FI75189C - Foerfarande foer framstaellning av glukos/fruktossirap ur orenat staerkelsehydrolysat. - Google Patents

Description

1 75189

Menetelmä glukoosi/fruktoosisiirapin valmistamiseksi puhdistama ttomas ta tärkkelyshydrolysaatista Tämä keksintö koskee menetelmää glukoosi/fruktoosi-5 siirapin valmistamiseksi, jossa tärkkelys nesteytetään, sokeroidaan entsymaattisesti puhdistamattoman hydrolysaa-tin aikaansaamiseksi, hydrolysaatti käsitellään liukenemattoman ei-tärkkelyspitoisen aineksen poistamiseksi siitä, ja saatetaan kosketukseen immobilisoidun glukoosi-isomeraa-10 sin kanssa ainakin osan glukoosia muuttamiseksi fruktoosiksi.

Glukoosia sisältävien tärkkelyshydrolysaattien valmistusmenetelmät ovat hyvin tunnettuja kyseisellä alalla ja ne yleisesti tarkasteltuna jakautuvat kahteen luokkaan: happo-entsyymi- ja entsyymi-entsyymimuutosprosesseihin.

15 Jälkimmäinen menetelmä on yleisesti suositumpi, koska siinä muodostuu vähemmän käänteisreaktiotuotteita, jotka ovat resistenttejä jatkokäsittelylle ja jotka sen vuoksi alentavat menetelmän kokonaistehokkuutta.

Entsyymi-entsyymimenetelmässä muodostetaan vesipitoi-20 nen liete, jonka kuiva-ainepitoisuus on noin 30-40 % muodostuen tärkkelyksestä, ja siihen lisätään tärkkelystä pilkkova entsyymi, tavallisesti bakteeriperäinen -X-amylaasi, ja suspensio kuumennetaan lämpötila-alueelle 80-90°C tärkkelyksen liuottamiseksi tai osittain hydrolysoimiseksi.

25 «(-amylaasi on endoamylolyyttinen entsyymi , joka kykenee katalysoimaan -1,4-glukosidisten sidosten mielivaltaista pilkkoutumista tärkkelysmolekyyIissä, ja sitä tuottaa joukko eri tyyppisiä mikro-organismeja, esim. Bacillus ja As-pergillus-sukujen mikrobit, ja sitä on myös mallastetuissa 30 viljajyvissä.

<V-amylaasikäsittely tuottaa vain osittaisen tärkke-lysmolekyylin hydrolyysin, koska tämä entsyymi ei vaikuta merkittävässä määrin o<.-l, 6-glukosidisiin sidoksiin molekyylissä. Täten 0( -amylaasikäsitelty tärkkelys muodostuu suu-35 relta osin vaihtelevamolekyylipainoisista oligosakkarideista ja niiden fragmenteista, jotka ovat herkempiä edelleen- 75189 pilkkoutumiseen tuotespesifisten entsyymien vaikutuksesta kuin käsittelemätön tärkkelys. Tärkkelyksen edelleen hyd-rolysoimiseksi merkittävän määrän glukoosia sisältävän hydrolysaatin tuottamiseksi/ nestemäiseksi saatettua tärk-5 kelystä käsitellään glukogeenisella entsyymillä. Perinteisesti käytetty glukogeeninen entsyymi on glukoamylaasi.

Happo-entsyymimenetelmässä tärkkelys ensin osittain hydrolysoidaan tai saatetaan nestemäiseksi esim. muodostamalla vesisuspensio, jossa on noin 35-40 % tärkkelystä, 10 ja lisäämällä siihen happo kuten suolahappo. Happameksi tehty suspensio kuumennetaan sitten korkeaan lämpötilaan, jäähdytetään ja sitä käsitellään glukoamylaasilla sopivissa konsentraatio- ja pH-olosuhteissa osittain hydrolysoidun tärkkelyksen muuttamiseksi glukoosiksi.

15 Immobilisoitujen biologisten katalyyttien saamisek si kantajiin adsorboidun tai sidotun glukoosi-isomeraasin käyttö on suurelta osin syrjäyttänyt vanhemmat menetelmät, joissa liukoisia entsyymejä tai kokonaisia mikro-organismi-soluja käytettiin. Yleensä immobilisoidut entsyymit anta-20 vat joukon etuja näihin vanhoihin menetelmiin nähden, erityisesti kaupallisissa systeemeissä, joissa sovelletaan keskeytymätöntä muutosreaktiota. Johtuen tällaisten systeemien käyttöön sisältyvistä taloudellisista tekijöistä on äärimmäisen tärkeää, että immobilisoidun entsyymin stabii-25 lisuus ja tehokkuuskesto säilyy sellaisen ajan, joka on riittävä mahdollistamaan suurten substraattimäärien käsittelyn. Menetelmiin valmistaa immobilisoitua glukoosi-isome-raasia kuuluu entsyymin sitominen tai muutoin kiinnittäminen sellaisiin inertteihin kantajiin kuin selluloosajohdannai-30 set, ioninvaihtohartsit ja muut polymeeriset materiaalit, entsyymin kapselointi, entsyymin sitominen kuituihin, jne.

Tähän asti yritykset käyttää puhdistamatonta tärkke-lyshydrolysaattia substraattina jatkuvatoimisissa entsymaat-tisissa menetelmissä tuotettaessa glukoosi/fruktoosisiirap-35 pia eivät ole olleet toivotulla tavalla tehokkaita johtuen siitä, että immobilisoitu glukoosi-isomeraasi inaktivoituu

II

3 75189 merkittävässä määrin suhteellisen lyhyen käyttöajan jälkeen. Tämän uskotaan johtuvan suurelta osin puhdistamatto-massa tärkkelyshydrolysaatissa mukana olevista aineista, jotka inhiboivat tai muutoin vahingoittavasti vaikuttavat 5 tämän entsyymin aktiivisuuteen.

Suorittamamme tutkimus osoittaa, että immobilisoi-dun glukoosi-isomeraasin stabiilisuutta tai tehokkuusaikaa vähentää puhdistamattomassa tärkkelyshydrolysaatissa mukana oleva materiaali, joka muodostuu prosesseissa, joita perin-10 teisesti käytetään tärkkelyksen liuottamiseksi ja sokeroi-miseksi. Vaikka näitä aineita ei ole täysin karakterisoitu, uskomme, että olosuhteet valmistaa tärkkelyshydrolysaattia, jotka lisäävät sellaisten aineiden muodostusta, osoittautuvat myös edistämään ketoosisokerien kuten maltuloosin ja 15 fruktoosin ja niiden prekursorien ei-entsymaattista muodostusta. Ei-entsymaattisesti puhdistamattomaan hydrolysaat-tiin muodostunut jomman kumman tai molempien näiden sokerien kokonaiskonsentraatio voi sen tähden toimia indeksinä arvioitaessa hydrolysaatin sopivuutta entsymaattiseen iso-20 merointiin, milloin glukoosi-isomeraasin aktiivisuuden pidentäminen on kysymyksessä.

Tähän asti yleinen käytäntö alalla on ollut perusteellisesti jalostaa tai puhdistaa glukoosia sisältävää tärkkelyshydrolysaattia tunnetuilla menetelmillä ennen glu-25 koosin isomerointia· glukoosi-isomeraasilla. Tavallisesti käytettyihin puhdistusmenetelmiin kuuluu kirkastetun hydrolysaatin käsittely hiilellä ja ioninvaihtomateriaaleilla ei-toivottujen aineosien, mukaanlukien metalli-ionit ja hiilihydraattien pilkkoutumistuotteet, poistamiseksi.

30 Tärkkelyksen nesteytysprosessit yleisesti suorite taan korkeissa lämpötiloissa, jotta varmistetaan tärkkelys-jyvien täydellinen gelatinoituminen. Nesteytykset, joissa käytetään kalsiumista riippuvia o<-amylaasipreparaatte ja, esim. B. subtilis-bakteerista saatuja, saattavat edellyt-35 tää niinkin suurien kalsiumionimäärien kuin 200 ppm läsnäoloa, laskettuna tärkkelyskuiva-ainecsta (dss, dry subs- 75189 _____ - τ tance starch), optimaalisen lämpöstabiilisuuden saavuttamiseksi tälle entsyymille. Tärkkelyksen nesteytyksissä on usein käytetty tähän tarkoitukseen kalsiumia jauhemaisen kalsiumoksidin muodossa, jolloin se toimii myös pH:n sää-5 tämiseksi halutulle tasolle. Ylimääräisen kalsiumionimää-rän läsnäolo aiheuttaa kuitenkin ei-toivotun korkean tuhkapitoisuuden hydrolysaattiin ja kalsiumioni tunnetaan myös glukoosi-isomeraasiaktiivisuuden inhibiittoriksi. Vaikka on luultavasti mahdotonta välttää kalsiumin läsnäoloa koko-10 naisuudessaan >(-amylaasin avulla tuotetuissa tärkkelys- hydrolysaateissa, käsiteltävänä olevan keksinnön tarkoituksiin hydrolysaatin tulisi sisältää enintään noin 100 ppm:n kalsiumionipitoisuus laskettuna tärkkelyksen määrästä.

Huolellisesti kontrolloimalla olosuhteet, joissa 15 hydrolysaatti valmistetaan, ja välttämällä olosuhteita, jotka edistävät ei-entsymaattisesti muodostuvien ketoosi-sokerien samoin kuin korkean tuhkamäärän muodostumista voidaan eliminoida kalliit menetelmät hydrolysaatin jalostamiseksi ja puhdistamiseksi ennen isomerointia immobili-20 soidulla glukoosi-isomeraasilla ilman, että merkittävästi vähennetään entsyymin stabiilisuutta tai tehokkuusaikaa.

Tärkkelyksen entsymaattiseen nesteytykseen ja soke-rointiin glukoosia sisältäväksi hydrolysaatiksi, joka soveltuu entsymaattiseen muuttamiseen glukoosi/fruktoosisiira-25 piksi, liittyvä tekniikka kuvataan suppeasti N.H. Aschen-green'in et ai. artikkelissa julkaisussa Starke, Voi. 31, ss. 64-66 (1979). Tämä artikkeli esittää nelivaiheisen prosessin tärkkelyksen muuttamiseksi fruktoosisiirapiksi: (1) nesteytys; (2) sokerointi; (3) puhdistus ja (4) isome-30 rointi. Ensimmäinen vaihe valmistettaessa hydrolysaattia, nesteytys tai tärkkelyksen ohennus, käsittää tärkkelyssus-pension käsittelyn ^'-amylaasilla noin 105°C:n lämpötilassa noin 5 min ajan pH:ssa 6 tai sen yläpuolella. Artikkelissa esitetään myös, että huomattava kalsiumionimäärä on toivot-35 tavaa suspensiossa nesteytyksen aikana χ-amylaasin aktiivisuuden säilyttämiseksi käytetyissä korkeissa lämpötiloissa. Erityisesti suositellaan, että 30-35 % dss-suspensiossa 5 75189 tulisi olla 40 ppm:n Ca++-minimipitoisuus nesteytyksen aikana. Tämä on ekvivalenttinen 114-135 ppm:n kanssa laskettuna tärkkelyksen kuivapainosta. Jatkolämpökäsittelyn jälkeen osittain hydrolysoitua tärkkelystä käsitellään gluko-5 geenisellä entsyymillä korkeaglukoosipitoisen hydrolysaatin saamiseksi. Glukoosirikastettu hydrolysaatti kirkastetaan, puhdistetaan ja käsitellään glukoosi-isomeraasilla osan glukoosia muuttamiseksi fruktoosiksi.

