DE4125968A1 - Verfahren zur herstellung eines protein- und glucosereichen staerkehydrolysates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines protein- und glucosereichen Stärkehydrolysates aus einer nativen Stärkesuspension, welche agglomeriertes Gluten enthält, mit dem Ziel des Erreichens eines hochglucosereichen Getreide­ proteinhydrolysates zur Benutzung als Zusatzstoff für die ver­ schiedensten Nahrungsmittelzubereitungen und Einsatzstoff für biotechnologische Verfahren.

Stärkehydrolysate werden traditionell durch chemische, chemisch-physikalische bzw. biochemische Methoden hergestellt. Üblicherweise wird die Stärke in einer wäßrigen Suspension in einem ersten Reaktionsschritt verflüssigt. Verflüssigung heißt in diesem Falle der Abbau der thermisch vorbehandelten Stärke zu unterschiedlich großen Bruchstücken. Man unterscheidet neben der sauren Hydrolyse mit starken Mineralsäuren die Hydrolyse mit verflüssigenden und verzuckernden Amylasen, welche aus Bakterien oder Pilzkulturen gewonnen werden.

Die verflüssigenden Amylasen bauen die thermisch verkleisterte Stärke endogen, d. h. vom Inneren des Moleküls aus, wahllos zu Dextrinen ab. Dieser Reaktionsschritt, der in einem erheblichen Maße den weiteren Abbau der polymeren Stärke zu den monomeren Bausteinen des Substrates beeinflußt, wird z. B. durch druck­ mechanische Säurebehandlung der Stärkesuspension (DE 27 54 924) oder mit alpha-Amylasepräparaten bakterieller Herkunft (DE 22 16 854) erreicht. Bei der kontinuierlichen Verflüssigung nach dem KROYER-Prinzip (BE 6 50 378) wird die Suspension durch schmale, ringförmige Spalte zwischen mit Dampf beheizten Röhren gepreßt und durch plötzliche Entspannung der Suspension hydro­ lysiert. Auch ist die Verarbeitung von Getreiden in wäßrigen Lösungen bei 40 bis 60°C unter Einsatz von alpha-Amylasen bzw. Glucoamylasen in einem Zeitintervall von 5 bis 15 Stunden und einer anschließenden Trennung der dabei erhaltenen Inhalts­ stoffe bekannt (DE 28 03 030).

Dieser meist bei Reaktionstemperaturen von <80°C und hohem Druck durchgeführte Reaktionsschritt dient als Vorbereitung für die sich anschließende enzymatische Verzuckerung. In diesem zweiten Reaktionsschritt werden die zum Beispiel von Bak­ terien-alpha-Amylasen bereitgestellten Stärkebruchstücke (Dex­ trine) exogen, d. h. vom Molekülende aus, zu Glucose abgebaut. Technisch gestaltet sich der zweite Reaktionsschritt so, daß die aus dem ersten Reaktionsschritt stammende Dextrinsuspension auf ca. 70°C abgekühlt, auf den gewünschten pH-Wert einge­ stellt und mit einem Glucoamylasepräparat oder einer ver­ zuckernden alpha-Amylase oder einem beta-Amylasepräparat (FR 23 51 174) verzuckert wird. Die Verzuckerung verläuft gewöhnlich bei <70°C, einem pH-Wert von 4,0 bis 7,0 und einer Zeitspanne von bis zu 72 Stunden. In einem Hydrolyseprozeß nach der soge­ nannten "CORN PRODUCTS-Methode" wird ohne Verflüssigungsstufe gearbeitet, d. h. Verflüssigung und Verzuckerung finden gleich­ zeitig statt (NL 64 14 648). Die Stärkesuspension wird zunächst in einem Düsenkocher bei hoher Temperatur (140 bis 180°C) und turbulenter Strömung vorhydrolysiert. Dieses Vorhydrolysat wird nach Abkühlung auf 65°C mit einem Enzymgemisch, welches alpha­ Amylase sowie auch beta-Amylase und/oder Glucoamylase enthält, behandelt.

