DE1958014B2 - Verfahren zur Herstellung von1*11""" kristallinen Maltosepulver - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren / Herstellung von hochreinem kristallinen Maltosepulver durch Amylolyse von Stärke und anschließende enzymatische Verzuckerung.

In der Zeitschrift »Archives of Biochemistry and Biophysics«, 116,1966, Seiten 162 bis 167, insbesondere Seite 162, ist es bekannt, zur Bestimmung der Kettenlängen von Glycogen und Amylopektin Pullulanase und /3-Amylase gleichzeitig einwirken zu lassen und hierdurch Polysaccharide vollständig zu Maltose und Glukose abzubauen. Nähere Angaben über die zu verwendende Pullulanase und über die erreichbare Reinheit der Maltose sind nicht enthalten.

Maltosen mit einer Reinheit von über 80% werden nur in äußerst begrenztem Umfange als Reagenzien angewandt, da sie sehr teuer sind, und zwar aus folgenden Gründen: /3-Amylase ist das einzige Enzym zum Stärkeabbau und somit zur Gewinnung von Maltose durch Zerlegung des Stärkemoleküls in paarige Glukoseeinheiten. ß-Amylase hydrolysiert jedoch nur die Hauptdextrosebindungen, nämlich die 1,4-Bindungen, wogegen die a-l,6-Glukosidbindungen, welche den auseinanderstrebenden Teil der verzweigten Struktur des Hauptbestandteils der Stärke, nämlich von Amylopektin ausmachen, unzersetzt bleiben. Beim Verflüssigen von Stärke und somit bei deren Abbau mit /3-Amylase hört die Reaktion daher bei einem Zersetzungsgrad von wenig über 70% unter Zurücklassung eines großen Dextrinanteils auf, so daß die erhaltenen Zuckerlösungen beim Eindampfen naturgemäß keine Maltosekristalle liefern und daher eine Wiederholung des Kristallisationsvorganges nach Ausfällen des Dextrins mit Alkohol oder dergleichen notwendig machen, wodurch die Ausbeute sich auf wenige Prozent verringert, die Kosten aber stark ansteigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, hochreine kristalline Maltose in wirtschaftlicher Weise und mit guter Ausbeute in einer einzigen Verf ahrensstufe herzustellen, und zwar unter Anwendung von Enzymen, die aus Stärke die a-l,6-Glukosidbindungen zu entfernen vermögen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren.

Es können die a-l,6-GIukosidasen von Pseudomonas (ATCC 21262), Lactobacillus (ATCC 8008), Escherichia (ATCC 21073) zur Anwendung kommen. Vorzugsweise setzt man zusätzlich als Verzuckerungsenzym noch alpha-Amylase zu.

Durch das neue Verfahren sind Lösungen mit einem Maltosegehalt von über 90% und aus diesen nach Impfen mit Kristallisationskeimen unter Rühren und Kühlen und anschließendes Zerstäuben hochreines kristallines Maltosehydrat in einer fast theoretischen Ausbeute gewinnbar. Das Zerstäuben erfolgt in an sich bekannter Weise durch Einspritzen der eingedampften Lösungen am Kopf eines Turmtrockners niederwärts im Gleichstrom mit einem heißen Luftstrom. Durch die erfindungsgemäße Arbeitsweise

2s werden die Herstellungskosten im Vergleich zu bekannten Verfahren auf wenige Prozent herabgesetzt, so daß erstmalig eine wirtschaftliche Gewinnung von Maltose ermöglicht wird.

Im einzelnen arbeitet man wie folgt:

Als Ausgangsstärke ist jegliche Stärkeart, beispielsweise Stärke aus Süßkartoffeln, Irisch- oder Weißkartoffeln, Getreide, Sago oder Tapioka, anwendbar.

