt und ihr pH auf einen geeigneten Wert eingestellt, worauf man sie mit einem maltogenen Enzym und einem Zweigketten abspaltenden Enzym verzuckert. Es gibt natürlich zahlreiche im Handel erhältliche maltogene Enzyme, z. B. die verschiedenen β-Amylasen aus Malz, Gerste, Soja usw., sowie maltogene Enzyme aus Bacillus polymixa. Vorzugsweise verwendet man natürlich maltogene Enzyme, die eine möglichst geringe α-Amylaseaktivität besitzen, um die Bildung von Trisacchariden so weit als möglich zu vermeiden.

Auch Zweigketten abspaltende Pullulanase-Enzympräparate sind im Handel ohne weiteres erhältlich. Beispiele zweier Handelsprodukte sind die unter den Handelsnamen "Pullyzyme K 2000" und "CK 20" vertriebenen Präparate.

Die Verzuckerungsreaktion wird so lange fortgesetzt, bis der gewünschte Maltosegehalt, d. h. mindestens 75%, erreicht ist. Dies ist in der Regel innerhalb einer Zeit von etwa 24 bis etwa 28Std. der Fall. Falls danach noch Spuren von Stärke in dem verzuckerten Produkt vorhanden sein sollten, die, wenn anwesend, bei der nachfolgenden Filtration stören würden, kann man sie in diesem Verfahrenstadium selbstverständlich durch eine kurze Behandlung mit einer bakteriellen α-Amylase entfernen.

Das so hergestellte Ausgangsmaterial, das eine Viskosität von mehr als 400 cPs besitzt, wird dann erfindungsgemäß wie folgt behandelt:

Nachfolgende Behandlung mit Glucamylase zur Verringerung der Viskosität.

Der pH-Wert wird auf 4,0 bis 5,5 eingestellt, worauf man ein Glucamylase-Enzympräparat, das vorzugsweise im wesentlichen frei von Transglucosidaseaktivität ist, zusetzt und das Produkt bei einer Temperatur von 45 bis 70°C so lange weiter verzuckert, bis einerseits die Viskosität auf einen Wert von weniger als 400 cPs vermindert ist, aber andererseits noch keine wesentliche Verminderung des Maltosegehalts stattgefunden hat. Unter einer "wesentlichen Verminderung" ist eine Verringerung des Maltosegehalts um 2% oder mehr zu verstehen. Die enzymatische Behandlung wird dann, z. B. indem man das Gemisch zum Sieden erhitzt, abgebrochen.

Wahlweise kann man die Glucamylase immobilisieren und das Ausgangsmaterial weiter hydrolysieren, indem man es durch ein Bett des immobilisierten Enzyms führt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist im weiter unten beschriebenen Beispiel 3 erläutert.

Das dabei erhaltene Hydrolysat, das im Vergleich zum Ausgangsmaterial einen niedrigeren Gehalt an Sacchariden mit einem Polymerisationsgrad von 3 und mehr und einen höheren Dextrosegehalt aufweist, sowie einen im wesentlichen gleich hohen oder sogar etwas höheren Maltosegehalt wie das Ausgangsmaterial besitzt und eine Viskosität von weniger als 400 cPs aufweist, wird dann einem Kristallisationsverfahren unterworfen.

Wie bereits weiter oben erwähnt, kann zur Gewinnung der Maltosekristalle jedes herkömmliche Verfahren zur Kristallisation eines Zuckers aus einer Lösung angewandt werden, bei dem das Hydrolysat konzentriert und erhitzt wird, so daß es bezüglich Maltose übersättigt ist, worauf man den Kristallisationsbeginn induziert, z. B. durch Zusatz von Saatkristallen, und dann die Temperatur allmählich senkt, um die Kristalle wachsen zu lassen. Die Maltosekristalle werden dann aus der flüssigen Phase nach herkömmlichen Methoden, z. B. durch Zentrifugieren, abgetrennt.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

In den Beispielen sind, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, Prozentwerte stets Angaben in Gewichtsprozent, bezogen auf Trockensubstanz. Soweit Enzymmengen in Aktivitätseinheiten (AU) angegeben sind, sind diese jeweils auf ein kg trockene Stärke bezogen.

