Brevet FR2178715A1 — publié le 19731116

Cette invention concerne une solution affinée contenant du fructose et les procédés de production de cette solution. La présente invention concerne plus particulièrement une solution affinée contenant du fructose produite par un procédé enzymatique. Les procédés de production par voie enzymatique de solutions contenant du fructose sont bien connus des hommes de l'art. L'enzyme utilisée dans ces procédés est appelée dans la technique la glucose-isomérase. Les micro-organismes qui produisent la glucose-isomérase sont bien connus des hommes de l'art. Par exemple dans un article paru dans Science, Vol. 125, pages 648-649 (1957), on décrit qu'une enzyme produite par Pseudomonas hvdrophila isomérise le glucose en fructose. Par ailleurs, le brevet britannique n 1.103.394 et le brevet japonais 7428 (1966) délivré à Takasaki et al, décrivent que des micro-organismes classés comme appa,tenant au genre Steptomyces, comme Streptoxpyces flavovirens, Streptomyces achromogenes, Streptomyces echinatus et Streptomyces albus produisent la glucose-isomérase. I1 y a beaucoup d'autres micro-organismes qui sont décrits dans la technique et produisent la glucose-isomérase.Quelques uns des autres micro-organismes décrits sont par exemple Aerobacter cloacae, Bacillus megaterium, Acetobacter suboxydans, Acetobacter welanoqenus, Acetobacter roseus, Acetobacter oxydans, Bacillus fructose et Lactobacillus fermenti. Il faut considérer de nombreuses variables dans 14 utilisation de la glucose-isomérase à une échelle industrielle. Ainsi les conditions dans lesquelles s'effectue la réaction d'isomérisation jouent un rôle tant sur la vie de l'enzyme que sur la quantité de fructose produite. Les conditions d'isomérisation d une échelle industrielle ne sont généralement pas celles qui assurent la durée de vie maximale de l'enzyme. La glucose-isomérase, comme toutes les enzymes, est thermosensible, et au fur et a mesure que la température augmente, il y a en conséquence une diminution de l'activité de l'isomérase due à sa dénaturation par la chaleur. Toutefois, & de faibles températures, la réaction d'isomérisation se poursuit tellement lentement qu'elle rend le procédé peu économique. Un autre facteur qu'on ne doit pas négliger est le pH du milieu d'isomérisation. Ce dernier influe sur la durée de vie de l'isomérase, sur la quantité de psicose formée au cours de la réaction d'isomérisation, et sur la couleur et la stabilité de la couleur de la liqueur isomsrisée. Tous ces facteurs doivent etre équilibrés afin'assurer un procédé qui soit intéressant du point de vue économique et du point de vue industriel. Dans les demandes de brevets E.U.A.N 88.190 et 88.187, qui ont tous deux été délivrés le 9 Novembre 1970, cités ici & titre de référence, ont décrit des procédés conçus pour étre utilisés à une échelle industrielle. La mise en oeuvre de ces procédés permet d'obtenir une solution contenant du fructose qui est produite par voie enzymatique et qui contient des quantités minimales de sous-produits indésirables, de corps colorés et de corps colorantes. par exemple, la couleur qui apparatt au cours de La réaction d'isomérisation est de préférence inférieure à 0,05 unité colorimétrique, et la solution contenant le fructose est eacessivement stable quant à l'apparition de couleur au cours du stockage. Par ailleurs, d'autres sous-produits indésirables, tels que le psicose, produit au cours de la réaction d'isomérisation sont négligeables. Quoiq:-,e , comme indiqué ci-dessus, les solutions contenant du fructose et productes par voig enzymatique par les procédés décrits dans les deux demandes de brevets précitées soient relativement pures, il est nec:essai e de les affiner afin d'en éliminer les corps colorés, las corps colorants et les sels qui s'y trouvent Il existe de nombreux procédés connus des hommes de l'art pour affiner les sirops de sucre. Par exemple, dans le brevet E.U.A. N 3.305.395 et dans les brevets E.U.A. N 3.285.776 et 3.383.245, on décrit des techniques d'affinage de liqueurs isomérisées alcalines.Un des problèmes qui est associé à ces techniques est que, par suite des pH relativement élevés employés au cours de l'affinage, des sous-produits indésirables tels que le psicose sont produits. Il est donc besoin de produire une solution contenant du fructose produite par voie enzymatique qui soit affinée et qui ne contienne pratiquement aucune colorant et aucun psicose et qui soit