DE3145185A1 - Verfahren zur herstellung eines sirups mit einer hohen fruktosekonzentration - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Leinweber n»» m Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-lng. A. Gf. v. Wengersky

K©3QntaI 7 · D-8BS8 Mönchen 2 2. Aufgang (Kustermann-Passage) Telefon (089) 2603989 Telex528191lepatd Telegr.-Adr. Leinpat München

den 13. November 1981

Unser Zeichen kr C

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" DDS-KrjzSyer A/S, DK-2100, Copenhagen 0 Dänemark

Verfahren zur Herstellung eines Sirups mit einer hohen Fruktosekonzentration

Die Erfindung bezieht auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sirups mit einer hohen Fruktosekonzentration durch Isomerisation eines eine hohe Glukosekonzentration aufweisenden Glukosesirups.

Es ist bekannt, daß Fruktosesirup aus einem eine hohe Glukosekonzentration, beispielsweise 95 %, und einen Feststoffgehalt von ungefähr 45 % aufweisenden Glukosesirup erhalten werden kann, indem raffinierter Glukosesirup durch eine immobilisierte Isomeraseemzyme enthaltende Kolonne hindurchgeführt wird.

Während des Durchgangs durch eine derartige Kolonne wird ein Teil der Glukose in Fruktose umgewandelt, und es wird ein fruktosehaltiger Sirup erhalten. Ein derartiger Sirup kann die folgende auf Trockensubstanz bezogene Zusammensetzung aufweisen:

-t*

42 Ggw.-ϊ Fruktose, 53 Gew.-% Glukose, 5 Gew.-% höhere Saccharide, bei einem Trockensubstanzgehalt von ungefähr 40 %.

Dies entspricht einem Umwandlungsverhältnis von ungefähr 44 %. Das Umwandlungsverhältnis definiert das Ausmaß, in dem Glukose in Fruktose umgewandelt worden ist.

Der solchermaßen' gebildete Fruktosesirup wird ■ gewöhnlich durch Ionenaustausch und/oder eine Behandlung mit Aktivkohle raffiniert, und der raffinierte Sirup wird eingedampft, um einen Trockensubstanzgehalt von ungefähr 71 % zu erhalten. Der solchermaßen er-

'^!) haltene Sirup ist im Handel unter den Namen Fruktosesirup, Isosirup oder HFCS (High Fructose Corn Syrup d.h. Hochfruktosekornsirup ) erhaltlieh.

Theoretisch ist es möglich, einen Sirup mit

•^£SU einer auf Trockensubstanz bezogenen Fruktosekonzentration von bis zu 45 % aus einem Glukosesirup der oben erwähnten Art zuzubereiten, da jedoch die Isomerisation einen reversiblen Prozeß darstellt, sind zur Zubereitung eines derartigen Fruktosesirups derart großen Mengen··, an Isomeraseenzymen erforderlich, daß die Herstellung eines derartigen Sirups kommerziell uninteressant ist.

Fruktosesirup findet zahlreiche Anwendungen,

die im unmittelbaren Wettbewerb mit Zucker (Saccharose) oder aus Saccharose zubereitetem Invertsirup stehen. Invertsirup besteht aus 50 % Fruktose und 50 % Glukose. Da die Süßwirkung von Fruktose

höher ist als die der Glukose, besitzt der oben erwähnte 35

42 % Fruktose enthaltende Fruktosesirup eine Süßwirkung, die geringfügig schwächer ist als die von Zucker oder von aus Zucker zubereitetem Invertsirup.

Es sind daher Verfahren entwickelt worden, aus beispielsweise 42 % Fruktose,bezogen auf die Trockensubstanz enthaltendem Fruktosesirup einen über 50 %
Fruktose enthaltenden Fruktosesirup zuzubereiten. Die Süßwirkung des letztgenannten Erzeugnisses ist gleich derjenigen oder höher als die des Zuckers oder aus
Zucker hergestellten Invertsirups.

Im Prinzip beruhen diese bekannten Verfahren
auf der Fraktionierung eines Fruktosesirups, entweder durch Chromatographie oder mittels Kationenaustauschern oder einem speziellen Absorptionsmaterial.