Auch dieses Verfahren ist in sich ein zweigeteilter Vorgang, bei dem man eindeutig die zwei geschilderten Reaktionsschritte auf dem Weg zur Erlangung der Reaktionsendprodukte Maltose bzw. Glucose unterscheiden kann.

Ein weiterer Weg, um zu entsprechenden Kohlenhydratprodukten zu gelangen, ist der Einsatz spezieller Pilzamylasen. Mit diesen pilzlichen Präparaten ist es möglich, die Stärkeverflüssigung und die Verzuckerung in einem Prozeß zu führen (BE 6 56 171). In den Patentschriften EP 01 71 218, US 46 12 284 und US 46 18 579 wird die Direktverzuckerung von Maisstärken unter Zusatz von pilzlicher Glucoamylase bei Temperaturen zwischen 50-60°C zur Herstellung glucosereicher Sirupe beschrieben. Ein Nachteil dieser Verfahren ist, daß dabei 10 bis 36 Ma-% der eingesetzten Stärke nicht hydrolysiert und somit unlöslich bleiben. Die unlösliche Stärke muß abgetrennt und in einem zweiten Prozeß bei <80°C weiterkonvertiert werden. Aus diesem Grund wird zur Effektivitätssteigerung der Hydrolyse bzw. speziell der Ver­ zuckerung ein Substrat empfohlen, welches durch sauren oder enzymatischen Stärkeaufschluß verflüssigt wurde (Firmenschrift der Firma International Bio-Synthetics; Enzympräparat: Myco­ lase). Bei diesem Verfahren wird bei einem pH-Wert von 5,6 in einer Zeitspanne von 12 bis 30 Stunden bis zu einem DE-Wert von 50 und einem Maltosegehalt von 60% hydrolysiert. Ausgangssub­ strat für diesen Prozeß bildet eine durch bakterielle alpha- Amylase verflüssigte Kornstärkesuspension mit einem DE-Wert von 19 und einem Trockensubstanzgehalt von 33%.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Behandlung von Getreide­ stärken unter Einsatz einer hitzestabilen alpha-Amylase (BAN 240) und einer Glucoamylase durchzuführen. Es wird die Herstel­ lung einer Glucoselösung durch gleichzeitige Konvertierung der Stärke mit alpha- und Glucoamylase beschrieben. Gravierender Nachteil dieser Methode ist die niedrige Ausbeute an Glucose und der relativ hohe Gehalt an nichtumgesetzter Stärke, welcher nach der Konvertierung abgetrennt und in den Hydrolyseprozeß zurückgeführt werden muß. Weiterhin kann die lange Reaktions­ zeit gemessen am Umsatzgrad und dem relativ uneinheitlichen, weitgestreuten Kohlenhydratspektrum nicht befriedigen und wird als extremer Nachteil gewertet. Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung der teuren, hitzestabilen alpha-Amylase bei einer für dieses Enzym sehr niedrigen Reaktionstemperatur von 50 bis 60°C. Das oben genannte Verfahren reiht sich mit den be­ schriebenen Nachteilen in den bekannten Stand der Technik hin­ sichtlich der Verfahrensführung ein. Bei allen Verfahren wird ausdrücklich Wert auf die Reinheit der verwendeten Stärke, insbesondere einen niedrigen Proteingehalt gelegt.

Der Vielfalt der zur Anwendung kommenden Hydrolyseprozesse ist zu entnehmen, daß der Prozeß des Stärkeaufschlusses und der Verzuckerung immer ein unter Einsatz von ausschließlich externen Enzympräparaten energie- und zeitaufwendiger zweige­ teilter Prozeß ist.

Der im Weizen enthaltene Proteinanteil, vor allem das kohäsiv­ elastische Gluten, ist ein schwer zu handhabender Naturstoff. In den beschriebenen bekannten Lösungen der Glutenmodifizierung bzw. Glutenverflüssigung ist das Ziel der Kodifizierung meistens eine Qualitätsverbesserung von Nahrungsmitteln bzw. die Prozeßoptimierung bestehender Verfahren.

Dafür kommen vier Wege in Betracht.

