Ιστορία επιτυχίας πελάτη
Παραγωγή Vegan πρωτεϊνών με τη βοήθεια της θερμικής ανάλυσης και της ρεολογίας
Μια ιστορία επιτυχίας πελάτη από τον Prof. Dr. Tomas Kurz, ProteinDistillery GmbH, Ostfildern, Γερμανία, σχετικά με τη δημιουργία πρωτεϊνικών συστατικών καθαρής ετικέτας με ανώτερη λειτουργικότητα και διατροφικές ιδιότητες
Η ProteinDistillery GmbH είναι μια νεοσύστατη επιχείρηση με έδρα τη Στουτγάρδη που φέρνει επανάσταση στη βιομηχανία εναλλακτικών πρωτεϊνών με τη βιώσιμη μέθοδο επεξεργασίας της. Η εταιρεία παράγει υψηλής ποιότητας vegan πρωτεΐνη μέσω μιας μοναδικής διαδικασίας εξευγενισμού. Η παραγωγή της πρωτεΐνης βασίζεται σε μία από τις παλαιότερες ανθρώπινες πολιτιστικές τεχνικές - τη ζύμωση.
Σχετικά με την ProteinDistillery GmbH και την αγορά εναλλακτικών πρωτεϊνών
Η ProteinDistillery GmbH χρησιμοποιεί ένα υποπροϊόν της βιομηχανίας ζυθοποιίας και διασπά τη μαγιά μπύρας σε λειτουργικά δομικά στοιχεία για την εξαγωγή της πολύτιμης φυσικής πρωτεΐνης (Εικόνα 1). Η πρωτεΐνη που προκύπτει παρουσιάζει αξιοσημείωτες τεχνο-λειτουργικές ιδιότητες που είναι συγκρίσιμες με εκείνες της πρωτεΐνης αυγού, καθιστώντας την μια βιώσιμη επιλογή για χρήση στη βιομηχανία τροφίμων.
Τα τρόφιμα ζωικής προέλευσης, όπως το κρέας, τα αυγά και το γάλα, είναι υπεύθυνα για ένα μεγάλο μέρος των παγκόσμιων εκπομπών CO₂ και της χρήσης γης. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να αλλάξουμε την καταναλωτική μας συμπεριφορά προς εναλλακτικές λύσεις. Από την άποψη αυτή, η αγορά εναλλακτικών πρωτεϊνών προβλέπεται να αυξηθεί από έναν παγκόσμιο όγκο περίπου 30 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ σε 300 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2035*. Το μεγαλύτερο μέρος της αγοράς εναλλακτικών πρωτεϊνών είναι φυτικής προέλευσης. Ωστόσο, όταν ρίχνουμε μια ματιά στα διαθέσιμα προϊόντα, συχνά απογοητευόμαστε, καθώς οι ιδιότητες των πρωτεϊνών ζωικής προέλευσης στα τρόφιμα όσον αφορά τον σχηματισμό υφής, τη γεύση και τη θρέψη είναι πολύ καλύτερες από τις ιδιότητες των πρωτεϊνών φυτικής προέλευσης, όπως το μπιζέλι και η σόγια. Η αντιστάθμιση της έλλειψης γεύσης και λειτουργικότητας πρέπει να γίνει με τη χρήση πρόσθετων τροφίμων όπως η μεθυλοκυτταρίνη ή τα συστατικά αρώματος.
* Ανάλυση Blue Horizon & BCG 2021, Food for Thought: The Protein Transformation | BCG
Προϊόντα της ProteinDistillery GmbH
Η ProteinDistillery GmbH παράγει πρωτεΐνες από μικροοργανισμούς όπως η μαγιά, ειδικά η μαγιά της ζυθοποιίας. Με αυτή την προσέγγιση, μπορούμε να αναπαράγουμε τις λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών ζωικής προέλευσης, όπως η πρωτεΐνη ασπράδι αυγού, με τον πιο βιώσιμο τρόπο. Η πρωτεΐνη μας συμπεριφέρεται κατ' αρχήν όπως το αυγό, το οποίο αποτελεί το χρυσό πρότυπο στη βιομηχανία τροφίμων. Ως εκ τούτου, τα πρωτεϊνικά μας παρασκευάσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών τροφίμων, όπως συστήματα υποκατάστασης κρέατος, υποκατάστατα αυγών, όπως η ομελέτα, ή γλυκά και τυριά.
