D i e Starke Fac h z e i i s c h riff fur Erf or s c h u n g , Hers f e l l u n g u n d V e r w e n d u n g v o n S f a r k e und S f a r k e e r z e u g n i s s e n

Schriftftleittrng: Ernst Hees, Bonn, Marienstr. 32

WISSENSCHAFTLICHE VERLAGSGESELLSCHAFT M. B. H., STUTTGART, BIRKENWALDSTRASSE 44

JAHRGANG 16 1 9 6 4 Nr. J

Ziir Erhohung der Qualitat von Maiskleber als Kohstoff fur die Herstellung von Glutaminsaure*)

voii A . I. Q H I W ' H h l A N . JIoskan (Sowjetunion)

Bei tler Produlitioii von 3taisst.arke fallen als Ncben- protiukt. betracht.lichc Mcngen von Kleber an, welchrr ha,upt siichlich a,us Eiweifist,offcn zusammcngeset'zt ist . I n Abhangigkcit, von der Maiesort,e, ihren Wa'chst,ums- betlingungen ( l ) , der t'echnischen Ausriistung der Fa- briken und der richt'igen Fuhrung der technologischen Prozesse kann der Kleber 50--500/, Protein, 40- loo/, Starke und einige a,iidere Stoffc cnthalt'rn. Der Kleber: dcr in Ma,isst'&rkefabriken gewonncn wird: die mit' zen- t'rifugalen Separatoren. Hydrozylrlonen sowic mit' Flotafionsanlagen ( 2 , 3, 4. 5 ) a.usgcriist.et. sinrl. ent,- halt. im allgemeinen et.wa. 650/, Protein. 15-20*/, Xt,arlic, 5-70/, Fett' und antlere Stoffe.

Gcgenwartig wird der Kleber in den meisten Llndern zur Hcrstellung von EiweiRfutt'er (Glutenmehl) odcr als cin Be,standteil der Fut'termitt'el verwendet, welche darch Vermischen unti Trocknen aller Nebenprodukt'c tlcr 3faisstirkcfabrikation gewonnen wrrden. Einc solchc Verwendung von Kleber ist nicht die brste. Das ;2laisciweiB wird wegen seines sehr geringen Ge- h a h s a n essentiellen Aniinosaurcn (Lysin unti Trypt.o- phan) und seines erhoht,en Gchaltcs a.n schwcr auf- nehml)arem Zein (etwa 400/,, bezogen auf Gesamt- prot>ein) als minderwertiges Na,hrungsmittel angesehen. Der Futterwert des bei der Starkefabrikation gewon- nenen Maisklebers wird zusiitzlich dadurch herab- gemintlert, daR sein Gehalt an Zein infolge des Uber- ganges wert'vollerer Einweiktoffe, wie Globuline untl Glutcline in den Extrakt und in das Bet>riebswasser bei tler Verarbeit'ung des Get.reides auf rswa 700/, an- steigt.

I n den letzt'en Jahren bind neuc Anwendungsgebiete fur Mniskleber gefunden worden: wie die Herstellung ron Glut~aminsaure nnd jXatriumglutamat,, hoch- wcrt#ige Tcxtilien ~ hervorragendc Klcb- stofl'e, Plaste usw. (6, 7 , 8, 9). Voii bc-

Derivate, da auf tlicse WTeise dcr fiir tlic Xdiruiig rninderwertigc Eiweifist.oR fiir die Herstellung kost- spieliger Arzneimittel, chemischer und geschmacks- vcrbesscmder Praparate diencn kann ~ dic immer groBere volkswirtschaftliche Bedeutung crlangen. Das Zein des Klebers enthslt' bct~racht~liche Ncngcn an bestimmten Aminosguren, und zwar 26,70/, Glutmnin- s&iire, 22,50/ , L x x i n und Isoleucin, 5,90/, Phenylala- nin. 5:250/ , Tyrosin und 4,67O/, Asparaginsaurc (10).

