DE60133814T2

DE60133814T2 - Verwendung von enzymen zur herabsetzung der einweichzeit und des so2-bedarfs bei einem maisnassmahlverfahren

Info

Publication number: DE60133814T2
Application number: DE60133814T
Authority: DE
Inventors: David B. Wyndmoor JOHNSTON; Vijay North Wales SINGH; Steven Mahomet ECKHOFF
Original assignee: University of Illinois; US Department of Agriculture USDA; University of Illinois at Urbana Champaign
Current assignee: University of Illinois; US Department of Agriculture USDA; University of Illinois at Urbana Champaign
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: EP1290212A1; MXPA02011885A; DE60133814D1; AU2001275148A1; BR0111284A; EP1290212B1; WO2001094608A1; BRPI0111284B1; EP1290212A4; US6566125B2; ATE393832T1; CA2410503A1; CA2410503C; ES2304388T3; US20020022252A1; AR028677A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhalten von Stärke aus Mais, das das Tränken der Maiskörner in Wasser beinhaltet, um getränkte Maiskörner zu produzieren, das Mahlen der getränkten Maiskörner, um eine Aufschlämmung aus gemahlenem Mais zu produzieren, und das Inkubieren der Aufschlämmung aus gemahlenem Mais mit Protease.
Um den steigenden Bedarf an Ethanol zu decken, und um mit anderen Erdöl-basierten sauerstoffhaltigen Additiven wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Produktionskosten für Ethanol gesenkt und der Wert der Nebenprodukte erhöht werden. Ungefähr 60 bis 70% Ethanol werden in den USA mit dem herkömmlichen Mais-Nassmahlverfahren produziert. Das Nassmahlverfahren trennt Mais in ein reines Stärkeprodukt und Nebenprodukte, die reich an Öl, Fasern und Protein sind. Der Mais wird zuerst in einer wässrigen Lösung aus Schwefeldioxid hydratisiert (eingeweicht). Der eingeweichte Mais wird grob gemahlen, um den intakten Keim vom Kern zu lösen. Da der Keim eine hohe Konzentration an Öl (~45%) enthält, ist er leichter als die anderen Bestandteile der gemahlenen Aufschlämmung und kann (mittels Dichteunterschied) unter Verwendung von Keim-Hydrozyklonen separiert werden. Die verbleibende Aufschlämmung wird fein gemahlen, um die Endospermmatrix zu spalten und die Stärketeilchen freizusetzen. Die Faserteilchen werden entfernt, indem die Aufschlämmung über feine Siebe (75 μm Öffnungen) gestrichen wird. Die Stärke wird vom Protein in einem System aus Zentrifugen und Hydrozyklonen getrennt, was eine Stärkefraktion ergibt, die weniger als 0,35% (gelöste Stoffe) Protein enthält. Die Stärke wird dann weiter zu verschiedenen Produkten verarbeitet, wie etwa Ethanol oder Maisstärkesirupen.
Der erste und wichtigste Vorgang beim Nassmahlverfahren ist das Einweichen ("steeping"). Das Einweichen beinhaltet das Tränken der Maiskörner im Gegenstrom für 24 bis 48 Stunden in warmem (48 bis 54°C) schwefelhaltigem (0,1 bis 0,2%) Wasser. Der Zweck des Einweichens ist es, das Maiskorn aufzuweichen und die Disulfidbindungen aufzubrechen, die die Proteinmatrix zusammenhalten. Das Einweichen ist ein diffusionskontrollierter Prozess. Das Wasser und die Chemikalien zum Einweichen (im Allgemeinen 2.000 bis 2.500 ppm SO₂ und 0,5 bis 2% Milchsäure (die üblicherweise während des Einweichens durch Lactobacillus-Bakterien produziert werden) diffundieren durch das untere Ende der Kornspitze in das Maiskorn, bewegen sich durch die Quer- und Schlauchzellen des Pericarps zur Krone des Kerns und in das Endosperm. Das SO₂ in dem Endosperm reagiert mit der Proteinmatrix, die die Stärkekörnchen einkapselt. Das Ergebnis ist die Dispersion von Endospermprotein und eine Verbesserung der Stärkefreisetzung während des nachfolgenden Vermahlens (Watson, S. A., et al., Cereal Chem., 38: 22–23 (1961)). Das Eindringen von SO₂ in das Endosperm und dessen Reaktionszeit mit der Proteinmatrix machen das Einweichen beim Mais-Nassmahlverfahren zu einem sehr zeitraubenden Vorgang (24 bis 36 Stunden). Einweichzeiten von weniger als 24 Stunden führen zu geringen Stärkeausbeuten und zum Verlust von Faser- und Proteinfraktionen. Das Einweichen ist auch einer der kapital- und energieintensivsten Teile des Mais-Nassmahlverfahrens. Es wird geschätzt, dass 21% der gesamten Energie- und Kapitalkosten für den Einweichvorgang verwendet werden (Eckhoff, S. R., Wet milling short course, Course Notes, American Association of Cereal Chemists, St. Paul, MN, 1999). Das Reduzieren der Einweichzeit würde die Energiekosten verringern, die Anlagenkapazität erhöhen und die Kapitalkosten reduzieren, die bei der Konstruktion neuer Mais-Nassmahlanlagen anfallen.
Mehrere mechanische und chemische Ansätze wurden untersucht, um die Einweichzeit zu verringern, und dabei gleichzeitig die Produktausbeuten zu aufrecht zu erhalten. Diese Prozesse erfordern jedoch teure Modifikationen der bestehenden Einrichtungen oder die Vorbehandlung von Körnern, was zu einer stärkeren Umweltverschmutzung oder höherem Energieverbrauch führt ( U.S.-Patentschrift 3.597.274 ; Roushdi, M., et al., Starch/Starke, 33: 7–9 (1981); Krochta, J. M., et al., J. Food Process. Preserv., 5: 39 (1981); Meuser, F., et al., 1985, The use of high Pressure disintegration technique for the extraction of starch from corn, pages 161–180, IN: New Approaches to Research an Cereal Carbohydrates, R. D. Hill and L. Munck, eds., Elsevier, Amsterdam; Hassanean, A., and A. Abdel-Wahed, Starch/Stärke, 38: 417 (1986); Grindel, R. S., Starch/Stärke, 17: 298 (1965); Neryng, A., and P. J. Reilly, Cereal Chem., 61: 8 (1984)).
Die Entwicklung eines Verarbeitungsverfahrens, das die Einweichzeit reduzieren und die Verwendung von Chemikalien, wie etwa Schwefeldioxid, verringern oder hinfällig machen könnte, hätte erhebliche Auswirkungen auf die Mais-Nassmahlindustrie. Ein solches Verfahren würde die Energiekosten des Betriebs deutlich verringern, die Anlagenkapazität erhöhen und die Kapitalkosten reduzieren, die bei der Konstruktion neuer Mais-Nassmahleinrichtungen anfallen.
