DD298431A5

DD298431A5 - Verfahren zur herstellung von staerkehydrolysaten mit einem glucosegehalt von mindestens 95 masse in % aus getreidestaerken

Info

Publication number: DD298431A5
Application number: DD33205789A
Authority: DD
Inventors: Horst Anger; Manfred Richter; Bernd Kettlitz; Rolf Schirner; Gerhard Haeusler; Thomas Roick
Original assignee: Zentralinstitut Fuer Ernaehrun
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1992-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Staerkehydrolysaten mit einem Glucosegehalt von mindestens 95 Masse in % aus Getreidestaerken. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von glucosereichen Hydrolysaten durch enzymatische Hydrolase von bestimmten Staerken. Das Verfahren besteht in der Umsetzung von kornfoermigen Roggen-, Weizen-, Triticale-, Gerste- oder Haferstaerken mit einer exakt definierten Mischung von Glucoamylase und alpha-Amylase bei einer Temperatur, die im Bereich der Anfangsgelatinisierungstemperatur der jeweiligen Staerke liegt. Anschlieszend wird eine Abtrennung von ungeloesten Staerkeanteilen auf mechanischem Wege vorgenommen. Die Hydrolysate sind nach entsprechender Raffination und Konzentrierung direkt fuer Isomerisierungs- und Hydrierungsreaktionen oder zur Gewinnung von reiner Glucose fuer Lebensmittel- und technische Zwecke verwendbar.{Glucose; Hydrolysat; alpha-Amylase; Staerkekoerner; Weizenstaerke; Roggenstaerke; Triticalestaerke; Gerstenstaerke; Haferstaerke}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung glucosereicher Hydrolysate durch enzymatischen Abbau von Stärke oder stärkehaltigen Rohstoffen zwecks Anwendung für Lebensmittel- und technische Zwecke.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Glucosereiche Stärkehydrolysate werden allgemein gewonnen, um aus ihnen nach einem entsprechenden Aufarbeitungsprozeß, der die Konzentrierung zum Sirup und eine Kristallisation einschließt, reine Qlucoso zu gewinnen, die entweder direkt, insbesondere für Lebensmittelzwecke verwertet oder aber auch weiterverarbeitet wird (z. B. Sorbitol). Für die Isomerisierung zu fruktosereichem Sirup wird das glucosereiche Ausgangshydrolysat auf 50 bis 60 Masse in % konzentriert. Der Kristallisationsschritt entfällt. Kommerzielle Verfahren arbeiten generell in zwei Stufen:

1. Verflüssigung der Stärke bei Temperaturen oberhalb des Quellungsbereiches (allgemein > 100°C) mitteis Säure oder alpha· Amylase

2. Verzuckerung des Partialhydrolysates durch Glucoamylasen, gegebenenfalls durch alpha-Amylasen udn alpha-1,6-Glucosidasen supplementiert.

Um zu hohen Ausbeuten an Glucose zu kommen (Glucosegehalt im Endhydrolysat >95 Masse in %) muß man in jedem Fall die enzymatische Verflüssigung durchführen. Pas bedeutet, daß man die technischen Voraussetzungen zur Durchführung einer Druckkochung (Temperaturen > 100⁰C) sowie spezielle thermostabile alpha-Amylasen zur Verflüssigung bis zu einem bestimmten optimalen Hydrolysengrad benötigt. Wird dieser optimale Hydrolysengrad nicht erreicht, so verringert sich die Glucoseausbeute im nachfolgenden separaten Verzuckerungsprozeß mittels Glucoamylase. Es ist auch bekannt, daß die definierte Zugabe von alphe-Amylasen (z.B. DD-PS 119341, US-PS 4650757) gemeinsam mit der Glucoamylase zum Vorhydrolysat die Glucoseausbeute günstig beeinflussen kann.

In jedem Fall erfordert solch ein zweistufiger Prozeß eine sehr aufwendige Technologie, spezielle hitzebeständige Enzyme und zwei exakt aufeinander abgestimmte Teilprozesse, um zu den gewünschten Ausbeuten zu gelangen. Weiterhin sind die entsprechenden Verfahren auf Maisstärke und Kartoffelstärke zugeschnitten und erfordern im Falle des Einsatzes anderer Getreidestärken (z.B. Weizenstärke) wiederum noch zusätzliche Enzyme (Hemicellulasen, Lysophospholipasen) und aufwendigere Reinigungstechnik, um störende Nicht-Stärkebestandteile zu beseitigen.