Durch beide Arten von Verfahren werden im Prinzip drei Fraktionen erzeugt, nämlich eine eine hohe

Konzentration höhererSaccharide aufweisende Fraktion, eine eine hohe Glukosekonzentration aufweisende Fraktion und eine eine hohe Fruktosekonzentration aufweisende Fraktion. Bei beiden Verfahrensarten wird das erwünschte Erzeugnis, beispielsweise ein eine Fruktosekonzentration von ungefähr 55 % oder höher aufweisender Fruktosesirup erhalten. Jedoch ist es bei beiden Verfahrensarten erforderlich, daß große Mengen an Wasser zugesetzt werden, und demzufolge ist der Energieverbrauch zum Verdampfen des Wassers in Verbindung mit

der Erzeugung des Sirupendproduktes übermäßig groß.

So müssen bei der Erzeugung von 100 kg eines
eine Fruktosekonzentration von 4 2 % aufweisenden Fruk-

tosesirups 75 kg Wasser verdampft werden. Wenn durch
35

-K-

die oben erwähnten Verfahren ein eine Fruktosekonzentration von 55 % aufweisender Fruktosesirup zubereitet werden soll, müssen zur Zubereitung von 100 kg Sirup 240 kg Wasser entfernt werden. 5

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines wirtschaftlicheren und weniger Qiergieaufwendigen Verfahrens der oben genannten Art zur Herstellung eines Sirups mit einer auf die Trockensubstanz bezogenen Fruktosekonzentration von 45 % oder höher.

Dieses Ziel wird durch das erfindungsgemäße · Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Glukosesirup ein gelöste Fruktose und Glukose sowie Glukosekristalle enthaltende^ Kristallisationsprodukt zur Bildung einer homogenen Lösung beigemischt wird, diese Lösung mittels Isomeraseenzymen isomerisiert wird, das isomerisierte Erzeug-

^O nis eingedampft und dieses Erzeugnis mit einem Glukosekristalle oder -keime enthaltenden Keimmaterial beimpft wird, die. beimpfte Mischung zur Kristallisation der Glukose gekühlt wird, und das derart gebildete Erzeugnis in ein Kristallisationserzeugnis, von dem wenigstens ein Teil rückgeführt und dem Glukosesirup beigemischt wird, und einen Sirup mit einer hohen Fruktosekonzentration aufgetrennt wird.

Die Erfindung, beruht auf der Erkenntnis, daß

die Fruktosekonzentration eines isomerisierten

Glukosesirups durch Kristallisieren der Glukose bedeutend erhöht werden kann und daß es durch Rückführen der abgetrennten Kristalle und Beimischen dieser Kristalle zum Glukosesirup möglich ist, den Trocken-35

substanzgehalt sowie die Glukosekonzentration des

zu isomerisierenden Sirups zu erhöhen* Folglich kann eine zufriedenstellende Fruktoseausbeute erreicht werden, ohne den Verbrauch an Isomerase-

enzymen zu erhöhen.
5

Tatsächlich kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Sirup mit einer Fruktosekonzentratioh von bis zu 70 % zubereitet werden.

Unter dem Ausdruck "eine Hohe Glukosekonzentration aufweisender Glukosesirup" sind solche Glukosesirups zu verstehen, die wenigstens 93 % und vorzugsweise zwischen 95 und 98 % an Glukose und Fruktose

enthalten,
'

Der verwendete Glukosesirup ist vorzugsweise ein raffinierter Glukosesirup= Die Raffination des Glukosesirups wird vorzugsweise durch eine Filtration gefolgt von einer lonenaustauschbehandlung

und wahlweise einer Behandlung mit Aktivkohle bewirkt.

Wie oben erwähnt ist, wird der Glukosesirup

mit einem während eines nachfolgenden Schrittes 25

gebildeten Kristallisationsprodukt gemischt und die solchermaßen erhaltene Mischung wird einer Isomerisation mittels Isomeraseenzymen, vorzugsweise immobilisierten Isomeraseenzymen, unterwor-

fen, beispielsweise Enzymen von der Art, wie sie 30

im Handel unter den Handelsnamen "SWEETZYME", · "TAKA-SWEET" und "MAXAZYME Gl-Immob" erhältlich sind.

'V

Die Isomerisation mittels der immobilisierten Enzyme wird auf die übliche Weise durch ein Durchleiten der Mischung durch, eine die immobilisierten Enzyme enthaltende Kolonne bewirkt.