Το προϊόν μας προσθέτει στο τελικό προϊόν του πελάτη μας μέσω των ιδιοτήτων του, όπως η ικανότητα γαλακτώματος, το πήκτωμα και η πύκνωση. Επίσης, πρέπει να παρέχουμε σταθερές φυσικές ιδιότητες για να διασφαλίσουμε τη δυνατότητα επεξεργασίας των προϊόντων μας. Ως εκ τούτου, είναι υψίστης σημασίας να γνωρίζουμε τα πάντα για τη δομή της σκόνης, καθώς και τις ρεολογικές ιδιότητες και τις ιδιότητες μετουσίωσης του προϊόντος μας.
Για κάθε εφαρμογή τροφίμων, υπάρχει ένας συνδυασμός απαραίτητων τεχνικο-λειτουργικών ιδιοτήτων. Για την παραγωγή αναλόγων αυγού φυτικής προέλευσης, η διαλυτότητα, η πηκτική συμπεριφορά και οι γαλακτωματοποιητικές ιδιότητες είναι σημαντικές, ενώ οι ιδιότητες αφρισμού και γαλακτωματοποίησης είναι πιο κρίσιμες για την αντικατάσταση αυγού σε προϊόντα αρτοποιίας (Εικόνα 2).
Προσδιορισμός της θερμοκρασίας μετουσίωσης
Η μετουσίωση μιας πρωτεΐνης περιγράφει μια δομική αλλαγή. Η μετουσίωση των πρωτεϊνών ζύμης μπορεί να μετρηθεί με τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, DSC (Σχήμα 3), που απεικονίζεται με ενδοθερμικά φαινόμενα στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ 40°C και 80°C κατά την πρώτη θέρμανση, καθώς και με τον χαρακτηρισμό της ρεολογικής συμπεριφοράς του πρωτεϊνικού διαλύματος (Σχήμα 4). Στη θερμοκρασία έναρξης της μετουσίωσης (DSC), το εγγενές ιξώδες (ρεόμετρο) αυξάνεται σημαντικά. Στο δεύτερο στάδιο θέρμανσης, δεν παρατηρείται μετουσίωση και ένα σταθερά υψηλό επίπεδο ιξώδους. Επιπλέον, είναι δυνατή η δημιουργία κινητικών μοντέλων για τον ρυθμό μετουσίωσης της πρωτεΐνης σε διαφορετικές θερμοκρασίες θέρμανσης με βάση τα πειράματα NETZSCH DSC. Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό προφίλ θέρμανσης (συνδυασμοί θερμοκρασίας-χρόνου) που θα απενεργοποιήσουν τους μικροοργανισμούς χωρίς να πηκτώσουν την πρωτεΐνη και έτσι θα επιτρέψουν την παστερίωση με τις μικρότερες δυνατές επιπτώσεις στις πρωτεΐνες. Τα κινητικά μοντέλα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη βελτιστοποίηση του σχηματισμού πηκτώματος σε πηκτωματοποιημένα προϊόντα.
