NO134356B - - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for fremstilling av et søtningsmiddel basert på sukrose og stivelse.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte

for fremstilling av et søtningsmiddel i form av et fast stoff eller en sirup, basert på sukrose og stivelse som i det vesentlige er fri for reduserende sukker.

Det er funnet at en blanding av dekstrin, som kan omfatte cyklodekstrin, og sukrose hovedsakelig gir et oligosakkarid (maltooligosylfruktose) hvori glukosedelen i dekstrin-kjeden er bundet til glukosedelen i sukrosen, og hvor fruktose-delen er endestående, når nevnte blanding underkastes virkningen av cyklodekstrin-glykosyltransferase (C.G.T.) i et vandig medium.'

Når en vandig blanding av stivelse og sukrose underkastes virkningen av cyklodekstrin-glykosyltransferase fra Bacillus macerans, dannes cyklodekstrin som et biprodukt, og

den oppnådde sirup er uklar. Dannelsen av cyklodekstrin kan unngås ved å erstatte stivelse som utgangsstoff med et oligosakkarid med en dekstroseekvivalent (D.E.) på 15 eller noe høyere, som oppnås ved hydrolysering av stivelsen før den ut-settes for C.G.T. Den sirup som fremstilles under slike betingelser inneholder imidlertid betydelige mengder reduserende sukker som stammer fra stivelseshydrolysatet, og produktet er av denne grunn relativt ustabilt.

Det er nå funnet at flytendegjort (delvis hydrolysert) stivelse, når den behandles med C.G.T. oppnådd fra Bacillus macerans og Bacillus megaterium, omdannes til cyklodekstrin og oligosakkarider, hvoretter reaksjonen slutter. Når en blanding av oppløselig stivelse og sukrose behandles med det samme enzym, fremstilles til å begynne med cyklodekstrin, men dette forbrukes deretter helt og til slutt fremstilles det en sirup hvori oligosakkaridradikalene er bundet til glukosedelen av sukrosen, og det er ingen vesentlig mengde reduserende sukker tilbake.

Foreliggende oppfinnelse angår■således en fremgangsmåte for fremstilling av et søtningsmiddel i form av et fast stoff eller en sirup basert på sukrose og stivelse som er i det vesentlige fritt for reduserende sukker, og fremgangsmåten karakteriseres ved at a) en vandig oppløsning av isukrose og et stivelseshydrolysat med et faststoffinnhold på 30- 50% og en dekstroseekvivalent på. ikke over 10, tilsettes cyklodekstrin-glykosyltransf erase inntil glukosen og oligosakkaridene som dannes ved påvirkningen av dekstrinet, er bundet til molekylene i sukrosen og blandingen er fri for cyklodekstrin og fr:, for vesentlige mengder reduserende sukker, og b) at den vandige blanding som således er oppnådd, renses på i og for seg kjent måte.

Den mengde cyklodekstrin som samles opp under be-gynnelsestrinnet i reaksjonen avhenger av molekylvekten i den benyttede stivelse og av forholdet mellom stivelse og sukrose i blandingen. Dannelsen av cyklodekstrin vanskeliggjøres ved bruken av stivelse med en lavere molekylvekt og ved å øke mengden sukrose i blandingen. Da det er nødvendig å benytte flytendegjort stivelse som ikke er for mye hydrolysert for å unngå nær-været av reduserende sukker, er dannelsen av cyklodekstrin uunngåelig. Cyklodekstrinet kan imidlertid helt forbrukes enten ved å utvide reaksjonstiden eller å øke mengden enzym som benyttes under ellers uforandrede betingelser.

Den optimale reaksjonstemperatur for C.G.T. er 50-60°C. Ved denne temperatur nedbrytes stivelseshydrolysater med ekstremt lav D.E., og produktets viskositet stiger kraftig. Når det benyttes stivelseshydrolysater med meget lav D.E., slik som 5 eller mindre, må den enzymatiske reaksjon utføres i løpet 'av et kort tidsrom for å forhindre tilbakedanning av stivelseshydrolysatet og forurensning av produktet med ikke-omsatt stivelse. Cyklodekstrinet som uunngåelig fremstilles, omdannes til sukrose og forsvinner i de siste trinn i reaksjonen slik at det ikke forårsaker uklarhet i den til slutt oppnådde sirup.