Nach dem Durchgang durch die Kolonne weist

das isomerisierte Erzeugnis typisch die folgende Zusammensetzung, bezogen auf die Trockensubstanz, auf: 42 % Fruktose, 54 % Glukose und 4 % höhere Saccharide, was einem Umwandlungsverhältnis von 43,8 % entspricht, im Vergleich mit einem Umwandlungsverhältnis von 44,2 %, das erhalten'^verden muß, um einen dieselbe Fruktosekonzentration aufweisenden Sirup aus einem 95 % Glukose enthaltenden Ausgangsmaterial zu erzeugen.

Vorzugsweise wird das isomerisierte Erzeugnis sodann durch Ionenaustauschbehandlung und wahlweise durch eine Behandlung mit Aktivkohle raffiniert. Der raffinierte Sirup wird anschließend eingedampft, um einen Trockensubstan^gehalt von 75 bis 80 % zu erhalten..

Das eingedampfte Erzeugnis wird sodann mit einem Glukosekristalle oder -keime enthaltenden Keimmaterial und vorzugsweise mit einem rückgeführten Kristallisationsprodukt beimpft. Das beimpfte Erzeugnis wird sodann gekühlt, beispielsweise auf eine Temperatur von 35⁰C und dann weitergekühlt, beispiels-

qn *

weise auf eine Temperatur von 15^eC. -

Während der normalerweise 60 bis 100 Stunden dauernden Kristallisation wird die Mischung aus Sirup und Kristallen bewegt. Die Kristallisation sollte überwacht werden, beispielsweise durch eine Probennahme,

Abtrennung der Kristalle durch Filtration und Bestimmung der Fruktosekonzentration der Mutterflüssigkeito

Wenn die Fruktosekonzentration einen gewünschten Wert erreicht hat, beispielsweise 55 % Glukose, bezogen auf die Trockensubstanz, werden die Kristalle beispielsweise durch Filtration auf einer Filterpresse oder durch Zentrifugieren abgetrennt, um den erwünschten fruktosehaltigen Sirup zu bilden. Der derart erhaltene Sirup weist typisch einen Trockensubstanzgehalt von 70 bis 75 % und die folgende auf die Trockensubstanz bezogene Zusammensetzung auf: 55 % Fruktose, 38 % Glukose und 7 % höhere Saccharide. Dies gilt jedoch nur für solche Fälle,in denen keine Rückführung der abgetrennten Kristallmasse stattfindet= Durch die Rückführung der Kristallmasse zu dem Schritt des Mischens vor der Isomerisation wird schließlich ein die folgende Zusammensetzung,

bezogen auf die Trockensubstanz aufweisender fruktosehaltiger Sirup erhalten; 55 % Fruktose, 40 % Glukose und 5 % höhere Saccharide -

Wie oben erwähnt ist, kann ein Teil der abgetrennten Kristalle, beispielsweise ungefähr 10%, als Keimmaterial für die Beimpfung des oben erwähnten eingedampften isomerisierten Erzeugnisses verwendet werden.

Die Kristallisationsgeschwindigkeit von Sirups mit einer Fruktosekonzentration von bis zu 50 bis 55% (bezogen auf die Trockensubstanz) in der flüssigen Phase ist eine lineare Funktion der

__ Zeit. Jedoch ist infolge der Anwesenheit der Kr i-3b

stalle die scheinbare Viskosität der Kristallmasse

-8r

erhöht, und dies hat eine herabgesetzte Kristallisationsgeschwindigkeit zur Folge.

Durch die Abtrennung eines Teils der gebildeten Glukosekristalle und Rückführung der flüssigen fruktosereichen Phase zur Kristallisation ist es möglich, die Kristallisation mit derselben Kri- stallisationsgesctiwindigkeit fortzusetzen und folglich die Kristallisationszeit herabzusetzen und/oder ein Erzeugnis zu erhalten, das eine erhöhte Fruktosekonzentration, beispielsweise 70 %, bezogen auf die Trockensubstanz, aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnähme auf das nachstehende Beispiel, das eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßem Verfahrens darstellt, näher erläutert.

Beispiel

1000 kg eines eine Glukosekonzentration von 95 % und die folgende Zusammensetzung von 0 % Fruktose, 95 % Glukose und 5 % höheren Saccha-

riden aufweisenden raffinierten Glukosesirups 25

werden mit 667 kg einer die folgende Zusammensetzung,

bezogen auf die Trockensubstanz aufweisenden Kristallmasse gemischt: 21 % Fruktose, 77 % Glukose , ·· von denen 14 % gelöst ist und der Rest in Kristallen O₀ vorliegt (Glukosemonohydratkristalle) und 1,8 % höhere Saccharide.

