NO175236B - Fremgangsmåte for fraksjonering av korn til industrielt råmateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fraksjonering av korn, spesielt havre, til industrielle eller i næring avendbare fraksjoner ved anvendelse av kombinert tørr- og våtmaling.

Ved siden av bruken for konvensjonelle næringsmiddelformål så har de botaniske eller kjemiske komponentene i avlings-råmaterialet blitt isolert for benyttelse for industrielle formål.

De mest omfattende industrielle metoder er stivelses-separeringsprosesser ved bruk av mais, hvete og bygg som råmateriale. Hovedproduktene fra disse prosessene er gluten som kan utvinnes fra mais og hvete, eller andre protein-fraksjoner, maisolje, hvetekimolje samt fraksjoner som hovedsakelig benyttes som for. De metoder som benyttes i prosessen, kan oppdeles i våtmalemetoder eller kombinasjoner av tørrprosesstrinn og våtmaling.

Ved kornfraksjonering benyttes forskjellige mekaniske metoder sliksom sikting, luftklassifisering, sedimentering samt ekstraksjon og oppløsningsprosesser. For maling av havre har maleanordninger som er generelt egnet for maling av andre avlingstyper blitt benyttet. US patent 4.220.287 beskriver en valsemaleanordning utstyrt med enten glatte eller riflede valser.

For fraksjonering av havre omfatter de tidligere kjente metoder i de fleste tilfeller separering av en individuell komponent fra havrekornene. Proteinsepareringen for havre har vært gjenstand for meget omfattende studier, og den sentrale metoden har vært oppløsning av protein i basiske oppløsninger og utfelling ved hjelp av syrer ved det isoelektriske punktet.

I flere beskrevne prosesser forutgås den alkaliske ekstraksjonen av en oppløsningsmiddelekstraksjon ved hjelp av hydrokarbon, halogenert hydrokarbon, alifatiske alkoholer eller aceton, for å fjerne avenolen, i den hensikt å lette de etterfølgende separeringstrinn og forbedre sluttproduktenes preserverbarhet. Virkningen av forskjellige oppløsnings-midler og temperaturer på ekstraksjonsutbyttet er kjent gjennom vitenskapelig litteratur, samt GB patent 1.526.553, blant andre. I visse metoder slik som den som er beskrevet i US patent 4.211.801 har det blitt benyttet et organisk opp-løsningsmiddel som et medium for å separere kli- og endo-spermfraksjoner fra hverandre.

Separeringen av havregummi er beskrevet i flere prosesser, som i fremgangsmåten i US patent 4.028.468 samt i vitenskapelig litteratur, og oppnås ved ekstraksjon i en vandig eller alkalisk oppløsning og ved utfelling ved hjelp av alifatisk alkohol eller ammoniumsulfat. I noen prosesser, slik som den som er beskrevet i US patent 4.435.429, blir gummimaterialet hydrolysert for å redusere viskositeten, og blir ikke utvunnet.

De antioksydative effektene til havre er kjent fra forskningspublikasjoner. Fenoliske forbindelser slik som kaffesyrederivater og ferulinsyrederivater, anses som antioksydative hovedfaktorer, men noen andre oljekomponenter, bl.a. tokoferoler, har også en synergistisk effekt. Ikke desto mindre har dette fenomenet ikke vært teknisk utnyttet. I visse prosesser, slik som den som er beskrevet i GB patent 1.526.553 og US patent 4.211.801, blir hydrogenperoksyd benyttet for å klare oljen, og denne metoden bevirker inaktivering av antioksydative faktorer som muligens er til stede. Det er likeledes kjent at mange andre fettvegeta-bilske korn inneholder polyfenolforbindelser som har en antioksydativ virkning. Den begrensede oppløseligheten i fett av disse forbindelsene har hindret deres tekniske ut-nyttelse .

