WO1996022699A1 - Verfahren zur herstellung von weizenproteinhydrolysaten - Google Patents

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    • C12Y304/24—Metalloendopeptidases (3.4.24)

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of wheat protein hydrolysates, in which the multistage hydrolysis is carried out in the presence of selected enzymes, and the use of the hydrolysates for the production of light-colored, storage-stable derivatives.
  • Protein hydrolyzates based on animal collagen are usually obtained. In recent years, however, there has been a trend towards vegetable products, for example based on wheat gluten or soy protein.
  • EP-A 0298419 discloses the production of protein hydrolyzates with an average molecular weight of 500 to 90,000 by stepwise alkaline, acidic and / or enzymatic degradation of wheat or soy proteins.
  • EP-A 0363771 reports on a process for the production of protein hydrolyzates, in which vegetable proteins are hydrolyzed with hydrochloric acid, non-hydrolyzed constituents are separated off, made alkaline to destroy undesired chlorinated compounds and the resulting products are then acidified.
  • the methods of the prior art have in common that, when applied to the vegetable raw material, they deliver products which, after chemical derivatization, for example after condensation with fatty acid chlorides, discolored and are not sufficiently stable in storage.
  • a particular problem is, for example, that fatty acid condensates of wheat protein hydroylsates of the prior art show an undesirable tendency to cloud in aqueous solution.
  • the object of the invention was therefore to remedy the problem of inadequate storage stability of derivatives based on wheat protein hydrolyzates.
  • the invention relates to a process for the production of wheat protein hydrolyzates, in which protein-containing starting materials are first hydrolyzed with proteinases and then with peptidases.
  • protein-containing starting materials preferably wheat gluten, and corresponding chemically or enzymatically modified derivatives
  • Protein-containing starting materials are to be understood as protein isolates which are obtained, for example, by extraction of wheat flour according to known methods of the prior art and can have a protein content in the range from 70 to 90% by weight.
  • Proteinases and peptidases belong to the group of proteases, that is to say enzymes which catalyze the hydrolytic cleavage of the peptide bond and therefore systematically belong to the hydrolases. Proteinases, which are also referred to as endoproteases or endopeptidases, cleave peptide bonds inside the protein. They are to be distinguished from the (exo) peptides, which break down the terminal peptide bond from the terminal amino or carboxyl group cause .
  • proteinases suitable for the purposes of the process according to the invention are the commercially available serine proteinases (EC 3.4.21), cysteine or thiol proteinases (EC 3.4.22), acidic proteinases of the aspartate type. or carboxyproteinases (EC 3.4.23) and to a lesser extent also metal proteinases (3.4.24).
  • suitable serine proteinases are chymotrypsin, elastase, kallikrein, plasmin, trypsin, thrombin and subtilisin.
  • Suitable peptidases include, for example, the oc-aminoacyl peptide hydrolases or aminopeptidases (EC 3.4.11), which detach individual amino acids at the end of the polypeptide, the dipeptide hydrolases or dipeptidases (EC 3.4.13), the dipeptides - de hydrolyze to amino acids, the dipeptidyl peptide hydrolases or dipeptidyl peptidases (EC 3.4.14), the amino-containing dipeptides of a polypeptide, peptidyl dipeptide hydrolases or dipeptidyl carboxypeptidases (EC 3.4.15), the individual Separate amino acids of the carboxy terminus, carboxypeptidases (EC 3.4.16 - 3.4.18) and omega peptidases (EC 3.4.19), which cleave modified amino acids from both ends of the polypeptide.
  • the oc-aminoacyl peptide hydrolases or aminopeptidases EC 3.4.11
  • the amount of proteinases or peptidases used is not critical per se, but should in each case be in the range from 0.1 to 5, preferably 0.5 to 2% by weight, based on the starting materials.
  • Adsorbents are not critical per se, but should in each case be in the range from 0.1 to 5, preferably 0.5 to 2% by weight, based on the starting materials.