Προσομοίωση βασισμένη σε μοντέλακαι βελτιστοποίηση πρωτεϊνώνΜετατροπής σε παστερίωσηΔιαδικασία με τη χρήση Kinetics Neo
Ο γενικός στόχος της παστερίωσης είναι η παράταση της διάρκειας ζωής του προϊόντος με την απενεργοποίηση όλων των μη σπορογόνων παθογόνων βακτηρίων και της πλειονότητας των βλαστικών μικροοργανισμών αλλοίωσης, καθώς και με την αναστολή ή τη διακοπή της μικροβιακής και ενζυμικής δραστηριότητας. Ωστόσο, κατά τη θερμική επεξεργασία, οι πρωτεΐνες χάνουν μέρος των τεχνολειτουργικών ιδιοτήτων τους, όπως η ικανότητα πηκτωματοποίησης ή γαλακτωματοποίησης. Ως εκ τούτου, ειδικά για το λειτουργικό πρωτεϊνικό προϊόν της ProteinDistillery GmbH, είναι υψίστης σημασίας η απόκτηση γνώσεων σχετικά με τη συμπεριφορά μετουσίωσης/μετατροπής κατά τη θερμική επεξεργασία, προκειμένου να βρεθούν καθεστώτα επεξεργασίας που επιτρέπουν στους βιομηχανικούς χρήστες της πρωτεΐνης να παστεριώνουν το προϊόν τους (π.χ. εναλλακτικά τυροκομικά προϊόντα) και να διατηρούν όσο το δυνατόν περισσότερο τις λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών.
Πίνακας. 1.
Θερμοκρασίες και χρόνοι προσομοίωσης για παστερίωση παρτίδας, παστερίωση υψηλής θερμοκρασίας σε σύντομο χρόνο (HTST), υπερπαστερίωση και επεξεργασία σε υπερυψηλή θερμοκρασία (UHT).
Εδώ, χρησιμοποιήσαμε το Kinetics Neo, μια λύση λογισμικού προσομοίωσης και βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε από το NETZSCH, για την περιγραφή κινητικών αντιδράσεων.
Επιλέχθηκαν τυποποιημένες παράμετροι που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων ως βάση για τη θερμική επεξεργασία των προϊόντων ή του πρωτεϊνικού διαλύματος. Ο πίνακας 1 παρέχει μια επισκόπηση αυτών των τυποποιημένων παραμέτρων. Τα καθεστώτα παστερίωσης μπορεί να λαμβάνουν χώρα σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως 65°C για 30 λεπτά, ή για μόνο 1 έως 2 δευτερόλεπτα σε υψηλότερες θερμοκρασίες 100°C ή ακόμη και 138°C.
Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα εφαρμοσμένου προφίλ θερμοκρασίας για την ανάλυση και την πρόβλεψη των σημάτων DSC και της σχετικής μετατροπής που συμβαίνει στο πρωτεϊνικό κλάσμα. Στο αριστερό διάγραμμα εμφανίζεται ως παράδειγμα το προφίλ θερμοκρασίας μιας μέτρησης με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Στο δεξιό διάγραμμα απεικονίζονται τα σήματα απόκρισης στο DSC για ρυθμούς θέρμανσης 5, 20 και 50 K/min, τα οποία αντιπροσωπεύουν διαδικασίες μετατροπής στο πρωτεϊνικό διάλυμα.
Οι ρυθμοί θέρμανσης 50 K/min οδηγούν σε σημαντικά μεγαλύτερο σήμα DSC από τους θεωρούμενους χαμηλότερους ρυθμούς θέρμανσης. Με βάση αυτά τα σήματα DSC, ήταν δυνατόν να δημιουργηθεί ένα μοντέλο που εξαρτάται από το χρόνο και τη θερμοκρασία για το ρυθμό μετατροπής- αυτό αποτελεί τη βάση για τις εκτελέσεις προσομοίωσης με βάση το μοντέλο που παρουσιάζονται στο σχήμα 6.
Εδώ προσομοιώνονται τα καθεστώτα παστερίωσης του πίνακα 1. Μια παστερίωση σε παρτίδες στους 65°C απέδωσε ποσοστό μετατροπής περίπου 90% μετά από 3 λεπτά και 50 δευτερόλεπτα, το οποίο ήταν μόνο ένα μέρος του small των απαραίτητων 30 λεπτών. Μια παστερίωση υψηλής θερμοκρασίας σε σύντομο χρόνο (HTST) στους 72°C οδήγησε σε μετατροπή του 27% των πρωτεϊνών μετά τα 15 δευτερόλεπτα επεξεργασίας που είχαν τεθεί ως στόχος. Επίσης, η επεξεργασία σε Υπερυψηλή Θερμοκρασία (UHT) στους 138°C οδήγησε σε υπερβολικά υψηλό ποσοστό μετατροπής 90% μετά από 1 s παστερίωσης.
