Системы и способы, использующие технологию физической энергии, для получения немолочной белковой основы и утилизации побочного продукта с добавлением стоимости
Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к получению белковой основы, использующейся в качестве ингредиента для пищевых продуктов. Способ ее получения включает измельчение белкового ингредиента и смешивание его с водой, где белковым ингредиентом являются бобовые растения, отделение волокнистого вещества от белка, применение ультразвуковой обработки к белковой основе в ультразвуковом устройстве, фильтрование этой основы через один или более мембранных фильтров с получением концентрированной белковой основы до концентрации белка в ней по меньшей мере 15 мас.% белка. Изобретение позволяет извлекать нежелательные красящие соединения из белковой основы, уменьшать содержание простых соединений, придающих нежелательный аромат и вкус белковой основе или продуктам питания, и/или улучшать текстуру, осуществлять экологически безвредную технологию, способствовать инактивации опасных ферментов, в частности, липоксигеназ, получать продукты с высоким содержанием пищевых волокон, улучшенной экстрагируемостью и растворимостью белка. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 1 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конкретные варианты осуществления изобретения относятся в целом к области обработки пищевых продуктов и, более конкретно, к способам получения концентрированной белковой жидкости и/или сухого порошкообразного белка, проводимым с использованием физической энергии, например, с использованием ультразвуковой кавитации и мембранной фильтрации. Кроме того, некоторые варианты осуществления изобретения более конкретно относятся к переработке сопутствующего продукта (или побочного продукта) производства белковой основы в пищевые продукты с высоким содержанием клетчатки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Белок представляет собой макроэлемент, используемый организмом для создания, восстановления и поддержания тканей, а также для выработки гормонов. Поэтому потребление достаточного количества белка является важным фактором здорового питания. Белок может присутствовать в разных пищевых источниках, таких как животные источники (например, яйца, молоко, мясо, птица и рыба), растительные источники (например, бобы, орехи, семена, зерно и т.д.), водоросли и грибковые источники (например, микопротеин). Белок, полученный из белкового источника, можно использовать в качестве ингредиента пищевого продукта. Однако добавление белка в пищевой продукт может создавать проблемы с точки зрения цвета, аромата, вкуса, растворимости и вязкости. Кроме того, при добыче и производстве белковых продуктов образуются побочные продукты, которые необоснованно выбрасываются.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конкретные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают способ, включающий в себя отделение от белковой основы нерастворимых волокнистых веществ, таких как неочищенное волокно и нерастворимый крахмал. Способ дополнительно включает ультразвуковую обработку белковой основы на ультразвуковом устройстве с использованием соответствующих настроек. Настройки ультразвука выбирают так, чтобы вызвать акустическую кавитацию в белковой основе. Способ дополнительно включает фильтрацию белковой основы через один или более мембранных фильтров после отделения волокнистого вещества от белковой основы. Способ также включает обработку белковой основы с получением белкового ингредиента.
Конкретные варианты осуществления, описанные в данном документе, включают в себя устройство, включающее лущитель, одну или более мельниц, контейнер, предпочтительно, порционный контейнер, сепаратор, ультразвуковой аппарат, устройство для мембранной фильтрации и распылительную сушилку. Лущитель лущит белковый ингредиент, а одна или более мельниц размалывают белковый ингредиент. Стадии лущения и измельчения белкового ингредиента также можно проводить в системе непрерывной экстракции. Контейнер содержит белковую основу, включающую измельченный и лущенный белковый ингредиент (то есть сырье), который смешивают с водой в массовом соотношении от 1 к 5 до 1 к 20, предпочтительно в виде суспензии. Сепаратор получает белковую основу из контейнера и удаляет волокнистое вещество из белковой основы, в результате чего получают суспензию, содержащую белок. Ультразвуковой аппарат включает в себя один или более ультразвуковых элементов. Ультразвуковой аппарат вызывает кавитацию в белковой основе. Устройство для мембранной фильтрации включает в себя один или более мембранных фильтров. Устройство мембранной фильтрации фильтрует белковую основу через один или более мембранных фильтров. Распылительная сушилка сушит фильтрованную белковую основу.
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать одно или более технических преимуществ. В качестве примера, технические преимущества некоторых вариантов осуществления заключаются в возможности извлекать и удалять нежелательные красящие соединения из белковой основы, уменьшать содержание простых соединений, которые могут придавать нежелательный аромат и вкус белковой основе или продуктам питания, изготовленным из белковой основы, и/или улучшать текстуру, например, путем достижения меньшего размера частиц, и вязкость белковой основы. Соответственно, конкретные варианты осуществления позволяют улучшить цвет, вкус/аромат, текстуру и/или вязкость до такой степени, достижение которой было бы невозможно с использованием известных способов обработки. В качестве другого примера, техническое преимущество конкретных вариантов осуществления заключается в использовании экологически безвредной/зеленой технологии вместо существующих способов с использованием влажных химических методов. В качестве следующего примера, техническим преимуществом конкретных вариантов осуществления является использование побочных продуктов для производства воздушных снэков или ферментированных пищевых продуктов с высоким содержанием пищевых волокон. Кроме того, техническое преимущество некоторых вариантов осуществления заключается в улучшении экстрагируемости и растворимости белка. Кроме того, некоторые варианты осуществления могут способствовать инактивации опасных ферментов (таких как липоксигеназы, LOX) при температурах менее чем примерно 85°C, что может косвенным образом улучшить растворимость белка. Отдельные варианты осуществления могут иметь все указанные преимущества, некоторые из них, или они могут не иметь ни одного из указанных преимуществ. Другие преимущества могут быть очевидны для рядового специалиста в данной области.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания изобретения и его преимуществ далее приводится нижеследующее описание вместе с сопровождающими чертежами, где:
на фиг.1 показана иллюстративная система для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления;
на фиг.2 показана другая иллюстративная система для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления;
на фиг.3 показана блок–схема иллюстративного способа получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления; и
на фиг.4 показана блок–схема иллюстративного способа фильтрации белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
На фиг.5 показаны результаты анализа белка методом SDS–PAGE в концентрированной белковой основе, полученной в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6 показаны результаты анализа белка методом SDS–PAGE в концентрированной белковой основе, полученной в соответствии с настоящим изобретением, до и после фильтрации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как описано выше, белок, полученный из белкового источника, можно использовать в качестве ингредиента пищевого продукта, например, для придания питательности пищевому продукту. Однако известные белковые ингредиенты могут создавать проблемы с точки зрения цвета, вкуса, вкуса, растворимости и размера частиц. С помощью вариантов осуществления настоящего изобретения можно улучшить одну или более из этих характеристик. Например, в некоторых вариантах осуществления для получения чистой, концентрированной жидкой белковой основы с нейтральным вкусом используют технологии физической энергии, ультразвуковую кавитацию и мембранную фильтрацию.
