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Verfahren zur Zubereitung eines Proteinisolats
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Bes chreibun Aus der CA-PS 1 028 552 bzw. der US-PS 4 169 090 ist
ein Verfahren zur Zubereitung von Proteinisolaten bekannt, bei dem eine Proteinquelle
mit einer wäßrigen Lösung eines zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes einer
Salzkonzentration von mindestens etwa 0,2 (Ionenstärke bei einer Temperatur von
etwa 150 bis etwa 350C) und eines pH-Werts von etwa 5,5 bis etwa 6,3 behandelt wird,
die erhaltene Proteinlösung zur Bildung von Proteinmizellen in der wäßrigen Phase
auf eine Ionenstärke von weniger als etwa 0,1 verdünnt wird und schließlich die
Proteinmizellen als amorphe Proteinisolatmasse gesammelt werden.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich zur Isolierung von Protein
aus den verschiedensten Proteinquellen in beträchtlich höheren Ausbeuten als sie
normalerweise durch Einsalzmaßnahmen erhältlich sind. Das bei Durchführung des bekannten
Verfahrens anfallende Proteinisolat ist praktisch nicht denaturiert und zeigt eine
Funktionalität, wie sie weder das Ausgangsmaterial noch deren isoelektrische Niederschläge
aufweisen.
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Die Proteinextraktion aus der Proteinquelle erfordert die Verwendung
einer Salzlösung einer Ionenstärke von mindestens 0,2 zum Löslichmachen des Proteins.
Die Ionenstärkewerte reichen in der Regel nur bis zu 0,8, da bei höheren Ionenstärkewerten
zur Proteinisolierung zu stark verdünnt werden muß. Als Extraktionssalz wird in
der Regel Natriumchlorid verwendet, man kann jedoch auch andere übliche Salze zu
Nahrungsmittelzwecken zum Einsatz bringen.
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Bei Durchführung des bekannten Verfahrens arbeitet man in einem pH-Wertbereich
von 5,5 bis 6,3, da die Mizellenform des Isolats bei pH-Werten über 6,3 nicht in
merklicher Menge anfällt und die Proteinausbeuten bei höheren pH-Werten deutlich
sinken. Bei pH-Werten unter 5,5 bis zu etwa 5,0 bildet sich zwar die Mizellenform
des Isolats, bei pH-Werten unter 5,5 ist jedoch die Phosphorverunreinigung unangemessen
hoch.
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ErfindungsgemäB läßt sich nun die Ausbeute an Proteinisolat gegenüber
der Ausbeute bei Durchführung des bekannten Verfahrens erhöhen, indem man die Proteinkonzentration
der bei der Extraktion erhaltenen Proteinlösung erhöht, während ihre Salzkonzentration
vor der Verdünnung dieselbe bleibt.
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Diese Konzentration ermöglicht es, das Proteinisolierungsverfahren
über breitere Bereiche einiger Parameter wirksam durchführen zu können.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Zubereitung eines
Proteinisolats aus einer Proteinquelle, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß
man (a) eine Proteinquelle zum Löslichmachen des Proteins in dieser Proteinquelle
und zur Bildung einer Proteilösung mit einer wäßrigen Lösung eines zu Nahrungsmittelzwecken
geeigneten Salzes einer Ionenstärke von mindestens etwa 0,2 und eines pH-Werts von
etwa 5 bis etwa 6,8 bei einer Temperatur von etwa 150 bis etwa 350C extrahiert,
(b) die Proteinkonzentration in der erhaltenen Proteinlösung unter weitestgehender
Konstanthaltung ihrer Ionenstärke erhöht,
(c) die erhaltene konzentrierte
Proteinlösung zur Bildung einzelner Proteinteilchen in der wäßrigen Phase zumindest
teilweise in Form von Proteinmizellen auf eine Ioconstärke unter etwa 0,2 verdünnt
und (d) die Proteinteilchen zur Bildung einer Proteinisolatmasse zumindest teilweise
in Form einer amorphen, klebrigen, gelatinösen, glutenartigen Proteinmizellenmasse
absetzen läßt.
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Das hierbei erhaltene Proteinisolat kann nach Abtrennung von der restlichen
wäßrigen Phase zu einem Pulver getrocknet werden.
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Die erste Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht in einem
Löslichmachen von in dem Proteinlieferanten enthaltenen Proteinen. Als Proteinlieferanten
bzw. Proteinquellen eignen sich die verschiedensten Pflanzenproteine, z.B. stärkehaltige
Cerealien, wie Weizen, Mais, Hafer, Gerste, Roggen und Tritikale, stärkehaltige
Leguminosen, wie Feldbohnen, Kichererbsen, Fababohnen, weiße Bohnen und gefleckte
Feldbohnen, sowie Ölsamen, wie Sonnenblumensamen, Erdnußsamen, Rapssamen und Sojabohnen,
tierische Proteine, wie Serumproteine, und mikrobielle Proteine. Bevorzugt werden
Pflanzenproteine, da sie leicht verfügbar sind.