Während des Mischvorgangs werden die Glukosemonohydratkristalle gelöst, um eine Mischung zu bilden, die einen Trockensubstanzgehalt von 40 % und

die folgende Zusammensetzung, bezogen auf die Trockensubstanz aufweist: 8 % Fruktose, 88 % Glukose und 4 % höhere Saccharide.

Die Mischung wird isomerisiert und eingedampft, um ein Erzeugnis herzustellen, das einen Trockensubstanzgehalt von 75 % und die folgende Zusammensetzung, bezogen auf die Trockensubstanz · aufweist? 41,9 % Fruktose, 54,3 % Glukose und 3,8 % höhere Saccharide. Eine 83,4 kg Trockensubstanz enthaltende Kristallmasse, die die folgende Zusammensetzung, bezogen auf die Trockensubstanz aufweist: 21 %. Fruktose, 77,1 % Glukose, wovon 62 % in Form von Kristallen vorliegt, und 1,9 %

höhere Saccharide,wird der 1667,0 kg Trockensubstanz enthaltenden eingedampften Mischung zugesetzt, um eine 1750 kg Trockensubstanz enthaltende und die folgende Zusammensetzung aufweisende Mischung zu bilden; 41,0 % Fruktose, 55,3 % GIu-

kose, wovon 3 % in der Form von Kristallen vorliegt, und 3,7 % höhere Saccharide=

Die Mischung wird dann gekühlt und nach Vollendung der Kristallisation ist die Glukosemenge in der Form von Kristallen auf 26,8 % erhöht. Die verbleibende Glukosemenge liegt weiter im gelösten Zustand vor»

Die Kristalle werden sodann getrennt, um eine 30

Kristallmasse in einer Menge von 750 kg, bezogen auf die Trockensubstanz und eine Mutterflüssigkeit in einer Menge von 1000 kg, bezogen auf die Trockensubstanz zu bilden. Die Mutterflüssigkeit weist die

folgende Zusammensetzung, bezogen auf die Trocken-35

1 masse auf: 56 % Fruktose, 39 % Glukose und 5,0 %

höhere Saccharide.

Die Kristallmasse wird in zwei Teile aufge-5 teilt, von der ein Teil, 83,4 kg, bezogen auf die

Trockensubstanz, als Keimmaterial, wie oben beschrieben, rückgeführt wird und der zweite, 667 kg, bezogen auf die Trockensubstanz, rückgeführt und einem eine Glukosekonzentration von 95 % aufweisenden 10 Sirup beigemischt wird.

Claims (8)

WACKGERElCf-JT ] O O α C » OO Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Sirups mit einer hohen Fruktosekonzentration durch Isomerisation eines eine hohe Glukosekonzentration aufweisenden Glukosesirups, dadurch gekennzeichnet, daß dem Glukosesirup ein gelöste Fruktose und Glukose sowie Glukosekristalle enthaltendes Kristallisationsprodukt zur Bildung einer homogenen Lösung beigemischt wird, diese Lösung mittels Isomeraseenzymen isomesrisiert wird, das isomerisierte Erzeugnis eingedampft und dieses Erzeugnis mit einem Glukosekristalle enthaltenden Keim-

¹^ material beimpft wird, die beimpfte Mischung zur Kristallisation der Glukose gekühlt wird, und das derart gebildete Erzeugnis in ein Kristallisationserzeugnis, von dem wenigstens ein Teil rückgeführt und dem Glukosesirup, beigemischt wird, und einen Sirup mit einer hohen Fruktosekonzentration aufgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kristallisationserzeugnisses rückgeführt und als Keimmaterial verwendet wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glukosesirup mit einer Glukosekonzentration zwischen 9 3 und 98% verwendet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isomerisierte Erzeugnis vor den Schritten des Eindampfens und Beimpfens raffiniert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das isomerisierte Produkt auf einen Trockensubstanzgehalt von 75 bis 80 % eingedampft wird

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beimpfte Mischung auf eine Temperatur zwischen 15 und 30⁰C gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 10 % des KristallisationserZeugnisses als Keimmaterial verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich oder diskontinuierlich

¹^ eine Abtrennung von Kristallen durch Filtration während der Kristallisation und eine Rückführung des Filtrats zur weiteren Kristallisation ausgeführt wird.