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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
im weiteren Sinne ein verbessertes Verfahren zur Fraktionierung
von Gluten, bei dem Gliadin und Glutenin gewonnen wird. Die Erfindung
erstreckt sich insbesondere auf ein solches Fraktionierungsverfahren,
das vorzugsweise im wesentlichen frei von Alkohol ist, um die Probleme
der Alkoholrückgewinnung
und Umweltverschmutzung zu vermeiden, die für gegenwärtige Trennungsverfahren typisch
sind. Das hier beschriebene Verfahren umfaßt zunächst die Bildung einer Dispersion
von Gluten in einem wässrigen
sauren Medium in Gegenwart eines reduzierenden Agens (z. B. Natriummetabisulfid),
das nutzbar ist, Disulfidbrücken
im Gluten-Protein zu spalten, gefolgt von einer Erhöhung des
pH-Wertes der Dispersion und dem Verursachen einer Präzipitation
von Glutenin, wobei Gliadin in der Dispersion suspendiert verbleibt;
die Glutenin- und Gliadin-Fraktionen können dann getrennt werden.
Die Verwendung von reduzierenden Agenzien in der Gluten-Dispersion
verringert die Viskosität
der Dispersion und erleichtert in hohem Maße die gewünschte Fraktionierung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Weizengluten kann problemlos aus
Weizenmehl isoliert werden, indem man Weizenmehl-Teig einfach unter
einem Wasserstrom bearbeitet. Die suspendierbare Stärke-Fraktion
des Mehls wird ausgewaschen, wobei im wesentlichen wasserunlösliches
Weizengluten zurückbleibt,
das üblicherweise
etwa 75 Gew.-% Protein, 8 Gew.-% Lipid und einen Rest aus Asche,
Faser und Reststärke
enthält.
Isoliertes Weizengluten kann anschließend in seine proteinhaltigen
Bestandteile, Gliadin und Glutenin, getrennt werden.
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Gliadin ist ein einzelkettiges Protein
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 30.000–40.000
und einem isoelektrischen Punkt bei pH 4,0–5,0. Gliadin-Proteine sind
im hydratisierten Zustand extrem klebrig und zeigen geringen oder
keinen Widerstand gegen Ausdehnung. Gliadin ist für den charakteristischen
Zusammenhalt des Glutenteigs verantwortlich. Glutenin ist ein größeres, mehrkettiges
Protein mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 3.000.000,
das von 100.000 bis zu mehreren Millionen reicht. Der isoelektrische
pH von Glutenin beträgt
etwa 6,5–7,0.
Glutenin ist widerstandsfähig
gegenüber Ausdehnung
und für
die Elastizität
von Glutenteig verantwortlich.
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Gliadin und Glutenin sind erstklassige
Produkte, sofern sie verfügbar
sind. Es ist bekannt, daß Gliadin die
Stabilität
von gefrorenem Teig bei Einfrieren und Auftauen sowie auch die Stabilität in der
Mikrowelle verbessert. Das Produkt wird ferner auch als vollständig natürlicher
Kaugummi-Basisersatzstoff sowie als pharmazeutisches Bindemittel
verwendet, und es verbessert die Textur und das Mundgefühl von Pasta-Produkten, und
es zeigte sich, daß es
kosmetische Produkte verbessert. Glutenin ist als teigverstärkendes
Mittel für
Backprodukte verwendet worden und hat Potential in Fleischersatzprodukten
gezeigt.
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Die Trennung von Gluten in Glutenin
und Gliadin wird beispielsweise in EP-A-357 169 oder in Curioni et
al. (1990), „Preparative
isoelectric focusing of reduced wheat gluten proteins", Electrophoresis
11, Seiten 462–467,
die große
Mengen an Alkohol (70% v/v oder 50% v/v) benötigen, um die Gluten-Untereinheiten
in Lösung
zu bringen.