Kuten edellä mainitussa artikkelissa on esitetty, 10 yleinen käytäntö alalla on ollut suorittaa tärkkelyshydro-lysaateista valmistetuille glukoosimuutossiirapeille huomattavia puhdistusoperaatioita ennen isomerointia glukoosi-isomeraasilla, jotta poistettaisiin materiaali, joka vaikuttaa haitallisesti entsyymin stabiilisuuteen ja jotta poistettai-15 s iin materiaali, joka aiheuttaa ei-toivottua väriä valmiiseen siirap piin. Tavallisesti, kuten artikkelissa huomautetaan, tärkke-lyshydrolysaattia käsitellään sekä hiilellä että ioininvaih-tomateriaaleilla ennen isomerointia glukoosi-isomeraasilla.

Muuhun asiaankuuluvaan materiaaliin sisältyy C. Buc-20 ke:n artikkeli kirjassa Topics in Enzyme Fermentation and Biotechnology, toimittaja A. Wiseman, Voi. 1, kappale 7 (1976), jossa tarkastellaan glukoosipitoisten rehujen ominaisuuksia glukoosi-isomeraasireaktioiden substraattina. Julkaisussa Die Starke, Voi 25, no 9, ss. 304-308 (1973) 25 Madsen et ai. kuvaavat lämpöstabiilia χ -amylaasivalmistet-ta, jonka stabiilisuus on vähemmän riippuvainen kalsiumista korkeissa lämpötiloissa. US-patentissa 4 025 389, joka on myönnetty Poulsen'ille et ai., kuvataan menetelmä isomeroi-da entsymaattisesti glukoosia sisältävää siirappia glukoo-30 si/fruktoosiseokseksi, jossa menetelmässä käytetään tärkke-lyshydrolysaattia, jossa on rajattu konsentraatio ja osuus kalsium- ja magnesiumioneja. Ehrenthal'in et ai. US-patent-ti 4 230 802 liittyy menetelmään käyttää puhdistamatonta glukoosisiirappia substraattina glukoosin entsymaattiseen 35 isomerointiin fruktoosiksi. Substraatti, joka sisältää tärkkelyksen muutosmaata, isomeroidaan ilman koboltti- ja/ 6 751 89 tai magnesiumsuolalisäystä. Walon'in US-patentti 4235965 kohdistuu menetelmään valmistaa nesteytettyä tärkkelystä, jolla on korkea kuiva-ainepitoisuus, käyttämällä Bacillus licheniformis-mikrobista saatua χ-amylaasia. Katsauksen 5 glukoosi/fruktoosisiirapin tuottamiseen tarkasteltuna kaupalliselta kannalta on tehnyt B.J. Snyder julkaisussa Die Starke, Voi. 26, no. 12, ss. 409-412 (1974). Mallikelpoinen monista patentoiduista menetelmistä glukoosia sisältävien tärkkelyshydrolysaattien entsymaattiseen iso-10 merointiin immobilisoidulla glukoosi-isomeraasilla on

Thmopson'ille et ai. myönnetty US-patentti 3 909 354. Menetelmiä valmistaa alhaisen DE-asteen tärkkelyshydroly-saatteja kaksivaiheisella nesteytystekniikalla on esitetty esim. US-patenteissa 3 551 293; 3 654 081; 3 663 369; 15 3 783 100; 3 853 706 ja 3 912 590 ja saksalaisessa paten tissa 2 216 854.

Tärkkelyshydrolysaatin jalostus tai puhdistus ennen isomerointia esitetään edellä mainituissa Aschen-green'in et ai. ja Snyder'in artikkeleissa samoin kuin 20 Scallet'in et ai. artikkelissa julkaisussa Die Starke,

Voi. 26, no. 12, ss. 405-408 (1974) ja Aschengreen'in artikkelissa julkaisussa Process Biochemistry, toukokuu 1975, ss. 17-19.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tärkkelys nestey-25 tetään ja sokeroidaan entsymaattisesti huolellisesti valvotuissa olosuhteissa glukoosipitoisen hydrolysaatin saamiseksi. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että hydrolysaatti, joka ei oleellisesti vaikuta glu-koosi-isomeraasirt stabiilisuuteen, aikaansaadaan nesteyt-30 tämällä tärkkelys pH:ssa, joka on alle 6,0, ja sokeroimalla se pH:ssa, joka on alle 5,0 ja alle 62°C:n lämpötilassa, jolloin muodostuu puhdistamaton glukoosihydrolysaatti, joka ei sisällä enempää kuin 100 ppm kalsiumioneja ja jossa ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokerien mooli-35 suhde on 0-2 moolia 100 moolia heksoosiyksikköjä kohti.

Keksinnön tavoitteiden saavuttaminen edellyttää niiden olosuhteiden tarkkaa valvontaa, jossa tärkkelyshyd-

II

7 751 89 rolysaatti valmistetaan.

Tavanomaisista lähteistä, esim. maissin märkäjauha-tuksen yhteydessä saatu tärkkelys pestään ja siitä muodostetaan vesisuspensio, jossa on 30-35 % tärkkelys-kuiva-ai-5 netta. Suspension tulisi mielellään omata alhainen ionisi-sältö, ts. sulfatoidun tuhkapitoisuuden kuiva-aineesta laskettuna ei tulisi olla suurempi kuin noin 0,2 %. Muita tärk-kelysvalmisteita, joita saadaan sekä juurikasveista että viljatuotteista, voidaan myös käyttää valmistettaessa hyd-10 rolysaatteja ja niihin kuuluvat peruna, tapioca, vehnä, sorghum ja vahamaissitärkkelys.

Keksinnön mukaisesti glukoosipitoisia tärkkelyshyd-rolysaatteja voidaan valmistaa happo-entsyymiprosessilla tai entsyymi-entsyymiprosessilla. Happo-entsyymiprosessissa 15 tärkkelys ensin nesteytetään miedolla happokäsittelyllä, minkä jälkeen käytetään entsyymiä muuttamaan nesteytetty tärkkelys glukoosiksi. Tyypillisessä entsyymi-entsyymipro-sessissa tärkkelys nesteytetään X-amylaasikäsittelyllä ja sen jälkeen käytetään glukoamylaasia muuttamaan nestey-20 tetty tärkkelys glukoosiksi. On edullista käyttää entsyymi-entsyymimenetelmää valmistettaessa glukoosipitoista tärkke-lyshydrolysaattia.

Sellaisten glukoosipitoisten tärkkelyshydrolysaat-tien valmistus, jotka eivät tarvitse puhdistusta ennen kä-25 sittelyä immobilisoidulla glukoosi-isomeraasilla, edellyttää tarkkaa reaktio-olosuhteiden valvontaa nesteytyksen ja sokeroinnin aikana. Käytetyn lämpötilan, ajan ja pH:n tulisi olla sellainen, että se estäisi merkittävien määrien muodostumisen sellaisia materiaaleja, jotka haitallisesti 30 vaikuttavat glukoosi-isomeraasin stabiilisuuteen.

On myös välttämätöntä, että isomerointiin käytettävän substraatin kalsiumpitoisuus minimoidaan. On hyvin tunnettua, että jotkut X -amylaasipreparaatit vaativat suurten kalsiumionikonsentraatioiden läsnäoloa säilyttääk-35 seen aktiivisuutensa nesteytyksen aikana. Kun suuri kal-siummäärä on läsnä nesteytyksen aikana, on välttämätöntä 8 75189 poistaa kalsiumionit hydrolysaatista ennen isomerointia.

Mitä tahansa tunnetuista menetelmistä poistaa ionimuotoi-nen kalsium voidaan käyttää, kuten esimerkiksi glukoosipi-toisen nesteen käsittely oksaalihapolla ja tätä käsittelyä 5 seuraava suodatus.

On edullista käyttää nesteytyksessä sellaista ·χ-amylaasipreparaattia, joka ei tarvitse suurta määrää lisättyjä kalsiumioneja säilyttääkseen aktiivisuutensa ja lämpöstabiilisuutensa. Tyydyttäviä tuloksia on saatu käytit) tämällä C^-amylaasipreparaattia, joka on saatu mikrobista Bacillus 1icheniformis (Termamyl-60L X'-amylaasi; Novo Enzyme Corp.). Tämän preparaatin ominaisuuksia on hyvä läm-pöstabiilisuus ja aktiivisuus laajalla pH-alueella samoin kuin alhainen riippuvuus kalsiumin läsnäolosta. Muita sopi-15 via X-amylaasipreparaatteja, joita voidaan käyttää, ovat Taka-Therm (Miles Laboratory, Elkhart, Indiana) ja Hi-Tem-pase (Biocon Inc., Lexington, Kentucky).

Aika, jona tärkkelyksen gelatinisointi ja nesteytys suoritetaan, ja käytetty lämpötila ovat toisistaan riippu-20 vaisia. Jos tärkkelyssuspensiota kuumennetaan alhaisessa gelatinisointilämpötilassa liian lyhyen ajan, huomattava määrä lämpöresistentimpiä tärkkelysjyväsiä saattaa jäädä gelatinisoitumatta niin, että X -amylaasilla ei ole haluttua tehokkuutta suspension viskositeetin alenemiseen. Ylei-25 sesti ottaen gelatinisoitumisalueen alemman osan lämpötilojen käyttö, ts. alle noin 80°C maissitärkkelykselle, tuottaa epätyydyttäviä tuloksia johtuen siitä, että huomattava määrä tärkkelystä jää gelatinisoitumatta ja jää sen tähden merkittävältä osin entsyymivaikutuksen ulottumattomiin.

30 Tietystikään, koska gelatinisoitumiseen vaikuttaa -amy-laasin läsnäolo, käytetyt lämpötilat eivät saa olla niin korkeita, että ne haitallisesti vaikuttavat käytettävän entsyymipreparaatin aktiivisuuteen.

Erityisen tärkeä on sellaisten reaktio-olosuhteiden 35 saavuttaminen nesteytyksen ja sokeroinnin aikana, jotka eivät edistä ketoosisokerien kemiallista tai ei-entsymaattista

II

9 75189 muodostusta. Tarkemmin esitettynä, tulisi saavuttaa sellaiset olosuhteet, jotka tuottavat hydrolysaatin, jossa kal-siumionipitoisuus ei ole suurempi kuin noin 100 ppm laskettuna tärkkelyksen kuiva-aineesta ja jossa ei-entsymaatti-5 sesti muodostuneiden ketoosisokerien moolisuhde on vähemmän kuin noin 2. On edullista, että hydrolysaatin sisältämä kalsiumionikonsentraatio ei ole suurempi kuin noin 30 ppm ja ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokerien moolisuhde on vähemmän kuin 1. 'Moolisuhteella' tarkoitetaan 10 ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokerien moolien lukumäärää 100 moolia heksoosiyksiköitä kohden. Koska lämpötilan, ajan ja pH:n vaikutukset nesteytyksen aikana ovat toisistaan riippuvaisia, nämä tekijät täytyy kontrolloida suhteellisen kapeisiin rajoihin.