  • suitable adsorbents are silica gels, aluminum oxides and preferably activated carbons, which can be used in amounts of 0.1 to 15, preferably 1 to 5% by weight, based on the nitrogen content of the protein-containing starting materials.
  • an aqueous suspension of the protein-containing starting material is optionally combined with the adsorbents, as described above, over a period of 1 to 24 h in the optimum temperature and pH value of the proteinases and peptidases used, for example degraded at 40 to 70 ° C. It is particularly advantageous to carry out the hydrolysis below the gelatinization temperature of the carbohydrates still contained in the protein.
  • soluble calcium peptides are formed which have to be separated from the undissolved calcium oxide or calcium hydroxide by filtration. If the alkali peptides are desired, it is advisable to treat the calcium peptides with spda or potash solution and then to separate off the sparingly soluble calcium carbonate. It's just if possible, precipitate the calcium in the form of calcium sulfate or calcium oxalate.
  • the sparingly soluble salts are preferably separated off in the presence of filter aids using the customary separation processes for solid / liquid separations, such as filtration, separation and the like.
  • Aqueous wheat protein hydrolyzate solutions are obtained which can be concentrated as required, for example using downdraft evaporators.
  • the hydrolysates obtainable by the process according to the invention have an average molecular weight in the range from 100 to 30,000, preferably 100 to 10,000 and in particular 2,000 to 5,000 and a solids content of about 5 to 50% by weight.
  • the vegetable protein protein hydrolysates obtainable by the process according to the invention are distinguished by a particularly advantageous color quality and, after derivatization, provide substances which, in aqueous solution, have a particularly high storage stability.
  • fatty acid condensates based on the wheat protein hydrolyzates obtainable by the process according to the invention can be processed into clear, storage-stable aqueous solutions.
  • Another object of the invention therefore relates to the use of the wheat protein hydrolyzates obtainable by the process according to the invention for the production of light-colored, storage-stable secondary products such as, for example, N-acylated, N-alkylated, esterified and N-acylated or N-alkylated and also esterified derivatives.
  • the wheat protein hydrolyzates obtainable by the process according to the invention are preferably condensed in a manner known per se with fatty acids or fatty acid chlorides having 6 to 22, in particular 12 to 18, carbon atoms.
  • the use of wheat protein hydrolyzates for the production of lauric acid or coconut fatty acid condensates is particularly preferred.
  • a commercial wheat protein hydroylsate was acylated with lauric acid chloride as described in Example 2.
  • a 20% by weight solution of the resulting wheat protein fatty acid condensate became cloudy after a storage period of 1 week.

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Abstract

Es wird ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Weizenproteinhydrolysaten vorgeschlagen, bei dem man proteinhaltige Ausgangsstoffe zunächst mit Proteinasen und anschließend mit Peptidasen hydrolysiert. Die resultierenden Hydrolysate eignen sich insbesondere zur Herstellung von hellfarbigen, lagerstabilen Kondensationsprodukten mit Fettsäuren.

Description

Verfahren zur Herstellung von Weizenproteinhydrolysaten
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wei¬ zenproteinhydrolysaten, bei dem man die mehrstufige Hydrolyse in Gegenwart ausgewählter Enzyme durchführt sowie die Verwen¬ dung der Hydrolysate zur Herstellung hellfarbiger, lagersta¬ biler Derivate.
Stand der Technik
Abbauprodukte von Polypeptiden, sogenannte Proteinhydrolysa- te, sind seit langem bekannt. Obschon sie wegen des Fehlens einer lipophilen Gruppe keine Detergenseigenschaften besit¬ zen, werden sie wegen ihrer dispergieren Eigenschaften und ihrer Fähigkeit, die dermatologische Verträglichkeit anioni¬ scher Tenside durch Wechselwirkung mit den Eiweißmolekülen der Haut günstig zu beeinflussen, in einer Vielzahl von oberflächenaktiven Mitteln eingesetzt. Übersichtsartikel hierzu finden sich beispielsweise von A.Domsch et al. in Ärztl. Kosmetol. 13, 524 (1983), G.Schuster et al. in Cos- met.Toil., ,99., 12 (1984) und H.Lindner in Parfüm.Kosmet. , 66, 85 (1985).
