Keményítő és izocukorgyártás enzimes technológiák(2) Dr Réczey Istvánné Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék 2016
Keményítőgyártás (történelem) A keményítő előállítása Magyarországon még a múlt század elején is csak háziipari jellegű volt. A század második felében meginduló iparosodás egyik eredménye volt a (19 sz.!) keményítőipar kisiparból nagyiparrá való fejlődése. Az írásos emlékek szerint 1880-tól 1896-ig tíz új keményítőgyárat helyeztek üzembe. Az első nagyobb üzemet Füzitőn alapították 1887-ben, Füzítői Keményítő és Vegyészetigyár néven. Gyártmánya volt a burgonya-, a búzakeményítő, a dextrin és az enyv, valamint háztartási vegyi áru. A bábolnai és a kisbéri ménesbirtokok jelentős burgonyatermésének értékesítésére 1890-ben Kisbéren keményítőgyárat létesítettek, és a két gyár Kisbér-Füzitői Egyesült Gyár Rt. néven működött, megosztva a termékek gyártását oly módon, hogy a keményítő, a dextrin és az enyv gyártását az új gyár vette át. Ebben az időben Koromzay György is létesített Szepes- Bélán keményítőgyárat. Az I. világháború kitörése előtt Magyarországon kilenc burgonyakeményítő-, három szörp- és két dextringyár működött. A háború alatt részint nyersanyag-, részint szénhiány miatt a keményítőgyárak nagy része beszüntette a termelést. www.chemonet.hu/hun/food/iptort/iptort5.html Mezőgazdasági iparok - Keményítő 2
Keményítő A keményítő a cellulóz után a Földön a legnagyobb mennyiségben képződő szervesanyag. Felhasználási köre, jobb oldhatósága miatt nagyobb mérvű. Felhasználható Szemcsés állapotban Szuszpenzióként Oldott polimerként Származékként Lebontási termékként Keményítőgyártás keményítő frakció elválasztása a többi növényi sejtalkotótól Magyarországon 3 féle keményítőgyártás volt - burgonyából (Budapesten, megszűnt) - búzából (megszűnt, talán kis üzem még van) - kukoricából nagyipari biotechnológiai kombinátban keményítő egyéb Mezőgazdasági iparok - Keményítő 3
A keményítő nem élelmiszeripari felhasználása Kötőanyagok (papír ragasztó) Növényvédőszerek (vízbázisú) Kozmetikumok, piperecikkek (fogkrém) Mosószerek Papíripar, adalékanyag Gyógyszerészet Festékek Textilipar Víztisztítás (koaguláló, flokuláló adalékok) Biodegradálható műanyagok (adalék, keverék, tiszta) Szuper nedvességfelszívó képességű anyagok 4
Nem élelmiszercélú keményítőfelhasználás Európában 5
Keményítő szerkezete és tulajdonságai Szerkezete monomere: D-glükóz Kötések - 1-4 (amilózban) - 1-4 és 1-6 (amilopektinben) ez utóbbi kötést a Q-enzim a "branching enzyme" hozza létre Különböző növényekre jellemző az amilóz/amilopektin arány Banán: 16,8 % amilóz Rozs: 26% amilóz Viaszos tengeri: 1% amilóz high amylose corn : 80% amilóz Különböző amilóz/amilopektin arány kül. termékek nagy amilóz-tartalom biodegradálható műanyag sok elágazás flokkulálószerek (víz, szennyvíz derítése) anionos: keményítő-foszfát, kationos: keményítő-éter származékok 6
Keményítő átalakulása A keményítő tulajdonságai 20-60% kristályos (otrombos, triklin), a többi amorf Szobahőmérsékleten vízben nem oldódik, nem is duzzad Vizes keményítőszuszpenzió melegítése 50-60 C-on a szemcsék megduzzadnak (D: 2-3-szorosra nő) 65-70 C-on a szemcsék felszakadnak (kifolyik a beltartalma) - A-B: nedvesedés - B-C: duzzadás (rev. vízfelvétel) - C-D: oldódás duzzadás+oldódás=csirizesedés a keményítő szerkezete irreverzibilisen megváltozik az elcsirizesedett keményítőt az emésztőenzimek könnyebben lebontják, mint a natív keményítőt Mezőgazdasági iparok - Keményítő 7
Keményítő reakciója jóddal Retrogradáció Főleg az amilózra jellemző tulajdonság két molekula ütközve részlegesen dehidratálódik, kinyúlik majd a hidrogén kötések révén asszociálódik, flokkulumok, pelyhes csapadék keletkezik öreg kenyérnél a keményítő retrogradációja okozza a kenyér morzsálódását Jódkötő képesség Az analitikában (mind a keményítő, mind a jód analitikában) nagy jelentősége van. Pl. jelzi a keményítő lebontásának mértékét. A jelenség: keményítő jóddal kék komplexet alkot. - amilóz: sötétkék - amilopektin: kékes ibolya 6-8 glükózegység 1 atom jódot köt komplexként. A spirálban rezonáns polijód lánc, a lánc hossza határozza meg a komplex fényelnyelő képességét. A jódkötés egyensúlyi reakció, K = f (DP-degree of polimerisation (polimerizációs fok)) Mezőgazdasági iparok - Keményítő 8 http://web.virginia.edu/heidi/chapter7/chp7.htm
Keményítő lebontása A keményítő lebontása Régen savkatalízissel: korrozív, káros mellékreakciók lehetnek (túl erélyes glükóz bomlása) 70-es évektől enzimkatalízissel: különböző enzimek együttes hatása A keményítőbontás enzimei -amiláz: endo-enzim, lehet folyósító, vagy cukrosító, - termékek: glükóz, maltóz, -határdextrin - előfordulása: nyál, hasnyálmirigy, Bacillusok ß-amiláz: exo-enzim, a nem redukáló láncvégen hasít - termékek: maltóz és ß-határdextrin - előfordulása: édeskrumpli (batáta) R-enzim: elágazásbontó enzim, a határdextrinek elágazó kötéseit hasítja - előfordulása: növényekben - mikrobiális hasonló hatású enzim az izoamiláz és a pullulanáz Glükoamiláz, vagy amiloglükozidáz: exoenzim, a nem redukáló láncvégről indul - termék: glükóz - előfordulása: mikrobák, pl. Aspergillus niger - hasonló hatású enzim a magasabbrendű élőlények bélflórájában: -amiláz Mezőgazdasági iparok - Keményítő 9
Kukoricakeményítő gyártása Kukoricaszem fő alkotói Magcsúcs Héj ezzel kapcsolódik a szem a csutkához, szivacsos szerkezet, gyors vízfelvétel főleg cellulóz és hemicellulóz több rétegű rostanyag főleg cellulóz és hemicellulóz Csíra a szem súlyának 11-12%-a, olajban, fehérjében és cukorban gazdag Endosperm a keményítőszemcsék egy beszáradt protein mátrixba vannak beágyazva - 34% lisztes (lágy rész), őrlés után - 66% szaru (kemény), csak előzetes fellazítás, áztatás után mosható ki a keményítő Mezőgazdasági iparok - Keményítő 10
Kukoricakeményítő gyártása II. Érett kukoricaszem frakciói, azok tömegaránya és átlagos összetétele a szárazanyag %-ában Mezőgazdasági iparok - Keményítő 11
