DE3878879T2 - Verfahren zur herstellung bearbeiteter milch, die galactooligosaccharide enthaelt. - Google Patents
Verfahren zur herstellung bearbeiteter milch, die galactooligosaccharide enthaelt.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer verarbeiteten Milch enthaltend Galaktooligosaccharid, welches ein Beschleunigungsfaktor für die Bifidobakterium-Proliferation ist.
- Galaktooligosaccharid, dargestellt durch die allgemeine Formel Gal-(Gal)n-Glc (Gal bedeutet ein Galaktoserest, Glc bedeutet ein Glykoserest und n bedeutet eine ganze Zahl von 1 bis 4) (nachfolgend der Einfachheit halber als Galaktooligosaccharid bezeichnet) ist einer der Hauptbestandteile des Muttermilch-Oligosaccharids und ist auch bekannt als ein die Proliferation beschleunigender Faktor von Bifidobakterium, welches eines der brauchbaren Enterobakterien in den menschlichen Eingeweiden ist. In den vergangenen Jahren hat man sich deshalb bemüht, eine Massenproduktion von Galaktooligosaccharid aus Laktose oder Laktose enthaltenden Substanzen vorzunehmen, und das so erhaltene Galaktooligosaccharid Milchprodukten, wie fermentierter Milch und gepulverter Säuglingsmilch zuzugeben.
- Üblicherweise wird Galaktooligosaccharid beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt, bei dem Laktose und eine Laktose enthaltende Substanz durch β-Galaktosidase, produziert durch Aspergillus oryzae verarbeitet wird. Dieses Verfahren wird in der japanischen Patentveröffentlichung 58-20266 und in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung 60-41449 beschrieben. Bei den bekannten Herstellungsverfahren findet die Galaktosyl-Umwandlungsreaktion, die eine Priorität vor der einfachen Hydrolyse hat, nur statt, wenn ein großer Laktosegehalt vorliegt. Tatsächlich findet die Hydrolyse materiell nur statt, wenn man ein Material mit einem Laktosegehalt von 10 % oder weniger, wie bei üblicher unverarbeiteter Milch, Magermilch usw., verarbeitet.
- Deshalb wird bei einem üblichen Verfahren zur Herstellung eines Milchproduktes, enthaltend Galaktooligosaccharid, eine Stufe angewendet, bei der man kondensiert oder Milchpulver zugibt, um den Laktosegehalt in der unbehandelten Milch zu erhöhen und dann ein Enzymverfahren mit der Milch durchführt, um aus der in der Milch vorhandenen Laktose Galaktooligosaccharid zu bilden. Es wurde auch schon ein Verfahren angewendet, bei dem man eine Stufe anwendet, bei welcher Galaktooligosaccharid durch eine Enzymverarbeitung einer Laktoselösung mit hohem Laktosegehalt bewirkt wird, worauf man dann das so gebildete Galaktooligosaccharid der unbehandelten Milch zugibt.
- Diese bekannten Methoden können jedoch keine befriedigenden Ergebnisse liefern, wenn man sie für die Herstellung von verarbeiteter Milch, enthaltend Galaktooligosaccharid, die hauptsächlich als Getränk beabsichtigt ist, anwendet. Da die unbehandelte Milch, wie eine unverarbeitete Milch oder Magermilch, nicht direkt verarbeitet werden kann, muß die unbehandelte Milch einer Kondensation, einer Enzymbehandlung und einer Verdünnung unterworfen werden, um einen Milchfeststoffgehalt, wie er optimal zum Trinken geeignet ist, zu erreichen. Dieses Verfahren ist äußerst kompliziert, und darüber hinaus ist eine thermische Umwandlung des Milchproteins bei diesem Verfahren unvermeidbar.
- Es wurde auch schon ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem man Galaktooligosaccharid, hergestellt aus Laktosequellen, zugibt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostspielig und ist unvermeidbar begleitet durch einen excessiven Anstieg des Gesamtzuckergehaltes in dem Produkt, wodurch unerwünschte Wirkungen, wie eine Erhöhung des Kaloriewertes und einer Erhöhung des Süßheitsgrades, bewirkt werden. Dies liegt daran, daß industriell aus Laktose hergestelltes Galaktooligosaccharid im allgemeinen nicht nur Galaktooligosaccharid sondern auch Di- und Monosaccharide in Mengen enthält, die wenigstens denen von Galaktooligosaccharid gleich sind.
- Es ist infolgedessen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von verarbeiteter Milch, welche Galaktooligosaccharid enthält, zur Verfügung zu stellen, wodurch man die vorerwähnten Probleme des Standes der Technik beseitigt.
- Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Herstellung von verarbeiteter Milch, enthaltend Galaktooligosaccharid, zur Verfügung gestellt, welches umfaßt: Umsetzen von Tiermilch mit β-Galaktosidase, die sich von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus bulgaricus ableitet, um dadurch wenigstens 15 % der in der Tiermilch enthaltenden Laktose in Galaktooligosaccharid umzuwandeln, ausgedrückt durch die nachfolgende Formel:
- Gal-(Gal)nGlc
- worin Gal einen Galaktoserest, Glc einen Glukoserest und n eine ganze Zahl von 1 bis 4 bedeuten.
- Die vorgenannte und weitere Aufgabe, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, wenn man diese im Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung liest, deutlich.
- Die anliegende einzige Figur ist eine grafische Darstellung und zeigt die Beziehung zwischen der Erzeugungsrate von Glukose und der Maximalausbeute an Galaktooligosaccharid, wie man sie zu Beginn der einstündigen β-Galaktosidase-Behandlung feststellt.
- Die β-Galaktosidase, die sich von Streptococcus thermophilus oder Laktobacillus bulgaricus ableitet und bei erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, wurde von den vorliegenden Erfindern im Laufe von intensiven Untersuchungen gefunden, die durchgeführt wurden mit dem Zweck, irgendein Enzym aufzufinden, das in der Lage ist, β-Galaktosyl-Umwandlungsreaktion zu verursachen, und zwar selbst bei einer Laktoselösung niedriger Konzentration. Die β-Galaktosidase erzeugt spezifisch mit einer hohen Ausbeute eine β-Galaktosyl-Umwandlungsreaktion selbst bei Laktoselösungen niedriger Konzentration, wie bei unbehandelter Milch. Insbesondere ergibt die β-Galaktosidase, die sich von Streptococcus thermophilus ableitet, vorteilhafte Wirkungen und wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft angewendet. Wir haben festgestellt, daß jeder verfügbare Stamm von S.thermophilus oder L.bulgaricus erfolgreich verwendet werden kann.
- Tabelle 1 zeigt das Ergebnis eines Versuches. Die Daten in Tabelle 1 zeigen, daß es im allgemeinen unmöglich ist, verarbeitete Milch, enthaltend Galaktooligosaccharid durch eine β-Galaktosidase-Behandlung, die direkt mit der nicht verarbeiteten Milch vorgenommen wird, zu erzeugen. In Tabelle 1 bedeutet "die Ausbeute an Galaktooligosaccharid" die Maximalausbeute, die man erzielt, wenn eine 5 %ige Laktoselösung mit einem Enzym von 4 Einheiten/Laktose g bei 40ºC behandelt wird. Der Ausdruck "Einheit" von β-Galaktosidase, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bedeutet, das Niveau an Enzymaktivität, welches Glukose mit einer Durchschnittsrate von 1 umol/Min. bei einer Temperatur von 40ºC und bei einer Reaktionszeit von 1 Stunde aus einer 2 %(w/w) Laktoselösung, die mit 0,01M eines flüssigen Phosphorsäurepuffers auf einen pH-Wert von 7,0 eingestellt wurde, bilden kann. Tabelle 1 β-Galaktosidase erzeugende Bakterien Ausbeute an Galaktooligosaccharid (%) Aspergillus oryzae Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus helveticus Lactobacillus salivarius Lactobacillus fermentum Lactobacillus casei Lactobacillus acidophilus Streptococcus latics Streptococcus thermophilus Bifidobacterium bifidum Bifidobacterium longum Bifidobacterium adolescentis Bifidobacterium breve Bacillus subtilis Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis
- Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung von verarbeiteter Milch, enthaltend Galactooligosaccharide, beschrieben, bei dem man von β-Galaktosidase Gebrauch macht, die sich von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus bulgaricus ableitet. Der Ausdruck "β-Galactosidase" wird nachfolgend verwendet und bedeutet β-Galactosidase, die sich von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus bulgaricus ableitet, wenn nicht anders angegeben.
- Die bei der Umsetzung verwendete β-Galaktosidase kann sich aus der Extraktion von Streptococcus thermophilus oder Laktobacillus bulgaricus nach verschiedenen Methoden ableiten, wie eine Methode, bei der man physikalisch die Zellwände von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus bulgaricus mittels Ultraschallwellen oder durch Druck aufbricht, oder durch eine Selbstverdauungsmethode und ein Verfahren, bei dem man ein die Zellwand auflösendes Enzym, z.B. Lysozym, anwendet.
