قصة نجاح العميل
إنتاج البروتينات النباتية بمساعدة التحليل الحراري وعلم الريولوجيا
قصة نجاح عميل من البروفيسور الدكتور توماس كورتس من شركة بروتين ديستيليري GmbH، أوستفيلدن، ألمانيا حول ابتكار مكونات بروتين ذات علامة تجارية نظيفة ذات وظائف وخصائص غذائية فائقة
شركة ProteinDistillery GmbH هي شركة ناشئة مقرها شتوتغارت، وهي شركة ناشئة تُحدث ثورة في صناعة البروتين البديل من خلال طريقة المعالجة المستدامة التي تتبعها. تنتج الشركة بروتينًا نباتيًا عالي الجودة من خلال عملية تنقية فريدة من نوعها. يعتمد إنتاج البروتين على واحدة من أقدم التقنيات الثقافية البشرية - التخمير.
نبذة عن شركة ProteinDistillery GmbH وسوق البروتين البديل
تستخدم شركة ProteinDistillery GmbH منتجًا ثانويًا من صناعة التخمير وتحلل خميرة البيرة إلى كتل بناء وظيفية لاستخراج البروتين الطبيعي القيّم (الشكل 1). يُظهر البروتين الناتج خصائص وظيفية تقنية رائعة يمكن مقارنتها ببروتين البيض، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق للاستخدام في صناعة الأغذية.
إن الأغذية القائمة على الحيوانات مثل اللحوم والبيض والحليب مسؤولة عن جزء كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية واستخدام الأراضي. لذلك، من الضروري تغيير سلوكنا الاستهلاكي نحو البدائل. وفي هذا الصدد، من المتوقع أن يرتفع سوق البروتين البديل من حجم عالمي يبلغ حوالي 30 مليار دولار أمريكي إلى 300 مليار دولار أمريكي في عام 2035*. يعتمد الجزء الرئيسي من سوق البروتين البديل على البروتين النباتي. ومع ذلك، عندما نلقي نظرة على المنتجات المتاحة، غالبًا ما نشعر بخيبة أمل، حيث إن خصائص البروتينات الحيوانية في الطعام فيما يتعلق بتكوين القوام والمذاق والتغذية أفضل بكثير من خصائص البروتينات النباتية مثل البازلاء وفول الصويا. يجب التعويض عن النقص في الطعم والوظائف باستخدام إضافات غذائية مثل ميثيل السليلوز أو مكونات الرائحة.
* تحليل بلو هورايزون و BCG 2021، غذاء للفكر: التحول البروتيني | BCG
منتجات ProteinDistillery GmbH
تقوم شركة ProteinDistillery GmbH بإنتاج البروتينات من الكائنات الحية الدقيقة مثل الخميرة، وخاصة خميرة البيرة. وبهذا النهج، يمكننا تكرار الخصائص الوظيفية للبروتينات الحيوانية مثل بروتين بياض البيض بأكثر الطرق استدامة. يتصرف بروتيننا بشكل أساسي مثل البيض، وهو المعيار الذهبي في صناعة الأغذية. لذلك، يمكن استخدام مستحضراتنا البروتينية في مجال واسع من التطبيقات الغذائية مثل أنظمة بدائل اللحوم أو بدائل البيض مثل البيض المخفوق أو المعجنات والجبن.
تضيف منتجاتنا إلى المنتج النهائي لعملائنا من خلال خصائصها مثل القدرة على الاستحلاب، والتبلور، والتكثيف. كما يجب علينا توفير خصائص فيزيائية متسقة لضمان قابلية معالجة منتجاتنا. ولذلك، من الأهمية بمكان معرفة كل شيء عن بنية المسحوق، وكذلك الخصائص الانسيابية والتكثيف لمنتجنا.
لكل تطبيق غذائي، هناك مزيج من الخصائص التقنية والوظيفية الضرورية. بالنسبة لإنتاج نظائر البيض النباتية، فإن قابلية الذوبان وسلوك التبلور وخصائص الاستحلاب مهمة، في حين أن خصائص الرغوة والاستحلاب أكثر أهمية بالنسبة لاستبدال البيض في منتجات المخابز (الشكل 2).