très stable en ce qui concerne l'apparition de la couleur au cours du stockage. Selon la présente invention, il est fourni un procédé d'affinage d'une solution contenant du fructose produite par voie enzymatique contenant des corps colorés, des corps colorants et des sels, qui donne au sirop une certaine teneur en cendres; ce procédé consiste à traiter la solution par du charbon activé de façon à éliminer la plus grande partie des corps colorés et des corps colorants, a maintenir la solution à un pH acide, à traiter la solution par une résine échangeur de cations fortement acide sous forme d'hydrogène et par une résine échangeur d'anions faiblement basique sous forme de base libre de façon à éliminer pratiquement la totalité des corps colorés et colorants restants et la plus grande partie des constituants métalliques des sels qui contribuent à donner à la solution sa teneur en cendres, lesdits traibements étant effectués de façon à former une solution contenant du fructose qui soit pratiquement incolore et qui ait peu tendance à former des colorants au stockage. La solution contenant le fructose affinée ne contient pratiquement aucun psicose. On peut définir le terme unités colorimétriques" utilisé ici de la façon suivante UNITES COLORIMETRIQUES On a déterminé la couleur par spectrophotométrie en mesurant l'absorbance d'une liqueur diluée de façon appropriée dans une cellule de 1 cm à 450 mp et à z 600 m par rapport à celle d'une liqueur type que est l'eau. Le spectrophotomètre est un spectrophotomètre Beckman DK-2A, fabriqué par la Beckman Instrument Company. On calcule la couleur en utilisant la formule suivante Unités colorimétriques = ################# A450 = absorbance à 450 m A600 = absorbance à 600 C = concontration (g/100 ml) En général la réaction d'isomérisation s'effectue à des températures de 11 ordre de 500 à 750C et à des pH compris entre 6 et 8,5. Dans certains cas, il peut exister des ions métalliques permettant de stabiliser et/ou d'activer la glucose-isomérase. Les ions métalliques qu'on utilise dans ce cas sont par exemple les sels de cobalt, de magnésium, etc. Ces intervalles de pH et de température amènent la formation de corps colorés et de corps colorants ainsi que de psicose. Le laps de temps pendant lequel les solutions contenant le fructose sont maintenues dans ces conditions influe naturellement directement sur les quantités d'impuretés produites. Gracie aux procédés décrits dans les demendes de brevets E.U.A. N 88.190 et 88.187 délivrées toutes deux le 9 Novembre 1970, la formation d'impuretés est maintenue à un minimum et on produit des solutions contenant du fructose qui ont les caractéristiques indiquées sur le Tableau I ci-dessous. Quoique le présent procédé soit bien adapté à l'affinage de solutions contenant du fructose produites par les procédés décrits dans les demandes de brevets précitées, il convient également à 11 affinage d'une quelconque solution contenant du fructose produite par voie enzymatique qui présente les caractéristiques mentionnées sur le Tableau I. TABLEAU I CARACTERISTIQUES DE SOLUTIONS CONTENANT DU FRUCTOSE NON AFFINEES Pourcentage à sec Unités colori Gammes Glucose(1) Fructose(1) Polyholosides(1) Psicose(3) Cendres(2) métriques Type 30 à 60 10 à 54 0 à 50 0 à 1 0,1 à 0,5 0 à 2,0 Préférée 30 à 60 10 à 54 0 à 30 0 à 0,5 0,1 à 0,2 0 à 0,05 Idéale 30 à 60 10 à 54 0 à 30 0 à 0,1 0,005 à 0,1 0 à 0,03 (1) Quantité d'holosides dépendant principalement des caractéristiques souhaitées dans le produit. (2) Principalement composées de sels métalliques qui sont présents au cours de l'iso mérisation de façon à stabiliser et/ou activer la glucose-isomérase. (3) Pourcentage déterminé par le procédé décrit dans l'article intitulé "Chromatographic Determination of Saccharides in Starch Hydrolysates", L.D. Ough (publié dans Methods of Carbohydrate Chemistry, Vol. IV, page 91 (1964), excepté que le solvant de développement employé était le suivant: acétate d'éthyle-pyridine-eau (8:2:1 v/v). Comme indiqué ci-dessus, les conditions d'isonerisation provoquent l'apparition de corps colorés, de corps colorants et de psicose.Donc plusla durée de maintien de la solution contenant le fructose produite par voie enzymatique dans les conditions d'isomérisation après la réaction d'isomérisation est longue, plus la quantité d'impuretés formée est grande. Ainsi il est à conseiller:- d'affiner les solutions contenant le fructose le plus tot possible après achèvement