고객 성공 사례
열 분석을 통한 비건 단백질 생산
독일 오스트필데른에 위치한 ProteinDistillery GmbH의 토마스 쿠르츠 박사가 우수한 기능성과 영양 특성을 갖춘 클린 라벨 단백질 원료 개발에 대한 고객 성공 사례를 소개합니다
프로틴디스틸러리는 슈투트가르트에 본사를 둔 스타트업으로, 지속 가능한 가공 방식으로 대체 단백질 산업에 혁신을 일으키고 있습니다. 이 회사는 독특한 정제 공정을 통해 고품질 비건 단백질을 생산합니다. 단백질 생산은 인류의 가장 오래된 문화 기술 중 하나인 발효를 기반으로 합니다.
프로틴디스틸러리와 대체 단백질 시장 소개
프로테인디스틸러리는 양조 산업의 부산물을 사용하여 맥주 효모를 기능성 빌딩 블록으로 분해하여 귀중한 천연 단백질을 추출합니다(그림 1). 이렇게 추출한 단백질은 달걀 단백질에 필적하는 놀라운 기능성 특성을 보여 식품 산업에서 사용할 수 있는 대안이 될 수 있습니다.
육류, 달걀, 우유와 같은 동물성 식품은 전 세계 이산화탄소 배출과 토지 사용의 큰 부분을 차지합니다. 따라서 대체 식품으로 소비 행태를 바꾸는 것이 필요합니다. 이와 관련하여 대체 단백질 시장은 전 세계적으로 약 300억 달러 규모에서 2035년 3,000억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다*. 대체 단백질 시장의 주요 부분은 식물성 단백질입니다. 하지만 시중에 나와 있는 제품들을 살펴보면 식감, 맛, 영양 면에서 동물성 단백질의 특성이 완두콩이나 콩과 같은 식물성 단백질의 특성보다 훨씬 우수하기 때문에 실망하는 경우가 많습니다. 메틸셀룰로오스나 아로마 성분과 같은 식품 첨가물을 사용하여 맛과 기능성의 부족을 보완해야 합니다.
* 블루 호라이즌 & BCG 분석 2021, 생각을 위한 음식: 단백질의 변신 | BCG
프로틴디스틸러리 GmbH의 제품
프로틴디스틸러리는 효모, 특히 맥주 효모와 같은 미생물에서 단백질을 생산하고 있습니다. 이러한 접근 방식을 통해 달걀 흰자 단백질과 같은 동물성 단백질의 기능적 특성을 가장 지속 가능한 방식으로 재현할 수 있습니다. 당사의 단백질은 기본적으로 식품 산업의 표준인 달걀처럼 작동합니다. 따라서 당사의 단백질 제제는 육류 대체 시스템, 스크램블 에그와 같은 계란 대체 식품, 페이스트리 및 치즈와 같은 광범위한 식품 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
당사의 제품은 에멀젼 용량, 겔화 및 농축과 같은 특성을 통해 고객의 최종 제품에 가치를 더합니다. 또한 제품의 가공성을 보장하기 위해 일관된 물리적 특성을 제공해야 합니다. 따라서 제품의 유변학 및 변성 특성뿐만 아니라 분말 구조에 대한 모든 것을 아는 것이 가장 중요합니다.
각 식품 응용 분야마다 필요한 기술-기능적 특성의 조합이 있습니다. 식물성 계란 유사체 생산의 경우 용해도, 겔화 거동 및 유화 특성이 중요하며, 베이커리 제품의 계란 대체품의 경우 발포 및 유화 특성이 더 중요합니다(그림 2).
변성 온도 결정
단백질의 변성은 구조적 변화를 의미합니다. 효모 단백질의 변성은 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정할 수 있으며(그림 3), 첫 가열 시 40°C에서 80°C 사이의 온도 범위에서 나타나는 흡열 효과와 단백질 용액의 유변학적 거동 특성으로 설명할 수 있습니다(그림 4). 변성 시작 온도(DSC)에서 고유 점도(레오미터)가 크게 증가합니다. 두 번째 가열 단계에서는 변성이 일어나지 않고 일정한 고점도 수준을 볼 수 있습니다. 또한 NETZSCH DSC 실험을 기반으로 다양한 가열 온도에서 단백질의 변성 속도에 대한 동역학 모델을 만들 수 있습니다. 이러한 모델은 단백질을 겔화하지 않고 미생물을 비활성화하여 단백질에 미치는 영향을 최소화하면서 저온 살균을 가능하게 하는 가열 프로파일(온도-시간 조합)을 정의하는 데 사용됩니다. 동역학 모델은 겔화된 제품의 겔 형성을 최적화하는 데에도 사용할 수 있습니다.