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Vor Durchführung der Proteinextraktion wird die Proteinquelle in der
Regel in üblicher bekannter Weise zerkleinert.
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Die durchschnittliche Teilchengröße des zerkleinerten Ausgangsmaterials
kann sehr verschieden sein, sie liegt in der Regel zwischen etwa 800 mesh und 1,651
mm, vorzugsweise unter etwa 0,074 mm. Die Zerkleinerung kann von
einer
physikalischen Entfernung etwaiger nicht-eiweißartiger Materialien in üblicher bekannter
Weise begleitet sein.
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Zum Löslichmachen des Proteins bedxnt man sich einer Lösung eines
zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes. Bei diesem Salz handelt es sich in der
Regel um Natriumchlorid, es können jedoch auch andere Salze, z.B. Kaliumchlorid
oder Calciumchlorid, zum Einsatz gelangen. Die Lösung des zu Nahrungsmittelzwecken
geeigneten Salzes besitzt eine Ionenstärke von mindestens etwa 0,2, damit merkliche
Mengen Protein in Lösung gebracht werden können. Mit zunehmender Ionenstärke der
Salzlösung erhöht sich auch zunächst die Menge des in Lösung gehenden Proteins bis
zum Erreichen eines Maximalwerts. Jede weitere Erhöhung der Ionenstärke erhöht die
Menge an in Lösung gehendem Protein nicht mehr. Die Ionenstärke der Lösung des zu
Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes, die ein maximales Inlösunggehen des Proteins
bewirkt, ist äe nach dem verwendeten Salz und der Jeweils verwendeten Proteinquelle
sehr verschieden.
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Im Hinblick darauf, daß mit zunehmender Ionenstärke später stärker
verdünnt werden muß, beträgt die Ionenstärke zweckmäßigerweise weniger als etwa
0,8, vorzugsweise etwa 0,3 bis etwa 0,6. Zulässig sind allerdings Ionenstärkewerte
bis zu 5,0.
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Das Inlösungbringen des Proteins durch das Salz erfolgt bei einer
Temperatur von etwa 150 bis etwa 350C. Vorzugsweise erfolgt hierbei eine Bewegung,
um die Zeit zum Inlösungbringen abzukürzen. Diese Zeit dauert in der Regel etwa
10 bis etwa 60 min. Vorzugsweise wird durch Extraktion die maximal mögliche Proteinmenge
aus dem Proteinlieferanten in Lösung gebracht.
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Die untere Temperaturgrenze von etwa 150C wurde deshalb gewählt, weil
unterhalb dieser Temperatur das Inlösunggehen zu langsam erfolgt. Die obere Temperaturgrenze
von etwa 35 0C wurde gewählt, weil bei Temperaturen oberhalb dieser Grenze ein zu
rasches Mikroorganismuswachstum erfolgt.
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Die Lösung des zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes besitzt
einen pH-Wert von etwa 5 bis etwa 6,8, damit man das Proteinisolat über den später
noch eingehender beschriebenen Mizellenzustand herstellen kann. Der für eine maximale
Proteinisolatausbeute optimale pH-Wert hängt von dem jeweiligen Proteinlieferanten
ab.
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An und nahe den Grenzen des pH-Bereichs erfolgt die Proteinisolatbildung
lediglich teilweise über den Mizellenzustand, wobei niedrigere Ausbeuten anfallen
als sonst im angegebenen pH-Bereich. Aus diesen Gründen werden pH-Werte von etwa
5,3 bis 6,2 bevorzugt.
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Der pH-Wert der Lösung des zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes
kann für die Extraktion auf jeden beliebigen Wert im Bereich von etwa 5 bis etwa
6,8 mit Hilfe einer zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Säure, in der Regel Salzsäure,
oder eines zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Alkalis, in derRegel Natriumhydroxid,
eingestellt werden.
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Die Konzentration des Proteinlieferanten in der Lösung des zu Nahrungsmittelzwecken
geeigneten Salzes kann während des Inlösungbringens des Proteins sehr verschieden
sein.
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Typische Konzentrationswerte reichen von etwa 5 bis etwa 15% (w/v).
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Wenn die Proteinextraktion beendet ist, wird die Proteinlösung von
der durch Extraktion von dem Protein befreiten festen Phase abgetrennt. Die Proteinlösung
besitzt zu diesem Zeitpunkt eine Proteinkonzentration von etwa 10 bis etwa 100,
vorzugsweise von etwa 30 bis etwa 70 g/l. Danach wird die Proteinlösung zur Erhöhung
ihrer Proteinkonzentration konzentriert, wobei ihre lonenstärke praktisch konstant
gehalten wird.
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Die Konzentration kann nach einer beliebigen selektiven Membrantechnik,
z.B. durch Ultra- oder Diafiltration, bewerkstelligt werden. Vorteilhaft an der
Konzentration ist, daß sich hierdurch die Isolatausbeute erhöhen läßt. Dadurch läßt
sich wiederum der Gesamtwirkungsgrad des Proteinisolierungsverfahrens erhöhen.