Ein Verfahren zum Erhalten von Stärke aus Mais, das das Tränken der Maiskörner in Wasser beinhaltet, um getränkte Maiskörner zu produzieren, das Mahlen der getränkten Maiskörner, um eine Aufschlämmung aus gemahlenem Mais zu produzieren, und das Inkubieren der Aufschlämmung aus gemahlenem Mais mit Enzym (z. B. Protease).
1 zeigt ein allgemeines Flussdiagramm, das das gesamte Mais-Nassmahlverfahren mit dem zusätzlichen neuen Enzyminkubationsschritt zeigt;
2 zeigt einen Vergleich der Stärkeausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung des Zwei-Schritt-Verfahrens mit herkömmlichen Chemikalien zum Einweichen (SO₂ und Milchsäure), nur in Puffer, und enzymatisch (Puffer + Enzym) eingeweicht wurden, Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar;
3 zeigt einen Vergleich der Stärkeausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung des Zwei-Schritt-Verfahrens mit herkömmlichen Chemikalien zum Einweichen (SO₂ bei 2.000 ppm und Milchsäure), verringertem SO₂ ohne Enzym (600 ppm, keine Milchsäure), verringertem SO₂ (200 und 600 ppm) mit Enzym und Kontrollproben (kein SO₂ mit Enzym und kein SO₂ ohne Enzym) eingeweicht wurden, Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar, die Prozentwerte geben den durchschnittlichen Proteingehalt der Probe an; und
4 zeigt ein allgemeines Diagramm, das das herkömmlichen Mais-Nassmahlverfahren und die Stelle der neuen enzymatischen Behandlung zeigt.
5 zeigt einen Vergleich von Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung individueller Hydrolasezubereitungen, normaler Chemikalien (chemische Kontrollprobe; SO₂ bei 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure) und nur Puffer (Pufferkontrollprobe; 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 4,0) eingeweicht wurden; Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar (Vierfachbestimmung für Kontrollproben); die Skala des eingefügten Graphen unterscheidet sich von der Skala, die in 6 bis 9 verwendet wird.
6 zeigt einen Vergleich von Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung von Proteasen, normaler Chemikalien (chemische Kontrollprobe; SO₂ bei 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure) und nur Puffer (Pufferkontrollprobe; 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 4,0) eingeweicht wurden; Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar (Vierfachbestimmung für Kontrollproben).
7 zeigt einen Vergleich von Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung von drei Konzentrationen von Bromelain, normaler Chemikalien (chemische Kontrollprobe; SO₂ bei 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure) und nur Puffer (Pufferkontrollprobe; 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 4,0) eingeweicht wurden; Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar (Vierfachbestimmung für Kontrollproben).
8 zeigt einen Vergleich von Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung von Bromelain für 1, 2, 3 und 4 Stunden Inkubation, normaler Chemikalien für 3 Stunden (chemische Kontrollprobe; SO₂ bei 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure) und nur Puffer für 3 Stunden (Pufferkontrollprobe; 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 4,0) eingeweicht wurden; Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar (Vierfachbestimmung für Kontrollproben).
9 zeigt einen Vergleich von Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung normalen Chemikalien (chemische Kontrollprobe; SO₂ bei 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure), verringertem SO₂ ohne Enzym (600 ppm, keine Milchsäure), verringertem SO2 mit 500 mg Bromelain (200 und 600 ppm, keine Milchsäure), Bromelain (500 mg) ohne SO₂ oder Milchsäure und nur Puffer (Pufferkontrollprobe; 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 4,0) eingeweicht wurden; Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar (Vierfachbestimmung für Kontrollproben).
10 zeigt einen Vergleich der Fraktionsausbeuten aus Maisproben, die unter Verwendung einer Kg-Mais-Nassmahlverfahren verarbeitet wurden. Herkömmlich verarbeitete Proben wurden unter Verwendung von SO₂ mit 2.000 ppm und 0,55% Milchsäure eingeweicht. Bromelain-Behandlungen wurden mit 3 Stunden Tränken und 3 Stunden Inkubation unter Verwendung von 5 g Bromelain (500 mg/100 g Mais) mit 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 5,0 durchgeführt. Fehlerbalken stellen ± eine Standardabweichung von einem Mittelwert einer Doppelbestimmung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beinhaltet im Allgemeinen das Hydratisieren der Maiskörner in Wasser für 1 bis 6 Stunden, so dass der Keim vollständig hydratisiert ist und ausreichend geschmeidig wird, so dass er nicht bricht, wenn der Mais grob gemahlen wird; das grobe Mahlen des Maises, um eine Aufschlämmung zu produzieren; und das Behandeln der Aufschlämmung aus grob gemahlenem Mais mit exogenem oder endogenem Enzym (z. B. Protease) für 0,5 bis 6 Stunden. Nach der Enzymbehandlung (z. B. Proteasebehandlung) wird der Mais unter Verwendung normaler Mais-Nassmahlverfahren gemahlen. Der vorliegende Ansatz entfernt die Diffusionsbarrieren und erlaubt es den Enzymen, in das Maisendosperm einzudringen und mit dem Proteinsubstrat zu reagieren. Die gesamte Einweichzeit mit dem modifizierten Verfahren wird im Allgemeinen im Bereich von 6 bis 8 Stunden liegen.
Ein allgemeines Flussdiagramm, das den gesamten Prozess zeigt, wird in 1 gezeigt. Die Maiskörner treten durch Leitung 1A ein und werden in Wasser in einem Einweichtank 1, im Allgemeinen für 1 bis 6 Stunden (z. B. 1 bis 6 Stunden), bevorzugt 2 bis 4 Stunden (z. B. 2 bis 4 Stunden), stärker bevorzugt etwa 3 Stunden (z. B. 3 Stunden), und bei einer Temperatur von 45°C bis 60°C (z. B. 45°C bis 60°C), bevorzugt 48°C bis 52°C (z. B. 48 bis 52°C), bevorzugt 45°C bis 50°C (z. B. 45°C bis 50°C), stärker bevorzugt etwa 48°C (z. B. 48°C) hydratisiert oder eingeweicht. Dann wird leichtes Einweichwasser aus dem Tank 1 über den Ablass 2 entfernt, und die hydratisierten Maiskörner werden zur Mühle 3 transportiert und grob gemahlen, um eine Aufschlämmung aus gemahlenem Mais zu bilden. Genauer gesagt wird der Mais nach der anfänglichen Hydratisierung normalerweise unter Verwendung einer Entkeimungsmühle (Teilchenreduktionsvorrichtung, die gewöhnlich in der Mais-Nassmahlindustrie verwendet wird) oder einer ähnlichen Apparatur gemahlen. Entkeimungsmühlen sind üblicherweise mit einer festen und einer rotierenden "Devil's-tooth"-Platte ausgestattet, die eng ineinander greifen und die spezifisch für Mais konzipiert sind. Die Mahlplatten können für Spaltweiten angepasst werden. Die Plattenspaltweiten und die U/Min. der Mühle kontrollieren den Aufprall der und die Scherkraft auf die Kerne und wirken sich daher auf die Qualität des gewonnenen Keims aus. Die anfängliche Hydratisierung des Maises wird durchgeführt, um genug Wasser in das Maiskorn zu bekommen, so dass der Keim nicht bricht, wenn das Korn unter Verwendung einer Entkeimungsmühle vermahlen wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird für die Grobmahlung (die grobe Mahlung ist in der Nassmahlindustrie auch als erste Mahlung bekannt) im Allgemeinen eine etwas größere Spaltweite zwischen der Mahlplatte verwendet (als üblicherweise von der Mais-Nassmahlindustrie verwendet); wenngleich sich die Verwendung der normalen Spaltweite (wie von der Mais-Nassmahlindustrie verwendet) nicht signifikant auf die Keimgewinnung auswirkt.