Fremgangsmåter for fraksjonering av havre som hittil har blitt beskrevet i patentlitteraturen, gir sjelden det sluttlige fraksjonsutbytte som er et av de mest vesentlige krite-rier ved bedømmelse av prosessens lønnsomhet. Den eksakte sammensetning av de sluttlige fraksjonene er sjelden angitt, og meget sjelden gis det informasjon om de fysikalske eller andre egenskaper til sluttproduktet, hvilket ville gi mulig-het for å utlede egenskaper for den fraksjon som er signifi-kant for industriell anvendelse, slik som viskositeten og molekylvekten m.h.t. den vegetabilske gummifraksjon, renheten eller restproteininnholdet i stivelsesfraksjonen, og mengde-forholdene for forskjellige lipidfraksjoner i fettfraksjonen. I nevnte metoder så angis vanligvis konsentrasjonen av en komponent i en viss fraksjon, men ikke graden av konsentrasjon eller renhet som kreves ved den tekniske bruk av fraksjonen. De viktigste kjente havrefraksjoneringsprosessene er beskrevet i innledningen til US patent 4". 435.429. Såvidt vites, har ingen av disse resultert i en permanent teknisk anvendelse.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for fraksjonering av korn, spesielt havrekorn, for oppnåelse av et høyt utbytte og den renhetsgrad som kreves ved teknisk anvendelse, for flere av de isolerte fraksjonene, og for bibeholdelse i så stor grad som mulig av de funksjonelle egenskapene som er karakteristiske for komponentene i de, forskjellige fraksjonene. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved bruk av ekstruderings- eller støtanordninger og ved bruk av metoder i avlingmaterialets tørrmalingstrinn, og ved kombinasjon av en varmebehandling, oppløsningsmiddelekstrak-sjon og mekanisk behandling, hvilket ødelegger størstedelen av enzymene, i det første våtmalingstrinnet.

Blant komponentenes funksjonelle egenskaper anses renheten til stivelsen for å være den mest viktige, spesielt hva angår det resterende proteininnhold, viskositetsegenskapene m.h.t. den vegetabilske gummifraksjonen, den antioksydative effekten og innholdet av emulgerende komponenter m.h.t. fettfraksjonen, og aminosyresammensetningen m.h.t. protein-fraksjonen. De mulige anvendelsesområdene for disse fraksjonene kan når det gjelder stivelse bl.a. omfatte matvarer, papir, papp, plast og kjemisk industri, og kan når det gjelder den vegetabilske gummifraksjonen, omfatte bruk i fortykningsmidler for matvarer, kjemisk og farmasøytisk industri, og som oppløselig ernæringsfiber i matvarer og farmasøytiske preparater, og kan når det gjelder fettfraksjonen, omfatte bruk i spiselige fetter og i fremstillin-gen av emulgeringsmidler, og kan når det gjelder protein-fraksjonen, omfatte bruk i matvarer og forstoffer.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for fraksjonering av korn, spesielt havre, til industrielle eller i næring anvendbare fraksjoner ved anvendelse av kombinert tørr- og våtmaling, hvorved (a) avskallede korn utsettes for tørrmaling i ett eller flere trinn, hvoretter det malte materiale fordeles til en klidel samt til en stivelsesholdig endosperm-fraksjon, (b) klidelen konsentreres med hensyn til beta-glukan ved separering av stivelse derfra i findelings- og separeringsoperasjoner utført i et polart organisk oppløsningsmiddel eller i en blanding av dette med vann, og ved samtidig ekstrahering av havreolje ved

denne oppløsningsmiddelbehandlingen,

(c) beta-glukan og protein separeres fra det oppnådde konsentratet ved ekstraksjon et alkali, hvoretter proteinet utfelles isoelektrisk fra den ved ekstraksjon oppnådde oppløsning og deretter utfelles beta-glukan ved nøytralisering av oppløsningen og føring

av denne til en alkohol, og

(d) stivelsen som inngår i den oppnådde endospermfraksjonen renses ved å ekstrahere hoveddelen av proteiner derfra med en alkalisk oppløsning, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved at tørrmalingen utføres ved anvendelse av pressende og/eller støtende, men ikke skjærende, målemetoder og at den oppnådde kl idelen, som har blitt konsentrert med hensyn til beta-glukan, ekstraheres med et alkai ved en temperatur på ca 70°C.

