Kunde-succeshistorie

Produktion af veganske proteiner ved hjælp af termisk analyse og reologi

En kundesucceshistorie af Prof. Dr. Tomas Kurz, ProteinDistillery GmbH, Ostfildern, Tyskland om skabelsen af cleanlabel-proteiningredienser med overlegen funktionalitet og ernæringsmæssige egenskaber

ProteinDistillery GmbH er en Stuttgart-baseret start-up, der revolutionerer den alternative proteinindustri med sin bæredygtige forarbejdningsmetode. Virksomheden producerer vegansk protein af høj kvalitet gennem en unik forædlingsproces. Produktionen af proteinet er baseret på en af de ældste menneskelige kulturteknikker - fermentering.

Visuelt diagram, der illustrerer cyklussen for gærproteinproduktion fra bryggerier til forbrugerprodukter, og som fremhæver ProteinDistillery GmbH's rolle. — Fig. 1. ProteinDistillery GmbH's proteinproduktion. Gærbiomasse fås fra industrielle sidestrømme som f.eks. bryggerier. Gærcellerne standardiseres, åbnes og videreforarbejdes til specifikke komponenter med specifikke egenskaber.

Om ProteinDistillery GmbH og det alternative proteinmarked

ProteinDistillery GmbH bruger et biprodukt fra bryggeriindustrien og nedbryder ølgæren til funktionelle byggesten for at udvinde det værdifulde naturlige protein (figur 1). Det resulterende protein udviser bemærkelsesværdige teknisk-funktionelle egenskaber, der kan sammenlignes med æggeprotein, hvilket gør det til en levedygtig mulighed for brug i fødevareindustrien.

Dyrebaserede fødevarer som kød, æg og mælk er ansvarlige for en stor del af den globale CO₂-udledning og arealanvendelse. Derfor er det nødvendigt at ændre vores forbrugsadfærd i retning af alternativer. I den forbindelse forventes markedet for alternative proteiner at stige fra en global volumen på omkring 30 milliarder USD til 300 milliarder USD i 2035*. Hovedparten af det alternative proteinmarked er plantebaseret. Men når vi ser på de tilgængelige produkter, bliver vi ofte skuffede, da de animalske proteiners egenskaber i fødevarer med hensyn til teksturdannelse, smag og ernæring er meget bedre end egenskaberne hos plantebaserede proteiner som ærter og soja. Der skal kompenseres for den manglende smag og funktionalitet ved at bruge fødevaretilsætningsstoffer som methylcellulose eller aromakomponenter.

^{* Blue Horizon & BCG-analyse 2021, Food for Thought: Proteintransformationen | BCG}

Forskellige anvendelser af ProteinDistillerys gærprotein fremhæver dets brug i kødalternativer, mejeriprodukter, bagning og erstatning af æg. — Fig. 2. Forskellige anvendelsesområder for PD's gærprotein

Produkter fra ProteinDistillery GmbH

ProteinDistillery GmbH producerer proteiner fra mikroorganismer som gær, især ølgær. Med denne tilgang kan vi kopiere de funktionelle egenskaber ved animalske proteiner som æggehvideprotein på den mest bæredygtige måde. Vores protein opfører sig i princippet som et æg, hvilket er den gyldne standard i fødevareindustrien. Derfor kan vores proteinpræparater bruges i et bredt felt af fødevareapplikationer som køderstatningssystemer, æggeerstatninger som røræg eller bagværk og ost.

Vores produkt bidrager til vores kunders slutprodukt gennem dets egenskaber som emulsionskapacitet, gelering og fortykkelse. Vi skal også levere ensartede fysiske egenskaber for at sikre, at vores produkter kan bearbejdes. Derfor er det af største vigtighed at vide alt om pulverstrukturen samt de reologiske og denatureringsegenskaber for vores produkt.

For hver fødevareapplikation er der en kombination af nødvendige teknofunktionelle egenskaber. Til fremstilling af plantebaserede æggeanaloger er opløselighed, geleringsadfærd og emulgerende egenskaber vigtige, mens skumdannende og emulgerende egenskaber er mere afgørende for erstatning af æg i bageriprodukter (figur 2).