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Im allgemeinen wird Weizengluten
in Gliadin- und Glutenin-Proteine fraktioniert, indem das Gluten
zunächst
in verdünnter
Säure gelöst und anschließend Ethanol
zugegeben wird, bis eine 70%ige Lösung erreicht wird. Die Lösung wird
anschließend
mit einer Base neutralisiert und über Nacht bei Kühlschranktemperatur
stehengelassen. Die Eihanol-löslichen
Gliadine gehen in Lösung,
wohingegen die Glutenine ausfallen. Die abschließende Trennung beinhaltet eine
Dekantierung oder Zentrifugation, um die getrennten, proteinhaltigen Fraktionen
zu erhalten. Obwohl Alkohol-Verfahren der beschriebenen Art bei
der Fraktionierung von Gliadin und Glutenin unter Laborbedingungen
wirksam sind, erweisen sich diese Methoden bei der kommerziellen Herstellung
im großen
Volumen als nicht durchführbar.
Insbesondere die Verwendung von hohen Ethanol-Konzentrationen kann
infolge der potentiellen Explosionsgefahren gefährlich sein und darüber hinaus
eine Umweltgefährdung
darstellen. Versuche, geringere Konzentrationen an Ethanol zu verwenden,
weisen -obwohl sie auf den ersten Blick eine Verbesserung zu sein scheinen-
letzten Endes dieselben Probleme auf wie die herkömmlichen
Verfahren mit hohen Alkoholkonzentrationen.
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Demgemäß besteht im Stand der Technik
ein echtes und unbefriedigtes Bedürfnis an verbesserten Verfahren
zur Gluten-Fraktionierung, die qualitativ hochwertige Glutenin-
und Gliadin-Produkte ergeben und kein Ethanol als Lösungsmittel
für die
Trennung benötigen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung löst die oben
beschriebenen Probleme und stellt ein Verfahren zur Gluten-Fraktionierung
für die ökonomische
Trennung von Weizengluten in Glutenin- und Gliadin-Fraktionen bereit. Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise ohne die Verwendung von Alkohol durchgeführt (d.
h. das Gluten wird in einem Medium dispergiert und getrennt, das
im wesentlichen frei von Alkohol ist und höchstens bis etwa 3 Gew.-% Alkohol
enthält),
und beinhaltet die Herstellung einer sauren Gluten-Dispersion in
Gegenwart eines reduzierenden Agens, das nutzbar ist, die Disulfid-Bindungen
im Gluten-Protein zu spalten. Der pH-Wert der Dispersion wird anschließend sorgfältig eingestellt,
so daß eine
wirksame Trennung von Gliadin und Glutenin ohne die Verwendung von
alkoholischen Lösungsmitteln
erreicht werden kann.
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Wie bereits oben beschrieben, erfordern
die Verfahren im Stand der Technik im allgemeinen das Vorliegen
großer
Mengen an Alkohol (vgl. EP-A-357 169; Curioni et al., a. a. o.).
Andere Verfahren, die in alkoholfreien, wässrigen, sauren Lösungen durchgeführt werden,
verwenden jedoch keine reduzierenden Agenzien (vgl. US-A-2861061 oder US-A-2861062).
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Im weitesten Sinne umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren
zunächst
das Bereitstellen einer Menge von Gluten sowie die Bildung einer
Dispersion des Glutens in einem wässrigen sauren Medium bei einem
ersten sauren pH-Wert in Anwesenheit eines reduzierenden Agens,
wobei im folgenden der pH-Wert der Dispersion auf eine zweite Stufe über der
ersten pH-Stufe angehoben wird, um zu bewirken, daß das Glutenin
aus der Dispersion präzipitiert,
während
Gliadin in Lösung
verbleibt. Anschließend
werden Glutenin und Gliadin in die jeweiligen Fraktionen getrennt.
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Genauer gesagt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren
zunächst
den Erhalt von Roh-Glutenteig als anfängliches Ausgangsmaterial für das Fraktionierungsverfahren.