10- bis 40%ige wäßrige Stärkeaufschlämmungen werden vorsichtig unter Begrenzung des Abbaues bis zu einem Dextrose-Äquivalent (D. E.) zwischen etwa 1 und 5 verflüssigt. Bei diesem Abbau wird jedes der geradkettig miteinander verbundenen Amylosemoleküle z. B. durch /3-Amylase in je zwei Dextrose-Einheiten gespalten. Wenn das Amylosemolekül ein aus einer ungeraden Zahl von Dextrosemolekülen bestehendes Polymer ist, bleibt ein Dextrosemolekül übrig, das zu einem Amylosemolekül wächst, wodurch die Reinheit der Maltose erniedrigt wird. Daher ist es not-

•r> wendig, das Molekulargewicht der Amylose so hoch wie möglich zu halten oder die Stärkeaufspaltung einzuschränken. Außerdem muß eine vollständige Dispersion des Ganzen zu einem homogen dispergierten Zustand gewährleistet sein.

^r><> Um diesen Erfordernissen zu entsprechen, soll die Stärkeaufschlämmung einer Konzentration zwischen 10 und 40% bis zum D. E.-Wert zwischen etwa 1 und 5 abgebaut werden. Bei Anwendung eines Verflüssigungsenzyms wird die Stärkeaufschlämmung konti-

is nuierlich bei der hohen Temperatur zwischen 85 und 95° C verflüssigt und der D. E.-Wert auf unter 5 begrenzt. Das gleiche erfolgt bei Benutzung einer Säure. In der Verzuckerungsstufe (b) kann zuerst /3-Amylase oder a-l,6-Glukosidase oder beide gleichzeitig

w) zugesetzt werden.

Zu beachten ist, daß Lösungen gelatinierter Stärke mit niedrigem D. E.-Wert hochviskos sind, beim Abkühlen sich rückstufen und - einmal rückgestuft - sich inert gegenüber der enzymatischen Einwirkung zei-

bi gen. Deshalb ist es zweckmäßig, die gelatinierte Lösung schnell auf die gewünschte Temperatur zu kühlen -, entweder in einem Vakuumkühler unter Zusatz eines gegen Hitze hochstabilen Enzyms oder un-

verzüglich bei möglichst hoher Temperatur zwecks Vermeidung einer Rückstufung, wodurch die Amylolyse unterstützt und die Viskosität der Zuckerlösung herabgesetzt wird. Alsdann wird das zweite Enzym zugesetzt und die Verzuckerung durchgeführt.

Ein geringfügiger Zusatz von a-Amylase ist zweckmäßig, wenn während der Verzuckerung eventuell rückgestuftes Dextrin ersetzt werden soll. Demzufolge wird die nachfolgende Reinigung erleichtert.

Die fraktionierte papierchromatographische Untersuchung der Verzuckerungsprodukte zeigt, daß die erhaltene Maltose, die 90 bis 95% Maltose, 3 bis 4% Amylotriose und weniger als 1% Glukose enthält, hinsichtlich der Reinheit mit bekannten Handelsprodukten gut vergleichbar ist.

Wenn diese Zuckerlösung auf 70 bis 80% eingedampft und unter Zusatz von Impfkristallen bei etwa 35° C gerührt wird, setzen sich schnell Kristalle hydratisierter Maltose ab. Beim allmählichen Abkühlen unter Rühren wächst im Laufe von 1 bis 3 Tagen eine erhöhte Zahl von Mikrokristallen in Form von dreiekkigen Blättchen, die eine sahnige Masse bilden.

Diesen Rahm mit einem Kristallgehalt von über 35% sprüht man durch eine Hochdruckdüse in den oberen Teil eines turmartigen Zerstäubungstrockners -, parallel zu einem Trockenluftstrom von 80 his 90° C. Der untere Turmteil ist mit einem Förderband aus Drahtnetz versehen, durch welches Heißluft hindurchgepreßt wird, während das Maltosehydrat mittels des Förderbandes langsam aus dem Turm abgezogen wird, und zwar nach einem Verbleib im Turm von 30 bis 40 Minuten als ein feines, nichtklebriges Pulver, deren Körner von kleinkugeliger Form sind.

Das Produkt besteht aus Kristallen mit einem Wassergehalt von 5 bis 6% und einem Maltosegehalt im Trockenstoff von 95 %. Die hochreine Maltose absorbiert keine Feuchtigkeit und bleibt an der Luft stabil.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar zur fortlaufenden Gewinnung von Maltose auf betrieblicher, wirtschaftlicher Grundlage und ermöglicht damit vielseitige Anwendungen der Maltose auf den Gebieten der Bakterienkultur, Gärung und Nahrungsmittelzubereitung sowie neue technische Verwendungen.