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Der Konzentrationsgrad der Proteinlösung läßt sich durch den "Konzentrationsfaktor"
oder besser durch den Volumen reduktionsfaktor" ausdrücken. Der "Volumenreduktionsfaktor"
ist das Verhältnis des Volumens der Lösung vor der Konzentration zum Volumen der
konzentrierten Lösung. Da die Proteinkonzentration von 1,0 an steigt, steigt auch
die erreichbare Ausbeute bis zu einem Maximalwert.
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Wenn die maximal erreichbare Ausbeute erreicht ist, trägt eine weitere
Volumenverminderung der konzentrierten Lösung lediglich dazu bei, das zur anschließenden
Verdünnung bei der Proteinisolierung erforderliche Flüssigkeitsvolumen ebenfalls
zu verringern.
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Der Volumenreduktionsfaktor, bei dem eine maximale Ausbeute erreichbar
ist, hängt von dem jeweiligen Proteinlieferanten und dem pH-Wert der Proteinlösung
ab. Vorzugsweise bedient
man sich eines Volumenreduktionsfaktors
von 3,0 bis 4,0, da bei diesen Werten häufig eine maximale Ausbeute erreichbar ist.
Ganz allgemein beträgt der Volumenreduktionsfaktor mindestens 1,1. Wenn man mit
recht hohen Volumenreduktionsfaktoren, z.B. etwa 5,0 bis 6,0, arbeitet, erhöht sich
die Viskosität der Proteinlösung sehr stark. Dies kann zu Schwierigkeiten bei der
Weiterverarbeitung führen, so daß sich ein Arbeiten mit größeren Werten (aus diesem
Grund schon) verbietet.
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Die Konzentration kann bei beliebiger Temperatur, in typischer Weise
bei etwa 200 bis etwa 50°C, durchgeführt werden.
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Die Dauer der Konzentration hängt von dem gewünschten Konzentrationsgrad
ab. Die Temperatur und die sonstigen einzuhaltenden Bedingungen hängen etwas von
der zur Durchführung der Konzentration gewählten Membranvorrichtung ab.
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Durch die Konzentration der Proteinlösung in dieser Stufe erhöht sich
nicht nur die Gesamtausbeute, sondern es sinkt auch die Salzkonzentration des Proteinisolats
nach dem Trocknen. Die Fähigkeit zur Steuerung der Salzkonzentration ist im Hinblick
auf die Verwertung des Isolats wichtig, sofern Änderungen der Salzkonzentration
dessen Eigenschaften beeinträchtigen. Die Bindekapazität des Isolats sinkt mit zunehmender
Salzkonzentration.
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Die Konzentrationsstufe macht es möglich, daß die Obergrenze des pH-Werts
der Extraktionsstufe von etwa 6,3 auf etwa 6,8 steigt. Solche höheren Werte werden
allerdings aus den bereits genannten Gründen weniger bevorzugt.
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Bekanntlich gestatten eine Ultrafiltration bzw. ähnliche selektive
Membrantechniken den Durchtritt niedrigmolekularer
Verbindungen
durch die Membran, während höhermolekulare Verbindungen auf der Membran zurückgehalten
werden. Bei den niedrigmolekularen Verbindungen handelt es sich nicht nur um die
Ionen des zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes, sondern auch um aus dem Proteinlieferanten
extrahierte nedrigmolekulare Substanzen, z.B. Kohlenhydrate. Man bedient sich in
der Regel des Molekulargewichttrenneffekts der Membran, um eine Rückhaltung praktisch
sämtlicher in Lösung befindlicher Proteine sicherzustellen.
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Die Eliminierung niedrigmolekularer Verbindungen aus dem Extrakt während
der Konzentration (desselben) ermöglicht eine Erhöhung der Proteinkonzentration
ohne Ausfällung des Proteins über die durch Extraktion maximal erreichbare Proteinkonzentration
hinaus.
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Wie bereits erwähnt, besteht eine der Schwierigkeiten des bei pH-Werten
von 5,0 bis 5,5 durchgeführten bekannten Verfahrens darin, daß das Isolat einen
relativ hohen Phosphorgehalt (hauptsächlich in Form von Phytinsäure) aufweist.
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Mit zunehmender Menge Phytinsäure in dem Isolat wird dessen Verdaubarkeit
zunehmend beeinträchtigt. Vorzugsweise sollte somit der Phosphorgehalt des Isolats
so weit wie möglich gesenkt werden.
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Durch die Konzentration der Proteinlösung wird der Phosphorgehalt
des letztlich erhaltenen Proteinisolats nicht merklich beeinflußt. Wenn jedoch die
Konzentration mit mindestens einer Waschstufe kombiniert wird, läßt sich der Phosphorgehalt
des im pH-Bereich von etwa 5 bis 5,5 erhaltenen Isolats merklich senken. Somit kann
also das Verfahren in einem breiteren pH-Bereich durchgeführt werden als das bekannte
Verfahren.
