BESCHREIBUNG
Die Verringerung oder Ausschaltung des Zuckergehalts in Nahrungsmitteln und Getränken ist in ernährungstechnischer und wirtschaftlicher Hinsicht bedeutsam. Bei künstlichen Getränken, wie den gängigen Coca-Getränken und Limonaden, ist dies normalerweise durch Rezepturänderung und Verwendung entsprechender Süssstoffe statt Zucker ohne besondere Schwierigkeiten möglich, nicht aber bei Frucht- bzw. Obstsäften, die einen natürlichen Zuckergehalt von 50-150 Liter oder mehr aufweisen und typisch mit 100 g nativem Zucker/Liter konsumiert werden.
Nun ist es zur Herstellung von zuckerarmen und alkoholfreien Getränken aus Fruchtsaft bekannt, den nativen Zuckeranteil des Fruchtsaftes biologisch, d. h. durch Mikroorganismen, abzubauen, und zwar unter Vergärung und Bildung von Alkohol (Ethanol), der nachfolgend entfernt werden muss, in der Regel durch Destillation. Diese Behandlung hat aber die mit der Bildung und nachträglichen Entfernung von Ethanol verbundenen Nachteile, insbesondere in verfahrenstechnischer Hinsicht, nämlich die Notwendigkeit einer besonderen Verarbeitungsstufe zur Ethanolabtrennung, aber auch im Hinblick auf Produkteigenschaften, z.B. als Folge einer Destillation zur Ethanolentfernung oder/und Bildung von geschmacksbeeinträchtigenden Nebenprodukten der alkoholischen Gärung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur biologischen Entfernung von Zucker, d. h. in erster Linie Saccharose, Fructose oder Glucose, aus Frucht- bzw. Obstsäften, wie insbesondere Apfel-, Birnen- oder Traubensaft und allen handelsüblichen Süssmostsorten, anzugeben, das frei ist von den mit der Bildung und Entfernung von Ethanol verbundenen Nachteilen.
Gemäss der Erfindung wird dieses Ziel mit einem Verfahren erreicht, das die in Anspruch 1 genannten Merkmale besitzt. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens haben die in den Ansprüchen 2-6 angegebenen Merkmale. Erfindungsgemäss ist ferner auch ein nach dem Verfahren erhaltener, praktisch zucker- und alkoholfreier Fruchtsaft, der als solcher verwendet oder mit kalorienfreiem bzw. künstlichem Süssstoff oder/und üblichen Geschmacksstoffen, CO2 usw. versehen und zu einem Getränk auf Basis von Fruchtsaft verarbeitet werden kann.
Es wurde gefunden, dass ganz unterschiedliche Hefen einschliesslich der für die alkoholische Gärung typischen Kulturhefe Saccharomyces cerevisae unter geeigneten Bedingungen kontinuierlich ethanolfrei, d. h. ohne Bildung oder Entstehung von Ethanol in nachweisbaren Mengen, gezüchtet werden können und dabei den gesamten Anteil des Kulturmediums an Biose- und/oder Monose-Zucker bis zur H2O/CO2-Stufe abbauen, wie nachfolgend genauer erläutert.
Beispielsweise als Hefen geeignet sind respirative Hefen, wie z. B. Trichosporon cutaneum; solche Hefen werden bevorzugt, da sie sowohl bezüglich Sauerstoff- als auch Glucoselimitation unkritisch sind, d. h. auch dann keinen Ethanol bilden, wenn diese Wachstumsstoffe im Über- oder Unterschuss im Kulturmedium vorhanden sind. Glucoselimitation ist hierbei gleichbedeutend mit C-Limitation.
Bevorzugt sind auch sauerstoff-sensitive Hefen, wie Candida tropicalis, die ebenfalls ohne C- bzw. Glucoselimitation, d.h. mit relativ hohen Zuckerdurchsatzraten, verwendet werden können, aber keine Sauerstofflimitation gestatten und dementsprechend bei ihrer Verwendung von der Gewährleistung aerober Kulturbedingungen abhängig sind, was aber normalerweise einfach bewerkstelligt werden kann.