تحديد درجة حرارة التغيّر في درجة الحرارة
يصف تمسخ البروتين تغيرًا هيكليًا. يمكن قياس تمسخ بروتينات الخميرة عن طريق قياس المسح التفاضلي بالحرارة DSC (الشكل 3)، ويتضح ذلك من خلال التأثيرات الحرارية الداخلية في نطاق درجة الحرارة بين 40 درجة مئوية و80 درجة مئوية خلال التسخين الأول وكذلك من خلال توصيف السلوك الانسيابي لمحلول البروتين (الشكل 4). عند درجة حرارة بداية التمسخ (DSC)، تزداد اللزوجة الجوهرية (مقياس الانسيابية) بشكل ملحوظ. في خطوة التسخين الثانية، لا يمكن رؤية أي تمسخ ومستوى لزوجة مرتفع ثابت. وبالإضافة إلى ذلك، من الممكن إنشاء نماذج حركية لمعدل تمسخ البروتين عند درجات حرارة تسخين مختلفة على أساس تجارب NETZSCH DSC. تُستخدم هذه النماذج لتحديد ملامح التسخين (مجموعات درجات الحرارة والوقت) التي من شأنها تعطيل الكائنات الحية الدقيقة دون تبلور البروتين وبالتالي تمكين البسترة بأقل تأثير ممكن على البروتينات. يمكن أيضًا استخدام النماذج الحركية لتحسين تكوين الهلام في المنتجات الهلامية.
المحاكاة القائمة على النموذجوتحسين البروتينالتحويل في عملية البسترةعملية البسترة باستخدام Kinetics Neo
ويتمثل الهدف العام من البسترة في إطالة العمر التخزيني للمنتج عن طريق تعطيل جميع البكتيريا غير المكونة للبوغ المسببة للأمراض ومعظم الكائنات الحية الدقيقة المفسدة النباتية، وكذلك تثبيط أو إيقاف النشاط الميكروبي والإنزيمي. ومع ذلك، أثناء المعالجة الحرارية، تفقد البروتينات أجزاءً من خواصها الوظيفية التقنية مثل القدرة على التبلور أو الاستحلاب. لذلك، من الأهمية بمكان، خاصةً بالنسبة لمنتج البروتين الوظيفي لشركة ProteinDistillery GmbH، اكتساب المعرفة حول سلوك التمسخ/التحول أثناء المعالجة الحرارية من أجل إيجاد أنظمة معالجة تسمح للمستخدمين الصناعيين للبروتين ببسترة منتجاتهم (على سبيل المثال، منتجات الجبن البديلة) والحفاظ على الخصائص الوظيفية للبروتينات قدر الإمكان.
الجدول. 1.
درجات حرارة وأوقات المحاكاة للبسترة على دفعات، والبسترة بالحرارة العالية والوقت القصير (HTST)، والبسترة الفائقة والمعالجة بالحرارة العالية جدًا (UHT).
استخدمنا هنا Kinetics Neo ، وهو حل برمجي للمحاكاة والتحسين تم تطويره بواسطة NETZSCH ، لوصف التفاعلات الحركية.
تم اختيار المعلمات القياسية المستخدمة في صناعة الأغذية كأساس للمعالجة الحرارية للمنتجات أو محلول البروتين. يقدم الجدول 1 نظرة عامة على هذه المعلمات القياسية. يمكن أن تحدث أنظمة البسترة عند درجات حرارة منخفضة، مثل 65 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، أو لمدة ثانية إلى ثانيتين فقط عند درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية أو حتى 138 درجة مئوية.
ويوضح الشكل 5 مثالًا لملف تعريف درجة الحرارة المطبقة لتحليل وتوقع إشارات DSC والتحويل ذي الصلة الذي يحدث لجزء البروتين. في الرسم البياني الأيسر، يتم عرض ملف تعريف درجة الحرارة لقياس بمعدل تسخين 5 كلفن/الدقيقة كمثال. ويوضح الرسم البياني الأيمن إشارات الاستجابة في DSC لمعدلات تسخين تبلغ 5 و20 و50 كلفن/دقيقة، والتي تمثل عمليات التحويل في محلول البروتين.
