CH621925A5

CH621925A5 - Process for isolating proteins from whey and protein- and starch-containing natural products

Info

Publication number: CH621925A5
Application number: CH1008475A
Authority: CH
Inventors: Hans Mueller
Original assignee: Mueller Hans Dr Ing Fa
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1981-03-13
Also published as: IT1064726B; DE2633958A1; NO143961C; JPS5228954A; DK342376A; DK144356C; DK144356B; GB1511975A; CA1058949A; FR2319302A1; MX3629E; FR2319302B1; DE2633958C2; AU503841B2; AU1588476A; NO143961B; JPS5813130B2; NO762181L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Molke und protein- und stärkehaltigen Naturprodukten, insbesondere aus Käsereimolke und Getreide.

Molke aus Käsereien stellt ein Weltweites Problem dar. Auf der einen Seite fällt sie als ein schlecht verwertbares Nebenprodukt bei der Käseherstellung in grossen Mengen an, auf der anderen Seite enthält sie aber so wertvolle Inhaltstoffe, dass eine Vernichtung, die teilweise immer noch erfolgt, unvereinbar mit den Problemen des Hungers auf der Welt und der Umweltbelastung ist.

Verfahren zur Verwertung von Molke sind bekannt. Molke besteht je nach Herkunft aus ca. 4-5 % Laktose und etwa 0,7 % Protein, der Rest sind Salze und Wasser. Trockenmolke als Zusatz für Futtermittel wird durch Verdampfen und Trocknung gewonnen. Das Endprodukt besteht aus etwa 11—12% Protein, etwa 60-65 % Laktose mit Salzen. Die Herstellung ist jedoch sehr energieaufwendig und damit kostspielig. 5 Die verschiedenen Möglichkeiten der Fermentierung des Milchzuckers in der Molke werden in der FR-PS 2 049 425, der GB-PS 1 383 703, der US-PS 3 818 109 und der DE-OS 2 403 306 und DE-OS 2 410 349 beschrieben.

Alle diese Verfahren führen jedoch zu keinem Produkt, io das eine ausgeglichene Nahrung für Mensch und Tier darstellt. Nicht einmal die in den Produkten enthaltenen Proteine weisen ein ausgeglichenes Aminosäurespektrum auf. Am meisten geeignet erscheint — bezüglich der Aminosäurezusammenset-zung — die Trockenmolke, die ausreichende Mengen an Me-15 thionin und Lysin aufweist, jedoch durch den Überschuss an Kohlenhydraten in Form von Milchzucker nicht als vollwertige Nahrung angesehen werden kann.

Auf Molke gezüchtete, den F.D.A.-Vorschriften entsprechende Hefen weisen ein Defizit an den genannten Aminosäu-20 ren auf und können wegen ihres hohen Salz- und Nukleinsäu-reanteils als alleinige Nahrungsmittel nicht eingesetzt werden. Der übliche Anteil in Nahrungs- und Futtermitteln beträgt zwischen 5 und 30%.

Eine Verbesserung der Aminosäurezusammensetzung kann 25 durch Zugabe von beispielsweise künstlich hergestelltem Me-thionin erreicht werden. Auch diese Zusammensetzungen befriedigen nicht, da auch dann nur eine Mischkomponente für Futtermittel zu erhalten ist.

Mischungen aus Einzellerproteinen, Cerealien und Molke-30 pulver sind bekannt. Hiezu werden jedoch die Einzelkomponenten vorher in gewünschter Reinheit hergestellt. Die Produktion der Einzelkomponenten ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, wobei als Hauptkosten die Eindampfung und Trocknung der Molke, Aufarbeitung der nur in relativ ver-35 dünnter Substratlösung, beispielsweise auf Melasse oder Sulfitablauge, wachsenden Hefen und deren Trocknung und die Aufbereitung der Getreide genannt seien.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines ausgeglichenen Nahrungsmittels und Futtermittels, vor-40 zugsweise für die Aufzucht von Kälbern, zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe ist die Einsparung von Trocknungskosten bei der Herstellung des Endproduktes.