de la réaction d'isomérisation. Si la solution doit être stockée pendant un temps excessif avant l'affinage, on doit abaisser sa température à une gamme de température comprise entre 370 et 600 C, et abaisser le pH à un intervalle de pH compris entre environ 4 et environ 5,5. Ceci empoche pratiquement complètement la formation de tout autre impureté dans la solution. Dans le procédé de la présente invention, on affine d'abord la solution contenant le fructose par un traitement au charbon, en faisant par exemple traverser à la solution un lit de charbon granulaire activé ou en mettant la solution en bouillie avec du charbon pulvérulent activé et en éliminant ce dernier par filtration. Ce traitement au charbon élimine la plus grande partie des corps colorés et des corps colorants de la solution. De façon typique, lorsqu'on utilise du charbon actif sous forme de granules, on utilise un taux de consommation d'environ 0,1 à environ 4, ou mieux encore d'environ 1. Le taux de consommation est défini comme le nombre de kilos de charbon granulaire qui doit etre réactivé pour 100 kg de matières solides dans la solution traitée de façon à obtenir une solution dont la couleur est inférieure à 0,01 unité colorimétrique.Des exemples de charbons actifs appropriés sont les charbons fabriqués par la Pittsburgh Activated Carbon co., sous la marque "Pittsburgh Type CPG" et "Pittsburgh SGL", et par la West Virginia Pulp and Paper Co., sous les marques "NuChar Type CEE" et "NuChar Type WVL n . C'est un mode de réalisation préféré de la présente invention qui consiste à abaisser le pH de la solution contenant le fructose avant son traitement par le charbon à un intervalle de pH compris entre environ 3 et environ 5, et un mode de réalisation encore préféré est celui qui consiste à abaisser le pH jusqu'à un intervalle compris entre environ 4,0 et environ 4,5. L'acide chlorhydrique convient à cette application. Puis on traite la solution contenant le fructose par une résine échangeur de cations fortement acide sous forme d'hydrogène. Ce traitement élimine pratiquement la totalité des ions métaliques qui sont présents au cours de la réaction d'isomérisation. Si ces ions métalliques ne sont pas éliminés, la teneur en cendres de la solution sera excessivement élevée. Par ailleurs, ce traitement élimine une partie des corps colorés et colorants restants.Parmi les résines échangeurs de cations fortement acides appropris, citons les résines vendues par la Diamond Shamrock Co. sous la marque de "Duolite ç3 n et dDuolite C-2 5 par la Rohm and Haas Co. sous la marque de dAmberlite 200 n et par la DC? Chemiccl Co. sous la marque de "Dowex 50-WK Après traitement de la solution par une résine échangeur de cations fortement acide on :.a traite par une résine échangeur d'anions faiblement basique sous la forme base libre.Dans cette étape, on élimine divers acides qui ont été produits au cours du traitement d' échange d'ions précédent et on ajuste vers le haut le pH de la solution contenant le fructose, par exemple à un pH de l'ordre d'environ 5 à environ 7. Des exemples de résines échangeurs d'anions faiblement basiquoeappropriées qu'on peut utiliser sont les résines vendues par la Diamond Shamrock Co., sous le nom de "Duolite A-6" et par la Rohm and Haas Co., sous le nom de "Amber?ite IRA-93", On préfère après le dernier traitement d'affinage abaisser le pH de la solution contenant le fructose à une valeur de l'ordre d'environ 4,0 à environ 4,5. On peut utiliser dans ce but un quelconque acide approprié, quoiqu'on préfère utiliser l'acide chlorhydrique. Au fur et à mesure que la capacité d'échange des résines diminue, leur efficacité s'abaisse jusqu'au moment où il faut les régénérer. Toutefois, il existe certaines valeurs où il leur reste encore une certaine capacité d'échange, mEme si les résines ne sont plus complètement efficaces. Lorsque les résines se trouvent à cette étape, elles ne suffisent plus à elles seules à affiner complètement une solution contenant du fructose. Toutefois, on peut les utiliser pour affiner partiellement la solution, puis utiliser un autre jeu de résines échangeurs, par exemple une résine échangeur fortement acide et une résine échangeur faiblement basique sous la forme base libre dont l'efficacé ne se trouve pas sensiblement abaissée, de façon à achever l'affinage de la solution.Lorsque le premier jeu de résines échangeurs a pratiquement perdu complètement sa capacité d'échange, on les régénère et