PL217750B1

PL217750B1 - The manner of obtaining ofnon-starchide of corn

Info

Publication number: PL217750B1
Application number: PL384594A
Authority: PL
Inventors: Joanna Harasym; Jerzy Brach
Original assignee: Przedsiębiorstwo Wielobranżowe Futurum Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialno&S; Univ Ekonomiczny We Wrocławiu
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2014-08-29
Also published as: PL384594A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania polisacharydu nieskrobiowego, a w szczególności glukanu ze zbóż, zwłaszcza z owsa siewnego Avena sativa, a szczególnie dotyczy sposobu pozyskiwania β (1-3, 1-4) glukanu o wysokiej czystości.The present invention relates to a process for the preparation of a non-starch polysaccharide, in particular a glucan from cereals, in particular from Avena sativa oat, and particularly relates to a method for obtaining high purity β (1-3, 1-4) glucan.

Głównymi składnikami, surowców roślinnych są celuloza, hemiceluloza (ksylany, arabiniany, galaktany, glukany i mannany), pektyny, białka i lignina. Tzw. gumy są hydrofobowymi lub hydrofilowymi substancjami o ciężarze cząsteczkowym wahającym się w zakresie 10 000 do 50 000 000 Daltonów, które w odpowiednich rozpuszczalnikach tworzą żele lub wysoko lepkie zawiesiny lub roztwory o niskiej zawartości suchej masy. Gumy o typowych zastosowaniach w żywności, medycynie i produktach przemysłowych zawierają skrobię, pochodne celulozy, pullulan, agar, aloes, gumę guar, gumę z grochodrzewu, pektynę, algininę, karaginian, ksantan, β-glukan i gumę arabską.The main ingredients of plant raw materials are cellulose, hemicellulose (xylans, arabinans, galactans, glucans and mannans), pectins, proteins and lignin. The so-called gums are hydrophobic or hydrophilic substances with a molecular weight in the range of 10,000 to 50,000,000 daltons which, in suitable solvents, form gels or highly viscous suspensions or low dry matter solutions. Common food, medical and industrial gums include starch, cellulose derivatives, pullulan, agar, aloe, guar gum, locust bean gum, pectin, alginine, carrageenan, xanthan, β-glucan and acacia.

Glukany są homopolisacharydami składającymi się tylko z glukozy. Ponieważ istnieje możliwość łączenia się monomerów glukozy na wiele sposobów, glukany stanowią zróżnicowaną grupę związków o odmiennych właściwościach fizycznych, chemicznych i funkcjonalnych.Glucans are homopolysaccharides consisting only of glucose. Since glucose monomers can combine in many ways, glucans are a diverse group of compounds with different physical, chemical and functional properties.

Struktura chemiczna jest głównym wyznacznikiem cech charakterystycznych glukanów. Można to zaobserwować w efekcie porównania właściwości kilku typowych homoglukanów. Np. celuloza, czyli β-Ι-4-D-glukan, jest w porównaniu z innymi nierozpuszczalna w wodzie i krystaliczna. Amyloza, czyli a-1-4-D-glukan, jest trudno rozpuszczalna w wodzie, krystalizuje gorzej od celulozy i może tworzyć sztywne termoodwracalne żele.The chemical structure is the main determinant of the characteristics of glucans. This can be seen when comparing the properties of several typical homoglucans. For example, cellulose, or β-Ι-4-D-glucan, is water-insoluble and crystalline compared to others. Amylose, or α-1-4-D-glucan, is sparingly soluble in water, crystallizes worse than cellulose, and can form stiff thermoreversible gels.

Dekstran czyli a-1-6-glukan z niewielką ilością wiązań rozgałęzionych jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie i nie tworzy żeli.Dextran or a-1-6-glucan with a small amount of branched bonds is very soluble in water and does not form gels.