Der Roh-Glutenteig wird normalerweise aus Weizenmehl-Teig erhalten, indem
man den Teig einfach mit reichlichen Mengen Wasser wäscht. Das
Gluten-Protein ist im wesentlichen wasserunlöslich und bildet eine viskoelastische
Masse. Der Roh-Glutenteig hat im allgemeinen einen Feststoffanteil
von etwa 25–35
Gew.-% auf Trockenbasis. Der Roh-Glutenteig sollte vorteilhafterweise
frisch hergestellt werden, und er sollte keine Gelegenheit haben,
für einen
längeren
Zeitraum (d. h. mehr als 12 Stunden) liegenzubleiben, bevor das
Fraktionierungsverfahren begonnen wird.
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Der Roh-Weizenglutenteig sollte in
einem wässrigen
sauren Medium in Anwesenheit eines reduzierenden Agens dispergiert
werden, wobei letzteres dazu dient, die Disulfid-Bindungen im Gluten-Protein
zu spalten. Der Gesamt-Feststoffanteil
der anfänglichen
Dispersion sollte im allgemeinen von etwa 8– 14 Gew.-% reichen, vorzugsweise
von etwa 1–11
Gew.-%, Trockenbasis. Bei der Bildung der Dispersion wird vorzugsweise
kaltes Wasser verwendet, vorzugsweise mit einer Ausgangstemperatur
von 15–25°C, wobei
etwa 18–20°C am meisten
bevorzugt werden. Eine große
Vielzahl von Säuren
kann bei der Bildung der Ausgangsdispersion verwendet werden. Vorzugsweise
werden lebensmitteltaugliche Säuren
verwendet, und Säuren,
die aus der Gruppe bestehend aus Essig-, Milch-, Zitronen-, Äpfel-, Bernstein-,
Phosphor-, Ameisen-, Fumar-, Wein-, Salz- und Schwefelsäuren sowie
Mischungen derselben finden besondere Anwendung im Rahmen dieser
Erfindung. Ferner kann eine Anzahl von reduzierenden Agenzien in
der anfänglichen
Dispersion verwendet werden, sofern sie die Fähigkeit haben, die Disulfid-Bindungen
des Gluten-Proteins aufzubrechen. Die am meisten bevorzugten reduzierenden
Agenzien werden aus der Gruppe bestehend aus Natriumsulfat, Natriumbisulfit, Natriummetabisulfit
und Mischungen derselben ausgewählt.
Ascorbinsäure
wirkt sowohl als Säure
als auch als reduzierendes Agens; es neigt jedoch dazu, die Endprodukte
Gliadin und Glutenin zu entfärben.
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Die Ausgangsdispersion wird normalerweise
hergestellt, indem man zunächst
das Wasser, die Säure und
das reduzierende Agens zusammenmischt, und anschließend den
Glutenteig zugibt, was in der Regel schrittweise erfolgt. Die Gesamtzeit,
die zum Dispergieren des Glutens erforderlich ist, sollte etwa 2–30 Minuten
betragen, vorzugsweise etwa 5–10
Minuten. Wie angedeutet wird der pH-Wert der Ausgangsdispersion sorgfältig kontrolliert.
Der anfängliche
pH-Wert der Dispersion beträgt
normalerweise etwa 3,5–4,5,
vorzugsweise etwa 3,8–4,3.
Die Menge des verwendeten reduzierenden Agens ist von der Fähigkeit
des ausgewählten Agens
abhängig,
Disulfid-Bindungen zu spalten. Generell wird das reduzierende Agens
normalerweise in einer Menge von etwa 0,05–0,2 Gew.-% und vorzugsweise
in einer Menge von etwa 0,1–0,15
Gew.-% verwendet.
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Nachdem die anfängliche Dispersion gebildet
ist, wird der pH-Wert auf eine zweiten Stufe über der ersten pH-Stufe angehoben,
um zu bewirken, daß das
Glutenin aus der Dispersion präzipitiert,
während
das Gliadin in Lösung
verbleibt. Im allgemeinen wird eine wässrige Base, wie beispielsweise
Ammoniak, zu der Ausgangsdispersion gegeben, um diese pH-Erhöhung zu
bewirken. Die zweite pH-Stufe
sollte vorzugsweise etwa 3,6–5,0
betragen, vorzugsweise etwa 4,3–4,5.