Die erfindungsgemässe Lösung liegt in einem Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Molke und protein- und 45 stärkehaltigen Naturprodukten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Molke mit protein- und stärkehaltigen Naturprodukten versetzt und das erhaltene Gemisch in einer ersten Stufe einer sauren und/oder enzymatischen Stärkehydrolyse unterworfen wird, worauf das unveränderte Eiweiss als erste Proteinfrak-50 tion abgetrennt und isoliert wird und die entstandenen Zucker in einer zweiten Stufe mit Mikroorganismen in Einzellerprotein umgesetzt werden und anschliessend die so erhaltene zweite Proteinfraktion eingedampft und getrocknet wird.

Es wurde somit ein Verfahren gefunden, wobei die aus den 55 Käsereien anfallende Molke gleichzeitig als Quellmittel für beispielsweise Cerealien dient und auch als Verdünnungsmittel bei deren Hydrolyse. Die verdünnte Molke, so wie sie aus der Käserei anfällt, wird mit Cerealien versetzt, welche in der Molke selbst zu Zucker abgebaut werden. Die zuckerhaltige 60 Molke wird dann einer Fermentierung mit Hefe unterworfen. Nach der Verhefung wird eingedampft und getrocknet.

Die Verhefung kann mit Torula-Hefe durchgeführt werden, welche den Milchzucker nicht angreift, so dass ein pro-teinhaltiges und laktosehaltiges Trockenprodukt anfällt. Es 65 kann aber auch mit einer Hefe gearbeitet werden, die sowohl den Zucker aus der Getreidehydrolyse als auch Milchzucker verheft, wie beispielsweise Saccharomyces fragilis. Auf diese Weise ist aller Zucker verheft. Durch die Vermeidung von zu/

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sätzlichem Prozesswasser kann das Ausmass der Produktionsanlagen beträchtlich verkleinert werden.

Das Verfahren soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Das Schema zeigt einen Vorratsbehälter 1 für Molke. Zwischen den Leitungen 1 und 4 befindet sich eine Pumpe 3. Die beiden Behälter 5 und 5' sind gleich gebaut und ausgestattet mit einem Rührwerk 6 bzw. 6', einem Heizwassereintritt 7 bzw. 7', einem Heizwasseraustritt 8 bzw. 8', Die Anschlussstutzen sind mit einem nichtgezeigten Doppelmantel oder mit Heizschlangen verbunden. Beide Behälter 5 und 5' sind durch eine Leitung 9 miteinander verbunden. Von Behälter 5' führt eine Leitung 10 über eine Pumpe 11 und eine Verbindungsleitung 12 zum Fermenter 13. Der Fermenter 13 besteht aus einem Kessel 14, der eine Belüftungsvorrichtung 15 im unteren Teil des Kessels 14 und einen Schaumabscheider 16 im oberen Teil des Kessels 1 aufweist. Schikanen 17 und 17' sind an den Kesselwänden angebracht. Der Einlassstutzen 18 und der Auslassstutzen 19 sind für Kühlwasser vorgesehen. Zwischen dem Vorratsbehälter 1 besteht eine weitere Verbindungsleitung 20, Pumpe 21 und Leitung 22 direkt zum Fermenter 13. Im unteren Teil des Fermenters 13 befindet sich die Ernteleitung 23, in die das Regelventil 24 eingebaut ist. Der Fermenterkessel steht auf einer Druckmessdose 25, die ein Kabel 26 zur optischen Gewichtsanzeige 27 und ein weiteres Kabel 28 mit dem Regelventil 24 verbindet. Die Leitung 29 führt über ein Drosselventil 30 und die Leitung 31 auf eine Mehrstufenverdamp-feranlage 32. Der dargestellte Eindampfer besteht aus drei Stufen. Die Arbeitsweise ist bekannt. Der Brüden aus der 1. Stufe 321 geht über die Leitung 33 und heizt das Konzentrat, das über die Leitung 34 in die 2. Stufe 322 geht, auf. Das gleiche erfolgt mit dem Brüden über die Leitung 35, welche das Konzentrat, das durch die Leitung 36 zur 3. Stufe 323 des Verdampfers geleitet wird. Die Rohrleitung 37 führt zum Kondensator (nicht dargestellt). In der Konzentratleitung 38 befindet sich die Pumpe 39; die Verbindungsleitung 40 führt zum Sprühtrockner 41. Ein Behälter 42 ist mit einem Rührer 43 ausgestattet, einer Zuleitung 44 für das Substrat aus dem Fermenter und einer Ableitung 45 für die Vormischung zum Homogenisator 46 sowie dessen Ableitung 47. 48 stellt die Verpackung dar, 49 eine Mischanlage.