Stivelseshydrolysater med lav D.E. som inneholder forgrenede sakkarider, kan omdannes til polysakkarider med rette kjeder kun ved hjelp av forgreningsfjernende enzymer slik som pullulanase som oppnås fra Aerobacter aerogenes, eller iso-amalyase oppnåelig fra Pseudomonas amylodermosa. Omdannelsen av sukrosen til et oligosakkarid med en fruktosedel og en kjede av glukosedeler bundet til fruktosen forbedres ved omdanningen av forgrenede polysakkarider til rette kjeder.

Når reaksjonsblandingen inneholder relativt lite oppløselig stivelse, vil en vesentlig del av den tilstedeværende sukrose ikke reagere, og forholdet mellom sukrose bundet til oligosakkaridkjeder og den totale sukrose, omdanningsforholdet, vil reduseres med den følge at sukrosesmaken dominerer i forhold til smaken av forbindelsen som fremstilles ifølge oppfinnelsen.

Når sukrose og stivelseshydrolysat opprinnelig er tilstede i like mengder, underkastes 50-70% av sukrosen omdann-ing, og produktet viser en søthet og en behagelig duft som er typisk for søtningsmidlet fremstilt ifølge oppfinnelsen. Når mengden stivelse økes ytterligere, stiger omdanningsforholdet for sukrose til utover 60%, men molekylvekten av produktet øker og søtheten reduseres i en viss grad på grunn av mangelen på tilstrekkelig sukrose som akseptor for oligosakkaridkjedene. Under disse betingelser er det også nødvendig å øke mengden enzym som benyttes og/eller å øke reaksjonstiden tilsvarende for helt å forbruke det opprinnelige som biprodukt dannede cyklodekstrin. Det oppnås en sirup som er mindre søt enn den som oppnås fra like mengder sukrose og stivelse, men som er mer viskøs eller også av større termisk stabilitet og som er helt fri for reduserende sukker.

Mengden faststoffer som er tilstede i den vandige blanding i løpet av den enzymatiske reaksjon, har også betyd-ning for egenskapene av sluttproduktet. I et substrat hvis faststoffinnhold består av like mengder sukrose og stivelse, var omdanningsforholdet 40% når faststoffinnholdet i substratet var 15%, og 50-70% under ellers identiske betingelser når faststoff innholdet i substratet ble øket til 50%- I henhold til dette er den mest fordelaktige konsentrasjon av stivelseshydrolysat eller dekstrin 20-30%.

Enzymene som benyttes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen avledes fra enzymfrembringende stammer av Bacillus macerans og Bacillus megaterium, slik som Bacillus macerans

IPO 3^90 og IAM 1227, 17-A-stammer som ligner Bacillus macerans, og Bacillus megaterium var stamme T-5 (FERMP No. 935), T-10, T-26F osv. Enzymer fremstilt av andre stammer kan også benyttes.

Virkningene av enzymer fremstilt ved hjelp av forskjellige stammer illustreres i tabell 1. Enzymet fra 17-A-stammer ble oppnådd ved å fortynne en kulturoppløsning med en aktivitet på 350 enheter pr. ml (Tilden-Hudson) til 53 enheter pr. ml, og ved å tilsette 1 ml av den fortynnede oppløsning til substratet pr. gram stivelse. Enzymet fra Bacillus megaterium var stamme T-5 ble fremstilt ved å fortynne oppløsningen 1,75 ganger, og kulturoppløsningen fra T-26F ble benyttet ufortynnet for den samme virkning. Hver fermenteringsblanding ble justert til en optimal pH på 5,5.

Alle substrater inneholdt 50% faststoffer, sukrose/ stivelsesforholdene var som antydet, og reaksjonsperioden var to dager (omtrent 48 timer) ved 55°C i hver tilfelle. Tabellen angir mengden av reduserende sukker i produktet som prosentandel av totalt tilstedeværende sukker og omdanningsforholdet i prosent. Under de ovenfor angitte betingelser forsvant cyklodekstrin totalt. Omdanningsforholdet ble beregnet ved å underkaste ferm-enteringsblandingen en styrkebestemmelse ved hjelp av papirkromatografi med henblikk på fruktose, og cyklodekstrin ble isolert på samme måte ved hjelp av papirkromatografi og bedømt ut fra fargereaksjonen med jod.