β-1-3, β-Ι-4-glukan z owsa został zaklasyfikowany jako guma lepka, β-1-3, β-Ι-4-glukany są strukturalnymi polisacharydami obecnymi w ścianach komórkowych zbóż takich jak np. owies czy jęczmień, β-1-3, β-Ι-4-glukan z owsa został uznany przez amerykańską Federal Drug Administration (FDA) jako czynnik, który może być pomocny w prewencji chorób serca. W 1997 r. FDA zezwoliła na umieszczanie na produktach z owsa zapewnienia o zdrowotności. Ważne by zauważyć, że żadne inne źródło β-glukanów, drożdżowe, bakteryjne czy też z innych zbóż nie otrzymało tego zezwolenia. Glukany z owsa stanowią wyjątek. Rozpuszczalność glukanów zależy od źródła ich pochodzenia. Np. zbożowe β-1-3, β-Ι-4-glukany są normalnie rozpuszczalne w rozpuszczalnikach wodnych, podczas gdy drożdżowe (z Saccharomyces eerevsiae) są nierozpuszczalne. Najbardziej pożądane są glukany rozpuszczalne. Drożdżowe β-glukany uzdatnia się pod kątem rozpuszczalności przez dodatek grup fosforowych. Jamas [Patent amerykański 5622939] opisuje metodę ekstrakcji rozpuszczalnych β-1-3, 1-6-glukanów z Saccharomyees cerevisiae. Opisywana metoda jest kompleksowa, zawiera kwaśną hydrolizę, zasadową hydrolizę dużo zastosowań wirowania i ultrafiltracji.β-1-3, β-Ι-4-glucan from oats has been classified as sticky gum, β-1-3, β-Ι-4-glucans are structural polysaccharides present in the cell walls of cereals such as oats or barley, β-1-3, β-Ι-4-glucan from oats has been recognized by the US Federal Drug Administration (FDA) as an agent that may be helpful in the prevention of heart disease. In 1997, the FDA permitted health claims to be made on oat products. It is important to note that no other source of β-glucan, yeast, bacterial or other cereals has received this approval. Oat glucans are an exception. The solubility of glucans depends on their source. For example, cereal β-1-3, β-Ι-4-glucans are normally soluble in aqueous solvents, while yeast (from Saccharomyces eerevsiae) are insoluble. Soluble glucans are most desirable. The yeast β-glucans are treated for solubility by adding phosphorus groups. Jamas [US Patent 5622939] describes a method for extracting soluble β-1-3, 1-6-glucans from Saccharomyees cerevisiae. The described method is comprehensive, it includes acid hydrolysis, alkaline hydrolysis, many applications of centrifugation and ultrafiltration.

Zasadniczą rolę w degradacji β-glukanu odgrywają endo-3-glukanazy. Jedna z nich β^-4-glukanaza jest obecna w ziarnie, druga β-1-3-glukanaza jest syntetyzowana w momencie rozpoczęcia kiełkowania, które jest zainicjowane odpowiednią wilgotnością i temperaturą. Enzymy te zmniejszają masę cząsteczkową β-1-3,-1-4-B-glukanu, a czasem nawet degradują go całkowicie - zależy to od zaistnienia sprzyjających katalizie enzymatycznej warunków. Kilka odnośników do stanu techniki przytacza metody pozyskiwania glukanów ze zbóż.Endo-3-glucanases play an essential role in the degradation of β-glucan. One of them, β ^ -4-glucanase, is present in the grain, the other, β-1-3-glucanase, is synthesized at the beginning of germination, which is initiated by the appropriate humidity and temperature. These enzymes reduce the molecular weight of β-1-3, -1-4-B-glucan, and sometimes even degrade it completely - it depends on the existence of favorable conditions for enzymatic catalysis. Several references to the prior art cite methods for obtaining glucans from cereals.

Cahill [Patent amerykański 6531178] prezentuje metodę produkcji wzbogaconego w β-glukan dodatku do żywności. Mąka owsiana pochodząca ze zmielonych otrębów jest ekstrahowana w alkalicznym roztworze, po zakończeniu ekstrakcji pH roztworu obniża się do 4,0 w celu wytrącenia białek i odwirowuje części stałe. Tak uzyskany roztwór suszy się rozpyłowo otrzymując produkt wzbogacony w β-glukan. Procedura nie dostarcza metody izolacji glukanu.Cahill [US Patent 6,531,178] presents a method for producing a β-glucan enriched food additive. The oatmeal derived from the milled bran is extracted into an alkaline solution, after the extraction is complete, the pH of the solution is lowered to 4.0 to precipitate the proteins and the solids are centrifuged. The thus obtained solution is spray dried to obtain a product enriched in β-glucan. The procedure does not provide a method for isolating the glucan.