15 ^-amylaasi ei vaikuta merkittävässä määrin rakeisen tärkkelyksen polymeeriseen rakenteeseen ennen kuin rakeet tulevat gelatinisoiduiksi. Gelatinisoitumiseen vaikuttaa tärkkelyksen kuumentaminen vedessä lämpötilassa, jossa rakeet turpoavat ja tärkkelysmolekyylejä koossapitävät voi-20 mat heikkenevät riittävästi aiheuttamaan gelatinisoitumi- sen. Yleisesti ottaen, koska o^-amylaasit ovat lämpöherkkiä ja pyrkivät denaturoitumaan yli 100°C:n lämpötiloissa, käytetään lämpötiloja alle 100°C nesteytyksen aikana entsyymin tehokkuusvaikutuksen pidentämiseksi. Koska voimat, jotka 25 sitovat tärkkelysmolekyylejä rakeisessa muodossa, vaihtele-vat vahvuudeltaan, jotkut rakeet gelatinisoituvat alle 100°C:n lämpötilassa ja altistuvat 'Χ-amylaasin vaikutukselle samanaikaisesti, kun muut rakeet jäävät gelatinisoitu-matta ja pysyvät resistentteinä tällaiselle entsyymivaiku-30 tukselle. Tästä seurauksena on suositeltavaaa nesteyttää tärkkelys -amylaasin avulla kahdessa vaiheessa, joiden välillä on hyvin lyhyt autoklavointivaihe. Ensimmäisen vaiheen aikana tärkkelys osittain gelatinisoituu ja nesteytyy tuottaen osittaista hydrolysaattia rajoitetussa määrin. Au-35 toklavointivaiheen tarkoitus on gelatinisoida se resistentti/ jyvämäinen tärkkelys, joka ei gelatinisoitunut ensim- 10 751 89 mäisessä nesteytysvaiheessa. Tärkkelyshydrolysaattia sitten edelleen ohennetaan toisessa nesteytysvaiheessa haluttuun tasoon.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä on tärkeää pitää 5 substraatti pH:ssa noin 6,0 tai sen alapuolella nesteytyksen aikana. pH-alueella yli noin 6,0 saattaa muodostua pilkkoutumistuotteita, jotka inhiboivat isomeraasiaktiivi-suutta, erityisesti käytettäessä korkeita lämpötiloja ja/ tai pidennettyjä reaktioaikoja. Nesteytys suoritetaan edul-10 lisesti kahdessa vaiheessa pH:ssa, joka on alueella noin 5,0-6,0, ja edullisemmin pH-alueella noin 5,2 - noin 5,4 ja lämpötiloissa, jotka ovat tärkkelyksen gelatinisoitumis-alueella ja jotka ovat sopivia tärkkelyksen entsymaattiseen nesteytykseen. Käytettäessä märkäjauhettua maissitärkkelys-15 tä on tavallisesti välttämätöntä säätää pH:ta ylöspäin halutulle nesteytysalueelle. Kalsiumyhdisteitä, esim. kal-siumoksidijauhoa tai kalsiumkarbonaattia, käytetään tavallisesti säädettäessä pH:ta χ-amylaasin avulla toteutetussa nesteytyksessä, erityisesti reaktioissa, joissa käytetään 20 kalsiumista riippuvaisia -.-^-amylaasipreparaatteja. Koska kalsium vaikuttaa haitallisesti glukoosi-isomeraasin aktiivisuuteen, on edullista välttää kalsiumionilähteen yliannostusta hydrolysaattiin. Kuitenkin, jos kalsiumioneja lisätään, on välttämätöntä poistaa ne ennen isomerointia, mikä-25 li tämän keksinnön ominaisuuksia käytetään hyväksi. Vaikka on olemassa joukko aineita, joita voidaan käyttää säädettäessä pH:ta nesteytysreaktion aikana, liukoisia magnesium-yhdisteitä käytetään menestyksellisesti tähän tarkoitukseen, koska erilaisista mikro-organismeista saadut glukoosi-iso-30 meraasit vaativat magnesiumia saavuttaakseen optimaalisen aktiivisuuden.

Suspensioon käytettävän X-amylaasin määrä riippuu lukuisista tekijöistä, mutta määräytyy pääasiassa entsyymi-preparaatin luontaisen aktiivisuuden, suspensiossa olevan 35 tärkkelyskonsentraation ja halutun amylolyyttisen muutoksen laajuuden mukaan. Yleensä kaksivaiheisessa nesteytys- I! 11 7518 9 prosessissa yhtä suuri tai jonkin verran vähäisempi määrä X -amylaasiaktiivisuutta käytetään toisessa vaiheessa verrattuna ensimmäiseen vaiheeseen. Käytettäessä autoklavoin-tikäsittelyä kahden nesteytysvaiheen välissä kaikki ensim-5 mäisen vaiheen jälkeen jäänyt o(-amylaasiaktiivisuus käytännöllisesti katsoen kokonaan tuhoutuu. Tavanomaisesti noin 6 - noin 10 liquefon-yksikköä o(-amylaasiaktiivisuut-ta grammaa kohti tärkkelyskuiva-ainetta käytetään ensimmäisessä vaiheessa, ja noin 5 - noin 10 liquefon-yksikköä 10 X -amylaasiaktiivisuutta, samoin laskuperustein, käytetään toisessa vaiheessa.

Molemmissa vaiheissa käytetään edullisesti alle 100°C:n nesteytyslämpötiloja, edullisemmin noin 82° - noin 95°C, ja edullisimmin noin 84° - noin 88°C. Nesteytyslämpö-15 tiloissa, jotka ovat edellä esitetyissä rajoissa, on saavutettu tyydyttäviä tuloksia käytettäessä kuumennusaikoja noin 1 tunnista noin 3 tuntiin.

Ensimmäinen nesteytysvaihe tuottaa osittain hydrolysoidun tuotteen, jonka DE-aste on edullisesti välillä noin 20 6 - noin 12. Ensimmäisen nesteytysvaiheeen jälkeen suspen siolle voidaan suorittaa autoklavointikäsittely osittais-hydrolysaatin saamiseksi, joka on käytännöllisesti katsoen vapaa gelatinisoitumattomasta tärkkelyksestä. Jatkettu osittain nesteytetyn tärkkelyksen käsittely autoklavointiolo-25 suhteissa aikaansaa sellaisten aineiden muodostuksen, jotka ovat vahingollisia glukoosi-isomeraasille ja jotka pitää poistaa ennen isomerointia entsyymin stabiilisuuden pidentämiseksi. Sen vuoksi autoklavointiajän ja lämpötilan ei tulisi ylittää noin 2 minuutin pituista jaksoa ja noin 160°C:n 30 lämpötilaa. Edullisia autoklavointiolosuhteita ovat noin 125°C:n lämpötila ja noin 1 min käsittelyaika.

Koska ensimmäisessä nesteytysvaiheessa mukana oleva 'X -amylaasi inaktivoituu huomattavilta osin autoklavointi-käsittelyssä, toiseen nesteytysvaiheeseen on välttämätöntä 35 tehdä entsyymin lisäannostus. Tavallisesti lisätyn :X -amy- laasin määrä on saman suuruinen kuin ensimmäiseen vaiheeseen 12 751 89 käytetty määrä. Toisen vaiheen aikana entsyymi helposti vaikuttaa tärkkelysjyväsiin, jotka käytännöllisesti katsoen kaikki ovat nyt gelatinisoituneet, asetetuissa olosuhteissa, jotka tuottavat ohennetun hydrolysaatin, jonka DE-aste 5 edullisesti on noin 14 - noin 20 ja joka on käytännöllisesti katsoen vapaa tärkkelysraaka-aineesta tai käänteisesti reagoineesta tärkkelyksestä. Tavanomaisesti hydrolysaatin DE-aste on noin 16.

Nesteytettyä tärkkelyspreparaattia käsitellään sit-10 ten glukogeenisella entsyymillä sopivissa olosuhteissa osittain hydrolysoidun tärkkelyksen muuttamiseksi entsymaattisesti glukoosiksi. Tavanomaisesti tähän tarkoitukseen käytetty entsyymi on glukoamylaasi (käytetään myös nimityksiä amyloglukosidaasi, glukamylaasi, glukogeeninen entsyymi, 15 jne.). Glukoamylaasi, jota lukuisat eri tyyppiset mikro-organismit tuottavat, on eksoamylolyyttinen entsyymi, joka katalysoi järjestelmällistä glukoosiyksiköiden hydrolyysia tärkkelys- ja amylodekstriinimolekyylien ei-pelkistävistä päistä. Glukoamylaasia tuottaviin mikro-organismeihin kuu-20 luvat tietyt Aspergillus-suvun sienikannat, Rhizopus-suvun kannat ja Endomyces-suvun kannat.

Nesteytetyn tärkkelyspreparaatin sokerointi suoritetaan olosuhteissa, jotka tuottavat nopean tärkkelyksen muuttumisen glukoosiksi. Hydrolysaatti muodostuu edullisesti yli 25 92-%risesti glukoosista ja edullisimmin sen glukoosisisältö on yli noin 94 %. Olosuhteiden pitäisi olla myös sellaiset, että ne eivät edistä vapautuneitten glukoosimolekyylien uudelleensynteesiä oligosakkarideiksi kuten tiedetään tapahtuvan sokerointireaktioissa käytettäessä glukoamylaasia.

30 Käsittely glukoamylaasilla suoritetaan laimentamalla nesteytetty tärkkelyssuspensio, milloin välttämätöntä, sisältämään noin 30 % kuiva-ainetta ja sitten säätämällä reaktion pH tasolle noin 4,0 - noin 5,0 ja mieluimmin pH-arvoon noin 4,6. Riittävä määrä glukoamylaasipreparaattia lisätään 35 aikaansaamaan glukoamylaasipitoisuuden noin 0,12 - noin 0,30 yksikköä tärkkelyksen kuiva-ainegrammaa kohti ja suspensiota

II

75189 kuumennetaan lämpötila-alueelle noin 54° - noin 62° riittävän pituiseksi ajaksi halutun asteisen muutosreaktion saamiseksi. Edullinen käsittelyaika on noin 30 - noin 80 tuntia. Edullisimmissa olosuhteissa pidetään tärkkelyssus-5 pensiota noin 58°C:n lämpötilassa noin 60 tunnin ajan.

Isomerointireaktioon sopivan substraatin saamiseksi neste seuraavaksi suodatetaan ei-tärkkelysjäännösten poistamiseksi ja suodos haihdutetaan edullisesti noin 50 % kuiva-ainepitoisuuteen. Liukoista suolaa tai suoloja, jotka 10 toimivat glukoosi-isomeraasiaktivaattoreina voidaan lisätä väkevöityyn nesteeseen ja pH säädetään tasolle, joka on noin 7, 0 - noin 8,5, käyttäen natriumhydroksidiliuosta. Tyypillisesti neste kuumennetaan sitten lämpötilaan, joka on noin 50° - noin 70°C ja pidetään tässä lämpötilassa noin 15 20 - noin 60 minuutin ajan, ja suodatetaan uudelleen suspen- doituneiden kiinteiden ainesten saostamiseksi ja poistamiseksi, jotka ainekset voivat muodostua korkeammilla pH-ta-soilla. Edullisissa olosuhteissa kuumennus suoritetaan noin 60°C:n lämpötilaan ja neste pidetään siinä noin 30 min ajan 20 ennen uudelleen suodatusta. Pidempää sokeroidun nesteen kuumentamista tai kuumentamista lämpötiloissa yli noin 70°C:n ennen isomerointia pyritään edullisesti välttämään, erityisesti sen jälkeen, kun pH on säädetty alkaaliselle alueelle. Alkaalisissa olosuhteissa tällainen nesteen kuu-25 mentaminen ennen isomerointia voi tuottaa pilkkoutumistuot-teita, jotka inhiboivat glukoosi-isomeraasin aktiivisuutta.

