Verfahren zur Herstellung eines konzentrierten modifizierten Weizenproteins

Gegenstand ist ein Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Weizenproteins, bei dem das Weizenprotein einer enzymatischen Hydrolyse unterzogen und zur Plastifi- zierung mit einem oder mehreren höhermolekularen Alkoholen versetzt wird. Das so hergestellte modifizierte Weizenprotein kann unter anderem für die Produktion von flexiblen Filmen und zur Beschichtung von Verpackungspapieren benutzt werden.

Weizenprotein, auch Weizenkleber oder Gluten genannt, wird in der Stärkefabrik bei der Trennung der Weizenmehlkomponenten hergestellt. Das anfallende Gluten wird getrocknet und gemahlen und kommt dann als Vitalgluten in den Handel. Vitalgluten besitzt eine spezifische Kombination physikalischer Eigenschaften, nämlich Elastizität, Viskosität, Kohäsivität und ein hohes Wasserbindungsvermögen. Diese Eigenschaften gestatten den Einsatz des vitalen Glutens sowohl in vielen Bereichen der Lebensmitteltechnik, als auch im technischen Bereich. Im Lebensmittelbereich wird es hauptsächlich als Zusatz bei der Herstellung von Backwaren eingesetzt. Auf Grund der Eigenschaften wird dadurch die Knettoleranz der Teige positiv beeinflusst. Große Mengen Vitalglutens werden auch im Aqua-Feed-Bereich verbraucht.

In der Non-Food-Industrie wird Gluten unter anderem als Klebstoffkomponente, zur Herstellung bioabbaubarer Verpackungen, als Bestandteil von Papiercoating-Massen etc. benutzt.

Die filmbildenden Eigenschaften des vitalen Glutens sind durch die starken kohäsi- ven Eigenschaften des vitalen Proteins stark eingeschränkt. Zur Verbesserung der filmbildenden Eigenschaften wird das Weizenprotein mit unterschiedlichsten Methoden modifiziert, mit organischen Chemikalien plastifiziert oder mittels organischer Lösungsmittel in Lösung gebracht.

In den Patentschriften WO 97/33600 A1 und US 5,977,312 A wird beschrieben, wie die Disulfid-Bindungen des vitalen Glutens mit reduzierenden Chemikalien, etwa Natriumbisulfit, in ammoniakalischer Lösung modifiziert werden. Damit erreicht man

eine Verflüssigung des Glutens. Dieses gelöste Gluten wird nachfolgend sprühgetrocknet. Das so modifizierte Gluten wird danach mit plastifizierenden Reagentien wie Glycerin oder Propylen-Glykol plastifiziert. Diese Mischung wird zu Filmen gegossen und getrocknet. Nachteile dieser Modifizierung sind die zur Trocknung des modifizierten Proteins eingesetzte Sprühtrocknung und die Limitierung des Proteingehaltes auf max. 25 %.

In der Patentschrift US 3,653,925 wird die Modifizierung des Glutens und anderer Proteine unter Verwendung von 95 %igem Ethanol als Suspensionsmittel, Ammoniumhydroxidlösung als alkalischem Lösungsmittel und der Einsatz von Glycerin zur Plastifizierung beschrieben. Diese Mischung wird gekocht und anschließend zu einem Film gegossen. Nachteile dieser Methode sind die Verwendung von hochbrennbarem Ethanol und ein Proteinhöchstgehalt von 14 %.

In den Patentschriften US 2003/0077395 A1 und US 2002/0121222 A1 wird das Molekulargewicht der Glutenkomponente ebenfalls mit reduzierenden Komponenten verringert. Der pH-Wert der fertigen Mischung liegt zwischen 9 und 12. Als Füllmittel wird beispielsweise Weizenstärke im Verhältnis Stärke zu Gluten wie 3:1 oder 5:1 verwendet.

Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher die Herstellung eines konzentrierten modifizierten Weizenproteins in Form einer Suspension aus nativem Weizenproteins unter Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile. Eine weitere Aufgabe ist die nutzbringende Verwendung des erzeugten Produktes.

Die Aufgabe wird entsprechend den unanbhängigen Ansprüchen 1 , 36 und 37 sowie den Unteransprüchen 2 bis 34 gelöst, indem das native Weizenprotein in einem ersten Verfahrensschritt unter Einsatz eines schnelllaufenden Rotor-Stator-Systems in eine alkalisch-wässrige Suspension überführt wird, die erhaltene alkalisch-wässrige Suspension in einem zweiten Verfahrensschritt einer enzymatischen Proteolyse unterworfen wird, wobei eine Hydrolysezeit von 1 Minute bis 220 Minuten Dauer eingehalten wird,

die erhaltene Suspension in einem dritten Verfahrensschritt plastifiziert wird, wobei eine Temperatur von mindestens 15 ⁰ C und höchstens 97°C eingehalten wird, die plastifizierte Suspension mit einer Viskosität von kleiner als 5.000 mPas in einem vierten Verfahrensschritt neutralisiert wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt mindestens eine plastifizierende Chemikalie zugegeben wird.