В некоторых вариантах осуществления при определенных значениях амплитуды и мощности технология физической энергии может вызывать кавитацию, которая представляет собой явление образования, расширения и возможного коллапса пузырьков внутри жидкости. Когда ультразвуковые волны распространяются в жидкости, образовавшиеся пузырьки вибрируют и разрушаются, что вызывает тепловые, механические и химические эффекты. Кавитацию могут вызывать механические силы, такие как давление, турбулентность, напряжение сдвига в жидкости. Кавитация может также способствовать химическим воздействиям, таким как гидролиз, в результате которого образуются свободные радикалы Н+ и ОН–, которые способствуют инактивации ферментов и микробов. Технологию обработки жидкости с использованием физической энергии можно проводить при определенных значениях частоты и мощности, позволяющих вызывать кавитацию с определенными характеристиками. В итоге, технологию физической энергии, вызывающую кавитацию, можно использовать для удаления/экстракции окрашивающего вещества, инактивации микроорганизмов и ферментов, таких как липооксигеназа (LOX), которые вызывают неприятный бобовый/травяной аромат, увеличения экстрагируемости белка, а также диспергирования, ингибирования пенообразования и т. д.
В конкретных вариантах осуществления технологию мембранной фильтрации используют для концентрирования желательных белковых продуктов и удаления нежелательных простых соединений. В технологии мембранной фильтрации для отделения частиц от жидкости используют один или более пористых мембранных фильтров. Частицы можно отделить на основе их размера и формы с применением перепада давления на мембране. Специально разработанные мембраны с различными размерами пор можно использовать для разделения разных частиц. Кроме того, чтобы облегчить отделение нужных частиц, можно регулировать давление и температуру внутри или вблизи мембранных фильтров. Мембранное разделение имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционными способами разделения, включающими более низкую температуру разделения, более высокие скорости разделения, более низкое потребление энергии, большую гибкость и экологическую устойчивость.
Важные методы мембранного разделения включают процессы ультрафильтрации (UF), микрофильтрации (MF) и нанофильтрации (NF), а также обратного осмоса (RO). Эти процессы различаются по характеристикам мембран, размерам пор и величинам рабочего давления. Микрофильтрация (MF) представляет собой процесс, проводимый с использованием мембран и управляемый давлением, который используют для концентрирования частиц в диапазоне размеров от 0,1 до 10 мкм и отделения их от суспендирующей жидкости. С помощью MF можно отделить макромолекулы, такие как крахмал, от жидкой пищевой основы, как дополнительно описано позже. Например, остаточный крахмал в потоке жидкости можно затем отделить методом микрофильтрации с получением жидкого потока, содержащего выделенный белок. Ультрафильтрацию (UF) можно использовать, помимо концентрирования белка до определенной степени, для уменьшения содержания простых соединений, которые имеют нежелательные сенсорные и пищевые свойства. Эти простые соединения могут включать сапонины (которые могут вызывать ощущение горечи и пенообразование), свободные пигменты, такие как ксантофилл и хлорофилл, а также побочные продукты Майяра Браунинга, таннины (которые могут оказывать вяжущее действие), сахара, фитат (антипитательный фактор) и т.п. Кроме того, удаление фитата из растительного белка методом UF может также косвенным образом улучшить растворимость белковых продуктов.
Ультрафильтрация через широкие поры также позволяет фракционировать немолочные белки и может использоваться для селективного получения конкретных белковых фракций в зависимости от желаемого применения. Например, некоторые немолочные белки можно отфильтровать методом UF через широкие поры с получением белковых фракций с высоким значением аминокислотного скора с поправкой на усвояемость белка (PDCAAS). Если рассматривать гороховый белок в качестве примера, тремя основными белками гороха являются легумин (5,9–24,5%), вицилин (26,3–52,0%) и конвицилин (3,9–8,3%), причем отношение вицилина к легумину варьирует в зависимости от сорта и может составлять от 0,5 до 1,7. Компонент белка легумина размером 11S характеризуется более высоким содержанием серосодержащих аминокислот и более высокой температурой денатурации (Td>90°C), чем компонент вицилина 7S (Td 71,7~82,7°C). Путем UF через широкие поры основы, содержащей белки гороха, можно получить белковую фракцию, обогащенную легумином, которую можно использовать для производства растительного молока с более высоким значением PDCAAS и повышенной термоустойчивостью. Причем UF через широкие поры можно использовать для отделения компонентов легумина и конвицилина с получением белковой фракции с высоким процентным содержанием компонента вицилина. В некоторых вариантах осуществления полученная гороховая белковая основа содержит более высокую долю белка вицилина после UF через широкие поры. Вицилин–содержащая фракция белков гороха обладает более высокой способностью к гелеобразованию, чем фракция, содержащая легумин, а конвицилин препятствует образованию геля, поэтому полученную белковую фракцию можно использовать, благодаря ее способности к гелеобразованию, для приготовления пищи, подобной йогуртовому продукту на основе растительных белков.
Электрофорез в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия (SDS–PAGE) можно использовать для определения и подтверждения эффективности фракционирования и состава продукта, полученного после процесса фильтрации. Кроме того, SDS–PAGE также можно использовать для выбора конкретного подходящего сорта сырья. Например, можно проводить скрининг методом SDS–PAGE множества сортов гороха, брать сорт гороха с высоким процентным содержанием вицилина, подходящий для применения в качестве сырья для получения белка для йогуртового продукта.