Skendi [Journal of Cereal Science 38 (2003) 15-31] przytacza metodę, w której inaktywuje β-glukanazy w zmielonym ziarnie przez ogrzewanie w temperaturze 85°C pod kolumną zwrotną w zawiesinie 82% wagowych etanolu przed etapem ekstrakcji.Skendi [Journal of Cereal Science 38 (2003) 15-31] cites a method in which it inactivates β-glucanases in ground grain by heating at 85 ° C under a reflux column in 82 wt% ethanol slurry prior to the extraction step.

Wang [Patent amerykański 5512287] prezentuje metodę, w której enzymy są dezaktywowane przez podniesienie temperatury supernatantu uzyskanego po odwirowaniu półproduktu z etapu ekstrakcji wodnej β-glukanu.Wang [US Patent 5,512,287] presents a method in which enzymes are deactivated by increasing the temperature of the supernatant obtained after centrifuging the intermediate from the β-glucan aqueous extraction step.

Morgan [Patent amerykański 6426207] dostarcza metody izolacji β-glukanu z jęczmienia poprzez ekstrakcję wodą bez dezaktywacji endogennych enzymów. Wraz z wydłużeniem czasu ekstrakcji masa molekularna β-glukanów znacząco się obniża. Wytrącanie β-glukanu zachodzi w efekcie naprzemiennego zmrażania i ogrzewania roztworu.Morgan [US Patent 6,426,207] provides methods for isolating β-glucan from barley by extraction with water without inactivating endogenous enzymes. With the extension of the extraction time, the molecular weight of β-glucans decreases significantly. The precipitation of β-glucan occurs as a result of alternating freezing and heating of the solution.

PL 217 750 B1PL 217 750 B1

Potter [Patent amerykański 6323338] opisał metody izolacji β-glukanu z owsa w postaci wzbogaconego filmu z ekstraktu otrębów owsianych. Opisana w nim metoda nie stosuje w ogóle alkoholu do wytrącania glukanów.Potter [US Patent 6323338] describes methods of isolating β-glucan from oats in the form of an enriched film from oat bran extract. The method described in it does not use alcohol at all to precipitate the glucans.

Myllymaki [Patent amerykański 5312636] wstępnie zatężał zawartość β-glukanu w otrębach poprzez ekstrakcję otrębów w mieszaninie izopropanol:woda 80%:20% wagowych, następnie zatężoną frakcję ekstrahował roztworem alkalicznym i glukan wytrącał 50% propanolem.Myllymaki [US Patent 5,312,636] pre-concentrated the content of β-glucan in bran by extracting the bran in a mixture of isopropanol: water 80%: 20% by weight, then the concentrated fraction was extracted with an alkaline solution and the glucan precipitated with 50% propanol.

Redmond [Zgłoszenie patentowe WO 2004/096862] przedstawia metodę izolacji β-glukanów, w której wytrącanie odbywa się przy użyciu niskiego w zakresie stężenia od 10% do 25% wagowych krótkołańcuchowych alkoholi. Procedura poprzedzająca etap wytrącania jest wieloetapowa i zmierza do oczyszczenia roztworu z białek i skrobi przez stosowanie koagulantów oraz enzymów amylolitycznych.Redmond [Patent application WO 2004/096862] discloses a method for the isolation of β-glucans in which precipitation is carried out using short-chain alcohols which are low in the range of 10% to 25% by weight. The procedure preceding the precipitation step is a multi-stage procedure aimed at purifying the solution from proteins and starch by using coagulants and amylolytic enzymes.

Znane i przedstawione sposoby wyodrębniania β-glukanów umożliwiają uzyskanie ich w postaci preparatów o stosunkowo niskiej czystości, niejednorodnych, o zróżnicowanej masie cząsteczkowej.The known and presented methods of isolating β-glucans make it possible to obtain them in the form of relatively low purity, heterogeneous preparations of various molecular weight.