Im Betrieb wird ein Teilstrom der Molke aus dem Behälter 1 über das Leitungstück 2 mittels der Pumpe 3 und das weitere Leitungsstück 4 in den Rührkessel 5 gefördert. Der hochtou-rige Zerkleinerungsrührer 6 vermischt das zugesetzte Getreide 50, Mehl oder Mais. Nach gleichmässiger Erwärmung des Inhaltes durch Einleiten des Heizmediums in den Anschluss 7 und Ableitung durch 8 erfolgt die erste Stufe der Enzymie-rung, die zu einer Verflüssigung der Stärke des Getreides führt. Die verflüssigte Stärke wird über die Leitung 9 in den zweiten Enzymierungsbehälter 5' gefördert, wo die verflüssigte Stärke verzuckert wird. Nach Abtrennung des verbleibenden Feststoffanteils mittels Separatoren oder Filter (nicht gezeigt), wird die Flüssigkeit über die Leitung 10 mittels Pumpe 11 über die Zuleitung 12 in einen Fermenter 13 gepumpt. Hier erfolgt unter starker Belüftung und Beteilung spezieller Hefen, wie beispielsweise Candida utilis, Candida tropicalis, Saccharomy-ces fragilis, in bekannter Weise die Umwandlung in Hefeprotein. Zur Verdünnung des enzymierten Substrates wird Molke aus dem Vorratsbehälter 1 über die Leitungsstücke 20 und 22 und Pumpe 21 in den Fermenter gefördert. Die Vermentie-rung erfolgt automatisch und wird über ein Wägesystem, bestehend aus Druckmessdose 25, Verbindungsleitung 26, Anzeige 27 und Regelventil 24, über die Leitung 28 gesteuert. Die Ernte des Hefe enthaltenden Substrates erfolgt über eine Leitung 23, das Ventil 24 und kann bei kontinuierlicher Arbeitsweise direkt einem mehrstufigen Verdampfer 23 zugeführt werden.

Es kann aber auch in einem Behälter 43 über die Leitung 44 ein Teil oder die gesamte Ernte mit Öl oder flüssigem Fett über einen Homogenisator 46 emulgiert werden und anschliessend über den Einfampfer 2 geleitet werden.

Der Eindampfungsgrad kann gewählt werden, das Produkt muss jedoch noch pumpfähig sein. Über eine Pumpe 39 und eine Leitung 40 wird das Konzentrat beispielsweise zu einem Sprühtrockner 41 geführt und dort getrocknet, in Säcken 48 abgepackt, eventuell in einer Mischanlage 49 mit weiteren Ingredienzien versetzt und als Fertigprodukt 51 gelagert.

Bei dem Verfahren werden Getreideprodukte wie Rohgetreide, Mehle usw. mit der Molke vermischt, einem sauren oder enzymatischen Abbau unterworfen und anschliessend einer Verhefung der Getreidezucker (zusammen mit der Laktose der Molke), nachdem die Eiweissanteile, sei es durch Zentrifu-gation, Filtration oder Ultrafiltration, abgetrennt worden sind.