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Die im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der
Erfindung durchgeführte Wäsche kann in der Weise durchgeführt werden, daß zunächst
die Proteinlösung konzentriert wird, dann die konzentrierte Proteinlösung unter
Erhaltung des Dispersionszustands des Proteins mit einer Lösung eines zu Nahrungsmittelzwecken
geeigneten Salzes verdünnt wird und anschließend die verdünnte Proteinlösung zur
Erhöhung ihrer Proteinkonzentration unter praktischer Konstanthaltung ihrer Ionenstärke
wieder konzentriert wird. Erforderlichenfalls können die Verdünnung und die erneute
Konzentration so lange wiederholt werden, bis eine maximale Senkung der Phosphorkonzentration
erreicht ist (sofern dies nicht bereits bei der ersten Wäsche erreicht wurde).
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Die Verdünnung der konzentrierten Proteinlösung unter zrhaltung des
Dispersionszustands des Proteins dient in der Regel dazu, in der verdünnten Lösung
praktisch dieselbe Proteinkonzentration zu gewährleisten wie vor der Konzentration,
wobei zweckmäßigerweise dasselbe Volumen Salzlösung verwendet wird wie bei der Konzentration
entfernt wurde.
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Ferner sollte diese Salzlösung dieselbe lonenstärke aufweisen wie
die konzentrierte Lösung. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Verdünnung
praktisch ohne Änderung der lonenstärke erfolgt.
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Die erneute Konzentration der verdünnten Proteinlösung erfolgt in
der Regel um denselben Volumenreduktionsfaktor wie die ursprüngliche Konzentration,
wobei die Ionenstärke im wesentlichen konstant gehalten wird. Erforderlichenfalls
kann man die erneute Konzentration auch mit anderem Volumenreduktionsfaktor durchführen.
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Gewaschen werden kann auch in anderer Weise, nämlich durch kontinuierliches
Einleiten einer Lösung eines zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes in die aus
der Extraktion stammende Proteinlösung, während letztere mittels einer Membrantechnik
zur Entfernung der Salzlösung mit derselben Geschwindigkeit konzentriert wird.
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Bei letzterer Maßnahme bleiben das Volumen der Proteinlösung und ihre
Ionenstärke während der Zugabe der Lösung des zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten
Salzes dieselben, bis die gewünschte Phosphormenge ausgewaschen ist. Danach wird
der Zusatz frischer Lösung eines zu Nahrungsmittelzwecken geeigneten Salzes eingestellt
und die gewaschene Proteinlösung zur Weiterbehandlung bis zu dem gewünschten Grad
konzentriert.
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Durch die Kombination von Waschen und Konzentrieren läßt sich über
den pH-Bereich von 5,0 bis 5,5 die Phosphorkonzentration des Isolats merklich senken,
so daß man sich auch dieses pH-Bereichs in der Praxis zur Proteinextraktion bedienen
kann.
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Das gesamte Proteinisolierungsverfahren senkt den Phosphorgehalt des
ursprünglichen Proteinlieferanten, was im Falle einer isoelektrischen Proteinfällung,
bei der eine Erhöhung des Phosphorgehalts stattfinden kann, nicht der Fall ist.
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Die Phosphorkonzentration sinkt um etwa 20 bis 30 Gew.-% der Phosphorkonzentration
des Proteinlieferanten im pH-Bereich von 5,0 bis 5,5 ohne das Waschen, sie kann
bei pH-Bereichen oberhalb 5,5 sogar um etwa 40 bis 50% sinken.
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Durch das zumindest einmalige Waschen erreicht man eine ähnliche Phosphorgehaltsenkung,
in der Regel auf einen Wert unter etwa 0,8 Gew.-%, vorzugsweise unter 0,5 Gew.-%.
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Die beim Konzentrieren oder bei der Kombination aus Konzentrieren
und Waschen angefallene konzentrierte Proteinlösung besitzt je nach der ursprünglichen
Proteinkonzentration und dem gewählten Volumenreduktionsfaktor eine Proteinkonzentration
von etwa 4Q bis etwa 200 g/l. Sie wird auf eine Ionenstärke von weniger als etwa
0,2 verdünnt, indem sie in der Regel in so viel Wasser eingegossen wird, wie zur
Senkung auf die gewünschte Ionenstärke erforderlich ist.
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Das Wasser, in das die konzentrierte Proteinlösung gegossen wird,
besitzt in der Regel eine Temperatur von weniger als 250C, vorzugsweise eine Temperatur
von etwa 5° bis etwa 150C. Höhere Ausbeuten an Proteinisolat erreicht man nämlich
nur bei niedrigeren Temperaturen.
