Brevet FR2762616A1 — publié le 19981030

PROCEDE DE FABRICATION D'UN HYDROLYSAT D'AMIDON A HAUTE TENEUR EN DEXTROSE L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de sorbitol à partir d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose obtenu par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Il est connu de fabriquer des hydrolysats d'amidon pour lesquels la valeur de l'équivalent dextrose (pouvoir réducteur exprimé en glucose sur la matière sèche, ci-après DE) est de 2 à 98 et qui, suivant cette valeur, peuvent renfermer jusqu'à 96 % de dextrose vrai. On obtient ces différentes qualités d'hydrolysats d'amidon par le choix des conditions de l'hydrolyse de l'amidon de départ. La nature de l'hydrolyse, c'est-à-dire le fait que celle-ci soit acide ou enzymatique, intervient également. Les hydrolysats d'amidon riches en dextrose, bien qu'ayant de nombreux domaines d'application, servent principalement comme matière première pour la fabrication de dextrose cristallisé ou comme substrat pour la fabrication de fructose par isomérisation. Pour ces deux applications, on recherche une conversion la plus élevée possible, c'est-àdire une teneur la plus élevée possible en dextrose, avec un minimum d'impuretés. Les procédés de conversion de l'amidon utilisant un acide conduisent à des hydrolysats d'amidon dont la teneur en dextrose ne dépasse pas 85 à 90 %. Ces procédés favorisent en effet les réactions concurrentes de réversion et de déshydratation interne du dextrose. Les procédés de conversion de l'amidon utilisant à la fois un acide et une enzyme (généralement une glucoamylase) conduisent, eux, à des hydrolysats d'amidon dont la richesse en dextrose n'est jamais supérieure à 93 t. En effet, dans de tels procédés, l'hydrolyse acide de l'amidon produit des saccharides hautement branchés qui résistent à l'action de la glucoamylase. Les hydrolysats d'amidon obtenus par double conversion enzymatique à l'a-amylase et à l'amyloglucosidase (ou la glucoamylase), titrent généralement de 93 à 95 % de dextrose vrai, et contiennent de 5 à 7 % d'oligosaccharides et de polysaccharides résiduels, dont la majeure partie est constituée de disaccharides (maltose et isomaltose). Ces hydrolysats sont obtenus de façon classique par une liquéfaction de l'amidon jusqu'à un DE de 12 à 20, suivie d'une saccharification à l'amyloglucosidase, mais dans ces conditions, la teneur en dextrose vrai ne peut dépasser 94 à 95 %. Afin d'atteindre des teneurs en dextrose vrai supérieures, plusieurs procédés ont été proposés pour, soit améliorer la conversion de l'amidon en limitant la formation des co-produits, soit améliorer l'efficacité de la séparation dextrose/co-produits (oligosaccharides et polysaccharides). Ainsi un premier procédé consiste à opérer les étapes de liquéfaction et de saccharification à très faibles matières sèches (de l'ordre de 5 à 10 t). Mais même à aussi faible taux de matières sèches, la richesse en dextrose vrai ne dépasse pas 95 à 97 %. En outre un tel procédé n'est pas du tout économiquement rentable du fait de l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau. Un autre procédé consiste à opérer la saccharification en présence d'une enzyme hydrolysant les liaisons 1-6 de l'amidon, mais même dans ce cas, la teneur en dextrose n'est au maximum que de 96 à 97 %. Un autre procédé encore consiste à séparer, de façon connue en soi, le dextrose et les oligosaccharides et polysaccharides par passage de l'hydrolysat sur une colonne d'un tamis moléculaire tel qu'une résine cationique. Dans un tel procédé, l'hydrolysat d'amidon aqueux ayant subi préalablement un prétraitement tel qu'une concentration, une filtration et/ou une décoloration, est adsorbé sur la colonne, les co-produits (les polysaccharides et une partie des oligosaccharides) se retrouvant dans le raffinat exclu du tamis. Le dextrose est ensuite désorbé par élution avec de l'eau, cette dernière étant