Puhdistamattoman substraatin isomerointi suoritetaan edullisesti jatkuvana prosessina eluoimalla substraatti sopivissa olosuhteissa kolonnin tai kolonnien läpi, jotka si-30 sältävät immobilisoitua glukoosi-isomeraasitäytettä. Esimerkkejä sopivista prosesseista isomeroida glukoosia fruktoosiksi käyttäen kiinteitä immobilisoidun glukoosi-isomeraasin kantajia ovat ne, jotka esitetään US-patenteissa 3 909 354 ja 3 788 945.

35 Ilmeisten taloudellisten etujen lisäksi, jotka saa vutetaan hydrolysaatin puhdistustarpeen eliminoinnilla en- 14 751 89 nen isomerointia, myös muita etuja voidaan todeta sovellettaessa käsiteltävänä olevaa keksintöä. Täten saattamalla nesteytys ja sokerointiolosuhteet sellaisiksi, että alhaisia ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokereiden 5 tasoja muodostuu, voidaan saada parempi tärkkelyksen muuttuminen glukoosiksi. Myöskin tuloksena saavutettavasta alhaisemmasta tuhkapitoisuudesta lähtövaiheen tärkkelyssus-pensiossa ja myöhemmissä prosessointivaiheissa tarvitaan pienempi ioninvaihtokapasiteetti tehtäessä glukoosi/fruk-10 toosilopputuote mineraalivapaaksi.

Termien ja analyyttisten menetelmien kuvaus

Dekstroosiekvivalentti

Dekstroosiekvivalentti (DE) määritellään läsnäolevan pelkistävän sokerin pitoisuutena dekstroosiksi laskettuna 15 ja ilmaistuna prosentteina kuiva-aineesta. Määritys menetelmällä E-26, joka on kuvattu teoksessa 'Standard Analytical Methods of the Member Companies of the Corn Industry Research Foundation, Inc.', 1001 Connecticut Ave., N.W. Washington, D.C. 20036.

20 Bakteeriperäisen 'X-amylaasin aktiivisuus

Bakteeriperäisten o( -amylaasipreparaattien aktiivisuus määritettiin modifioidulla standardianalyysimenetel-mällä, AATCC 103-1965 'Bacterial Alpha Amylase Enzymes Used in Desizing, Assay of, joka on julkaistu vuoden 1967 pai-25 noksessa teosta Technical Manual of the American Association of Textile Chemists and Colorists, Vol. 43, ss. B-174 ja B-175.

Muutokset julkaistuun menetelmään ovat seuraavat: 1) Tärkkelyssubstraatin puskuriliuos valmistettiin 30 liuottamalla 25,3 g c.p. natriumhydroksidia ja 340 g c.p.

kaliumdivetyfosfaattia veteen ja laimentamalla liuos kahdeksi litraksi.

2) 125 ml puskuriliuosta lisättiin jäähdytettyyn, liisteröityyn tärkkelyssubstraattiin ennen kuin substraat- 35 ti laimennettiin 500 ml:n tilavuuteen.

3) Tärkkelyssubstraattilijuoksen pH määritettiin ja tarvittaessa säädettiin arvoon 6,20 + 0,05.

15 751 89 4) 0,025 molaarista kalsiumkloridiliuosta käytettiin entsyyminäytteen laimentamiseen. Tämä valmistettiin liuottamalla 11,1 g vedetöntä c.p. kalsiumkloridia veteen ja laimentamalla 4 litraksi.

5 5) BAU-yksiköitä liquefoneiksi muutettaessa käyte tään kaavaa BAU x 2,85 = liquefonien määrä.

Glukoamylaasiaktiivisuus

Glukoamylaasiaktiivisuusyksikkö (GU) määritellään siksi entsyymimääräksi, joka katalysoi 1 g:n dekstroosia 10 muodostumista tunnissa 60°C:ssa pHtssa 4,5 käytettäessä alla kuvattua menetelmää.

10 ml 10 % osittain hydrolysoitua tärkkelysliuosta (sellaista kuin Maltrin-10, tuottaja Grain Processing Co., Muscatine, Iowa), joka on 20 mM asetaattipuskurissa, pH 15 4,5, pipetoitiin suljettuun reaktiokammioon, joka oli 60°C:ssa. 1 ml glukoamylaasiliuosta, jossa on 0,03-0,15 GU, lisättiin ja sekoitettiin liuokseen ja seosta pidettiin 1 tunnin ajan 60°C:ssa. 1 tunnin inkubointiajän jälkeen ent-syymivaikutus pysäytettiin lisäämällä ennalta määrätty tila-20 vuus 1 M natriumhydroksidia niin, että liuoksen pH tuli alueelle 8,5-10,5. Liuos jäähdytettiin sitten huoneen lämpötilaan .

2,5 ml näin saatua koehydrolysaattia pipetoitiin 25 ml:aan Fehlingin liuosta, joka oli valmistettu kuten on 25 esitetty yllä mainitussa menetelmässä DE:n määrittämiseksi. Seos saatettiin kiehuvaksi ja titrattiin vakioisella dekst-roosiliuoksella, jossa oli 5 g dekstroosia litraa kohti liuosta edellä esitetyn DE:n määritysmenetelmän ohjeen mukaisesti. Vertailuseos valmistettiin ja titrattiin tarkas-30 ti samalla tavoin kuin koehydrolysaatti edellä lukuunottamatta, että 1 ml glukoamylaasiliuosta lisättiin substraat-tiliuokseen 1 tunnin inkubointiajän jälkeen ja sen jälkeen kun natriumhydroksidiliuos oli lisätty. Glukoamylaasiaktiivisuus laskettiin seuraavasti: = 0,002 C (“Sr} 16 751 89 missä V on koehydrolysaatin kokonaistilavuus (ml, tavallisesti 11,2 ml); C on millilitramäärä vakiodekstroosiliuos-ta, joka käytettiin titrattaessa vertailuseos; A on millilitramäärä vakiodekstroosiliuosta, joka käytettiin titrat-5 taessa koehydrolysaatti; ja W on entsyymin paino millilit-raa kohti laimennettua entsyymiliuosta.

Immobilisoitu isomeraasiaktiivisuus Immobilisoitu isomeraasiaktiivisuus määritettiin seuraavalla tavalla: 10 Immobilisoitu isomeraasinäyte, jossa oli 1400-2200 IGIU punnittiin. Näyte pestiin 250 ml:n pulloon 125 ml:11a dekstroosikoeliuosta (lämmitetty tätä ennen 65°C:een) ja 10 ml :11a 0,1 M tris-hydroksimetyyliaminometaaniliuosta (THAM; pH 7,8). Dekstroosikoeliuos sisälsi 3,33 M dekstroosia,

15 20 mM magnesiumsulfaattia, 10 mM natriumsulfiittia, 100 mM

THAM ja 1 mM kobolttikloridia (pH 7,8). Tämän dekstroosi-liuoksen pH-arvo 65°C:ssa oli 7,0. Pullo upotettiin 65°C:n vesihauteeseen ja sitä ravisteltiin tunnin ajan. Seos va-kuumisuodatettiin läpimitaltaan 45 mm olevan karkeaksi sin-20 teröidyn lasisuppilon läpi, jossa oli lasikuitusuodatinle-vy ja sen päällä 1 g suodatusapuainetta. Pullo ja entsyymi-kakku huuhdottiin pienillä määrillä 100 mM THAM-puskuri-liuosta (pH 7,8) muodostaen kaikkiaan 100 ml.

Tämä pesty entsyymi lisättiin 250 ml:n pulloon, jos-25 sa oli 125 ml dekstroosikoeliuosta (tasapainoitettu aikaisemmin 65°C:n lämpötilaan). Pesty entsyymi huuhdottiin kvantitatiivisesti pulloon 10 ml:11a 10 mM THAM-puskuria (pH 7,8) ja pulloa ravisteltiin tarkalleen 60 min ajan. 12 ml jääetikkaa lisättiin tämän jälkeen ja happameksi tehtyä 30 liuosta ravisteltiin vielä 15 min ajan. Seos vakuumisuoda-tettiin halkaisijaltaan 45 mm olevan karkeaksi sinteröidyn lasisuppilon läpi, jolla oli lasikuitusuodatinlevy ja sillä noin 1 g suodatusapuainetta. Pullon ja suppilon sisältöä pestiin mineraalivapaalla vedellä kunnes noin 400 ml suo-35 dosta oli kerätty. 25°C:een jäähdytetty suodos laimennettiin 500 ml:ksi. Liuoksen kiertokyky määritettiin käyttäen 2 dm kyvettiä 25°C:ssa ja sitä merkittiin R2:lla.

17 751 89

Sokeakoe suoritettiin samalla tavalla kuin edellä lukuunottamatta, että entsyymiä ei lisätty. Sokeakokeen optinen kiertokyky määritettiin myös 25°C:ssa ja sitä merkittiin Reillä. Isomerointiaste laskettiin seuraavasta yhtä-5 löstä:

_ (a2 - V

•*CpL

missä .χ on spesifinen rotaatiomuunnos, kun fruktoosi täydellisesti muutetaan dekstroosiksi; on sokerikonsentraa-10 tio liuoksessa (0,15 g/ml); ja L on polarimetrikyvetin pituus (2 dm).

Isomeraasiaktiivisuuden vakioidut aktiiviyksiköt (FAU, Fixed Activity Units) lasketaan seuraavasti: 15 FAU/g = JC/kftw missä k^ on nopeusvakio (1,21 I t ^ FAU ^ mg glukoosia); t on reaktioaika tunteina (1 h); w on näytteen paino grammoina; C on aloituskonsentraatio mg:na/125 ml:aa kohti reaktioseosta (75 000 mg glukoosia); ja J määritellään 20 seuraavasti: *-{·.&-·) · -‘(4·-5]-(AV *.*(£--) _ vm s v p yve y \ p y 25 missä I = isomeroitumisaste tasapainotilassa fruktoosin mooli-osuutena (0,513) I = isomeroitumisaste fruktoosin mooliosuutena

Cm = glukoosin alkuperäinen moolipitoisuus (3,33 M) 30 Ks = glukoosin Michaelis-vakio (0,7 M) K = fruktoosin Michaelis-vakio (1,43 M)

P

Yksi IGIU vastaa 15,8 FAU.

IGIU

IGIU on lyhennys kansainvälisestä glukoosi-isomeraa-35 siyksiköstä (International Glucose Isomerase Unit) ja se on määrä entsyymiä, joka muuttaa 1 mikromoolia glukoosia fruk- 18 751 89 toosiksi minuutissa liuoksessa, joka alunperin sisältää 2 moolia glukoosia litrassa, 0,02 mol MgSO^ ja 0,001 mol C0CI2 litrassa pH:n ollessa 6,84-6,85 (0,2 M natriummale-aatti) ja lämpötilan ollessa 60°C. Glukoosi-isomeraasimää-5 ritys suoritettiin N.E. Lloyd'in et ai. kuvaamalla menetelmällä, Cereal Chem., 49, no. 5, ss. 544-553 (1972). Sokerien määritys

Glukoosin, fruktoosin maltuloosin ja muiden sokerien määritys hydrolysaateista suoritettiin käyttämällä 10 korkeapainenestekromatografiaa. Menetelmä on kuvattu teoksessa Standard Analytical Methods, Corn Refiner's Association, Inc., Menetelmä E-61.