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Die Senkung der Ionenstärke bedingt die Bildung einer wolkigen oder
trüben Masse diskreter Proteintröpfchen in Mizellenform. Die Proteinmizellen werden
sich absetzen gelassen, wobei sie eine zusammenhängende, dichte, amorphe, klebrige,
leimartige Proteinisolatmasse bilden. Das Absetzen kann beispielsweise durch Zentrifugieren
eingeleitet werden. Ein solches eingeleitetes Absetzen senkt den Flüssigkeitsgehalt
der Proteinisolatmasse, wobei deren Feuchtigkeitsgehalt in der Regel von einem ursprünglichen
Wert von etwa 70 bis etwa 95 Gew.-% auf einen Wert von in der Regel etwa 50 bis
etwa 80 Gew.-% sinkt. Durch eine derartige Senkung des Feuchtigkeitsgehalts der
Isolatmasse sinkt auch der Gehalt an in dem Isolat eingeschlossenen Salz und folglich
der Salzgehalt des getrockneten Isolats.
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Wie bereits erwähnt, beeinflußt die Salzkonzentration des Isolats
dessen Verwertbarkeit auf bestimmten Anwendungsgebieten, insbesondere seine Verwendbarkeit
als Bindemittel für Nahrungsmittel. Durch ein Zentrifugieren in Kombination mit
einer Konzentration der Proteinlösung verringer-t die Salzkonzentration des Isolats
weitestgehend und maximiert folglich die Bindekapazität des Isolats.
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Die Ionenstärke, auf die die konzentrierte Proteinlösung verdünnt
wird, muß unter etwa 0,2 liegen. Durch die Ionenstärke werden die Wirksamkeit der
Mizellenbildung und die erreichbare Isolatausbeute beeinflußt. Aus diesemGrund wird
die Ionenstärke in der Regel auf einen Wert unter etwa 0,15, vorzugsweise unter
etwa 0,1, erniedrigt.
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Die Möglichkeit, erfindungsgemäß im Ionenstärkebereich von etwa 0,1
bis etwa 0,2 gute Proteinisolatausbeuten erreichen zu können, steht in deutlichem
Kontrast zu dem bekannten Verfahren, bei welchem die Ionenstärke unter 0,1 gesenkt
werden muß, um akzeptable Ausbeuten zu erhalten.
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Die Verdünnung erfolgt vorzugsweise auf eine Ionenstärke im Bereich
von etwa 0,06 bis etwa 0,12, da in diesem Bereich optimale Ausbeuten erreichbar
sind und bei einer Senkung der Ionenstärke unter etwa 0,06 übermäßig große Wassermengen
zugesetzt werden müßten. Die Untergrenze für die Ionenstärke der verdünnten Proteinlösung
wird mehr aus praktischen wirtschaftlichen Erwägungen bezüglich des Flüssigkeitsvolumens
diktiert als durch Verfahrensmaßnahmen.
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Das in Form einer amorphen, klebrigen, gelatinösen, leimartigen Proteinmasse
vorliegende abgesetzte Isolat, das auch als " "Proteinmizellenmasse" bezeichnet
werden kann,
wird von der wäßrigen Phase abgetrennt. Die Proteinmizellenmasse
kann in feuchter Form zum Einsatz gelangen oder in üblicher bekannter Weise, z.B.
durch Sprühtrocknen, Gefriertrocknen oder Vakuumtrommeltrocknen, getrocknet werden.
Die trockene Proteinmizellenmasse besitzt einen hohen Proteingehalt, in der Regel
über etwa 95% Protein (ermittelt als Kjeldahl N x 6,25). Sie ist praktisch nicht
denaturiert (ermittelt mit Hilfe eines Differential-Abtastkalorimeters).
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Das erfindungsgemäße Verfahren ähnelt dem bekannten milden Verfahren
darin, daß ein nicht-denaturiertes Proteinisolat hoher Funktionalität erhalten wird.
Verbessert wird erfindungsgemäß jedoch die Proteinausbeute. Weiterhin läßt sich
erfindungsgemäß der Phosphorgehalt so weit steuern, daß die Verfahrensdurchführung
auch in einem größeren pH-Bereich möglich wird. Durch Wahl geeigneter Bedingungen
im Rahmen der vorherigen Erörterungen kann für jeden beliebigen Proteinlieferanten
die Proteinisolatausbeute optimiert werden.
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Die Proteinmizellenmasse kann auf üblichen Anwendungsgebieten für
Proteinisolate zum Einsatz gelangen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine
Proteinerhöhung in behandelten Nahrungsmitteln, um das Emulgieren von Ölen, um Massebildner
bei Backwaren und um Schäummittel für Produkte, in denen Gase eingeschlossen sind.
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Die Proteinmizellenmasse besitzt darüber hinaus auch noch eine Funktionalität,
die das Ausgangsprotein und dessen isoelektrische Niederschläge nicht aufweisen.
Die Proteinmizellenmasse kann nämlich zu in Fleischanalogen verwendbare Proteinfasern
ausgeformt werden. Ferner kann sie als Eiweißersatz oder Streckmittel bei Nahrungsmitteln,
die
Eiweiß als Bindemittel enthalten, oder als Weizenglutenersatz
oder Streckmittel in auf Weizen basierenden Produkten verwendet werden.