• 1. Proteinabbau durch Eigengehalt des Nahrungsmittels an Proteinasen.
• 2. Proteinabbau durch Fermentationsprozesse.
• 3. Proteinabbau durch zugesetzte Proteinasen.
• 4. Proteinabbau durch Säuren und Laugen.

In der Technik sind vielfältige Variationen dieser Modifizie­ rungsmöglichkeiten im Einsatz. So wird, speziell auf die Ge­ treideproteine bezogen, bei der Bierherstellung durch die Aktivierung eigener sowie extern zugesetzter mikrobieller Enzyme beim Mälzen und beim Maischen ein Umbau und ein starker Proteinabbau bewirkt. Weiterhin wird die Verbesserung der Back­ eigenschaften von Weizenmehlteigen durch Zusatz entsprechender Enzymkomplexe genutzt. Bei dieser schwachen Proteolyse treten nur sehr geringe Molmassenänderungen in den oberen Molmassenbe­ reichen auf. Dennoch ist dieser durch die Enzymeinwirkung be­ dingte geringfügige Abbau für die Praxis der Backwarenherstel­ lung von großer Bedeutung. Einen wesentlich tieferen Hydrolyse­ effekt erzielt man durch die Anwendung von konzentrierten Mineralsäuren, so zum Beispiel durch Behandlung von Feucht­ gluten mit Salzsäure für die Herstellung von Würzen und Aromen bzw. als Ausgangsstoffe für die Gewinnung von Glutaminsäure­ derivaten.

Bekannt ist weiterhin die Veränderung der rheologischen Eigen­ schaften durch den Einfluß schwefliger Säure und deren Salze sowie physikalisch gelösten Schwefeldioxids in Wasser. Bei Einwirkung dieser Chemikalien erfolgt eine Umwandlung der zäh­ elastischen in eine pastöse, krümlige Konsistenz.

Die Verwendung von Ammoniak bzw. ammoniakhaltigen wäßrigen Lösungen zur reversiblen Konsistenzänderung des Weizenproteins ist möglich. Diese Variante der Kleberverflüssigung ist auf Grund der möglichen Wiederherstellung der Vitalität des Proteins von Vorteil. Nachteilig wirkt sich eine erhebliche Geruchsbelästigung durch verdunstendes Ammoniak bei der Weiter­ verarbeitung aus.

All diese Verfahren sind auf Grund ihrer Unzulänglichkeiten (Totalhydrolyse bei saurer Hydrolyse), ihrer hohen verfahrens­ technischen Kosten (hoher Enzymeinsatz) für die Kleberverflüs­ sigung und anschließender Nutzung als wertvolles Nahrungsmittel ungeeignet. Die Verfahren, die das Ziel der Glutenverflüssigung zum Inhalt haben, setzen ein mehr oder weniger separiertes, naßmechanisch gereinigtes teueres Feuchtgluten zur Verarbeitung ein.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines protein- und glucosereichen Stärkehydrolysates zu schaf­ fen, bei dem der Stärkeaufschluß, die Verzuckerung und die Proteolyse des Glutens unter Vermeidung des energetisch aufwen­ digen Stärkeverflüssigungsschrittes in einem Verfahrensschritt bei einer Temperaturstufe in einer wesentlich verkürzten Reaktionszeit erfolgen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein nativer, protein- und mineralstoffreicher Getreideenzymextrakt (GE I), welcher den Proteinanteil in Form des im Getreidemehl enthaltenen unlöslichen Glutens und des löslichen Proteins enthält, für sich oder in Mischung mit einer Stärkesuspension, in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 10 Ma-%, einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 42 Ma-% unter mäßigen Rühren innerhalb von 1,0 bis 14,0 Stunden unter Einsatz einer alpha-Amylase, einer Proteinase, gleichzeitiger Zugabe eines Glucoamylasepräparates und bei Ausnutzung der im Medium vor­ handenen natürlichen Getreide-beta-Amylase, bei einer Reaktionstemperatur von 45 bis 67°C und einem pH-Wert von 4,0 bis 6,8 bis zu 98 Dextroseequivalenteinheiten hydrolysiert wird.