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In vielen Fällen ist es erstrebenswert,
die Dispersion wieder anzusäuern,
um den pH-Wert abzusenken und somit jeglichen Gliadin-Rest in dem
vorwiegend aus Glutenin bestehenden Präzipitat zu solubilisieren.
Zu diesem Zweck können
erneut die oben beschriebenen Säuren
verwendet werden. Eine solche Wiederansäuerung wird im allgemeinen
durchgeführt,
um einen endgültigen
pH-Wert von etwa 3,5–4,3
zu erhalten.
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Im letzten Schritt des Verfahrens
werden die Präzipitations-
und Überstands-Fraktionen
getrennt, üblicherweise
durch Absetzen oder Zentrifugation. Beispielsweise können Dispersionen
mit eingestelltem pH-Wert bei Kühlschranktemperaturen
(4°C) für etwa 15–24 Stunden
stehen gelassen werden, wobei anschließend die Gliadin-Schicht von
der präzipitierten
Glutenin-Masse dekantiert werden kann. Alternativ kann eine Zentrifugation
bei 5.000–8.000
Upm für
5–10 Minuten
durchgeführt
werden, um die Fraktionierung zu bewirken. Bei jeder der beiden
Methoden werden Fett und überschüssige Stärke mit
der präzipitierten Glutenin-Schicht
gesammelt. Nach der Trennung wird die Glutenin-Schicht üblicherweise
mit 3–5%iger
Salzlösung (wie
beispielsweise Soda-Asche) gewaschen, um es den Glutenin-Proteinen
zu gestatten, zu reagglomerieren, und um überschüssige Stärke zu entfernern. Dia Glutenin-Fraktion
kann anschließend
durch jede geeignete Methode getrocknet werden, beispielsweise durch
Konvektion, Sprühtrocknung
oder Schnelltrocknung. Die flüssige
Gliadin-Fraktion wird vorzugsweise ebenfalls durch irgendein geeignetes
Verfahren getrocknet.
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Die folgende Tabelle zeigt eine typische
Immediatanalyse für
die Gluten-Fraktionen, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren
erhalten wurden.
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Die getrocknete Gliadin-Fraktion
erscheint fast weiß,
während
die Glutenin-Fraktion goldbraun bis hellbraun ist. Der Proteingehalt
im Glutenin ist etwas niedriger; der prozentuale Gehalt an Protein
kann jedoch durch verbessertes Waschen zum Entfernen einiger Stärke erhöht werden.
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Die Verwendung eines reduzierenden
Agens führt
efindungsgemäß zu einer
Reihe von Vorteilen. Zum einen erhöht das reduzierende Agens die
Geschwindigkeit des Dispergierens und erniedrigt effektiv die Viskosität der Ausgangsdispersion
im ersten Schritt des Verfahrens. In vorhergehenden Versuchen, Gluten
nur in Gegenwart einer Säure
zu dispergieren, war ein Mischer mit hoher Rührleistung notwendig, um das
Gluten abzubauen. Dieses wiederum neigt zur Bildung einer hochviskosen
Dispersion, die – in
Kombination mit dem Feststoffgehalt derselben – dazu neigt, Hitze zu erzeugen
und die Temperatur der Dispersion zu erhöhen. Die Zunahme der Dispersionstemperatur
macht die Trennung von Glutenin- und Gliadin-Fraktionen schwierig, wenn
nicht unmöglich.
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Durch die Verwendung eines reduzierenden
Agens jedoch wird dieses potentielle Problem beseitigt.
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Zweitens ist die Anwesenheit eines
reduzierenden Agens während
der Zugabe der Base zur Erhöhung des
pH-Werts der Dispersion wichtig. Ohne ein reduzierendes Agens kann
die Zugabe der Base die Bildung einer dicken Masse verursachen,
was wiederum zu unerwünschten
Temperatursteigerungen als Folge von weiterem Mischen führen kann.