Når det tilstedeværende faststoffinnhold reduseres til 25%, bestående av like mengder stivelse og sukrose, var verdiene for det reduserende sukker for de tre stammer henholdsvis 1,10, 1,06 og 1,19%, og omdanningsforholdet 49,7, 54,9 og 52,7%. Spor av cyklodekstrin kunne oppdages i hver tilfelle.

Ved en faststoffkonsentrasjon på 16,7% (1:1 sukrose:stivelse), var verdiene for det reduserende sukker 1,28, 1,18 og 0,91% og omdanningsforholdet 4l,3, 43,7 og'45,6%. Tydelige om enn små mengder cyklodekstrin ble funnet i hver av de tre reaksjons-blandingene, noe som antydet behovet for høyere enzymkonsentra-sjoner eller lengere reaksjonstider.

Mens sammenligningsforsøkene som er beskrevet med henvisning til tabell 1 ble utført med kulturoppløsningen fra flere mikroorganismer, ble de samme eller nær analoge resultater oppnådd ved hjelp av enzympreparater oppnådd ved utsalting fra oppløsningen og ytterligere rensing og konsentrering, såvel som utfelling av enzymet ved hjelp av et oppløsningsmiddel blandbart med vann, slik som i og for seg kjent. Mens styrken i de forskjellige oppløsningsuttrekk var forskjellig, var forskjellene kun kvantitative, og dette kan det kompenseres for ved å variere de benyttede mengder.

Den benyttede oppløselige stivelse kan være av enhver opprinnelse. Cerealstivelser slik som maisstivelse eller hvetestivelse er ekvivalente med knoll- og rotstivelser, slik som de som avledes fra poteter, søtpoteter, cassava eller sago. Oppløselige eller flytendegjorte stivelser kan avledes fra råstivelser ved sur hydrolyse eller ved bruk av enzymer. Stivelse som er flytendegjort ved hjelp av enzymer slik som a-amylase, er foretrukket på grunn av at den inneholder en mindre fraksjon oligosakkarider med lav molekylvekt. Et stivelseshydrolysat med en dekstroseekvivalent (D.E.) på 10 eller mindre er foretrukket, og en D.E. på 0,5 til 5 er mest ønskelig for å unngå reduserende egenskaper.

En opprinnelig blanding av sukrose og stivelse

på 1:1 gir en sirup som er intenst søt. Når høyere viskositet og høyere termisk stabilitet er viktigere en søtheten, kan så

mye som 10 deler stivelse kombineres med 1 del sukrose, alt angitt i vektdeler, hvis ikke annet uttrykkelig er nevnt. Med et høyt stivelse:sukrose-forhold er det nødvendig å bruke mer

enzym eller å øke reaksjonstiden for total dekomponering av cyklodekstrin. Det er mest fordelaktig å opprettholde en opprinnelig faststoffkonsentrasjon på omkring 50%.

Reaksjonstemperaturen og pH velges i henhold til det spesielle enzym som benyttes. Et pH-område på fra 4,5-8,0 og en temperatur på fra 45-60°C er best for enzymer avledet fra stammene 17-A eller T-5.

Reaksjonstiden avhenger av enzymaktiviteten. Det er foretrukket å velge enzymkonsentrasjonen slik at reaksjonen fullføres i løpet av to dager med total forsvinning av uoppløse-lig cyklodekstrin.

Den oppløsning som oppnås ved enzymvirkningen opp-varmes for å inaktivere enzymet og renses deretter på i og for seg kjent måte før det benyttes i matvarer. Bruken av aktivt karbon fulgt av fjerning av kationer ved inoebytting er typisk for de benyttede rensemetoder. Det oppnås en fargeløs, transparent og luktløs stivelsessirup, som delvis kan fordampes for å øke viskositeten, eller spraytørkes for å frembringe et vann-oppløselig pulver.

