Povestea de succes a clientului
Producția de proteine vegane cu ajutorul analizei termice și al reologiei
O poveste de succes a clientului de către Prof. Dr. Tomas Kurz, ProteinDistillery GmbH, Ostfildern, Germania despre crearea de ingrediente proteice cu etichetă curată cu funcționalitate și proprietăți nutriționale superioare
ProteinDistillery GmbH este un start-up din Stuttgart care revoluționează industria proteinelor alternative cu metoda sa de procesare durabilă. Compania produce proteine vegane de înaltă calitate prin intermediul unui proces unic de rafinare. Producția de proteine se bazează pe una dintre cele mai vechi tehnici culturale umane - fermentarea.
Despre ProteinDistillery GmbH și piața proteinelor alternative
ProteinDistillery GmbH utilizează un produs secundar al industriei berii și descompune drojdia de bere în blocuri funcționale pentru a extrage proteinele naturale valoroase (figura 1). Proteina rezultată prezintă proprietăți tehnico-funcționale remarcabile, comparabile cu cele ale proteinei din ou, ceea ce o face o opțiune viabilă pentru utilizarea în industria alimentară.
Alimentele de origine animală precum carnea, ouăle și laptele sunt responsabile pentru o mare parte din emisiile globale de CO₂ și din utilizarea terenurilor. Prin urmare, este necesar să ne schimbăm comportamentul de consum către alternative. În acest sens, se preconizează că piața proteinelor alternative va crește de la un volum global de aproximativ 30 de miliarde USD la 300 de miliarde USD în 2035*. Cea mai mare parte a pieței proteinelor alternative este bazată pe plante. Cu toate acestea, atunci când ne uităm la produsele disponibile, suntem adesea dezamăgiți, deoarece proprietățile proteinelor de origine animală din alimente în ceea ce privește formarea texturii, gustul și nutriția sunt mult mai bune decât proprietățile proteinelor de origine vegetală, cum ar fi mazărea și soia. O compensare a lipsei de gust și funcționalitate trebuie făcută prin utilizarea unor aditivi alimentari precum metil-celuloza sau componente aromatice.
* Analiza Blue Horizon & BCG 2021, Food for Thought: Transformarea proteinelor | BCG
Produse ProteinDistillery GmbH
ProteinDistillery GmbH produce proteine din microorganisme precum drojdia, în special drojdia de bere. Prin această abordare, putem reproduce proprietățile funcționale ale proteinelor de origine animală, cum ar fi proteina din albuș de ou, în modul cel mai durabil. Proteina noastră se comportă în principal ca un ou, care este standardul de aur în industria alimentară. Prin urmare, preparatele noastre proteice pot fi utilizate într-un domeniu larg de aplicații alimentare, cum ar fi sistemele de înlocuire a cărnii, înlocuitorii ouălor, cum ar fi ouăle amestecate, sau produse de patiserie și brânză.
Produsul nostru contribuie la produsul final al clientului nostru prin proprietățile sale precum capacitatea de emulsie, gelificare și îngroșare. De asemenea, trebuie să oferim proprietăți fizice constante pentru a asigura procesabilitatea produselor noastre. Prin urmare, este de cea mai mare importanță să știm totul despre structura pulberii, precum și despre proprietățile reologice și de denaturare ale produsului nostru.
Pentru fiecare aplicație alimentară, există o combinație de proprietăți tehnico-funcționale necesare. Pentru producerea analogilor de ouă pe bază de plante, solubilitatea, comportamentul gelifiant și proprietățile emulsifiante sunt importante, în timp ce spumarea și proprietățile emulsifiante sunt mai cruciale pentru înlocuirea ouălor în produsele de panificație (figura 2).
Determinarea temperaturii de denaturare
Denaturarea unei proteine descrie o modificare structurală. Denaturarea proteinelor de drojdie poate fi măsurată cu ajutorul Calorimetriei diferențiale cu baleiaj, DSC (figura 3), ilustrată prin efecte EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice în intervalul de temperatură cuprins între 40 °C și 80 °C în cadrul primei încălziri, precum și prin caracterizarea comportamentului reologic al soluției proteice (figura 4). La temperatura de debut a denaturării (DSC), vâscozitatea intrinsecă (reometru) crește semnificativ. În a doua etapă de încălzire, nu se observă denaturare și se poate observa un nivel constant ridicat de vâscozitate. În plus, este posibil să se creeze modele cinetice pentru rata de denaturare a proteinei la diferite temperaturi de încălzire pe baza experimentelor DSC NETZSCH. Aceste modele sunt utilizate pentru a defini profiluri de încălzire (combinații temperatură-timp) care vor dezactiva microorganismele fără a gelifica proteinele și, astfel, vor permite pasteurizarea cu cel mai mic impact posibil asupra proteinelor. Modelele cinetice pot fi, de asemenea, utilizate pentru optimizarea formării gelului în produsele gelificate.
Simularea pe bază de modelși optimizarea conversiei proteinelorÎn procesul de pasteurizareFolosind Kinetics Neo
Obiectivul general al pasteurizării este acela de a prelungi durata de valabilitate a produsului prin dezactivarea tuturor bacteriilor patogene care nu formează spori și a majorității microorganismelor vegetative de alterare, precum și prin inhibarea sau oprirea activității microbiene și enzimatice. Cu toate acestea, în timpul tratamentului termic, proteinele își pierd o parte din proprietățile lor tehnico-funcționale, cum ar fi capacitatea de gelificare sau de emulsionare. Prin urmare, în special pentru produsul proteic funcțional al ProteinDistillery GmbH, este extrem de important să se cunoască comportamentul de denaturare/conversie în timpul tratamentului termic pentru a găsi regimuri de procesare care să permită utilizatorilor industriali de proteine să își pasteurizeze produsul (de exemplu, produse de brânză alternative) și să păstreze proprietățile funcționale ale proteinelor cât mai mult posibil.
Tabel. 1.
Temperaturi și timpi de simulare pentru pasteurizarea discontinuă, pasteurizarea de scurtă durată la temperatură ridicată (HTST), pasteurizarea ultra și tratamentul la temperatură ultra ridicată (UHT).
Aici, am utilizat Kinetics Neo, o soluție software de simulare și optimizare dezvoltată de NETZSCH, pentru a descrie reacțiile cinetice.
Parametrii standard utilizați în industria alimentară au fost aleși ca bază pentru tratamentul termic al produselor sau al soluției proteice. Tabelul 1 oferă o prezentare generală a acestor parametri standard. Regimurile de pasteurizare pot avea loc la temperaturi scăzute, cum ar fi 65°C timp de 30 de minute, sau timp de numai 1 până la 2 secunde la temperaturi mai ridicate de 100°C sau chiar 138°C.
Figura 5 prezintă un exemplu de profil de temperatură aplicat pentru analiza și predicția semnalelor DSC și a conversiei aferente care are loc în fracția proteică. În diagrama din stânga, profilul de temperatură al unei măsurători la o rată de încălzire de 5 K/min este afișat ca exemplu. Diagrama din dreapta ilustrează semnalele de răspuns în DSC pentru viteze de încălzire de 5, 20 și 50 K/min, care reprezintă procese de conversie în soluția proteică.
Ratele de încălzire de 50 K/min duc la un semnal DSC semnificativ mai mare decât ratele de încălzire considerate mai mici. Pe baza acestor semnale DSC, a fost posibil să se stabilească un model dependent de timp și temperatură pentru rata de conversie; acesta este baza pentru simulările bazate pe model prezentate în figura 6.
Aici sunt simulate regimurile de pasteurizare din tabelul 1. O pasteurizare discontinuă la 65 °C a produs o rată de conversie de aproximativ 90 % după 3 min și 50 s, ceea ce a reprezentat doar o parte small din cele 30 min necesare. O pasteurizare de scurtă durată la temperatură ridicată (HTST) la 72°C a dus la o conversie de 27% din proteină după cele 15 s de tratament prevăzute. De asemenea, un tratament la temperatură ultra-înaltă (UHT) la 138°C a dus la o rată de conversie excesiv de ridicată, de 90% după 1 s de pasteurizare.
Cu toate acestea, regimurile de ultrapasteurizare la o temperatură cuprinsă între 89°C și 100°C au prezentat rezultate promițătoare. După un timp de tratare de 1 s, de exemplu, s-au înregistrat conversii de 2,8% și 7,1% la 89°C și, respectiv, 96°C.
Pentru a verifica simulările, un semnal DSC calculat pe baza profilului de temperatură prezentat în figura 7 a fost comparat cu o curbă de măsurare reală.
Rezumat
Pe baza acestor rezultate, a fost posibil să se găsească o fereastră de procesare practicabilă pentru o instalație de procesare a clientului și să se aplice proteina de drojdie de la ProteinDistillery GmbH la instalația respectivă, inclusiv etapa de tratament termic.
De asemenea, a fost posibilă validarea modelului cu date experimentale. Ca exemplu, figura 7 prezintă un profil de temperatură (sus), date de simulare bazate pe model (mijloc) și măsurători experimentale DSC. Simularea bazată pe model descrie bine datele experimentale. Prin urmare, acest model poate fi considerat valabil pentru domeniul de aplicare în cauză.
Stimate domnule Kurz, am dori să vă mulțumim pentru prezentarea activității dumneavoastră de cercetare și suntem mândri că putem contribui cu instrumentele noastre analitice la o metodă de prelucrare durabilă pentru industria proteinelor alternative.
Despre autor
Prof. Dr. Tomas Kurz este licențiat în tehnologia fabricării berii și a băuturilor de la Universitatea Tehnică din München. După ce și-a finalizat doctoratul în ingineria bioproceselor, a fost numit profesor debutant de inginerie a proceselor alimentare la Universitatea Tehnică din Berlin. Are o vastă experiență industrială în calitate de director de cercetare și dezvoltare la diferite companii, specializat în proteine alternative, dezvoltarea proceselor de fermentare, hidrocoloizi și sisteme alimentare vegane.
În calitate de director tehnic al unei unități de producție de hidrocoloizi, a fost responsabil de planificarea, întreținerea și repararea echipamentelor, de gestionarea personalului și de producție cu peste 100 de angajați sub conducerea sa. În calitate de șef de produs și operațiuni, el este acum responsabil de tehnologia de aplicare a produselor fabricate, precum și de transferul proceselor de la laborator la scară pilot și industrială.