PL217750B1 - Sposób otrzymywania polisacharydu nieskrobiowego ze zbóż - Google Patents

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.

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.

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.

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.

Dekstran czyli a-1-6-glukan z niewielką ilością wiązań rozgałęzionych jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie i nie tworzy żeli.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

PL 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.

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.

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.

Znane i przedstawione sposoby wyodrębniania β-glukanów umożliwiają uzyskanie ich w postaci preparatów o stosunkowo niskiej czystości, niejednorodnych, o zróżnicowanej masie cząsteczkowej.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

PL 217 750 B1

Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładzie.

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.

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.

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.

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%.

Claims (1)

1. Sposób otrzymywania polisacharydu nieskrobiowego ze zbóż, w szczególności glukanu ze zbóż, zwłaszcza z owsa siewnego Avena sativa, szczególnie dotyczy sposobu pozyskiwania β (1-3, 1-4)-glukanu o wysokiej czystości, znamienny tym, że ziarno przed przemiałem poddaje się działaniu temperatury, w zakresie od 60°C do 130°C, korzystnie 90°C, a następnie prowadzi się ekstrakcję w roztworze alkalicznym o pH w zakresie od 8 do 11, korzystnie pH=9,5 w temperaturze od 10 do 50°C, korzystnie 25°C, następnie oddziela się części stałe, skrobię i białka i odfiltrowuje, a filtrat chłodzi się do temperatury od 10 do 40°C, korzystnie 25°C i β-glukan wytrąca się alkoholem lub mieszaniną alkoholi z grupy metanolu, etanolu, izopropanolu, 2-propanolu, korzystnie alkoholem etylowym schłodzonym do temperatury od -20°C do 0°C, korzystnie -10°C, dozowanym tak, aby jego stężenie końcowe w zawiesinie wynosiło od 20 do 30% wagowych, korzystnie 25% wagowych.