Помимо удаления нежелательных соединений и частиц мембранная фильтрация также может увеличить долю получаемого продукта, состоящего из белка. Например, ультрафильтрацию можно использовать для повышения концентрации белка. Например, если исходный жидкий белковый поток, содержащий 2% белка, подвергнуть UF, можно достичь конечного содержания белка 6% при факторе объемной концентрации (VCF) 3, или 15% при факторе объемной концентрации 7,5 или более. UF, NF или RO могут дополнительно увеличивать концентрацию белка в белковой основе, например, до достижения концентрации гелеобразования (Cg). Например, один или более из NF или RO можно применить к ретентату жидкого белкового потока после UF для дальнейшего увеличения концентрации белка до 25%. В конечном счете, сочетание процессов ультразвуковой кавитации и мембранной фильтрации позволяет получить чистую на вкус, концентрированную жидкую немолочную белковую основу нейтрального вкуса, которую можно ввести в состав пищевого продукта.
Нанофильтрацию (NF) можно использовать для дальнейшего увеличения содержания белка и/или удаления одновалентных ионов, таких как соли. Кроме того, NF можно использовать для извлечения пребиотических олигосахаридов, например рафинозы, стахиозы и вербаскозы, из потока отходов пермеата UF. Перед NF окрашивающие вещества и другие простые соединения можно удалить из пермеате UF путем абсорбции на активированном угле. В некоторых вариантах осуществления NF можно проводить с использованием обменной смолы (также называемой ионообменной смолой или полимером) для извлечения цветных соединений, таких как ксантофилл, включая лютеин и хлорофилл, которые можно использовать в качестве коммерческих ингредиентов.
В процессе фильтрации и обработки, приводящей к получению белкового продукта, образуется ряд побочных продуктов и/или сопутствующих продуктов. Чтобы достичь стабильного производства разных белковых продуктов в данном описании также рассматривается применение указанных сопутствующих продуктов. Одним из таких сопутствующих продуктов является волокнистое вещество, например окара, жмых и т.д., отделенное от белковой основы. Обычно волокнистое вещество просто выбрасывают, что приводит не только к образованию отходов, но и к потреблению дополнительных ресурсов для их утилизации. В определенных вариантах осуществления волокнистое вещество, отделенное от жидкого белкового потока, можно дополнительно обработать с получением диетического волокна. Например, желатинизированный крахмал в волокнистом веществе можно превратить в резистентный крахмал с получением пищевых волокон. Затем пищевые волокна можно использовать для получения разнообразных полезных для здоровья пищевых продуктов с высоким содержанием клетчатки, например, воздушных снеков с высоким содержанием клетчатки или ферментированных пищевых продуктов. Таким образом, настоящее изобретение предлагает непрерывное производство немолочной белковой основы в стабильном режиме с использованием сопутствующих продуктов для получения диетической клетчатки.
Способы и системы для решения этих проблем будут описаны более подробно с использованием чертежей 1–4. На фиг.1 показана иллюстративная система для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. На фиг.2 показана другая иллюстративная система для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. На фиг.3 показана блок–схема иллюстративного способа получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. На фиг.4 показана блок–схема иллюстративного способа фильтрации белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Варианты осуществления настоящего изобретения и его преимущества наилучшим образом разъясняются посредством чертежей 1–4, на которых одинаковые номера используются для одинаковых и соответствующих частей различных чертежей.
На фиг.1 показана иллюстративная система 100 для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Система 100 включает в себя сепаратор 110, ультразвуковой аппарат 120, фильтрационный блок 130 и сушилку 140. Перед получением белкового ингредиента с использованием системы 100 сырье можно предварительно обработать, или его можно предварительно обработать перед подачей в ультразвуковой аппарат 110. В качестве конкретного примера можно обработать горох перед применением для получения белкового ингредиента. Горох можно очистить от кожуры и измельчить в цельнозерновую муку/порошок. Гороховую массу/порошок можно смешать с водой, например, в массовом соотношении от 1:5 до 1:20, а затем ее необязательно нагревают до умеренной температуры, позволяющей гидратировать вещество гороха и ослабить водородные связи, чтобы увеличить экстракцию белка.
Перед фильтрацией в фильтрационном блоке 130 белковая основа и отдельные компоненты белковой основы поступают в сепаратор 110. В некоторых вариантах осуществления сепаратор позволяет отделить волокнистое вещество от белковой основы перед обработкой ультразвуком. Например, окару, мякоть гороха, можно отделить от белковой основы. Отделение таких веществ от белковой основы может способствовать фильтрации белковой основы, предотвращая прохождение волокнистых веществ через мембранные фильтры, что уменьшает засорение и позволяет снизить требуемое давление. Кроме того, удаление крахмала и других небелковых компонентов позволяет увеличить конечную концентрацию белка в концентрированной белковой основе.
Белковую основу можно обработать ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата 120. Ультразвуковой аппарат 120 может управляться с использованием настроек или параметров, которые могут влиять на тепловые, механические и химические эффекты ультразвука в белковой основе. Например, ультразвуковой аппарат 120 можно настроить на работу с определенной амплитудой, скоростью потока, удельной мощностью и/или в течение определенного периода времени. В некоторых вариантах осуществления различные настройки ультразвукового аппарата 120 могут быть заданы заранее в зависимости от типа или состава белковой основы или целевого белкового ингредиента. В некоторых вариантах осуществления настройки ультразвука адаптируют, чтобы вызывать акустическую кавитацию в белковой основе. Как указано выше, кавитация способствует получению улучшенного белкового ингредиента путем удаления/экстракции окрашенных компонентов, инактивации микроорганизмов и ферментов, таких как липооксигеназы (LOX), которые вызывают неприятный бобовый/травянистый запах, увеличивает экстрагируемость белка, уменьшает вязкость и размер частиц, а также способствует диспергированию и предотвращает пенообразование. Например, инактивация LOX в результате обработки ультразвуком при температуре ниже 85 градусов Цельсия может происходить вследствие физических воздействий (кавитация и другие механические воздействия), химических воздействий (таких как образование свободных радикалов) и локального нагрева.
В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая обработка, проводимая с помощью ультразвукового устройства 120, представляет собой маносаникацию. В некоторых вариантах осуществления маносаникацию проводят под давлением от 1 до 4 бар. Применение давления во время ультразвуковой обработки может повысить удаление нежелательных соединений и концентрацию белка в дальнейших процессах.