Die Aufschlämmung aus gemahlenem Mais wird im Inkubator 4 mit Enzym 5 (z. B. Protease) im Allgemeinen für 0,5 bis 6 Stunden (z. B. 0,5 bis 6 Stunden), bevorzugt 1 bis 4 Stunden (z. B. 1 bis 4 Stunden), stärker bevorzugt etwa 3 Stunden (z. B. 3 Stunden) und bei einer Temperatur von 20°C bis 70°C (z. B. 20°C bis 70°C), bevorzugt 40°C bis 55°C (z. B. 40°C bis 55°C), stärker bevorzugt etwa 48°C (z. B. 48°C), inkubiert. Die Temperatur kann, abhängig von dem spezifischen Enzym, das verwendet wird, verändert werden, sollte aber die Gelatinierungstemperatur von etwa 70°C oder die thermische Beständigkeit des Enzyms nicht übersteigen. Die Enzyme, die in der ersten Beispielgruppe verwendet wurden, waren Proteasen (insbesondere Bromelain vom Ananasstamm, erworben von Sigma, wobei die Menge an Enzym variierte, aber im Bereich von 250 mg bis 1 g Enzym je 100 g Mais lag; oder andere Enzyme mit ähnlicher Aktivität wie Bromelain). Ein Fachmann ist in der Lage, die Enzymmenge zu optimieren. Die Inkubationszeit kann erhöht werden, so dass weniger Enzym verwendet werden kann.
Ein Fachmann ist ebenfalls in der Lage, zu bestimmen, welche Proteasen erfolgreich bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können; zum Beispiel gibt es eine Protease in dem Maiskorn, die für die Freisetzung der Stärkekörnchen nützlich sein kann. Die Auswahl anderer Enzyme, die in diesem Verfahren verwendet werden könnten, müsste die Aktivität und Stabilität unter den verwendeten spezifischen Bedingungen berücksichtigen. Solche Enzyme müssten die Fähigkeit haben, die Proteine zu hydrolysieren, die die Stärkekörnchen umgeben. In der Folge würden die Enzyme ausgewählt, die eine Spezifität gegenüber Peptidbindungen in Glutelinen und Zein (und unbedeutenderen) Maisendospermproteinen aufweisen. Die resultierenden Peptide würden dann während der Verarbeitung separiert. Die Reaktionsbedingungen müssten Enzymkonzentration, pH-Wert, Temperatur, (gegebenenfalls) Schwefeldioxidtoleranz, und andere enzymspezifische Faktoren, wie etwa Mineral- oder Cofaktorbedarf, berücksichtigen.
Nach der Inkubation mit Enzym (z. B. Protease), wird der Mais in der Mühle 3A gemahlen und im Separator 9 entkeimt (Keim wird entfernt). Der Keimtrockner 7 entfernt den Keim über Leitung 7A. Die verbleibende Aufschlämmung wird weiter (fein) gemahlen und dann durch das Sieb 8 und den Fasertrockner 12 gesiebt, um Fasern über Leitung 12A zu entfernen. Der Rest des Materials (Stärke und Protein) wird unter Verwendung eines Hydrozyklons (Separation 9 basierend auf dem Dichteunterschied) oder einer anderen ähnlichen Apparatur, wie etwa einer Zentrifuge 10 separiert, wobei Gluten und Stärke separiert werden. Die Gluten werden über Leitung 11A zum Glutentrockner 11 über Leitung 23 befördert. Die Stärke wird aus der Zentrifuge 10 über Leitung 24 abgelassen. Generell wären die Nassmahlbedingungen nach dem Einweichen mit oder ohne Enzyme die gleichen, wie sie von der Mais-Nassmahlindustrie verwendet werden.
4 zeigt ein allgemeines Diagramm eines herkömmlichen Mais-Nassmahlverfahrens und die Lage der neuen enzymatischen Behandlung, wie in Stufen a, b, c und d gezeigt.
Bei einem herkömmlichen Mais-Nassmahlverfahren wird der Mais in einem Einweichtank 1 hydratisiert, durch das Sieb 12 entwässert, dann zur ersten Mühle 3 und zum Erstmahltank 4 geleitet. An dieser Stelle wird die Erfindung der Enzymbehandlung 5 in den Tank 4 eingeführt. Das Waschen der Keime in den Tanks 13 wird mit frischem Wasser 14 ausgeführt, und die Feuchtigkeit in Trockner 7 ausgetrieben. Der Keim wird dann mit dem ersten Hydrozyklon 9 separiert und zu einer andern Mühle 3A und einem anderen Tank 4A zu einer zweiten Separation mit zweiten Hydrozyklonen 9A geleitet, und durch Sieb 7A gesiebt.
Eine weitere Mahlung wird in einer Mühle 6 ausgeführt, dann druckgespeist durch die Siebe 8A gesiebt, und die Faser wird in den Tanks 15 mit Prozesswasser 16 gewaschen und die Faser wird entfernt. Die verbleibende Stärke- und Glutenmischung wird im Zyklon 17 entkörnt, zu einem Mühlgutstromeindicker 18 geleitet und das Prozesswasser 16A wird entfernt. Eine erste Zentrifuge 10 entfernt die Stärke und leitet die separierte Stärke zu einem mehrstufigen Waschsystem in den Tanks 19, in denen frisches Wasser 14A verwendet wird, um die Stärke zu erhalten. Etwas von der Mischung wird zu einer Klärvorrichtung 20 geleitet, wobei das Prozesswasser 16B entfernt wird.
Die separierten Gluten werden zu einer Gluteneindickerzentrifuge 21 gesendet, das Prozesswasser 16C wird entfernt, dann durch einen Glutenbandfilter 22 gegeben, um die Gluten zu erhalten. Auf diese Weise werden Stärke und Gluten separiert.