Istota wynalazku polega na poddaniu ziarna przed przemiałem działaniu wysokiej temperatury, w zakresie od 60°C do 130°C, korzystnie 90°C, a następnie poddaniu go ekstrakcji w roztworze alkalicznym o pH w zakresie od 8 do 11, korzystnie od 9 do 10, w temperaturze od 10°C do 50°C, korzystnie od 20°C do 30°C. Uzyskany po zneutralizowaniu alkalicznego roztworu filtrat chłodzi się do temperatury od 10°C do 40°C, korzystnie od 25°C do 30°C i β-glukan wytrąca się alkoholem, korzystnie alkoholem etylowym schłodzonym do temperatury od -20°C do 0°C, korzystnie -10°C, dozowanym tak, aby jego stężenie końcowe w zawiesinie wynosiło 25% wagowych. Wyjściowej obróbce mogą też być poddane takie części ziarna, jak: mąka, otręby, płatki owsiane czy też ich mieszanina.The essence of the invention consists in subjecting the grain to a high temperature, in the range of 60 ° C to 130 ° C, preferably 90 ° C, before grinding, and then subjecting it to extraction in an alkaline solution with a pH in the range of 8 to 11, preferably 9 to 10 , at a temperature from 10 ° C to 50 ° C, preferably from 20 ° C to 30 ° C. The filtrate obtained after neutralization of the alkaline solution is cooled to a temperature from 10 ° C to 40 ° C, preferably from 25 ° C to 30 ° C, and the β-glucan is precipitated with alcohol, preferably with ethyl alcohol cooled to -20 ° C to 0 ° C. C, preferably -10 ° C, dosed so that its final concentration in the suspension is 25% by weight. Parts of the grain such as flour, bran, oatmeal or their mixture may also be subject to initial treatment.

Zaletą sposobu według wynalazku jest fakt, że wstępna inaktywacja enzymów z grupy glikozydaz (EC 3.2.1.) do której należą β-glukanazy, pozwala na wyeliminowanie działania hydrolitycznego tych enzymów, które degradują długie łańcuchy β-glukanu do mniejszych. W efekcie staje się możliwe zastosowanie niższego stężenia alkoholu do wytrącenia β-glukanu bez znacznego obniżenia masy cząsteczkowej wydzielanego polimeru.The advantage of the method according to the invention is that the pre-inactivation of the enzymes from the group of glycosidases (EC 3.2.1.), Which include β-glucanases, makes it possible to eliminate the hydrolytic action of these enzymes which degrade long β-glucan chains into smaller ones. As a result, it becomes possible to use a lower alcohol concentration to precipitate β-glucan without significantly lowering the molecular weight of the polymer secreted.

Skuteczną metodę izolacji β-glukanów według wynalazku umożliwia wcześniejsza inaktywacja enzymów Endoó-glukanaz, obecnych w ziarnie - co uzyskuje się przez obróbkę termiczną prowadzoną przed etapem ekstrakcji. Podgrzewanie należy przeprowadzać w warunkach napowietrzania, np. w suszarce powietrznej, rozpyłowej, fluidyzacyjnej lub mikrofalowej z wymuszonym termoobiegiem. Czas podgrzewania nie może być zbyt długi, aby nie wytworzyły się barwne związki Maillarda. Następnie surowiec poddaje się przemiałowi na sucho lub na mokro z zastosowaniem typowych dla stanu techniki metod i urządzeń. Rozdrobniony surowiec zostaje zawieszony w roztworze o pH w zakresie od 8 do 11, korzystnie od 9 do 10. Związkiem chemicznym umożliwiającym osiągniecie takiego pH może być każda mocna zasada jak np: NH4OH, KOH, NaOH, Ca(OH)2, korzystne jest zastosowanie NaOH. Ekstrakcja β-glukanów zachodzi w zakresie temperatur od 10°C do 50°C, korzystnie od 20°C do 30°C w warunkach statycznych, wstrząsanych lub przy zastosowaniu mieszania, korzystnie przy stałym mieszaniu.An efficient method of isolating β-glucans according to the invention allows the prior inactivation of the enzymes Endo-glucanases present in the grain - which is achieved by a thermal treatment carried out before the extraction step. Heating should be carried out under aeration conditions, e.g. in an air, spray, fluid bed or microwave oven with forced convection. The heating time must not be too long so that no colored Maillard compounds are formed. Subsequently, the raw material is either dry or wet ground using methods and devices that are conventional in the art. The comminuted raw material is suspended in a solution with a pH ranging from 8 to 11, preferably from 9 to 10. A chemical compound that allows to achieve such a pH can be any strong base, such as: NH4OH, KOH, NaOH, Ca (OH) 2, it is preferable to use NaOH. The extraction of β-glucans takes place in a temperature range from 10 ° C to 50 ° C, preferably from 20 ° C to 30 ° C, under static, agitated or agitated conditions, preferably with constant agitation.

