История успеха клиента
Производство веганских протеинов с помощью термического анализа и реологии
История успеха клиента от профессора д-ра Томаса Курца, ProteinDistillery GmbH, Остфильдерн, Германия, о создании белковых ингредиентов для чистой маркировки с превосходной функциональностью и питательными свойствами
ProteinDistillery GmbH - это стартап из Штутгарта, который совершает революцию в индустрии альтернативного белка благодаря своему экологичному методу переработки. Компания производит высококачественный веганский протеин с помощью уникального процесса переработки. В основе производства протеина лежит один из древнейших культурных методов человека - ферментация.
О компании ProteinDistillery GmbH и рынке альтернативного белка
Компания ProteinDistillery GmbH использует побочный продукт пивоваренной промышленности и расщепляет пивные дрожжи на функциональные строительные блоки для извлечения ценного природного белка (рис. 1). Полученный белок обладает замечательными технико-функциональными свойствами, сравнимыми с яичным белком, что делает его пригодным для использования в пищевой промышленности.
Продукты питания животного происхождения, такие как мясо, яйца и молоко, ответственны за большую часть глобальных выбросов CO₂ и использования земли. Поэтому необходимо изменить наше потребительское поведение в сторону альтернатив. В связи с этим прогнозируется, что рынок альтернативного белка вырастет с 30 миллиардов долларов США до 300 миллиардов долларов США в 2035 году*. Основную часть рынка альтернативного белка составляют продукты растительного происхождения. Однако, взглянув на доступные продукты, мы часто разочаровываемся, поскольку свойства белков животного происхождения в продуктах питания в отношении формирования текстуры, вкуса и питательности намного лучше, чем свойства растительных белков, таких как горох и соя. Компенсировать недостаток вкуса и функциональности приходится с помощью таких пищевых добавок, как метилцеллюлоза или ароматические компоненты.
* Анализ Blue Horizon и BCG 2021, Пища для размышлений: Белковая трансформация | BCG
Продукция компании ProteinDistillery GmbH
Компания ProteinDistillery GmbH производит белки из микроорганизмов, таких как дрожжи, особенно пивные дрожжи. Благодаря такому подходу мы можем воспроизвести функциональные свойства белков животного происхождения, таких как белок яичного белка, наиболее экологичным способом. Наш белок в основном ведет себя как яйцо, которое является золотым стандартом в пищевой промышленности. Поэтому наши белковые препараты можно использовать в самых разных областях пищевой промышленности, например, в системах заменителей мяса, заменителей яиц, таких как омлет, или в выпечке и сыре.
Наш продукт улучшает конечный продукт клиента благодаря своим свойствам, таким как эмульсионная способность, желирование и загущение. Кроме того, мы должны обеспечивать стабильные физические свойства, чтобы гарантировать технологичность наших продуктов. Поэтому очень важно знать все о структуре порошка, а также о реологических и денатурационных свойствах нашего продукта.
Для каждого пищевого применения существует своя комбинация необходимых технико-функциональных свойств. Для производства растительных аналогов яиц важны растворимость, желирующая способность и эмульгирующие свойства, в то время как для замены яиц в хлебобулочных изделиях более важны пенообразующие и эмульгирующие свойства (рис. 2).
Определение температуры денатурации
Денатурация белка описывает структурные изменения. Денатурация дрожжевых белков может быть измерена с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, ДСК (рис. 3), проиллюстрирована эндотермическими эффектами в диапазоне температур от 40°C до 80°C в течение первого нагревания, а также с помощью характеристики реологического поведения раствора белка (рис. 4). При температуре начала денатурации (ДСК) внутренняя вязкость (реометр) значительно увеличивается. На втором этапе нагревания денатурация не происходит, и наблюдается постоянный высокий уровень вязкости. Кроме того, на основе NETZSCH ДСК-экспериментов можно построить кинетические модели скорости денатурации белка при различных температурах нагрева. Эти модели используются для определения профилей нагрева (сочетания температуры и времени), которые деактивируют микроорганизмы без гелеобразования белка и, таким образом, позволяют проводить пастеризацию с минимальным воздействием на белки. Кинетические модели также могут быть использованы для оптимизации гелеобразования в желированных продуктах.