Isomeroitumisaste (% fruktoosia)

Fruktoosin prosenttinen osuus, joka oli muodostunut 15 isomerointireaktioiden tuloksena, määritettiin seuraavasti: 5 ml suuruinen näyte substraattia (puhdistamaton hydroly-saatti ennen isomerointia) pipetoitiin 100 ml:n mittapul-loon ja laimennettiin merkkiin ionivapaalla vedellä, jolloin konsentraatioksi tuli noin 2,5 g kuiva-ainetta 100 20 ml:ssa. 5 ml:n näyte eluaattia immobilisoidun glukoosi-iso-meraasin sisältävästä kolonnista, jonka läpi substraatti oli ajettu, laimennettiin myös 100 ml:ksi ionivapaalla vedellä. Optinen kiertokyky mitattiin laimennetulle substraatille (tai substraateille) ja eluaatille (i).

25 Vakio (K) määritettiin seuraavasti: „ _ dx 100

L r^hJ

K = 59,08 jossa d = laimennus = 20 30 L = polarimetrin kyvetin pituus = 0,2000 dm - /7^7 = spesifisen rotaation muutos muutettaessa puhdasta glukoosia puhtaaksi fruktoosiksi mitattuna elo-hopeavalolähteen avulla = 169,3 astetta.

Sen vuoksi: 35 % fruktoosia, d.b. = 59,08 -·>( )/c,

O X

missä o< = mitattu substraatin kiertokyky asteina 11 19 m r- 75189 = mitattu eluaatin kiertokyky asteina C = grammaa kuiva-ainetta ml:ssa substraattia. Glukoosi-isomeraasin stabiilisuuden määrittäminen Reaktionopeuden (kf) ja entsyymin puoliintumisajan 5 iff) laskeminen: glukoosi-isomeraasin stabiilisuus ja puoliintumisaika määritettiin tässä kuvatuille isomerointi-reaktioille sijoittamalla asianomaiset arvot seuraavaan yhtälöön: / I - I λ k-E. -0,693t/7~ 10 In ( e_o] = f t e ___

V I - I CR

ve jossa I = reaktorisyötön isomeroitumisaste, F/(F+G) ^ I = reaktorieluaatin isomeroitumisaste, F/(F+G) 19 I = I tasapainotilassa, 0,514 65°C:ssa tai 0,505 60°C:ssa

e -1-1 kf = alkuperäinen reaktiovakionopeus, g(G+F)h IGIU

= entsyymiaktiivisuus, IGIU

C = substraatin konsentraatio, glukoosi, g/ml R = virtausnopeus, ml/h 20 = entsyymin puoliintymisaika, tuntia t = reaktorin toiminta-aika, tuntia f—* k^, alkuperäinen reaktionopeusvakio, ja tau (7) laskettiin muuttamalla edellä esitettyä yhtälöä seuraavasti: 25 Λ - I 'N kfE _ log R In (_f_Ξ_ 1 = log —^- = -0,30102t//

Ve * 1 I

3o Suureen log R lnQ? ~φ) VS' aika-kuvaa3an kulmalcer- - ^ roin on yhtä kuin = -0,30102//; s~* täten /= -0,30102/ kulmakerroin. Leikkauspistettä (χ0) ajassa 0 täten saadusta kuvaajasta käytetään ratkaistaessa 20 7 51 8 9 alkuperäisen reaktionopeuden kf määrittämiseksi. Täten , C x 10Xo _ f" ~t 5 (1) F = fruktoosin paino-osuus laskettuna kokonaishiili- hydraatin kuiva-aineesta G = glukoosin paino-osuus laskettuna kokonaishiilihyd-raatin kuiva-aineesta.

Alkuperäisen reaktionopeusvakion (kf) tulo ja teki-10 jä, joka ilmaisee entsyymin puoliintumisajan (/) antavat riittävän indikaation prosessin kokonaistehokkuudesta; mitä suurempi arvo k^lle saadaan, sitä suurempi on prosessin tehokkuus mitattuna glukoosin muutosnopeutena fruktoosiksi ja prosessin vaikutuksena entsyymin puoliintumis-15 aikaan.

Seuraavat esimerkit kuvaavat tarkemmin keksintöä.

Esimerkki 1 Tämä esimerkki kuvaa keksinnön mukaisen menetelmän suoritettuna tavanomaisella tavalla ja osoittaa prosessin 20 avulla saavutetun glukoosi-isomeraasin suuren stabiilisuu-den. Tässä ja seuraavissa esimerkeissä käytetty glukoosi-isomeraasi oli immobilisoitu DEAE-selluloosaan, kuten on esitetty US-patentissa 3 788 945.

Märkäjauhatusmenetelmällä maissista saatu maissi-25 tärkkelys pestiin deionisoidulla vedellä ja siitä valmistettiin suspensio, jossa oli 33 % tärkkelyskuiva-ainetta. Suspension pH säädettiin 5,2:een MgO:n avulla ja riittävä määrä o(-amylaasia (Termamyl-60L) lisättiin aikaansaamaan 7 liquefonin o( -amylaasiaktiivisuus tärkkelyskuiva-aine-30 grammaa kohti. Suspensio johdettiin 1,27 cm (0,5") läpimitaltaan olevaan ruostumattomaan teräskierukkaan, jossa sitä pidettiin 86°C:n lämpötilassa 2,5 tunnin ajan. Tämän ensimmäisen kuumennuskäsittelyvaiheen jälkeen suspensio pumpattiin 0,32 cm:n (1/8") halkaisijaltaan olevaan ruostu-35 mattomaan teräskierukkaan ja pidettiin siellä noin 115° -130°C:n lämpötilassa ja 50 -100 psi:n paineessa noin 1 min 11 21 75189 ajan. Sitten suspensio jäähdytettiin noin 86°C:n lämpötilaan, siihen annostettiin sama määrä -amylaasia kuin oli lisätty ensimmäisessä kuumennusvaiheessa ja se johdettiin kolmanteen kuumennuskierukkaan. Tässä kierukassa, 5 joka ominaisuuksiltaan oli sama kuin ensimmäisen kuumen-nusvaiheen kierukka, suspensio kuumennettiin 86°C:n lämpötilaan 2 tunnin ajaksi.

Nesteytetty tärkkelys laimennettiin 30 % kuiva-ainepitoisuuteen deionisoidulla vedellä ja se käsiteltiin 10 sokerointiolosuhteissa monivaiheisessa sekoitustankkireak-torisysteemissä. Riittävä määrä suodatuksen apuainetta (Dicalite CP-175, GREFCO, Inc.) lisättiin aikaansaamaan 1 % apuainepitoisuus kuiva-ainepitoisuudesta ja pH säädettiin noin 4,5:ksi HCl:lla. Nesteytetty tärkkelysprepa-15 raatti johdettiin ensimmäiseen reaktoriin systeemissä ja riittävä määrä glukoamylaasipreparaattia (AMG-150, Batch SN 3075, Novo Enzyme Corp.) lisättiin aikaansaamaan 0,27 glukoamylaasiyksikköä (GU) grammaa kohti tärkkelyskuiva-ainetta. Reaktorin sisältö kuumennettiin 58°C:n lämpöti-20 laan ja johdettiin perättäisestä sitten kuhunkin reaktoriin seitsemän lisäreaktorin muodostamassa sarjassa, kaikki samassa lämpötilassa. Keskimääräinen käsittelyaika kussakin reaktorissa oli 7,5 tuntia. Sokerointisyklin päättyessä reaktorituote tai neste johdettiin suodatusapuai-25 neella päällystetyn suodattimen läpi 254 mm (10") Hg alennetussa paineessa mahdollisen ei-tärkkelysjäämän poistamiseksi .

Isomerointiin glukoosi-isomeraasilla soveltuvan substraatin saamiseksi neste konsentroitiin noin 50 % kui-30 va-ainepitoisuuteen jatkuvatoimisessa haihduttimessa. Neste ensin kuumennettiin 86°C:n lämpötilaan ja pidettiin tässä lämpötilassa 4 min ajan, jota käsittelyä seurasi haihdutus 58°C lämpötilassa 635 mm (25") Hg paineessa.

Mg(HSO^)2“liuosta lisättiin riittävästi muodostamaan 35 0,002 molaarinen konsentraatio nesteessä, jonka pH sit ten säädettiin 7,8:aan (25°C lämpötilassa mitattuna) 22 751 89

NaOH-liuoksella. Substraattineste pumpattiin sitten se-koituskierukan läpi ja suodattimen läpi, jossa oli Whatman no. 3 suodatinpaperi, sekä kierukan että suodattimen ollessa 58°C:n lämpötilassa.

5 Isomerointi suoritettiin pumppaamalla suodatettu substraatti suoraan läpi sarjaan kytkettyjen neljän kiin-teäpohjaisen reaktorin, jotka olivat 60°C:n lämpötilassa. Reaktorit oli valmistettu lasipylväistä, pituus 15,2 cm (6") ja halkaisija 2,54 cm (1") ja niissä oli vaihtelevat 10 määrät immobilisoitua glukoosi-isomeraasia. Glukoosi-iso-meraasiaktiivisuuden määrä kussakin reaktorissa vaihteli alueella 2300 - 5000 IGIU. Reaktorit toimivat olosuhteissa, joilla systeemiä simuloitiin ja jossa käytetyt reaktorit poistettiin linja-asemasta ja käyttämättömät reak-15 torit lisättiin jälkiasemaan. Isomerointi suoritettiin substraatin 2,4 ml/min syöttönopeudella aikaansaamaan 42-46 % fruktoosikonsentraation lopullisessa eluaatissa. Käsittelyäjän kussakin reaktorissa päättyessä otettiin eluaatista näyte asianmukaisen tutkimustuloksen saamisek-20 si. Tulokset puhdistamattoman hydrolysaatin isomeroinnis-ta esitetään taulukossa 1.

Il 751 89 23

•H

co d co M -H d φ g 3 co >i .y ^ o o es o n· ro h >ιλ:<ν - -P u) o "r" roLDoor^vovo

•P -P ,d i—I ιΗ r-1 rH i—I f—I

cd c φ μη (d w -p Ai g c >. Φ co I Φ -p w ~ λ; d d ‘ä Λ Ή φ ·Η « ·— :td

g -PV

d >1 c VT- oooooo

•h >1 •'-j - rH O tJ« VO CO ro C

-P c co "H cd oo o >H o o o -H

id (1) -P n rH rH i—li—li—I d id Φ d 3 -h d co -P w a cd d > d -p H d :θ O co >i d P -H -P cd T3 nH o Cd >1 -H -H o g X! Λ Ai CN 0) cd cd ooooctico e co d -P > cd m w ίο in in cd

Cd CO CO »H i—I rH i—I H I—I Cd Ή g d — -P A!