Po zakończeniu ekstrakcji części stałe należy oddzielić na drodze sedymentacji, koagulacji, filtracji lub odwirowania, korzystnie odwirowania, skrobię rozłożyć enzymem amylolitycznym w warunkach odpowiednich do jego działania, białka wytrącić przez obniżenie pH za pomocą dowolnego mocnego lub słabego kwasu mineralnego lub organicznego, korzystnie przy udziale HCl i oddzielić osad na drodze sedymentacji, koagulacji, filtracji lub odwirowania, korzystnie filtracji.After extraction is complete, the solids should be separated by sedimentation, coagulation, filtration or centrifugation, preferably centrifugation, the starch is broken down with the amylolytic enzyme under conditions suitable for its action, the proteins are precipitated by lowering the pH with any strong or weak mineral or organic acid, preferably with HCl and separate the precipitate by sedimentation, coagulation, filtration or centrifugation, preferably filtration.

Filtrat schładzano w zakresie od 10°C do 40°C, korzystnie od 25°C do 30°C i dodano schłodzony w zakresie od -20°C do 0°C, korzystnie -10°C, alkohol z grupy metanolu, etanolu, izopropanolu, 2-propanolu, korzystnie etanol. Stężenie końcowe alkoholu etylowego w zawiesinie wynosiło od 20% do 30% wagowych, korzystnie 25% wagowych. β-glukan wytrącał się w roztworze statycznym, wstrząsanym lub mieszanym, korzystnie mieszanym.The filtrate was cooled in the range from 10 ° C to 40 ° C, preferably from 25 ° C to 30 ° C, and chilled in the range from -20 ° C to 0 ° C, preferably -10 ° C, alcohol from the group of methanol, ethanol, isopropanol, 2-propanol, preferably ethanol. The final concentration of ethyl alcohol in the suspension was from 20% to 30% by weight, preferably 25% by weight. The β-glucan precipitated in a static, shaking or agitated solution, preferably agitated.

Wytrącony materiał został oddzielony na drodze sedymentacji, filtracji lub odwirowania, korzystnie filtracji. Wyizolowany produkt można suszyć na wiele sposobów, polecane jest suszenie pod próżnią, gdyż pomimo że daje produkt w postaci dużych granulek, to może on następnie zostać zmielony do pożądanej wielkości, a suszenie pod próżnią pozwala zachować niższą temperaturę, a przez to uniknąć tworzenia się barwnych związków Maillarda. Związki te tworzą się w podwyższonych temperaturach przez reakcję białek z cukrami prostymi i mają brunatną barwę. Im preparat bardziej zanieczyszczony, tym jego suszenie powinno odbywać się w niższej temperaturze.The precipitated material was separated by sedimentation, filtration or centrifugation, preferably filtration. The isolated product can be dried in many ways, vacuum drying is recommended, because although it gives the product in the form of large granules, it can then be ground to the desired size, and drying under vacuum allows to maintain a lower temperature and thus avoid the formation of colored Maillard unions. These compounds are formed at elevated temperatures by the reaction of proteins with simple sugars and have a brown color. The more contaminated the preparation, the lower the temperature should be dried.

PL 217 750 B1PL 217 750 B1

Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładzie.The method according to the invention is shown in the example.