Die folgenden Beispiele sollen einzig der weiteren Veranschaulichung der Erfindung dienen und sollen den Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, nicht beschränken.
BEISPIELE
Erste Beispielgruppe: Mais (100 g) wurde zunächst in Wasser (180 ml) für 3 Stunden bei 48°C getränkt und das Tränkwasser entfernt (kann 1,0 bis 6,0 Stunden lang bei 45 bis 60°C durchgeführt werden). Der Mais wurde dann unter Verwendung eines Mischers vom Waring-Typ in einem gleichen Volumen Wasser gemahlen, um die normale erste Mahlung (Grobmahlung) zu simulieren, die gewöhnlich in der Nassmahlindustrie durchgeführt wird.
Der Aufschlämmung wurden normale Chemikalien zum Einweichen (Natriummetabisulfit bei 600 bis 2.000 ppm mit oder ohne Milchsäure (0,5% w/w)) oder Natriumacetatpuffer, pH-Wert 4,0 bis zu einer Endkonzentration von 0,05 M zugegeben. Den Aufschlämmungen wurde Enzym (500 mg Bromelain aus dem Ananasstamm wurde für die Ergebnisse verwendet, die in 2 und 3 gezeigt werden, aber es wurden auch andere Enzyme getestet) zugegeben und die Aufschlämmung wurde für 1 bis 4 Stunden bei 48°C inkubiert (kann 0,5 bis 6,0 Stunden lang bei 20 bis 70°C durchgeführt werden) wobei alle 30 Min. gerührt wurde (es kann kontinuierlich gerührt werden).
Nach dem Inkubationszeitraum wurde die Aufschlämmung gemäß dem Verfahren von Eckhoff et al. (Eckhoff, S. R., et al., "A 100-g laboratory corn wet-milling procedure", Cereal Chem. 73: 54–57 (1996)) verarbeitet, um die Fraktionsausbeuten (Faser, Stärke, Keim und Protein) zu bestimmen.
Der Proteingehalt der Stärke wurde unter Verwendung der Offiziellen Analyseverfahren AOAC 991.201 (Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC) bestimmt. Die Werte werden als Mittelwert der Doppelbestimmungsmessungen gezeigt.
Die Ergebnisse in unserem Labor haben gezeigt, dass Proteasen (ohne Zugabe von Chemikalien zum Einweichen), wenn sie mit dem modifizierten Zwei-Schritt-Einweichverfahren verwendet werden, eine signifikante Verbesserung bei den Stärkeausbeuten gegenüber in Wasser eingeweichten Proben zeigten, und Ausbeuten hatten, die mit herkömmlich eingeweichten Proben (eingeweicht mit SO₂ und Milchsäure) vergleichbar sind (2). Dies steht in scharfem Kontrast zur Verwendung der gleichen Enzyme bei einem Ein-Schritt-Einweichverfahren, bei dem es keine signifikante Verbesserung gegenüber den Kontrollproben gibt.
Zusätzliche Untersuchungen haben gezeigt, dass das Aufrechterhalten des gleichen Enzymspiegels und das Erhöhen der Inkubationszeit Stärkeausbeuten ergeben, die mit herkömmlich eingeweichten Proben vergleichbar sind. Wir haben auch nachgewiesen, dass diese Enzyme in Gegenwart von SO₂ verwendet werden können, und dass die Stärkeausbeuten unter Verwendung einer signifikant reduzierten SO₂-Konzentration (600 ppm) von herkömmlichen Kontrollproben (2.000 ppm) nicht zu unterscheiden sind (3). Normalerweise werden kommerziell 2.000 bis 2.500 ppm SO₂ verwendet. Ein Zweck der Verwendung von SO₂ ist es, die Keimzahl in den verschiedenen Produktströmen zu kontrollieren, Mikroben können kontrolliert werden, indem nur 600 ppm SO₂ verwendet werden. Das Enzym wurde durch 600 ppm SO₂ nicht inaktiviert.
Der Proteingehalt der Stärke zeigt, dass die (mit oder ohne SO₂) enzymbehandelten Proben einen ähnlichen Proteingehalt haben wie herkömmlich eingeweichte Proben. Die Kontrollprobe ohne SO₂ und ohne Enzym zeigt einen signifikant höheren Proteingehalt.
Zweite Beispielgruppe: Proteaseenzyme (Bromelain aus dem Ananasstamm; Pepsin aus Schweinemagenschleimhaut; saure Aspergillus-Proteinase, Typ XIII von Aspergillus saitoi) wurden von Sigma gekauft. Alle anderen Enzyme (Xylanase, Cellulase, Cellobiase, β-Glucanase) wurden von den Herstellern unentgeltlich zur Verfügung gestellt. Ein gelber Zahnmaishybrid (Pioneer 3394, der während der Ernteperiode 1999 auf der Agricultural Engineering Farm, University of Illinois in Urbana Champaign angebaut wurde) wurde für die Untersuchung verwendet. Die Maisproben wurden per Hand gereinigt, um gebrochene Körner und Fremdmaterialien zu entfernen. Die Proben wurden dann verpackt und bei 4°C bis zur Verwendung gelagert. Der gesamte Feuchtigkeitsgehalt der Körner der Proben wurde unter Verwendung des 103°C-Konvektionsofenverfahrens AACC 2000a (American Association of Cereal Chemists (AACC), 2000a, Approved Methods of the AACC, B. Aufl., Methode 44-15A, The Association: St Paul, MN) gemessen.
Messungen der Enzymaktivität: Der Proteingehalt wurde mit dem Bradford-Verfahren (Bradford, M. M., Anal. Biochem., 72: 248–254 (1976)) mit Reagenzien, die von Sigma erworben wurden, unter Verwendung von Rinderserumalbumin als Proteinstandard bestimmt. Die Carbohydraseaktivitäten wurden gemessen als Anstieg von Äquivalenten reduzierender Gruppen in Acetatpuffer, pH-Wert 4,5 bei 40°C gemessen (Jolinston, D. B., et al., J Food Biochem, 22: 301–319 (1998)); die Aktivitätseinheiten wurden definiert als die Veränderung in den reduzierenden Gruppen, die einem Anstieg von 1 μg Zucker je Min. entsprach. In den Cellulase- und Glucanaseassays wurden Carboxymethylcellulose bzw. Gersten-β-glucan als Substrate, und Glucose als Standardzucker verwendet. In den Xylanase- und Hemicellulaseassays wurden Xylan bzw. Maisfasergummi (Doner, L. W., et al., Cereal Chem., 75: 408–411 (1998)) als Substrate, und Xylose als Standardzucker verwendet. In den Amylase- und native Stärkeassays wurde gelatinierte und ungelatinierte Maisstärke als Substrat und Maltose als Standardzucker verwendet. Die Proteaseaktivität wurde gemäß dem modifizierten Verfahren von Anson (Abe, M., et al., Agric. Biol. Chem., 41 (5): 893899 (1977)) durchgeführt; eine Proteaseeinheit ist als SA280 von 0,001 je Min. (1 cm optische Weglänge) bei pH-Wert 4,5 und 40°C definiert, gemessen als TCA-lösliche Produkte unter Verwendung von Hämoglobin als Substrat in Gegenwart von 10 mM Cystein.