Im Zusammenhang mit der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in kontinuierlichem Betrieb, z.B.
in kontinuierlicher Kultur mit den üblichen Bioreaktoren, entspricht eine höhere relative Zuckerdurchsatzrate einem grösseren numerischen Wert der Verdünnungsrate, die als Parameter D angegeben wird, die Dimension (Stunde-') hat und bei Verwendung von respirativen oder sauerstoff-sensitiven Hefen typisch über 0,1 (h-') liegen und z.B. 0,4 bis 0,5 (h-') betragen kann.
Im Effekt gibt die Verdünnungsrate D das Mass der Zuleitung (Volumen pro Zeit) des in die kontinuierliche Kultur eingespeisten zuckerhaltigen Fruchtsafts als Fraktion des konstanten Kulturvolumens pro Zeiteinheit an. Eine Verdünnungsrate von 0,1 oder 0,5 h-1 bedeutet, dass pro Stunde 10% bzw. 50% des konstanten Kulturvolumens durch frisches Speisungsmaterial ersetzt und eine entsprechende Menge an Kulturmasse aus zuckerfreiem Fruchtsaft und Hefezellen (Biomasse) abgezogen wird.
Bei Verwendung von respiro-fermentativen Hefen ist eine C-Limitation notwendig, wenn die Unterdrückung der Ethanolbildung gewährleistet sein soll. Praktisch muss hier die relative Zuckerdurchsatzrate vermindert werden, d. h.
man muss mit numerisch kleineren Werten der Verdünnungsrate, typisch mit 0,1 (h- ') oder darunter, arbeiten.
Der Begriff Limitation wird hier allgemein in dem Sinne verwendet, dass ein Anteil eines Wachstumsstoffes, wie Sauerstoff oder Glucose, am Kulturmedium dann als limitierend angesehen wird, wenn eine Verminderung dieses Anteils zu einer merklichen Abnahme der Biomasseproduktion führt. Bei einer kontinuierlichen Kultur kann dies z.B. dadurch festgestellt werden, dass die abgezogene Kulturmasse den limitierenden Wachstumsstoff nur noch in signifikant verringertem Anteil enthält; dabei gilt ein Anteil dann als signifikant verringert , wenn der Gehalt der abgezogenen Kulturmasse an limitierendem Wachstumsstoff auf weniger als die Hälfte, in der Regel auf weniger als 1% und meist bis unter die Nachweisgrenze des entsprechenden Anteils der Einspeisung abgesunken ist.
Im allgemeinen wird beim erfindungsgemässen Verfahren ohne Limitation an Sauerstoff und anderen Wachstumsstoffen gearbeitet, abgesehen von der C-Limitation bei Verwendung von respiro-fermentativen Hefen, wie Saccharomyces sp., die dann erfindungsgemäss als einzige Limitation angewendet wird, um die Ethanolbildung auszuschalten.
Dementsprechend werden die im Fruchtsaft, z. B. Apfelsaft, normalerweise fehlenden aber zur Vermeidung einer Limitation erforderlichen (hier als komplementär bezeichnet) Wachstumsstoffe der kontinuierlichen Kultur bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens entweder als Zusatz zum eingespeisten Fruchtsaft oder als gesonderte Einspeisung zugeführt.
Die Bestimmung der für einen gegebenen Frucht- oder Obstsaft und eine gegebene Hefe erforderlichen komplementären Wachstumsstoffe und deren Dosierung ist eine fachmännische Massnahme; für die meisten Hefen sind z.B. die nachfolgenden Stoffe im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens als komplementäre Wachstums stoffe geeignet: Stickstoffquellen, z. B. als Ammoniumverbindungen, Phosphorquellen, z. B. als Phosphate, Magnesium- und Calciumquellen, z. B. als Chloride, sowie die üblichen Spurenmengen an Eisen-, Zink-, Mangan- und Kupfersalzen, Calciumpantothenat, Nikotinsäure, Mesoinosit, Vitamine B1 und B6. Es versteht sich, dass die jeweils erforderlichen Anteile weit unter den physiologisch bzw. toxikologisch zulässigen Grenzen liegen.