I fremgangsmåtens første trinn blir det ytre dekklaget til havrekornene, skallet, fjernet ved hjelp av en kjent teknikk, med mindre det anvendes hams-havrearter. Hamsfjerningen bør utføres slik at et minimum av delen under frøhuslaget fjernes.

Fjerningen av avenol kan eventuelt utføres i forskjellige trinn. En effektiv ekstraksjonseffekt krever imidlertid enten maling eller flokkulering av kornene. Av denne grunn blir den første størrelsesreduserende operasjonen etter hamsfjerningen fortrinnsvis oppnådd ved bruk av en valsemølle eller en annen passende anordning, hvor partikkeladhesjonen til anordningens forskjellige deler forårsaket av fettet, kan hindres ved hjelp av selve operasjonsmetoden, siktdimensjone-ringen og muligens også luftstråler. En egnet metode for dette formål er f.eks. maling gjennom et glatt valsepar og etterfølgende sortering ved hjelp av en sikt som har en maskevidde på 0,2-0,5 mm.

Fraksjonen som er tilbake på sikten, kan ytterligere reduseres ved bruk av en støtmølle, f.eks. en hammermølle uten sikter. Den således reduserte fraksjon sorteres gjennom en sikt av 0,1 mm maskevidde, f.eks. ved hjelp av en luftstrålesikt.

I forbindelse med foreliggende oppfinnelse er det så langt som mulig viktig å unngå en skjaereoperasjon ved størrelses-reduseringen slik at kornets aleronlag og den umiddelbart tilstøtende del inneholdende vegetabilsk gummi bibeholdes som store partikler. Kohesjonen av disse delene forbedres av fettinnholdet og et egnet fuktighetsinnhold i maletrinnet, og den kan økes ved denaturer ing av protein, f. eks. ved hjelp av en varmebehandling.

I overensstemmelse med den sluttlige bruksanvendelse av fraksjonene samt sammensetningen og kvalitetskravene, så foretas ekstraksjonen av lipider på hele satsen eller konsentreres kun om klidelen hvor fettinnholdet er høyere enn i endospermfraksjonen. Oppløsningsmidlene som anvendes i foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis polare oppløsnings-midler slik som 2-propanol, etanol eller aceton, eller blan-dinger av disse og vann, for å økemengden av ekstraherte polare lipider og det totale utbytte av lipider. Det fore-trukne temperaturområdet er 50-90°C. For å minimalisere oksydasjons- og hydrolysereaksjonene av lipidene, så er det viktig å inaktivere en hoveddel av lipase- og lipoksydase-aktiviteten til havrekornene ved hjelp av en oppvarming eller annen denaturerende behandling utført så tidlig som mulig. Den samme behandlingen inaktiverer beta-glukanaseaktiviteten og denaturerer proteinene i kornet. Behandlingen kan bevirkes f.eks. ved dampbehandling ved trinnet med flattrykking av kornene ved hjelp av tidligere kjent teknikk eller ved ekstraksjon med et varmt oppløsningsmiddel, hvorved de-naturerings- og inaktiveringseffekten på enzymene av opp-løsningsmidlene og/eller oppløsningsmiddel-vann-systemene og/eller surhet også kan utbyttes. Varmebehandlingene må imidlertid dimensjoneres for å unngå en samtidig limeffekt hos stivelsen. Polariteten og/eller densiteten til det organiske oppløsningsmiddelet kan justeres ved tilsetning av vann eller andre organiske oppløsningsmidler.

Ekstraksjonstrinnet kan kombineres med separering av endo-sperm- og klifraksjoner. Forutsatt at de størrelsesreduse-rende operasjonene som går forut for ekstraksjonen har blitt utført som angitt ovenfor, så separeres endospermfraksjonen i ekstraksjonen og under innvirkningen av de mekaniske krefter som da utøves i form av en findelt fraksjon og klimaterialet forblir i den grovere fraksjonen. Disse kan separeres fra hverandre ved sikting i en oppløsningsmiddelsuspensjon ved bruk av en sikt av 0,08-0,125 mm maskevidde eller ved hjelp av sedimentering eller hydrosyklonbehandlinger.