Nassmahlverfahren: Die herkömmliche Mais-Nassmahlung wurde unter Verwendung des 100 g-Labor-Mais-Nassmahlverfahrens durchgeführt (Eckhoff, S. R., et al., Cereal Chem., 73: 54–57 (1996)). Das modifizierte Zwei-Schritt-Einweichverfahren wurde wie folgt ausgeführt: Maisproben (100 g) wurden in 500 ml Erlenmeyer-Kolben mit 180 ml Wasser oder Einweich-Chemikalien (0,2% SO₂ + 0,55% Milchsäure) gegeben. Der Mais wurde für 3 Std. bei 48°C eingeweicht. Das Wasser wurde in einen 250 ml-Messzylinder abgeleitet und dieses nicht absorbierte Wasservolumen wurde gemessen und dann getrocknet, um den Gesamtfeststoffgehalt unter Verwendung des Zwei-Schritt-Trocknungsverfahrens AACC 2000b (American Association of Cereal Chemists (AACC), 2000b, Approved Methods of the AACC, 8. Aufl., Methode 44-18, The Association: St Paul, MN) zu bestimmen. Der Mais wurde dann in einem gleichen Volumen Wasser (v/v) unter Verwendung eines Mischers vom Waring-Typ gemahlen. Die Aufschlämmung wurde dann in einen Erlenmeyer-Kolben überführt und zusätzliche Reagenzien (Enzym, Puffer, Natriummetabisulfit, Milchsäure) wurden zugegeben. Der Kolben wurde dann bei 48°C (Wasserbad) für die 1 bis 4 Std. inkubiert, wobei in 30-Min.-Intervallen gemischt wurde. Nach der Inkubation wurde die Aufschlämmung mit dem herkömmlichen Labor-Nassmahlverfahren (Eckhoff, S. R., et al., Cereal Chem., 73: 54–57 (1996)) gemahlen.
Inkubationsbedingungen: Normales Einweichen wurde unter Verwendung des unmodifizierten 100-g-Verfahrens (Eckhoff, S. R., et al., Cereal Chem., 73: 54–57 (1996)) unter Verwendung von 2.000 ppm Schwefeldioxid und 0,55% Milchsäure und Einweichen für 24 Std. bei 52°C vor dem Mahlen durchgeführt. Enzyme und Chemikalien wurden der Einweichlösung direkt zugegeben. Enzymbehandlungen wurden mit Zugabe von Schwefeldioxid und Milchsäure, nur Milchsäure oder ganz ohne Chemikalien durchgeführt. Andere Einweichzeiten als 24 Str. wurden ebenfalls getestet.
Normales Zwei-Schritt-Einweichen wurde unter Verwendung von 2.000 ppm Schwefeldioxid mit 0,55% Milchsäure während des anfänglichen Tränkungsschritts (3 Std.) durchgeführt. Während der zweiten Inkubationsprozedur wurden keine zusätzlichen Chemikalien zugegeben.
Die enzymbehandelten Proben, bei denen das Schritt-Verfahren verwendet wurde, wurden in Wasser (keine Chemikalien, Enzyme oder Puffer zum Einweichen) für den ersten Schritt des Verfahrens eingeweicht. Nach der ersten Mahlung wurden 10 ml von 1 M Natriumacetatpuffer, pH-Wert 4,0 zugefügt, um den pH-Wert zu kontrollieren (der End-pH-Wert betrug 4 bis 4,5). Natriummetabisulfit wurde den angegebenen Proben zugegeben, um eine Schwefeldioxid-Äquivalentkonzentration von 200, 600 oder 2.000 ppm zu ergeben. Die Enzyme wurden entweder als ein trockenes Pulver (Bromelain, 250, 500 oder 1.000 mg; Pepsin, 250 mg; saure Aspergillus-Proteinase Typ XIII, 250 mg) oder als Flüssigkeit (Cellulasen, Xylanasen oder β-Glucanase, 5 ml) zugegeben. Kontrollproben (Puffer) und nur mit Schwefeldioxid behandelte Proben wurden identisch, aber ohne jedwede Enzymzugabe, durchgeführt.
Proteinassay der Stärke: Der Proteingehalt der Stärke wurde von einem kommerziellen analytischen Labor bestimmt (Silliker Laboratories Group, Chicago Heights, IL) unter Verwendung des AOAC-Verfahrens 991.20 (AOAC Official Methods of Analysis, 1990, überarbeitet März 1996, Stickstoff (Gesamt) in Milch, Verfahren 991.20, AOAC 73,849).
Ergebnisse des herkömmlichen (Ein-Schritt-)Verfahrens mit Enzymbehandlungen: Die anfänglichen Experimente sollten die veröffentlichten Ergebnisse für Enzyme replizieren, die während des herkömmlichen Einweichens zugegeben wurden (Steinke, J. D., and L. A. Johnson, Cereal Chem., 68: 7–12 (1991); Caransa, A., et al., Starch/Stärke, 40: 409–411 (1988); Hassanean, A., and A. Abdel-Wahed, Starch/Stärke, 38: 417 (1986); Moheno-Perez, J. A., et al., Starch, 51: 16–20 (1999)) unter Verwendung des gut reproduzierbaren 100-g-Labor-Mais-Nassmahlverfahrens. Die experimentellen Behandlungen bestanden aus der Enzymzugabe wie folgt: (a) Zugabe von Schwefeldioxid und Milchsäure, (b) Zugabe von Milchsäure ohne Schwefeldioxid, und (c) ohne Zugabe von Schwefeldioxid oder Milchsäure. Die 24-Std.-Tränkungsexperimente zeigten mit der Zugabe irgendeiner der getesteten Enzymkombinationen keine Verbesserung der Stärkeausbeute. Eine kleine, aber statistisch signifikante Abnahme der Stärkeausbeuten, verglichen mit den gepufferten Kontrollproben, wurde mit verschiedenen Proben beobachtet.