Фильтрационный блок 130 включает в себя один или более мембранных фильтров. Фильтрационный блок 130 может быть сконструирован с возможностью использования одного или более мембранных фильтров для фильтрации белковой основы. В конкретных вариантах осуществления фильтрационный блок содержит один или более из мембранного фильтра UF, мембранного фильтра MF и мембранного фильтра RO или NF. Как описано выше, каждый тип мембранного фильтра может служить разным целям. Фильтрационный блок 130 можно адаптировать в зависимости от целевого белкового продукта, включая концентрацию и физические характеристики, и/или от белковой основы, полученной в фильтрационном блоке 130. Например, фильтрационный блок 130 может содержать только определенные типы фильтров, или в нем можно использовать разные значения температуры и/или давления во время фильтрации белковой основы. Примеры разных условий описаны со ссылкой на фиг.4 ниже.
В конкретных вариантах осуществления фильтрационный блок 130 конструируют с возможностью фильтрации белковой основы через мембранные фильтры разных типов, расположенные в определенном порядке. Например, фильтрационный блок 130 можно сконструировать таким образом, что белковая основа сначала фильтруется через мембранный фильтр UF, а затем через мембранный фильтр RO или NF. В конкретных вариантах осуществления фильтрационный блок 130 можно сконструировать с возможностью фильтрации белковой основы через мембранный фильтр MF между фильтрацией через мембранный фильтр UF и мембранный фильтр RO или NF. В некоторых вариантах осуществления воду, извлеченную из RO, можно повторно использовать для исходной порции в системе 100. В конкретных вариантах осуществления фильтрационный блок 130 может содержать один или более из каждого из мембранного фильтра UF, мембранного фильтра MF и мембранного фильтра RO или NF. Например, фильтрационный блок 130 может содержать множество мембранных фильтров UF, MF, RO или NF последовательно или параллельно.
Белковая основа, выходящая из фильтрационного блока 130, может иметь более высокую концентрацию белка, чем до фильтрации в фильтрационном блоке 130. Например, в фильтрационном блоке 130 концентрация белка может увеличиться с 2% до 25%. Хотя повышенной концентрации белка можно достичь путем фильтрации, для получения белкового ингредиента может потребоваться дополнительное концентрирование. Одним из способов дополнительного концентрирования белка является сушка белковой основы. В определенных вариантах осуществления система 100 включает сушилку 140, сконструированную для сушки белковой основы. В сушилке 140 могут использоваться любые подходящие средства, приводящие к дополнительному повышению концентрации белка в белковой основе, такие как удаление воды и других компонентов белковой основы с оставлением целевого белка. Например, сушилка 140 может включать распылительную сушилку, которая распыляет белковую основу в камере, позволяя испаряться воде, содержащейся в белковой основе. В результате удаления воды может увеличиться концентрация белка и может быть получен белковый ингредиент. В некоторых вариантах осуществления воду из потока отходов NF можно повторно использовать в последующих партиях для получения белкового ингредиента. Другие способы сушки, используемые для сушки раствора или суспензии, также рассматриваются в данном описании.
В конкретных вариантах осуществления система 100 также включает в себя поставляемый по желанию заказчика конвертер 150. Волокнистое вещество, отделенное от белковой основы в сепараторе 120, может поступать в конвертер 150. Конвертер 150 может быть сконструирован с возможностью превращения крахмала в волокнистом веществе из желатинизированного крахмала в резистентный крахмал. Таким образом, система 100 может использовать побочный продукт, полученный при производстве белкового ингредиента, для производства диетического волокна, которое можно включать в состав других пищевых продуктов.
В некоторых вариантах осуществления конвертер 150 может быть сконструирован с возможностью подвергать волокнистое вещество температуре, превышающей температуру желатинизации крахмала или температуру высокотемпературной обработки (UHT), чтобы увеличить желатинизацию крахмала в волокнистом веществе. Например, волокнистое вещество, отделенное от белка гороха, можно подвергать температуре желатинизации крахмала, составляющей 70 градусов Цельсия. В качестве другого примера, волокнистое вещество, отделенное от белка гороха, можно подвергать высокотемпературной обработке при температуре 140 градусов Цельсия. При увеличении желатинизации волокнистого вещества большее количество крахмала может подвергаться ретроградации с получением пищевых волокон.
Желатинизированный крахмал в волокнистом веществе, таком как окара, мякоть и т. д., может становиться ретроградным при хранении в холодильнике. Например, ретроградация может происходить при хранении волокнистого вещества в холодильнике при температуре не выше 4 градусов по Цельсию в течение не менее 24 часов. Ретроградация крахмала может увеличить питательную ценность волокнистого вещества вследствие более медленного ферментативного расщепления ретроградного крахмала и замедленного выделения глюкозы в кровоток, если вместо желатинизированного крахмала присутствует ретроградный крахмал. Ретроградный крахмал также можно отнести к пищевым волокнам в соответствии с руководством FDA, такими как руководство FDA от ноября 2016 года.
Перевариваемость ретроградного крахмала в значительной степени зависит от степени желатинизации, от времени и температуры последующего хранения, а также от температурного цикла. Волокнистое вещество побочного продукта, полученного из некоторых источников белка, таких как растительная белковая основа, может иметь высокое содержание природных пищевых волокон, включающих желатинизированный крахмал, а также остаточный белок, липиды и другие питательные вещества. Например, природный горох содержит примерно 12% сырого волокна и 18–40% крахмала, а овес содержит примерно 59% крахмала и 13% пищевых волокон. В традиционном способе промышленного получения белка из неживотных источников это волокнистое вещество выбрасывают, что составляет значительную проблему пищевых отходов и утилизации. В некоторых вариантах осуществления конвертер 150 системы 100 может использовать собственное волокно и желатинизированный крахмал для получения пищевых волокон путем превращения желатинизированного крахмала в резистентный крахмал, например пищевые волокна.
Конвертер 150 может увеличивать степень ретроградации желатинизированного крахмала из волокнистого вещества и превращать его в высокорезистентный крахмал или ингредиент пищевых волокон. В некоторых вариантах осуществления конвертер 150 конструируют для хранения волокнистого вещества при низких температурах и чередовании температур хранения, чтобы увеличить скорость ретроградации. Полученное конвертированное волокнистое вещество имеет высокое содержание пищевых волокон как из собственных, так и из обычных источников конвертированного крахмала, которые можно использовать для производства воздушных снеков с высоким содержанием пищевых волокон и ферментированных пищевых продуктов.
