Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Vegán fehérjék előállítása a hőanalízis és a reológia segítségével
Prof. Dr. Tomas Kurz, ProteinDistillery GmbH, Ostfildern, Németország, ügyfélsikertörténete a kiváló funkcionalitású és táplálkozási tulajdonságokkal rendelkező cleanlabel fehérje-összetevők előállításáról
A ProteinDistillery GmbH egy stuttgarti székhelyű start-up vállalkozás, amely fenntartható feldolgozási módszerével forradalmasítja az alternatív fehérjeipart. A vállalat kiváló minőségű vegán fehérjét állít elő egy egyedülálló finomítási eljárással. A fehérje előállítása az egyik legrégebbi emberi kultúrtechnikán, az erjesztésen alapul.
A ProteinDistillery GmbH-ról és az alternatív fehérjepiacról
A ProteinDistillery GmbH a sörgyártás melléktermékét használja fel, és a sörélesztőt funkcionális építőelemekre bontja az értékes természetes fehérje kinyerése érdekében (1. ábra). Az így nyert fehérje figyelemre méltó, a tojásfehérjéhez hasonló technikai-funkcionális tulajdonságokkal rendelkezik, így az élelmiszeriparban is felhasználhatóvá válik.
Az állati eredetű élelmiszerek, mint a hús, a tojás és a tej, a globális CO₂-kibocsátás és a földhasználat nagy részéért felelősek. Ezért szükséges, hogy fogyasztási szokásainkat alternatívák irányába változtassuk meg. Ebben a tekintetben az alternatív fehérjék piaca az előrejelzések szerint 2035-re a 30 milliárd USD körüli globális volumenről 300 milliárd USD-re fog nőni*. Az alternatív fehérjepiac legnagyobb része növényi alapú. Amikor azonban megnézzük a rendelkezésre álló termékeket, gyakran csalódunk, mivel az állati eredetű fehérjék tulajdonságai az élelmiszerekben a textúra kialakulása, az íz és a tápanyagtartalom tekintetében sokkal jobbak, mint a növényi eredetű fehérjék, például a borsó és a szója tulajdonságai. Az íz és a funkcionalitás hiányát olyan élelmiszer-adalékanyagokkal kell kompenzálni, mint a metil-cellulóz vagy az aromakomponensek.
* Blue Horizon & BCG elemzés 2021, Food for Thought: A fehérje átalakulása | BCG
A ProteinDistillery GmbH termékei
A ProteinDistillery GmbH fehérjéket állít elő mikroorganizmusokból, például élesztőből, különösen sörélesztőből. Ezzel a megközelítéssel az állati eredetű fehérjék, például a tojásfehérje fehérjéjének funkcionális tulajdonságait a lehető legfenntarthatóbb módon tudjuk reprodukálni. Fehérjéink alapvetően úgy viselkednek, mint a tojás, ami az élelmiszeriparban az arany standard. Ezért fehérjekészítményeinket az élelmiszeripari alkalmazások széles területén lehet felhasználni, például húspótló rendszerekben, tojáspótlókban, például rántottában, vagy süteményekben és sajtokban.
Termékünk olyan tulajdonságai révén járul hozzá ügyfeleink végtermékéhez, mint az emulziós képesség, a zselésedés és a sűrítés. Emellett konzisztens fizikai tulajdonságokat kell biztosítanunk, hogy termékeink feldolgozhatóságát biztosítsuk. Ezért rendkívül fontos, hogy mindent tudjunk a por szerkezetéről, valamint a termékünk reológiai és denaturációs tulajdonságairól.
Minden egyes élelmiszeripari alkalmazáshoz a szükséges technofunkcionális tulajdonságok kombinációja létezik. A növényi alapú tojásanalógok előállításához az oldhatóság, a zselésedési viselkedés és az emulgeáló tulajdonságok fontosak, míg a pékárukban a tojás helyettesítéséhez a habzási és emulgeáló tulajdonságok döntőbbek (2. ábra).
A denaturációs hőmérséklet meghatározása
A fehérje denaturációja szerkezeti változást ír le. Az élesztőfehérjék denaturációja differenciál pásztázó kalorimetriával, DSC-vel mérhető (3. ábra), amit az első melegítésen belül a 40°C és 80°C közötti hőmérséklet-tartományban az EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatások, valamint a fehérjeoldat reológiai viselkedésének jellemzése szemléltet (4. ábra). A denaturáció kezdő hőmérsékletén (DSC) a belső viszkozitás (reométer) jelentősen megnő. A második melegítési lépésben nem tapasztalható denaturáció és állandóan magas viszkozitási szint. Ezenkívül a NETZSCH DSC-kísérletek alapján kinetikai modelleket lehet alkotni a fehérje denaturációs sebességére különböző fűtési hőmérsékleteken. Ezek a modellek olyan fűtési profilok (hőmérséklet-idő kombinációk) meghatározására szolgálnak, amelyek a fehérje zselésedése nélkül hatástalanítják a mikroorganizmusokat, és így lehetővé teszik a pasztőrözést a fehérjékre gyakorolt lehető legkisebb hatással. A kinetikai modellek a zselésített termékek gélképződésének optimalizálására is felhasználhatók.