모델 기반 시뮬레이션및 단백질 최적화저온 살균에서의 전환프로세스 사용 Kinetics Neo
저온 살균의 일반적인 목적은 포자를 형성하지 않는 모든 병원성 박테리아와 대부분의 식물성 부패 미생물을 비활성화하고 미생물 및 효소 활동을 억제하거나 중단하여 제품 유통기한을 연장하는 것입니다. 그러나 열처리 과정에서 단백질은 겔화 또는 유화 능력과 같은 기술적 기능성의 일부를 잃게 됩니다. 따라서 단백질의 산업 사용자가 제품(예: 대체 치즈 제품)을 저온 살균하고 단백질의 기능적 특성을 최대한 보존할 수 있는 처리 방식을 찾기 위해서는 열처리 중 변성/변환 거동에 대한 지식을 습득하는 것이 가장 중요합니다.
표. 1.
일괄 저온 살균, 고온 단시간 저온 살균(HTST), 초고온 살균 및 초고온 처리(UHT)에 대한 시뮬레이션 온도 및 시간입니다.
여기서는 NETZSCH 에서 개발한 시뮬레이션 및 최적화 소프트웨어 솔루션인 Kinetics Neo 을 사용하여 동역학 반응을 설명했습니다.
식품 산업에서 사용되는 표준 파라미터는 제품 또는 단백질 용액의 열처리를 위한 기준으로 선택되었습니다. 표 1은 이러한 표준 파라미터에 대한 개요를 제공합니다. 저온 살균은 65°C와 같은 저온에서 30분 동안 진행하거나 100°C 또는 138°C의 고온에서 1~2초 동안만 진행할 수 있습니다.
그림 5는 DSC 신호의 분석 및 예측과 이와 관련하여 발생하는 단백질 분획의 변환에 적용된 온도 프로파일의 예를 보여줍니다. 왼쪽 다이어그램에는 5 K/min의 가열 속도에서 측정한 온도 프로파일이 예시로 표시되어 있습니다. 오른쪽 다이어그램은 단백질 용액의 변환 과정을 나타내는 5, 20 및 50 K/min의 가열 속도에 대한 DSC의 반응 신호를 보여줍니다.
50 K/min의 가열 속도는 낮은 가열 속도보다 훨씬 더 큰 DSC 신호를 생성합니다. 이러한 DSC 신호를 기반으로 전환율에 대한 시간 및 온도 의존적 모델을 설정할 수 있었으며, 이는 그림 6에 표시된 모델 기반 시뮬레이션 실행의 기초가 됩니다.
여기에서는 표 1의 저온 살균 체제를 시뮬레이션했습니다. 65°C에서 일괄 저온 살균한 결과 3분 50초 후 약 90%의 전환율을 보였는데, 이는 필요한 30분의 small 일부에 불과했습니다. 72°C에서 고온 단시간 저온 살균(HTST)을 실시한 결과 목표한 15초 처리 후 27%의 단백질이 전환되었습니다. 또한 138°C에서 초고온(UHT)으로 처리한 결과 1초 저온 살균 후 90%의 지나치게 높은 전환율을 보였습니다.
그러나 89°C~100°C 온도 범위의 초고온 살균 방식은 유망한 결과를 보여주었습니다. 예를 들어 1초의 처리 시간 후 89°C와 96°C에서 각각 2.8%와 7.1%의 전환율이 발생했습니다.
시뮬레이션을 검증하기 위해 그림 7에 제시된 온도 프로파일을 기반으로 계산된 DSC 신호를 실제 측정 곡선과 비교했습니다.
요약
이러한 결과를 바탕으로 고객 가공 공장에서 실행 가능한 처리 기간을 찾고 열처리 단계를 포함하여 각 공장에 ProteinDistillery GmbH의 효모 단백질을 적용하는 것이 가능했습니다.
또한 실험 데이터로 모델을 검증할 수 있었습니다. 예를 들어 그림 7은 온도 프로파일(위쪽), 모델 기반 시뮬레이션 데이터(가운데) 및 실험 DSC 측정값을 보여줍니다. 모델 기반 시뮬레이션은 실험 데이터를 잘 설명합니다. 따라서 이 모델은 해당 애플리케이션 분야에 유효한 것으로 간주할 수 있습니다.
Kurz 씨, 귀하의 연구 작업에 대한 통찰력에 감사드리며, 당사의 분석 장비를 통해 대체 단백질 산업의 지속 가능한 가공 방법에 기여할 수 있게 되어 자랑스럽게 생각합니다.
저자 소개
토마스 쿠르츠 교수는 뮌헨 공과대학교에서 양조 및 음료 기술 학위를 받았습니다. 바이오 공정 공학 박사 학위를 취득한 후 베를린 공과대학교 식품 공정 공학 부교수로 임용되었습니다. 그는 대체 단백질, 발효 공정 개발, 하이드로콜로이드 및 비건 식품 시스템을 전문으로 하는 다양한 회사에서 연구 개발 관리자로서 폭넓은 산업 경험을 쌓았습니다.
하이드로콜로이드 생산 시설의 기술 책임자로서 장비 계획, 유지보수 및 수리, 인사 관리, 100명 이상의 직원과 함께 생산을 담당했습니다. 현재는 제품 및 운영 책임자로서 제조된 제품의 응용 기술뿐만 아니라 실험실에서 파일럿 및 산업 규모로 공정을 이전하는 업무를 담당하고 있습니다.