on y substitue le second jeu de résines et on -emplace le dernier jeu par un autre jeu de résines neuves. Lorsqu'on utilise les résines de cette manière, on parvient à une utilisation maximale des résines. C'estun autre mode de réalisation de la présente invention qui consiste à fournir une solution contenant du fructose raffinée ayant les caractéristiques indiquées sur le Tableau II ci-dessous. TABLEAU II CARACTERISTIQUES DE SOLUTIONS CONTENANT DU FRUCTOSE AFFINEES Pourcentage à sec Unités Stabilité colori- de la Gammes Glucose(1) Fructose(1) Polyholosides(1) Psicose(3) Cendres(2) métriques couleur(4) Type 30 à 60 10 à 54 0 à 50 0 à 1 0 à 0,05 0 à 0,02 0 à 0,1 Préférée 30 à 60 10 à 54 0 à 30 0 à 0,5 0 à 0,03 0 à 0,01 0 à 0,02 Idéale 30 à 60 10 à 54 0 à 30 0 à 0,1 0 à 0,01 0 à 0,005 0 à 0,01 (1) Quantité d'holosides dépendant principalement des caractéristiques souhaitées dans le produit. (2) Principalement composées de sels métalliques qui sont présents au cours de l'isomérisation afin de stabiliser et/ou activer la glucose-isomérase. (3) Le pourcentage est déterminé par la méthode décrit dans l'article intitulé "Chromatographic Determination of Saccharides in Starch Hydrolysates", L.D. Ough (publié dans Methods of Carbohydrate Chemistry, Vol. IV, page 91 (1964), excepté que le solvant de développement employé était le suivant: acétate d'éthyle-pyridine-eau (8:2:1 v/v). (4) On mesure la stabilité de la couleur en ajustant la solution à un pH de 4,8, en maintenant la solution dans un bain d'eau boillante pendant une heure et en mesurant la couleur développée par la méthode F-14 de la Second Edition des "Standard Analytical Methods of the Member Companies of the Corn Industries Research Foundation, Inc. Dans un certain nombre d' utilisations1 la solution contenant le fructose raffinée de la présente invention a de nombreux- avantages qu'on ne pourrait pas obtenir par l'utilisation de sirops de dextrose conventionnels, de sirops de sucre inverti , de sirops de saccharose,ou de saccharose. Par exemple, dans de nombreuses applications le sirop de mats et le saccharose sont utilisés ensemble pour former un système édulcorant double qui a les avantages fonctionnels particuliers du sirop de mais et le pouvoir édulcorant du saccharose. Etant donné que les solutions contenant le fructose de la présente invention sont généralement très douces et contiennent une quantité relativement importante de monoholosides, y compris le dextrose, ces solutions peuvent remplacer le système édulcorant double.Pour l'usager, un seul système édulcorant, comme les solutions contenant du fructose de la présente invention, est plus facile à manipuler et à stocker. Ceci entratne naturellement des avantages économiques évidents. En outre, lorsque le saccharose est utilisé dans de nombreux produits, une inversion se produit qui entrain une édulcoration variable du produit au cours du stockage, ctest-5-dire que l'édulcoration varie au fur et à mesure qu'une quantité plus importante de saccharose est invertie. Ceci est particulièrement vrai des produits qui sont acides ou qui produisent des corps acides au stockage. Afin de décrire plus clairement la nature de la présente invention, on va décrire ci-après un exemple spécifique. Toutefois il est bien entendu que cet exemple n'est donné qu'à titre d'illustration et n'est destiné ni à délimiter le cadre de l'invention ni à limiter la portée des revendications annexées. Dans l'exemple et tout au cours de la description, les pourcentages se rapportent au pourcentage pondéral, sauf spécification contraire, et sont basés sur le poids sec du sirop contenant le fructose. EXEMPLE I Cet exemple illustre l'affinage d'une solution contenant du fructose produite par voie enzymatique de façon à produire une nouvelle solution contenant du fructose. On a fabriqué une solution contenant du fructose par voie enzymatique qui avait les caractéristiques suivantes Ingrédients Quantité (; > ourcentage Glucose 51,8 Fructose 42,7 Polyholosides 5,5 Psicose## 0,0 Cendres 0,17 Unités colorimétriques 0,044 * Basé sur la substance sèche présente dans la solution. et Basé sur le procédé mentionné dans le Tableau I, note (3). On a ajusté le pH de cette solution contenant le fructose à 4,5, on lui a fait traverser un lit de charbon actif sous forme de granules (Pittsburgh SGL), puis une colonne contenant une résine échangeur de cations fortement acide (Duolite C-3). Le pH de la solution, après de traitement, était