Üblicherweise werden Proteinhydrolysate auf Basis von tieri¬ schem Kollagen gewonnen. In den letzten Jahren hat sich je¬ doch ein Trend nach pflanzlichen Produkten, beispielsweise auf Basis von Weizengluten oder Sojaprotein durchgesetzt.
Aus der französischen Offenlegungsschrift FR 2542013 (ABC) ist beispielsweise die Hydrolyse pflanzlicher Proteine mit¬ tels besonderer Milchsäurebakterien in Gegenwart von Kohlen¬ wasserstoffen bekannt. In der ÜS 4757007 (Nisshin) wird die partielle Hydrolyse von Sojaproteinen mit Proteasen in Frak¬ tionen unterschiedlicher Löslichkeit in Trichloressigsäure, Trennung der Fraktionen bei einem pH-Wert von 7, Abtrennung nichthydrolysierter Anteile und Reinigung der Produkte durch Ultrafiltration beschrieben. Gegenstand der europäischen Pa¬ tentanmeldung EP-A 0187048 (Novo) ist der enzymatische Abbau von Sojaproteinen durch Behandlung mit speziellen Proteasen. Aus der EP-A 0298419 (Katayama) ist die Herstellung von Pro- teinhydrolysaten mit einem durchschnittlichen Molekularge¬ wicht von 500 bis 90.000 durch schrittweisen alkalischen, sauren und/oder enzymatischen Abbau von Weizen- oder Sojapro¬ teinen bekannt. In der EP-A 0363771 (Nestle) wird schließlich über ein Verfahren zur Herstellung von Proteinhydrolysaten berichtet, bei dem man pflanzliche Proteine mit Salzsäure hydrolysiert, nichthydrolysierte Bestandteile abtrennt, zur Zerstörung unerwünschter chlorierter Verbindungen alkalisch stellt und die resultierenden Produkte anschließend ansäuert. Den Verfahren des Stands der Technik ist jedoch gemein, daß sie angewendet auf den pflanzlichen Rohstoff Weizen Produkte liefern, die nach chemischer Derivatisierung, beispielsweise nach Kondensation mit Fettsäurechloriden, verfärbten und nicht ausreichend lagerstabil sind. Ein besonderes Problem besteht beispielsweise darin, daß Fettsäurekondensate von Weizenproteinhydroylsäten des Stands der Technik in wäßriger Lösung eine unerwünschte Tendenz zur Austrübung zeigen.
Die Aufgabe der Erfindung hat somit darin bestanden, für das Problem der unzureichenden Lagerstabilität von Derivaten auf Basis von Weizenproteinhydrolysaten eine Abhilfe zu schaffen.
Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Weizenproteinhydrolysaten, bei dem man proteinhaltige Ausgangsstoffe zunächst mit Proteinasen und anschließend mit Peptidasen hydrolysiert.
Nach umfangreichen Untersuchungen der Anmelderin hat sich ge¬ zeigt, daß die unzureichende Lagerstabilität der Derivate auf eine unvorteilhafte Molgewichtsverteilung der Vorstufe - also der Weizenproteinhydrolysate - zurückzuführen ist. Demzufolge mußte die Lösung der gestellten Aufgabe auf der Stufe der Weizenproteinhydrolysate greifen. Überraschenderweise wurde gefunden, daß ein enzymatischer Abbau unter besonderer Aus¬ wahl der eingesetzten Enzyme zu Hydrolysaten führt, die ih¬ rerseits lagerstabile Derivate, insbesondere in wäßriger Lö¬ sung trübungsfreie Weizenproteinfettsäurekondensate ergeben. Dreistufiger enzymatischer Abbau
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden proteinhaltige Ausgangsstoffe, vorzugswei¬ se Weizengluten, sowie entsprechende chemisch bzw. enzyma- tisch modifizierte Derivate
(a) zunächst bei einem pH-Wert im Bereich von 2 bis 5 mit Proteinasen und
(b) anschließend bei einem pH-Wert im Bereich von 8 bis 10 mit Proteinasen behandelt, sowie
(c) abschließend bei einem pH-Wert im Bereich von 6 bis 7 mit Peptidasen hydrolysiert.