- Das extrahierte Enzym kann direkt so, wie es ist, verwendet werden, oder nachdem man es mittels einer geeigneten Methode, wie einer Salzausfällung, Ultrafiltration oder Lösungsmittel-Sedimentation, gereinigt hat. Alternativ kann das Enzym in Form eines fixierten Enzyms verwendet werden. Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß das Bakterium mit einem organischen Lösungsmittel, wie Methanol, Ethanol, Propanol, Azeton und Toluol, oder mit einem oberflächenaktiven Mittel, wie Natriumdodecylsulfonat, bearbeitet wird unter Ausbildung eines β-Galaktosidase fixierten Bakteriums, welches dann als Bakterium beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.
- Milch, wie Kuhmilch, Schafsmilch, entrahmte Kuhmilch oder entrahmte Schafsmilch, und Milch, die aus Milchpulver hergestellt wurde, kann ohne weitere Verarbeitung verwendet werden. Die unbehandelte Milch kann jedoch einer Konzentrationseinstellung unterworfen werden, so daß der Milchfeststoffgehalt und damit der Laktosegehalt erhöht wird, weil die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete β-Galaktosidase auch eine größere Tendenz für die Durchführung der β-Galaktosyl-Umwandlungsreaktion aufweist, wenn der Laktosegehalt groß ist, wie dies bei den Enzymen der Fall ist, die man üblicherweise verwendet hat.
- Die Hauptreaktionen, die bei der Enzymbehandlung auftreten, sind Hydrolyseraktionen zu Glukose und Galaktose und eine β-Galaktosyl-Transferreaktion zu Gelaktooligosaccharid und Transfer-Disaccharid. Dabei ist jedoch zu beachten, daß eine Hydrolyse von gebildetem Oligosaccharid selbst dann stattfindet, wenn eine Transferreaktion verursacht wird, so daß die Oligosaccharide in der Reaktionslösung zunehmend mit einer Erhöhung der Reaktionszeit abnehmen mit dem Ergebnis, daß der Anteil an Monosaccharid größer wird. Es muß nicht betont werden, daß es wünschenswert ist, daß die Reaktion unter solchen Bedingungen vorgenommen wird, daß man eine hohe Ausbeute an Galactooligosaccharid erhält, und insbesondere unter solchen Bedingungen, bei denen eine Ausbeute von wenigstens 15 %, bezogen auf Laktose, erzielt wird. Jede Ausbeute unterhalb dieses Wertes kann nicht eine verarbeitete Milch zur Verfügung stellen, die eine signifikante Menge an Galaktooligosaccharid enthält.
- Die Optimalbedingungen zum Erzielen einer hohen Ausbeute an Galaktooligosaccharid variieren in Abhängigkeit von Faktoren, wie der Qualität des Enzyms, der Zusammensetzung, insbesondere des Laktosegehaltes, von der verwendeten Milch usw. Dabei ist verständlich, daß die kritischste Voraussetzung darin besteht, eine schnelle Hydrolyse in den Zeitraum unmittelbar nach Einleiten der Enzymreaktion zu unterdrücken. Insbesondere sollte die Umsetzung derart vorgenommen werden, daß die Erzeugungsrate an Glukose in Bezug auf Laktose nicht mehr als 30 Gew.-% und vorzugsweise nicht größer als 25 Gew.-% und noch bevorzugter nicht größer als 20 Gew.-% innerhalb einer Stunde nach Beginn der Reaktion liegt. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, ist es schwierig, die maximale Galaktooligosaccharid-Ausbeute von 15 % oder mehr zu erzielen, unabhängig von der Gesamtreaktionszeit. Diese Tatsache wird deutlich unter Bezug auf Fig. 1, in welcher die Ergebnisse von Versuchen gezeigt wird, die unter gleichen Bedingungen wie bei dem später erwähnten Beispiel 1 durchgeführt wurden, mit der Ausnahme, daß die Erzeugungsrate von Glukose in dem Zeitraum unmittelbar nach Beginn der Reaktion variiert wurde, indem man die Menge des zugegebenen Enzyms veränderte.
- Deshalb wird die Umsetzung vorzugsweise derart vorgenommen, daß die Erzeugungsrate von Glukose in dem Zeitraum der ersten Stunde seit Beginn der Reaktion die vorerwähnte obere Grenze nicht übersteigt, und daß das Enzym entaktiviert wird, um die Reaktion abzubrechen, wenn die maximale Galaktooligosaccharid-Ausbeute erfolgreich erhalten wurde.