В конкретных вариантах осуществления полученный белковый ингредиент можно использовать в качестве дополнительного источника белка для множества продуктов. Например, белковый ингредиент можно использовать в пищевых продуктах, таких как молочные или немолочные (растительные) напитки (ESL, RTD и т.д.), замороженные десерты и мелкие товары (мороженое и т.д.), йогурты, сыры, сливки для кофе, спортивные напитки, улучшенные фруктовые и овощные соки, смузи, закуски, хлебобулочные изделия (хлеб, печенье, крекеры и т.д.), питательные порошкообразные продукты RTM, спортивные/питательные батончики, диетологический чай, диетологический кофе, мясо и/или его аналоги, спреды (ореховые, молочные или немолочные масла или их аналоги), взбитая глазурь и экзотические продукты (пельмени, паровой хлеб, паровые булочки, тофу и т.д.).
На фиг.2 показана другая иллюстративная система 200 для получения концентрированной белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Система 200 включает в себя измельчители 210 (грубого и тонкого измельчения), лущитель 220, поддон для загрузки 230, сепаратор окары 240, холодильное помещение 250, ультразвуковой аппарат 260, устройство для мембранной фильтрации 270, распылительная сушилка 280, экструдер 290. В систему 200 можно подавать сырое немолочное вещество, которое будет обрабатываться там с получением концентрированной белковой основы.
Измельчители 210 и лущитель 220 могут превращать сырье в тонко измельченный порошок. Измельчители 210 могут быть сконструированы с возможностью грубого измельчения сырья. Лущитель 220 может принимать грубоизмельченное сырье и лущить его. Измельчители 210 могут затем тонко измельчать сырье с получением тонкоизмельченного порошка. Сырье можно грубо измельчить, очистить от кожуры и тонко измельчить в мелкий порошок с использованием измельчителей 210 и лущителя 220; вначале грубый помол, затем лущение и, наконец, мелкий помол. Тонко измельченный порошок можно смешать с водой, например, в массовом соотношении от 1:5 до 1:20 в дозаторе 230. Смесь порошка и воды можно оставить в дозаторе 230, чтобы смягчить структуру смешанных ингредиентов и ослабить водородные связи между крахмалом и белком и тем самым увеличить выход экстракции белка. В некоторых вариантах осуществления система может быть сконструирована для предварительной желатинизации крахмала при умеренной температуре. Например, дозатор 230 можно сконструировать с возможностью подвергать смесь температуре в диапазоне от 120 до 160°F.
Сепаратор 240 может принимать суспензию из дозатора 230 и отделять волокнистое вещество, также называемое окара, которое в основном состоит из сырых волокнистых веществ, таких как лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза и крахмал, которые можно использовать для получения пищевых волокон. В конкретных вариантах осуществления сепаратор 240 конструируют с возможностью отделения волокнистого вещества. Например, сепаратор 240 может иметь такие отверстия сита, которые обеспечивают отделение максимального количества волокнистого вещества. Отделение таких веществ от белковой основы может способствовать мембранной фильтрации белковой основы путем предотвращения прохождения волокнистых веществ через мембранные фильтры, ограничивая засорение и снижая требуемое давление. Кроме того, отделение крахмала от жидкого белкового потока позволяет достичь более высокой концентрации белка в белковой основе.
В некоторых вариантах осуществления сепаратор 240 включает функцию ультрапастеризации (UHT), которая продлевает срок годности жидкого потока и обеспечивает желатинизацию крахмала в жидком потоке и волокнистом веществе. Например, сепаратор 240 может быть сконструирован с возможностью подвергать жидкий поток и волокнистое вещество воздействию температуры выше 140 градусов Цельсия.
Жидкий поток и окару можно охладить в холодильном помещении 250 в течение короткого времени (предпочтительно 1–5 дней), чтобы обеспечить возможность осаждения нативного крахмала и ретроградации желатинизированного крахмала, соответственно. Полученный ретроградный резистентный крахмал превращается в часть пищевых волокон. Жидкий поток состоит из белка, остаточного ретроградного крахмала и простых соединений. В некоторых вариантах осуществления жидкий поток можно подвергнуть MF для полного удаления крахмала. Остаточный ретроградный крахмал в жидком потоке, который может образовать гель, дополнительно отделяют методом микрофильтрации с помощью устройства для мембранной фильтрации 270. После этого жидкий поток, содержащий преимущественно белок, можно подвергнуть ультразвуковой обработке с помощью ультразвукового аппарата 260.
Ультразвуковой аппарат 260 может управляться с помощью настроек или параметров, которые могут влиять на тепловые, механические и химические эффекты ультразвука в белковой основе. Например, ультразвуковой аппарат 260 может быть настроен на работу с определенными значениями амплитуды, скорости потока, удельной мощности и/или в течение определенного периода времени. В некоторых вариантах осуществления разные настройки ультразвукового аппарата 260 могут быть заданы заранее на основе типа или состава белковой основы или целевого белкового ингредиента. В некоторых вариантах осуществления параметры ультразвуковой обработки выбирают так, чтобы вызывать акустическую кавитацию внутри белковой основы с целью извлечения окрашенных соединений и других нежелательных простых соединений, повышения экстрагируемости белка, снижения вязкости, диспергирования и препятствования пенообразованию, а также для мокрого размола белковой основы до более мелкого размера частиц.
В определенных вариантах осуществления настройки ультразвука содержат одну или более из настроек амплитуды, частоты, мощности и длительности. Например, в некоторых вариантах осуществления настройка ультразвука включает в себя амплитуду от 25 до 100 микрометров. В определенных вариантах осуществления ультразвук применяется с частотой в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая обработка применяется с частотой примерно 200 Гц, например, в диапазоне от 180 до 220 Гц. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая обработка применяется при мощности в диапазоне от 100 до 400 Вт. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая обработка применяется в течение определенной продолжительности, например в течение 15 минут или дольше. В настоящем изобретении можно использовать любое количество настроек ультразвука, которые могут применяться индивидуально или в сочетании друг с другом. Настройки ультразвука могут быть адаптированы в зависимости от множества факторов, таких как размер партии, белковая основа, желаемая вязкость, аромат, нейтральный цвет и т.д.