Im übrigen kann man bei den für Hefen üblichen Kulturbedingungen in kontinuierlichem Betrieb arbeiten, z. B. bei Temperaturen von 20 - 3 5" C (vorzugsweise ca. 30 C) mit einer nach dem Animpfen bzw. Anlaufen praktisch konstanten Zelldichte, die im wesentlichen von der Verdünnungsrate abhängt.
Der pH-Wert der üblichen Fruchtsäfte (4 bis 6,5) ist geeignet bzw. kann durch Basenzusatz (NaOH) auf einen brauchbaren Wert eingestellt werden.
Vorzugsweise wird der Reaktor mit Rührer, mechanischem Entschäumer und unter Belüftung betrieben und der als Substrat für das Hefewachstum dienende Fruchtsaft mit den komplementären Wachstumsstoffen so zugespeist, dass die Biomasse-Ausbeute maximiert und dementsprechend der gesamte native Zucker abgebaut wird; der aus dem Reaktor abgezogene Aberntestrom hat dieselbe Strömungsrate (Volumen/Zeit) wie die Summe aller flüssigen Einspeisungen.
Brauchbare Belüftungswerte liegen typisch im Bereich von 0,7 bis 1,7 wm, typische Rührerdrehzahlen (Normalrührer) im Bereich von 800 bis 1250 U/min.
Der durch die verwendeten Hefen beim erfindungsgemässen Verfahren bewirkte Zuckerabbau soll im allgemeinen durch Glycolyse zur Pyruvatdehydrogenase unter Decarboxylierung über Acetyl-Coenzym A zu Kohlendioxid und Wasser führen. Für die Wahl bzw. Modifikation von Verfahrensparametern ist eine Optimierung im Hinblick auf diesen Abbaumechanismus zweckmässig.
Da beim erfindungsgemässen Verfahren zur Entzuckerung von Fruchtsaft der Zucker weitergehend abgebaut wird als bei den bekannten Verfahren, entsteht verhältnismässig mehr Biomasse; da diese aus hochwertigen Proteinen besteht, ist sie aber ein wertvolles und kommerziell leicht verwertbares Nebenprodukt, das als Kraftfutter bzw. Futterzusatz, aber auch als Rohstoff für die Herstellung von hochwertigen Nahrungsmitteln, Suppenkonzentraten, Fleischer satz und dergleichen geeignet ist.
Der nach dem erfindungsgemässen Verfahren zu entzukkernde Frucht- oder Obstsaft benötigt im allgemeinen keine besondere Vorbehandlung; sterile bzw. pasteurisierte Säfte werden bevorzugt; eine ausreichende Keimfreiheit des Ausgangssafts kann auch durch Sterilfiltration (Porengrössen des Filters von 0,2 bis 0,4 llm) erzielt werden.
Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert. Prozente sind Gewichtsprozente.
Beispiel 1 (A) Käuflicher, alkoholfreier Apfelsaft oder geklärter Most frisch ab Presse mit einem Zuckergehalt von ca. 10% wird mit den folgenden Nährsalzen bzw. Vitaminen als komplementäre Nährstoffe in der angegebenen Menge versetzt, und zwar bevor er einer Sterilfiltration unterzogen wurde: Zusätze Konzentration pro
Liter Saft (NH4)2HP04 6,4 g NH4C1 4,55 g MgSO47H2O 1,5 g 7H20 l,5g CaC12 2H20 1,0 g Fell3 6H20 0,05 g ZnSO4 7H20 0,03 g MnSO4 2H20 0,06 g CuS04 SH20 0,008 g Calciumpanthothenat 0,1 g Nikotinsäure 0,02 g Mesoinosit 0,2 g Vitamin B1 0,02 g Vitamin B6 0,005 g (B) Es wird eine Hefekultur von Saccharomyces cerevisiae wie folgt hergestellt:
:
Mit einer Stock-Kultur dieser Hefe in tiefgefrorener Form, als Lyophilisat oder auf Agar wird ein 250 ml Schüttelkolben mit 100 bis 150 ml eines üblichen Vollmediums ab geimpft (YEPD: Yeast extract, 10 g/l; Pepton, 20 g/l; Glucose, 20 g/l) und der Kolben während 12 bis 14 Std. bei 30 C inkubiert.