Alternativ wurden in den letzten Jahren Verfahren vorgeschlagen, die zu glucosereichen Hydrolysaten durch Direktverzuckerung kornförmiger Stärke führen. In der US-PS 4113609 wird ein zweistufiges Verfahren beschrieben, daß zunächst eine Verflüssigung kornförmiger Maisstärke unter nichtvorkleisternden Bedingungen mittels alpha-Amylase oder alpha-Amylase/ Glucoamylase und anschließend eine Verzuckerung bei reduzierter Temperatur mittels Glucoamylase beinhaltet. Im Verflüssigungsabschnitt wird die alpha-Amylase gegenüber der Glucoamylase in etwa 10fachem Überschuß eingesetzt. Bei diesem zweistufigen heterogenphasigen Prozeß werden im Falle von Maisstärke unter günstigen Bedingungen Glucosegehalte >95 Masse in % erhalten. In den US-PS 4 612 284,4 6Ί 8 579 und EP 0171218 werden Verfahren zur Direktverzuckerung kornförmiger Maisstärke in glucosereiche Sirupe (>95 Masse in % Glucose) bei Feststoffkonzentrationen >20 Masse in %, vorzugsweise durch Anwendung einer speziellen Stärkekörner hydrolysierenden pilzlichen Glucoamylase der Gattung Humicola beschrieben. Bei Hydrolysentemperaturen zwischen 50-65⁰C bleiben 10 bis 35 Masse in % der eingesetzten Stärke unlöslich und

können gegebenenfalls nach Abtrennung in einem zweiten Schritt bei reduzierten Konzentrationen oder höherer (>80°C) Temperatur weiterhydrolysiert werden. In einem Beispiel der PS US 4612284 ist die Verwendung einer Kombination kommerzieller Miles-Diazym L-100 Glucoamylase und Termamyl L-60 alpha-Amylase im etwa gleichem Aktivitätsverhältnis in einem einstufigen Prozeß bei 6O⁰C zur Gewinnung eines Hydrolyoats mit 90,2 Masse in % Glucose (nichtumgesetzte Stärke = 28 Masse in %) beschrieben. Diesem 72stündigen Prozeß muß jedoch noch eine 24stündige thermische Behandlung der Suspension bei 60°C vorgeschaltet werden.

Es ist weiterhin bekannt, daß alpha-Amylasen bereits in sehr kleinen Dosierungen einen synergistischen Effekt bei der Hydrolyse kornförmiger Stärke durch verschiedene pilzliche Glucoamylasen (Rhizopus-Aspergillus sp.) bezüglich der Erhöhung des löslichen Anteils ausüben (Carbohydr. Res. 175,85-92, [1988]). Solche an verdünnten Suspensionen (5%ig) durchgeführten Untersuchungen sind jedoch nicht ohne weiteres auf konzentrierte Systeme übertragbar. Unter technischen Bedingungen (Stärkekonzentrationen > 20 Masse in %) sind alpha-Amylaseaktivitäten, die etwa in der gleichen Größenordnung wie die der Glucoamylase liegen, notwendig, um ein Dickwerden der Suspension zu vermeiden.

Bei Verwendung von Glucoamylase aus Aspergillus sp. K-27 in Verbindung mit Bakterien-a-Amylase wird ein maximaler Gluco egehalt von 94,5 Masse in % bei einem Aktivitätsverhältnis 1:1,14 und zusätzlicher Verwendung von Pullulanase erhalten. Weitere Erhöhungen der a-Amylasedosis führen zur Reduzierung des Glucosegehaltes (J. Jap. Soc. Starch Sei. 35,235-243 [1988]).

/ Ue Verfahren zur heterogenphasigen Hydrolyse basieren auf speziellen pilzlichen Glucoamylasen während aus Hefe isolierte GK :oamylase (z. B. Endomycopsis species), die bei homogenphasigen Hydrolysen im erreichbaren Glucosegehalt allgemein zu 2-3 Masse in % niedrigeren Werten führen, nicht eingesetzt werden. Unter praxisnahen Bedingungen wurden heterogenphasige Hydrolysen allgemein nur mit Maisstärke beschrieben.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung bestoht darin, die Herstellung von Hydrolysaten mit hohem Giucosegohalt, die sich für die Anwendung und Weiterverarbeitung im Lebensmittel- und technischen Bereich eignem, aus Stärken bzw. stärkehaltigen Rohstoffen, zu vereinfachen.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die speziellen Verfahrensbedingungen für die Herstellung solcher glucosereicher Hydrolysate aufzuzeigen. Überraschenderweise hat sich bei systematischen und differenzierten Untersuchungen gezeigt, daß sich kornförmige Stärken

bestimmter Cerealienstärken, die in herkömmlicher Weise aus den Stärkerohstoffen Roggen, Weizen, Triticale, Gerste und Hafer(Ganzkorn, Mehl oder Schrot) isoliert werden, mit Glucoamylase in Gegenwart eines geringen Anteils a-Amylase, so daß das

