DE4125971A1 - Verfahren zur herstellung eines maltosereichen staerkehydrolysates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines maltosereichen Stärkehydrolysates aus einer nativen Stärkesus­ pension mit dem Ziel des Erreichens einer hochmaltosereichen, an löslichen Getreideinhaltsstoffen reichen Kohlenhydratlösung zur Benutzung als Zusatzstoff für die verschiedensten Nahrungs­ mittelsubereitungen, biotechnologischen Verfahren und zur Maltosesirupherstellung.

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 erheblichem 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 α-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 α-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-α-Amylasen bereitgestellten Stärkebruchstücke (Dex­ trine) exogen, d. h. vom Molekülende aus zu Glucose abgebaut. Technisch gestaltet sich der zweite Reaktionsschritt 50, 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 α-Amylase oder einem β-Amylasepraparat (FR 23 51 174) verzuckert wird. Die Verzuckerung verläuft gewöhnlich bei <70°C, einem pH-Wert von 4,0 bis 7,0 in 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 α Amylase sowie auch β-Amylase und/oder Glucoamylase enthält, behandelt.

Auch dieses Verfahren ist in sich ein zweistufiger 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 dem Hauptprodukt Maltose und somit zu Hochmaltosesirup zu gelangen, ist der Einsatz spezieller Pilz­ amylasen. 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 Mais­ stärken unter Zusatz von pilzlicher Glucoamylase bei Tempe­ raturen zwischen 50-60°C zur Herstellung glucosereicher Sirupe beschrieben. Ein gravierender 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 weiter­ konvertiert werden. Aus diesem Grund wird zur Effektivitäts­ steigerung der Hydrolyse bzw. speziell der Verzuckerung ein Substrat empfohlen, welches durch sauren oder enzymatischen Stärkeaufschluß verflüssigt wurde (Firmenschrift der Firma International Bio-Synthetics; Enzympräparat: Mycolase). Bei diesem Verfahren wird bei einem pH-Wert von 5,6 in einer Zeit­ spanne von 12 bis 30 Stunden bis zu einem DE-Wert von 50 und einem Maltosegehalt von 60% hydrolysiert. Ausgangssubstrat für diesen Prozeß bildet eine durch bakterielle α-Amylase ver­ flüssigte 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 α-Amylase (BAN 240) und einer Glucoamylase durchzuführen. Es wird die Herstel­ lung einer Glucoselösung durch gleichzeitige Konvertierung der Stärke mit α- 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 α-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. Der Vielfalt der zur An­ wendung kommenden Hydrolyseprozesse ist zu entnehmen, daß der Prozeß des Stärkeaufschlusses und der Verzuckerung immer ein unter Einsatz von ausschließlich externen Enzympräparaten energie- und zeitaufwendiger zweigeteilter Prozeß ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines maltosereichen Stärkehydrolysates zu schaffen, bei dem der Stärkeaufschluß und die Verzuckerung unter Vermeidung des energetisch aufwendigen Stärkeverflüssigungsschrittes in einem Verfahrensschritt bei einer Temperaturstufe in einer wesentlich verkürzten Reaktionszeit erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein nativer, protein- und mineralstoffreicher Getreideenzymextrakt (GE I) in Mischung mit einer Stärkesuspension in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 2 bis 1 zu 10 Ma-% und einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 42 Ma-% unter mäßigen Rühren innerhalb von 0,3 bis 4,0 Stunden unter Einsatz einer α- Amylase und gleichzeitiger Ausnutzung der im Medium vorhandenen natürlichen Getreide-β-Amylase bei einer Reaktionstemperatur von 45 bis 67°C und einem PH-Wert von 4,5 bis 6,8 bis zu 45 bis 50 Dextroseäquivalenteinheiten hydrolysiert wird.

Es ist günstig, wenn ein durch Mehrphasendekantation einer 25 bis 40 Ma-% Getreidemehlsuspension hergestellter Getreide­ enzymextrakt (GE I) mit einem Feinkornstärkeanteil von 40 bis 90% in der Trockensubstanz, einer Gesamttrockensubstanz von 5 bis 15%, einem Rohproteingehalt von 2 bis 6% in der Trocken­ substanz und einem β-Amylasegehalt von 2000 bis 4000 U/g Trockensubstanz eingesetzt wird. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn mit dem Getreideenzymextrakt (GE I) die zu konvertierende Stärke bis zu einem Trockensubstanzgehalt von 10 bis 35 Ma-% suspendiert wird. Zu dieser Suspension wird eine α-Amylase in einer Massekonzentration von 0,1 bis 0,3% bezogen auf die Stärke­ trockensubstanz 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 er­ hitzt. Schließlich erweist sich als vorteilhaft, eine bakterielle α-Amylase einzusetzen.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei Einsatz einer α-Amylase die Suspension innerhalb der für die Aufheizung notwendigen Zeit bei einem pH-Wert von 4,5 bis 6,8 in einem Prozeß in eine hochmaltosehaltige Lösung von bis zu 92 Ma-% Maltose mit einem DE-Wert von 48 bis 50 hydrolysiert wird. Typisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß das ent­ stehende Kohlenhydratspektrum des fertigen Hydrolysates stets nur die Kohlenhydrate Maltotriose (7 bis 13 Ma-%), Glucose (1 bis 3 Ma-%) und Maltose (85 bis 92 Ma-%) enthält.

Ein solcher erfindungsgemäßer Hydrolyseprozeß bildet neben der Zeit- und Energieeinsparung bei der Herstellung ein Produkt mit einem geringen Gehalt an Reversionsprodukten und dadurch be­ dingt sehr günstige Weiterverarbeitungseigenschaften sowohl für herkömmliche Reinigungsverfahren als auch für moderne chromato­ graphische und Membrantrennprozesse. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Getreideenzymextrakt als Enzymlieferant in ein­ fachster Weise ohne aufwendige Technologien herstellen läßt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, hochmaltose­ haltige Sirupe herzustellen. Diese haben gegenüber den Glucose­ sirupen vor allem folgende Vorteile:

• - Lagerung unter normalen Lagerbedingungen mit einer Feststoff­ konzentration von bis zu 80%,
• - beständig gegen eine spontane Kristallisation,
• - geringe hygroskopische Eigenschaften,
• - hochwertiger Rohstoff für die chemische Industrie.

Das dargestellte Verfahren sichert unter Ausnutzung der ge­ treideeigenen β-Amylasen zur Hydrolyse von Getreidestärker, somit eine hohe Kontinuität des Prozesses der enzymatischen Stärkehydrolyse in einem Verfahrensschritt bei einer relativ niedrigen Reaktionstemperatur zur Herstellung hochmaltose­ haltiger Stärkehydrolysate.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in zwei Bei­ spielen 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 ist eine 5 bis 15 Ma-%ige Suspension und wird nun mit einer Weizenstärke bis auf einen Trockensubstanzgehalt von 27 Ma-% konzentriert.

Diese Suspension besitzt folgende analytischen Daten:

Trockensubstanzgehalt [%]
27,0
pH-Wert	5,2
Stärkegehalt in TS [%]	87,5
Viskosität <mPas]	21,7
Proteingehalt (n. Bradford) [%]	16,8

Beispiel 2

In einem beheizbaren Reaktionsbehälter werden 500 kg der nach Beispiel 1 hergestellten Suspension vorgelegt und 0,1 Ma-% einer bakteriellen α-Amylase (Rohalase A3, Fa. Roehm, BRD) bezogen auf die Stärketrockensubstanz dazugegeben. Anschließend wird die Suspension unter mäßigem Rühren mittels Dampfstrahl­ injektor während einer Aufheizzeit von 60 min auf die erforder­ liche Reaktionstemperatur von 65 bis 67°C gebracht. Sofort nach Erreichen der Reaktionstemperatur wird das Hydrolysat zentrifugiert und analysiert.

Analyse des Weizenstärkehydrolysates
Kohlenhydratfeststoffgehalt [%]
28,3
Viskosität [mPas]	27,1
Proteingehalt (n. Bradford) [%]	1,6
DE-Wert	49,3
Kohlenhydratspektrum @	Glucose [%]	1,0
Maltose [%]	91,9
Maltotriose [%]	7,1

Die Hydrolyse läßt sich in den unterschiedlichsten in der chemischen Technik und in der Nahrungsgüterwirtschaft gebräuch­ lichen Reaktoren ohne großen Steueraufwand realisieren. Das Stärkehydrolysat läßt sich nunmehr mit herkömmlicher Raffinations- und Trenntechnik von der hitzekoagulierbaren Pro­ teinfraktion problemlos abtrennen und über Verdampfer oder Sprühtrockner zu einem Hochmaltosesirup bzw. zu einem ge­ trockneten standardisierten Produkt weiterverarbeiten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines maltosereichen Stärkehydro­ lysates, dadurch gekennzeichnet, daß ein nativer, protein- und mineralstoffreicher Getreideenzymextrakt in Mischung mit einer Stärkesuspension in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 2 bis 1 zu 10 Ma-% und einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 42 Ma-% unter mäßigen Rühren innerhalb von 0,3 bis 4,0 Stunden unter Einsatz einer α-Amylase und gleich­ zeitiger Ausnutzung der im Medium vorhandenen natürlichen Getreide-β-Amylase bei einer Reaktionstemperatur von 45 bis 67°C und einem pH-Wert von 4,5 bis 6,8 bis zu 45 bis 50 Dextroseäquivalenteinheiten hydrolysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein 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 2 bis 6% in der Trockensubstanz und einem β-Amylasegehalt von 2000 bis 4000 U/g Trockensub­ stanz eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Getreideenzymextrakt die zu konvertierende Stärke bis zu einem Trockensubstanzgehalt von 10 bis 35 Ma-% sus­ pendiert wird, anschließend eine α-Amylase in einer Massenkonzentration von 0,1 bis 0,3% bezogen auf die Stärketrockensubstanz zugegeben wird und die erhaltene Sus­ pension bei mäßigem Rühren 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, dadurch gekennzeichnet, daß eine bakterielle α-Amylase eingesetzt wird.