Es ist günstig, wenn ein durch Mehrphasendekantation einer 25 bis 40 Ma-%igen Getreidemehlsuspension hergestellter Getreide­ enzymextrakt (GE I) mit einem Feinkornstärkeanteil von 40 bis 90% in der Trockensubstanz, einer Gesamttrockensubstanz von 5 bis 15 Ma-%, einem Rohproteingehalt von 10 bis 60% in der Trockensubstanz und einem beta-Amylasegehalt von 2000 bis 4000 U/g Trockensubstanz eingesetzt wird.

In vorteilhafter Weise wird dem Getreideenzymextrakt (GE I) die gesamte während der Dekantation anfallende Glutenfraktion sofort untergemischt, so daß das gesamte im Getreidemehl ver­ fügbare Gluten zur Hydrolyse genutzt wird. Die zu konver­ tierende Stärke kann zusätzlich bis zu einem Trockensubstanzge­ halt von 10 bis 35 Ma-% zu dieser Suspension zudosiert werden. Zu dieser Suspension wird eine alpha-Amylase in einer Masse­ konzentration von 0,1 bis 0,3%, gleichzeitig eine Protease und eine Glucoamylase in jeweils der gleichen Massenkonzentration bezogen auf die Stärketrockensubstanz dosiert. Diese Suspension wird mäßig gerührt und mittels Dampfstrahlinjektor mit einer Heizrate von 1 bis 3 K/min bis zu einer Reaktionstemperatur von 60 bis 67°C erhitzt. Schließlich ist es günstig, eine bak­ terielle alpha-Amylase einzusetzen.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei Einsatz dieser Enzymkombination der in der Suspension befindliche Stärkeanteil innerhalb der für die Aufheizung notwendigen Zeit bei einem pH-Wert von 4,5 bis 6,8 in einem Prozeß in eine hochglucose­ haltige Lösung von bis zu 96% Glucose mit einem DE-Wert von 98 und der Proteinanteil innerhalb der sich anschließenden Reaktionszeit vollständig hydrolysiert wird. Typisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß das entstehende Kohlen­ hydratspektrum des fertigen Hydrolysates stets nur die Kohlen­ hydrate Glucose (96 bis 98 Ma-%) und Maltose (4 bis 2 Ma-%) enthält. Ein solcher erfindungsgemäßer Hydrolyseprozeß bildet neben der Zeit- und Energieeinsparung bei der Herstellung ein Produkt mit einem geringen Gehalt an Reversionsprodukten und besitzt dadurch bedingt sehr günstige Weiterverarbeitungseigen­ schaften für herkömmliche Reinigungsverfahren aber auch für moderne chromatographische und Membrantrennprozesse. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Getreideenzymextrakt als Enzymlieferant in einfachster Weise ohne aufwendige Tech­ nologien herstellen läßt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das schwierig zu handhabende Getreideprotein in sehr kurzer Zeit in eine sehr günstige Nahrungsmittelform zu überführen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in zwei Bei­ spielen weiter erläutert.

Beispiel 1

Mittels einer Mehrphasendekantation wird aus einer 30 Ma-%igen Weizenmehlsuspension, welche vor dem Trennprozeß 10 bis 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 35-40°C temperiert wurde, ein Getreideenzymextrakt (GE I) hergestellt. Dieser Extrakt wird nun mit der während der Dekantation anfallenden gesamten Glutenfraktion sofort gemischt, so daß das gesamte im Getreidemehl verfügbare Gluten zur Hydrolyse genutzt wird.