Die in Aktivitätseinheiten angegebene Glucamylaseaktivität ist die Menge an reduzierenden Zuckern in g, die von einem g Enzym in einer Stunde bei 60°C und pH 4,3 während einer Inkubationsdauer von insgesamt 2 Std. unter Verwendung eines Stärkehydrolysats mit einem DE-Wert im Bereich von 10 bis 20 als Substrat erzeugt.

Die β-Amylaseaktivität wird wie folgt bestimmt:

50 ml einer Stärkehydrolysatlösung mit einer Konzentration von genau 8% und einem Dextroseäquivalent von 15 bis 20 werden mit 5 ml 0,5molarer Essigsäure/Natriumacetatpufferlösung auf pH 4 bis 6 eingestellt. Dieses Gemisch wird 15 Minuten bei 50°C ins Gleichgewicht gebracht, worauf eine Enzymprobe mit bekanntem Gewicht zugesetzt wird. Auf gleiche Weise wird eine Blindprobe hergestellt, wobei man anstelle der Enzymlösung destilliertes Wasser zusetzt. Nach Durchmischung der Proben werden die Testlösungen 55 bis 57 Minuten lang bei 50°C gehalten, worauf man 3 Tropfen Phenolphthaleinindikator zusetzt. Nach genau 60 Min. wird der Kolben aus dem Heizbad entnommen und sofort durch Zugabe von 1%iger Natronlauge bis zum erstmaligen Auftreten einer blaßrosa Färbung neutralisiert, worauf man weitere 0,5 ml Natronlauge zugibt. Die Lösung wird dann auf Zimmertemperatur abgekühlt und auf genau 100 ml verdünnt.

Dann bestimmt man den Gehalt der Probe an reduzierendem Zucker nach Schoorl, einer in der Industrie gebräuchlichen Standardmethode.

Die Aktivität wird dann nach folgender Formel berechnet:

In der vorstehenden Gleichung bedeutet "R. S." den Gesamtgehalt an reduzierenden Zuckern in der zur Analyse entnommenen (Enzym-)Probe.

Die Pullulanaseaktivität wird wie folgt bestimmt:

1 g Pullulan wird in 70 ml destilliertem Wasser 5 Min. gekocht, worauf man abkühlt, 10 ml molare Acetatpufferlösung von pH 5,0 zusetzt und das Ganze auf 100 ml verdünnt, worauf man die Lösung filtriert.

Ein ml dieser Pullulan-Lösung wird 5 Min. bei 50°C gehalten, worauf man 1 ml Enzymlösung zugibt und das Gemisch genau 10 Min. reagieren läßt. Die Reaktion wird durch Zugabe von 2 ml DNS- Reagens, das man durch Lösen von 1 g 3,5-Dinitrosalicylsäure in 16 ml 10%iger Natronlauge, Versetzen mit 30 g Rochelle- Salz und Verdünnen auf 100 ml hergestellt, gestoppt.

Eine Blindprobe wird hergestellt, indem man dem Substrat vor der Enzymzugabe 2 ml DNS-Reagens zusetzt.

Die beiden Proben werden genau 5 Min. in ein siedendes Wasserbad gesetzt, dann rasch abgekühlt und unter Mischen mit 10 ml destilliertem Wasser versetzt.

Die optische Dichte der Testlösung wird gegen die Blindprobe unter Verwendung von zwei cm Zellen bei einer Wellenlänge von 540 µm gemessen. 0,4 Pullulanaseaktivitätseinheiten ergeben eine optische Dichte von 0,325. Daher macht man eine Verdünnungsreihe, die getestet wird, worauf man die optische Dichte gegen die Enzymkonzentration in ein Diagramm einträgt. Diejenige Konzentration, die eine optische Dichte von 0,325 ergibt, enthält definitionsgemäß 0,4 Pullulanaseaktivitätseinheiten. Somit wird die Aktivität der Probe nach folgender Formel berechnet:

"DP" bedeutet "Polymerisationsgrad".