وتؤدي معدلات التسخين التي تبلغ 50 كلفن/الدقيقة إلى إشارة DSC أكبر بكثير من معدلات التسخين المنخفضة المعتبرة. واستنادًا إلى إشارات DSC هذه، كان من الممكن إنشاء نموذج يعتمد على الوقت ودرجة الحرارة لمعدل التحويل؛ وهذا هو أساس عمليات المحاكاة القائمة على النموذج الموضح في الشكل 6.
هنا، تمت محاكاة أنظمة البسترة الواردة في الجدول 1. وأسفرت البسترة على دفعات عند درجة حرارة 65 درجة مئوية عن معدل تحويل بنسبة 90% تقريبًا بعد 3 دقائق و50 ثانية، وهو ما يمثل جزءًا small فقط من 30 دقيقة اللازمة. أدت البسترة في درجة حرارة عالية ووقت قصير (HTST) عند 72 درجة مئوية إلى تحويل 27% من البروتين بعد 15 ثانية من المعالجة المستهدفة. كما أدت المعالجة بالحرارة العالية جدًا (UHT) عند 138 درجة مئوية إلى معدل تحويل مرتفع للغاية بلغ 90% بعد 1 ثانية من البسترة.
ومع ذلك، أظهرت أنظمة البسترة الفائقة في نطاق درجة حرارة من 89 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية نتائج واعدة. بعد وقت معالجة قدره 1 ثانية، على سبيل المثال، حدثت تحويلات بنسبة 2.8% و7.1% عند 89 درجة مئوية و96 درجة مئوية على التوالي.
وللتحقق من عمليات المحاكاة، تمت مقارنة إشارة DSC المحسوبة استنادًا إلى ملف درجة الحرارة الوارد في الشكل 7 بمنحنى قياس حقيقي.
الملخص
استنادًا إلى هذه النتائج، كان من الممكن العثور على نافذة معالجة قابلة للتطبيق العملي لمصنع معالجة العملاء وتطبيق بروتين الخميرة من ProteinDistillery GmbH في المصنع المعني، بما في ذلك خطوة المعالجة الحرارية.
كان من الممكن أيضًا التحقق من صحة النموذج بالبيانات التجريبية. وكمثال على ذلك، يوضح الشكل 7 ملف تعريف درجة الحرارة (أعلى)، وبيانات المحاكاة القائمة على النموذج (وسط) وقياسات DSC التجريبية. تصف المحاكاة القائمة على النموذج البيانات التجريبية بشكل جيد. لذلك، يمكن اعتبار هذا النموذج صالحًا لمجال التطبيق المعني.
عزيزي السيد Kurz، نود أن نشكرك على هذه النظرة الثاقبة في عملك البحثي ونفخر بقدرتنا على المساهمة بأدواتنا التحليلية في طريقة معالجة مستدامة لصناعة البروتين البديل.
نبذة عن الكاتب
يحمل البروفيسور الدكتور توماس كورتس شهادة في تكنولوجيا التخمير والمشروبات من الجامعة التقنية في ميونيخ. بعد حصوله على درجة الدكتوراه في هندسة العمليات الحيوية، تم تعيينه أستاذاً مبتدئاً في هندسة العمليات الغذائية في جامعة برلين التقنية. ويتمتع بخبرة صناعية واسعة كمدير للأبحاث والتطوير في العديد من الشركات، حيث تخصص في البروتينات البديلة وتطوير عمليات التخمير والمواد الهيدروكولويدية وأنظمة الأغذية النباتية.
وبصفته مديراً تقنياً لمنشأة إنتاج الهيدروكولويدات المائية، كان مسؤولاً عن تخطيط المعدات والصيانة والإصلاح وإدارة الموظفين والإنتاج مع أكثر من 100 موظف تحت إشرافه. وبصفته رئيسًا للمنتجات والعمليات، فهو الآن مسؤول عن تكنولوجيا تطبيق المنتجات المصنعة بالإضافة إلى نقل العمليات من المختبر إلى النطاق التجريبي والصناعي.