Daher ist das reduzierende Agens ein wichtiger Faktor bei der Erhaltung
relativ niedriger Dispersionstemperaturen, was die Fraktionierung
von Gluten zu einem durchführbaren
Verfahren macht. Die Maximaltemperatur der Dispersion vor dem Trocknungsschritt
sollte vorzugsweise nicht mehr als etwa 30°C betragen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die folgenden Beispiele zeigen bevorzugte
Fraktionierungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung. Es ist jedoch zu verstehen, daß diese Beispiele lediglich
dazu dienen, die Erfindung zu veranschaulichen, und nichts aus diesen
Beispielen sollte als Begrenzung des Gesamtbereichs der Erfindung
angesehen werden.
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Beispiel 1
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Bei diesem Beispiel im Labormaßstab wurde
Weizengluten fraktioniert, um Gliadin und Glutenin zu erhalten.
In einem ersten Verfahrensschritt wurde 1 l Stadtwasser in einen
4.000 ml-Kolben gegeben. Ein herkömmlicher Homogenisator-Mischer (Greerco)
wurde in das Wasser eingebracht, wobei der Schneidkopf eingetaucht
und mindestens 1 Inch vom Boden des Kolbens entfernt war, und wobei
die Ablenkplatte mit der Oberkante des Wasserspiegels abgeglichen
wurde. 5,8 ml Eisessig und 0,2 g Natriummetabisulfit wurden anschließend in
das Wasser gegeben, und der Homogenisator-Mischer wurde für 5 Minuten
eingeschaltet.
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Im nächsten Schritt wurden 500 g
feuchter Glutenteig (30–32
Gew.-% Faststoffe) in kleinen Stücken in
den Kolben gegeben, während
der Homogenisator-Mischer
in Betrieb war, wobei jedes Glutenstück eine Größe von ungefähr 20–30 g aufwies.
Das Mischen wurde fortgesetzt bis keine festen Teile mehr beobachtet wurden.
An diesem Punkt betrug der pH-Wert der Mischung etwa 3,8–4,2. Anschließend wurden
6 ml 5%iges Ammoniak zu der Mischung gegeben, wodurch diese sich
kurzzeitig verdickte und anschließend dünner wurde. Der pH-Wert der
Mischung betrug etwa 4,3–4,5,
wodurch bewirkt wurde, daß das
Glutenin und ein Teil des Gliadins präzipitierten, und wobei eine
Fraktion des Gliadins in der flüssigen
Phase verblieb. Die Mischung wurde anschließend weiter mit dem Homogenisator-Mischer für einen
Zeitraum von 2–3
Minuten gerührt.
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Als nächstes wurde eine zweite Probe
der flüssigen
Fraktion für
2 Minuten bei 3.000 Upm zentrifugiert, und eine gelbliche, milchige
Flüssigkeit
(Gliadin) wurde über
einer dicken, präzipitieren
Masse (Glutenin) am Boden des Zentrifugationsgefäßes beobachtet. Der Feststoffanteil
der flüssigen
Fraktion betrug etwa 2–3 Gew.-%.
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Anschließend wurde Eisessig zu der
Mischung gegeben, um den pH-Wert
auf etwa 4,0 einzustellen, um den pH-Wert vom isoelektrischen Punkt
des Gliadins zu erniedrigen und damit den Rest des Gliadins aus dem
Präzipitat
zu solubilisieren. Der Homogenisator-Mischer wurde anschließend für 2–3 Minuten
nach der Säurezugabe
betrieben.
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Eine weitere Probe der Flüssig-Fraktion
wurde wie oben beschrieben zentrifugiert und zeigte zwei Schichten;
die Feststoff-Fraktion der flüssigen
Gliadinschicht betrug etwa 4–5
Gew.-%. An diesem Punkt wurde der gesamte Rest der Probe bei 8.000
Upm für
5 Minuten zentrifugiert (Marathon 21 K-Zentrifuge, Fischer Scientific),
wobei 85 ml-Behälter
verwendet wurden. Die fraktionierten Proben, die aus der Zentrifugation
resultierten, wurden in entsprechende Trocken-Schalen eingebracht und in einem Ofen
bei 35°C
für 24–48 Stunden getrocknet.