Bestemmelse af denatureringstemperaturen

Denaturering af et protein beskriver en strukturel ændring. Denaturering af gærproteiner kan måles ved hjælp af Differential Scanning Calorimetry, DSC (figur 3), illustreret ved endotermiske effekter i temperaturområdet mellem 40 °C og 80 °C inden for den første opvarmning samt ved karakterisering af proteinopløsningens reologiske opførsel (figur 4). Ved begyndelsestemperaturen for denaturering (DSC) stiger den indre viskositet (reometer) markant. I det andet opvarmningstrin kan der ikke ses nogen denaturering og et konstant højt viskositetsniveau. Derudover er det muligt at skabe kinetiske modeller for proteinets denatureringshastighed ved forskellige opvarmningstemperaturer på basis af NETZSCH DSC-eksperimenter. Disse modeller bruges til at definere opvarmningsprofiler (temperatur-tid-kombinationer), der deaktiverer mikroorganismer uden at gelere proteinet og dermed muliggør pasteurisering med den lavest mulige påvirkning af proteinerne. De kinetiske modeller kan også bruges til at optimere geldannelsen i gelerede produkter.

DSC-kurve (Differential Scanning Calorimetry), der illustrerer gærproteiners denatureringstemperaturer med fremhævelse af start-, top- og slutpunkter. — Fig. 3. DSC-kurve for denaturering af gærprotein som en funktion af temperaturen. Denatureringens begyndelses-, top- og sluttemperaturer er vurderet.

Reologisk målegraf, der viser proteindenaturering med komplekse viskositetsstigninger over temperatur, hvilket indikerer proteinadfærd. — Fig. 4. Til venstre: Reologisk måling af proteindenaturering. Til højre: Temperaturprofil og parametre for reologisk måling.

Modelbaseret simuleringog optimering af proteinKonvertering i en pasteuriseringsprocesProces ved hjælp af Kinetics Neo

Det generelle mål med pasteurisering er at forlænge produktets holdbarhed ved at deaktivere alle ikke-sporedannende patogene bakterier og størstedelen af de vegetative fordærvende mikroorganismer samt hæmme eller stoppe mikrobiel og enzymatisk aktivitet. Under varmebehandling mister proteiner dog dele af deres teknofunktionelle egenskaber som gelerings- eller emulgeringskapacitet. Derfor er det, især for det funktionelle proteinprodukt fra ProteinDistillery GmbH, af største vigtighed at få viden om denaturerings-/omdannelsesadfærden under varmebehandling for at finde behandlingsregimer, der gør det muligt for industrielle brugere af proteinet at pasteurisere deres produkt (f.eks. alternative osteprodukter) og bevare proteinernes funktionelle egenskaber så meget som muligt.

Tabel med pasteuriseringsmetoder, temperaturer og behandlingstider for proteinprodukter. Vigtigt for styring af fødevaresikkerhed. — Food Safety Management, Chapter 17 - Thermal Treatment, Tibor Deak, Academic Press, 2014, side 423-442, ISBN 9780123815040

Bordet. 1.

Simuleringstemperaturer og -tider for batchpasteurisering, korttidspasteurisering ved høj temperatur (HTST), ultrapasteurisering og behandling ved ultrahøj temperatur (UHT).

Her brugte vi Kinetics Neo, en simulerings- og optimeringssoftwareløsning udviklet af NETZSCH, til at beskrive kinetiske reaktioner.

Standardparametre, der anvendes i fødevareindustrien, blev valgt som grundlag for den termiske behandling af produkter eller proteinopløsningen. Tabel 1 giver et overblik over disse standardparametre. Pasteuriseringsregimer kan forekomme ved lave temperaturer, som 65 °C i 30 minutter, eller i kun 1 til 2 sekunder ved højere temperaturer på 100 °C eller endda 138 °C.

Figur 5 viser et eksempel på en anvendt temperaturprofil til analyse og forudsigelse af DSC-signaler og den dermed forbundne omdannelse af proteinfraktionen. I det venstre diagram vises temperaturprofilen for en måling ved en opvarmningshastighed på 5 K/min som et eksempel. Det højre diagram illustrerer responssignaler i DSC for opvarmningshastigheder på 5, 20 og 50 K/min, som repræsenterer omdannelsesprocesser i proteinopløsningen.

Temperaturanalyse og forudsigelsesgrafer, der illustrerer proteinomdannelse i pasteuriseringsprocessen ved hjælp af forskellige opvarmningshastigheder. — Fig. 5. Til venstre: Temperaturprofil brugt til DSC-analyse og forudsigelse ved en opvarmningshastighed på 5 K/min; til højre: DSC-kurver for denaturering af gærprotein ved forskellige opvarmningshastigheder mellem 5 og 50 K/min som en funktion af temperaturen.