ensuite partiellement ou complétement éliminée pour former une solution concentrée de dextrose ou du dextrose cristallisé. Un autre procédé, basé sur le même principe que celui mentionné ci-dessus, consiste à séparer le dextrose et les oligosaccharides et polysaccharides par passage de l'hydrolysat d'amidon sur des membranes à filtration tangentielle. Un tel procédé est décrit dans les documents EP-A-452 238, US-A-4 429 122 et US-A-4 511 654. Ces deux derniers procédés permettent effectivement l'obtention d'un hydrolysat d'amidon présentant une teneur élevée en dextrose vrai, supérieure à 98-99 %, mais les rendements obtenus sont malheureusement trop faibles (de l'ordre de 60 à 65 %) pour justifier du point de vue industriel et économique de tels procédés. Un premier objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose qui pallie les limites et/ou les inconvénients des procédés connus de l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose supérieure à 97 %, de préférence supérieure à 98 % et plus préférentiellement encore supérieure à 99 %. Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel procédé, simple et économiquement performant, permettant d'obtenir, avec des rendements très satisfaisants, des hydrolysats à teneur aussi élevée en dextrose vrai. A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose comprenant les étapes consistant à (a) effectuer une hydrolyse d'un lait d'amidon à l'aide d'une Ot-amylase de façon à obtenir un lait d'amidon liquéfié (b) effectuer une saccharification du lait d'amidon liquéfié, à l'aide d'une enzyme glucogénique, pour obtenir un hydrolysat saccharifié (c) effectuer un tamisage moléculaire dudit hydrolysat saccharifié pour recueillir un hydrolysat à haute teneur en dextrose ; ce procédé étant caractérisé en ce que, entre l'étape (a) et l'étape (b), on procède à une étape d'inhibition de l'a-amylase. Le procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose objet de la présente invention, repose en fait sur le constat, négligé jusqu'alors, selon lequel une bonne technique de séparation, qu'elle soit chromatographique ou autre, n'est efficace que si les caractéristiques du produit à séparer, en tant que telles, permettent effectivement sa séparation par la ou les techniques considérées. Dans le cas présent, une séparation efficace ne peut être obtenue qu'à partir d'un hydrolysat d'amidon ayant une composition particulière, présentant en particulier un spectre glucidique bimodal, à savoir présentant à côté d'une haute teneur en dextrose vrai, une teneur sensiblement réduite en disaccharides et trisaccharides, et une teneur au contraire élevée en polysaccharides facilement séparables du dextrose. On cherche donc, dans la présente invention, à ce que les impuretés se présentent sous la forme de polysaccharides à longue chaîne plutôt que sous forme de disaccharides ou d'oligosaccharides de masse moléculaire proche du dextrose. Le spectre glucidique bimodal particulier de l'hydrolysat d'amidon est obtenu, conformément au procédé de l'invention, en procédant à l'inhibition de l'a-amylase à la fin de l'étape de liquéfaction. Cette inhibition de l'a-amylase peut se faire de préférence par voie thermique, en procédant en sortie de liquéfaction à un choc thermique de quelques secondes à une température supérieure ou égale à 1300C. Cette inhibition de l'enzyme de liquéfaction évite la poursuite de son action au cours de l'étape de saccharification, défavorisant ainsi la formation de disaccharides (maltose, isomaltose) difficilement séparables du dextrose, au profit des polysaccharides branchés (degré de polymérisation DP = 7) résistants à l'amyloglucosidase et facilement séparables du dextrose. Pour renforcer la répartition bimodale de l'hydrolysat d'amidon, on préfère, dans le procédé conforme à l'invention, effectuer une hydrolyse ménagée du lait d'amidon de façon à obtenir un lait d'amidon liquéfié à faible taux de transformation. Ainsi, dans le procédé conforme à l'invention, on conduit l'étape (a) de liquéfaction de préférence jusqu'à un DE compris entre 2 et 10, et plus particulièrement jusqu'à un DE compris entre 4 et 8. Le fait d'effectuer la liquéfaction du lait d'amidon à un DE extremement faible de 2 à 10 (et de préférence de 4 à 8), en combinaison avec le fait d'inhiber l'enzyme liquéfiante en fin de liquéfaction, favorise l'obtention d'un hydrolysat final présentant les caractéristiques recherchées, c ' est-à-dire présentant une teneur en dextrose élevée et une composition particulière en non dextrose résultant essentiellement de la présence de polysaccharides et non de di- ou oligosaccharides. De préférence, l'étape de liquéfaction est conduite en deux sous-étapes, la première consistant à chauffer, pendant quelques minutes et à une température comprise entre 105 et 108"C, le lait d'amidon en présence de l'enzyme (type THERMAMYL 120L commercialisée par la société NOVO) et d'un activateur à base de calcium, la seconde consistant à chauffer le lait d'amidon ainsi traité, à une température comprise entre 95 et 100"C pendant une à deux heures. Une fois l'étape de liquéfaction terminée, dans les conditions de teneur en matières sèches, de pH, de taux d'enzyme et de calcium bien connues de l'homme de métier, et après inhibition de l'enzyme liquéfiante, on procède à l'étape (b) de saccharification du lait d'amidon liquéfié. Lors de cette étape, on soumet le lait d'amidon liquéfié à l'action d'une enzyme glucogénique, notamment choisie dans le groupe constitué de l'amyloglucosidase, la glucoamylase ou toute autre enzyme glucogénique. Pour éviter les réactions de réversion et la formation notamment de dissaccharides (maltose, isomaltose) par repolymérisation du dextrose, l'étape de saccharification est conduite, dans des conditions et de façon connues en elles-mêmes, de manière à obtenir un DE de l'hydrolysat final n'excédant pas 95, notamment n'excédant pas 90 et plus particulièrement compris entre 80 et 90. En effet, le substrat préféré des enzymes glucogéniques est de poids moléculaire élevé, et les liaisons o(-1,4 de l'amidon sont hydrolysées bien plus rapidement que les liaisons a-l, 6. Dès lors, en début de saccharification, les grosses molécules et les liaisons a-1,4 étant prédominantes, la production de dextrose est extrêmement rapide alors que la production des produits de réversion est très lente du fait de la faible concentration en dextrose du milieu réactionnel. La saccharification se poursuivant, les petites molécules et les liaisons a-1,6 devenant prédominantes, le taux de production du dextrose diminue progressivement alors que la production des produits de réversion (oligosaccharides hautement branchés) s'accélère. Pour remédier à ce phénomène, il peut être intéressant d'associer à l'enzyme glucogénique une enzyme hydrolysant spécifiquement les liaisons a-1,6 de l'amidon. Cet ajout d'une enzyme débranchante permet d'une part d'accélérer les réactions d'hydrolyse sans simultanément accélérer les réactions de réversion, et d'autre part, de réduire la quantité d'oligosaccharides hautement branchés résistant normalement à l'action de l'enzyme glucogénique. De préférence, l'enzyme débranchante est l'isoamylase ou la pullulanase. Les quantités et les conditions d'action des différentes enzymes mises en oeuvre dans le procédé conforme à l'invention sont choisies parmi les suivantes - M-amylase : 20 à 2.000 KNU (Kilo Novo Units) par kilogramme de substrat sec, température de 80 à 1500C, durée d'action de 2 à 15 minutes. - amyloglucosidase : 4.000 à 400.000 unités internationales par kilogramme de substrat sec, température de 50"C à 60"C, durée d'action de 30 à 72 heures, pH de 5,0 à 6,0. - pullulanase : 150 à 15.000 unités ABM. Les enzymes utilisées peuvent être d'origine bactérienne ou fongique. L'hydrolysat ainsi saccharifié est ensuite filtré sur filtre