O d Φ Ή OOOOOO CO .H

-P -rH Q,-^ Cd :cd

-P -P O MH g -O

cd cd ^ a; φ H g cd ·· CO c cd g O cd -h O -P >1 > I :0

Ai co co p id H

Ai -h -P cd cd -n rH

3 Ό d Ai -H d ;cd

rH Xi Φ -H Ai -H -P

d d <d co rH

cd a co -h o) d E-ι d -p Ai d -h

•H 4J d -h -H

co d h^ o o o o o d -h -P

CO Ai O Xi CM CN CN (N O -P -P -P

(1) -H p s—' r" ro ro ro <o -P -P :cd CO Cd φ rH rH rH φ Φ10

O > g -P -P -H

PO O CO rH

a co d h ·- H -H O CC") d ή cd ι-n a, φ cd ai· d A! P rH o •H -H X! d

g O — rH rH

•H d D I I O -H

O C h D D d P

•P -rl U O LO O O O H H o

cd O h o r- m o o o O H -P

> P — CN O rH O O H H p Ai d Φ cn ro n· Ln o o <d

Ai g O [li pt| +J Φ

-P O W + + Ai P

cd co o o cd O -H ^ φ Cd cd !j> Oi -ro

-H CO

P en ro --------- o Cd " rH CN ro •P ·Γ~ rH CN ro N1 LO —· —·

Ai P cd cd

Φ CO

PS — 751 89 24 Säännöllisesti suoritettu isomeroidun liuoksen analysointi antoi seuraavat keskimääräiset tulokset laskettuna kuiva-aineen painosta: fruktoosi, % 44,3 5 glukoosi, % 51,6 DP2+, % 4,1*

Kalsium, ppm 30

Sulfatoitu tuhka, % 0,28 Kuiva-aine, % 48,6 10 * sisältää di- ja korkeammat sakkaridit

Yllä olevat tulokset ja taulukon I antamat tulokset osoittavat, että glukoosi/fruktoosisiirappia, jossa on korkea fruktoosiosuus, voidaan valmistaa käyttämällä määrätyissä olosuhteissa saatua puhdistamatonta tärk-15 kelyshydrolysaattia isomerointiin immobilisoidulla glu-koosi-isomeraasilla. Tulokset osoittavat myös, että käytetyissä olosuhteissa entsyymillä on hyvä stabilisuus eli puoliintumisaika ('f) ja korkea entsyymin tehokkkuus-aste (kfY) saavutetaan.

20 Esimerkki II

Tämä esimerkki kuvaa vaihtuvien olosuhteiden vaikutukset tärkkelyksen nesteytyksen ja sokeroinnin aikana ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosiso-kereiden syntymiseen glukoosia sisältävässä substraatis-25 sa ja glukoosin isomerointiin fruktoosiksi käytetyn glukoosi-isomeraasin stabilisuuteen.

Tärkkelys nesteytettiin erillisissä kokeissa käyttäen toisessa kokeessa B. licheniformis -mikrobista valmistettua oc-amylaasipreparaattia ja toisessa 30 B. subtilis -mikrobista saatua suuremmassa määrin kalsiumista riippuvaista o(,-amylaasipreparaattia. Nesteytys suoritettiin kaksivaiheisessa entsyymikäsittelyssä, joiden välillä oli autoklaavikäsittely, tuottamaan osittain hydrolysoidun tuotteen, joka oli käytännöllisesti 35 katsoen vapaa rakeisesta tai gelatinisoitumattomasta tärkkelyksestä.

Il 25 751 8 9

Valmistettiin kaksi identtistä tärkkelyssuspen-siota, jossa kummassakin kuiva-ainepitoisuus oli 33 %. Toinen suspensio, substraatti A, käsiteltiin B. licheni-formis'ista saadulla oC-amylaasilla keksinnön mukaisissa 5 nesteytysolosuhteissä. Toinen suspensio, substraatti B, käsiteltiin B. subtilis'ista saadulla oC-amylaasipre-paraatilla (Dex-Lo-HC, Wallerstein Co.) ja se käsiteltiin edullisissa olosuhteissa, joita yleisesti käytetään nesteytettäessä tärkkelystä tämän entsyymipreparaatin 10 avulla.

Olosuhteet, joissa nämä erilliset nesteytykset suoritettiin esitetään taulukossa II.

Taulukko II

15 oi-amylaasilähde

Substraatti A Substraatti B

Nesteytysolosuhteet_(B.licheniformis) (B.subtilis) pH 5,2 6,6

pH-säätöön käytetty MgO CaO

20 1. vaihe

Liquefonia g ^ dss 14 33 Lämpötila, °C 86 88

Aika, h 11

Autoklavointi 25 Lämpötila, °C 125 150

Aika, min. 1 1 2. vaihe

Liquefonia g ^ dss 10 11 Lämpötila, °C 96 88 30 Aika, h 11

Nesteytetyt tärkkelyspreparaatit kumpikin laimennettiin 30-%lisiksi kuiva-aineen suhteen, pH säädettiin arvoon 4,3 ja 0,41 GU g ^ dss glukoamylaasia lisättiin.

35 Sokerointi suoritettiin 58°C:ssa 32 tunnin aikana (substraatille A) ja 55 tunnin aikana (substraatille B). So- 26 751 89 keroidut nesteet suodatettiin ja haihdutettiin 50 % kuiva-ainepitoisuuteen vakuumia käyttäen 35°C:ssa.

Kolme substraattia valmistettiin immobilisoidul-la glukoosi-isomeraasilla toteutettavaan isomerointiin.

5 Substraatti (A) tehtiin 0,0025 M Mg(HSO^)2~liuokseen ja pH säädettiin 7,8:aan NaOH-liuoksella. Substraattia (B) käsiteltiin ensin stökiometrisella määrällä oksaalihappoa pH:ssa 4,8. Substraatin kalsiumsisältö alennettiin 30 ppmrään kuiva-aineesta laskettuna. Neste 10 suodatettiin sitten uudelleen ja suodos tehtiin 0,0025 molaariseksi MgiHSO^^511 suhteen. Lopuksi tämän substraatin pH säädettiin arvoon 6,0 MgO:n avulla ja sitten arvoon 7,8 NaOH:lla. Substraatti (D) valmistettiin liuottamalla riittävä määrä kiteytettyä dekstroosia deionisoi-15 tuun veteen niin, että saatiin 50 % kuiva-ainetta sisältävä dekstroosiliuos. Liuos tehtiin 0,0025 molaariseksi Mg(HSC>3)2:n suhteen ja pH säädettiin 6,0:ksi MgO:n avulla ja sitten 7,8:ksi NaOH:lla.

Substraatit sitten käsiteltiin isomerointiolo-20 suhteissa ajamalla ne läpi päällystettyjen lasikolon-nien (2,54 cm x 30,48 cm), jotka olivat 65°C:n lämpötilassa ja joista kukin sisälsi noin 800 IGIU immobi-lisoitua glukoosi-isomeraasia. Substraatit johdettiin kolonneihin laskevassa suunnassa 0,3 ml/min virtaus-25 nopeudella. Isomerointeja suoritettiin jatkuvina operaatioina 17 päivän ajan. Substraateista ja kolonnielu-aateista otettiin näytteet päivittäin substraattien glukoosi- ja fruktoosipitoisuuksien määrittämiseksi, ja isomerointireaktioiden kineettiset parametrit las-30 kettiin. Kummallekaan substraateista (A) tai (B) ei suoritettu puhdistuskäsittelyä ennen isomerointia. Tulokset esitetään taulukossa III.

Il 27 751 8 9

U

-P

4-) ld G in cm id 00 r-! o o r-~ p · * *· « - 4-· σι o o o m

G cn v V (O H

Λ m

G G

<u co •ΓΊ G —

4-1 CQ

•H

o

PC -P

<U -P 4-) PC G 4-)

O G G CM

G G G LO 04

p p 143 CO r-4 O P

W Q) 4-> «·**· ~ -

3 f~ G O O O O O O

-μ Ο Λ o r-' i—I

G g G p'

X P CO

-P I

G P ~

> G <C

O — m GO in cm α)Λί p vo ρ o o p* t) G 4-) ' - ^ - -H I—I 4-> ΙΟ Ο Ο Ο Ο r~

H dl tJ) G <P V V OP

H 4J G Γ" h x; g p

Go 4-)

O in G

X O C -Q

XH Q) G

G O (U CO

PPG G 4-» X G G G

E-) -P g -7

O G G

P -P -P

(D G -p o g

00 G

g λ; 4-) c —' G G d) -I—i CD CL> -—

•P -P I CM

1 4-1 G I ·—

G 4-) G

>1 G G G

-P G -P X 4-1

>|PH -P X -P

Q) 4-) -P ip G I

4-) G 43 · '—' G I P

G 43 G 43 <U +4 Ρ I 43

1) G -P · · Tl X £ P P

ZGG 43 Ti 43 GGII

• G I -P G D D

Ό op G I G G H H

•p -P ,¾ O O

<#> * Ρ Ο Ρ Λί HH

•P O P p O

* G O 44 O 43 h p P O g G G 0) + + G Ο ·Ρ > Οι 4) O C2 0 iP G G — —

O G O G · · tn CP

X 4-) O G G G

3 Ρ -Ρ Λ 4-» 4-»

P G Φ O G G PCM

28 751 89

Tulokset taulukossa III osoittavat, että paras entsyvmistabiilisuus ja muutostehokkuus saatiin, kun puhdistamattoman isomerointisubstraatin maltuloosipi-toisuus oli alhaisella tasolla. Huomattavasti pienempiä 5 stabiilisuus- ja tehokkuusarvoja saatiin käytettäessä puhdistamatonta substraattia (B), joka sisälsi korkeamman maltuloositason ja joka valmistettiin korkeassa pH:ssa ja korkeaa autoklaavilämpötilaa käyttäen; olosuhteissa, jotka normaalisti liittyvät B. subtilis'ista 10 saadun odramylaasin käyttöön. Tulokset isomerointireak-tiosta käytettäessä kiteytettyä dekstroosia substraattina osoittavat, että tämä materiaali ei ollut kokonaan vapaa aineosista, jotka inhiboivat glukoosi-iso-meraasin aktiivisuutta ja täten tulokset edelleen pai-15 nottavat puhdistamattoman substraatin valmistusolosuh-teiden tärkeyttä.

Esimerkki III

Tämä esimerkki kuvaa tärkkelyksen nesteytyksen aikana käytetyn pH:n ja autoklavointilämpötilan 20 vaikutusta isomeroivan entsyymin stabiilisuuteen ja muutosreaktion tehokkuuteen.

Viisi identtistä maissitärkkelysnäytettä (33 % kuiva-aine) nesteytettiin käyttäen Termamyl-60L oC~ amylaasia kaksivaiheisessa menetelmässä vaihdellen olo-25 suhteita pH:n ja autoklavointilämpötilan osalta kuten esitetään taulukossa V.

Näytteet nesteytettiin seuraavissa aika-, lämpötila- ja entsyymiannostusolosuhteissa, jotka esitetään taulukossa IV: 30

II

29 751 89

Taulukko IV

1. vaihe 2. vaihe

Entsyymiannostus (liquefonia oC-amylaasia g ^ dss) 8 6 ^ Lämpötila, °C 86 86

Aika, h 2,5 2,0

Autoklavointiaika vaiheiden välillä = 1 minuutti 20 litraa kutakin nesteytetyistä tärkkelysliuok-sista sokeroitiin käyttäen glukoosiamylaasipreparaat- ,n tia (AMG-150 Batch SN 3068, Novo Enzyme Corp.) ja iu _i annostusmäärää 0,41 GU g dss. Näytteiden pH säädettiin arvoon 4,3 ja ne kuumennettiin 58°C:een 32 tunnin ajaksi. Sokeroidut nesteet suodatettiin ja haihdutettiin 50 % kuiva-ainepitoisuuteen ja pH säädettiin 6,5:ksi 15 MgOrlla. Kukin näyte tehtiin sitten 0,0025 molaari-seksi MgiHSO^^sn suhteen ja lopuksi pH säädettiin 7,8:ksi (25°C:ssa mitattuna) Na0H:lla. Nesteet analysoitiin glukoosin ja maltuloosin suhteen ja ketoosi-sokerien moolisuhde määritettiin.

20 Puhdistamattomat nesteet isomeroitiin ajamalla ne läpi halkaisijaltaan 2,54 cm (1") olevien lasiko-lonnien, jotka olivat lämpötilassa 60°C ja sisälsivät immobilisoidun glukoosi-isomeraasin, virtausnopeudella 0,3 ml/min. Entsyymin kokonaisaktiivisuus kussakin 25 kolonnissa oli 800 IGIU. Isomerointien tulokset annetaan taulukossa V.