(C) Es wird ein Bioreaktor (Versuchsanlage) mit einem
Flüssigkeitsvolumen von drei Liter, Typ Color (compact loop reactor) mit mechanischem Schaumabscheider verwen det. Das Flüssigvolumen dieses Reaktors wird mit Apfelsaft/
Nährstoff-Medium gemäss Abschnitt A gefüllt und mit der
Vorkultur gemäss Abschnitt B angeimpft.
(D) Die Temperatur wird auf 30 C (+0,5 C), die Dreh zahl des Rührwerks auf 1000 U/min und die Drehzahl des
Schaumabscheiders ebenfalls auf 1000 U/min eingestellt.
Der pH-Wert der Kultur wird auf 4,5 eingestellt und gegebe nenfalls durch Zugabe von 4 N NaOH/KOH (1:1) nachgere gelt.
Die Belüftung wird auf 1 vvm (Vòl.Luft pro Vol.Kultur flüssigkeit pro Minute) eingestellt und zusammen mit der
Rührerdrehzahl so geregelt, dass der Sauerstoffpartialdruck sicher einer über 50% liegenden Luftsättigung entspricht.
Der so gefüllte und vorbereitete Reaktor wird zum Anlaufen der Kultur 24 Std. im Satzverfahren betrieben bzw. bis we der Zucker noch Ethanol nachweisbar ist. Auf diese Weise wird eine der Zuckerkonzentration des Ausgangssafts ent sprechende Biomassekonzentration aufgebaut und die An laufphase ist beendet.
(E) Zur kontinuierlichen Produktion von zuckerfreiem Apfelsaft wird dem Reaktor nach Beendigung der Anlauf Phase D kontinuierlich steriler, mit den komplementären Nährstoffen gemäss A versehener Apfelsaft zugeführt und Kulturmasse mit gleicher Strömungsrate abgezogen. Das Mass der Einspeisung bzw. des Abzugs wird der verwendeten Hefe angepasst, d.h. deren Stoffwechsel mit oder ohne C-Limitation.
Die gemäss Abschnitt B angesetzte Hefe S. cerevisiae bewirkt einen quantitativen Zuckerabbau ohne Ethanolbildung nur bei C-Limitation; für die praktische Durchführung des Verfahrens bedeutet dies, dass die obere Grenze der Einspeisung des Apfelsafts durch den maximal möglichen oxidativen Substratfluss der verwendeten Hefe gegeben ist, was bei S. cerevisiae ausweislich von Vorversuchen bzw. Messungen bei Verdünnungswerten von D = 0,1 (h-l) oder darunter der Fall ist.
Für den Reaktor gemäss C entspricht dies einer Einspeisungs- und Abzugsrate von 300 ml pro Stunde. Für den technischen Betrieb (1000 Liter/Std.) wären dementsprechend bei Verwendung dieser Hefe Reaktorkapazitäten in der Grössenordnung von 10 m3 erforderlich, was technisch durchaus realisierbar ist.
(F) Zur Aufarbeitung wird die vom Reaktor abgezogene Kulturmasse filtriert oder zentrifugiert; die Biomassekonzentration der Kulturmasse beträgt bei etwa 10%aber Zuk kerkonzentration des Ausgangssafts etwa 45 + 5 g/Liter.