- Wird eine unbehandelte Milch mit einem üblichen Laktosegehalt mit β-Galaktosidase bei einer Optimaltemperatur und einem pH-Wert (40 bis 60ºC und etwa pH 6 bis 8) behandelt, ist es möglich, die Hydrolyse in dem Zeitraum unmittelbar nach Beginn der Reaktion unterhalb des vorerwahnten Grenzniveaus zu halten, und eine verarbeitete Milch, welche etwa 15 bis 20 Gew.-% Galaktooligosaccharid enthält, in etwa 2 bis 24 Stunden zu erhalten, indem man die Enzymkonzentration in einem Bereich zwischen etwa 1 und 100 Einheiten/Laktose g einstellt. Eine Enzymkonzentration unterhalb einer Einheit/Laktose g macht die Reaktionsgeschwindigkeit zu niedrig, obwohl man ein beachtlich großes Maximum an Galaktooligosaccharid erhält. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Laktosegehalt der Milch vor der Behandlung bei 2 bis 10 %, insbesondere zwischen 3 und 8 %.
- Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise für die Herstellung von verarbeiteter Milch, die als Getränk dient, eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in geeigneter Weise für die Herstellung von Galaktooligosaccharid enthaltende Milch eingesetzt werden, welches für die Herstellung von verschiedenen Produkten verwendet wird, wie Milchprodukten, einschließlich Säuglingsmilch, Milchsäure enthaltenden Getränken, fermentierten Milchgetränken, Eiscremes und Kondenzmilch; Milch enthaltenden Nahrungsmitteln wie Brot und Süßwaren, und anderen Produktarten, wie Tiernahrung und Kälbernahrung.
- Beispiele der erfindungsgemäßen Methode werden im Vergleich zu Referenzbeispielen beschrieben.
- 10 l sterilisierte Kuhmilch mit einem Feststoffgehalt an entrahmter Milch von 8,2 % und einem Laktosegehalt von 4,5 % wurden auf 40ºC erwärmt und mit 4500 Einheiten β-Galactosidase, die sich von Streptococcus thermophilus ableitete, 6 Stunden behandelt. Die Erzeugungsrate an Glukose zu Beginn der ersten Stunde der Umsetzung betrug 12,0 Gew.-%, bezogen auf die Menge Laktose in der Ausgangsmilch. Dann wurde die Reaktionslösung erhitzt, um das Enzym zu entaktivieren und damit die Reaktion abzubrechen.
- Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt enthielt 0,94 % Galaktooligosaccharid, 1,54 % Disaccharid einschließlich 0,45 % Laktose und 2,02 % Monosaccharid. Das Produkt schmeckte schwach süß.
- 10 l sterilisierte Kuhmilch mit einem Feststoffgehalt an entrahmter Milch von 8,2 % und einem Laktosegehalt von 4,5 % wurden auf 40ºC erwärmt und mit 4500 Einheiten β-Galaktosidase, die sich von Lactobacillus bulgaricus ableitete, 6 Stunden behandelt. Die Erzeugungsrate an Glukose zu Beginn der ersten Stunde der Umsetzung betrug 11,5 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Laktose in der Ausgangsmilch. Dann wurde die Reaktionslösung erhitzt, um das Enzym zu aktivieren und damit die Reaktion zu beenden.
- Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt enthielt 0,41 % Galaktooligosaccharid, 1,39 % Disaccharid einschließlich 0,41 % Laktose und 2,43 % Monosaccharid. Das Produkt schmeckte schwach süß.
- 10 l sterilisierte Kuhmilch mit einem Feststoffgehalt an entrahmter Milch von 8,4 % und einem Laktosegehalt von 4,5 % wurden auf 40ºC erwärmt und dann mit 4500 Einheiten β-Galaktosidase Lactozyme (hergestellt von Novo), das sich von Kluyveromyces fragilis ableitet, 6 Stunden umgesetzt. Die Erzeugungsrate an Glukose zu Beginn der ersten Stunde der Umsetzung betrug 18,5 Gew.-%, bezogen auf die Menge Laktose in der Ausgangsmilch. Dann wurde die Reaktionslösung erwärmt, um das Enzym zu entaktivieren und damit die Reaktion abzubrechen.
- Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt enthielt 0,45 % Galaktooligosaccharid, 0,90 % Di-Saccharid einschließlich 0,31 % Laktose und 3,15 % Monosaccharid. Das Produkt schmeckte sehr süß.
- 10 l sterilisierte Kuhmilch mit einem Feststoffgehalt an entrahmter Milch von 8,2 % und einem Laktosegehalt von 4,5 % wurden auf 40ºC erwärmt und dann mit 4500 Einheiten β-Galaktosidase Lactase (Y-400 hergestellt von Yakult), das sich von Aspergillus oryzae ableitete, 6 Stunden umgesetzt. Die Erzeugungsrate an Glukose zu Beginn der ersten Stunde der Umsetzung betrug 13,0 Gew.-%, bezogen auf die Menge Laktose in der Ausgangsmilch. Dann wurde die Reaktionslösung erhitzt, um das Enzym zu entaktivieren und damit die Umsetzung abzubrechen.