Beispiel 1

Es wird ein Ausgangsmaterial mit einem Maltosegehalt von 75% verwendet.

1. Herstellung des Ausgangsmaterials a) Verflüssigung

500 Ltr. einer wäßrigen Aufschlämmung normaler Maisstärke mit einem Trockensubstanzgehalt von 35% werden mit so viel Calciumchlorid und Natriumchlorid versetzt, daß das Gemisch 150 TpM Ca⁺⁺ und 300 TpM Cl^- enthält. Der pH-Wert der Lösung beträgt 5,8 bis 6,0. Pro kg Stärke werden 2000 AU bakterielle α-Amylase (Termamyl) zugegeben, worauf man die Aufschlämmung in einen Mantelautoklaven (durch indirekten Wasserdampf erhitzt) überführt, in dem sie etwa 30 Min. bei einer Temperatur von 88 bis 92°C gehalten wird. Dann wird die Aufschlämmung einer "Hitzeschock-Behandlung" unterworfen, um vorhandene restliche Stärke restlos zu verflüssigen und das Enzym zu zerstören, indem man den Autoklaven verschließt, wodurch die Temperatur im Laufe von etwa 20 Min. auf 140°C gebracht wird. Die Aufschlämmung wird bei dieser Temperatur etwa 10 Min. gehalten. Das verflüssigte Produkt weist einen DE-Wert von 5 auf.

b) Verzuckerung

Die verflüssigte Stärke wird auf etwa 55°C abgekühlt und in einen Verzuckerungstank überführt, in dem der pH-Wert auf 5,5 bis 5,8 einreguliert wird. Dann gibt man 100 AU β-Amylase (Biozyme M2) und 1600 AU Pullulanase zu und inkubiert das Gemisch 40 Std., worauf das Stärkehydrolysat 75% Maltose enthält. Das Hydrolysat wird filtriert und dann mit Aktivkohle raffiniert. Die Kenndaten des so erhaltenen Produkts sind in der nachstehenden Tabelle I in der Spalte "Ausgangsmaterial" aufgeführt.

Das gereinigte Hydrolysat wird in zwei gleiche Teilmengen aufgeteilt, wobei eine Hälfte zur Durchführung einer Vergleichskristallisation beiseite gestellt und die andere Hälfte erfindungsgemäß wie folgt behandelt wird:

2. Glucamylasebehandlung

Der pH-Wert der Probe wird auf 4,2 eingestellt, worauf man die Probe mit 160 AU eines aus Aspergillus niger gewonnenen Glucamylaseenzympräparats versetzt und das Gemisch 4 Std. bei 55 bis 60°C reagieren läßt, worauf das Enzym durch Aufkochen des Hydrolysats inaktiviert und dann durch Filtrieren mit Aktivkohle entfernt wird. Die Kenndaten des dabei erhaltenen Reaktionsproduktgemischs sind in der nachfolgenden Tabelle I in der Spalte "nach Glucamylasebehandlung" aufgeführt.

Das so erhaltene Hydrolyseprodukt sowie das raffinierte Ausgangsmaterial werden dann jeweils dem gleichen Kristallisationsverfahren unterworfen, das wie folgt durchgeführt wird:

3. Kristallisation

Für die Vergleichskristallisationsversuche wird ein aus 2 liegenden Kesseln mit einem nutzbaren Fassungsvermögen von 20 Ltr., die jeweils mit einem Doppelmantel und einem Kratzer-Rührwerk ausgerüstet sind, bestehender halbtechnischer Kristallisator verwendet. Die Rührgeschwindigkeit beträgt 3 UpM. Außerdem ist ein außenliegender Boiler und eine Temperatursteuerungsanlage vorgesehen, womit heißes Wasser durch die Mäntel der Kristallisationsbehälter umgewälzt werden kann, und zwar so, daß die Temperatur vom Ausgangswert mit vorgegebener und für die beiden Kristallisationstanks gleicher Geschwindigkeit abgesenkt werden kann.