Beispiel 2
Es wird im wesentlichen wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch unter Verwendung der Hefe Candida tropicalis und ohne pH-Regelung. Der pH pendelte sich bei 2 bis 2,5 ein.
Bei dieser Hefe kann ohne C-Limitation gearbeitet werden, was praktisch zu einer Verdünnungsrate von etwa 0,4 h- d.h. einer Einspeisungs- und Abzugsrate von 1,2 Liter/Std., führte. Die obere Grenze des spezifischen Durchsatzes ist hier durch die maximale spezifische Substrataufnahme der Hefezellen gegeben.
Die Biomasseausbeute beträgt mit dieser Hefe ca. 50 g
Trockenmasse/Liter.
Beispiel 3
Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch mit Trichosporon cutaneum als Hefe; die Ergebnisse waren im wesentlichen gleich wie in Beispiel 2.
Der nach den Beispielen erhaltene Apfelsaft ist praktisch zuckerfrei, d. h. enthält weniger als 0,1% Zucker. Er kann mit kalorienarmen oder kalorienfreien Süssstoffen, wie Aspartam oder/und Saccharin oder/und Cyclamat, sowie gegebenenfalls mit Aromastoff und vorgängig abfiltrierten Trübstoffen vermischt und mit CO2 abgepresst werden, stellt aber auch ohne diese Zusätze ein durchaus angenehm sauer schmeckendes, erfrischendes Getränk dar.
Das beschriebene neue Verfahren zur Entzuckerung von Frucht- oder Obstsäften kann in verschiedener Hinsicht abgeändert werden. Anstelle des verwendeten Apfelsafts können andere Obst- oder Fruchtsäfte, wie Trauben- oder Birnensaft, Süssmostsorten verschiedener Provenienz, aber auch Orangensaft verwendet werden.
Anstelle der oben genannten Hefen (H 1022, ATCC 32113, CBS 621) können andere Spezies und andere Stämme einschliesslich von mutierten oder genetisch modifizierten Hefen verwendet werden, z. B. Pyruvatdecarboxylase-negative oder Alkoholdehydrogenase-negative Stämme.
Candida tropicalis wird für viele Zwecke jedoch bevorzugt, da diese Hefe relativ hohe Durchsatzmengen bietet, verfahrensmässig relativ unkritisch ist und ein besonders angenehm schmeckendes Produkt ergibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch nach halbkontinuierlichen Methoden, z. B. dem an sich bekannten Fed-batch-Verfahren, durchgeführt werden, bei dem im Produktionsreaktor in einem Teil des verfügbaren Volumens (z. B. in 20 Vol%) der Zucker des Safts satzweise abgebaut wird. Danach wird mit frischem Saft aufgefüllt. Wenn das Endvolumen erreicht ist, werden ca. 8090% der Kulturmasse geerntet und aufgearbeitet. Der Rest dient als Basis für die Führung eines neuen Fed-batches.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren entzuckerten Säfte können auch mit Vorteil als Komponenten von Getränkemischungen auf Fruchtsaftbasis, z. B. zur Verminderung des Zuckergehalts von üblichen Fruchtsäften bzw.
Mostsorten, oder als Komponenten anderer Getränketypen bzw. zur Herstellung von Getränkekonzentraten verwendet werden.
DESCRIPTION
The reduction or elimination of the sugar content in foods and beverages is important from a nutritional and economic point of view. In the case of artificial beverages, such as the common coca drinks and lemonades, this is normally possible without any particular difficulties by changing the recipe and using appropriate sweeteners instead of sugar, but not in the case of fruit or fruit juices that have a natural sugar content of 50-150 liters or more and typically consumed with 100 g native sugar / liter.
Now it is known for the production of low-sugar and non-alcoholic drinks from fruit juice, the native sugar portion of the fruit juice biologically, d. H. by microorganisms, with the fermentation and formation of alcohol (ethanol), which must subsequently be removed, usually by distillation. However, this treatment has the disadvantages associated with the formation and subsequent removal of ethanol, particularly in terms of process engineering, namely the need for a special processing step for ethanol separation, but also with regard to product properties, e.g. as a result of distillation to remove ethanol and / or the formation of by-products of alcoholic fermentation which impair taste.