On ilmeistä, että substraattien maltuloosisäl-töön vaikutti sekä nesteytysvaiheen pH että autokla-vointilämpötila. Kuten taulukossa V olevat tulokset 30 osoittavat, maltuloosipitoisuus vaihteli käänteisesti suhteessa isomeraasin puoliintumisaikaan osoittaen, että nesteytysolosuhteet, jotka edistävät ei-entsymaat-tista maltuloosiprekursorien muodostusta, vaikuttavat myös käänteisesti entsyymin stabilisuuteen. Tulokset 35 indikoivat myös, että sokeroinnin aikana muodostuvan glukoosimäärään epäsuotuisasti vaikuttaa maltuloosikon-sentraatio.

30 751 89 3 CD -H p

g P

>1 A! — N H N H it) >1A! <N - - » - ·

to Or CO Ο ι—I t ID

-P ,3 I—I r—( r-4 3 3 <44 -pi pq -P a

3 M

0) o I

M X! 3 P

3 3 -H -P

-P -P g 3 (0 P >,-h a: r^vocNoro A! 3 >i -Η Ή h m H Oi 'f

-HO HrllCpin^ifNtN

ns -h -P o tn a

> -P 3 3 -H V

λ: w a g v 3 <T3 (0 Q)

I—I P -H I ID

-HO) -P I £· (NtTitntNLD

-P ο -P -H p o o in ^ m :0 -P id g » .....

a 3 id 8^3 000-4-4 g 3 p R o ci :3 g 4-> m Q Q) Λ I—I <0 K g Ό •H (0 Λ , +J -ι-l 3 -3 3 U) n . co ro σ> r-~ o

•H 3 Ή O XJ

01) -P,2· in in if in oi > 0) 3 3 Td O <Ti (Τι <Ti <Ti 3 -P -H * -4 3 o ° 3

Ai 3 P -Η -H

O W Q) 0) 0) > -p -η ε p o

3- 4 O j4 . in oo o m o O

03 -H 0) 'Td o O 1-4 -4 00 O) 0) Αί Λ H 4J · ^ ^ - A! A! 3 3 H 3 O O -4 CN ro Q) 3 -I—I -P Xj x -4 0) S ^ V 0

3 3 P

3 ·· 3 :3 Ό E4 K -H 0) >, a 0) 0) 3 X! 3 a) -H 3 3 3 0) > f > 3 (DP a: 3 o 3 3 > 3 3

,3 g -P -4 · m o m ο ο -H

-HO > Ai .7=! INVOiNVOr·' -4 3 0) 3 0 *fV -4 —4 —4 I—I -4 0 > -H 4-1 -P B* 0 0) I 0) p :(3 g >i Ή 3 < Ή

4- > 0) 3 3 O

>03 O

3 0 3 4-) -4 -P A< 4-· 3 \ 0) p p -r-ι (0

3 -4 p p -H

z cHa: -p o) -P 0-4

P (N (N CM (N O O I

P K 4-1 D

S a m in i"- r- oo 3H

a; o

H

3 — H Pm I—I + o u O “ g tJ) 3 -P — ~

>1 . -4 CM

:3 g 1-4 (N n in — —

II

75189 31

Esimerkki IV

Tämä esimerkki kuvaa ennen isomerointia puhdista-mattoman substraatin kuumentamiseen käytetyn lämpötilan vaikutusta glukoosi-isomeraasin stabilisuuteen ja iso-5 merointireaktion tehokkuuteen.

Tärkkelys nesteytettiin esimerkin I mukaisissa olosuhteissa ja sokeroitiin esimerkissä III käytettyjen olosuhteiden mukaan. Sokeroitu liuos suodatettiin käyttäen Dicalite-suodatusapuainetta ja suodos haihdutettiin 10 50 % kuiva-ainepitoisuuteen. Konsentroituun liuokseen li sättiin riittävä määrä 5 % Mg(HSO^)2“^^uosta tekemään substraatin 0,0025 molaariseksi reagenssin suhteen ja pH säädettiin 7,8:ksi 25°C:ssa NaOHslla.

Substraattierät pumpattiin halkaisijaltaan 2,54 cm 15 (1") olevan päällystetyn kolonnin läpi jossakin taulukon VI esittämistä lämpötiloista. 30 min käsittelyäjän kolonnissa, joka oli jossakin valituista lämpötiloista, jälkeen substraatit jäähdytettiin, suodatettiin ja analysoitiin glukoosin ja ketoosisokerien suhteen. Osa alkalisesta 20 substraatista, jota ei kuumennettu, analysoitiin vastaavasti .

Substraattierät isomeroitiin yksittäin ilman edeltävää puhdistusta ajamalla ne läpi päällystettyjen lasi-kolonnien, jotka olivat 65°C lämpötilassa ja sisälsivät 25 kukin immobilisoidun glukoosi-isomeraasitäytteen, jonka aktiivisuus oli 800 IGIU. Isomeroinnit suoritettiin 500 tunnin aikana substraattiliuoksen virtausnopeuden kolonniin ollessa 0,3 ml/min. Tulokset esitetään taulukossa VI.

Tulokset taulukossa VI osoittavat, että korkeam-30 mat käsittelylämpötilat edistävät ei-entsymaattisesti muodostuvien ketoosisokerien, erityisesti fruktoosin, syntetisoitumista substraateista, jotka on valmistettu valituissa nesteytys- ja sokerointiolosuhteissa. Samanaikaisesti substraatin glukoosikonsentraatio alenee.

75189 32 C M •H d E d 'j* m v*> o >ιΛί <n -

>i Ai ^ I rH OO μ· CN

01 O \ I .H

I -P Λ ^

•H C 0) MH

<—I W -P Λ!

♦H

Λ I

<ϋ Cd -μ -h +j oi e c d

>i-H X "*T t—I O LO

C >, -H -H —^ lOOinCNCO

-H 01 rH d X! I μ« ro ΓΜ 01 -P o 01 ^ d Cd -H\_ (0 W a E ^ μ ai E —

0 i—I

01 I —' -H Ή φ I i—( Ό o ro m cn <n

•H O ,C rH μ1 OO μ1 OO

01 O d.....

O S o] o o »h ro Ln

O

h * > d f-h d

O Cn C l -H

x ai i x oi X oi Q) -μ i 3 · o d d -p d o μ λ o H +J 3 m 3>h · to d d d ε e ό ,* itj ΛίΛ! >i -P O ro in CO μ· Φ H -H -H 01 -H d <*P rH Tf ΓΟ ro OO Xj

d O oi -P -P C - ^ ^ ~ » O

> X! > c oi d -P o o rH ro m μ 0) > a) 0) -P ra tj C-P Hl ID 01 o >1

>i d ·μ ·Η O O X

-μ c c w -p τΐ -p c hio m d

P -H

p -p c -h d μ 01 -μ oid-PO m m m r~ o μ

:dd)dO o o o o μ O

,* μ d μ · O

:O0iPd,Q ooooo E

a o -p -P

E -P 01 μ Ό vvv o :d d X) d o

rH d d S <#> f-H

E w \ C μ d •μ d οι -μ -P-n O· ro oo oo σι in 01

d O X) ' ^ v v . o iH

d C λ; m n h σι OI

μ φ d τι σι οι σι σι oo -PD

-P Φ rH φ H

tO +J O dP ^ O

Λ d h d d d — co oi d ·μ h ^ rH + n o o d :n O'" rH Q< E Oi

•H Q

P -d o o o o — ^ :0 7] oo σι o μ γη O-i -—' g <—{ " ' " eu b :d O £

d ~ K

li 751 89 33

Esimerkki V

Tämä esimerkki kuvaa vaikutukset glukoosi-iso-meraasin stabilisuuteen ja reaktiotehokkuuteen iso-meroitaessa aikaisemmin tunnetulla menetelmällä 5 valmistettua puhdistamatonta tärkkelyshydrolysaattia.

Tärkkelyshydrolysaatin valmistusmenetelmä esitetään tässä yhteydessä jo aikaisemmin mainitussa Aschengreenin artikkelissa (Process Biochemistry, toukokuu 1975), jossa korostetaan, että koko substraa-10 tin puhdistusprosessin ajan on välttämätöntä poistaa prosessista materiaalit, jotka inhiboivat glukoosi-isomeraasin aktiivisuutta.

Maissin märkäjauhatusprosessissa saatu tärkkelys suspendoitiin deionisoituun veteen 33 %:n kuiva-15 ainepitoisuuteen. Suspension pH säädettiin 6,5:ksi

Mg0:n avulla ja riittävä määrä B. licheniformis'ista saatua od- amylaasipreparaattia (Termamyl-60L) lisättiin tuomaan liuokseen 20 liquefonia g 1 dss. Nesteytys suoritettiin pumppaamalla suspensio 12 ml/min no-20 peudella ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kierukkaputkien läpi, joissa putkissa suspensio oli 105° - 107°C:n lämpötilassa 7 min ajan. Sitten suspensio jäähdytettiin 95°C:een ja pidettiin tässä lämpötilassa toisessa kierukassa 1,5 tunnin ajan.

25 Osittain hydrolysoitu tuote (33 % kuiva-aine), jonka DE oli 18,6 ja joka oli vapaa raaka-ainetärkkelykses-tä joditestin mukaan, käsiteltiin 60°C:n lämpötilaan ennen sokerointia.

Nesteytetty tärkkelys laimennettiin 30 % kuiva-30 ainepitoisuuteen, pH säädettiin 4,5:ksi ja riittävä määrä glukoamylaasipreparaattia (Novo AMG-150) lisättiin aikaansaamaan pitoisuuden 0,25 GU/g dss. Käsiteltävää preparaattia pidettiin 48 tunnin ajan 60°C:n lämpötilassa säilyttäen edellä mainittu pH. Sokeroitu 35 liuos suodatettiin sitten käyttäen Dicalite CP-175 suodatusapuainetta ja suodos konsentroitiin 49,6 % 34 7 5 1 89 kuiva-aineeseen vakuumihaihduttajaa käyttäen 43°C:n lämpötilassa. Nesteen analyysi osoitti glukoosipitoi-suudeksi noin 95 % ja maltuloosipitoisuudeksi noin 0,2 %.

Substraatin valmistamiseksi isomerointireaktiota 5 varten neste tehtiin 0,002 molaariseksi MgfHSO^^jn suhteen ja pH säädettiin 7,9:ksi NaOH-liuoksella. Nestettä pidettiin 20 min ajan 65°C:ssa ja suodatettiin sen jälkeen.

Substraatti käytettiin isomerointiin immobili-10 soidun glukoosi-isomeraasin avulla ilman esipuhdistus-ta tai jalostusta. Isomerointi suoritettiin ajamalla substraatti noin 0,4 ml/min syöttönopeudella 2,54 cm (1M) halkaisijaltaan olevan kolonnin läpi, joka oli 65°C:n lämpötilassa ja sisälsi immobilisoidun glu-15 koosi-isomeraasitäytteen, jonka aktiivisuus oli 1000 IGIU. Isomerointi suoritettiin 570 tuntia kestäneen ajanjakson kuluessa. Kiteytetystä dekstroosista valmistettu liuos isomeroitiin samoissa olosuhteissa kontrollina. Tulokset esitetään taulukossa VII.