Beispiel 1

a) Eine 35%ige Aufschlämmung gereinigter Süßkartoffelstärke wird in einem Gelatinierungsgefäß 20 min unmittelbar mit Frischdampf von 165 ° C zu einer homogen gelatinierten Lösung mit D. E. 2,2 erhitzt und dann in einem Vakuumkühler beim pH 6,0 auf 65 ° C abgekühlt. Hierauf gibt man unter Rühren 20 Einheiten /3-Amylase je g Stärke zu. Während einer Verbleibzeit von 4 h wird die Stärkelösung fortlaufend ausgetragen und unter Kühlung in das Verzuckerungsgefäß eingebracht. Hier wird die Lösung auf pH 6,0 eingestellt, eine aus einem Stamm von Pseudomonas amyloderamosa (ATCC 21262) bereitete a-l,6-Glukosidase in einer Menge von 15 E/g Stärke (im folgenden mit »E/g St.« bezeichnet) zugefügt und die Verzuckerung in 48 h bei 45° C durchgeführt.

b) Die verzuckerte Lösung erhitzt man zum Unwirksammachen der Enzyme, konzentriert, entfärbt und reinigt mit Ionenaustauschharz; der Trockenstoff in der Lösung enthält 94% Maltose, berechnet auf die Anhydridform.

Die gereinigte Lösung wird auf 70% eingedampft und dann in einem Kristallisator nach Zusatz von 2% Impfkristallen von Maltosehydrat unter Rühren erst auf 35 ° C und dann im Laufe vo:i 3 Tagen auf 20° C gekühlt, wobei man einen Kristallisationsgrad von 47% erreicht. Die erhaltene Masse wird mit Hilfe einer Hochdruckpumpe unter einem Druck von 150 kg/cm² durch eine 1,5 mm-Düse in den oberen Teil eines Trockenturmes gesprührt, in den oben

ίο 85 ° C heiße Luft eingeführt und unterhalb des Formbandes 40° C warme Luft eingeblasen wird. Das innerhalb von 40 min erhaltene kristalline Pulver wird vom Förderband ausgetragen und in eine Nachbehandlungskolonne eingebracht, in welcher das Pulver 10 Stunden mit Warmluft zwecks Vollendung der Kristallisation und Trocknung belüftet wird. Das Endprodukt hat einen Wassergehalt von 6%.

Beispiel 2

Eine 35%ige Aufschlämmung gereinigter Süßkartoffelstärke wird nach Einstellung des pH mit Oxalsäure auf 4,0 bei 160° C bis zum D. E.-Wert 2,0 gelatiniert, die homogen gelatinierte, dickflüssige Lösung im Vakuumkühler auf 50° C gekühlt, das pH auf 6,0 eingestellt, mit je 20 E/g St. /3-Amylase und einem aus Lactobacillus gewonnenen Enzym verseUi und innerhalb 48 h verzuckert. Die, wie oben angegeben, gereinigte Maltoselösung hat gemäß papierchromatographischer Prüfung 93,5% Maltose, berechnet auf

jo den Trockenstoff. Die Gewinnung des kristallinen Maltosepulvers erfolgt nach Beispiel 1 (b).

Beispiel 3

100 g Maisstäike werden mit 300 ml kochendem i) Wasser gelatiniert, die erhaltene Lösung 5 min bei 130° C unter Druck gesetzt und auf 80° C gekühlt, worauf man das pH auf 6,0 einstellt und 50 E/g St. /3-Amylase zugibt. Nach Abfall der Viskosität wird auf 45 ° C gekühlt und 20 E/g St. eines ausgesalzenen Pullulanase-Enzyms (ATCC 8724) zugesetzt. Nach einer 48 h dauernden Verzuckerung bei 45 ° C wird die Lösung, wie angegeben, gereinigt und auf einen Wassergehalt von 15 % entwässert. Man erhält farblose hydratisierte Kristalle mit einem (auf Trockenstoff berechneten) Gehalt von 92,5% Maltose, 4,0% Maltotriose, 2,0% Glukose und 1,5% Sonstigem.