The object of the invention is therefore to provide a method for the biological removal of sugar, i. H. primarily sucrose, fructose or glucose, from fruit or fruit juices, such as in particular apple, pear or grape juice and all commercially available sweet must varieties, which is free from the disadvantages associated with the formation and removal of ethanol.
According to the invention, this aim is achieved with a method which has the features mentioned in claim 1. Preferred embodiments of the method according to the invention have the features specified in claims 2-6. According to the invention is also a practically sugar-free and alcohol-free fruit juice obtained by the method, which can be used as such or provided with calorie-free or artificial sweetener or / and usual flavors, CO2 etc. and processed into a drink based on fruit juice.
It has been found that very different yeasts, including the culture yeast Saccharomyces cerevisae typical of alcoholic fermentation, are continuously ethanol-free under suitable conditions, i.e. H. without the formation or formation of ethanol in detectable quantities, and thereby break down the entire proportion of the culture medium in biose and / or monose sugar up to the H2O / CO2 level, as explained in more detail below.
Respiratory yeasts, such as, for example, are suitable as yeasts. B. Trichosporon cutaneum; such yeasts are preferred because they are not critical to both oxygen and glucose limitation, i.e. H. do not form ethanol even if these growth substances are present in excess or deficit in the culture medium. Glucose limitation is synonymous with C limitation.
Also preferred are oxygen-sensitive yeasts, such as Candida tropicalis, which also have no C or glucose limitation, i.e. with relatively high sugar throughput rates can be used, but do not allow oxygen limitation and are therefore dependent on the guarantee of aerobic culture conditions when used, which, however, can normally be easily accomplished.
In connection with the implementation of the method according to the invention in continuous operation, e.g.
in continuous culture with the usual bioreactors, a higher relative sugar throughput rate corresponds to a larger numerical value of the dilution rate, which is given as parameter D, has the dimension (hour- ') and, when using respiratory or oxygen-sensitive yeasts, is typically above 0.1 (h- ') and e.g. Can be 0.4 to 0.5 (h- ').
In effect, the dilution rate D indicates the amount of supply (volume per time) of the sugar-containing fruit juice fed into the continuous culture as a fraction of the constant culture volume per unit of time. A dilution rate of 0.1 or 0.5 h-1 means that 10% or 50% of the constant culture volume is replaced by fresh feed material per hour and a corresponding amount of culture mass is withdrawn from sugar-free fruit juice and yeast cells (biomass).
When using respiro-fermentative yeasts, a C limit is necessary if the suppression of ethanol formation is to be guaranteed. In practice, the relative sugar throughput rate must be reduced here, i. H.
one has to work with numerically smaller values of the dilution rate, typically 0.1 (h- ') or less.
The term limitation is used here generally in the sense that a proportion of a growth substance, such as oxygen or glucose, in the culture medium is considered to be limiting if a reduction in this proportion leads to a noticeable decrease in biomass production. In a continuous culture this can e.g. are determined by the fact that the withdrawn culture mass only contains the limiting growth substance in a significantly reduced proportion; a proportion is considered to be significantly reduced if the content of limiting growth substance in the withdrawn culture mass has dropped to less than half, as a rule to less than 1% and mostly to below the detection limit of the corresponding proportion of the feed.
In general, the process according to the invention works without limitation on oxygen and other growth substances, apart from the C limitation when using respiro-fermentative yeasts such as Saccharomyces sp., Which is then used according to the invention as the only limitation to switch off the formation of ethanol.
Accordingly, those in fruit juice, e.g. B. apple juice, normally missing but necessary to avoid a limitation (here called complementary) growth substances of the continuous culture when carrying out the method according to the invention either as an additive to the fed fruit juice or as a separate feed.