In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt eine Konzentration von 20 % bis 65 % des nativen Weizenproteins in der Suspension eingestellt wird. Vorzugsweise wird im ersten Verfahrensschritt eine Konzentration von 35 % bis 50 % des nativen Weizenproteins in der Suspension eingestellt. Das Weizenprotein ist dabei ein ohne jegliche qualitative Einschränkung kommerziell verfügbares Weizenprotein.

In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt als alkalische Lösung eine Ammoniumhydroxidlösung in einer Konzentration von 1 bis 3 mol/l vorgelegt wird. Vorzugsweise wird im ersten Verfahrensschritt als alkalische Lösung eine Ammoniumhydroxidlösung in einer Konzentration von 1 ,5 bis 2 mol/l vorgelegt.

In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt die alkalische Lösung auf eine Reaktionstemperatur von 20 ⁰ C bis 70 ⁰ C temperiert wird. Vorzugsweise wird im ersten Verfahrensschritt die alkalische Lösung auf eine Reaktionstemperatur von 30 ⁰ C bis 60°C temperiert.

In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die alkalisch-wässrige Suspension auf einen pH-Wert von 8 bis 12 eingestellt wird. Vorzugsweise wird im zweiten Verfahrensschritt die alkalisch-wässrige Suspension auf einen pH-Wert von 10,5 bis 11 eingestellt.

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In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die Proteolyse soweit geführt wird, bis sich in der alkalisch-wässrigen Suspension ein pH-Wert zwischen 9 und 7,5 eingestellt hat. Vorzugsweise wird im zweiten Verfahrensschritt die Proteolyse soweit geführt, bis sich in der alkalisch- wässrigen Suspension ein pH-Wert zwischen 8 und 8,5 eingestellt hat.

In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass am Ende des zweiten Verfahrensschrittes der Suspension ein organisches Säureanhydrid zugegeben wird. Vorzugsweise wird das organische Säureanhydrid aus der Gruppe der Al- kenyl-Säureanhydride mit hydrophoben Substituenten mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ausgewählt, besonders bevorzugt sind dabei hydrophobe Substituenten mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen. Weiter wird vorteilhaft vorgesehen, dass die Menge des zugegebenen organischen Säureanhydrids zwischen 2 und 20 %, bezogen auf das native Weizenprotein, beträgt, besonders vorteilhaft beträgt die Menge des zugegebenen organischen Säureanhydrids zwischen 5 und 10 %, bezogen auf das native Weizenprotein.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens betrifft eine besonders vorteilhafte Kreislaufführung. Hierbei wird vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt die alkalische Lösung aus einem Reaktionsbehälter mittels einer Verdrängerpumpe zu einer Rotor-Stator-Mischeinheit gepumpt wird, diese Rotor-Stator-Mischeinheit ein Vakuum erzeugt, über einen separaten Produkteinlass in dieser Rotor-Stator-Mischeinheit mittels des erzeugten Vakuums das native Weizenprotein in das Mischsystem eingesaugt wird, mit der alkalischen Lösung benetzt wird und eine Suspension bildet, die Suspension in den Reaktionsbehälter zurückgeführt wird, dort erneut temperiert wird und mit dem Behälterinhalt homogenisiert wird.

Vorzugsweise wird dieser Kreislauf bis zum Ende der Reaktionen aufrechterhalten. In Ausgestaltung des Verfahrens werden zu Beginn der Reaktion 3 bis 10 %, vor-