Die Brauchbarkeit ties verwendctcn Maisklclws hlngt bei einer K.eihe von Bet.rieben von dcni Ceha.lt des Ausgangsproduktcs an Protein, d. h. von scincr Qualit'iit ab. Diese kann durch Entfernen cler Kohlen- hydrate, insbesondere der Starke! aus dem Kleber bet,rac,htjlich erhoht werden. Da die Moglichkcit zut' mechariischen Entfernung der Starke begrenzt' ist'. ist es von Tnteresse, nach anderen Verfahrcn zur Erhohung seiner Proteinqua1it)at zu suchen. Eine cr- hebliche St,eigerung des Proteingeha'ltes im Klebw ciyrch Entfernen der Kohlenhydrate untl eines Tcils der mineralischen Beimengungen kann durch ehc- mische und biochemische Beha.ndlung sowic durr.11 Extraktion des Fettes mit Hilfe organischer Lijsungs- rnit'tel herbeigefiihrt werden. Diesen Fragen sowic dcr TTntersuchung des Einflusses der Entfernung der Stlrkc aus dem Kleber auf die Glutaminsaureanreichcrun# in den SLurehydrolysaten ist die vorliegende Arbeit gewidmet,.

Experimenteller l ' e d

Als Rohstoff wurden Maiskleberproben verwentiet . die in verschiedenen Fabriken gewonnen wurden. lhre chemische Zusammensetzung ist aus der Tabellc 1 zu erschcri :

Tabelk 1

2 D I E STAHKJi : Nr. I / 1964

Die Zusammensetzung des waBrigen Auszuges die- scr Klebcrprobcn ist in der Tabcllc 2 enthalten [in O i 0 .

bczogcn auf Trockensubstanz) :

'rabellc 2

1 0,24 I 1.50 0,14 0,32 ' 0,090 2 0,23 1.44 ~ 0,22 ~ 0,61 0,04 2

I

Versuch.s.an onln u17 9

I. A bt w u i i u MI de r h'ohlenhydmte d u rch Sci ure

Jc 15 g lufttrockcncr Kleber wurden in koniwhc 250-ml-Kolben eingcbracht. je 60 ml Halzsaurc hinzu- gcgeben, Kleber und Saure sorgfiiltig vermengt untl tlir Kolben im Glycerinbad auf 130 "C am RuckfluRkiihler crhitzt. Nach Beginn des Siedens wurdcn dic. Kolben in bestinimten Zeitabstandcn aus dem Bail heraus- genommen. der Inhnlt abgekiihlt und unter Vakuuni abfiltriert. Drr Ituckstand wurde zweimal gewaschen. niit 50 ml dest. Wasser vermischt und anschhcBcnc1 filtriert. Der Eiweiljriickstand wurdc getrocknct. d a x Filtrat untl die Waschwasder vcrcinigt urid in c.inc%rn JlcBkolbcn mit Wasser auf 250 ml aufgefullt.

Dic gctrockneten Proben und das Hydrolysat wur- den nach den unten angefuhrtcn Rfethodcn analysiert Die Konzentration der Salzsaure in deli Versuchen bc- trug unter Beriicksichtigung der Aciditat drs Klcbcrs 0.02, 0,035, 0,050, 0,067 und 0,081 Mol jc l i ter . Dic Siedezeit dcr Suspension lag zwischen 112 untl 6 Stun- den. Das Verriihren des Kolbcnin halts erfolgtt durch intensives Sicden und periodieches Umsehiittcln.