Beispiel 4

100 g Stärke von wachsartigem Mais werden gemäß •ίο Beispiel 1 gelatiniert, die Lösung auf 50° C gekühlt, durch Zusatz von 50 E/g St. /3-Amylase beim pH 6,0 die Viskosität herabgesetzt und nach Zusatz von 20 E/g St. Pullulanase im Laufe von 10 h bei 45 ° C verzuckert. Danach setzt man 5 E/g St. a-Amylase zu Vt und verzuckert weitere 45 h lang. Die gereinigte und auf einen Wassergehalt von 13% entwässerte Lösung ergibt ein Produkt mit 93,0% Maltose. Aus der 70%igen Lösung erhält man Mikrokristalle, die nach Waschen mit Wasser Maltose in einer Reinheit bo von über 96% (auf Trockenstoff berechnet) ergeben.

Beispiel 5

Eine 25%ige Aufschlämmung von Süßkartoffelt>-> stärke wird nach Zusatz von 0,2% eines Verflüssigungsenzyms bei 90° C zu einer Stärke vom D. E. 1,7 verflüssigt. Nach Abkühlen auf 70° C und Zugabe von 30 E/g St. /3-Amylase wird beim pH 6,0 verzuk-

kert. Sobald die Lösungsviskosität gesunken ist, gibt man je 20 E/g St. Pullulanase und einer aus Pseudomonas-Bakterien (ATCC 21262} gewonnenen a-1,6-Glukosidase zu, stellt das pH auf 5,5 ein und verzuckert 46 h lang bei 45 ° C. Der durch Konzentrieren erhaltene Sirup mit einem Wassergehalt von 13 % kristallisiert sofort. Die Kristalle enthalten 95% Maltose (auf Trockenstoff berechnet). Die Ausbeute beträgt 95%.

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Beispiel 6

Eine annähernd 30%ige Aufschlämmung von 500 g Weißkartoffelstarke wird nach Zusatz von 0,2 % or-Amylase beim pH 6 und 88° C bis zum D. E.-Wert 2,7 verflüssigt. Durch Zusatz von Heißwasser erhält ι; man eine 20%ige Lösung. Während der Einwirkung der in einer Menge von 50 E/g St. zugegebenen ß-Amylase wird die Lösung von 80° C herabgekühlt. Nach Abfall der Viskosität gibt man 40 E/g St. Pseudomonas-Eniym zu und verzuckert beim pH 5,5 15 h bei45° C. Hierauf werden 5 E/gSt. a-Amylase zugegeben. Nach einer Gesamtverzuckerungsdauer von 48 h wird die filtrierte Lösung, wie in Beispiel 1 (b) beschrieben, erhitzt, gereinigt und durch Eindampfen bis auf einen Wassergehalt von 15% zum Kristallisieren gebracht. Die Ausbeute an Trockenstoff beträgt 90%, der Maltosgehalt im Trockenstoff 94%.

Beispiel 7

100 g Maisstärke gelatiniert man in 300 ml kochendem Wasser, setzt die erhaltene Lösung 5 min lang bei 130° C einem Druck aus, kühlt dann auf 45 ° C, stellt das pH auf 6,0 ein und gibt 20 E/g St. eines ausgesalzenen Pullulanase-Enzyms (ATCC 8724) zu. Im Laufe mehrerer Stunden sinkt die Lösungsviskosität allmählich, worauf 50 E/g St. /3-Amylase zugegeben und die Verzuckerung in 48 h bei 45⁰C durchgeführt wird. Die erhaltene Lösung bereitet man, wie zuvor angegeben, auf und dampft sie bis auf einen Wassergehalt von 15 % ein. Die gewonnenen farblosen Kristalle enthalten 93% Maltose, 4,0% Maltotriose, 1,5 % Glukose und 1,5 % Sonstiges (berechnet auf Trockenstoff).

Beispiel 8 „.