20 Nämä tulokset osoittavat, että substraatti, jon ka kalsium- ja ei-entsymaattisesti muodostuneiden ke-toosisokerien taso on alhainen, ei tarvitse laajamittaista puhdistusta ennen isomerointia. Tämä havainto on täysin vastakkainen hyväksyttyihin periaatteisiin 25 nähden tällä alalla.

Il 75189 35 3 tn tn $

•H

o

P

S r« 8 m H S Jk — C tn o ro 8¾ n.

3 3 . i*-i r~ <o 3 S i3 3 ^ cv? ri

Is S5 •s e -p 3 §1 , i

u M

3 3 tn C 3 — 00 m H ·η (u -PH XÄ ΓΊ va* H en C -H -Hi'*' 10 1/1 > g £ Ö -* 1 Bf Ai >h en x; 3 0— m h 3 -h en ω -H CN (N ΓΜ

Jo h ,>- αχ- oo H H H 0p*p ·> *> U z> * ° ° tn H — -h g 3 ö 8 li -si i

1) li -H Q Ή in O O

g^enq-H oh _p

Öa^-PQ ·> - V

•H ^ 5 ^ V° ^ il g g s

3 >1 iJ O · O O O

H»! J ΗΛ Hr—! ^ tj> Λ* <0 3 · «. * H -P T3 O O 3

PC "m H V H

φ I ^ ^ #

-P W H

3 h tn · o M 3 QXi °o o o 3 H Xfl en ’t h >3 3 o o 3i

H äf> H P

O tn h Q oh

H OHI

-P I -PH O

-p -p <υ i tn 3 eo λ: u b 3 e [O H h •p -H 1 C 5 H p h j|j f—j ^jj :0 rH ^ CO ^ ^ ^ S tn § alli 5 3 5 36 7 5 1 89

Esimerkki VI

Tämä esimerkki kuvaa happo-entsyymi-muutospro-sessilla valmistetun puhdistamattoman tärkkelyshydro-lysaatin isomeroinnin.

5 Maissin märkäjauhatusprosessista saatu tärkke lys suspendoitiin deionisoituun veteen 33 % kuiva-ainepitoisuuteen. Suspension pH säädettiin 2,2:ksi väkevällä suolahapolla. Nesteytys toteutettiin pumppaamalla suspensio paineen alaisena ruostumattomasta 10 teräksestä tehtyyn putkikierukkaan nopeudella 22 ml/min, missä suspensiota pidettiin 135 - 140°C:n lämpötilassa noin 4 min ajan ja sen jälkeen paine vapautettiin ulkoilman paineeksi. pH säädettiin alueelle 4,0 - 4,4 jatkuvalla NaOH-liuoslisäyksellä ja lämpötila alennet-15 tiin 60°C:een. Keskimääräinen DE-aste nesteytetyssä tärkkelyksessä oli 18.

Noin 70 litraa nesteytettyä tärkkelystä sokeroitiin, suodatettiin ja konsentroitiin esimerkissä V kuvatulla tavalla lukuunottamatta, että pH oli 4,4 20 ja kokonaissokerointiaika oli noin 62 tuntia. Soke roidun liuoksen, 50,3 % d.s., pH säädettiin 5,8:aan Mg0:n avulla, minkä jälkeen riittävästi MgiHSO^^ lisättiin aikaansaamaan 0,002 M konsentraation ja pH edelleen säädettiin 7,8:aan Na0H:lla. Sitten sokeroitu 25 liuos lämpökäsiteltiin, suodatettiin ja isomeroi- tiin esimerkissä V kuvatuissa olosuhteissa. Isomeroin-ti suoritettiin 667 tunnin aikana.

Tulokset, jotka esitetään taulukossa VIII, ver-taavat isomeroitua kiteytettyä dekstroosisubstraattia 30 puhdistamattomaan happo-entsyymisubstraattiin.

Il 37 75 1 8 9 t 1> B n ^ co co ^ ^

Η -P 3 m en (N

I·

«H I

B ~ •H 3 § Λ :f8 · -P oo i—i

Ai CO C (0 <N IT) g 4J -H y m m

P fi -Η -H

δ s m ie in

•P -H

h c -P

Μ ψ C I

η Γ -H m — > 0 0 3 O in io m

ft h irl- (N (N

o a ω a,x o o

ftSfQgOpM-l 3 .3 ö Z > Ai O O

3 CO

Ή C -M

3 3 _ co & S -S ~ -¾

P P H Q

-P (Ö ^ o

Isä js ro p 1 2 0) P CO -H 3 jc co jä -h m co m in o g 3 w Q -h o o _p 3 M Q H - ** g £ CO > -P Q O O >i S g g v v §

*H *H

3 5 I

id H O O M

ιβ 3Λ H H

U P · - - <0 P r—I Ό Ο Ο ·Η

CO 3 V V »H

Λ 2 <#> Q

co S

•H O

CO o

Q · H

Ο Λ <H

I J « VO 3 I

3 T3 ' - -H P

rH σι O CO H

Ο # σι σι o O h P rHH 'd

ϋ lu G

•H ^ £ H

-P C>i Ή P 10 ^—· tl SQ rS . -h h h | §.SS .1 I έ ä P SP -9 Q S S !? tr I äj3 g aa--- t a s äs a s ΰ£!2 751 89 38 Nämä tulokset osoittavat, että happo-entsyymi-prosessilla tuotettu tärkkelyshydrolysaatti, jonka ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokerien pitoisuus on alhainen, voidaan tehokkaasti isomeroi-5 da ilman esipuhdistusta.

Esimerkki VII

Tämä esimerkki kuvaa Bacillus coagulans -mikro-organismista saadun glukoosi-isomeraasin käytön glukoosin isomerointiin fruktoosiksi tämän keksinnön 10 menetelmässä.

Kaksi tärkkelyshydrolysaattia valmistettiin esimerkin III mukaisissa olosuhteissa lukuunottamatta nesteytysvaiheen pH:ta ja autoklaavilämpötilaa. Nämä olosuhteet kunkin preparaatin A ja B osalta esitetään 15 taulukossa IX.

Taulukko IX

Preparaatti A Prepa-_ raatti B

Nesteytys-pH 5,2 6,7 2q Autoklaavilämpötila (°C) 125 150-160 Tärkkelyshydrolysaattien maltuloosipitoisuus-analyysi osoitti pitoisuudeksi <0,1 % preparaatissa A ja keskimäärin 1,10 % preparaatissa B.

Kumpikin preparaatti suodatettiin ja konsentroi-25 tiin 50 % kuiva-ainepitoisuuteen vakuumissa ja tehtiin sitten 0,0025 molaariseksi MglHSO^^^ suhteen, minkä jälkeen pH säädettiin 7,9:ksi NaOH-liuoksella. Puhdis-tamattomat tärkkelyshydrolysaattipreparaatit kumpikin jatkuvana prosessina ajettiin 60°C:een kuumennetun kie-30 rukan läpi nopeudella 0,4 ml/min, mikä antoi 20 min vaikutusajän, ne suodatettiin ja sitten käytettiin iso-merointiprosessiin ajamalla läpi 65°C:ssa pidetyn päällystetyn kolonnin virtausnopeudella 0,4 ml/min. Kummassakin kolonnissa oli immobilisoitu glukoosi-isomeraasi-35 li 39 751 89 täyte (Sweetzyme-Type S, Batch No. 70122, valmistaja Novo Industrie, Tanska), jonka kokonaisaktiivisuus oli 800 IGIU.

Tulokset esitetään taulukossa X.

5

Taulukko X

Ptrep. Vaikutus- Maltuloo- Ketoosi- Nopeus- Entsyymin Entsyymin aika (h) si % d.b. mooli- vakio puoliin- tehokkuus suhde(1) kf(2) k/3) 10 A 871 <0,1 <0,05 0,0260 947 24,2 B 660 1,10 0,55 0,0262 551 14,4 (1) Moolia ketoosia 100 moolia kohti anhydroheksoosia (2) g(G+F)hr-1IGIU“1 15 (3) g(G+F)IGIU_1

Taulukon X tulokset osoittavat alhaisen maltuloo-sitason puhdistamattomaan hydrolysaattiin aikaansaavien olosuhteiden saavuttamisen tärkeyden.

20 Positiivinen vaikutus glukoosi-isomeraasin sta- biilisuuteen ja kokonaismuutostehokkuuteen, mikä aikaansaadaan keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun tärkkelyshydrolysaatin käytöstä isomerointireaktioissa, tekee mahdolliseksi eliminoida tarve hydrolysaattien 25 puhdistukseen ennen isomerointia. Niiden olosuhteiden huolellisella kontrollilla, joissa tärkkelys nesteyte-tään, sokeroidaan ja käsitellään, saadaan substraatteja, joissa haitallisesti glukoosi-isomeraasin stabilisuuteen vaikuttavien materiaalien taso on sellainen, joka te-30 kee mahdolliseksi glukoosi/fruktoosisiirappien taloudellisen tuotannon puhdistamattomasta hydrolysaatista kaupallisessa mittakaavassa.

Claims (9)

40 751 89

1. Menetelmä glukoosi/fruktoosisiirapin valmistamiseksi, jossa tärkkelys nesteytetään, sokeroidaan entsy- 5 maattisesti puhdistamattoman hydrolysaatin aikaansaamiseksi, hydrolysaatti käsitellään liukenemattoman ei-tärkkelys-pitoisen aineksen poistamiseksi siitä, ja saatetaan kosketukseen immobilisoidun glukoosi-isomeraasin kanssa ainakin osan glukoosia muuttamiseksi fruktoosiksi, tunnettu 10 siitä, että hydrolysaatti, joka ei oleellisesti vaikuta glukoosi-isomeraasin stabiilisuuteen, aikaansaadaan nes-teyttämällä tärkkelys pH:ssa, joka on alle 6,0, ja sokeroimalla se pH:ssa, joka on alle 5,0, ja alle 62°C:n lämpötilassa, jolloin muodostuu puhdistamaton glukoosihydrolysaat-15 ti, joka ei sisällä enempää kuin 100 ppm kalsiumioneja ja jossa ei-entsymaattisesti muodostuneiden ketoosisokerien moolisuhde on 0-2 moolia 100 moolia heksoosiyksikköjä kohti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalsiumpitoisuus pidetään alle 100 20 ppm:ssa käyttämällä nesteytysvaiheessa entsyymiä, joka ei vaadi kalsiumioneja.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tärkkelys nesteytetään olosuhteissa, joissa läsnäolevien kalsiumionien pitoisuus ei ole 25 suurempi kuin noin 30 ppm.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tärkkelys nesteytetään kahdessa vaiheessa, joiden välillä on autoklavointivaihe.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen mene-30 telmä, tunnettu siitä, että tärkkelys nesteytetään pH:ssa noin 5-6, edullisesti 5,2-5,4.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistamaton hydrolysaatti ennen kuin se saatetaan kosketukseen immobilisoidun 35 glukoosi-isomeraasin kanssa kuumennetaan lämpötilassa noin 50° - noin 70°C noin 20 - noin 60 minuuttia. Il 41 7518 9

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistamaton hydrolysaatti kuumennetaan noin 60°C:ssa noin 30 min.

8. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukainen 5 menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistamaton hydrolysaatti ajetaan ainakin yhden immobilisoidun glukoosi-isomeraasikerroksen läpi sopivissa olosuhteissa ainakin osan hydrolysaatin glukoosista isomeroimiseksi fruktoosiksi.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että immobilisoitu glukoosi-isome-raasikerros koostuu DEAE-selluloosaan tai anioninvaihto-hartsiin adsorboidusta tai sidotusta glukoosi-isomeraasis-ta. 751 89