The determination of the complementary growth substances required for a given fruit or fruit juice and a given yeast and their dosage is a professional measure; for most yeasts e.g. the following substances are suitable as complementary growth substances in the process according to the invention: nitrogen sources, e.g. B. as ammonium compounds, phosphorus sources, for. B. as phosphates, magnesium and calcium sources, e.g. B. as chlorides, and the usual trace amounts of iron, zinc, manganese and copper salts, calcium pantothenate, nicotinic acid, mesoinosit, vitamins B1 and B6. It goes without saying that the proportions required in each case are far below the physiologically or toxicologically permissible limits.
Incidentally, you can work in the normal conditions for yeast culture in continuous operation, for. B. at temperatures of 20 - 3 5 "C (preferably about 30 C) with a practically constant cell density after inoculation or start-up, which essentially depends on the dilution rate.
The pH value of the usual fruit juices (4 to 6.5) is suitable or can be adjusted to a usable value by adding base (NaOH).
The reactor is preferably operated with a stirrer, mechanical defoamer and with aeration, and the fruit juice serving as substrate for the yeast growth is fed with the complementary growth substances in such a way that the biomass yield is maximized and the entire native sugar is accordingly broken down; the Aberentstrom withdrawn from the reactor has the same flow rate (volume / time) as the sum of all liquid feeds.
Usable aeration values are typically in the range from 0.7 to 1.7 wm, typical stirrer speeds (normal stirrers) in the range from 800 to 1250 rpm.
The sugar degradation brought about by the yeasts used in the process according to the invention is said to generally result in glycolysis to pyruvate dehydrogenase with decarboxylation via acetyl-coenzyme A to carbon dioxide and water. For the selection or modification of process parameters, an optimization with regard to this degradation mechanism is expedient.
Since the process for the desugarization of fruit juice according to the invention degrades the sugar to a greater extent than in the known processes, relatively more biomass is produced; since it consists of high-quality proteins, it is a valuable and commercially easy-to-use by-product, which is suitable as concentrate or feed additive, but also as a raw material for the production of high-quality food, soup concentrates, butcher set and the like.
The fruit or fruit juice to be deseeded by the process according to the invention generally does not require any special pretreatment; sterile or pasteurized juices are preferred; Sufficient sterility of the starting juice can also be achieved by sterile filtration (pore sizes of the filter from 0.2 to 0.4 llm).
The implementation of the method according to the invention is explained below using examples. Percentages are percentages by weight.
Example 1 (A) Commercial, non-alcoholic apple juice or clarified must fresh from the press with a sugar content of approx. 10% is mixed with the following nutrient salts or vitamins as complementary nutrients in the stated amount, before it has been subjected to sterile filtration: additives Concentration per
Liters of juice (NH4) 2HP04 6.4 g NH4C1 4.55 g MgSO47H2O 1.5 g 7H20 l, 5g CaC12 2H20 1.0 g Fell3 6H20 0.05 g ZnSO4 7H20 0.03 g MnSO4 2H20 0.06 g CuS04 SH20 0.008 g calcium panthothenate 0.1 g nicotinic acid 0.02 g meso-inositol 0.2 g vitamin B1 0.02 g vitamin B6 0.005 g (B) A yeast culture of Saccharomyces cerevisiae is produced as follows:
:
A stock culture of this yeast in frozen form, as a lyophilisate or on agar is used to inoculate a 250 ml shake flask with 100 to 150 ml of a conventional full medium (YEPD: Yeast extract, 10 g / l; peptone, 20 g / l; glucose , 20 g / l) and the flask incubated at 30 C for 12 to 14 hours.
(C) A bioreactor (pilot plant) with one
Liquid volume of three liters, type Color (compact loop reactor) with mechanical foam separator. The liquid volume of this reactor is filled with apple juice /
Nutrient medium filled according to section A and with the
Pre-culture inoculated according to Section B.