Ergebnisse der Zwei-Schritt-Prozedur mit Glycosidasen: Wenn die modifizierte Zwei-Schritt-Prozedur verwendet wurde (3 Std. Tränken intakter Körner gefolgt von grobem Mahlen und einer 3-Std.-Inkubation des gemahlenen Breis) mit Enzymzubereitungen ähnlich jenen, die in der herkömmlichen (Ein-Schritt-)Prozedur verwendet werden, wurden signifikante Erhöhungen sowie Verringerungen bei den Stärkeausbeuten beobachtet. Die Mischungen der kommerziellen Zubereitungen, die verringerte Stärkeausbeuten zeigten, wurden weiter getestet, um die spezifische, dafür verantwortliche Komponente zu identifizieren. 5 zeigt die Fraktionsausbeuten für drei einzelne Komponenten (β-Glucanase, Cellulasen oder Xylanasen). Wenngleich alle drei, verglichen mit der Puffer-Kontrollstärkeausbeute, eine signifikante Verringerung der Stärkeausbeuten zeigten, wurde die β-Glucanasezubereitung eindeutig als die wichtigste Komponente identifiziert, die für die starke Verringerung der Stärkeausbeuten verantwortlich ist. Die Glutenausbeuten waren auch für die β-Glucanasezubereitung erhöht, die potentiell einen Verlust an Stärke durch enzymatische Hydrolyse in die Glutenfraktion anzeigen. Keine der getesteten Carbohydrasen war bei der Erhöhung der Stärkeausbeuten hilfreich.
Ergebnisse der Zwei-Schritt-Prozedur mit Proteasen: Es wurden drei verschiedene Proteasen (Pepsin, saure Protease oder Bromelain) einzeln und in Kombination mit anderen Hydrolasen (Cellulasen, Xylanase und β-Glucanase) unter Verwendung der Zwei-Schritt-Prozedur getestet. Die Fraktionsausbeuten für Proteasen ohne zusätzliche Enzyme werden in 6 gezeigt. Pepsin und die saure Protease zeigten eine signifikante Verbesserung bei den Stärkeausbeuten gegenüber der Pufferkontrollprobe; jedoch zeigte Bromelain die größte Verbesserung. Es gab auch eine signifikante Verringerung bei der gesamten Faserausbeute aus den drei getesteten Proteasen, verglichen mit der gesamten Faserausbeute aus der Pufferkontrolle. Es gab keinen signifikanten Unterschied bei der Faserausbeute zwischen der chemischen Kontrollprobe und der mit Bromelain behandelten Probe. Mischungen der Proteasen mit den anderen Hydrolasen zeigten keine zusätzliche Verbesserung bei den Stärkeausbeuten gegenüber der Verwendung von Protease allein; jedoch wurden Veränderungen bei den Faser- und/oder Glutenfraktionen beobachtet.
Ergebnisse, die die Wirkung der Bromelainkonzentration zeigen: Unter Verwendung der Zwei-Schritt-Prozedur wurden die Wirkungen der Bromelainkonzentration auf die Stärkegewinnung bestimmt. Es wurden drei Enzymlevel (250, 500 und 1.000 mg je 100 g Mais) bewertet. Die Fraktionsausbeuten werden in 7 gezeigt. Alle getesteten Levels zeigten Verbesserungen bei den Stärkeausbeuten gegenüber den Pufferkontrollproben. Signifikante Unterschiede wurden zwischen den 250- und 500-mg-Behandlungen beobachtet. Es gab nur einen Wiederholungsversuche für die 1.000-mg-Probe.
Die Ergebnisse des Zeitverlaufs der Bromelainbehandlung: Unter Verwendung der Zwei-Schritt-Prozedur und das 500-mg-Bromelain-Anwendungslevel wurde ein Zeitablauf für die Behandlung aufgestellt. Die Proben wurden für 3 Stunden in Wasser eingeweicht (1. Schritt der modifizierten Prozedur), gefolgt von der groben Zerkleinerung und der enzymatischen Behandlung für 1, 2, 3 oder 4 Stunden vor dem Vermahlen (2. Schritt der modifizierten Prozedur). Die Fraktionsausbeuten werden in 8 gezeigt. Die Ergebnisse zeigen eindeutig eine progressive Erhöhung bei den Stärkeausbeuten und eine allgemeine Abnahme der Gesamtfaser mit erhöhten Inkubationszeiten.
Ergebnisse, die die Wirkung von Schwefeldioxid auf Enzymbehandlungen zeigen: Schwefeldioxid (SO₂) wurde in Mais-Nassmahlanlagen verwendet, um das mikrobielle Wachstum zu kontrollieren. Um zu bestimmen, ob die Schwefeldioxidlevel (200–600 ppm), die niedriger sind als jene die kommerziell verwendet werden (1.000 bis 2.000 ppm) zugegeben werden könnten, um das mikrobielle Wachstum zu hemmen ohne die Enzymaktivität während des modifizierten Mahlprozesses zu beeinträchtigen, wurden die Proben mit oder ohne Schwefeldioxid, das während des Inkubationsschritts zugegeben wurde, verarbeitet. Die Ergebnisse werden in 9 gezeigt. Die Proben, die nur mit 600 ppm Schwefeldioxid behandelt wurden, zeigten eine geringe Erhöhung bei den Stärkeausbeuten verglichen mit den Pufferkontrollproben; jedoch war die gesamte Faserausbeute signifikant erhöht, und die Stärkeausbeuten waren signifikant niedriger als die für die mit Bromelain behandelten Proben sowie die chemischen Kontrollproben. Die Proben, die mit Bromelain allein getestet wurden, zeigten verbesserte Stärkeausbeuten im Vergleich zu den Stärkeausbeuten oder den Pufferkontrollproben gemäß den vorherigen Experimenten. Die Zugabe von sowohl Bromelain als auch Schwefeldioxid zeigte eine weitere Verbesserung bei den Stärkausbeuten im Vergleich zu den Kontrollproben bei einem Level von 600 ppm; jedoch gab es beim 200-ppm-Level keine zusätzliche Verbesserung.
Ergebnisse hinsichtlich des Proteins in der Stärke: Die Restproteingehalte in den Stärkeproben, die aus den Mahlungsuntersuchungen erhalten wurden, wurden für mit Bromelain und Schwefeldioxid behandelte Proben bestimmt. 3 zeigt die Ergebnisse der Stärkeausbeuten sowie den Prozentsatz an Protein an, der für jede Stärkefraktion bestimmt ist. Der Proteingehalt der mit Schwefeldioxid und mit Enzym behandelten Proben war bei allen signifikant niedriger als die Pufferkontrollproben (kein Enzym, kein SO₂). Die Unterschiede zwischen den einzelnen Proben waren jedoch nicht signifikant genug, um irgendwelche zusätzlichen Schlussfolgerungen über die Wirksamkeit der Proteinentfernung unter Verwendung der Proteasebehandlungen zu ziehen. Die kombinierte Wirkung eines niedrigen Schwefeldioxidlevels plus der Anwendung von Proteaseenzym scheint bei der Senkung des finalen Proteingehalts der produzierten Stärke wirksamer zu sein als jede andere Behandlung allein.