voisin de 1,3. Puis on a fait traverser à la solution une colonne contenant une résine échangeur d'anions faiblement basique sous forme de base libre (Duolite A-6) et on a ajusté le pH à 4-4,5. Cette solution contenant du fructose raffine avait les caractéristiques suivantes Ingrédients Quantité (pourcentage#) Glucose 54,4 Fructose 41,1 Polyholosides 5,5 Psicose## 0,0 Cendres 0,02 Unités colorimétriques 0,001 Stabilité de la couleur 0,013 # Basé sur la substance sèche présente dans la solution. n Basé sur la méthode mentionnée dans le Tableau I, note (3). On on mesure la stabilité de la couleur en ajustant la solution à un pH de 4,8, en maintenant la solution dans un bain d'eau bouillante pendant une heure et en mesurant la couleur développée par la Méthode F-14 de la Seconde Edition de standard Analytical Methods of the Member Companies of the Corn Industries Research Foundation, Inc." D'après ce qui précède, on voit facilement que l'affinage d' une solution contenant du fructose produite par voie enzymatique selon le procédé de la présente invention donne une solution qui n'a pratiquement pas de couleur et qui est excessivement stable pour ce qui est de la coloration par stockage. En outre, il faut signaler qu'aucun psicose n'apparat au cours de l'affinage de la solution. REVENDICATIONS 1. Procédé d'affinage d'une solution contenant du fructose, produite par voie enzymatique et contenant des corps colorés et colorants et des sels qui contribuent à donner au sirop sa teneur en cendres, caractérisé en ce qu'on traite la solution par du charbon activé, de façon à en éliminer la plus grande partie des corps colorés et colorants, on maintient la solution à un pH acide, on traite la solution par une résine échangeur de cations fortement acide sous forme hydrogène et par une résine échangeur d'anions faiblement basique sous forme de base libre de façon à éliminer pratiquement tous les corps colorés et colorants restants et la plus grande partie des constituants métalliques des sels qui contribuent à donner à la solution sa teneur en cendres,lesd::.ts traitements étant effectuésde façon à fournir une solution contenant du fructose qui est pratiquement incolore et a peu tendance à se colorer par abandon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pH de la solution, avant traitement par le charbon activé, est compris entre 3 et 5. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la solution qu'on affine contient de 30 à 60 pour cent de glucose, de 10 à 54 pour cent de fructose, jusqu'à environ 50 pour cent de polyholosides et jusqu'à environ 1 pour cent de psicose. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couleur de la solution qu'on affine peut atteindre environ 2 unités colorimétriques 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la solution qu'on affine contient jusqu' à environ 0,5 pour cent de psicose. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les traitements d'affinage sont effectués dans des conditions telles qu'il ne se forme pratiquement pas de psicose au cours des traitements. 7. Solution contenant du fructose produite par voie enzymatique,6- fixée par le procordé selon l'une des revendications I à 6,caractériFe par le fait qu'elle contient de 30 à 60 pour cent de glucose, de 10 à 54 pour cent de fructose, jusqu' à environ 50 pour cent de polyholosides, jusqu' à environ 1 pour cent de psicose, jusqu' à environ 0,05 pour cent de cendres, que sa couleur peut atteindre environ 0,02 unité colorimétrique et que la stabilité de sa couleur peut atteindre environ 0,1. 8. Solution contenant du fructose produite par voie enzymatique et affinée, selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle contient jusqu'à environ 0,5 pour cent de psicose et que sa couleur peut atteindre environ 0,01 unité colorimétrique. 9. Solution contenant du fructose produite par voie enzymatique et affinée, selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle a une stabilité de couleur pouvant atteindre environ 0,02. 10. Solution contenant du fructose produite par voie enzymatique et affinée, selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle contient jusqu'à environ o,l pour cent de psicose et que sa couleur peut atteindre environ 0,005 unité colorimétrique. 11. Solution contenant du fructose produite par voie enzymatique et affinée, selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle a une stabilité de couleur pouvant atteindre environ O, 01.