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
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Beispiel 1 Dieses Beispiel veranschaulicht das Verfahren gemäß der
Erfindung und den Einfluß von Änderungen im Volumenreduktionsfaktor auf die Salzkonzentration.
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Ein Proteinkonzentrat mit etwa 50 Gew.-% Protein aus Ackerbohnen wird
bei einer Temperatur von etwa 25 0C mit 10% (w/v) einer 0,4-molaren Natriumchloridlösung
gemischt, worauf das Gemisch bei einem pH-Wert von etwa 6,0 etwa 25 min lang gerührt
wird. Danach wird der wäßrige Proteinextrakt von dem festen Material abgetrennt.
Der Extrakt besitzt eine Proteinkonzentration von etwa 40 mg/ml.
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Danach wird der Extrakt etwa 40 min lang bei einer Temperatur von
etwa 450C mit Hilfe einer handelsüblichen Ultrafiltrationseinheit mit zwei Filtrationspatronen
konzentriert. Die Ultrafiltrationspatronen besitzen einen Molekulargewichtsschnitt
bzw. eine Molekulargewichtsselektivität von 50000. Es werden Konzentrate verschiedener
Volumenreduktionsfaktoren (d.h. verschiedener Verhältnisse an Anfangsvolumen zu
Volumen der konzentrierten Lösung) im Bereich von 3,0 bis 5,0 hergestellt. Diese
Konzentrate besitzen pH-Werte von etwa 6,0 bis 6,3.
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Die einzelnen Konzentrate werden durch Eingießen in kaltes Wasser
einer Temperatur von etwa 80C im Volumenverhältnis 1 : 5, d.h. ein Teil Konzentrat
auf 5 Teile Wasser, bis zu einer Ionenstärke von etwa 0,07 verdünnt. Sofort beim
Verdünnen entsteht in dem System ein weißes wolkiges Proteinisolat in Form von Proteinmizellen.
Die Proteinmizellen werden sich am Gefäßboden als hochviskoser, amorpher, gelatinöser
Niederschlag absetzen gelassen.
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Die von der überstehenden Flüssigkeit abgetrennte feuchte Proteinmizellenmasse
wird sprühgetrocknet, wobei ein trockenes Pulver erhalten wird. Dieses wird auf
seinen Salz-, Feuchtigkeits- und Proteingehalt hin untersucht.
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Über den untersuchten Volumenreduktionsfaktorbereich werden Gesamtproteinausbeuten
von etwa 35 bis 40%, bezogen auf das ursprüngliche Protein, erreicht. Im Vergleich
dazu beträgt die Proteinausbeute bei einem sonst gleichen Verfahren, bei dem jedoch
nicht konzentriert wird, etwa 20%.
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Die folgende Tabelle I enthält Angaben über die Protein-und Salzanalysenwerte
der trockenen Proteinmizellenmasse im Vergleich zu einer trockenen Proteinmizellenmasse,
die im Rahmen eines ähnlichen Verfahrens ohne Konzentrationsstufe erhalten wurde0
Tabelle
I Volumenreduk- Proteinge- Salzkonzentration tionsfaktor wicht in °Z0 der trockenen
Proteinmizellenmasse, Gew. -1,0 83,2 5,36 3,19 88,2 5,68 3,49 94,2 1,87 3,76 95,2
2,36 4,06 90,0 3,61 4,08 91,0 3,11 4,42 91,5 2,21 4,76 95,5 1,52 4,80 93,9 2,57
5,04 97,1 1,71 Die Ergebnisse der Tabelle I zeigen, daß die Reinheit der Proteinmizellenmasse
(ausgedrückt als "Proteingehalt") steigt und der Natriumchloridgehalt sinkt, wenn
mit einem Volumenreduktionsfaktor von etwa 3,5 bis 5 gearbeitet wird.
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Beispiel 2 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß des Zentrifugierens
auf die Salzkonzentration im Proteinisolat.
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Nach der Bildung der weißen wolkigen Proteinmizellen beim Verdünnen
der konzentrierten Proteinlösung gemäß Beispiel 1 und Konzentrieren um einen Volumenreduktionsfaktor
von 5 wird das verdünnte System 10 min lang mit 5000 x g zentrifugiert, wobei am
Gefäßboden ein hochviskoser, amorpher, gelatinöser Niederschlag erhalten wird. Nach
der Trennung der überstehenden Flüssigkeit von der feuchten Protein-.
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mizellenmasse wird letztere sprühgetrocknet und auf ihre Salz- und
Proteinkonzentration hin untersucht.
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Die folgende Tabelle II enthält Angaben über die Analysenwerte der
trockenen Proteinmizellenmasse-Proben im Vergleich zu der trockenen Proteinmizellenmasse,
die nach einem ähnlichen Verfahren ohne Zentrifugieren erhalten wurde.
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Tabelle II Proteingewicht in % Salzgehalt der trockenen Promit Zentri-
ohne Zentri- teinmizellenmasse in Gew.-% fugieren fugieren mit Zentri- ohne Zentrifugieren
fugieren 99 96,7 0,12 1,73 Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen, daß durch das Zentrifugieren
eine merkliche Senkung der Salzkonzentration möglich wird.