Da bekanntlich die Faseranteile der Getreide eine grosse Bedeutung in der Ernährung von Menschen und Tieren darstellen und zudem wichtige Vitamine enthalten, können diese Getreide entweder in ungeschälter oder geschälter Form verwendet werden. Bei ungeschälten Getreiden, beispielsweise Mais, befinden sich die Faseranteile in der gefällten Eiweiss-produktion und bilden dort einen wichtigen Bestandteil.

Soll hingegen auf möglichst hohe Eiweisskonzentration gearbeitet werden, werden die Getreide in Form von Mehlen verwendet. Die Getreide können vor dem Zusatz zur Molke und vor der Hydrolyse auch entfettet und entkeimt werden. Mais kann der bekannten Quellung mit Wasser unterworfen werden. Das Maisquellwasser bildet ein ausgezeichnetes Beschleunigungsmittel für die anschliessende Fermentierung.

Je nach dem Gehalt an Faserbestandteilen können diese vor der eigentlichen Eiweissgewinnung durch Separierung abgetrennt und für sich aufgearbeitet werden. Solche Produkte werden dann vorzugsweise den Fertigprodukten zugemischt. Die Abtrennung kann aber auch zwischen dem eventuell 2stu-figen Amylaseabbau erfolgen.

Zur schnelleren Lösung resp. Abbau der Getreide während der Hydrolyse können diese auch einer vorangehenden Temperaturbehandlung unterworfen werden.

Die Ausfällung der Molkeeiweisse kann bei verschiedenem pH, unter Berücksichtigung des isoelektrischen Punktes, zwecks Auftrennung in verschiedene Eiweissfraktionen erfolgen. Allgemein wird bei pH 3—5 gearbeitet, bei Verwendung von Ultrafiltration auch bei höherem pH (6-8).

Wird das oben beschriebene Verfahren mit höherem Getreideanteil gefahren, erhält man eine Eiweissfraktion mit kleinerem Albuminanteil und damit auch mit weniger Lysin im Gesamtprotein: bei Verwendung von weniger Getreide erhält man relativ mehr Albumin in der Eiweissfraktion und demzufolge einen höheren Lysinanteil.

Da solche Eiweissfraktionen als Gemisch direkt oder nach Zusatz von Hefe als Nahrungsmittel oder Futtermittel verwendet werden können, wird die gewünschte Eiweisszusammen-setzung und auch die Art der Getreidesorten vorher genau festgelegt.

Die Eiweissfraktionen können als Grundlage für kohlenhydratarme Kost verwendet werden, wie beispielsweise in verbackenem Zustand als Protein-Bisquits oder als Getränkegrundlage. Durch Zusatz und Einemulgierung von Fetten und Ölen können mit diesen Grundlageprodukten Nährmittel für Menschen und Futtermittel erzeugt werden. Letztere insbesondere zur Aufzucht von Kälbern und anderem Jungvieh.

Die nach der Eiweissabtrennung anfallenden Zucker-Lak-toselösungen können entweder ganz oder teilweise verheft und getrocknet werden, abhängig vom gewünschten Zuckerrestgehalt.

Es ist auch möglich, die Eiweisse zusammen mit der Hefe abzutrennen, sei es durch Separierung oder Ultrafiltration. In

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diesem Falle resultiert eine noch eiweisshaltige Trockenhefe, die bis zu 65 % Protein enthalten kann. Bei Verwendung von Bakterien ist dieser Eiweissgehalt noch beträchtlich höher.

Beispiel

In einem 2000-Liter-Rührkessel, welcher mit einem hochwertigen Zerkleinerungsrührer ausgerüstet ist, werden 1250 Liter Käsemolke mit ca. 4,2 % Laktose und 0,7 % Albumingehalt eingefüllt und auf 50-60° C aufgewärmt. Nun werden 40 kg gebrochener, ungeschälter Mais und 50 kg Weizenmehl mit ca. 12% Proteingehalt eingerührt. Nach Zusatz von etwas Kalziumchlorid werden nun ca. 0,15% (auf Stärke gerechnet) einer Hochtemperatur-Alpha-Amylase zugegeben und die Temperatur auf 75-80° C gesteigert. Nach 1-2 Stunden ist der Getreideanteil praktisch in Lösung, d. h. mit Ausnahme der Getreidefasern und einem gewissen Eiweissanteil.