P r z y k ł a d: Surowiec stanowiły nieobłuszczone ziarna owsa Avena sativa odmiana Sam. Ziarno poddano ogrzewaniu w suszarce mikrofalowej z wymuszonym termoobiegiem w temperaturze 90°C przez 10 min. Następnie zmielono w młynku laboratoryjnym do uzyskania bardzo drobnej granulacji.Example: The raw material was non-hulled oat grains Avena sativa, variety Sam. The grain was heated in a microwave oven with forced air circulation at the temperature of 90 ° C for 10 minutes. Then it was ground in a laboratory mill to a very fine granulation.

1000 g zmielonego surowca zawieszono w 1N roztworze NaOH w stosunku objętościowym 1:40 i pH=9,5. Mieszaninę ekstrahowano przez 2 godziny przy ciągłym mieszaniu w temperaturze 25°C, a następnie odwirowano części stałe przy 4000 g. pH supernatantu uzyskanego z wirowania doprowadzono do neutralnego przez dodatek HCl i podgrzano do temperatury 75°C, a następnie dodano preparat amylolityczny Termamyl i inkubowano w temperaturze 80°C do momentu, aż próba jodowa na obecność skrobi przestała wykazywać pozytywny wynik.1000 g of ground raw material was suspended in 1N NaOH solution in a volume ratio of 1:40 and pH = 9.5. The mixture was extracted for 2 hours with continuous stirring at 25 ° C, then the solids were centrifuged at 4000 g. The pH of the centrifugation supernatant was made neutral by addition of HCl and heated to 75 ° C, then Termamyl amylolytic preparation was added and incubated. at 80 ° C until the iodine test for starch no longer gives a positive result.

Następnie mieszaninę zakwaszono dodatkiem HCI do uzyskania odczynu pH=4 w celu inaktywacji pozostałego enzymu oraz denaturacji i wytrącenia zanieczyszczeń białkowych, a następnie podgrzano do temperatury 90°C. Wytrącone substancje oddzielono przy zastosowaniu filtracji przez ziemię okrzemkową.The mixture was then acidified by addition of HCl until pH = 4 in order to inactivate the remaining enzyme and denature and precipitate protein impurities, and then heated to 90 ° C. Precipitated substances were separated by filtration through diatomaceous earth.

Oczyszczony roztwór schłodzono do temp pokojowej (25°C) i dodano alkohol etylowy schłodzony do temperatury -10°C w celu wytrącenia β-glukanu. Etanol dodawano aż do uzyskania stężenia końcowego 25% wagowych i wytrącano β-glukan przez 15 minut przy ciągłym mieszaniu. Powstały osad odwirowano przy 4000 g i wysuszono pod zmniejszonym ciśnieniem w temperaturze 30°C. Analiza suchego produktu na zawartość β-glukanu wykazała czystość 92%, natomiast uzyskana wydajność odzysku wyniosła 89%.The purified solution was cooled to room temperature (25 ° C) and ethyl alcohol cooled to -10 ° C was added to precipitate the β-glucan. Ethanol was added until a final concentration of 25% by weight was reached and the β-glucan precipitated over 15 minutes with constant stirring. The resulting pellet was centrifuged at 4000 g and dried under reduced pressure at 30 ° C. Analysis of the dry product for the content of β-glucan showed a purity of 92%, while the obtained recovery was 89%.

Claims

The method of obtaining non-starch polysaccharide from cereals, in particular glucan from cereals, in particular from Avena sativa seed oats, especially relates to the method of obtaining high purity β (1-3, 1-4) -glucan, characterized in that the grain is subjected to treatment prior to grinding temperatures ranging from 60 ° C to 130 ° C, preferably 90 ° C, followed by extraction in an alkaline solution with a pH in the range of 8 to 11, preferably pH = 9.5 at a temperature of 10 to 50 ° C, preferably 25 ° C, then the solids, starch and proteins are separated and filtered, and the filtrate is cooled to a temperature of 10 to 40 ° C, preferably 25 ° C and the β-glucan is precipitated with alcohol or a mixture of alcohols from the group of methanol, ethanol, isopropanol, 2-propanol, preferably ethyl alcohol cooled to -20 ° C to 0 ° C, preferably -10 ° C, dosed so that its final concentration in the suspension is from 20 to 30% by weight, preferably 25% by weight.