Устройство для мембранной фильтрации 270 включает в себя один или более мембранных фильтров для фильтрации белковой основы. В определенных вариантах осуществления блок фильтрации содержит один или более из мембранного фильтра UF, мембранного фильтра MF и мембранного фильтра RO или NF. Как описано выше, каждый тип мембранного фильтра может служить разным целям. Устройство для мембранной фильтрации 270 может быть адаптировано в зависимости от желаемого белкового продукта, в том числе от его концентрации и физических характеристик, и/или от белковой основы, полученной в устройстве для мембранной фильтрации 270. Например, устройство для мембранной фильтрации 270 может содержать только определенные типы фильтров или использовать разные значения температуры (40–120°F) и/или давления (10–600 фунтов/кв.дюйм) во время фильтрации белковой основы. Система фильтрации может содержать несколько мембранных фильтров UF, MF, RO или NF последовательно или параллельно.
На фиг.3 показан иллюстративный способ получения белкового ингредиента в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. До начала способа 300 получают белковую основу. Белковая основа по изобретению предпочтительно представляет собой водную суспензию или взвесь, содержащую источник неживотного белка. Особенно важно, чтобы указанная белковая основа не содержала или по существу не содержала животные и/или молочные вещества.
В вариантах осуществления изобретения указанный источник неживотного белка предпочтительно выбирают из группы, состоящей из растения, водоросли, гриба или их сочетаний. Используемый здесь термин "растение" означает растение или его часть, и включает, без ограничения, фруктовые и/или растительные вещества. Можно использовать вещество любого подходящего съедобного растения, известного в данной области, предпочтительно выбранное из группы, состоящей из бобовых, орехов, масличных, зерновых и их сочетаний. В одном варианте осуществления указанные бобовые выбирают из группы, состоящей из сои, гороха, арахиса, чечевицы, бобов, конопли и их сочетаний. Особенно предпочтительно, если источник неживотного белка включает бобовые, выбранные из группы, состоящей из зеленого гороха, желтого гороха, гороха в стручках, гороха мангетот, нута, золотистой фасоли, спаржевой фасоли и их сочетаний.
В другом варианте осуществления указанные орехи выбирают из группы, состоящей из миндаля, кешью, орехов пекан, макадамии, фундука, грецких орехов и их сочетаний.
В другом варианте осуществления указанные масличные выбраны из группы, состоящей из конопли, тыквы, лебеды, люпина, кунжута, тыквы, тигрового ореха, льна, чиа, подсолнечника, кокоса и их сочетаний.
В другом варианте осуществления указанные зерновые выбирают из группы, состоящей из пшеницы, ржи, спельты, риса, ячменя, овса и их сочетаний.
Особенно предпочтительно, чтобы указанная белковая основа содержала источник неживотного белка в массовом отношении к воде от 1 к 5 до 1 к 20. Способы получения таких суспензий или взвесей известны в данной области и обычно включают механическое разрушение растительного вещества и гидратацию и/или объединение с раствором с последующим отделением белковой основы от крахмалистого и/или волокнистого вещества, например, путем центрифугирования или фильтрации. Например, для получения подходящей белковой основы источник неживотного белка можно измельчить, размолоть, замочить, подвергнуть лущению, смешать с водой, подвергнуть термообработке и т.д. В некоторых вариантах осуществления белковую основу получают из бобовых, орехов, масличных, зерновых, растений, водорослей, грибов или их сочетаний.
Способ 300 можно начинать со стадии 302 с использованием белковой основы в потоке жидкости. На стадии 204 волокнистое вещество отделяют от белковой основы. В конкретных вариантах осуществления для отделения волокнистого вещества используют сепарационное оборудование, отличное от ультразвукового аппарата 120 и фильтрационного блока 130. Альтернативно волокнистое вещество отделяют с помощью компонентов источника ультразвука или фильтрационного аппарата. Волокнистое вещество может препятствовать фильтрации белковой основы и обычно его удаляют из белковой основы до фильтрации. Вместо того, чтобы просто отбросить волокнистое вещество, отделенное волокнистое вещество можно дополнительно обработать с получением диетического волокна. Из белковой основы можно удалить только волокнистое вещество, или, альтернативно, волокнистое вещество может отделить от белковой основы вместе с другим веществом и затем отделить от других удаленных компонентов белковой основы.
На стадии 304 ультразвуковую обработку применяют к белковой основе в ультразвуковом устройстве, таком как ультразвуковой аппарат 120. Как указано выше, ряд настроек ультразвука можно регулировать, чтобы оптимизировать ультразвук для конкретного применения. Например, можно использовать конкретные значения амплитуды, частоты, удельной мощности, длительности и т.д., в зависимости от белковой основы или целевого белкового ингредиента. В определенных вариантах осуществления ультразвуковую обработку можно осуществлять непрерывно в течение всего периода ультразвуковой обработки. Альтернативно ультразвуковую обработку можно проводить на отдельных стадиях, при этом конкретные настройки устанавливают в зависимости от стадии. Например, конкретную обработку ультразвуком можно оптимизировать для конкретных ферментативных или микробных процессов, или для удаления молекул, вызывающих нежелательный цвет или запах.
В некоторых вариантах осуществления ультразвуковую обработку можно применять до тех пор, пока белковая основа не приобретет определенный нейтральный цвет. Цветовое пространство Lab представляет собой цветоппонентное пространство с измерениями L для светлоты и a и b для цветоппонентных размеров, основанное на нелинейно сжатых компонентах. Нейтральные цвета можно определить как цвета, которые имеют низкие значения a* и b*, например, как цвета, которые имеют абсолютные значения a* и b*, близкие к нулю. Как описано выше, ультразвуковая обработка может способствовать подавлению молекул, которые придают белковой основе определенный цвет. В качестве примера, при использовании цветового пространства L*a*b* в качестве эталона можно применять ультразвуковую обработку до тех пор, пока белковая основа не будет иметь значение b* меньше +15, или пока b* не станет равным значению b* молочного молока. Кроме того, ультразвуковое воздействие можно применять таким образом, чтобы значение L* также изменялось. Влияние на ультразвук можно контролировать путем настройки параметров источника ультразвука, например, ультразвукового устройства 110.
Ультразвуковая обработка может также уменьшать размер частиц белковой основы. Уменьшение среднего размера частиц белковой основы может обеспечить эффективное разделение и фильтрацию белковой основы на последующих стадиях. Таким образом, ультразвуковая обработка позволяет не только удалить нежелательные молекулярные компоненты белковой основы, но и обработать белковую основу для облегчения дальнейшей обработки.