2 . Fern, entudive E n ~ e r ~ ~ u n g der K o h ~ e ~ ~ ~ ~ ~ d r ~ ~ e

Es wurrlr die Kleberprobe Nr. 2 untersucht. 111 eineri konischcn 250-ml-Kolben wurden 15 g fein zcrmahlcner Kleber gegeben und 30 ml Wasser und 20 ml Citrat- pufrer (0,2 1101 Na,HI'04 und 0 , l Mol Citronensaurc) zur Aufrechterhaltung cines bestimmteiipH- Wertes zii - gesetzt . Dcr Kolbeninhalt wurde sorgfaltig verriihrt und der erste Ariteil(1 ml) des Auszugs oder der Liisung des Fermentpraparates zugesetzt und der Kolben fiir dir Daucr von 15 Minuten in das siedcnde Dampfbatl eingebracht. Xach dem Verkleistern und Verddnnen wurde das Gemisch auf 55 "C abgekiihlt, der zweitc Anteil des Fermentes zugegeben und mit Wasser zum urspriinglichen Volumen der Reaktionsmischung auf- gefullt. Dann wurde der Kolben in einen Thermo- staten gcdetzt und in diesem unter standigem Riihren auf 55 "(' gehaltcn.

I n bestimmtcn Zeitabstantlcn u-urtlc dcr Kolben herausgenommen, die thermische Inaktivierung des Fermentes durchgefuhrt und der EiweiGriickstand durch Filtrieren von der Losung abgetrennt. Der R ~ c k - stand wurdc tiurch zweimaliges Verruhren mit 50 ml Wasser und Vakuumfiltration gcwaschen. Das Hydro- lysat und die Waschwasser wurdcn vcreinigt und in1 MeBkolben mit Wasser auf 250 ml aufgefiillt. $nalg- siert wurden dcr nach der fermentativen Behandlung verbliebene trockne Riickstand und das Hydrolysat

Als Katalysatoren kamcn in den Vcrsuchcn zur An- wcntlung :

I . IVakhiger Auszug aus cincr Kultur von A s p r y i l l u s oryzue mit einer amylolytischen Kraft von 56,9 Ein- hciten/g (Menge der gelostcn Starke. die unter be- stimmten Bedingungen wahrend ciner Stunde bis zum Verschwinden der Jodfiirbung durch 1 g wasserfrcies Praparat h ycirolysiert wird) .

2 . Trockne Amylase aus Bsperqillus oryzne mit einer ~~mylolytischcw Kraft von 510 Einhciten/g.

Dic Gessmtmcnge an wasserfreier Y!'cwncritkultnr kwtrug in den Vcrsuchcn 0,48- 1,140/", bczogen auf' Kleber, wobei vor derverkleisterung 320/, untl nadi dct. Verkleisteruiig der Rest eingebracht wurclen. Dic Be- handlung des Klebers crfolgte bei einer Tempcratur von 55OC und cincm pH-Wert von 6.5 (die Tcmperatur \-on 55OP und dcr pH-Bereich von 6-7 fur die opti- male Wirkung des Ferments wurden vorher bei tler Extraktion der Sthrke aus Wcizenkleber ermittelt). Die Yengc des wasserfreien Amylasepraparatcs hetrug 0.0050/o, bezogen auf Kleber, wobei die Iialftc chvon vor der Verkleistcrung zugefiigt wurde. Die Bchand- lungstemperatur betrug wiederum 55 "C. der p H - Wcrt wurde iin Bereich von 4.8-6,3 variiert.

lni trocknen Ruckstand wurdc dcr Gchalt an Trockensubstanz. Protein (N - 6,25) nach KJELDAHL. in den Hydrolysaten der Gehalt an Trockensubstanz durch Austrocknen bis zur Gcwichtskonstanz, Protein. reduziermdc Stoffe vor und nach der Inversion durch Saure nach der LMethode von SICHERT und BLEYKR i n rier von W. A. SNIR~OW und W. I. SCHUGALOWA (12) i-crbcsscrten Form, die in Losung iibergefiihrte Starkc- inenge durch Multiplizieren dcs lctztcren Wertes mit 0,93 (13) bestimmt.