Kukoricakeményítő gyártása III. Tárolás, betakarítás Betakarítás: 22-28% nedvességtartalommal Szárítás károsodott szemek esetén max. 13% nedvességtartalomra, szárítási hőmérséklet: 60 C A kukorica egész éven át feldolgozható! ősszel betakarított formában, később 16% nedvesség-tartalmúra szárítva Szabadegyháza régen szeszfőzde, majd ABE fermentáció később etanol eá. + keményítő és izocukor gyártás izocukor USA hatás izocukor (glükóz-fruktóz elegy) olcsóbb, mint a szacharóz (glükóz-fruktóz diszacharid) Hungrana (Agrana+Tate &Lyle+ADM) az országban elsők között privatizált cégek egyike az Európai Unió piacvezető izocukorgyártója feldolgozott kukorica mennyisége: indult 200 t/nap, később 300, majd 1.300, 2.000, most közel 3.500 t/nap éves szinten: >1 M t Mezőgazdasági iparok - Keményítő 12
Hungrana Bioeconomy Company I (a cég honlapjáról) Természetes termékeket kizárólag természetesen állítunk elő, a legmodernebb technológiák és megújuló energiák széles körű alkalmazásával, hulladékmentesen. Abban hiszünk, hogy fenntartható fejlődést csak a környezetünkkel összhangban, a társadalom iránti felelősségünkre nagy hangsúlyt fektetve érhetünk el. A Hungrana Keményítő- és Izocukorgyártó és Forgalmazó Kft. Európa legjelentősebb kukoricafeldolgozó vállalataként több mint 100 éve meghatározó szereplője a magyarországi élelmiszeriparnak. Az itt készült természetes cukor- és keményítőféleségekkel, alkohol- és takarmány alapanyagokkal nap mint nap találkozhatnak a fogyasztók, amikor tejterméket, péksüteményeket, lekvárokat vagy üdítő- és szeszesitalokat vásárolnak, vagy akár ezek papírcsomagolását veszik a kezükbe. A Hungrana Kft. számára kiemelten fontos a környezet iránti felelősség, amelynek remek példája, hogy a cég állítja elő a GreenPower E85 néven forgalmazott, megújuló energiaforrásból készülő bioetanol üzemanyagot. Mezőgazdasági iparok - Keményítő 13
Hungrana Bioeconomy Company II (a cég honlapjáról) A szabadegyházi gyárat melasz alapon működő alkoholüzemként alapították 1912-ben, majd később, a kukorica feldolgozó vonal elindítását követően az izocukorgyártás is elkezdődött 1981-ben. A privatizációt követően az állami tulajdonú Szabadegyházi Szeszipari Vállalat értékesítésével létrejött a Hungrana Kft. A gyár állandó fejlesztésen, bővítésen ment és megy a mai napig keresztül. Folyamatosan tesszük egyre hatékonyabbá gyárunkat, új termékeket dolgozunk ki, miközben a 90-es évek közepének 400 tonna/napos kukoricafeldolgozó kapacitása napjainkra közel 3500-ra nőtt. 2008-ban adtuk át új bioetanol üzemegységünket, majd a 100 éves évfordulónkat is újabb fejlesztések övezték, melyek közül a legjelentősebb az energiafelhasználásunk 25%-t adó biomassza erőmű megépítése. Ez a dinamizmus a jelenünket és a jövőnket is meghatározza. Állandó beruházásokkal válaszolunk a világ mindenkori kihívásaira, erősítve piaci helyzetünket, példát mutatva a bioökonómiai iparágban. Kizárólag magyar kukoricát dolgozunk fel, éves szinten több mint egymillió tonnát. A magyar termékek előállításához szükséges gőz kétharmadát pedig környezetbarát módszerrel, biomassza kazán segítségével állítjuk elő. www.hungrana.hu Mezőgazdasági iparok - Keményítő 14