(D) The temperature is increased to 30 C (+0.5 C), the speed of the agitator to 1000 rpm and the speed of the
Foam separator also set to 1000 rpm.
The pH of the culture is adjusted to 4.5 and, if necessary, the mixture is adjusted by adding 4 N NaOH / KOH (1: 1).
The aeration is set to 1 vvm (total air per vol.culture liquid per minute) and together with the
The stirrer speed is regulated so that the oxygen partial pressure corresponds to an air saturation above 50%.
The reactor filled and prepared in this way is operated in batching mode for 24 hours to start the culture or until we can still detect the sugar in ethanol. In this way, a biomass concentration corresponding to the sugar concentration of the starting juice is built up and the start-up phase is ended.
(E) For the continuous production of sugar-free apple juice, after the start of phase D, sterile apple juice provided with the complementary nutrients according to A is continuously fed to the reactor and culture mass is withdrawn at the same flow rate. The amount of feed or withdrawal is adapted to the yeast used, i.e. their metabolism with or without C-limitation.
The yeast S. cerevisiae prepared in accordance with Section B causes quantitative sugar degradation without ethanol formation only with a C limit; for the practical implementation of the method, this means that the upper limit of the apple juice feed is given by the maximum possible oxidative substrate flow of the yeast used, which in S. cerevisiae is evident from preliminary tests or measurements at dilution values of D = 0.1 (hl ) or below is the case.
For the reactor according to C, this corresponds to a feed and withdrawal rate of 300 ml per hour. For technical operation (1000 liters / hour), reactor capacities of the order of 10 m3 would accordingly be required when using this yeast, which is technically feasible.
(F) For working up, the culture material withdrawn from the reactor is filtered or centrifuged; the biomass concentration of the culture mass is about 10% but the sugar concentration of the starting juice is about 45 + 5 g / liter.
Example 2
The procedure is essentially as in Example 1, but using the Candida tropicalis yeast and without pH control. The pH leveled off at 2 to 2.5.
This yeast can be used without C-limitation, which practically leads to a dilution rate of about 0.4 h - i.e. a feed and withdrawal rate of 1.2 liters / hour. The upper limit of the specific throughput is given here by the maximum specific substrate uptake of the yeast cells.
The biomass yield with this yeast is approx. 50 g
Dry matter / liter.
Example 3
The procedure was as in Example 1, but with Trichosporon cutaneum as yeast; the results were essentially the same as in Example 2.
The apple juice obtained according to the examples is practically sugar-free, i.e. H. contains less than 0.1% sugar. It can be mixed with low-calorie or non-calorie sweeteners, such as aspartame and / or saccharin and / or cyclamate, as well as optionally with flavoring and previously filtered cloudy substances and squeezed out with CO2, but without these additives it is a pleasantly acidic, refreshing drink.
The described new process for the desugarization of fruit or fruit juices can be modified in various ways. Instead of the apple juice used, other fruit or fruit juices, such as grape or pear juice, sweet cider varieties of different origins, but also orange juice can be used.
Instead of the above-mentioned yeasts (H 1022, ATCC 32113, CBS 621) other species and other strains including mutant or genetically modified yeasts can be used, e.g. B. Pyruvate decarboxylase negative or alcohol dehydrogenase negative strains.
Candida tropicalis is preferred for many purposes, however, because this yeast offers relatively high throughputs, is relatively uncritical from a procedural point of view, and results in a product that tastes particularly pleasant.
The inventive method can also by semi-continuous methods, for. B. the known fed batch process, in which the sugar of the juice is broken down in batches in the production reactor in a part of the available volume (for example in 20% by volume). Then fill up with fresh juice. When the final volume is reached, approximately 8090% of the culture mass is harvested and processed. The rest serve as the basis for the management of a new fed batch.
The juices desugared by the process according to the invention can also advantageously be used as components of beverage mixes based on fruit juice, e.g. B. to reduce the sugar content of conventional fruit juices or
Must types, or used as components of other types of beverages or for the production of beverage concentrates.