Bei den ersten Kristallisationsversuchen muß man natürlich nicht aus dem Verfahren stammende Maltosekristalle als Saatkristalle verwenden. Um sinnvolle Vergleichswerte zu erhalten, wird eine Reihe von Hydrolysaten hergestellt, die nacheinander den Kristallisationsversuchen unterworfen werden, indem man den Kristallisator jeweils zu 75% leert, wenn der untere Temperaturpunkt erreicht ist, während man die restlichen 25% der Masse als Saat für den nächsten Versuch im Kristallisator behält. Die Vergleichskristallisationsversuchswerte werden ermittelt und aufgezeichnet, nachdem das Kristallisationsgleichgewicht sich eingestellt hat.

Zur Durchführung der Kristallisation werden die Hydrolysate jeweils durch Eindampfen auf einen Feststoffgehalt von 78% konzentriert und dann in den Kristallisator eingespeist. Die Anfangstemperatur wird auf 57°C eingestellt, worauf man die Temperatur mit konstanter Geschwindigkeit von 0,16°C/Std. absenkt, bis die Endtemperatur von 45°C erreicht ist. Darauf wird das Magma bzw. der Kristallbrei aus dem Kristallisator ausgetragen, worauf man die Kristalle durch Zentrifugieren gewinnt. Die Kristallisations-Vergleichsversuchsergebnisse und -kennwerte sind in der Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

Die nach der Gewinnung der Maltosekristalle verbleibende flüssige Phase stellt einen sehr angenehm schmeckenden Sirup dar, der folgende Saccharidzusammensetzung aufweist:

DP₁21,8% DP₂68% DP₃ 6,4% DP₄₊ 3,8%

Dieser Sirup kann als Süßungsmittel in einer großen Zahl von Nahrungsmittelprodukten, z. B. Süßwaren, Eiscreme, Marmelade und Gelee, Molkereiprodukten oder dergl., verwendet werden. Außerdem könnte der Sirup nicht nur als solcher sinnvoll verwendet werden, sondern natürlich auch mit verschiedenen anderen Süßungsmitteln gemischt werden, wodurch sich daraus eine außerordentlich große Vielzahl verschiedener wertvoller Produkte erhalten ließe.

Beispiel 2

Es wird ein Ausgangsmaterial mit einem Maltosegehalt von 30% verwendet.

Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch abweichend davon die Verzuckerungsreaktion unter Verwendung von 200 AU β-Amylase und 1600 AU Pullulanase durchgeführt wird, bis man ein Hydrolysat mit einem Maltosegehalt von 80% erhält. Als β-Amylase wird ein Gemisch aus einer hochreinen β-Amylase (Biozyme M2) und einer pflanzlichen β-Amylase (hochdiastatischer Malzextrakt mit 1500° Lintner) verwendet.

Das Hydrolysat wird statt mit Aktivkohle mit Ionenaustauscherharzen raffiniert.

Die Glucamylasebehandlung wird wie in Beispiel 1 durchgeführt, wobei abweichend davon die Reaktionszeit nur 2 Std. beträgt.

Die Kristallisationsstufe wird wie in Beispiel 1 durchgeführt.

Die Kenndaten und Versuchsergebnisse dieses Beispiels sind in der nachfolgenden Tabelle II aufgeführt.

Tabelle II

Die nach der Gewinnung der Kristalle verbleibende flüssige Phase bzw. Mutterlauge weist folgende Saccharidzusammensetzung auf:

DP₁20% DP₂66,6% DP₃10% DP₄₊ 3,4%

Wie die im Beispiel 1 verbleibende flüssige Phase bzw. Mutterlauge ist auch dieses Produkt ein vielseitig anwendbarer, sehr angenehm schmeckender Sirup.