Modellalapú szimulációés optimalizálásaKonverziójának optimalizálása egy pasztörizálóbanFolyamat felhasználásával Kinetics Neo
A pasztőrözés általános célja a termék eltarthatósági idejének meghosszabbítása az összes nem spóraképző patogén baktérium és a vegetatív romlást okozó mikroorganizmusok többségének hatástalanítása, valamint a mikrobiális és enzimaktivitás gátlása vagy leállítása révén. A hőkezelés során azonban a fehérjék elveszítik technológiai-funkcionális tulajdonságaik egy részét, például a zselésítő vagy emulgeáló képességüket. Ezért, különösen a ProteinDistillery GmbH funkcionális fehérjetermékei esetében, rendkívül fontos a hőkezelés során bekövetkező denaturációs/átalakulási viselkedésről szóló ismeretek megszerzése, hogy olyan feldolgozási módokat találjunk, amelyek lehetővé teszik a fehérje ipari felhasználóinak, hogy terméküket pasztőrözzék (pl. alternatív sajttermékek), és a fehérjék funkcionális tulajdonságait a lehető legnagyobb mértékben megőrizzék.
Asztal. 1.
A szakaszos pasztőrözés, a magas hőmérsékletű, rövid ideig tartó pasztőrözés (HTST), az ultrapasztőrözés és az ultramagas hőmérsékletű kezelés (UHT) szimulációs hőmérsékletei és ideje.
Itt a Kinetics Neo, a NETZSCH által kifejlesztett szimulációs és optimalizációs szoftveres megoldást használtuk a kinetikus reakciók leírására.
Az élelmiszeriparban használt szabványos paramétereket választottuk a termékek vagy a fehérjeoldat hőkezelésének alapjául. Az 1. táblázat áttekintést ad ezekről a standard paraméterekről. A pasztőrözési rendszerek történhetnek alacsony hőmérsékleten, például 65 °C-on 30 percig, vagy csak 1-2 másodpercig, magasabb, 100 °C-os vagy akár 138 °C-os hőmérsékleten.
Az 5. ábra egy példát mutat egy alkalmazott hőmérsékleti profilra a DSC-jelek és a fehérjefrakció ezzel kapcsolatos átalakulásának elemzéséhez és előrejelzéséhez. A bal oldali ábrán példaként egy 5 K/perc fűtési sebességű mérés hőmérsékleti profilja látható. A jobb oldali diagram a DSC válaszjeleit mutatja 5, 20 és 50 K/perc fűtési sebesség esetén, amelyek a fehérjeoldatban lejátszódó átalakulási folyamatokat reprezentálják.
Az 50 K/perc fűtési sebességek lényegesen nagyobb DSC-jelet eredményeznek, mint a vizsgált alacsonyabb fűtési sebességek. Ezen DSC-jelek alapján sikerült felállítani egy idő- és hőmérsékletfüggő modellt az átalakulási sebességre; ez az alapja a 6. ábrán látható modellalapú szimulációs futtatásoknak.
Itt az 1. táblázatban szereplő pasztőrözési rezsimeket szimuláltuk. A 65 °C-on végzett szakaszos pasztőrözés 3 perc és 50 s után kb. 90%-os konverziós arányt eredményezett, ami a szükséges 30 percnek csak egy részét tette ki small. A 72°C-on végzett magas hőmérsékletű, rövid ideig tartó pasztőrözés (HTST) a fehérje 27%-os átalakulását eredményezte a megcélzott 15 másodperces kezelés után. A 138°C-on végzett ultramagas hőmérsékletű (UHT) kezelés szintén túlságosan magas, 90%-os konverziós arányt eredményezett 1 s pasztőrözés után.
A 89°C és 100°C közötti hőmérséklet-tartományban végzett ultra-pasztőrözés azonban ígéretes eredményeket mutatott. Például 1 s kezelési idő után 89°C-on 2,8%-os, illetve 96°C-on 7,1%-os konverzió következett be.
A szimulációk ellenőrzése érdekében a 7. ábrán megadott hőmérsékleti profil alapján számított DSC jelet összehasonlítottuk egy valós mérési görbével.
Összefoglaló
Ezen eredmények alapján sikerült megtalálni egy ügyfél-feldolgozó üzem számára a megvalósítható feldolgozási ablakot, és a ProteinDistillery GmbH élesztőfehérjét az adott üzemben alkalmazni, beleértve a hőkezelési lépést is.
A modellt kísérleti adatokkal is sikerült validálni. A 7. ábra példaként egy hőmérsékleti profilt (fent), a modellalapú szimulációs adatokat (középen) és a kísérleti DSC-méréseket mutatja. A modellalapú szimuláció jól leírja a kísérleti adatokat. Ezért ez a modell a szóban forgó alkalmazási területre érvényesnek tekinthető.
Kedves Kurz úr, köszönjük, hogy betekintést nyerhettünk a kutatómunkájába, és büszkék vagyunk arra, hogy analitikai műszereinkkel hozzájárulhatunk az alternatív fehérjeipar fenntartható feldolgozási módszeréhez.
A szerzőről
Prof. Dr. Tomas Kurz a Müncheni Műszaki Egyetemen szerzett sör- és italtechnológiai diplomát. A biotechnológiában szerzett doktori fokozatát követően a Berlini Műszaki Egyetem élelmiszeripari folyamatmérnöki tanszékének junior professzorává nevezték ki. Kutatási és fejlesztési vezetőként különböző vállalatoknál szerzett széleskörű ipari tapasztalatot, szakterülete az alternatív fehérjék, az erjesztési folyamatok fejlesztése, a hidrokolloidok és a vegán élelmiszerrendszerek.
Egy hidrokolloidgyártó üzem műszaki igazgatójaként a berendezések tervezéséért, karbantartásáért és javításáért, a személyzet irányításáért és a termelésért volt felelős, több mint 100 alkalmazottal az irányítása alatt. Termék- és üzemeltetési vezetőként most a gyártott termékek alkalmazástechnológiájáért, valamint a folyamatok laboratóriumi léptékből kísérleti és ipari léptékbe történő átviteléért felel.