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Beispiel 3 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß des ExtraktionspH-Werts
auf die gesamte Verfahrensausbeute.
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Entsprechend Beispiel 1 werden eine Reihe von Versuchen durchgeführt,
wobei in jedem Falle die Ausbeute an Proteinisolat ermittelt wird.
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Bei einer Gruppe von Versuchen werden Fababohnenkonzentrate bei wechselnden
pH-Werten von 4,6 bis 7,0 45 min lang bei einer Temperatur von 35 0C mittels einer
0,35m-Natriumchloridlösung extrahiert0
Nach dem Ultrafiltrieren
der Proteinlösungen zur Erreichung eines Volumenreduktionsfaktors von 3,5 werden
die konzentrierten Proteinlösungen im Verhältnis 1 : 2,5 auf eine Ionenstärke von
0,1 verdünnt, wobei wolkige Proteinteilchen entstehen. Die Form des Proteinisolats
in der Trübe bzw. Wolke wird mittels eines Mikroskops betrachtet. Nach der Abscheidung
des Proteinisolats durch Zentrifugieren wird die überstehende Flüssigkeit abgetrennt
und das Isolat zu einem Pulver sprühgetrocknet.
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Bei einer weiteren Gruppe von Versuchen werden die geschilderten Maßnahmen,
jedoch ohne die Ultrafiltration, wiederholt.
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Die folgende Tabelle III enthält Angaben über die erzielten Ergebnisse:
Tabelle III pH- gesamte Verfahrensausbeute () Form des Isolats (ledig-Wert mit Ultrafil-
ohne Ultrafil- lich der bei der Ultratration tration filtration erhaltenen Isolate)
4,6 22,0 19,7 weniger als 10% Mizellen, hauptsächlich teilchenförmig 4,8 29,5 23,6
etwa 10 bis 20% Mizellen, hauptsächlich teilchenförmig 5,0 39,4 31,5 etwa 40 bis
50% kleiner Mizellen 5,2 62,0 47,2 mehr als 80% kleinerMizellen 5,4 57,8 49,7 5,6
67,0 53,2 mehr als 80% großer und kleiner Mizellen 5,8 63,0 51,4
Fortsetzung
Tabelle III 6,0 59,4 49,7 mehr als 80% kleiner Mizellen 6,2 54,3 47,7 " 6,4 54,2
42,1 1' 6,6 48,9 38,2 etwa 40 bis 50% kleiner und großer Mizellen 6,8 42,7 30,7
I1 7,0 27,9 17,3 weniger als 10% Mizellen Die Ergebnisse der Tabelle III zeigen,
daß man über einen großen pH-Wertbereich bei Durchführung einer Ultrafiltration
bessere Ausbeuten erhält, daß jedoch eine Proteinmizellenmasse nur in einem begrenzten
pH-Bereich erhalten wird.
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Beispiel 4 Die Maßnahmen des Beispiels 3 werden mit Ackerbohnen anstelle
von Fababohnen wiederholt. Die Ausbeuten werden kursorisch lediglich über einen
pH-Bereich von 4,5 bis 7,0 bestimmt. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden
Tabelle IV:
Tabelle IV pH- gesamte Verfahrens- Form des Isolats
Wert ausbeute (%) mit Ultra- ohne Ultrafiltration filtration 5,0 34,2 24,9 etwa
40 bis 50% kleiner Mizellen 5,7 66,5 46,3 mehr als 80No kleiner Mizellen 6,0 69,7
43,2 1l 6,6 45,5 32,6 mehr als 80% kleiner und mittlerer Mizellen 6,8 38,6 22,3
7,0 29,3 11w4 keine Mizellen Die Ergebnisse der Tabelle IV entsprechen den Ergebnissen
der Tabelle III im Hinblick auf die Ausbeuteverbesserung und die Form des Proteinisolats.
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Beispiel 5 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß der Konzentration
und den gemeinsamen Einfluß von Konzentration und Waschen auf die Phosphorkonzentration
des Isolats.
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Die Maßnahmen des Beispiels 3 werden wiederholt, wobei jedoch die
Extraktion bei verschiedenen pH-Werten durchgeführt wird.
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Bei einer Gruppe von Versuchen wird die konzentrierte Proteinlösung
mit 0,35m-Natriumchloridlösung verdünnt und erneut ultrafiltriert, um die verdünnte
Lösung um einen Volumenreduktionsfaktor von 3,5 zu konzentrieren. Bei der zweiten
Gruppe von Versuchen wurden diese Maßnahmen nicht
durchgeführt.
In jedem Falle wird der Phosphorgehalt des trockenen Isolats ermittelt und mit dem
Phosphorgehalt des Ausgangsproteinkonzentrats (0,82 Phosphor) verglichen.