zugsweise 4 bis 6 % der gesamten Menge des nativen Weizenproteins in das System eingebracht. Bis zu diesem Verfahrensschritt steigt die Viskosität der Suspension kontinuierlich an und erreicht eine Viskosität, bei der der Kreislauf zusammenbricht und ein Fördern und Mischen im System nicht mehr möglich ist.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Suspension im zweiten Verfahrensschritt vor Erreichen dieses Punktes eine alkalische Protease zugegeben wird, und zwar bevor die Viskosität soweit angestiegen ist, dass eine Förderung der Suspension nicht mehr möglich wäre. Dabei soll die Konzentration der eingesetzten Protease zwischen 0,01 % und 1 ,0 betragen, vorzugsweise zwischen 0,4 % und 0,6 %, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht. überraschenderweise ist es dadurch möglich, die Viskosität derart zu senken, dass ohne Probleme die gesamte Menge Weizenprotein suspendiert werden kann. Bei der Protease handelt es sich um eine handelsübliche alkalische Protease.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die enzymatische Proteolyse bei einer Temperatur zwischen 40 ⁰ C und 70 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 60 ⁰ C und 70 ⁰ C durchgeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt die Plastifizierung mit mindestens einer der Methoden der Modifizierung Oxidation, Acylation, Alkylation, Deamination, oder Vernetzung durchgeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt Polyole, modifizierte Polyole oder Harnstoff oder Mischungen daraus zugegeben werden. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass Polyole aus der Gruppe der Glycerine und Sorbitole für die Plastifizierung zugegeben werden. Vorzugsweise werden Glycerin und Sorbitol in einer Menge von 1 bis 50 %, bezogen auf die Menge an nativem Weizenprotein, zugegeben. Besonders bevorzugt werden 20 bis 45 % Glycerin und 10 bis 25 % Sorbitol zugegeben.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im vierten Verfahrensschritt die gesamte Suspension zunächst auf 70 ⁰ C bis 96 ⁰ C aufgeheizt wird, und dann mit einer organischen oder einer anorganischen Säure beliebiger Wahl auf einen pH-Wert von 4,5 bis 7,5 eingestellt wird. Bei dieser Temperatur wird die Protease deaktiviert, das Weizenprotein plastifiziert und vorteilhafter weise ebenfalls sterilisiert, was ein Vorteil der Erfindung ist. In bevorzugten Ausgestaltungen wird die Aufheizung auf 83°C bis 88°C vorgenommen und die pH-Wert-Einstellung erfolgt auf einen pH-Wert von 5,8 bis 6,5.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass im Anschluss an den vierten Verfahrensschritt die gesamte Suspension zur Entfernung von im Weizenprotein vorhandenen Fasern über ein Sieb mit 100 μm Siebbespannung gesiebt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. In Beispiel 1 wird eine chemische Modifikation mit Plastifizierung durchgeführt. In einen 200 Liter fassenden, beheizbaren Rührreaktor werden 35 kg Wasser und 4,4 kg 25 %ige Ammoniumhydroxidlösung vorgelegt und auf eine Temperatur von 45 C erhitzt. Diese alkalische Lösung wird über das Rotor-Stator-Mischsystem geführt und derart im Kreis gepumpt, dass am Mischsystem ein Vakuum entsteht. über dieses Vakuum werden nun 40 kg Weizenprotein in das System suspendiert. Nachdem 4 kg Weizenprotein suspendiert wurden, werden 400 g alkalische Protease (Al- calase oder Gammaprotease R) zugegeben. Nun wird die Suspension auf 65 C aufgeheizt und für 20 Minuten der enzymatischen Hydrolyse überlassen. In dieser Zeit fällt der pH-Wert auf 8,5. An diesem Punkt werden 410 g n-ODSA (Octadecenyl- Bernsteinsäure-Anhydrid, Bezugsquelle: Trigon Chemie GmbH) dazugegeben. Nach 15 Minuten Reaktionszeit wird die Suspension mit Ameisensäure (98%ig) auf einen pH-Wert von 5,8 neutralisiert. Die so erhaltene Suspension hat eine Trockensubstanz von 51 % und eine Viskosität von 2.300 mPas (gemessen mit Brookfield LV, Spindel 3, 1 ,5 rpm, T: 28°C).

Im Beispiel 2 wird eine Plastifizierung durchgeführt. In einen 200 Liter fassenden, beheizbaren Rührreaktor werden 35 kg Wasser und 4,3 kg 25 %ige Ammoni-

umhydroxidlösung vorgelegt und auf eine Temperatur von 45 ⁰ C erhitzt. Diese alkalische Lösung wird über das Rotor-Stator-Mischsystem geführt und derart im Kreis gepumpt, dass am Mischsystem ein Vakuum entsteht. über dieses Vakuum werden nun 35 kg Weizenprotein in das System suspendiert. Nachdem 4 kg Weizenprotein suspendiert wurden, werden 400 g alkalische Protease (Alcalase oder Gammaprotease R) zugegeben. Nun wird die Suspension auf 65 ⁰ C aufgeheizt und für 20 Minuten der enzymatischen Hydrolyse überlassen. Nach dieser Zeit werden 10 kg Glyce- rin und 5 kg Sorbitol dazugegeben und auf 85 ⁰ C aufgeheizt. Nach einer Plastifizie- rungszeit von 15 Minuten bei dieser Temperatur wird die Suspension mit Ameisensäure (98%ig) auf einen pH-Wert von 5,8 neutralisiert. Die so erhaltene Suspension hat eine Trockensubstanz von 50,6 % und eine Viskosität von 850 mPas (gemessen mit Brookfield LV, Spindel 2, 1 ,5 rpm, T: 26,5 ⁰ C).

Wie schon Eingangs erwähnt, kann auf diese Weise eine Supension, enthaltend über 50 % Trockenmasse eines modifiziertes Weizenproteins, erzeugt werden, die gut verwendet werden kann, was ein Vorteil des Verfahrens ist. Besonders vorteilhaft und sinnvoll ist eine Verwendung einer so hergestellten konzentrierten Suspension enthaltend ein modifiziertes Weizenprotein aus nativem Weizenprotein für die Produktion von flexiblen Filmen und für die Beschichtung von Verpackungspapieren.