Simuleringsgrafer viser omdannelsesgraden af gærprotein under forskellige pasteuriseringsforhold, hvilket afslører effektiviteten af varmebehandlingsmetoder. — Fig. 6. Forskellige simuleringskørsler baseret på pasteuriseringsparametrene i tabel 1 (Batch 65°C, HTST, Ultra Pasteurisering og UHT). Her ses omdannelsesprocenterne som funktion af behandlingstiden med de forskellige pasteuriseringsregimer.

Opvarmningshastigheder på 50 K/min resulterer i et betydeligt større DSC-signal end de betragtede lavere opvarmningshastigheder. Baseret på disse DSC-signaler var det muligt at etablere en tids- og temperaturafhængig model for omdannelseshastigheden; dette er grundlaget for de modelbaserede simuleringskørsler, der er vist i figur 6.

Her simuleres pasteuriseringsregimerne i tabel 1. En batch-pasteurisering ved 65 °C gav en omdannelsesgrad på ca. 90 % efter 3 minutter og 50 sekunder, hvilket kun var en small del af de nødvendige 30 minutter. En High-Temperature Short-Time pasteurisering (HTST) ved 72 °C resulterede i en omdannelse af 27 % af proteinet efter de tilsigtede 15 sekunders behandling. En ultrahøjtemperaturbehandling (UHT) ved 138 °C resulterede også i en alt for høj omdannelsesgrad på 90 % efter 1 s pasteurisering.

Ultrapasteuriseringsregimer i et temperaturområde på 89 °C til 100 °C viste dog lovende resultater. Efter en behandlingstid på 1 sek. var der f.eks. en omdannelse på 2,8 % og 7,1 % ved henholdsvis 89 °C og 96 °C.

For at verificere simuleringerne blev et beregnet DSC-signal baseret på temperaturprofilen i figur 7 sammenlignet med en rigtig målekurve.

Verificering af gærpasteurisering ved hjælp af Kinetics Neo; inkluderer temperaturprogram, simuleringsforudsigelser og DSC-måledata. — Fig. 7. Verifikation af Kinetics Neo -modellen for gærpasteuriseringsprocessen. Øverst: Program for pasteuriseringstemperatur. I midten: Modelbaseret forudsigelse med Kinetics Neo. Nederst: DSC-måledata for proteindenatureringsprocessen. Her ses DSC-signalet som en funktion af procestiden under anvendelse af det valgte temperaturregime.

Sammenfatning

Baseret på disse resultater var det muligt at finde et praktisk anvendeligt procesvindue for en kundes procesanlæg og at anvende gærproteinet fra ProteinDistillery GmbH på det pågældende anlæg, inklusive varmebehandlingstrinnet.

Det var også muligt at validere modellen med eksperimentelle data. Som eksempel viser figur 7 en temperaturprofil (øverst), modelbaserede simuleringsdata (i midten) og eksperimentelle DSC-målinger. Den modelbaserede simulering beskriver de eksperimentelle data godt. Derfor kan denne model betragtes som gyldig for det pågældende anvendelsesområde.

Kære Kurz, vi vil gerne takke dig for indsigten i dit forskningsarbejde og er stolte over at kunne bidrage med vores analytiske instrumenter til en bæredygtig forarbejdningsmetode til den alternative proteinindustri.

Prof. Dr. Tomas Kurz står selvsikkert med armene over kors og deler ud af sin viden om bæredygtig proteinproduktion hos ProteinDistillery GmbH.

Om forfatteren

Prof. Dr. Tomas Kurz har en grad i bryggeri- og drikkevareteknologi fra det tekniske universitet i München. Efter at have afsluttet sin ph.d. i bioprocesteknik blev han udnævnt til juniorprofessor i fødevareprocesteknik ved Berlins Tekniske Universitet. Han har omfattende industriel erfaring som forsknings- og udviklingschef i forskellige virksomheder med speciale i alternative proteiner, udvikling af fermenteringsprocesser, hydrokolloider og veganske fødevaresystemer.

Som teknisk direktør for et produktionsanlæg for hydrokolloider var han ansvarlig for planlægning af udstyr, vedligeholdelse og reparation, personaleledelse og produktion med over 100 ansatte under hans ledelse. Som produkt- og driftschef er han nu ansvarlig for applikationsteknologien for de fremstillede produkter samt overførslen af processer fra laboratoriet til pilot- og industriskala.

Del denne historie: