PL217670B1 - Sposób jednoetapowej enzymatycznej hydrolizy skrobi instantyzowanej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób jednoetapowej enzymatycznej hydrolizy skrobi instantyzowanej (ziemniaczanej, kukurydzianej, pszennej, tapiokowej, ryżowej) nie wykazującej wyższej wartości równoważnika glukozowego (DE) jak 2, w celu otrzymania hydrolizatu maltozowego.

Najczęściej stosowanym surowcem do hydrolizy skrobi jest skrobia w formie naturalnych ziarn, wyodrębnionych z komórek roślinnych, nierozpuszczalnych w zimnej wodzie, tworzących w niej zawiesinę.

Wśród wielu produktów wytwarzanych przez przemysł skrobiowy są również skrobie poddane obróbce hydrotermicznej, odznaczające się rozpuszczalnością w zimnej wodzie, czyli skrobie instantyzowane. Niekiedy zachodzi potrzeba poddania takich skrobi reakcji hydrolizy w celu otrzymania odpowiedniego produktu z grupy hydrolizatów maltozowych.

Znany jest sposób enzymatycznej hydrolizy skrobi instantyzowanej, który przebiega w dwóch etapach [Alexander R.J., Zobel H.F.: 1994, Developments in carbohydrate chemistry. The American Association of Cereal Chemistry, St.Paul, Minnesota.; Guzmάn-Maldonado H., Parades-López O.: 1995, Amylolytic enzymes and products derived from starch. Critical Rewiews in Food Science. 35(5), 374-403; Bryjak J.: 1999, Enzymatyczna hydroliza skrobi do syropów maltodekstrynowych i skrobiowych. Biotechnologia. 1 (44), 180-199; Schenk F.W.: 2002, Starch hydrolysates an overview. Int. Sugar Jnl. 1238 (104), 82-89].

Pierwszy etap hydrolizy - czyli hydroliza wstępna zwana upłynnianiem lub dekstrynowaniem polega na rozrywaniu wiązań glikozydowych typu a-1,4 pośrodku łańcucha makrocząsteczki skrobi, przy zastosowaniu enzymu alfa-amylazy. W praktyce przemysłowej upłynnianie prowadzi się w temperaturach od 70 do 95°C, na ogół przez czas do 4 godzin, często z wcześniejszym, krótkotrwałym (kilka minut) zastosowaniem wyższej temperatury (105-110°C), co prowadzi do uzyskania rozpuszczalnych fragmentów cząsteczki skrobi (dekstryn), stanowiących substrat dla drugiego etapu hydrolizy.

Drugi etap hydrolizy - czyli hydroliza zasadnicza zwana scukrzaniem lub cukrowaniem - polega na rozrywaniu wiązań glikozydowych typu a-1,4 od nieredukującego końca krótszych łańcuchów, otrzymanych w wyniku wstępnej hydrolizy (upłynniania) makrocząsteczki skrobi. Scukrzanie prowadzi się przy zastosowaniu amylazy maltogennej lub beta-amylazy, a także innych enzymów (np. izoamylazy, pullulanazy). W praktyce przemysłowej scukrzanie prowadzi się w temperaturze ok. 60°C, na ogół przez czas do 72 godzin, co prowadzi do otrzymania hydrolizatu maltozowego.

Pierwszy etap hydrolizy (upłynnianie) umożliwia otrzymywanie hydrolizatów skrobiowych, charakteryzujących się wartością równoważnika glukozowego (DE) w zakresie od 2 do 35. Tak więc przez zastosowanie upłynniania możliwe jest wytwarzanie maltodekstryn (DE od 2 do 30) lub niskoscukrzonych syropów skrobiowych (DE od 30 do 35). Osiągnięcie wyższego stopnia hydrolizy (DE od 35 do 99), pozwalającego na wytwarzanie różnych rodzajów hydrolizatów skrobiowych, różniących się takimi parametrami jak lepkość, higroskopijność, słodycz, zdolność do fermentacji czy podatność na wytwarzanie związków barwnych, wymaga stosowania drugiego etapu hydrolizy, czyli scukrzania. Prowadzenie drugiego etapu hydrolizy - scukrzania wiąże się z koniecznością zastosowania nowych warunków reakcji (pH, temperatura, czas), a to wymaga wprowadzenia odpowiednich urządzeń lub zespołów urządzeń, w których poszczególne operacje jednostkowe zostaną przeprowadzone (np. dozowanie, mieszanie, wymiana ciepła, regulacja stopnia zakwaszenia).

Ponadto, z opisu patentowego GB 2 045 764A znany jest jednoetapowy proces hydrolizy enzymatycznej skrobi, w którym jednocześnie zastosowano alfa-amylazę i glukoamylazę. Znany proces prowadzi się w sposób ciągły w temperaturze 30-100°C, korzystnie 50-60°C przy pH 5,0-5,5. W rzeczywistości temperatura hydrolizy wynosi od 50 do 60°C, natomiast podgrzanie do temperatury 105 lub 115°C stosuje się jedynie w początkowej, krótkotrwałej fazie znanego procesu przez okres 25 s, w celu skleikowania skrobi. Z opisu zgłoszenia EP 0 806 434 A1 znany jest sposób przetwarzania kukurydzianej skrobi woskowej przy użyciu mieszaniny enzymów alfa-amylazy i glukoamylazy przy pH roztworu 4,5 i temperaturze do 60°C. W znanym procesie stosuje się, dodatkowo, związki chemiczne, takie jak: chlorek 3-chloro-2-hydroksypropylotrójmetyloamonu, tlenek propylenu, bezwodnik kwasu octowego. Natomiast, w opisie zgłoszenia patentowego DE 41 25 968 A1 przedstawiono jednoetapowy sposób przygotowania hydrolizatu ze skrobi mąki pszennej za pomocą różnych enzymów w temperaturze 45-67°C i pH 4,0-6,8. Także z opisu patentowego PL 191661 znany jest sposób prowadzenia hydrolizy enzymatycznej w sposób ciągły, przy zastosowaniu enzymatycznych, cyrkulacyjnych reaktoPL 217 670 B1 rów membranowych i przy zastosowaniu enzymów scukrzających: amyloglukozydazy i/lub pullulanazy. Znany proces hydrolizy prowadzi się w temp. 50-60°C, w czasie 2,5-7 h.

Przedstawiona wyżej tradycyjna, dwuetapowa hydroliza skrobi instantyzowanej wymaga zaangażowania większej ilości urządzeń, co wiąże się ze zwiększeniem nakładów inwestycyjnych, zwiększeniem jednostkowego zużycia energii i materiałów pomocniczych, a także zwiększeniem nakładów pracy. Natomiast, znane jednoetapowe procesy hydrolizy są przeznaczone do określonych surowców, jak mąka pszenna, kukurydziana skrobia woskowa bądź też wymagają zastosowania skomplikowanej technicznie aparatury, wymagającej np. wysokich ciśnień, reaktorów zbiornikowych i modułów ultrafiltracyjnych. Znane jednoetapowe procesy prowadzone są w temp. 45-60°C.

Wyżej przedstawionych niedogodności jest pozbawiony sposób według wynalazku.

Sposób jednoetapowej enzymatycznej hydrolizy skrobi instantyzowanej, o zawartości skrobi w suchej substancji nie mniejszej niż 95%, charakteryzującej się wartością DE poniżej 2, w celu otrzymania hydrolizatu maltozowego, polega na tym, że do roztworu skrobi instantyzowanej, o pH od 5,0 do 5,5, dodaje się, wspólnym lub oddzielnymi strumieniami, enzym rozkładający wiązania glikozydowe typu α-1,4 od środka łańcucha skrobiowego - alfa-amylazę oraz rozkładający wiązania typu a-1,4 - amylazę maltogenną lub enzym rozkładający wiązanie a-1,4 od końca łańcucha makrocząsteczki - beta-amylazę, po czym jednoetapowo prowadzi się proces hydrolizy skrobi instantyzowanej poprzez jednoczesne upłynnianie i scukrzanie przez okres od 16 do 24 godzin, stosując temperaturę powyżej 70°C. W przypadku dodawania enzymów oddzielnymi strumieniami do roztworu skrobi instantyzowanej, różnica wartości równoważnika glukozowego (DE) substratu poddawanego hydrolizie w punkcie dodawania enzymu scukrzającego, w stosunku do substratu poddawanego hydrolizie w punkcie dodawania enzymu upłynniającego, nie może być większa niż 1. Inaktywację stosowanych enzymów prowadzi się w identycznych warunkach temperatury, stopnia zakwaszenia (pH) i czasu oddziaływania.

Wyniki prac badawczych, prowadzonych przez autorów niniejszego wynalazku, nieoczekiwanie wykazały, że sposób jednoetapowej hydrolizy skrobi instantyzowanej według wynalazku odznacza się porównywalną wydajnością procesu (wartość DE) z metodą tradycyjną i może być z powodzeniem stosowany do otrzymywania syropów skrobiowych, w tym szczególnie syropów maltozowych (o podwyższonej zawartości maltozy).

W jednoetapowej hydrolizie skrobi instantyzowanej z zastosowaniem układu enzymów: alfa-amylaza i amylaza maltogenna lub beta-amylaza, w wyniku synergistycznego działania tego układu enzymów w stosunku do substratu, dekstryny - uwalniające się w wyniku działania enzymu upłynniającego - są natychmiast rozkładane przez enzym scukrzający, głównie z wytwarzaniem maltozy, przyczyniając się do uzyskiwania wysokiej wydajności procesu To powoduje również, że szczególnie syropy o niskim i średnim stopniu scukrzenia (30-50 DE) mogą odznaczać się niższą zawartością dekstryn, co jest istotną zaletą, gdyż dekstryny wywołują niekorzystne zmętnienie syropów w trakcie ich długotrwałego przechowywania.

Sposób jednoetapowej hydrolizy skrobi instantyzowanej według wynalazku umożliwia pełniejsze wykorzystanie zdolności hydrolitycznych zastosowanych enzymów przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i materiałów pomocniczych, bez konieczności stosowania wysokociśnieniowych aparatów cyrkulacyjnych.

Przedmiot wynalazku może znaleźć zastosowanie w technologii przetwórstwa skrobi na hydrolizaty skrobiowe, szczególnie w produkcji maltozowych syropów skrobiowych.

Wynalazek został bliżej objaśniony w poniższym przykładzie:

P r z y k ł a d

Z instantyzowanej skrobi tapiokowej o DE = 0,4 przygotowano wodny roztwór o stężeniu 38% ss i o temperaturze 90°C. Odczyn roztworu doprowadzono do pH = 5,3, po czym jednocześnie dodano enzymy:

alfa-amylazę bakteryjną w ilości 600 ml/t ss skrobi oraz maltogenną amylazę pleśniową w ilości 1200 ml/t ss skrobi. Po dokładnym wymieszaniu preparatów enzymatycznych z roztworem skrobi instantyzowanej, jednoetapową hydrolizę skrobi - jednoczesne upłynnianie i scukrzanie prowadzono przez 24 godziny. Po kwasowej inaktywacji enzymów, pobrana próbka do analizy wykazała wartość równoważnika glukozowego (DE) równą 45,2. Zawartość maltozy wynosiła 37,2% ogólnej zawartości węglowodanów.

Claims (3)

1. Sposób jednoetapowej enzymatycznej hydrolizy skrobi instantyzowanej, o zawartości skrobi w suchej substancji nie mniejszej niż 95%, charakteryzującej się wartością równoważnika glukozowego (DE) nie wyższą niż 2, w celu otrzymania hydrolizatu maltozowego, znamienny tym, że do roztworu skrobi instantyzowanej, o pH od 5,0 do 5,5, dodaje się, wspólnym lub oddzielnymi strumieniami, enzym rozkładający wiązania glikozydowe typu a-1,4 od środka łańcucha skrobiowego - alfa amylazę oraz rozkładający wiązania typu a-1,4 - amylazę maltogenną lub enzym rozkładający wiązanie a-1,4 od końca łańcucha makrocząsteczki - beta-amylazę, po czym jednoetapowo prowadzi się proces hydrolizy skrobi instantyzowanej poprzez jednoczesne upłynnianie i scukrzanie przez odpowiedni czas, korzystnie 24 godziny, w temperaturze powyżej 70°C.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że różnica wartości równoważnika glukozowego (DE) roztworu skrobi instantyzowanej w momencie (czasie technologicznym) dodawania enzymu rozkładającego wiązania typu a-1,4 lub w momencie (czasie technologicznym) dodawania enzymu rozkładającego wiązanie a-1,4 od końca łańcucha makrocząsteczki, w stosunku do wartości równoważnika glukozowego (DE) roztworu skrobi instantyzowanej w momencie (czasie technologicznym) dodawania enzymu rozkładającego wiązania typu a-1,4 od środka łańcucha skrobiowego, nie może być wyższa niż 1.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że inaktywację stosowanych enzymów prowadzi się w identycznych warunkach temperatury, stopnia zakwaszenia (pH) i czasu oddziaływania.