Eine nach Beispiel 1 (a) gelatinierte 25%ige Suspension von 100 g Stärke aus wachsartigem Mais wird zuerst mit 20 E/g St. Pullulanase und dann mit 50 E/g St. /3-Amylase versetzt und das Gemisch 10 h bei 45°C verzuckert; nach'Zusatz von 5 E/g St. α-Amyläse setzt man die Verzuckerung noch 40 h fort. Die gereinigte und bis auf einen Wassergehalt von 13% eingedampfte Lösung enthält, auf Trockenstoff berechnet, 93,0% Maltose. Aus der 70%igen Lösung kann man sehr kleine Maltosekristalle einer Reinheit von 96 bis 97% gewinnen.

Beispiel 9

Einer nach Beispiel 1 (a) gelatinieten 23%igen Suspension von 100 g gereinigter Süßkartoffelstärke to gibt man 20 E/g St. Pullulanase und 40 E/g St. einer aus Pseudomonas-Bakterien (ATCC 21262) gewonnenen a-l,6-Glukosidase zu, stellt das pH von 5,5 ein und führt die Amylolyse in mehreren Stunden bei 45° C durch. Sodann werden 25 E/g St. /3-Amylase h5 zugesetzt und die Verzuckerung 46 h lang fortgesetzt. Der nach der vorbeschriebenen Aufbereitung gewonnene Sirup mit 13^r£ Wc.sser kristallisiert sofort. Die Kristalle enthalten, auf Trockenstoff berechnet, 94,5% Maltose; die Ausbeute beträgt 95%.

Beispiel 10

Man verflüssigt eine annähernd 30%ige Aufschlämmung von 500 g Weißkartoffelstärke beim pH 6,0 mit 0,2% a-Amylase bei 88° C bis zum D. E.Wert von 2,7 und verdünnt mit Heißwasser auf eine 20%ige Lösung, welcher beim pH 5,5 und 45° C zuerst 40 E/g St. Pseudomonas-Enzym, sodann 25 E/g St. ß- Amylase zugegeben werden, worauf die Verzukkerung in 15 h durchgeführt wird. Sodann gibt man 5 E/g St. a-Amylase zu. Nach einer Gesamtverzuckerungsdauer von 48 h und Eindampfen der in vorbeschriebener Weise aufbereiteten Lösung bis auf einen Wassergehalt von 15 % erhält man Kristalle mit einem Maltosegehalt von 94%, berechnet auf den Trockenstoff, in einer Ausbeute von 94%.

Beispiel 11

Eine 15- bis 35 %ige Lösung gereinigter Maisstärke vom pH 5,0 wird mittels einer Dosierpumpe in einen mit mehrflügeligem Rührer versehenen heizbaren Behälter einer kontinuierlich arbeitenden Stärkeverflüssigungsanlage eingepreßt (vgl. die Japan. Auslegeschrift Nr. 1998/1964), wobei die Temperatur im Behälterinneren durch Frischdampfzufuhr selbsttätig im Bereich von 160 bis 165 ° C gehalten und die Fließgeschwindigkeit der Lösung derart eingestellt wird, daß deren Verweilzeit 15 min beträgt. Der Abbaugrad der gelatinierten Lösung entspricht annähernd 1,5 bis 2 D. E.

Die gelatinierte Lösung spritzt man mittels einer Düse in den oberen Teil eines Vakuumkühlers und in gleicher Weise durch eine Enzymeinspritzdüse 50 E/g St. /3-Amylase ein. Die Temperatur wird selbsttätig auf 65 ° C gehalten. Die homogene Flüssigkeit wird fortlaufend aus dem unteren Teil des Kühlers ausgetragen und in einem Wärmeaustauscher auf 45 bis 50° C abgekühlt. Unmittelbar danach preßt man in die Lösung unter Rühren mittels einer Proportionalpurnpe 20 E/g St. a-l,6-Glukosidase (ATCC 21262 oder 8724) ein. Nach Einsteilen des pH auf 5,7 bis 0,0 wird die Lösung sofort in das Verzuckerungsgefäß gepumpt und hier unter Rühren 48 h bei 45⁰C verzuckert. Die Aufbereitung der verzuckerten Lösung erfolgt nach Beispiel 1 (b). Die gewonnene Maltose hat eine Reinheit von 94 bis 95%.