precoat ou de préférence par microfiltration sur membranes, puis déminéralisé. On effectue alors sur cet hydrolysat saccharifié et purifié un tamisage moléculaire pour séparer le dextrose et les oligosaccharides et polysaccharides le composant et recueillir ainsi un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose. Cette étape de tamisage moléculaire peut consister, par exemple, en une étape de séparation chromatographique ou en une étape de séparation sur membranes. L'étape de fractionnement chromatographique est effectué de manière connue en soi, de façon discontinue ou continue (lit mobile simulé), sur des adsorbants du type résines cationiques, ou sur des zéolithes fortement acides, chargées préférentiellement à l'aide d'ions alcalins ou alcalino-terreux tels que le calcium ou le magnésium mais plus préférentiellement à l'aide d'ions sodium. Des exemples de tels procédés sont décrits notamment dans les documents US-A-3 044 904, US-A-3 416 961, US-A-3 692 582, FR-A-2 391 754, FR-A-2 099 336, US-A-2 985 589, US-A-4 024 331, US-A-4 226 977, US-A-4 293 346, US-A-4 157 267, US A-4 182 633, US-A-4 332 623, US-A-4 405 455, US-A-4 412 866, US-A-4 422 881 et WO-A-92/12179. Selon un mode de réalisation préféré, le fractionnement chromatographique est réalisé en employant le procédé et l'appareillage décrits dans le brevet américain US-A-4 422 881 dont la société demanderesse est titulaire. Quel que soit le procédé chromatographique retenu, on a recours de préférence en ce qui concerne l'adsorbant, à une résine cationique forte employée sous forme sodium ou potassium et réticulée avec environ 4 à 10 % de divinylbenzène. Les résines sont avantageusement de granulométrie homogène et comprise entre 100 et 800 micromètres. Le choix des paramètres de fractionnement chromatographique, parmi lesquels on note plus particulièrement le débit d'élution, le débit d'alimentation en hydrolysat de départ, le débit d'extraction de la fraction contenant l'hydrolysat d'amidon à teneur élevée en dextrose, le débit de la fraction contenant les impuretés de poids moléculaire élevé et la composition des zones de désorption, d'adsorption et d'enrichissement est effectué de telle manière que l'on récupère, avec un rendement le meilleur possible, la première fraction enrichie en dextrose ayant une teneur en dextrose supérieure à 99 %. Pour parvenir à ce résultat, ces paramètres sont choisis comme suit quand le fractionnement chromatographique est réalisé en utilisant les procédé et appareillage décrits dans le brevet US 4 422 881 et quand l'adsorbant utilisé est une résine cationique de faible granulométrie réticulée à 8 % de divinylbenzène et qu'elle est utilisée sous forme sodium - débit d'élution de 70 à 700 l/h/m3 d'adsorbant, - débit d'alimentation en hydrolysat de départ de 10 à 100 l/h/m3 d'adsorbant, - débit d'extraction de la fraction enrichie en dextrose de 80 à 800 l/h/m3, - débit d'extraction de la fraction enrichie en dextrose de 80 à 800 l/h/m' d'adsorbant, - débit de la fraction enrichie en oligo- et polysaccharides de 20 à 200 1/h/m3 d'adsorbant. En lieu et place de l'étape de séparation chromatographique, il est possible, dans le procédé conforme à l'invention, de mettre en oeuvre une étape de séparation par nanofiltration sur membranes. Des membranes de différents diamètres de pores sont fabriquées à partir de nombreux polymères et copolymères du type polysulfones, polyamides, polyacrylonitriles, polycarbonates, polyfuranes, etc. Actuellement quatre classes de membranes sont commercialisées : osmose inverse, nanofiltration, ultrafiltration et microfiltration. Des exemples de l'utilisation de telles membranes sont décrits notamment dans les documents EP-A-452 238, US-A4 429 122 et US-A-4 511 654. Selon un mode de réalisation préféré, la séparation sur membranes est réalisée en employant une membrane de porosité voisine de 10 angströms. Ainsi la membrane avantageusement mise en oeuvre dans le procédé conforme à l'invention est du type FILMTEC NF 40 commercialisée par la société DOW. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la partie exclue des membranes ou de la chromatographie, comportant les impuretés de poids moléculaire élevé, est recyclée en amont de l'étape de saccharification. Grâce au procédé conforme à l'invention qui tire profit des bénéfices obtenus à la fois des étapes d'hydrolyse mises en oeuvre et de l'étape de tamisage moléculaire, il est possible d'obtenir, avec des rendements supérieurs à 80 %, un hydrolysat d'amidon dont la teneur en dextrose est supérieure à 99 %. Une telle pureté ne pouvait jusqu'alors être obtenue qu'avec un dextrose cristallisé remis en solution. L'hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose obtenu conformément au procédé de l'invention peut alors être facilement hydrogéné catalytiquement. L'hydrogénation d'un tel hydrolysat s'effectue conformément aux règles de l'art qui conduisent par exemple à la production de sorbitol à partir du glucose. On peut utiliser pour cette étape aussi bien des catalyseurs à base de ruthénium que des catalyseurs au nickel de Raney. On préfère cependant utiliser des catalyseurs au nickel de Raney qui sont moins onéreux. Dans la pratique, on utilise de 1 à 10 % en poids de catalyseur par rapport à la matière sèche de l'hydrolysat soumis à l'hydrogénation. L'hydrogénation s'effectue de préférence sur un hydrolysat dont la matière sèche est comprise entre 15 et 50 %, dans la pratique voisine de 30 à 45 %, sous une pression d'hydrogène comprise entre 20 et 200 bars. Elle peut être effectuée de manière continue ou discontinue. Lorsque l'on opère de manière discontinue, la pression d'hydrogène utilisée est généralement comprise entre 30 et 60 bars et la température à laquelle se déroule l'hydrogénation est comprise entre 100 et 150"C. On veille aussi à maintenir le pH du milieu d'hydrogénation par l'addition de soude ou de carbonate de soude par exemple, mais sans dépasser un pH de 9,0. Cette manière de faire permet d'éviter l'apparition de produits de cracking ou d'isomérisation. On arrête la réaction lorsque la teneur du milieu réactionnel en sucres réducteurs est devenue inférieure à 1 %, de préférence encore inférieure à 0,5 % et plus particulièrement inférieure à 0,1 %. Après refroidissement du milieu réactionnel, on élimine le catalyseur par filtration et on déminéralise le sorbitol ainsi obtenu sur des résines cationiques et anioniques. A ce stade, les sirops contiennent au moins 98 % de sorbitol et il est aisé de purifier celui-ci par cristallisation après concentration et refroidissement des solutions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture des exemples qui suivent. Ils ne sont toutefois donnés ici qu'à titre illustratif et non limitatif. EXEMPLE 1 Un lait d'amidon est liquéfié de manière classique à l'aide de 2 %. de THERMAMYL 120L (a-amylase commercialisée par la société NOVO) jusqu'à un DE de 6,5. On chauffe ensuite le milieu réactionnel pendant quelques secondes à 140"C de manière à inhiber l'-amylase. On effectue alors, de manière connue en soi, la saccharification de l'hydrolysat à 35 % de matières sèches en présence de 0,8 %. d'amyloglucosidase G990 commercialisée par la société ABM. Après 42 heures de saccharification, on obtient un hydrolysat ayant le spectre glucidique suivant glucose : 95,6 % DP2 : 1,9 t DP3 : 0,3 % DP supérieurs : 2,2 % étant entendu que l'abbréviation "DP" signifie degré de polymérisation. L'hydrolysat ainsi saccharifié est ensuite filtré par microfiltration sur membranes puis déminéralisé. On effectue alors le fractionnement de l'hydrolysat saccharifié et purifié dans l'installation de séparation chromatographique continue dont les détails de construction et de fonctionnement sont décrits dans le brevet américain US 4 422 881. On obtient ainsi - une première fraction enrichie en dextrose, avec