Příběh úspěchu zákazníka
Výroba veganských proteinů pomocí termické analýzy a reologie
Úspěšný příběh zákazníka Prof. Dr. Tomase Kurze, ProteinDistillery GmbH, Ostfildern, Německo, o vytváření proteinových přísad s čistou značkou a vynikajícími funkčními a nutričními vlastnostmi
ProteinDistillery GmbH je stuttgartský start-up, který svou udržitelnou metodou zpracování způsobuje revoluci v odvětví alternativních bílkovin. Společnost vyrábí vysoce kvalitní veganské bílkoviny prostřednictvím jedinečného procesu rafinace. Výroba bílkovin je založena na jedné z nejstarších lidských kulturních technik - fermentaci.
O společnosti ProteinDistillery GmbH a trhu s alternativními proteiny
Společnost ProteinDistillery GmbH využívá vedlejší produkt pivovarského průmyslu a rozkládá pivní kvasnice na funkční stavební bloky, z nichž získává cenné přírodní bílkoviny (obrázek 1). Výsledná bílkovina vykazuje pozoruhodné technicko-funkční vlastnosti, které jsou srovnatelné s vlastnostmi vaječné bílkoviny, což z ní činí životaschopnou možnost využití v potravinářském průmyslu.
Potraviny živočišného původu, jako je maso, vejce a mléko, jsou zodpovědné za velkou část celosvětových emisí CO₂ a využití půdy. Proto je nutné změnit naše spotřební chování směrem k alternativám. V tomto ohledu se předpokládá, že trh s alternativními bílkovinami vzroste z celosvětového objemu přibližně 30 miliard USD na 300 miliard USD v roce 2035*. Hlavní část trhu s alternativními bílkovinami tvoří bílkoviny rostlinného původu. Když se však podíváme na dostupné výrobky, jsme často zklamáni, protože vlastnosti živočišných bílkovin v potravinách, pokud jde o tvorbu textury, chuť a výživové hodnoty, jsou mnohem lepší než vlastnosti rostlinných bílkovin, jako je hrách a sója. Nedostatky v chuti a funkčnosti je třeba kompenzovat použitím potravinářských přídatných látek, jako je metylcelulóza nebo aromatické složky.
* Analýza Blue Horizon & BCG 2021, Food for Thought: The Protein Transformation | BCG
Produkty společnosti ProteinDistillery GmbH
Společnost ProteinDistillery GmbH vyrábí proteiny z mikroorganismů, jako jsou kvasinky, zejména pivovarské kvasnice. Díky tomuto přístupu můžeme co nejudržitelnějším způsobem replikovat funkční vlastnosti bílkovin živočišného původu, jako jsou bílkoviny vaječného bílku. Naše bílkoviny se v zásadě chovají jako vejce, což je zlatý standard v potravinářském průmyslu. Proto lze naše bílkovinné přípravky používat v široké oblasti potravinářských aplikací, jako jsou systémy nahrazující maso, vaječné náhražky, například míchaná vejce, nebo pečivo a sýry.
Náš výrobek obohacuje finální výrobek našich zákazníků díky svým vlastnostem, jako je schopnost emulze, želírování a zahušťování. Také musíme zajistit konzistentní fyzikální vlastnosti, abychom zajistili zpracovatelnost našich výrobků. Proto je nanejvýš důležité vědět vše o struktuře prášku a také o reologických a denaturačních vlastnostech našeho výrobku.
Pro každou potravinářskou aplikaci existuje kombinace potřebných technicko-funkčních vlastností. Pro výrobu vaječných analogů na rostlinné bázi je důležitá rozpustnost, želírovací chování a emulgační vlastnosti, zatímco pro náhradu vajec v pekařských výrobcích jsou rozhodující spíše pěnotvorné a emulgační vlastnosti (obrázek 2).
Stanovení teploty denaturace
Denaturace proteinu popisuje strukturní změnu. Denaturaci kvasinkových proteinů lze měřit pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie, DSC (obr. 3), což ilustrují endotermní efekty v teplotním rozmezí 40 °C až 80 °C v rámci prvního zahřívání a také charakterizace reologického chování roztoku proteinu (obr. 4). Při teplotě nástupu denaturace (DSC) se výrazně zvyšuje vlastní viskozita (reometr). Ve druhém kroku zahřívání nelze pozorovat žádnou denaturaci a konstantní vysokou úroveň viskozity. Kromě toho je možné na základě NETZSCH DSC experimentů vytvořit kinetické modely pro rychlost denaturace proteinu při různých teplotách ohřevu. Tyto modely slouží k definování profilů ohřevu (kombinace teploty a času), které deaktivují mikroorganismy, aniž by došlo ke gelizaci bílkovin, a umožňují tak pasterizaci s co nejmenším dopadem na bílkoviny. Kinetické modely lze rovněž použít pro optimalizaci tvorby gelu v želírovaných výrobcích.
