ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Производство на вегански протеини с помощта на термичен анализ и реология
Историята на успеха на клиента от проф. д-р Томас Курц, ProteinDistillery GmbH, Остфилдерн, Германия, за създаването на протеинови съставки с чиста маркировка и превъзходни функционални и хранителни свойства
ProteinDistillery GmbH е стартираща компания от Щутгарт, която прави революция в производството на алтернативни протеини със своя устойчив метод на преработка. Компанията произвежда висококачествен вегански протеин чрез уникален процес на рафиниране. Производството на протеина се основава на една от най-старите човешки културни техники - ферментацията.
За ProteinDistillery GmbH и пазара на алтернативни протеини
ProteinDistillery GmbH използва страничен продукт от пивоварната промишленост и разгражда бирената мая на функционални градивни елементи, за да извлече ценния естествен протеин (фигура 1). Полученият протеин притежава забележителни технико-функционални свойства, които са сравними с тези на яйчния протеин, което го прави жизнеспособна възможност за използване в хранителната промишленост.
Храните от животински произход, като месо, яйца и мляко, са отговорни за голяма част от глобалните емисии на CO₂ и използването на земя. Ето защо е необходимо да променим поведението си на потребление към алтернативи. Във връзка с това се очаква пазарът на алтернативни протеини да нарасне от около 30 млрд. долара в световен мащаб до 300 млрд. долара през 2035 г.*. Основната част от пазара на алтернативни протеини е на растителна основа. Въпреки това, когато разгледаме наличните продукти, често оставаме разочаровани, тъй като свойствата на протеините на животинска основа в храните по отношение на формирането на текстурата, вкуса и хранителната стойност са много по-добри от свойствата на протеините на растителна основа като грах и соя. Липсата на вкус и функционалност трябва да се компенсира чрез използване на хранителни добавки като метилцелулоза или ароматни компоненти.
* Анализ на Blue Horizon и BCG от 2021 г., Food for Thought: Протеиновата трансформация | BCG
Продукти на ProteinDistillery GmbH
ProteinDistillery GmbH произвежда протеини от микроорганизми като дрожди, особено от бирена мая. С този подход можем да възпроизведем функционалните свойства на протеините на животинска основа, като например протеините от яйчен белтък, по най-устойчив начин. Нашият протеин принципно се държи като яйце, което е златният стандарт в хранителната индустрия. Поради това нашите протеинови препарати могат да се използват в широка област от хранителни приложения като системи за заместване на месо, заместители на яйца като бъркани яйца или сладкиши и сирена.
Нашият продукт допринася за крайния продукт на клиента чрез свойствата си като способност за емулсия, желиране и сгъстяване. Също така трябва да осигурим постоянни физически свойства, за да гарантираме преработваемостта на нашите продукти. Ето защо е от изключителна важност да знаем всичко за структурата на праха, както и за реологичните и денатурационните свойства на нашия продукт.
За всяко хранително приложение има комбинация от необходимите технико-функционални свойства. За производството на аналози на яйца на растителна основа са важни разтворимостта, желиращото поведение и емулгиращите свойства, докато пенообразуващите и емулгиращите свойства са по-решаващи за заместването на яйцата в хлебни продукти (фигура 2).
Определяне на температурата на денатурация
Денатурацията на даден протеин описва структурна промяна. Денатурацията на дрождеви протеини може да бъде измерена с помощта на диференциална сканираща калориметрия, DSC (фигура 3), илюстрирана от ендотермични ефекти в температурния диапазон между 40 °C и 80 °C в рамките на първото нагряване, както и чрез характеризиране на реологичното поведение на протеиновия разтвор (фигура 4). При температурата на настъпване на денатурацията (DSC) вътрешният вискозитет (реометър) се увеличава значително. При втората стъпка на нагряване не се наблюдава денатурация и постоянно високо ниво на вискозитет. Освен това е възможно да се създадат кинетични модели за скоростта на денатурация на протеина при различни температури на нагряване въз основа на NETZSCH DSC експерименти. Тези модели се използват за определяне на профили на нагряване (комбинации от температура и време), които ще деактивират микроорганизмите, без да желират протеина, и по този начин ще позволят пастьоризация с възможно най-ниско въздействие върху протеините. Кинетичните модели могат да се използват и за оптимизиране на образуването на гел в желирани продукти.