un rendement supérieur à 87 % en poids et présentant une composition qui est la suivante dextrose : 99,4 % DP2 : 0,6 % - une seconde fraction enrichie en oligo- et polysaccharides présentant la composition suivante dextrose : 70 % DP2 : 10 % DP3 : 2,3 z DP supérieurs : 17,7 % EXEMPLE 2 On effectue sur un lait d'amidon exactement les mêmes étapes de liquéfaction et de saccharification que celles décrites dans l'exemple 1 ci-dessus excepté le fait que l'aamylase n'est pas inhibée. Après 42 heures de saccharification, on obtient un hydrolysat ayant le spectre glucidique suivant glucose : 95,1 % DP2 : 2,3 % DP3 : 1,3 % DP supérieurs : 1,1 % L'hydrolysat ainsi saccharifié est ensuite filtré par microfiltration sur membranes puis déminéralisé. Après fractionnement chromatographique, on récupère - une première fraction enrichie en dextrose, avec un rendement de 78 % en poids, et présentant la composition suivante dextrose : 99,4 % DP2 : 0,5 % DP3 : 0,1 % - une seconde fraction enrichie en oligo- et polysaccharides présentant la composition suivante dextrose : 80 % DP2 : 8,6 z DP3 : 5,5 % DP supérieurs : 5,9 % Le rendement chromatographique de 78 % en poids obtenu dans cet exemple est à comparer à celui de 87 % en poids obtenu à l'exemple 1 conforme à l'invention. EXEMPLE 3 La fraction enrichie en dextrose de l'exemple 1, concentrée à une matière sèche de 45 %, est soumise à une hydrogénation catalytique en présence de 5 % en poids par rapport à la matière sèche de nickel de Raney. Les conditions opératoires sont les suivantes température : 1400C pression : 60 bars durée : 2 heures On arrête l'hydrogénation lorsque la teneur du milieu réactionnel en sucres réducteurs est inférieure à 600 ppm. Après refroidissement du milieu réactionnel, on élimine le catalyseur par filtration, puis on déminéralise le sirop obtenu et enfin on le concentre à 70 % de matières sèches. La composition sur sec du sirop ainsi obtenu est la suivante sorbitol : 98,8 % mannitol : 0,4 % iditol et produits de cracking : 0,2 t REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose comprenant les étapes consistant à (a) effectuer une liquéfaction d'un lait d'amidon à l'aide d'une -amylase de façon à obtenir un lait d'amidon liquéfié ; (b) effectuer une saccharification du lait d'amidon liquéfié, à l'aide d'une enzyme glucogénique, pour obtenir un hydrolysat saccharifié (c) effectuer un tamisage moléculaire dudit hydrolysat saccharifié pour recueillir un hydrolysat à haute teneur en dextrose caractérisé en ce que, entre l'étape (a) et l'étape (b), on procède à une étape d'inhibition de l'-amylase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue une liquéfaction ménagée du lait d'amidon de façon à obtenir un lait d'amidon liquéfié à faible taux de transformation. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on conduit l'étape (a) de liquéfaction jusqu'à un DE compris entre 2 et 10, de préférence compris entre 4 et 8. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on conduit l'étape (b) de saccharification jusqu a un DE n'excédant pas 95. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on conduit l'étape (b) de saccharification jusqu'à un DE n'excédant pas 90. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on conduit l'étape (b) de saccharification jusqu'à un DE compris entre 80 et 90. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on associe à l'enzyme glucogénique une enzyme hydrolysant les liaisons 1-6 de l'amidon. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape (c) est une étape de séparation chromatographique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape (c) est une étape de séparation par nanofiltration sur membranes. 10. Procédé de fabrication de sorbitol par hydrogénation d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose, caractérisé par le fait que ledit hydrolysat est obtenu par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.