Aktivitätsverhältnis von a-Amylase zu Glucoamylase zwischen 1:10 und 1:80 liegt bei einer Temperatur, die etwa der Anfangsgelatinisierungstemperatur der jeweilig eingesetzten Stärke entspricht sowie einem pH-Wert von ca. 3,5 bis 5,5 und bei Substratkonzentrationen zwischen 20-30 Masse in % innerhalb von 12 bis 96 Stunden zu Hydrolysaten mit Glucosegehalten

> 95 Masse in % umwandeln lassen. Das Hydrolysat wird vom kornförmigen nichthydrolysierten Rückstand, dessen Menge vonden konkreten Bedingungen abhängt, im allgemeinen jedoch um 20 bis 30 Masse in % liegt, durch Filtration oder Zentrifugationabgetrennt.

Die Enzymaktivitäten wurden nach 3minütiger Hydrolyse 2%iger Zulkowskistärkelösung bei pH 5,5 und 45⁰C mit einer definierten Menge a-Amylase bzw. Glucoamylase durch Bestimmung der reduzierenden Zucker mittels 3,5- Dinitrosalicylsäure ermittelt. Die Aktivitätsangaben erfolgen dabei in folgender Form: Eine Einheit Glucoamylase (Flüssigpräparat) ist die Enzymmenge, die unter diesen Bedingungen 1 μιηοΙ Glucose pro min

freisetzt. Eine Einheit a-Amylese ist die Enzymmenge, die unter obigen Bedingungen 1 μιηοΙ Maltose pro min freisetzt.

Typisch für die Verfahrensführung bei der erfindungsgemäß gewählten Hydrolyseart sind folgende Arbeitsabschnitte:

- Einsteilung des pH-Wertes der Stärkesuspension und Zugabe der definierten Glucoamylase bei vorhandener a-Amylase-Aktivität oder GlucoamylaseAa- \mylase-Mischung.

- Erhitzen der Suspension unter Rühren auf eine Temperatur zwischen 50-60°C bei einer Aufheizgeschwindigkeit von höchstens etwa 3 K/min.

- Bewegen der Stärkesuspension bei der vorgegebenen von der jeweils eingesetzten Stärkeart abhängigen Temperatur über einen Zeitraum bis zu 96h, vorzugsweise 24 bis 48h.

- Abtrennung des kornförmigen nichthydrolysierton Rückstandes der Stärke vom Hydrolysat durch geeignete Verfahren (Filtration, Zentrifugation).

- Aufarbeitung des Hydrolysats (Reinigung, Konzentrierung).

Die beschriebene Verfahrensweise bezieht sich auch auf die Weiterführung der Hydrolyse des in Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen (Temperatur, Zeit) verbleibenden kornförmigen Stärkerückstands. Untei Zugrundelegung der im Vergleich zur Gesamtausgangsstärke veränderten Anfangsgelatinierungstemperatur der Reststärke wird die Hydrolysentemperatur entsprechend angepaßt, gegebenenfalls Enzym nachdosiert und die Hydrolyse in der beschriebenen Weise weitergeführt. Auf diese Weise wird die anfallende nichthydrolysierte Rückstandsmenge weiter reduziert. Überraschend bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zunächst die Tatsache, daß im Gegensatz zu allen bekannten technischen Lösungen a-Amylase in einer Konzentration, die allein nicht zur Verhinderung des Dickwerdens der Suspension ausreicht, eingesetzt wird, daß diese geringe Konzentration in Verbindung mit Glucoamylase jedoch genügt, um eine rührfähige Suspension ohne Konsistenzspitzen über die gesamte Hydrolysendauer zu erhalten. Dabei umfaßt die erfindungsgemäße Verfahrensweise sowohl die Maßnahmen, daß die a-Amylase in der gewünschten geringen Konzentration bereits an das Stärkekorn gebunden vorliegt (Restaktivität) als auch in Form von bakteriellen oder Getreide-a-Amylasepräparaten zudosiert wird.