Unter proteinhaltigen Ausgangsstoffen sind Proteinisolate zu verstehen, die beispielsweise durch Extraktion von Weizen¬ mehl nach bekannten Verfahren des Stands der Technik erhalten werden und einen Proteingehalt im Bereich von 70 bis 90 Gew.-% aufweisen können.
Proteinasen und Peptidasen
Proteinasen und Peptidasen zählen zur Gruppe der Proteasen, also Enzymen, welche die hydrolytische Spaltung der Peptid- bindung katalysieren und daher systematisch gesehen zu den Hydrolasen gehören. Proteinasen, die auch als Endoproteasen oder Endopeptidasen bezeichnet werden, spalten Peptidbin- dungen im Inneren .des Proteins. Sie sind von den (Exo-)Pep¬ tidasen zu unterscheiden, die einen Abbau der terminalen Pep- tidbindung von der endständigen Amino- bzw. Carboxylgruppe bewirken .
Typische Beispiele für im Sinne des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens geeignete Proteinasen sind die im Handel erhältlichen Serin-Proteinasen (EC 3.4.21), Cystein- bzw. Thiol-Proteina- sen (EC 3.4.22), saure Proteinasen vom Typ der Aspartat- bzw. Carboxyproteinasen (EC 3.4.23) sowie untergeordnet auch Me- tall-Proteinasen (3.4.24). Beispiele für für geeignete Serin- Proteinasen sind Chymotrypsin, Elastase, Kallikrein, Plasmin, Trypsin, Thrombin und Subtilisin.
Zu den geeigneten Peptidasen zählen beispielsweise die oc-Ami- noacylpeptid-Hydrolasen oder Aminopeptidasen (EC 3.4.11), die am Ende des Polypeptids einzelne Aminosäuren ablösen, die Di- peptid-Hydrolasen bzw. Dipeptidasen (EC 3.4.13), die Dipepti- de zu Aminosäuren hydrolysieren, die Dipeptidylpeptid-Hydro- lasen bzw. Dipeptidylpeptidasen (EC 3.4.14), die Amino-stän- dige Dipeptide eines Polypeptids freisetzen, Peptidyldipep- tid-Hydrolasen bzw. Dipeptidylcarboxypeptidasen (EC 3.4.15), die einzelne Aminosäuren des Carboxy-Terminus abtrennen, Carboxypeptidasen (EC 3.4.16 - 3.4.18) und Omega-Peptidasen (EC 3.4.19), die modifizierte Aminosäuren von beiden Ende des Polypeptids abspalten.
Die Menge der eingesetzten Proteinasen bzw. Peptidasen ist an sich nicht kritisch, sollte jedoch jeweils im Bereich von 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-% - bezogen auf die Aus¬ gangsstoffe - liegen. Adsorbentien
Zur Entfernung von Spuren an unerwünschten Farbverursachern hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die proteinhaltigen Ausgangsstoffe zusammen mit geeigneten Adsorbentien in die Hydrolyse einzusetzen. Als Adsorbentien kommen beispielsweise Kieselgele, Aluminiumoxide und vorzugsweise Aktivkohlen in Betracht, die in Mengen von 0,1 bis 15, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-% - bezogen auf den Stickstoffgehalt der proteinhalti¬ gen Ausgangsstoffe - eingesetzt werden können.