3 C l z c b v r i i r~st iui eutireichet uiy it& deir Sciurehydrrlysutet~ des hehandeften u n d des nichtbeicotidelten hr1ebPr.s

Fur diesc Vcrsuche wurde die Ausgangsprobe des Klebers Nr. 2 und die gleiche Probe nach Entfernung dcr Kohlcnhydra~beirneng~n~en nach dem I $" aurever- fahren verwendet Der Proteingehalt cler letzteren Probe bctrug etwa 780/,. 4g fcin zcrmahlcncr, trockner Klcber (Durchfall durch ein Sieb mit 0,25 mm lichter Slaschenweite) wurden in einen mit RuckfluRkiihler vcrsehenen konischen 100 ml-Kolben eingebracht. Dann wurden 16 mi 200/oiger Salzsaure zugesetzt, dcr Kleber mit der Saure sorgfaltig verruhrt und der Kol- bcn in das auf 120 "C erhitzte Glycerinbad gcbrauht. Vom Siedebeginn an wurde der Kolben in bestimmtcn Zcitabstanden aus dem Bad herausgenommen, ab- gckiihlt, tlss Hydrolysat unter Vakuum abfiltriert untl tler Riickstand auf dem Filter sorgraltig mit Wasser grwaschen. Das Filtrat und die Waschwasser wurden vcrcinigt, im Mcl3koiben mit Wasser auf 100ml auf- gefiillt und analysiert. Die Trcnnung dcr Aminosaurcn in Gruppen unter Ausscheidung der Glutaminsaure wurde nach der elektrophoretischen Methode durch- gefiihrt. Thre quantitative Bestimmung wurde nach der kolorimetrischcn Met?hode vorgenommeii ciurch Anfarbcn des Flecks auf dem Papierstreifen durch Be- spruhcn mit eincr Losung von Ninhydrin in wasser- gcsattigtem Butatiol (14. 15, 16. 17). Die Zeit tler Siiurchpdrolysc variierte nvischen 0 und 18 Stunden.

Probe I Heduzierende Sfoffe mg 4

5600-

.- 2600l ' I I I I I I *Zeit 0 0 5 1 2 3 4 5 6

Stunden

Abb. 1

Auswertung der Ergebnisse Die bei der saurehydrolytischen Entfernung der

Kohlcnhydratbeimengungen aus dcm Kleber gewonne- nen Resultate sind in den Abbildungen 1 , 2, 3, 4 und 5 graphisch dargestellt worden. Die Erhohung der SaureBonzentjration und die Verlangerung der Be- handlnng ergeben einen erhohten Gehalt der Hgdroly- sate an reduzierenden Stoffen und an Stickstoff. Dabei erreich t die Anreicherung der reduzierenden Stofl'e schnell (nach 1-2 Stunden) ihre obere Grenze, wah- rend fur den Stickst,off nur eine gewisse Verlangsamung

N2

2m:0\

190

Probe 7

, 0,081M HCl

J

401 ' I I Zei t O q 5 1 2 3 4 5 6

Stunden Abh. 2

des Vorganges beobachtet werden konnte. Trotz des unterschiedlichen Proteingehalt,es der untersuchten Kleberproben war die Menge der in das Hydrolysat iibergegangencn stickstoffhaltigen Subst>anzen der

Probe 2

Reduzierende Sfoffe

1 2 3 4 5 6 Stunden

Xbb. 3

Probe 2 N2

mt

160

130

120

220-

210 -

90

70 I I I 1 I t Z e i l 601 ' I

O Q 5 1 2 3 4 5 6 Stunden

Ahb. 4

beiden Proben und bei denselben Bedingungen un- pefiihr die gleiche. Dies ist, angcheinend dadurch be- dingt, daB bei der Behandlung vor allem diejenigen EiweiDstoffe in das Hgdrolysat ubergehen, die unter den gegebenen Bedingungen leichter loslich sind, wahrend ihr Gehalt in den beiden Kleberproben un- gefiihr gleich i s t .