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Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle V: Tabelle V Prozentuale
Änderung des Phosphorgehalts, bezogen auf das Ausgangsmaterial und Absolutwert pH-Wert
ohne Ultrafil- mit Ultra- mit Ultrafiltration tration filtration und Waschen % P
Anderung % P Änderung % P Änderung 4,8 0,72 -12,2 0,70 -14,6 0,46 -43,9 5,0 0,55
-32,9 0,57 -30,4 0,42 -47,6 5,2 0,55 -32,9 0,45 -45,1 0,39 -52,4 5,4 0,41 -50,0
0,45 -45,1 09 -51,2 Die Ergebnisse der Tabelle V zeigen, daß die Ultrafiltration
alleine die Phosphorkonzentration wenig beeinflußt, daß jedoch ein Waschen zusammen
mit einer Ultrafiltration bis zu pH-Werten von 5,4 eine merklich stärkere Senkung
des Phosphorgehalts bewirkt.
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Beispiel 6 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß des Volumenreduktionsfaktors
auf die Ausbeute.
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Die Maßnahmen des Beispiels 3 werden mit Ackerbohnen unter Einhaltung
verschiedener Volumenreduktionsfaktoren bei pH-Werten von 5,0 und 5,7 wiederholt.
In jedem Falle wird die Ausbeute beim Verdünnen ermittelt. Die folgende Tabelle
VI enthält Angaben über die ermittelten Ergebnisse:
Tabelle VI
pH-Wert 5,0 5,7 Volumenreduktions- prozentuale prozentuale Ausbeute faktor Ausbeute
bei der bei der Verdünnung Verdünnung 1,0 45,6 46,1 2,0 51,5 63,1 2,5 48,7 61,9
3,0 46,6 73,4 3,5 62,6 66,2 4,0 64,0 76,6 5,0 64,0 55,4(1) 6,0 66,0 71,7 Fußnote:
(1) Dieses Ergebnis ist anormal.
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Die Ergebnisse der Tabelle VI zeigen, daß eine Erhöhung des Volumenreduktionsfaktors
zu einer Ausbeuteerhöhung bei der Verdünnung bis zu einem Maximalwert, über den
hinaus eine weitere Erhöhung des Volumenreduktionsfaktors keine Ausbeuteverbesserung
mehr bringt, führt.
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Beispiel 7 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß verschiedener
Verdünnungsgrade auf die Ausbeute bei der Verdünnung.
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Die Maßnahmen des Beispiels 3 werden mit beiden Versuchsgruppen wiederholt,
wobei jedoch anstelle wechselnder pH-Werte ein pH-Wert von 6,0 gewählt wird. Die
Proteinlösung wird auf verschiedene Endionenstärkewerte verdünnt. In jedem Falle
wird die Proteinisolatausbeute beim Verdünnen ermittelt. Die Ergebnisse finden sich
in der folgenden Tabelle VII:
Tabelle VII Ionenstärke der verdünnten
prozentuale Ausbeute bei der Lösung Verdünnung ohne Ultrafil- mit Ultrafiltration
tration 0,2 39,8 10,4 0,18 38,4 17,8 0,15 43,4 28,4 0,12 52,9 34,3 0,10 57,9 35,9
0,08 59,4 39,6 0,06 60,9 44,6 Aus Tabelle VII geht hervor, daß bei Durchführung
einer Ultrafiltration die Ausbeute beim Verdünnen bereits bei einer Ionenstärke
von 0,2 sehr hoch ist, d.h. in der Größenordnung von 40N liegt. Sie steigt mit steigendem
Verdünnungsgrad. Ohne Ultrafiltration ist die Ausbeute bei der Verdünnung bei Ionenstärkewerten
von 0,1 und darüber gering.
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Beispiel 8 Dieses Beispiel veranschaulicht den Einfluß der Ionenstärke
der Salzlösung auf die Verfahrensausbeute.
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Die Maßnahmen des Beispiels 3 werden bei einem pH-Wert von 6,0 mit
verschiedenen Ionenstärkewerten der zur Proteinextraktion verwendeten Salzlösung
wiederholt. Zur Vereinfachung der Maßnahmen erfolgt keine Ultrafiltration. In jedem
Falle werden die Ausbeuten ermittelt. Die ermittelten Ergebnisse sind in Tabelle
VIII zusammengestellt:
Tabelle VIII Ionenstärke der Ausbeute des
Verfahrens in % NaCl-Lösung R 0,2 30,0 0,3 39,8 0,4 42,3 0,5 40,8 0,6 40,2 0,7 44,9
0,8 45,3 0,9 44,4 1,0 35,5 1,3 39,9 1,5 40,4 2,0 38,9 2,5 30,3 3,0 24,8 4,0 39,7
5,0 37,7 Die Ergebnisse der Tabelle VIII zeigen, daß mit zunehmender Ionenstärke
der Extraktionslösung auch die in Lösung gegangene Proteinmenge zunächst steigt.
Im Bereich von 0,3 bis 0,4 erreicht die Menge des in Lösung gebrachten Proteins
ein Maximum, das über den getesteten Bereich dann praktisch konstant bleibt.