Моделирование на основе моделеймоделирование и оптимизация белкового процессаОптимизация преобразования белка в процессе пастеризацииПроцесс с использованием Kinetics Neo
Общая цель пастеризации - продлить срок годности продукта за счет деактивации всех неспорообразующих патогенных бактерий и большинства вегетативных микроорганизмов, а также подавления или прекращения активности микроорганизмов и ферментов. Однако при тепловой обработке белки теряют часть своих технико-функциональных свойств, таких как желирующая или эмульгирующая способность. Поэтому, особенно для функционального белкового продукта компании ProteinDistillery GmbH, очень важно получить знания о поведении денатурации/превращения при тепловой обработке, чтобы найти режимы обработки, которые позволят промышленным потребителям белка пастеризовать свой продукт (например, альтернативные сырные продукты) и максимально сохранить функциональные свойства белков.
Таблица. 1.
Моделирование температур и времени для порционной пастеризации, высокотемпературной кратковременной пастеризации (HTST), ультрапастеризации и ультравысокотемпературной обработки (UHT).
Для описания кинетических реакций мы использовали Kinetics Neo, программное решение для моделирования и оптимизации, разработанное компанией NETZSCH.
В качестве основы для термической обработки продуктов или белкового раствора были выбраны стандартные параметры, используемые в пищевой промышленности. В таблице 1 приведен обзор этих стандартных параметров. Режимы пастеризации могут происходить при низких температурах, например 65°C в течение 30 минут, или в течение всего 1-2 секунд при более высоких температурах - 100°C или даже 138°C.
На рисунке 5 показан пример температурного профиля для анализа и прогнозирования сигналов ДСК и связанных с ними превращений белковой фракции. На левой диаграмме в качестве примера показан температурный профиль измерения при скорости нагрева 5 К/мин. Правая диаграмма иллюстрирует сигналы отклика в ДСК при скоростях нагрева 5, 20 и 50 К/мин, которые представляют собой процессы преобразования в растворе белка.
Скорость нагрева 50 К/мин приводит к значительно большему сигналу ДСК, чем при рассмотренных более низких скоростях нагрева. На основе этих сигналов ДСК можно было создать модель скорости превращения, зависящую от времени и температуры; на этой основе были проведены моделирования на основе модели, показанные на рисунке 6.
Здесь моделируются режимы пастеризации, приведенные в таблице 1. При пакетной пастеризации при 65°C степень конверсии составила около 90 % через 3 мин и 50 с, что составляет лишь small часть от необходимых 30 мин. Высокотемпературная кратковременная пастеризация (HTST) при 72°C привела к конверсии 27 % белка после целевых 15 с обработки. Ультравысокотемпературная обработка (UHT) при 138°C также привела к чрезмерно высокой степени конверсии - 90 % через 1 с пастеризации.
Однако режимы ультрапастеризации в диапазоне температур от 89°C до 100°C показали многообещающие результаты. Например, после обработки в течение 1 с конверсия составила 2,8 % и 7,1 % при температурах 89 °C и 96 °C, соответственно.
Чтобы проверить результаты моделирования, рассчитанный сигнал ДСК на основе температурного профиля, приведенного на рис. 7, был сравнен с реальной кривой измерения.
Резюме
На основании этих результатов удалось определить практичное технологическое окно для перерабатывающего предприятия заказчика и применить дрожжевой белок от ProteinDistillery GmbH на соответствующем предприятии, включая этап термообработки.
Также удалось подтвердить модель экспериментальными данными. В качестве примера на рис. 7 показан температурный профиль (вверху), данные моделирования на основе модели (в середине) и экспериментальные измерения ДСК. Имитация на основе модели хорошо описывает экспериментальные данные. Таким образом, эту модель можно считать валидной для рассматриваемой области применения.
Уважаемый господин Курц, мы благодарим вас за знакомство с вашей исследовательской работой и гордимся тем, что можем внести свой вклад с помощью наших аналитических приборов в создание устойчивого метода переработки для альтернативной белковой промышленности.
Об авторе
Профессор д-р Томас Курц окончил Мюнхенский технический университет по специальности "Технология пивоварения и напитков". После получения степени доктора философии в области инженерии биопроцессов он был назначен младшим профессором инженерии пищевых процессов в Берлинском техническом университете. Имеет обширный опыт работы на производстве в качестве менеджера по исследованиям и разработкам в различных компаниях, специализирующихся на альтернативных белках, разработке процессов ферментации, гидроколлоидах и системах веганского питания.
В качестве технического директора предприятия по производству гидроколлоидов он отвечал за планирование, техническое обслуживание и ремонт оборудования, управление персоналом и производство с более чем 100 сотрудниками под его руководством. В качестве руководителя отдела продукции и операций он отвечает за технологию применения производимых продуктов, а также за перевод процессов из лабораторных в пилотные и промышленные масштабы.