Beispiel 12

Eine gemäß Beispiel 1 (a) bereitete gelatinierte Lösung gereinigter Maisstärke zersetzt man mit einei bisher unbekannten a-l,6-Glukosidase, die aus Bakterien von Lactobacillus plantarium gewonnen war sowie eine höhere Wärmebeständigkeit (55° C) als Aerobacter-Enzyme und eine optimale Wirksamkeit oberhalb 50° C aufweist. Das neue Enzym wird in folgender Weise in die gelatinierte Lösung eingebracht:

In den oberen Teil eines Vakuumkühlers spritzt einerseits die 150° C heiße gelatinierte Lösung und gleichzeitig 20 bis 30 E/g St. der 45° C warmen Lösung des Lactobacillus-Enzyms ein. Hierbei kühlt sich die gelatinierte Lösung auf 50 bis 56° C ab. Das Gemisch der beiden Lösungen stellt man auf pH 6,0 ein. Während des Abkühlens der Mischlösung auf 45 bis 50° C wird sie mit 50 E/g St. ß-Amylnse >■ > vermischt.

Man kann ohne Änderung der Ergebnisse auch ß-Amylase mit dem Lactobacillus-Enzym vormischen und dieses Gemisch der gelatinierten Lösung zugeben.

Die Verzuckerung wird 48 h bei 45 bis 50° C durchgeführt. Die Aufbereitung der verzuckerten Lö- '> sung erfolgt nach Beispiel 1 (b). Die bis zu einem Wassergehalt von 10% eingedampfte Lösung kristallisiert ohne Schwierigkeit. Die farblosen Kristalle enthalten über 93 % Maltose, berechnet auf den Trokkenstoff. iu

Beispiel 13

Eine gemäß Beispiel 11 gelatinierte 25 %ige Aufschlämmung gereinigter Süßkartoffelstärke wird schnell auf 55° C abgekühlt und gleichzeitig mit einer "■> Lösung von 30 E/g St. eines Lactobacillus-Enzyms sowie einer Lösung von 50 E/g St. /3-Amylase versetzt. Das Gemisch kühlt sich allmählich auf 45° C ab.

Nach 10 h gibt man 5 E/g St. einer verflüssigten «-Amylase zu und läßt 30 h einwirken. Die Aufbereitung der verzuckerten Lösung geschieht nach Beispiel 1 (b). Man erhält Kristalle mit einem Maltosegehalt von 93%; die Ausbeute beträgt 90% der theoretischen.

Beispiel 14

Eine nach Beispiel 11 verflüssigte 20%ige Aufschlämmung gereinigter Stärke von wachsartigem Mais kühlt man schnell auf 60° C ab und gibt 50 E/g St. /3-Amylase zu. Umsetzung erfolgt beim pH 6,0. Nach Einstellen auf pH 5,5 werden bei 45° C 15 E/g St. eines Lactobacillus-Enzyms und 20 E/g St. eines Pseudomonas-Enzyms zugesetzt, worauf das Gemisch 40 h bei 45 ° C verzuckert wird. Die Aufbereitung der verzuckerten Lösung erfolgt wie in den vorhergehenden Beispielen. In einer Ausbeute von 90% gewinnt man Kristalle mit einem Maltosegehalt von 94%.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hochreinem kristallinem Maltosepulver durch Amylolyse von Stärke und anschließende enzymatische Verzukkening, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Stärkeaufschlämmung einer Konzentration zwischen 10 und 40% durch Erhitzen in An- oder Abwesenheit von Verflüssigungsenzym oder von verflüssigender Säure bis zu einem Dextroseäquivalent (D. E.) zwischen etwa 1 und 5 verflüssigt,

b) die verflüssigte Stärkeaufschlämmung mit /3-Amylase und a-l,6-Glukosidase, die von Escherichia, Pseudomonas, Lactobacillus, Micrococcus, Nocardia oder Aerobacter abstammt, verzuckert und

c) die erhaltenen Zuckerlösungen nach Reinigen und Eindampfen bis zu einer Konzentration von etwa 70 bis 80% durch Zerstäubungstrocknung entwässert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Verzuckerungsenzym zusätzlich a-Amylase anwendet.