Sammensetningen av produktet varierer avhengig av forholdet mellom stivelseshydrolysat og sukrose i substratet. Det består hovedsakelig av maltooligosylfruktose og små mengder sukrose og oligosakkarider. Tabell 2 angir de oppnådde produk-ter når under ellers samme betingelser sukrose til stivelses-forholdet varierte fra 2:1 til 1:4. De reduserende sukkere og omdanningsforholdene er angitt i prosent slik som i tabell 1.

(GFS) angir den totale prosentandel av glukose, fruktose og sukrose. (A) er omdannede sakkarider med en polymeriserings-grad (D.P.) på mindre enn 9, (B) er omdannede sakkarider med en D.P. på 9 eller høyere, og (0) er oligosakkarider, alt angitt i vekt-%. Søtheten ble gradvis redusert fra meget søtt til et forhold mellom sukrose og stivelse på 2:1 til meget lite søtt i den meget viskøse sirup som ble oppnådd ved et forhold på 1:4.

Omdanningsforholdet påvirkes gunstig hvis det tilsettes amylopektin-1,6-glukosidase til stivelsen før rekasjonen til sakkarid.

Sukrose-stivelsessirupene som primært fremstilles ved reaksjonen ifølge oppfinnelse, og de tørre pulvere som oppnås fra sirupene, inneholder som hovedbestanddeler nye oligosakkarider hvori forholdet mellom glukose og fruktose kan variere fra 1:1 til 9:1 og sågar høyere, og som ikke viser vesentlige reduserende egenskaper. Søtheten kan være så sterk som den til en ekvivalent vekt sukrose, men den har en noe forskjellig karakter som betegnes som mer behagelig av de fleste. På grunn av fraværet av vesentlige mengder reduserende sukkere, er for-bindelsene fremstilt ifølge oppfinnelsen termisk stabile og stabile i nærvær av nitrogenforbindelser som reagerer med reduserende sukkere slik at det dannes fargede Maillard reaksjons-produkter. De underligger ikke Strecker's reaksjon. Selvom de er frie for dekstrin med høy molekylvekt, kan de danne viskøse oppløsninger som kan være ønskelige ved mange matvareprodukter, og de har uvanlig høy termisk stabilitet når de fremstilles fra en blanding som er rik på stivelse.

Når en sukroseoppløsning, en sirup fremstilt ifølge oppfinnelsen og fremstilt fra like vektmengder stivelse og sukrose, en glukoseoppløsning og en stivelsesoppløsning på D.E. 40 ble underkastet Maillards reaksjon med polypepton i 10, 30 og 50 minutter under sammenlignbare betingelser, og absorbsjonen i reaksjonsproduktet ble målt ved 480 mu, ble de følgende resultater oppnådd:

Hvis de fire oppløsninger som er anført i tabell 3, ble underkastet temperaturer på 100, 120 og 130°C i 30 min., og absorbsjonsverdiene ble målt ved 480 mu slik som ovenfor, ble følgende resultater oppnådd:

Produktene som fremstilles ifølge oppfinnelsen fra blandinger med høyt sukroseinnhold har en lav polymeriser-ingsgrad og en høy søthet. Allikevel er oppløsningene mer viskøse enn sukroseoppløsningene ved ekvivalent søthet. Hvis forholdet mellom sukker og stivelse reduseres, reduseres søt-heten og viskositeten økes ytterligere, og begge egenskaber er verdifulle i næringsmidler av mange typer omfattende sukkertøy, sjokolader, karamell, kjeks (småkaker), konfekt, brød, sukker-brød og andre bakeriprodukter, kondensert melk, fordampet melk og pulvermelk, ferdigmatvarer av mange typer, soft drinks med eller uten C02, "instant" kaffe, fruktsaft, melkesyredrikker slik som kjernemelk og yoghurt, iskrem, sorbetter, frosne des-serter, ferdigsupper og alle typer hermetiske næringsmidler.

Typene sirup som fremstilles ifølge oppfinnelsen velges lett til en spesiell anvendelse i henhold til søthet og viskositetsdata. Ifølge oppfinnelsen ble det fremstilt siruper med 70% faststoffinnhold fra 1:1 blandinger av sukrose og stivelse og fra stivelse med høyt maltoseinnhold. Ved 22, 40 og 60°C hadde sirupen som ble fremstilt ifølge oppfinnelsen viskositeter på henholdsvis 1380, 386 og 153 cp3 mens stivelsen med høyt maltoseinnhold hadde tislvarende viskosi-

teter på 1000, 233 og 131 cp.