EiweiO im Ruckstand

: Probe 1 0 = Probe 1

HCl - Konzentrolion: 0,020 M 0,035 M 0 050 M

_ _ _ _

-11-01- d067M - qoei M

Zeit

Stunden

Abb. 5

Dureh Ermittlung cics Gehaltcs an freicr Siiurc ini Hydrolysat uncl im Waschwasser wurde festgestellt , daB ein Teil der fur den Versuch eingesetzten Salzsiiurc (10-25°/,) bei der Behandlung des Klebers sich mit dessen Bestandteilen, vor allem mit dem EiweiB. ver- biitdet (18. 19). Durch thermische Behandlung tics Klebers in Gegenwart der verdiinntcn Salzsiiurc Iiifit sich fast sein gesamter Kohlenhydratanteil in Losung iiberfiihrcn, wobei der Proteingehalt des Riickstandes nach Filtration und Wascheri von 47 auf 75-76O/, und von 69 auf 79-810/, steigt. Zum Entfernen der Kohlenhydratanteile aus dem Kleber durch 0,081 Mol Salzsiure geniigt zweistdndiges Kochen der Suspen- sion. Eine zusatzliche Erhohung des Proteingehaltes der Kleber auf 85--880/, wurdc durch Entfetten der behandelten Proben mit Thioather erreicht.

Die bei der Entfernung der Kohlenhydratbeimrll- gung aus dem Kleber mit Hilfe des Fermcntausznges BUS der Kultur von Asperg illus ozyzae gewonnencn Er- gebnissc sincl in tler Tabelle 3 und die durch Anwcm- dung des Amylasepraparates gefundenen Erpebnissc in dcr Tabelk 4 aufgefiihrt.

Tabelle 3

I , 1 0.48 2 0,64 3 ' 0,HO 4 1 0,96 5 1,14

--

60.0 59,O 58,5 56.4 52,9

ILUOk- s t a i d

1'' ' ot? i i i 111 "I<, ;111r

Tr0k- kcnsllb- stana

I 3.8 7 7 , 3 3.1 7 7 . 0

3,o 78.0 2.8 ~ 78,s

3,0 j 78,0

Kine Erhohung der Fermentkonzentrat ion crg;il) keine Verbesserung bezuglich der Entfernung tlcs Kohlenhyclratanteils aus dem Kleber. 0,5O/, Fcrmcnt auf Kleber reichen xur lherfiihrung des gr6Btcn 'I'cils der Kleberstarke in die Losung aus.

Der fiir die Wirkung des Priparates optirnale pn- Ikreich der Amylase liegt zwischen 5,0 und 5,7. ohwohl bei allen pH-Werten zwischen 3,9 und 6,5 eine crheb- liche Wirkung zu beobachten war. Bei fermentativcr Behandlung des Klebers zeigten die proteolytischen Fermente keine merkliehe Wirkung. Der Grad der fberfiihrung der Kohlenhydrate, vorzugsweise dcr

Stdrlw, in den gclostcn Zustand und ihre Abtrcnnung ails drm Kleber ging nicht iibcr G5,40/, hinans, ~ v a s (lurch Blockierung einzelncr Stdrkrkiirncr (lurch K I F bereiweiB brdingt sein diirftc ( I 1).

Tabelle 4

19 708 104 759 155 967 180 841 212 898 123 623 136 573

32 ' 48,O 4.0 32 ~ 31,4 ~ 2.0 3 2 65,4 d,O 40 .%.9 .?.5 39 60.2 3.4 44 43.0 2.0 47 ~ 39.0 2 3

7fj.9 77.4 77.6 78.2 78.8 77,R 77.8

*) Tki \rersncl~ Nr. 1 cbrfolgtr keirrc Zugabc voii h f f c r - Ioaung.

Dic bei der Saurehydrolysc dcs Klebers gcwonncncn Ergcbnisse sind in der Abbildung G graphisch dar- gcstellt. Die starkste Anreicherung clcr Glutaminsaure bci dcr Hydrolyse von bchandeltem untl nichtbchan- dcltem Kleber wird in tlrn ersten 8-12 Stunden cr- reicht. Weiterhin beobachtct man eine gcwisse Ver- minderung ihres Gehaltes im Hydrolysat, was an- scheinend durch die Umsetxung der Glutaminsaure niit anderen Stofien, vor allem mit den Hydrolyscpro- dukten der Kohlenhydrate, besondcrs der Pentosanc,. bedingt ist. Die Erhohung des Proteingehaltcs irn Kle- bcr auf Kosten der Entfernung der Kohlenhytlrat- beimengungen macht es moglich, den Glutaniinsaurc- gehalt, des H ytlrolysats wesrmtlich zu vergroBern (ungcfahr um dOO/,), was fur ihrc intlu~tricllc H'cmtrl Iring von grofier l3edcutinig ist.