Die resultierenden getrockneten Proben wurden anschließend zu
feinen Gliadin- und Glutenin-Pulvern zermahlen. In diesem Beispiel
wurden ungefähr
75–90
Gew.-% des Gesamt-Gliadingehalts wiedergewonnen.
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Beispiel 2
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In diesem Beispiel im Produktionsmaßstab wurden
1.670 Pfund Glutenteig (30–32
Gew.-% Feststoffe) in einen Meß-Behälter gegeben.
380 Gallonen Stadtwasser (15–25°C) wurden
zusammen mit 8,78 l Eisessig und 295 g Natriummetabisulfit in einen
Dispersionsbehälter
gegeben. Die Mischung in dem Dispersionsbehälter wurde für 5 Minuten
gerührt.
Der Glutenteig aus dem Meß-Behälter wurde
anschließend
unter Mischen in den Dispersions-Behälter gegeben, bis der Teig
vollständig
dispergiert war. Die Dispersion hatte einen pH-Wert von etwa 3,8–4,2.
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9,09 Liter 5%iges Ammoniak wurden
anschließend
in den Dispersionsbehälter
gegeben, wobei für
2–3 Minuten
gemischt wurde, was dazu führte,
daß das
Glutenin präzipitierte.
Eine kleine Probe der Dispersion wurde entnommen, und der pH-Wert
wurde aufgezeichnet (4,3–4,5).
Die Probe wurde anschließend
bei 3.000 Upm für
2 Minuten zentrifugiert und zeigte eine präzipitierte Masse am Boden (Glutenin)
und eine milchige Flüssigkeit
im oberen Teil (Gliadin). Die Flüssigkeit
hatte einen Feststoffanteil von etwa 2–3 Gew.-%. Der Rührer des
Dispersionsbehälters
wurde anschließend
aktiviert, und zusätzlicher
Eisessig wurde zugegeben, bis der pH-Wert auf etwa 4,0 eingestellt
war. Das Mischen wurde für
zusätzliche
2–3 Minuten
fortgesetzt.
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Eine zweite Probe der Dispersion
wurde entnommen und zentrifugiert, was einen Feststoffanteil von etwa
4–5 Gew.-%
in der flüssigen
Gliadinschicht ergab.
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Die gesamte Dispersion wurde anschließend in
einen Aufbewahrungsbehälter
transferiert und bei einer Flußrate
von 7–8
Gallonen pro Minute durch einen kontinuierlichen Westphalia-Separator
geleitet, um die Gliadin- und
Glutenin-Fraktionen voneinander zu trennen. Die Gliadin-Fraktion
wurde in einem Aufbewahrungsbehälter
gesammelt und anschließend
entweder direkt sprühgetrocknet
oder durch Filtration aufkonzentriert, um den Feststoffanteil auf
etwa 12–15
Gew.-% zu erhöhen,
und anschließend
sprühgetrocknet.
Der Zwischenfiltrationsschritt erleichterte eine Sprühtrocknung
und entfernt mehr Essigsäure,
was ein neutraleres Endprodukt ergibt. Die Glutenin-Fraktion wurde
in einen Agglomerationsbehälter
geleitet, wo sie mit Wasser und Soda-Asche kombiniert wurde, um
das Glutenin in eine dicke Masse zu überführen. Die Masse wurde anschließend gepreßt, um überschüssiges Wasser
und Stärke
zu entfernen (auf einen Feststoffanteil von etwa 35–40 Gew.-%),
gefolgt von Schnelltrocknung und Mahlen unter Verwendung einer Hammermühle. Ungefähr 75–90 Gew.-%
des Gesamt-Gliadingehalts wurden wiedergewonnen.
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Beispiel 3
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In diesem Laborversuch wurde Milchsäure statt
Essigsäure
verwendet, mit Natriummetabisulfit als reduzierendes Agens. Die
Vorgehensweise entsprach der in Beispiel 1 beschriebenen.
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Beispiel 4
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In einem weiteren Versuch im Produktionsmaßstab wurden
Milchsäure
und Natriummetabisulfit als acidifizierende bzw. reduzierende Agenzien
verwendet. Die Vorgehensweise entsprach der in Beispiel 2 beschriebenen.