Sukkertøy fremstilt ved fordamping av den foran-nevnte sirup til tørr tilstand ved l40°C var mindre hygroskopisk enn sukkertøy fremstilt på samme måte fra sirup av stivelse med høyt maltoseinnhold, nevnt ovenfor, eller fra stivelsessirup med en D.E. på 43. De forskjellige satser sukkertøy ble lagret ved 30°C og 80% relativ fuktighet i samme tidsrom, og økningen av overflaten av hvert sukkertøy ble beregnet etter en enhetlig forsøksperiode. Økningen i overflateareal for sukkertøy fremstilt fra en sirup oppnådd ifølge oppfinnelsen, var kun en del av den tilsvarende arealøkning for de andre typer. På grunn av den lave hygroskopisitet ved relativt høy D.P., er oligosakkaridene som fremstilles ifølge oppfinnelsen effektive disperger-ings- og stabiliseringsmidler for næringsmidler, og de forhind-rer krystallisering i næringsmidler med et høyt innhold av krystalliserbar glukose eller sukrose, slik som i hårde sukker-tøy. Av grunner som ennu ikke er helt klarlagt, forbedrer de konsistensen og lagringstiden for bakterieprodukter og duften i fruktdrikker. De stabiliserer proteiner i melkesyredrikker, slik som kjernemelk.

De følgende eksempler illustrerer foreliggende oppfinnelse ytterligere.

Eksempel 1

20 deler oppløselig stivelse og 20 deler pulverformig sukrose ble oppløst i 60 deler vann, og oppløsningen ble justert til en pH på 5,5 ved 60°C. Enzymet som var saltet ut fra en kultur av 17-A stammer ble tilsatt til den varme opp-løsning i en mengde på 53 Tilden-Hudson enheter pr. gram stivelse, og blandingen ble inkubert i to dager, hvoretter det opprinnelige tilstedeværende cyklodekstrin i oppløsningen helt hadde forsvunnet, noe som ble bekreftet av en negativ jodreak-sjon.

Oppløsningen ble avfarget med aktivert karbon og deretter renset ved føring over et inoebyttingsharpiks ved lav

temperatur. Den rensede væske oppnådd på denne måte ble delvis fordampet til en sirup som var fargeløs, transparent og luktløs og som hadde en intensiv søthet som var karakteristisk forskjellig fra den til sukrosesirup. Omdanningsforholdet ble funnet å overskride 60%.

Når sirupen ble ytterligere fordampet ved direkte oppvarming for å drive av praktisk alt tilstedværende vann, ble det oppnådd fargeløs, hård kandis som var helt transparent, med lav hygroskopisitet og en behagelig sterk søthet.

Eksempel 2

En 35%-ig stivelsesoppslemming fremstilt fra renset potetstivelse ble blandet med 0,2% amylopektin-a-1,6-gly-kosidase, og blandingen ble holdt på pH 6,0 og 90°C inntil dekstroseekvivalenten (D.E.) i hydrolysatet var 5. Den flytendegjorte stivelse ble deretter fortynnet med varmt vann til et faststoffinnhold på 20%, og pulverformig sukrose ble tilsatt i en mengde på 150%, beregnet på stivelsen. Etter at pH-verdien var justert til 5,5 og temperaturen til 57°C, ble 25 enheter renset C.G.T. fra T-5 tilsatt pr. gram stivelse, og oppløsningen ble inkubert i to dager, hvoretter enzymet ble inaktivert ved oppvarming. Etter rensing slik som i eks. 1, ble det oppnådd en fargeløs oppløsning. Den var ekstremt søt og ble ikke på-virket av forlenget oppvarming. Omdanningsforholdet var 58%.