Den mest verdifulle komponenten i endospermfraksjonen er stivelsen. Den kan separeres fra de andre komponentene i endospermfraksjonen ved hjelp av teknikker som er kjente i stivelsesindustrien, slik som sedimenterings- eller hydro-syklonbehandl inger eller luftklassifisering. Foruten i den vandige fase kan sedimenterings- og hydrosyklonbehandlingene også utføres i et organisk oppløsningsmiddel. Når det tas sikte på lave restproteininnhold, eller det er ønske om å redusere antall operasjonstrinn, så er det foretrukket å benytte ékstraksjon fra et alkalisk oppløsningsmiddel for å separere proteinet fra stivelsen.

Ved bruk av tørre separeringsoperasjoner ér klifraksjonen som er tilbake på sikten, fra ca. 27 til 35$ av mengden av havre hvorfra hamsen er fjernet. Ved valg av gunstige bearbeidelsesbetingelser kan andelen av klifaksjonen reduseres til ca. 20$ av massen av havre hvorfra hamsen er fjernet ved anvendelse av separering i en oppløsningssuspen-sjon som beskrevet ovenfor. Den således konsentrerte kli-f raks jon kan anvendes som sådan for å øke innholdet av næringsfiber i matvarer og kliniske ernæringspreparater, men beta-glukanen kan ytterligere separeres for bruk som en opp-løselig næringsfiber eller for fremstilling av en for-tyknings- eller bindemidler.

Beta-glukanen ekstraheres fra klifraksjonen i en vandig eller alkalisk oppløsning ved en temperatur på ca. 70°C. For å gjøre det teknisk mulig separere den viskøse ekstraksjons-oppløsningen fra det faste stoffet, må mengden av ekstrak-sj onsoppløsning være 200-ganger, fortrinnsvis 300-ganger, mengden av beta-glukan i klimaterialet. Ved bruk av alkalisk ékstraksjon oppløses samtidig proteinet i klimaterialet. Det utfelles ved det isoelektriske punktet og separeres f.eks. ved sentrifugering. pH-verdien til den klare oppløsningen heves nå til pH 7, og beta-glukanen utfelles ved hjelp av alkohol, f.eks. etanoleller isopropanol, eller ammoniumsulfat. Ved utfelling ved hjelp av alkohol utfelles beta-glukanen som en trådlignende avsetning som er lett å skille ut ved sikting. Den oppnådde konsentrasjon kan ytterligere renses ved eluering i en liten mengde alkohol. Beta-glukanen kan bibeholdes suspendert i alkoholen uten at viskositetsegenskapene forringes, eller den kan tørkes ved lufttørking eller ved undertrykk.

Ved bruk av polare oppløsningsmidler for ekstrahering av fettet er det kjent at en større mengde polare lipider over-føres til eksktraktet, enn ved bruk av ikke-polare opp-løsningsmidler. Det har i dette studiet blitt observert at ekstraksjonen av forbindelser som har en antioksydativ effekt, er sterkt avheng av oppløsningsmiddelets polaritet. Det har også blitt observert at de forblir oppløst i avenol med mindre den blir ytterligere raffinert for å fjerne de polare lipidene, og at nevnte avenol har en oksydativ effekt også når den tilsettes til andre oljer.

Oppfinnelsen beskrives ytterligere under henvisning til eksempler.

Eksempel 1

Åvhamset havre ble malt gjennom et glatt valsepar og siktet gjennom en 0,2-0,3 mm mesh sylindrisk sikt. Vektdelen av den separerte, fine endospermfraksjonen var 60-65$, dens stivelsesinnhold var 80-81$, proteininnholdet 10-115, fettinnholdet 5,8$ og beta-glukaninnholdet ca. 1$. Tilsvarende var innholdet av stivelse, protein, fett og beta-glukan i klifraksjonen, henholdsis 40-43; 18-20; 7,8 og 11-12$. Næringsfiberinnholdet i klifraksjonen var 29$.