Keményítőgyártás technológia I. Nyersanyag átvétel: tömeg, sz.a. tartalom, keményítőtartalom/nir/, mikrobiológiai tisztaság Mechanikai tisztítás - Rostálás: nagyobb szennyezések eltávolítása - Aspirálás: por és könnyebb szennyezések eltávolítása levegő befúvással Áztatás (kénessavas) célja a kemény endosperm előkészítése a keményítő kivonására. Az áztatás tejsav és kéndioxid rezisztens, régen vörösfenyő, ma rozsdamentes acél kádakban, ellenáramban történik. Mi történik az áztatás alatt? - Vízadszorpció: csíra 4, endosperm 8 óra alatt telítődik vízzel a vízfelvétel a hőmérséklet növelésével gyorsítható, de 60 C fölött káros - Vízoldható anyagok extrakciója, 30-50 óra, 48-52 C. A szemek víztartalma 16%-ról 45%-ra nő, a szárazanyag tartalom 6-6,5%-a kioldódik. - Kénessav hatása: a protein mátrixot fokozatosan duzzasztja, a fehérjék kollodiálisan diszpergálódnak, biszulfit ion reagál a diszulfid hidakkal, redukálja azokat, a termék jobban hidratálódik és oldódik - Tejsavas erjedés: a kukoricaszem felületén tejsavbaktériumok Lactobacillus bulgaricus az áztatólé oldott szénhidrátjaiból tejsavat termel, ez savanyodást okoz, a kukoricából kioldódó bázikus anyagokkal reagálva ph 3,9-4,1-re pufferol - 2 napos áztatás puha szem (SO 2 miatt büdös), a csíra kiroppantható, a szem frakcionálható Mezőgazdasági iparok - Keményítő 15
Keményítőgyártás technológia II. Az áztatás Mezőgazdasági iparok - Keményítő 16
Keményítőgyártás technológia III. Durva őrlés - célja a csíra rész leválasztása a magról - kukorica + víz őrlőberendezésre - forgó és álló tárcsa távolsága lehetőleg minimális csírasérülés, maximális csíraleválasztás Csíra elválasztása - fajsúlykükönbség alapján hidrociklonnal felül: csíra (kisebb fajsúly: 1,03 g/cm 3 ) alul: endosperm + héj (nagyobb fajsúly: 1,6 g/cm 3 ) Finom őrlés, majd rosteltávolítás - rost (héj) eltávolítása ívszita rendszeren - rost elválasztása után a keményítő még 5-8% fehérjét tartalmaz ezeket centrifugál szeparátorral, vagy hidrociklonokkal választják el keményítő fs.:1,5 fehérje fs.:1,1 elválasztás keményítő mellett max. 0,3% fehérje - a fehérje elválasztása után a keményítőtejet dobcentrifuga, vákuumdobszűrő segítségével szikkasztják, majd pneumatikus szárítóban szárítják. Mezőgazdasági iparok - Keményítő 17
Keményítőgyártás technológia IV. Mezőgazdasági iparok - Keményítő 18
Keményítőgyártás, termékarányok A kukorica és az abból kapott termékek aránya és összetétele a szárazanyag %-ában Mezőgazdasági iparok - Keményítő 19
Keményítőgyártás melléktermékei Fontos melléktermékek Áztatólé ebből 50%-ra töményítve kukoricalekvár (corn steep liquor) - Fermentációkhoz kiváló nitrogén forrás, gyógyszergyárakba - Takarmányhoz keverve (a melléktermék rostokra szárítva) Csíraolaj - 1980-as évek vége óta étkezései olaj (előtte takarmány) - koleszterincsökkentő - kinyerés: préseléssel és extrakcióval - (Corn Drop Kukoricacsíra Feldolgozó Kft, Szabadegyháza) megszünt Rostfrakció - áztatólével, kiextrahált csírával, esetleg fehérjefrakcióval együtt takarmány - felesleget elégetik, pelletizálás vagy belőle biogázt állítanak elő - műanyagba töltőanyag (lehetőség) - biorefinery (lehetőség) Hemicellulóz frakció corn fiber gum mint a növényi gumi Fehérje frakció - ha van rá piac, ezt külön értékesítik - zein bioműanyag (lehetőség) (gyanták és más bioplasztikus polimerek) Mezőgazdasági iparok - Keményítő 20