Beispiel 3 Verwendung immobilisierter Glucamylase zur Viskositätsverminderung

Bei der Verwendung von Glucamylase zur Verminderung der Viskosität des Hydrolysats muß darauf geachtet werden, daß man die enzymatische Reaktion rechtzeitig, d. h. wenn die gewünschte Viskositätsverminderung erreicht ist, ohne daß dabei gleichzeitig eine Verminderung des Maltosegehalts stattfindet, vollständig abstoppt. Dies kann beim Arbeiten im großtechnischen Maßstab unter Verwendung großvolumiger Inkubatoren und Inaktivierung des Enzyms durch Kochen des Reaktionsgemisches wegen der langen Zeit zu einem Problem werden, die erforderlich ist, um den gesamten Inkubatorinhalt auf die zur Inaktivierung erforderliche Temperatur zu bringen. Dieses Problem kann auf einfache Weise dadurch vermieden werden, daß man die Reaktion kontinuierlich in einem Bett oder einer Säule aus an bzw. auf einem geeigneten Trägermaterial immobilisierter Glucamylase durchführt. Dieses Beispiel erläutert eine derartige Arbeitsweise.

1. Herstellung des Ausgangsmaterials a) Verflüssigung

In diesem Beispiel wird ein kontinuierliches Verflüssigungsverfahren angewandt. Dazu werden analog Beispiel 1800 Ltr. einer α-Amylase enthaltenden Maisstärkeaufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 35% hergestellt, die kontinuierlich verflüssigt wird, indem man sie nach folgendem Schema durch eine Reihe von Erhitzungs- und Haltekolonnen schickt:

1. Vorerhitzen der Aufschlämmung in etwa 30 Sek. auf 95°C mittels eines Röhrenwärmeaustauschers.
2. Halten in einer Mantelkolonne bei 90 bis 95°C während 45 Min.
3. Erhitzen in einem zweiten Wärmeaustauscher auf 140°C.
4. Halten bei 140°C in einer isolierten, mit Prallblechen ausgerüsteten Säule während 12 Min.
5. Entspannen auf Atmosphärendruck in einem Zyklon, Abkühlung auf 55 bis 60°C mittels Pumpen durch einen Plattenwärmeaustauscher, durch den als Kühlmittel 50°C warmes Wasser gepumpt wird, anschließende Überführung durch Pumpen in einen absatzweise arbeitenden Verzuckerungstank. Die Verzuckerungsenzyme (Pullulanase und β-Amylase) werden in den in den Verzuckerungstank eingespeisten Strom eingespritzt.

Die verflüssigte Stärke weist einen DE-Wert von 8 auf und enthält etwa 40% beim Jodfärbungstest erkennbare Stärke.

b) Verzuckerung

Zur Verzuckerung wird eine Enzymdosierung von 1600 AU Pullulanase und 100 AU Malzextrakt angewandt. Vor der Enzymzugabe wird keine pH-Einstellung durchgeführt (die ursprüngliche Stärkeaufschlämmung weist einen pH von 5,8 bis 6,0 auf). Während der Verzuckerung fällt der pH auf 5,5 und wird mittels eines pH-Reglers auf diesem Wert gehalten.

Die Verzuckerung wird 24 Std. bei 55 bis 60°C durchgeführt, worauf das Reaktionsprodukt folgende Zusammensetzung aufweist:

D. E.53 Dextrose1,5% Maltose77% DP₃14% DP<37,5% erkennbare Stärke1,5%

Weil der Gehalt an erkennbarer Stärke die Filtration erschweren würde, wird er entfernt, indem man 250 Einheiten bakterielle α-Amylase (Thermamyl) zusetzt und das Gemisch durch eine Wärmeaustauscher- und Halteschlange schickt, wodurch die gesamte Stärke hydrolysiert wird, ohne daß ansonsten eine signifikante Änderung der Zuckerzusammensetzung stattfindet.

Das so erhaltene Hydrolysat wird filtriert und dann sowohl mit Aktivkohle als auch durch Ionenaustauschbehandlung gereinigt, um seinen Gehalt an Verunreinigungen möglichst weitgehend zu verringern und dadurch jegliches Risiko einer Inaktivierung des immobilisierten Enzymsystems zu vermeiden.

2. Glucamylasebehandlung

Die Glucamylase wird immobilisiert, indem man die Enzymlösung im Kreislauf durch eine Säule mit einem Bettvolumen von 500 ml führt, die mit "XN 1009", einem von der Firma Rohm und Haas hergestellten Adsorbens (macroreticulares Polystyrolanionenaustauscherharz, dessen Anionenaustauscheraktivität durch Abpuffern auf pH 4,2 neutralisiert wird) führt.