Eksempel 2

Den avhamsede havre ble malt gjennom et glatt valsepar, behandlet ved hjelp av en hammermølle uten sikt, blandingen ble suspendert i en seksdobbelt vektmengde av en vann-2-propanol-blanding (15:85$ v/v), og blandingen ble ekstrahert i denne suspensjonen i 2 timer under omrøring. Ved sikting gjennom en sikt med 0,125 mm maskevidde ble en fin endosperm-fraksjon separert fra suspensjonen, hvis tørrvekt var 71$ av vekten av den avhamsede havre. Dens innhold av stivelse, protein, fett og beta-glukan var henholsvis 85; 10,5; 1,5; og 11$. Tilsvarende var vektdelen av klifraksjonen som var tilbake på sikten, 24$ av mengden av avhamsethavre og dens innhold av stivelse, protein, fett og beta-glukan var henholds-vis 35; 23; 2; og 15,5$, dens askeinnhold 3,5$ og dens naeringsfiberinnhold 35$.

Eksempel 3

Klifraksjonen i eksempel 1 ble konsentrert ved eluering i en seksdobbelt vektmengde av vann-alkohol-blanding ved 75-78°C som inneholdt 80 volum-$ 2-propanol og 20 volum-$ vann. Blandingen ble kraftig homogenisert ved hjelp av en blad-blandeanordning i løpet av ca. 30 min., og ble deretter blandet ved en skovleblandeanordning i 1-2 timer. Faststoffet ble siktet med en sikt av 0,125 mm maskevidde, hvorved den konsentrerte klifraksjonen ble tilbake på sikten, og tørrvekten av denne var ca. 20$ av vekten av den avhamsede havresatsen. Dens beta-glukaninnhold var 17-18$, det totale næringsfiberinnholdet 35-39$, og proteininnholdet 20-24$. Stivelsesinnholdet i faststoffet som hadde passert gjennom sikten var 83-86$. Ved utførelse av en satsvis prosess ble ca. 75$ av oljeinnholdet i klimaterialet overført i ek-straksj onsoppløsningen ved én ékstraksjon.

Eksempel 4

Klikonsentratet fremstilt i eksempel 3 ble ekstrahert til en pH-verdi på 9,5 i en regulert natriumhydroksydoppløsning ved en temperatur på 70°C i 2 timer. For å lette den ytterligere bearbeidelse av den viskøse oppløsningen etter ekstraksjonen var mengden av ekstraksjonsoppløsningen ca. 40-ganger mengden av fastmateriale, dvs. 200-300-ganger mengden av beta-glukan. Det ekstraherte proteinet ble utfelt ved å justere pH-verdien til oppløsningen til pH 4,5, og proteinet ble separert ved sentifugering. Oppløsningens pH-verdi ble deretter justert til 7,0, og beta-glukanen ble utfelt ved å føre den viskøse beta-glukanoppløsningen over i etanol eller propanol under samtidig kraftig omrøring inntil den alkoho-liske konsentrasjonen av blandingen var redusert til 50 vekt-$. Beta-lukanen ble utfelt som en trådlignende masse som lett ble skilt fra oppløsningen på en sikt méd en maske vidde på 0,2 mm eller ved hjelp av en filterpresse. Etter vasking med 2-propanol ble avsetningen tørket ved fordampning av opp-løsningsmiddelet ved en temperatur på 35°C. Beta-glukaninnholdet i preparatet var 80$, restproteininnholdet var 2-4$ og stivelsesinnholdet var 2-3$.

Eksempel 5

Stivelsen ble separert fra endospermfraksjonen i eksempel 2 ved ékstraksjon av endospermfraksjonen med en natrium-hydroksydoppløsning hvis pH-verdi var 9,5, ved en temperatur-på 40°C. Faststoffet ble separert fra oppløsningen ved hjelp av en hydrosyklon. Det resterende proteininnhold i stivelsen oppnådd etter gjentatte vasketrinn var 0,4$, og det resterende fettinnholdet var 0,5-0,5$.