Diese Suspension besitzt folgende analytischen Daten:

Trockensubstanzgehalt [%]
12,6
pH-Wert	5,8
Stärkegehalt in TS [%]	61,0
Viskosität [mPas]	21,7
Proteingehalt (N×6,25) [%]	21,0

Beispiel 2

In einem beheizbaren Reaktionsbehälter werden 500 kg der nach Beispiel 1 hergestellten Suspension vorgelegt und 0,1 Ma-% einer bakteriellen alpha-Amylase (Rohalase A3, Fa. Roehm, BRD), 0,1% einer Protease (Firma Berlinchemie Berlin) und 0,1% Glucoamylase (Amigase; Fa. Ghist Brocades, Niederlande) bezogen auf die Stärketrockensubstanz dazugegeben. Anschließend wird die Suspension unter mäßigen Rühren mittels Dampfstrahlinjektor während einer Aufheizzeit von 60 min auf die erforderliche Reaktionstemperatur von 65 bis 67°C erwärmt. Sofort nach Er­ reichen der Reaktionstemperatur wird das Hydrolysat zentrifu­ giert und analysiert.

Die Analyse des Weizenstärkehydrolysates ergibt:

Kohlenhydratspektrum
Glucose [%]	64,1
Maltose [%]	33,2
Maltotriose [%]	2,2
DE-Wert	81,9

Die Analyse des Weizenstärkehydrolysates nach 3 h ergibt:

Kohlenhydratspektrum
Glucose [%]	90,1
Maltose [%]	9,8
Maltotriose [%]	-

Danach wird das Reaktionsgemisch 12 h unter mäßigem Rühren zwischen 30 und 60°C temperiert und danach analysiert.

Die Analyse des Weizenstärke-Glutenhydrolysates ergibt:

Trockensubstanzgehalt [%]
12,5
Kohlenhydratfeststoffgehalt i. TS [%]	89,1
Viskosität bei 35°C [mPas]	25,4
Proteingehalt [%]	22,3
DE-Wert	98,1
Kohlenhydratspektrum @	Glucose [%]	96,1
Maltose [%]	3,8
Maltotriose [%]	-

Die Hydrolyse läßt sich in den unterschiedlichsten, in der chemischen Technik und in der Nahrungsgüterwirtschaft gebräuch­ lichen Reaktoren ohne großen Steueraufwand realisieren.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines protein- und glucosereichen Stärkehydrolysates, dadurch gekennzeichnet, daß ein nativer, protein- und mineralstoffreicher Getreideenzymextrakt, welcher den Proteinanteil in Form des im Getreidemehl ent­ haltenen unlöslichen Glutens und des löslichen Proteins enthält, für sich oder in Mischung mit einer Stärkesuspen­ sion in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 10 Ma-%, einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 42 Ma-% unter mäßigen Rühren innerhalb von 1,0 bis 14,0 Stunden unter Einsatz einer alpha-Amylase, einer Proteinase, bei gleich­ zeitiger Zugabe eines Glucoamylasepräparates und bei Aus­ nutzung der im Medium vorhandenen natürlichen Getreide-beta- Amylase, bei einer Reaktionstemperatur von 45 bis 67°C und einem pH-Wert von 4,0 bis 6,8 bis zu 98 Dextroseequivalent­ einheiten hydrolysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Mehrphasendekantation einer 25 bis 40 Ma-%igen Ge­ treidemehlsuspension hergestellter Getreideenzymextrakt mit einem Feinkornstärkeanteil von 40 bis 90% in der Trocken­ masse, einer Gesamttrockensubstanz von 5 bis 15 Ma-%, einem Rohproteingehalt von 10 bis 60% in der Trockensubstanz und einem beta-Amylasegehalt von 2000 bis 4000 U/g Trockensub­ stanz eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Getreideenzymextrakt die gesamte während der Dekantation anfallende Glutenfraktion sofort untergemischt wird, die zu konvertierende Stärke zusätzlich bis zu einem Trockensub­ stanzgehalt von 10 bis 35 Ma-% zu dieser Suspension zu­ dosiert wird, zu dieser Suspension eine alpha-Amylase in einer Massekonzentration von 0,1 bis 0,3%, gleichzeitig eine Protease und eine Glucoamylase in jeweils der gleichen Massenkonzentration bezogen auf die Stärketrockensubstanz zudosiert werden und diese erhaltene Suspension mäßig ge­ rührt und mittels Dampfstrahlinjektor mit einer Heizrate von 1 bis 3 K/min bis zu einer Reaktionstemperatur von 60 bis 67°C erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine bakterielle alpha-Amylase eingesetzt wird.