Eksempel 3

En oppslemming av 35% maisstivelse i vann ble justert til pH 6,0, og det ble tilsatt 0,2% amylopektin-a-1,6-glykosidase (beregnet på fast stivelse). Stivelsen ble gjort flytende til D.E. 3 ved kort oppvarming til 90-95°C under om-røring. En del sukrose pr. syv deler stivelse ble tilsatt for å bringe faststoffinnholdet til 40%, og oppløsningen ble justert til pH 5,5 og 60°C. 55 enheter C.G.T. pr. gram faststoff ble tilsatt i form av en kulturoppløsning av 17-A stammer, og blandingen ble inkubert i tre dager, hvoretter cyklodekstrinet hadde forsvunnet. Enzymet ble deaktivert ved oppvarming, og oppløs-ningen ble renset slik som beskrevet i eks. 1 og delvis fordampet. Den således oppnådde sirup viste et omdannings.-rorhold på over 90%. Det var ikke så søtt som produktene oppnådd i eksemplene 1 og 2 og av høyere viskositet. Det var sågar mer stabilt ved forhøyede temperaturer, og faststoffer oppnådd fra sirupen ved total tørking var lite hygroskopisk.

Eksempel 4

En 35%-ig suspensjon av potetstivelse i vann ble blandet med 0,2% av det ovenfor beskrevne enzym, beregnet på vekten av stivelse, og blandingen ble holdt ved pH 6,0 og 90-93°C for flytendegjøring av stivelsen til en D.E. på 10. Blandingen ble deretter avkjølt, sukrose ble tilsatt for å bringe det totale faststoffinnhold til 50%, og pH og temperatur ble justert til henholdsvis 5,5 og 55°C. Enzym utsaltet fra en oppløs-ning av T-26 stammer ble tilsatt i en mengde på 55 enheter pr. gram stivelse, og fermenteringen ble utført ved inkubering i to dager.

Oppløsningen ble opparbeidet slik som i de foregående eksempler og ga som utbytte en intenst søt, fargeløs og transparent sirup som inneholdt omkring 4% reduserende sukker, beregnet på totalt tilstedeværende sukker. Allikevel var søt-heten, reduksjonsegenskapene og den termiske stabilitet over-legne de tilsvarende egenskaper i en sirup fremstilt ved hydrolyse av stivelse. Omdanningsforholdet var 45%

Eksempel 5

En 30%-ig oppslemming av renset maisstivelse i vann ble gelatinisert ved oppvarming til 170°C og pH 5,0 til D.E. 2. En mengde sukrose ekvivalent mengdén av stivelsen ble tilsatt for å heve faststoffinnholdet til omkring 40%, og blandingen ble justert til pH 5,5 og 55°C. 50 enheter C.G.T., avledet fra 17-A, ble tilsatt pr. gram stivelse, og oppløsningen ble inkubert i 2,5 dager, hvoretter den ble opparbeidet til en renset sirup slik som i de foregående eksempler, fordampet til en konsentrasjon på 60% og sprøytet fra en dyse inn i en luftstrøm på 150°C. Pulveret som ble oppnådd ved slik spray-tørking inneholdt fremdeles 3% fuktighet, hadde en behagelig søthet og duft og var praktisk talt fritt for reduserende sukkere.

I en modifikasjon av denne fremgangsmåte ble den gelatiniserte stivelsesoppløsning avkjølt fra 170-55°C og justert til pH 5,5, hvoretter 20 enheter pullulanase ble tilsatt pr. gram stilvelse for å dekomponere de forgrenede kjeder av amylopektin i stivelsen til de lineære kjeder. Deretter ble C.G.T.-enzymet og sukrose tilsatt som ovenfor. Viskositeten i reaksjonsblandingen var lavere enn uten pullulanasebehand-ling, og omdanningsforholdet var øket.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et søtnings-middel i form av et fast stoff eller en sirup basert på sukrose og stivelse som er i det vesentlige fritt for reduserende sukker, karakterisert ved at a) en vandig oppløs-ning av sukrose og et stivelseshydrolysat med et faststoffinnhold på 30-50% og en dekstroseekvivalent på ikke over 10, tilsettes cyklodekstrin-glykosyltransferase inntil glukosen og oligosakkaridene som dannes ved påvirkningen av dekstrinet, er bundet til molekylene i sukrosen og blandingen er fri for cyklodekstrin og fri for vesentlige mengder reduserende sukker, og b) at den vandige blanding som således er oppnådd, renses på i og for seg kjent måte.