Eksempel 6

Oppløsningsmiddelet ble fjernet ved inndampning fra iso-propanolekstraktet i eksempel 2. Den oppnådde oljen ble tilsatt til raffinert maisolje 3$, og oljens stabilitet overfor oksydasjon ble testet ved randimat-metoden og —anordningen ved å lede oksygen gjennom oljen ved 110°C, ved absorpsjon av oksydasjonsresultatet frembragt av avgassen i en absorpsjons-oppløsning og ved observasjon av endringen som fant sted i elektrokonduktiviteten i nevnte oppløsning. Økningen i oksy-dasjonsinduksjonstiden forårsaket av avenoltilsetningen var den samme som når 0,2$ butylert hydroksyanisol ble tilsatt. De antioksydative egenskapene ble observert også i oljens leeitinfraksjon.

Eksempel 7

1000 kg avhamsede og dampbehandlede havrekjerner ble malt med et valsemølleutstyr i pilotmålestokk. Fra valsene ble pul-vere ført til en 670 pm vibrerende sikt, og det gjenværende klimateriale ble ytterligere renset med en klisentrifugator. Andelen av "slate"-kli var 41 vekt-$, og beta-glukaninnholdet 9,0$, andelen av mel var 50 vekt-$ og dets glukaninnhold 1,6$.

Ved ytterligere sikting av klimaterialet ved hjelp av en luftstrålesikt ble beta-glukaninnholdet i klimaterialet som var tilbake på en 75 ytm sikt, øket til 11,7$.

Malingen av havreflakene som var avhamset, flattrykte og opp-løsningsmiddelekstraherte fra det samme råmaterialet, var teknisk vanskelig å utføre med utstyret. P.g.a. ekstraksjonen av lipidene gikk flakene i stykker, og andelen av kli etter siktingen var ca. 19 vekt-$, og beta-glukaninnholdet 11$, og beta-glukaninnholdet i endospermfraksjonen som hadde trengt igjennom, var 2,6$. Beta-glukaninnholdet i klimaterialet kunne ikke konsentreres ytterligere ved hjelp av luftstråle-sikten.

De ovenfor angitte eksempler er basert på forsøk utført med havrekorn. Foruten havre er fremgangsmåten egnet, når det passer, også for fraksjonering av korn av andre avlingstyper.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fraksjonering av korn, spesielt havre, til industrielle eller i næring anvendbare fraksjoner ved anvendelse av kombinert tørr- og våtmaling, hvorved (a) avskallede korn utsettes for tørrmaling i ett eller flere trinn, hvoretter det malte materiale fordeles til en klidel samt til en stivelsesholdig endosperm-fraksjon, (b) klidelen konsentreres med hensyn til beta-glukan ved separering av stivelse derfra i findelings- og separeringsoperasjoner utført i et polart organisk oppløsningsmiddel eller i en blanding av dette med vann, og ved samtidig ekstrahering av havreolje ved denne oppløsningsmiddelbehandlingen, (c) beta-glukan og protein separeres fra det oppnådde konsentratet ved ékstraksjon et alkali, hvoretter proteinet utfelles isoelektrisk fra den ved ékstraksjon oppnådde oppløsning og deretter utfelles beta-glukan ved nøytralisering av oppløsningen og føring av denne til en alkohol, og (d) stivelsen som inngår i den oppnådde endospermfraksjonen renses ved å ekstrahere hoveddelen av proteiner derfra med. en alkalisk oppløsning, karakterisert ved at tørrmalingen utføres ved anvendelse av pressende og/eller støtende, men ikke skjærende, målemetoder og at den oppnådde klidelen, som har blitt konsentrert med hensyn til beta-glukan, ekstraheres med et alkai ved en temperatur på ca 70°C.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte kli konsentreres til et høyt fiber-og/eller proteininnhold uten å isolere proteinet og/eller beta-glukan.

Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at polariteten og/eller densiteten til det organiske oppløsningsmidlet reguleres ved tilsetning av vann eller andre organiske oppløsningsmidler.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 3, karakterisert ved at beta-glukanen etter utfelling holdes som en suspensjon i en alkohol før tørking.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at lipidfraksjonen for bibeholdelse av antioksydative egenskaper oppbevares uten raffinering, eller bibeholdelse av de antioksydative komponentenes oppløselighet ved videre fraksjonering eller raffinering sikres ved å opprettholde andelen av de polare oppløsnings-midlene eller lipidene tilstrekkelig høy.