Ein besonders bevorzugtes Glucoamylasepräparat für die Verwendung im obigen Prozeß ist das von Endomycopis bispora gebildete Enzym, ohne daß damit die Verwendung anderer Glucoamylasepräparato ausgeschlossen wird. Die besondere Eignung dieses Enzyms ist insofern überraschend, da es bei homogenphasigen Umsetzungen den pilzlichen Glucoamylasen deutlich unterlegen ist. Unter ausgewählten heterogenphasigen Bedingungen verwandelt es bisher wenig genutzte Stärkearten in Hydrolysate mit effektiven Glucosegehalten >95 Masse in % bei gleichzeitig geringem Oligosaccharidanteil DP4-9 von <1,5 Masse in %.

Derartige Glucosegehalte sind eine Voraussetzung für die Umwandlung in Glucose-Fructose-Sirupe durch Isomerisierung bei Konzentrationen von ca. 50% T. S. Ein hoher Glucosegehalt eröffnet nach Konzentrierung des Hydrolysate auf etwa 40 Masse in % außerdem die Möglichkeit zur direkten Hydrierung zum Sorbitol unter Vermeidung der üblichen kostenaufwendigen und verlustbringenden Glucosekristallisation vor dem chemischen Prozeß. Der geringe Gehalt an Reversionsprodukten (< 2 % Disaccharide), der niedrige Anteil an Trimeren (<0,4%) und das weitgehende Fehlen von Oügosacchariden mit DP 4 bis 9 (< 1,5%) in den erfindungsgemäß hergestellten Hydrolysaten ist fernerhin von Vorteil für die '««»'tere Reinigung auf chromatographischem oder membrantechnischem Wege, da die Separation um so einfacher ist, je weiter die zu trennenden Komponenten in ihrer Molekülgröße auseinanderliegen.

Die bekannte Tatsache, daß die bei homogenphasigen Hydrolysen störenden Monoacyllipide der Getreidostärken bei Umsetzung in Kornform, entsprechend der erfindungsgemäßen Arbeitsweise, sich im nichthydrolysierten Rückstand anreichern sowie das Arbeiten ohne Elektrolytzusatz, reduziert auch die üblichen Reinigungskosten (Aktivkohle, Ionenaustauscher). Der Energiebedarf (Wärmeenergie) ist im Vergleich zum zweistufigen homogenphasigen Verfahren gleichfalls deutlich geringer. Die Erfindung soll an folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Ausführungsbelsplele Beispiel 1

146g Roggenstärke (TS = 85,6%) werden im Meßtopfeines Brabender Viskographen mitWasserzu 500g Gesamtmasse ergänztund auf pH 5 eingestellt. Zu der Suspension werden unter Rühren bei Raumtemperatur 50 mg Natriumbisulfit, 10 mg Bakterien-a-

Amylase BAN240 (Fa. NOVO, Dänemark) mit 17910 Einheiten/g und 1,6ml Glucoamylase aus Endomycopsis bispora (Fa. Prowiko, DDR) mit 2863 Einheiten/ml gegeben. Danach wird unter Rühren mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 1,5K/min bis zum Erreichen der Endtemperatur von 54⁰C

erwärmt und über 48 Stunden bei dieser Temperatur belassen. Danach wird der Rückstand vom löslichen Teil durch

Zentrifugieren getrennt, der Rückstand wird zwei Mal mit Wasser ausgewaschen, zunächst mit dem gleichen Volumen des Überstandes, danach mit dem halben Volumen des Überstandes. Auf der Basis der Trockensubstanzbestimmung des Rückstandes und der Refraktion des Überstandes ergibt sich ein löslicher Anteil von 81,2 Masse in %. Der Glucosegehalt des Hydrolysates beträgt 95,3 Masse in % (bezogen auf Trockensubstanz), der Disaccharidgehalt 1,9%. Der Oligosaccharidanteil (DP4 bis 9) beträgt etwa 1,1 %. Anmerkung: Dieser Versuch wurde analog einmal nur mit der angegebenen a-Amylase und ein zweites Mal nur mit der

entsprechenden Glucoamylasedosis angesetzt. In beiden Fällen mußte der Versuch nach ca. 30min abgebrochen werden, dasich die Suspension in einen nicht rührfähigen Brei verwandelt hatte.

Beispiel 2

310g Roggenmehl werden in 930ml Leitungswasser eingerührt und eine Stunde bei 40°C unter Rühren aufbewahrt. Danach wird

zentrifugiert und der Überstand sowiu die zentrifugierte Proteinschicht verworfen.

Der weiße Stärkerückstand (213g feuchte Stärke [-113g T. S.]) mit dem erfindungsgemäßen Gehalt an a-Amylase-Restaktivität

wird mit Wasser auf 500g ergänzt, der pH-Wert der Suspension wird nach dem Durchrühren auf 5 eingestellt. Zu dieser

Suspension werden bei Raumtemperatur 50mg Natriumbisulfit und 1,25ml Glucoamylase (Prowiko) gegeben. Mit einer Geschwindigkeit von 1,5K/min wird auf eine Endtemperatur von 52⁰C erwärmt und für 48 Stunden bei dieser Temperatur

belassen.