Durchführung des Hvdrolvseverfahren
Zur Durchführung der enzymatischen Hydrolyse wird eine wä߬ rige Suspension des proteinhaltigen Ausgangsstoffs gegebenen¬ falls zusammen mit den Adsorbentien wie oben beschrieben über einen Zeitraum von 1 bis 24 h im Temperatur- und pH-Wertopti¬ mum der eingesetzten Proteinasen und Peptidasen, beispiels¬ weise bei 40 bis 70°C abgebaut. Besonders vorteilhaft ist es, die Hydrolyse unterhalb der Verkleisterungstemperatur der im Protein noch einhaltenen Kohlenhydrate durchzuführen.
Wird der Aufschluß in Gegenwart von Calciumoxid bzw. Calcium- hydroxid als Base durchgeführt, bilden sich lösliche Calcium- peptide, die vom ungelösten Calciumoxid oder Calciumhydroxid durch Filtration abgetrennt werden müssen. Werden die Alkali- peptide gewünscht, empfiehlt es sich, die Calciumpeptide mit Spda- oder Pottaschelösung zu behandeln und das schwerlösli¬ che Calciumcarbonat anschließend abzutrennen. Es ist eben- falls möglich, das Calcium in Form von Calciumsulfat oder Calciumoxalat zu fällen. Die Abtrennung der schwerlöslichen Salze erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Filterhilfsmit¬ teln mit den üblichen Trennverfahren für Fest/Flüssig-Tren- nungen wie Filtration, Separation und dergleichen.
Es werden wäßrige Weizenproteinhydrolysatlösungen erhalten, die nach Bedarf beispielsweise unter Einsatz von Fallstrom¬ verdampfern auf onzentriert werden können. Die nach dem er¬ findungsgemäßen Verfahren erhältlichen Hydrolysate weisen ein mittleres Molekulargewicht im Bereich von 100 bis 30.000, vorzugsweise 100 bis 10.000 und insbesondere 2000 bis 5000 auf sowie einen Feststoffgehalt von etwa 5 bis 50 Gew.-%.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen pflanz¬ lichen Weizenproteinhydrolysate zeichnen sich durch eine be¬ sonders vorteilhafte Farbqualität aus und liefern nach Deri- vatisierung Stoffe, die in -wäßriger Lösung eine besonders hohe Lagerstabilität zeigen. Insbesondere Fettsäurekondensa¬ te auf Basis der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält¬ lichen Weizenproteinhydrolysaten lassen sich zu klaren, la¬ gerstabilen wäßrigen Lösungen verarbeiten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft daher die Ver¬ wendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Weizenproteinhydrolysate zur Herstellung von hellfarbigen, lagerstabilen Folgeprodukten wie beispielsweise N-acylierten, N-alkylierten, veresterten sowie N-acylierten bzw. N-alky- lierten und zudem veresterten Derivaten.
Vorzugsweise werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Weizenproteinhydrolysate in an sich bekannter Weise mit Fettsäuren bzw. Fettsäurechloriden mit 6 bis 22, insbesondere 12 bis 18 Kohlenstoffatomen kondensiert. Be¬ sonders bevorzugt ist die Verwendung der Weizenproteinhy¬ drolysate zur Herstellung von Laurinsäure- bzw. Kokosfett¬ säurekondensaten.
Die folgenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung näher erläutern, ohne ihn darauf einzuschränken.
Beispiele
Beispiel 1;
In einem 5-m3-Rührkessel wurden 3500 1 Warmwasser (Tmax = 50°C) vorgelegt und mit 1,3 kg Natriumsulfit und 14 kg Ak¬ tivkohle versetzt. Bei 48 bis 50°C wurden bei maximaler Rührerdrehzahl 650 kg Weizenproteinisolat zugesetzt und zu einer Suspension verrührt. Danach wurde der pH-Wert der Re¬ aktionsmischung durch Zugabe von Salzsäure auf pH = 3,0 ein¬ gestellt.