Überschüssiges, nichtgebundenes Enzym wird aus der Säule vor dem Anfahren ausgewaschen.

Es wird eine Reihe von Versuchsläufen durchgeführt, wobei das gereinigte Hydrolysat mit verschiedenen Raumströmungsgeschwindigkeiten durch die immobilisierte Enzymsäule geschickt wird, um die richtigen Konversionsbedingungen zu ermitteln.

Die Ergebnisse dieser Versuchsläufe sind in der nachfolgenden Tabelle III wiedergegeben.

Tabelle III

Aus der Tabelle III ist zu ersehen, daß die optimale Raumströmungsgeschwindigkeit bei diesen Bedingungen 2,6 bis 2,8 Bettvolumina pro Std. beträgt und diese Arbeitsweise sogar zu einer geringfügigen Steigerung des Maltosegehalts des Hydrolysats führt. Weiterhin ist zu erkennen, daß auch noch mit einer Raumströmungsgeschwindigkeit von 2,2 Bettvolumina/h gearbeitet werden kann, da dabei nur eine geringfügige Verminderung des Maltosegehalts erfolgt.

Die Hydrolysate mit einem Maltosegehalt von 75,2% und mehr können leicht kristallisiert werden, wobei man wie in den vorhergehenden Beispielen gute Ausbeuten an großen Maltosekristallen erzielt.

Es sind natürlich zahlreiche geeignete Materialien und Arbeitsweisen zur Immobilisierung von Enzymen bekannt, die bei der Durchführung der Erfindung mit Erfolg angewandt werden können. Die vorstehenden Werte sind lediglich als Anhaltspunkt für den Fachmann gedacht, der ohne weiteres in der Lage ist, die im Einzelfall jeweils optimalen Bedingungen zweckentsprechend auszuwählen.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Maltosekristallen, bei dem man

a) ein behandeltes Stärkehydrolysat durch Erhöhung der Temperatur und des Feststoffgehaltes in bezug auf Maltose übersättigt und in der übersättigten Lösung eine Kristallisation induziert,
b) die Temperatur zum Weiterlaufen der Kristallisation senkt, bis mindestens 25% der Maltose auskristallisiert sind, und
c) aus dem Kristallisationsgemisch Maltosekristalle gewinnt,

dadurch gekennzeichnet, daß man zur Gewinnung von Maltosekristallen mit einer Größe von mindestens 120 · 50 µm das in a) eingesetzte behandelte Stärkehydrolysat dadurch gewinnt, daß man

d) ein Stärkehydrolysat mit einem Maltosegehalt von mindestens 75% und einer Viskosität von mehr als 400 Centipoise mit Glucamylase unter hydrolysierenden Bedingungen behandelt, bis die Viskosität auf weniger als 400 Centipoise verringert ist, ohne dabei den Maltosegehalt um 2% oder mehr zu verringern, und sich die Viskositätswerte jeweils auf eine wäßrige Lösung mit einem Feststoffgehalt von 78% und einer Temperatur von 57°C beziehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial ein Stärkehydrolysat einsetzt, das hergestellt worden ist, indem man zuerst eine wäßrige Stärkeaufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 25 bis 40% mit α-Amylase bis zu einem DE-Wert von höchstens 10% verflüssigt und die verflüssigte Stärke dann mit b-Amylase und α-1,6-Glucosidase verzuckert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als α-1,6-Glucosidase eine Pullulanase verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stärkehydrolysat bei einem pH-Wert von 4,0 bis 5,5, einer Temperatur von 45 bis 70°C und mit einer 100 bis 250 Aktivitätseinheiten pro kg Trockensubstanz entsprechenden Enzymmenge während einer Zeitspanne behandelt, die ausreicht, um die Viskosität auf weniger als 400 Centipoise zu vermindern, ohne daß dabei eine Verringerung des Maltosegehalts um 2% oder mehr stattfindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stärkehydrolysat bei pH 4,0 bis 5,5 und einer Temperatur von 45 bis 70°C durch ein Bett aus immobilisierter Glucamylase führt.