Ergebnisse der 10X-Skala-Prozedur: Die herkömmliche Mais-Nassmahlung wurde unter Verwendung der 1-kg-Skala-Labor-Mais-Nassmahlverfahren durchgeführt. (Eckhoff, S. R., et al., Cereal Chem., 69: 191–197 (1993)). Die enzymatische Vermahlungsprozedur wurde unter Verwendung einer 10x-Skalenprozedur der modifizierten Zwei-Schritt-100-g-Nassmahlverfahren durchgeführt. Die Maisproben (1.000 g) wurden in 2 l Wasser bei 55°C für 3 Stunden getränkt. Das Wasser wurde abgeleitet und der Mais unter Verwendung von 1,5 l frischem Wasser gemischt. Die Aufschlämmung wurde in einen Edelstahleimer überführt und es wurden der Puffer (Endkonzentration, 0,05 M Acetatpuffer, pH-Wert 5,0) und 5 g Bromelain zugegeben. Die Aufschlämmung wurde für 3 Stunden bei 48°C in einem Wasserbad inkubiert und unter Verwendung eines mechanischen Rührer kontinuierlich gemischt. Weitere Separationen und Verarbeitungsschritte wurden gemäß Eckhoff, S. R., et al., Cereal Chem., 69: 191–197 (1993) durchgeführt.
Die Fraktionsausbeuten aus der Kg-Prozedur unter Verwendung von Bromelain zeigten, verglichen mit den Ausbeuten aus den herkömmlichen Mahlproben, einen signifikanten Anstieg bei der Stärke- und Glutengewinnung. Der Tränkwasser- Feststoffgehalt aus den Bromelainbehandlungen wurde, verglichen mit den herkömmlichen Mahlungsausbeuten, stark verringert.
Um das Problem der Enzympenetration in das intakte Endosperm zu überwinden, war es unser Ansatz, ein Zwei-Schritt-Einweichsystem zu verwenden. Der erste Schritt dient dazu, das Maiskorn für mehrere Stunden (z. B. 3 Std.) in Wasser (ohne Zugabe von Chemikalien zum Einweichen) zu hydratisieren, so dass der Keim vollständig hydratisiert ist und ausreichend geschmeidig wird, dass er nicht bricht, wenn der Mais grob gemahlen wird. Der zweite Teil unseres Einweichsystems beinhaltet die Behandlung der Aufschlämmung aus grob gemahlenem Mais mit Enzym (z. B. Protease). Nach der Behandlung wird der Mais unter Verwendung normaler Mais-Nassmahverfahren gemahlen. Dieser Ansatz entfernt die Diffusionsbarrieren und erlaubt es den Enzymen, in das Maisendosperm einzudringen und mit den Proteinsubstraten zu reagieren.
Die Enzymzubereitungen, die unter Verwendung des Zwei-Schritt-Verfahrens die signifikantesten Verbesserungen bei den Stärkeausbeuten erbrachten, waren die Proteasen. Die Proteasen, die zum Testen ausgewählt wurden, wurden basierend auf ihrem optimalen pH-Wert, der Temperaturstabilität und dem Potential des Enzyms zur Bewahrung der Aktivität in Gegenwart von SO₂ (Cysteinproteasen) gewählt. Die Beibehaltung der Aktivität in Gegenwart von Schwefeldioxid wurde als sehr wichtig erachtet, da es wahrscheinlich ist, dass die Zugabe von SO₂ auf niedrigem Niveau weiterhin erwünscht sein wird, um mikrobieller Verunreinigung vorzubeugen. Andere Proteasen könnten in Abwesenheit von Schwefeldioxid oder bei der Verwendung anderer antimikrobieller Verbindungen nützlich sein.
Es wurde festgestellt, dass die Proteasen allein genauso wirksam oder wirksamer sind, als wenn sie in Mischungen mit anderen Hydrolasen (6) verwendet werden. Dies ist etwas überraschend, da davon ausgegangen wurde, dass Hemicellulose abbauende Enzyme dabei helfen würden, die gebundene Stärke von der Faser freizusetzen. Die Stärkeausbeuten aus mit Bromelain behandelten Proben waren signifikant höher als die Ausbeuten aus mit Pepsin oder saurer Protease behandelten Proben. Dies ist wahrscheinlich mindestens teilweise auf die nicht optimalen pH-Bedingungen zurückzuführen, die für Pepsin und saure Protease verwendet wurden. Es war notwendig, einen Kompromiss-pH-Wert zu verwenden (bei dem alle aktiv, aber nicht notwendigerweise optimal waren) um eine übermäßige Anzahl von Kontrollproben zu vermeiden.
Bromelain wurde für zusätzliche Untersuchungen ausgewählt, um zu bestimmen, ob Ausbeuten weiter verbessert werden könnten, und um die Mindestmenge an Enzym zu bestimmen, die notwenig ist, um die Stärkeausbeute aufrecht zu erhalten. Es wurden drei verschiedene Bromelainniveaus (250, 500 und 1.000 mg unter Verwendung von 3 Std. Tränkung und 3 Std. Inkubation) und 4 Inkubationszeiten (1, 2, 3 und 4 Std. unter Verwendung von 500 mg Bromelain und einer Tränkung von 3 Std.) getestet (7 und 8). Die 250 mg Bromelainzugabe erbrachte Stärkeausbeuten, die höher waren als die Stärkeausbeuten, die mit dem zuvor getesteten Pepsin oder mit saurer Protease (6) erbracht wurden, war aber mehrere Prozent niedriger als die Stärkeausbeuten aus den chemischen Kontrollproben. Die Stärkeausbeute war höher als bei den mit 500 mg behandelten Proben, die für 2 Std. oder weniger inkubiert wurden, aber nicht nach langen Inkubationen. Inkubationen, die länger als 3 Std. dauerten wurden unter Verwendung von 250-mg-Behandlung nicht getestet; es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Ausbeuten schließlich die Ausbeuten der chemischen Kontrollproben erreichen würden, vorausgesetzt, dass das Enzym nicht inaktiviert ist.
Ein Unterschied zwischen den Stärkeausbeuten für die mit 500 und mit 1.000 mg Bromelain behandelten Proben wurde beobachtet, aber eine statistische Signifikanz konnte nicht zugeschrieben werden (nur 1 Datensatz für die mit 1.000 mg behandelte Probe). Es bestand kein signifikanter Unterschied zwischen den Gesamtfaserausbeuten zwischen den Proben, die mit 500 und mit 1.000 mg Bromelain behandelt wurden. Wenngleich nicht getestet, so ist es doch unwahrscheinlich, dass weitere Gewinne durch die Zugabe von zusätzlichem Bromelain erhalten werden könnten.