Simulace na základě modelua optimalizace proteinůKonverze v pasterizačním zařízeníProcesu pomocí Kinetics Neo
Obecným cílem pasterizace je prodloužit trvanlivost výrobku deaktivací všech nesporulujících patogenních bakterií a většiny vegetativních mikroorganismů způsobujících kažení, jakož i inhibicí nebo zastavením mikrobiální a enzymové aktivity. Během tepelného ošetření však bílkoviny ztrácejí část svých technicko-funkčních vlastností, jako je želírovací nebo emulgační schopnost. Proto je zejména pro funkční bílkovinný výrobek společnosti ProteinDistillery GmbH nanejvýš důležité získat znalosti o denaturaci/konverzi během tepelného zpracování, aby bylo možné nalézt takové režimy zpracování, které průmyslovým uživatelům bílkovin umožní pasterizovat jejich výrobek (např. alternativní sýrové výrobky) a zachovat funkční vlastnosti bílkovin v co největší míře.
Tabulka. 1.
Simulace teplot a časů pro dávkovou pasterizaci, vysokoteplotní krátkodobou pasterizaci (HTST), ultrapasterizaci a ultravysokoteplotní ošetření (UHT).
Zde jsme k popisu kinetických reakcí použili Kinetics Neo, simulační a optimalizační softwarové řešení vyvinuté společností NETZSCH.
Jako základ byly zvoleny standardní parametry používané v potravinářském průmyslu pro tepelné zpracování výrobků nebo roztoku bílkovin. Přehled těchto standardních parametrů je uveden v tabulce 1. Pasterační režimy mohou probíhat při nízkých teplotách, např. 65 °C po dobu 30 minut, nebo pouze 1 až 2 sekundy při vyšších teplotách 100 °C nebo dokonce 138 °C.
Obrázek 5 ukazuje příklad použitého teplotního profilu pro analýzu a předpověď signálů DSC a související probíhající přeměny bílkovinné frakce. Na levém obrázku je jako příklad zobrazen teplotní profil měření při rychlosti ohřevu 5 K/min. Pravý diagram znázorňuje signály odezvy v DSC pro rychlosti ohřevu 5, 20 a 50 K/min, které představují procesy přeměny v roztoku bílkoviny.
Rychlost ohřevu 50 K/min vede k výrazně většímu signálu DSC než uvažované nižší rychlosti ohřevu. Na základě těchto signálů DSC bylo možné stanovit model pro rychlost konverze v závislosti na čase a teplotě; to je základem pro simulační běhy založené na modelu, které jsou uvedeny na obrázku 6.
Zde jsou simulovány pasterační režimy uvedené v tabulce 1. Při dávkové pasteraci při teplotě 65 °C byla po 3 min a 50 s dosažena konverze přibližně 90 %, což je pouze small část z potřebných 30 min. Vysokoteplotní krátkodobá pasterizace (HTST) při 72 °C vedla ke konverzi 27 % bílkovin po cílových 15 s ošetření. Také ošetření při ultravysoké teplotě (UHT) při 138 °C vedlo k příliš vysoké konverzi 90 % po 1 s pasterizace.
Režimy ultrapasterizace v rozmezí teplot 89 °C až 100 °C však vykazovaly slibné výsledky. Například po době ošetření 1 s došlo při 89 °C ke konverzi 2,8 % a při 96 °C ke konverzi 7,1 %.
Za účelem ověření simulací byl vypočtený signál DSC založený na teplotním profilu uvedeném na obrázku 7 porovnán se skutečnou křivkou měření.
Souhrn
Na základě těchto výsledků bylo možné najít pro zpracovatelský závod zákazníka vhodné zpracovatelské okno a použít kvasnicový protein od společnosti ProteinDistillery GmbH v příslušném závodě, včetně kroku tepelného zpracování.
Model bylo také možné ověřit pomocí experimentálních údajů. Jako příklad je na obrázku 7 uveden teplotní profil (nahoře), simulační data založená na modelu (uprostřed) a experimentální měření DSC. Simulace založená na modelu dobře popisuje experimentální data. Proto lze tento model považovat za platný pro danou oblast použití.
Vážený pane Kurzi, rádi bychom Vám poděkovali za nahlédnutí do Vaší výzkumné práce a jsme hrdí na to, že můžeme svými analytickými přístroji přispět k udržitelnému způsobu zpracování pro alternativní proteinový průmysl.
O autorovi
Prof. Dr. Tomas Kurz vystudoval pivovarnictví a nápojovou techniku na Technické univerzitě v Mnichově. Po absolvování doktorského studia v oboru bioprocesního inženýrství byl jmenován mladším profesorem potravinářského procesního inženýrství na Technické univerzitě v Berlíně. Má rozsáhlé zkušenosti z průmyslu jako vedoucí výzkumu a vývoje v různých společnostech, specializuje se na alternativní bílkoviny, vývoj fermentačních procesů, hydrokoloidy a veganské potravinové systémy.
Jako technický ředitel výrobního závodu na výrobu hydrokoloidů byl zodpovědný za plánování, údržbu a opravy zařízení, personální řízení a výrobu, v níž pod jeho vedením pracovalo více než 100 zaměstnanců. Nyní je jako vedoucí produktového a provozního oddělení zodpovědný za aplikační technologie vyráběných produktů a také za převod procesů z laboratorního do pilotního a průmyslového měřítka.