Ωστόσο, τα καθεστώτα υπερπαστερίωσης σε εύρος θερμοκρασιών από 89°C έως 100°C έδειξαν υποσχόμενα αποτελέσματα. Μετά από χρόνο επεξεργασίας 1 s, για παράδειγμα, εμφανίστηκαν μετατροπές 2,8% και 7,1% στους 89°C και 96°C, αντίστοιχα.
Προκειμένου να επαληθευτούν οι προσομοιώσεις, ένα υπολογισμένο σήμα DSC με βάση το προφίλ θερμοκρασίας που δίνεται στο Σχήμα 7 συγκρίθηκε με μια πραγματική καμπύλη μέτρησης.
Περίληψη
Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, ήταν δυνατόν να βρεθεί ένα πρακτικά εφαρμόσιμο παράθυρο επεξεργασίας για μια μονάδα επεξεργασίας πελάτη και να εφαρμοστεί η πρωτεΐνη ζύμης της ProteinDistillery GmbH στην αντίστοιχη μονάδα, συμπεριλαμβανομένου του σταδίου θερμικής επεξεργασίας.
Ήταν επίσης δυνατή η επικύρωση του μοντέλου με πειραματικά δεδομένα. Ως παράδειγμα, το Σχήμα 7 δείχνει ένα προφίλ θερμοκρασίας (επάνω), δεδομένα προσομοίωσης βάσει μοντέλου (μέση) και πειραματικές μετρήσεις DSC. Η προσομοίωση με βάση το μοντέλο περιγράφει καλά τα πειραματικά δεδομένα. Επομένως, το μοντέλο αυτό μπορεί να θεωρηθεί έγκυρο για το συγκεκριμένο πεδίο εφαρμογής.
Αγαπητέ κ. Kurz, θα θέλαμε να σας ευχαριστήσουμε για την εικόνα του ερευνητικού σας έργου και είμαστε υπερήφανοι που μπορούμε να συμβάλουμε με τα αναλυτικά μας όργανα σε μια βιώσιμη μέθοδο επεξεργασίας για τη βιομηχανία εναλλακτικών πρωτεϊνών.
Σχετικά με τον συγγραφέα
Ο καθηγητής Dr. Tomas Kurz είναι κάτοχος πτυχίου στην τεχνολογία ζυθοποιίας και ποτών από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Αφού ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στη μηχανική βιολογικών διεργασιών, διορίστηκε ως νεότερος καθηγητής μηχανικής διεργασιών τροφίμων στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου. Διαθέτει εκτεταμένη βιομηχανική εμπειρία ως διευθυντής έρευνας και ανάπτυξης σε διάφορες εταιρείες, με εξειδίκευση στις εναλλακτικές πρωτεΐνες, στην ανάπτυξη διεργασιών ζύμωσης, στα υδροκολλοειδή και στα συστήματα vegan τροφίμων.
Ως τεχνικός διευθυντής μιας μονάδας παραγωγής υδροκολλοειδών, ήταν υπεύθυνος για το σχεδιασμό του εξοπλισμού, τη συντήρηση και την επισκευή, τη διαχείριση του προσωπικού και την παραγωγή με περισσότερους από 100 υπαλλήλους υπό τη διεύθυνσή του. Ως επικεφαλής προϊόντων και λειτουργιών, είναι τώρα υπεύθυνος για την τεχνολογία εφαρμογής των παραγόμενων προϊόντων, καθώς και για τη μεταφορά των διεργασιών από το εργαστήριο στην πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.