DE4125972A1 - Verfahren zur herstellung eines protein- und maltosereichen staerkehydrolysates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines protein- und maltosereichen Stärkehydrolysates aus einer nativen Stärkesuspension, welche agglomeriertes Gluten enthält, mit dem Ziel des Erreichens eines hochmaltosereichen 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 erheblichem Maße den weiteren Abbau der polymeren Stärke zu den monomeren Bausteinen des Substrates beeinflußt, wird beispielsweise durch druckmechanische 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 Bakterien­ alpha-Amylasen bereitgestellten Stärkebruchstücke (Dextrine) exogen, d. h. vom Molekülende aus, zu Glucose abgebaut. Tech­ nisch gestaltet sich der zweite Reaktionsschritt so, daß die aus dem ersten Reaktionsschritt stammende Dextrinsuspension auf ca. 70°C abgekühlt, auf den gewünschten PH-Wert eingestellt und mit einem Glucoamylasepräparat oder einer verzuckernden 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 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 zu dem Produkt Maltose, um zu Hochmaltose­ sirup zu gelangen, ist der Einsatz spezieller Pilzamylasen. Mit diesen pilzlichen Präparaten ist es möglich die Stärkever­ flüssigung und die Verzuckerung in einem Prozeß zu führen (BE 8 56 171). In den Patentschriften EP 01 71 216, 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 Starke 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 Verzuckerung ein Substrat empfohlen, welches durch sauren oder enzymatischen Stärkeaufschluß verflüssigt wurde (Firmenschrift der Firma International Bio-Synthetics; Enzym­ präparat: Mycolase). 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% hydro­ lysiert. Ausgangssubstrat 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 vorstehenden Beschreibung ist der Nachteil zu entnehmen, daß der Prozeß des Stärkeaufschlusses und der Verzuckerung immer ein unter Einsatz von ausschließlich externen Enzymprä­ paraten energie- und zeitaufwendiger zweigeteilter Prozeß ist. Der im Weizen enthaltene Proteinanteil, vor allem das kohäsiv­ elastische Gluten, ist ein schwer zu handhabender Naturstoff. In den bisher beschriebenen Glutenmodifizierungen bzw. Gluten­ verflüssigungen ist das Ziel der Modifizierung meistens eine Qualitätsverbesserung von Nahrungsmitteln bzw. die Prozeß­ optimierung 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.

Es sind vielfältige Variationen dieser Modifizierungsmöglich­ keiten bekannt. So wird, speziell auf die Getreideproteine 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 Backeigenschaften von Weizenmehlteigen durch Zusatz entsprechender Enzymkomplexe genutzt. Bei dieser schwachen Proteolyse treten nur sehr ge­ ringe Molmassenänderungen in den oberen Molmassenbereichen auf. Dennoch ist dieser durch die Enzymeinwirkung bedingte gering­ fügige Abbau für die Praxis der Backwarenherstellung von großer Bedeutung. Einen wesentlich tieferen Hydrolyseeffekt erzielt man durch die Anwendung von konzentrierten Mineralsäuren, so zum Beispiel durch Behandlung von Feuchtgluten mit Salzsäure für die Herstellung von Würzen und Aromen. Derartige Hydro­ lysate sind Ausgangsstoffe für die Gewinnung von Glutaminsäure­ erivaten.

Bekannt ist die Veränderung der rheologischen Eigenschaften durch den Einfluß schwefliger Säure, deren Salze sowie physikalisch gelösten Schwefeldioxids in Wasser. Bei Einwirkung dieser Chemikalien erfolgt eine Umwandlung der zäh-elastischen in eine pastöse, krümmlige 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) oder der Behandlung von Gluten mit milchsäureproduzierenden mikrobiologischen Kulturen (Zerstörung der biologischen Funktionalität) für die Kleber­ verflüssigung und anschließende Nutzung als wertvolles Nahrungsmittel ungeeignet. Die Verfahren, welche das Ziel der Glutenverflüssigung zum Inhalt haben, setzen ein mehr oder weniger separiertes, naßmechanisch gereinigtes, teueres Feucht­ gluten zur Verarbeitung ein.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines protein- und maltosereichen Stärkehydrolysates zu schaffen, 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 erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein nativer, protein- und mineralstoffreicher Getreideenzymextrakt, welcher den Proteinanteil in Form des im Getreidemehl ent­ haltenen unlöslichen Glutens und löslichem Protein enthält, für sich oder in Mischung mit einer Stärkesuspension in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 10 Ma-% und 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 und gleichzeitiger Ausnutzung der im Medium vorhandenen natürlichen Getreide-beta-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 hydro­ lysiert 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. Es ist günstig, eine bak­ terielle alpha-Amylase einzusetzen.

In vorteilhafter Weise wird dem Getreideenzymextrakt (GE I) die gesamte während der Dekantation anfallende Glutenfraktion so­ fort untergemischt, so daß das gesamte im Getreidemehl verfüg­ bare Gluten zur Hydrolyse genutzt wird. Die zu konvertierende Stärke kann zusätzlich bis zu einem Trockensubstanzgehalt von 10 bis 35 Ma-% zu dieser Suspension zudosiert werden. Zu dieser Suspension wird eine alpha-Amylase in einer Massekonzentration von 0,1 bis 0,3% und gleichzeitig eine Protease, in der gleichen Massenkonzentration, bezogen auf die Stärketrockensub­ stanz 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.

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 hochmaltosehaltige Lösung von bis zu 92 Ma-% Maltose mit einem DE-Wert von 48 bis 50 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 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 besitzt dadurch bedingt sehr günstige Weiterverarbeitungseigenschaften für herkömmliche Reinigungs­ verfahren aber für moderne chromatographische und Membrantrenn­ prozesse. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Getreideenzym­ extrakt als Enzymlieferant in einfachster Weise ohne aufwendige Technologien 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 näher 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 [%]
12,58
pH-Wert	5,8
Stärkegehalt in TS [%]	61,00
Proteingehalt [%]	21,00

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. Röhm, BRD) und 0,1% einer Protease (Firma Berlinchemie Berlin; proteo­ lytische Aktivität: 3.100 FIP E/g) bezogen auf die Stärke­ trockensubstanz dazugegeben. Anschließend wird die Suspension unter mäßigen Rühren mittels Dampfstrahlinjektor während einer Aufheizzeit von 60 min auf die erforderliche Reaktionstempe­ ratur von 65 bis 67°C gebracht. Sofort nach Erreichen der Reaktionstemperatur wird das Hydrolysat zentrifugiert. Eine unmittelbar danach durchgeführte Analyse ergibt die folgenden Werte.

Analyse des Weizenstärkehydrolysates
Kohlenhydratspektrum
Glucose [%]	2,7
Maltose [%]	91,7
Maltoriose [%]	5,5

Danach wird das Reaktionsgemisch 12 h unter mäßigem Rühren zwischen 30 und 60°C temperiert. Die unmittelbar danach durchgeführte Analyse ergibt die folgenden Werte.

Analyse des Weizenstärke-Glutenhydrolysates
Trockensubstanzgehalt [%]
12,5
Kohlenhydratfeststoffgehalt i. TS [%]	89,1
Viskosität bei 35°C [mPas]	21,5
Proteingehalt [%]	22,3
Kohlenhydratspektrum @	Glucose [%]	1,1
Maltose[%]	91,0
Maltotriose [%]	7,8

Das vor der Hydrolyse in der Lösung suspendierte agglomerierte Gluten konnte mittels Zentrifugation nach der Hydrolyse nicht sedimentiert werden. Das Hydrolysat konnte aber problemlos getrocknet und wieder rückstandslos resuspendiert werden.

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 Tech­ nik wie Verdampfer oder Sprühtrockner zu einem getrockneten standardisierten Produkt weiterverarbeiten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines protein- und maltosereichen 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 Stärkesus­ pension in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 10 Ma-% und 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 und gleich­ zeitiger Ausnutzung der im Medium vorhandenen natürlichen Getreide-beta-Amylase bei einer Reaktionstemperatur von 45 bis 67°C und einem pH-Wert von 4,5 bis 6,0 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 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, dadurch gekennzeichnet, daß dem Getreideenzymextrakt die gesamte während der Dekantation anfallende Glutenfraktion sofort untergemischt wird, die zu konvertierende Stärke zusätzlich bis zu einem Trocken­ substanzgehalt von 10 bis 35 Ma-% zu dieser Suspension zu­ dosiert wird, zu dieser Suspension die alpha-Amylase in einer Massekonzentration von 0,1 bis 0,3% und gleichzeitig die Protease, in der gleichen Massenkonzentration, bezogen auf die Stärketrockensubstanz zudosiert wird und die so entstandene Suspension mäßig gerührt und mittels Dampf­ strahlinjektor 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 alpha-Amylase eingesetzt wird.