Ультразвуковая обработка может служить дополнительной цели дезактивации определенных ферментативных процессов, которые могут отрицательно влиять на конечный белковый ингредиент. Например, некоторые ферменты в растительных, грибковых и животных продуктах могут катализировать диоксигенирование полиненасыщенных жирных кислот в липидах. Эти ферментативные процессы могут вызывать химические реакции, в результате которых белковая основа приобретает неприятный запах. Например, если в белковой основе активируется липоксигеназа, она может продуцировать неприятный привкус бобов (одним из маркеров является гексанал). В некоторых вариантах осуществления белковая основа содержит активированную липоксигеназу, а ультразвуковое воздействие применяют, по меньшей мере, до инактивации липоксигеназы при температуре ниже 85 градусов Цельсия. Таким образом можно ингибировать некоторые ферментные или микробные процессы с получением превосходного белкового ингредиента.
На стадии 306 белковую основу фильтруют через один или более мембранных фильтров. В некоторых вариантах осуществления белковую основу фильтруют после отделения волокнистого вещества от белковой основы. Как описано выше, для фильтрации белковой основы можно использовать разные методы мембранной фильтрации. Например, один или более мембранных фильтров могут включать в себя один или более мембранных фильтров UF, MF, NF или RO.
В некоторых вариантах осуществления белковую основу фильтруют через ультрафильтрационную мембрану, имеющую максимальный диаметр пор от 0,1 до 0,001 микрона. В конкретных вариантах осуществления фильтрация белковой основы с помощью ультрафильтрационной мембраны включает фильтрацию белковой основы до тех пор, пока содержание в белковой основе сапонинов не станет менее 0,5 г/кг, дубильных веществ – менее 0,5% и фитата – менее 1,5 г/кг. Уменьшение содержания сапонинов, ксантофилла, дубильных веществ и фитата может улучшить вкус и увеличить стабильность белкового ингредиента.
В некоторых вариантах осуществления белковую основу фильтруют через нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса, имеющую максимальный диаметр пор от 1 до 10 нанометров. В конкретных вариантах осуществления фильтрация белковой основы через нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса включает в себя фильтрацию белковой основы до тех пор, пока концентрация белка в белковой основе не будет составлять по меньшей мере 10%, более предпочтительно 25% по массе. В конкретных вариантах осуществления фильтрация белковой основы также включает извлечение по меньшей мере 50 мас.% пребиотических олигосахаридов из потока отходов одного или более мембранных фильтров. Например, NF можно использовать для извлечения из потока отходов UF большей части пребиотических олигосахаридов гороха, включая рафинозу, стахиозу и вербакозу. Пребиотические олигосахариды можно использовать в качестве полезного ингредиента для пищевых продуктов, таких как йогуртовые продукты на растительной основе.
В некоторых вариантах осуществления фильтрация белковой основы с помощью нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса включает в себя фильтрацию белковой основы до тех пор, пока концентрации белка в белковой основе не будет составлять по меньшей мере 15% по массе. Фильтрацию через нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса можно проводить после фильтрации через одну или более из ультрафильтрационной мембраны и микрофильтрационной мембраны. В некоторых вариантах осуществления фильтрация через нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса может быть конечной фильтрацией, дающей конечную концентрацию белка и конечное содержание влаги в белковой основе перед получением белкового ингредиента.
В некоторых вариантах осуществления белковую основу фильтруют через микрофильтрационную мембрану, имеющую максимальный диаметр пор от 0,1 до 0,22 мкм. Как указано ранее, фильтрацию через микрофильтрационную мембрану проводят при необходимости, чтобы изменить белковый состав белковой основы для конкретного применения. Например, для получения молока или других пищевых продуктов с повышенным содержанием белка желательно использовать типы белка, имеющие более высокую долю серосодержащих аминокислот и температуру денатурации. В качестве другого примера, для таких конкретных применений белка, как добавление его в йогуртовый продукт, можно использовать типы белка, имеющие более высокую концентрацию функционального белка, которые могут легче желатинизироваться.
Некоторые вещества могут быть более эффективными при отделении разных компонентов от белковой основы методом фильтрации. В конкретных вариантах осуществления белковую основу можно фильтровать через мембранные фильтры, включающие в себя спирально–навитые полиэфирсульфоны, с получением немолочных белковых продуктов.
В некоторых вариантах осуществления фильтрация белковой основы также включает извлечение по меньшей мере 50 мас.% пребиотических олигосахаридов из потока отходов одного или более мембранных фильтров. Например, NF можно использовать для извлечения 50% пребиотических олигосахаридов гороха, включающих рафинозу, стахиозу и вербакозу, из потока отходов UF. Пребиотические олигосахариды можно использовать в качестве полезного ингредиента для пищевых продуктов, таких как йогуртовые продукты на растительной основе. На стадии 308 белковую основу можно обработать с получением белкового ингредиента. Последующие разделение или фильтрацию можно использовать для дополнительного удаления небелковых компонентов белковой основы, увеличения концентрации белка и снижения содержания влаги. В конкретных вариантах осуществления белковую основу обрабатывают путем сушки. Сушка может включать любые подходящие методы для снижения содержания влаги в растворе или взвеси. В некоторых вариантах осуществления белковую основу сушат распылением с получением белкового ингредиента. После сушки белковой основы можно получить концентрированный белковый продукт, который легко транспортируется.
В конкретных вариантах осуществления способ 300 может дополнительно включать обработку волокнистого вещества с получением пищевых волокон. В конкретных вариантах осуществления обработка волокнистого вещества включает превращение желатинизированного крахмала в резистентный крахмал. Как указано выше, резистентный крахмал может представлять собой пищевые волокна, которые можно использовать в других пищевых продуктах. В некоторых вариантах осуществления обработка отделенного волокнистого вещества включает нагревание отделенного волокнистого вещества выше температуры желатинизации крахмала и охлаждение отделенного волокнистого вещества до по меньшей мере 4 градусов Цельсия в течение 24 часов или более. При этом может усиливаться ретроградация крахмалов волокнистого вещества, что приводит к увеличению содержания пищевых волокон. Любой из способов некоторых вариантов осуществления с применением конвертера 150 в системе 100 или холодильного помещения 250, может использоваться в способе 300 для обработки волокнистого вещества. Кроме того, любые подходящие методы, известные специалистам в данной области, можно использовать для увеличения ретроградации волокнистого вещества с целью получения пищевых волокон.