G/ufam/n- saure

mn 4

o = unbehondelfer Kleber = behandelter Kleber

I - I I I I I I I I I I I Ze/ t 0 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 *

A h l ) . (i Stunden

Zusartr vr/erq(h<ssut/g Die Frage der Erhohung tlcr JTaisklcbcrciui~lit~t

(lurch Entfernen seines Kohlenliydratgclialtes durch t hcrmische Behantllurig dcr Suspension in Gcgcnwart

von Salzsaure oder Fermenten als Katalysator wurdc untersucht. Es wurde festgestellt, da13 man auf diesc Weise den Proteingehalt des Maisklebers von 47- 590/, auf 7 5 --SlO/(, erhohen kann. Durch Entfetten des Kle- hers mit organischen Losungsmitteln kann der Proteiu- gehalt auf 85-880/, gesteigert werden. Durch die Er- hohung der Kleberqualitat erhalt man einen besseren ltohstolf fur die Herstellung von Aminosauren, vor allem von Glutaminsaure. Bei der Untersuchung der KinetiB der Glutaminstiureanreicherung in den Saure- hpdrolgsaten des unbehandelten und des mit verdunn- trr Siiure (0,250/, HC1) behandelten Klebers wurde festgestellt, daB der Glutaminsauregehalt des aus dem lctztereri Kleber erhaltenen Hydrolysats um etwa 200/, hoher liegt 61s der clcs aus dem unbehandelten Klebcr gewonnencn Hydrolpsats.

Summary

The problerri of quality improvement of maize gluteib by removing its carbohydrate content using a thermal treatmext of the suspension in presence of hydrochloric acid or ferments as catalysators has been investigated. I t has been found that a n increase of protein content in maize gluten from 47-590/, u p to 75-810/0 i s possible in this way. Defatting of gluten by organic solvents increases the protein corztent to S5-S80/,. By improving the gluten quality a better raw material f o r producing amino acids, especially glutanzic acid, i s obtained. Comparing the kinetics of concentrating glutamic acid in the acidic h~ydrolysates qf untreated gluten with gluten treated with diluted ncid (0 ,250/ , HC1) show that the glutanzic acid conteiit of that hydrolysate obtained fron7 treated gluten is aboui 200/,, higher. than that obtained f rom untreated glirfpn.

Rdsumb

071 a entame’ des recherches sur les questions concer- rhant l’arne‘lioration de la qualite‘ des glutens de mais par une e‘lirnination des hydrates de carbone a l’aide d’un traitenxiit thernzipue des suspensions en pre‘sence d’acide chlorhydrique ou de ferments comnie catalyseur.

O n u cotstate‘ qu’oiz pouvait augmenter de cette n i a d r e de 47-59 ti 7’5-810/, la teneur en prote‘ines des glutens de mats. Par un de‘graissage du gluten & l’aide de solvants organiques la teneur en protdines peut &re portde a

Une ame’lioration de la qualite‘ d u gluten a pour consd- p e n c e d’en faire une ineilleur niatibre preniiPre pour In pre‘paration des amino-acides et surtout pour la prP- praafioiz de l’acide glutamipue. Lors de l’examen de

85- 890,’,.

la cine‘tique de l’enrichissement de l’acide glutumique dans l’hydrolat des glutens primaires et d u gluten tragte (‘I

l’ucide dilud (0,250/0 HC1) on a constate‘ que la teneur en acide glutanaique de l’hydrolat de ce dernier gluten h i t supbrieure de 20°1, ti celle da l’hydrolat du premier.

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