Симулация, базирана на модели оптимизация на протеиниПреобразуване на протеини в пастьоризацияПроцесът на пастьоризация с помощта на Kinetics Neo
Общата цел на пастьоризацията е да се удължи срокът на годност на продукта, като се деактивират всички неспорообразуващи патогенни бактерии и по-голямата част от вегетативните микроорганизми, причиняващи разваляне, както и да се потисне или спре микробната и ензимната активност. Въпреки това, по време на топлинната обработка протеините губят част от своите технико-функционални свойства като желираща или емулгираща способност. Ето защо, особено за функционалния протеинов продукт на ProteinDistillery GmbH, е от изключителна важност да се придобият знания за поведението на денатурация/конверсия по време на топлинна обработка, за да се намерят режими на обработка, които позволяват на промишлените потребители на протеини да пастьоризират своя продукт (напр. алтернативни продукти от сирене) и да запазят функционалните свойства на протеините във възможно най-голяма степен.
Таблица. 1.
Симулационни температури и времена за партидна пастьоризация, високотемпературна пастьоризация за кратко време (HTST), ултрапастьоризация и ултрависокотемпературна обработка (UHT).
Тук използвахме Kinetics Neo, софтуерно решение за симулация и оптимизация, разработено от NETZSCH, за да опишем кинетичните реакции.
Като база за термичната обработка на продуктите или на протеиновия разтвор бяха избрани стандартни параметри, използвани в хранително-вкусовата промишленост. В таблица 1 е даден преглед на тези стандартни параметри. Режимите на пастьоризация могат да се осъществяват при ниски температури, като 65°C за 30 минути, или само за 1-2 секунди при по-високи температури от 100°C или дори 138°C.
На фигура 5 е показан пример за приложен температурен профил за анализ и прогнозиране на DSC сигналите и свързаното с тях настъпващо преобразуване на протеиновата фракция. На лявата диаграма като пример е показан температурният профил на измерване при скорост на нагряване 5 K/min. Дясната диаграма илюстрира сигналите на реакция в DSC за скорости на нагряване от 5, 20 и 50 K/min, които представляват процеси на превръщане в протеиновия разтвор.
Скоростите на нагряване от 50 K/min водят до значително по-голям DSC сигнал в сравнение с разглежданите по-ниски скорости на нагряване. Въз основа на тези DSC сигнали беше възможно да се създаде модел за скоростта на преобразуване, зависеща от времето и температурата; това е основата за симулационните серии, базирани на модела, показани на фигура 6.
Тук са симулирани режимите на пастьоризация от таблица 1. Пастьоризацията на партида при 65 °C дава степен на конверсия от около 90 % след 3 минути и 50 секунди, което е само small част от необходимите 30 минути. Високотемпературната краткотрайна пастьоризация (HTST) при 72°C доведе до конверсия на 27% от протеина след целевите 15 сек. обработка. Също така, обработката при свръхвисока температура (UHT) при 138°C доведе до прекалено висока степен на конверсия от 90% след 1 сек. пастьоризация.
Въпреки това режимите на ултрапастьоризация в температурния диапазон от 89°C до 100°C показаха обещаващи резултати. След време на обработка от 1 s, например, при 89°C и 96°C се наблюдава конверсия от 2,8% и 7,1%.
За да се проверят симулациите, изчисленият DSC сигнал въз основа на температурния профил, даден на фигура 7, беше сравнен с реална крива от измерване.
Резюме
Въз основа на тези резултати беше възможно да се намери практичен прозорец за обработка за преработвателно предприятие на клиента и да се приложи протеинът от дрожди на ProteinDistillery GmbH в съответното предприятие, включително етапа на топлинна обработка.
Беше възможно също така да се валидира моделът с експериментални данни. Като пример на фигура 7 са показани температурен профил (горе), данни от симулация, базирана на модела (в средата), и експериментални DSC измервания. Симулацията, базирана на модела, описва добре експерименталните данни. Следователно този модел може да се счита за валиден за въпросната област на приложение.
Уважаеми г-н Курц, бихме искали да Ви благодарим за запознаването с Вашата изследователска работа и сме горди, че можем да допринесем с нашите аналитични инструменти за устойчив метод на обработка за алтернативната протеинова индустрия.
За автора
Проф. д-р Томас Курц има диплома по технология на пивоварството и напитките от Техническия университет в Мюнхен. След като завършва докторантурата си по инженерство на биопроцесите, той е назначен за младши професор по инженерство на хранителните процеси в Техническия университет в Берлин. Той има богат индустриален опит като ръководител на научноизследователска и развойна дейност в различни компании, специализирани в областта на алтернативните протеини, разработването на ферментационни процеси, хидроколоидите и веган системите за хранене.
Като технически директор на предприятие за производство на хидроколоиди е отговарял за планирането на оборудването, поддръжката и ремонта, управлението на персонала и производството с над 100 служители под негово ръководство. Като ръководител на отдел "Продукти и операции" сега той отговаря за технологията на приложение на произвежданите продукти, както и за прехвърлянето на процесите от лабораторен към пилотен и промишлен мащаб.