- Das nach diesem Verfahren erhaltene Produkt enthielt 0,60 % Galaktooligosaccharid, 2,20 % Di-Saccharid einschließlich 1,95 % Laktose und 1,70 % Monosaccharid. Das Produkt enthielt eine große Menge an nicht umgesetzter Laktose.
- Eine entrahmte Milch von 40ºC und mit einem Feststoffgehalt an entrahmter Milch von 10 % und einem Laktosegehalt von 5,2 % wurde mit β-Galaktosidase (30 Einheiten/Laktose g), die sich von Streptococcus thermophilus ableitete, behandelt. Die Umsetzungszeit wurde zwischen 0,5 Stunden und 7 Stunden variiert. Tabelle 2 zeigt die Veränderung der Zusammensetzung der Saccharid-Zusammensetzung in der Reaktionslösung aufgrund der Veränderung der Reaktionszeit.
- Aus dieser Tabelle geht hervor, daß die Erzeugungsrate an Glukose nur 22,5 % nach der ersten Stunde des Beginns der Umsetzung beträgt, und daß Oligosaccharide mit einer hohen Rate erzeugt werden. Tabelle 2 Saccharid-Zusammensetzung (%) Reaktionszeit (h) Tetrasaccharid Trisaccharid Disaccharid Monosaccharid Anmerkung: Prozente in Klammern bei den Disacchariden bedeuten Laktose. Prozente in Klammern bei den Monosacchariden bedeuten Laktose.
- Wie beschrieben ermöglicht die erfindungsgemäße Methode die Herstellung von Galaktooligosaccharid enthaltender verarbeiteter Milch durch eine direkte β-Galaktosidase-Behandlung von Tiermilch. Dieses Verfahren zeigt nicht die bei den üblichen Methoden auftretenden Probleme, wie eine Wärmeumwandlung von Protein aufgrund der Kondensation der Ausgangsmilch und eine Erhöhung des Süßheitsgrades und des Kaloriewertes, der eine Erhöhung des Gesamtzuckergehaltes zuzuschreiben ist. Darüber hinaus kann der Laktosegehalt auf ein Niveau von 20 % oder weniger des Eingangswertes verringert werden, so daß das Trinkprodukt auch von solchen Personen sicher eingenommen werden kann, die unter einer sogenannten Laktose-Intoleranz leiden. Somit macht es die vorliegende Erfindung möglich, eine sicher verarbeitete, Galaktooligosaccharid enthaltende Milch mit hoher Qualität, wie sie für Trinkzwecke geeignet ist, zur Verfügung zu stellen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von verarbeiteter Milch
enthaltend Galaktooligosaccharide, gekennzeichnet dadurch,
daß man Tiermilch mit einer β-Galaktosidase, die sich von
einem Mikroorganismus ableitet, welcher β-Galaktosidase
erzeugt, inkubiert, dadurch gekennzeichnet,
daß die β-Galaktosidase von einem β-Galaktosidase
produzierenden Stamm von Streptococcus thermophillus oder
Lactobacillus bulgaricus ist, daß man das Inkubieren bei
einer Temperatur oberhalb 40ºC durchführt und die
Enzymkonzentration in der Milch zwischen 1 und 100
Einheiten/Laktose g ist, so daß die Rate der Erzeugung
der Glykose in Bezug auf Laktose während der ersten Stunde
nach Beginn der Enzymbehandlung unterhalb 30 Gew.-%
gehalten wird, und wenigstens 15 % der in der Milch
enthaltenden Laktose, ausgedrückt durch die folgende
Formel:
Gal - (Gal)n - Glc
umgewandelt sind, worin Gal einen Galaktoserest, Glc
einen Glukoserest und n eine ganze Zahl von 1 bis 4
bedeuten.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die
Temperatur zwischen 40 und 60ºC liegt.
3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, bei dem der
pH der Mischung während des Inkubierens zwischen 6 und 8
liegt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei
dem die Erzeugungsrate von Glykose im Hinblick auf Laktose
während der ersten Stunde nach Beginn der Enzymbehandlung
unterhalb 20 Gew.-% gehalten wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei
dem der Laktosegehalt in der Tiermilch im Bereich zwischen
2 und 10 % liegt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der
Laktosegehalt in der Tiermilch zwischen 3 und 8 % liegt.
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