Nach dieser Zeit wird etwas Kalziumchlorid zugegeben und der pH mit Salzsäure auf 3,8 eingestellt. Die Temperatur wird auf 50-55° C gesenkt. Nun wird 0,15% (auf Stärke gerechnet) Amidoglucosidase zugegeben, etwas weiter gerührt und das Ganze 24 Stunden stehengelassen. In dieser Zeit ist die Getreidestärke so weit abgebaut, dass sie anschliessend zu Hefe fermentiert werden kann.

Nach 24 Stunden wird auf 80-90° C aufgeheizt. Die Ei-weissstoffe werden zusammen mit den Faseranteilen und dem ebenfalls gefällten Molke-Albumin abzentrifugiert. Es resultieren 17—25 kg, je nach Faseranteil und nach Trocknungsgrad, 5 Eiweissfraktion mit 60-65 % Protein. Die Aminosäurezusammensetzung zeigt ein ausgezeichnetes Spektrum, vor allem in bezug auf essentielle Aminosäuren.

Die zentrifugierte Flüssigkeit, welche die verzuckerte Stärke der Getreide und den Milchzucker der Molke darstellt, io wird mit einer Hefe, Candida utilis oder Saccharomyces fragi-lis, in einer Fermentieranlage verheft.

Es muss ein Hefestamm verwendet werden, welcher sowohl Glukose als auch Maltose und Laktose verhefen kann. Die Verhefung erfolgt nach Zugabe der gekannten Mengen Amis moniumsulfat, Ammoniumphosphat und Spurenelemente.

Es resultieren, je nach Stärkegehalt der Getreide, 50-60 kg Trockenhefe. Ein Teil dieser Trockenhefe kann dazu verwendet werden, um die Eiweissfraktion zu verbessern, wobei bei gewissên Verwendungszwecken diese Zugabe nur so hoch sein 20 darf, dass die in der Hefe vorhandenen Nukleinsäuren nicht stören.

Natürlich kann die Hefe vor der Zugabe zur Eiweissfraktion in bekannter Weise von Nukleinsäuren befreit werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Molke und protein- und stärkehaltigen Naturprodukten, dadurch gekennzeichnet, dass Molke mit protein- und stärkehaltigen Naturprodukten versetzt und das erhaltene Gemisch in einer ersten Stufe einer sauren und/oder enzymatischen Stärkehydrolyse unterworfen wird, worauf das unveränderte Eiweiss als erste Proteinfraktion abgetrennt und isoliert wird und die entstandenen Zucker in einer zweiten Stufe mit Mikroorganismen in Einzellerprotein umgesetzt werden und anschliessend die so erhaltene zweite Proteinfraktion eingedampft und getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als proteinhaltige und stärkehaltige Naturstoffe verschiedene Getreidearten verwendet werden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getreidearten in teilweise ungeschälter Form eingesetzt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhter Temperatur vorbehandelte Getreidearten eingesetzt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Getreidearten verwendet werden, aus welchen vorerst die wasserlöslichen Teile durch Quellung ausgewaschen werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass entkeimte Getreidearten eingesetzt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Getreide-Mehle eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Eiweiss der ersten Proteinfraktion nach Hitzefällung abgetrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eiweiss der ersten Proteinfraktion durch Ultrafiltration abgetrennt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Stärkehydrolyse eine teilweise oder vollständige Verhefung erfolgt und die Ei-weissfraktionen zusammen mit der Hefe separiert und getrocknet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Stärkehydrolyse eine Verhefung nur mit Glucose assimilierenden Hefen durchgeführt wird, die Milchzucker nicht fermentieren.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Stärkehydrolyse und Verhefung die Eiweissfraktion zusammen mit der Hefe in einem Ultrafilter abgetrennt wird.

13. Verwendung der nach Anspruch 1 erhaltenen ersten Proteinfraktion als Schaummittel und Zusatz für Bisquits.