Anschließend wurden 5 kg Proteinase mit einem pH-Optimum im sauren Bereich zugegeben. Bei der Hydrolyse und der sich an¬ schließenden ersten Filtration wurde die Temperatur auf ma¬ ximal 50°C begrenzt und die Sulfitkonzentration oberhalb vom 10 pp gehalten. Durch Zugabe von Salzsäure wurde der pH-Wert zunächst bei 3,0 gehalten und nach 2 h durch Zugabe von Cal- ciumhydroxid auf 8,5 eingestellt. Gleichzeitig erfolgte die Zugabe von weiteren 14 kg Aktivkohle und 5 kg Proteinase mit einem pH-Optimum im alkalischen Bereich. Ohne pH-Wert-Korrek¬ tur wurden weitere 2 h bei etwa 50°C gerührt. Nach Abschluß der enzymatischen Hydrolyseschritte wurde der pH-Wert der Mischung durch Zugabe von Calciumhydroxid auf pH = 7,5 einge¬ stellt. Das so hergestellte Hydrolysat wurde nach Zugabe von 70 kg Filterhilfsmittel (Perlite(R) P 50) über eine Filter¬ presse filtriert.
Anschließend wurden zum Filtrat 20 kg Carbopal(R) GnA gegeben und auf 80°C erhitzt. Diese Temperatur wurde 15 min gehalten. Danach wurde der Ansatz auf 50°C abgekühlt und 30 bei dieser Temperatur gerührt. Nach Zugabe von weiteren 15 kg Filter¬ hilfsmittel wurde noch einmal über eine Filterpresse fil¬ triert. Schließlich wurde das Calcium durch Zugabe von Soda ausgefällt und das Calciumcarbonat über eine Filterpresse abgetrennt. Das Filtrat wurde in einem Fallstromverdampfer bis zu einem Gehalt von 44 % Brix aufkonzentriert. Schlie߬ lich wurde das Konzentrat mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 10 eingestellt und nach einer Lagerung von 5 Tagen unter Zugabe von 15 kg Filterhilfsmittel über eine Filterpresse filtriert.
Beispiel 2;
10 kg des gemäß Beispiel 1 hergestellten Weizenproteinhydro- lysates wurden in bekannter Weise mit Laurinsäurechlorid acyliert. Das Reaktionsprodukt wurde auf einen Gehalt von 20 Gew.-% Trockensubstanz eingestellt und 3 Wochen bei 20°C und 40°C gelagert. Nach Ablauf der Lagerzeit war das Produkt un¬ ter beiden Temperaturbedingungen klar und hatte sich in der Farbe praktisch nicht verändert.
Verqleichsbeispiel 1:
Ein Weizenproteinhydroylsat des Handels wurde wie in Beispiel 2 beschrieben mit Laurinsäurechlorid acyliert. Eine 20 Gew.- %ige Lösung des resultierenden Weizenproteinfettsäurekonden¬ sats trübte bereits nach einer Lagerzeit von 1 Woche aus.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Weizenproteinhydrolysaten, bei dem man proteinhaltige Ausgangsstoffe zunächst mit Proteinasen und anschließend mit Peptidasen hydroly¬ siert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man proteinhaltige Ausgangsstoffe
(a) zunächst bei einem pH-Wert im Bereich von 2 bis 5 mit Proteinasen und
(b) anschließend bei einem pH-Wert im Bereich von 8 bis 10 mit Proteinasen behandelt, sowie
(c) abschließend bei einem pH-Wert im Bereich von 6 bis 7 mit Peptidasen hydrolysiert.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die dreistufige enzymatiche Hydrolyse in Gegenwart von Aktivkohle durchführt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die Hydrolyse unterhalb der Verklei- sterungstemperatur der im Protein noch einhaltenen Koh¬ lenhydrate durchführt.
5. Verwendung der Weizenproteinhydrolysate erhältlich nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstel¬ lung von hellfarbigen, lagerstabilen N-acylierten, N-al- kylierten, veresterten sowie N-acylierten bzw. N-alky- lierten und zudem veresterten Derivaten.
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