Nach Zentrifugation und Auswaschen, wie in Beispiel 1 beschrieben, ergibt sich für den löslichen Anteil ein Wert «on 51,2 Masse

in %. Der Glucosegehalt des Hydrolysates beträgt 95,5 Masse in %, der Disaccharidgehalt 1,5 Masse in %.

Beispiel 3

141,3g Weizenstärke (Fa. Weizenin, DDR; T.S. 88,5%) werden analog Roggenstärke aus Beispiel 1 verarbeitet, mit dem Unterschied, daß die Hydrolysentemperatur auf 56⁰C festgelegt wird. Ausbeute und Zusammensetzung des Hydrolysates werden nach 24,48 und 96h Hydrolysedauer bestimmt.

Hydrolysedauer (h)	Ausbeute (%)	Glucose (%)	Disaccharide (%)	Trisaccharide (%)	Trisaccharide (%)
24 48 96	73,0 76,0 79,4	95,3 95,6 95,3	1,7 2,1 2,6	0,3 0,2 0,2	2,7 2,0 1,9

Beispiel 4

146g Roggenstärke (T.S. 85,6%) werden analog Beispiel 1 verarbeitet, mit dem Unterschied, daß als Glucoamylase 0,27ml Amigase (Fa. Ghist-Brocades, Niederlande) mit 18000 Einheiten/ml zugesetzt werden. Obwohl im Vergleich zu Beispiel 1 eine leichte Konsistenzzunahme erfolgt, bleibt die Suspension rührfähig. Nach 48h wird eine Ausbeute an löslichem Hydrolysat von 7S,6 Masse in % mit einem Glucosegehalt von 96,2 Masse in % und einem Disaccharidanteil von 2,0 Masse in % erhalten.

Beispiel S

584g Roggenstärke (T. S. = 85,6%) werden in einem Sulfierkolben mit Wasser auf 2000g ergänzt und auf pH 5 eingestellt. Zu dieser Suspension werden unter Rühren bei Raumtemperatur 200mg Natriumbisuifit, 40mg Bakterian-a-Amylase BAN 240 (Fa. NOVO, Dänemark) und 6,4ml Giucoamylase (Fa. Prowiko. DDR) gegeben. Die Suspension wird dann innerhalb von 30min in einem Wasserbad auf 56°C erwärmt und bei dieser Temperatur unter leichtem Rühren für 48h belassen. Die anschließende Aufarbeitung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben. Der lösliche Anteil beträgt 80,1 %. Der Giucosegehait des Hydrolysates Iiegt bei 96,3 Masse in %, der Disaccharidanteil liegt bei 2,0 Masse in % und der Trisaccharidanteil bei 0,2 Masse in %.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Stärkehydrolysaten mit einem Glucosegehalt von mindestens

95 Masse in % aus Getreidestärken, dadurch gekennzeichnet, daß man eine 20 bis 30%ige wäßrige Stärkesuspension, deren pH-Wert auf 3,5 bis 5,5 eingestellt ist, mit Glucoamylase in Gegenwart einer geringen Menge a-Amylase, entsprechend 0,5 bis 5,0 Einheiten pro Gramm Stärketrockensubstanz bei einem Aktivitätsverhältnis von a-Amylase zu Glucoamylase von 1:10 bis 1:80 auf eine Temperatur, die gleich oder höchstens 3K über der Anfangsgelatinisierungstemperatur der eingesetzten Stärke erwärmt und bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von 12 bis 96 Stunden bewegt bis der Glucosegehalt, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt des Hydrolysates, nicht weiter ansteigt und man das Hydrolysat von der nichthydrolysierten Reststärke abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Stärke mit einer Anfangsgelatinierungstemperatur von höchstens 6O⁰C einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Roggen-, Weizen-, Triticale-, Gersten- oder Haferstärke einsetzt.

4. Verfahren nach Anspriu ¹, dadurch gekennzeichnet, daß die a-Amylase eine Bakterien-a-Amylase oder eine getreideeigene a-Amylase oder eine Mischung von beiden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lösliche Stärkehydrolysat höchstens 0,4 Masse in % Maltotriose enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das lösliche Stärkehydrolysat höchstens 1,5 Masse in % Saccharide mit Polymerisationsgrad DP4 bis DP9 enthält.