Keményítőgyártás melléktermékei II. kukoricából Kukoricalekvár összetétele a szárazanyag %-ában Fehérje N 7,5 Peptid és amino N 35,0 Amid N és ammónia 7,5 Szénhidrát 2,4 Fitinsav (tartalék foszfor) (inozit-hexafoszfát K, Mg sója) 7,5 Hamu 18,0 - ebből K 4,5 - Mg 2,0 - P 3,3 Tejsav 26,0 Mezőgazdasági iparok - Keményítő 21
A kukoricamaghéj összetétele és felhasználása lignin 5% olaj 4% acetát 2% hamu 1% egyéb 10% fehérje 12% pentozán 33% cellulóz 13% keményítő 20% kukoricamaghéj, mint műanyag tömőanyag 22
Izocukor előállítási technológia izocukor: glükóz + fruktóz szirup Amerikában versenyképes a szacharózzal (nálunk is olcsóbb) Magyarországon nem tud betörni a kiskereskedelmi piacra, mert folyadék, de az üdítőgyártók (Coca-Cola) nagy mennyiségben használják Izocukor előállítási technológia lépései: 1. -amilázos bontás 2. amiloglükozidázos (AMG) és pullulanázos cukrosítás glükóz 3. izomerizáció - glükóz fruktóz (42%) HF szirup előállítás Izocukorból kiindulva fruktóz koncentráció emelése 55%-ra ioncsere alkalmazásával 1.fruktóz elválasztása ioncserés kromatográfiával, majd 2.tiszta fruktóz hozzákeverése az izocukorhoz, ezéltal emeljük meg a fruktózkoncentrációt 42%-ról 55%-ra, 100%-os jó lenne diabetikus készítményekbe, de drága Mezőgazdasági iparok - Keményítő 23
Izocukor előállítási technológia Keményítőtej 36-38%-os szuszpenzió a keményítő még zárt szemcse az enzimek nagyon lassan dolgoznának a kukoricakeményítő csirizesedési pontja 62 C (ezen olyan lenne, mint a gumi), nem szabad lassan felmelegíteni Jet cooker pillanatszerű felmelegítés 10-12 bar-os direkt gőzzel 130-145 C-ra így oldat lesz és nem csiriz kevés -amiláz és Ca 2+ adagolás (E stabilitásához kell) mellett -amiláz: Bacillus licheniformis/ Bacillus subtilis majd expanziós ciklonban szétrobbannak a szemcsék (termikus + enzimes feltárás) Folyósítás 90-100 C, 60-90 perc újabb -amiláz adagolás termék: 15-18 DE dextrin (kb. 5-ös tagszámú oligomerek, jódpróba negatív) Mezőgazdasági iparok - Keményítő 24
Izocukor előállítási technológia -amilázos bontás (elfolyósítás) expanzió DS= dry substance (szárazanyag) Mezőgazdasági iparok - Keményítő 25
Izocukor előállítási technológia Na 2 CO 3 szerepe ph beállítása ph függ az alkalmazott enzimtől Fejlesztések -amiláz Ca 2+ igény csökkentése, mert a Mg 2+ igényű enzimnek (izomeráz) méreg a Ca 2+ enzimek hőfokoptimuma közelítsen -amiláz hőfokoptimuma 85-90 C, de a következő enzimé (AMG) 60 C enzimek ph optimuma kb. azonos legyen ne kelljen a 2 lépés között ph-t állítani Enzim gyártók Genencor Novozymes Mezőgazdasági iparok - Keményítő 26
Izocukor előállítási technológia Cukrosítás alkalmazott E: amiloglükozidáz (AMG) (Hungrana:+ pullulanáz) enyhén savas körülmények, ph 4,5-4,8 a dextrinláncok rövidülésével lassul a reakció reakcióidő: 60 óra termék DE: 97-98 szűrés kovaföldes vákuumdobszűrőn aktívszenes derítés, szűrés Mezőgazdasági iparok - Keményítő 27