Die Zeitverlaufsanalyse (8) zeigte größere Stärkeausbeuten mit Erhöhung der Inkubationszeit; jedoch verringert sich die Veränderung je Zeiteinheit stetig, was einen Maximalwert für die Stärkeausbeuten angibt. Als wir die Daten in ein XY-Diagramm ausgaben, und die Gleichung 2. Ordnung der besten Anpassung berechneten, betrug der Maximalwert 66,3 Prozent, was ungefähr den Ausbeuten der chemischen Kontrollproben entspricht.
Die letzte Versuchsreihe wurde durchgeführt, um die Wirkungen der Schwefeldioxidzugabe auf niedrigem Niveau auf den Prozess während des Inkubationsschritts zu bestimmen. Die mikrobielle Verunreinigung könnte ein potentielles Problem während des Enzyminkubationsschritts der Verarbeitung sein. Die Schwefeldioxidzugabe mit Niveaus von 200 bis 600 ppm (abhängig vom pH-Wert) zur Hemmung des mikrobiellen Wachstums wirksam sein (Block, R. L., Antimicrobials in Food Sanitation and Preservation, Seiten 814–815, IN: Disinfection, Sterilization, and Preservation, 4. Aufl., 1995, Lea & Febiger, Philadelphia; Lewis, R. J., Food Additives Handbook, 1989, Seiten 412–413, Van Nostrand Reinhold, New York). Wie erwartet, haben wir festgestellt, dass die Schwefeldioxidzugabe (ohne Enzym oder Milchsäure) eine gewisse Verbesserung bei den Stärkeausbeuten gegenüber den Kontrollproben (nur Puffer) erbrachte (9 und 10). Die mit Enzym behandelten Proben zeigten sämtlich größere Verbesserungen bei den Stärkeausbeuten gegenüber den Proben, die nur mit Schwefeldioxid behandelt wurden. Die Kombination von Schwefeldioxid (600 ppm) mit der Enzymzugabe zeigte die größte Verbesserung und war im Durchschnitt besser als die chemischen Kontrollproben. Die Proteinbestimmungen erfolgten auf produzierten Stärkeproben (10), um zu bestimmen, ob die enzymatischen Behandlungen das Protein ausreichend aus der Stärke entfernten. Die Stärkekontrollprobe (kein Schwefeldioxid und kein Enzym) zeigte einen durchschnittlichen Proteingehalt von 0,54% und einzelne Werte von bis zu 0,7%, weit über dem Akzeptanzniveau von 0,3%. Die mit Enzym behandelten Stärkeproben lagen für die kombinierte Schwefeldioxid-Bromelain-Behandlung alle unterhalb von 0,28% und sogar nur 0,19%. Aus den Daten ging eindeutig hervor, dass die Zugabe von Schwefeldioxid zu der Enzyminkubation keine negative Auswirkung auf die enzymatische Aktivität hatte, aber eine leichte Verbesserung gegenüber der Verwendung von Enzym allein erbrachte.
Zusätzliche Proteasen, die in diesem Prozess verwendet werden könnten, müssten unter den verwendeten spezifischen Bedingungen Aktivität und Stabilität besitzen. Diese Proteasen müssten auch die Proteine hydrolysieren, die die Stärkekörnchen umgeben. Solche Enzyme würden eine Spezifität gegenüber Peptidbindungen in Glutelinen, Zein und anderen kleineren Maisendospermproteinen aufweisen. Die resultierenden Peptide würden dann während der Verarbeitung separiert. Die Reaktionsbedingungen müssten Enzymkonzentration, pH-Wert, Temperatur, (gegebenenfalls) Schwefeldioxidtoleranz, und andere enzymspezifische Faktoren, wie etwa Mineral- oder Cofaktorbedarf, berücksichtigen. Weitere Verbesserungen bei der Stärkegewinnung können durch die Auswahl anderer Enzyme erfolgen.
Unser Verfahren weist eine Anzahl von potentiellen Vorteilen auf, die mit der vorliegenden Forschung nicht spezifisch adressiert wurden, die aber wahrscheinliche Folgen dieser Anmeldung sind: (1) Die kürzeren Einweichzeiten könnten die Energiekosten und die Kapitalinvestitionen in die Einweichtanks verringern. (2) Die kürzeren Verarbeitungszeiten könnten die Anlagenkapazität erhöhen. (3) Der Prozess könnte potentiell sowohl zerbrochene als auch unzerbrochene Körner verwenden, indem sie gemahlen und direkt in den Inkubationstank gegeben werden oder indem sie für eine verringerten Zeitraum (bezogen auf intakte Körner) eingeweicht werden, bevor sie dem Mahlgutstrom zugegeben werden. Dies würde zu einem erhöhten Ausstoß an Primärprodukt (Stärke) bei gleicher Mais-Zufuhr führen. (4) Das Tränkwasser aus dem modifizierten Verfahren enthält relativ wenige gelöste Stoffe, verglichen mit dem herkömmlichen leichten Einweichwasser (ungefähr 90% weniger). Dieses Wasser könnte potentiell rückgewonnen werden, indem eine Membranfiltration verwendet wird, die den Bedarf und die Ausgaben für Verdampfer hinfällig macht.

Claims

Verfahren zum Erhalten von Stärke aus Mais, umfassend das Tränken von Maiskörnern in Wasser für 1 bis 6 Stunden, um getränkte Maiskörner zu produzieren, das Mahlen der getränkten Maiskörner, um eine Aufschlämmung aus gemahlenem Mais zu produzieren, und das Inkubieren der Aufschlämmung aus gemahlenem Mais mit Protease, wobei das Verfahren weniger als 600 ppm SO₂ verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tränken 2 bis 4 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tränken etwa 3 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tränken bei 45°C bis 60°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tränken bei 45°C bis 50°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tränken bei etwa 48°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren 0,5 bis 6 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren 1 bis 4 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren etwa 3 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren bei 20°C bis 70°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren bei 40°C bis 55°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Inkubieren bei etwa 48°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weniger als 100 ppm SO₂ verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren etwa 0 ppm SO₂ verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Protease Bromelain ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der Protease etwa 1.000 mg je 100 g Mais beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der Protease etwa 500 mg je 100 g Mais beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der Protease etwa 250 mg je 100 g Mais beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der Protease etwa 100 mg je 100 g Mais beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der Protease etwa 50 mg je 100 g Mais beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Mahlen und Entkeimen der Aufschlämmung aus gemahlenem Mais nach dem Inkubieren mit der Protease.
Verfahren nach Anspruch 1, im Wesentlichen bestehend aus dem Tränken von Maiskörnern in Wasser für 1 bis 6 Stunden, um getränkte Maiskörner zu produzieren, dem Mahlen der getränkten Maiskörner, um eine Aufschlämmung aus gemahlenem Mais zu produzieren, und dem Inkubieren der Aufschlämmung aus gemahlenem Mais mit Protease.