Izocukor előállítási technológia cukrosítás Mezőgazdasági iparok - Keményítő 28
Izocukor előállítási technológia Izomerizáció E: immobilizált glükóz izomeráz (drága) alkalmazása előtt teljes ioncsere, mert a Ca 2+ méreg az izomeráznak MgSO 4 + Na-hidrogénszulfit (vagy Na-piroszulfit ) adagolás mikrobiológiai stabilitás sterilezés szükséges egy-egy kolonnát 100-110 napig lehet használni izomerizáció hőfoka: 42-45 C ph 7,8 izomerizáció után újabb ioncsere a hozzáadott vegyszerek eltávolítására termék: izocukor 71,5%-ig töményítik, így 1 liter izocukor = 1 kg kristálycukor valamivel olcsóbb, mint a kristálycukor; jobban adagolható, könnyebben kezelhető fűtött tartálykocsikban szállítják (min. 30 C, alacsony hőmérsékleten a fruktóz kikristályosodik) maltózszörp + izocukor csökkenti az izocukor kristályosodási hajlamát felhasználás: üdítő-, sör-, édesipar (korábban), ma a Coca-Cola 55% fruktóz tartalmú HF szirupot használ fel Mezőgazdasági iparok - Keményítő 29
Izocukor előállítási technológia izomerizálás izoszörp Mezőgazdasági iparok - Keményítő 30
High fructose szirup HF szirup előállítása üdítőgyárak igénye: megfelelő édesség elérése glükóz és fruktóz kromatográfiás elválasztása 50 m 3 -es ioncserélő gyanta töltetek 4 db kolonna a 42% fruktóz-tartalmú izoszörp + fruktóz szirup különböző arányban különböző fruktóz tartalmú szörpök üdítőiparnak 55% fruktóz tartalmú szirup kell 95% fruktóz-tartalmú szirup diabetikus készítmény Relatív édesség répacukor (szacharóz, glükóz-fruktóz diszacharid) 100% szőlőcukor (glükóz) 60% fruktóz 140% izoszörp (glükóz-fruktóz elegy, 42% fruktóz) 100% táplálkozás szempontjából jobb, mint a répacukor, mert monoszacharid Mezőgazdasági iparok - Keményítő 31
Keményítőtermékek izoszörp Mezőgazdasági iparok - Keményítő 32
Felkészülést segítő kérdések 1.Hogyan mérjük az enzimek mennyiségét? 2.Milyen eredetű enzimeket ismer, melyeknek van a legnagyobb ipari jelentősége? 3.Mik a rögzített enzimek? 4.Miből tevődik össze az aktivitásvesztés immobilizált enzimek használatakor? 5.Mi a keményítő, milyen komponensekből áll? 6.Milyen enzimek szükségesek a keményítő glükózig történő hidrolíziséhez? 7.Mi a dextóz egyenérték? 8.Melyek a keményítő felhasználási területei? 9.Milyen kötések találhatók az amilózban és az amilopektinben? 10.Mi az a jódkötőképesség, mitől függ? Mezőgazdasági iparok - Keményítő 33
11.Mi az, hogy endo és mi az, hogy exo hatású egy enzim? 12.Mi a célja az áztatásnak a kukoricakeményítő-gyártásnál? 13.Mit választunk el a kukoricaszem durva őrlése után? 14.Milyen fő- és melléktermékek nyerhetők a kukoricaszem nedves őrléses feldolgozásakor? 15.Mi az a kukoricalekvár, mire használható? 16.Kukoricakeményítő előállítás technológiai vázlata. 17.Mi az izocukor, és hogyan állítjuk elő? 18.Milyen enzim szükséges ahhoz, hogy a glükózból izocukrot kapjunk? 19.Hogyan állíthatunk elő HF (magas fruktóztartalmú) szirupot? 20.Milyen a glükóz, a fruktóz, az izocukor édessége a kristálycukorhoz képest? Mezőgazdasági iparok - Keményítő 34