В некоторых вариантах осуществления для получения воздушного пищевого продукта можно использовать пищевое волокно, включая конвертированный резистентный крахмал из волокнистого вещества. Воздушный пищевой продукт можно получить путем экструзии. Благодаря высокому содержанию крахмала и свойствам крахмала конвертированное волокнистое вещество можно легко обработать с помощью двухшнекового или одношнекового экструдера с получением воздушных снеков разной формы, такой как форма гороха, овса или попкорна, с использованием соответствующих штампов. Например, экструдер 290 можно использовать для получения экструдированного продукта с использованием конвертированного пищевого волокна. Таким образом, конвертированное волокнистое вещество можно использовать для получения других пищевых продуктов, тем самым уменьшая отходы при производстве белкового ингредиента.
Полученные пищевые волокна также можно использовать для получения ферментированного пищевого продукта. Сегодня существует множество эндемичных ферментированных пищевых продуктов, однако, темпе является одним из наиболее широко признанных и исследованных модифицированных плесенью ферментированных продуктов. Традиционно темпе представляет собой ферментированный пищевой продукт, полученный из замоченных и подвергнутых тепловой обработке соевых бобов, инокулированных плесенью, обычно рода Rhizopus. Пробиотики, присутствующие в темпе, обеспечивают высокую питательную ценность. Бактерии могут расти до жизнеспособных популяций 10–8–10–9 КОЕ/г во время ферментации в присутствии грибка, такого как Rhizopus oligosporus, Bacillus pumilus и B. brevis. Виды Streptococcus faecium, Lactobacillus casei, Klebsiella pneumoniae и Enterobacter cloacae также могут способствовать ферментации. Важной функцией плесени в процессе ферментации является синтез ферментов, которые гидролизуют компоненты соевых бобов и способствуют развитию желаемой текстуры, вкуса и аромата продукта. Натто представляет собой другой ферментированный пищевой продукт, полученный из подвергнутых тепловой обработке соевых бобов, на поверхности которых растут дрожжи натто, продуцирующие уникальную клейкую пасту и особый аромат. Натто представляет собой подобным образом ферментированный пищевой продукт, содержащий пробиотики.
Темпе и натто можно получить разными способами, известными специалистам в данной области. В некоторых вариантах осуществления темпе и натто получают в условиях стационарного слоя небольшими порциями (например, от 100 грамм до 500 грамм) в гибких пластиковых пакетах, трубках или жестких пластиковых коробках. Эти контейнеры могут облегчать контроль температуры и увеличивать портативность и срок годности полученного ферментированного пищевого продукта. В одном примере волокнистое вещество, например, окару, можно инокулировать R. oligosporus, который прорастает и развивает мицелий, используя окару в качестве субстрата. Из–за потребления кислорода плесенью уровни кислорода, окружающие пищевой продукт, уменьшаются во время активных состояний ферментации, а уровни диоксида углерода увеличиваются. В конкретных вариантах осуществления тонкий слой волокнистого вещества или окары используют для получения темпе или натто. При применении тонкого слоя субстрата облегчается проникновение мицелия в субстрат и легче поддерживаются уровни кислорода и диоксида углерода. В некоторых вариантах осуществления ферментацию проводят в камере хранения, обеспечивая вентиляцию области, в которой хранятся ферментированные пищевые продукты, чтобы отводить тепло, выделяемое при метаболической активности, и аммиак, образующийся в результате разложения азотистых соединений.
В конкретных вариантах осуществления пищевые волокна, содержащие конвертированный резистентный крахмал из волокнистого вещества, можно использовать для получения ферментированного пищевого продукта. Химический состав волокнистого вещества, отделенного от белковой основы, может обеспечить подходящий субстрат для производства ферментированных пищевых продуктов. Превращение желатинизированного крахмала в резистентный крахмал может улучшить химический состав волокнистого вещества для ферментации разными бактериями. Хотя описаны некоторые ферментированные пищевые продукты, такие как темпе и натто, с использованием пищевых волокон также можно получить любой ферментированный пищевой продукт.
Описанные выше системы и способы можно использовать для получения концентрированной жидкой растительной белковой основы, которая обладает чистым вкусом, является обесцвеченной и не зависит от растительного источника (например, белок может быть получен из любого подходящего бобового (бобовых), ореха (орехов), масличного (масличных), зернового (зерновых), других растительных источников или их сочетаний). Белковую основу можно использовать в качестве ингредиента пищевого продукта с высоким содержанием белка, такого как напиток на растительной основе (например, соевое молоко, миндальное молоко, кокосовое молоко, смузи, питательный напиток и т.д.), сыр (в том числе сыр, не содержащий молочных продуктов), йогурт (в том числе греческий йогурт) и т.д.
На фиг.4 показана блок–схема иллюстративного способа 400 фильтрации белковой основы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. В некоторых вариантах осуществления способ 400 может включать в себя подстадии, проводимые на стадии 306 фильтрации белковой основы. В некоторых вариантах осуществления способ 400 можно проводить с использованием фильтрационного блока 130 системы 100 и/или мембранного фильтрующего устройства 270 системы 200. Способ 400 можно проводить с использованием одного или более элементов или компонентов системы 100 или системы 200 отдельно или в сочетании с одним или более дополнительными компонентами.
Способ 400 можно начинать со стадии 402. На стадии 402 жидкий белковый поток можно отфильтровать методом микрофильтрации (MF). В качестве конкретного примера, фильтрацию можно проводить сначала путем фильтрации жидкого белкового потока через микрофильтрационную мембрану, имеющую диаметр пор 0,1–0,22, предпочтительно >0,4 микрона, при температуре в диапазоне от 4 до 48 градусов Цельсия, или, альтернативно, от 40 до 80°F, предпочтительно при скорости потока 30–45 галлонов в минуту. Полученный в результате ретентат может содержать ретроградный крахмал, который можно отфильтровать от жидкого белкового потока.
Фильтрат жидкого белкового потока можно передавать от MF к ультрафильтрации (UF) на стадии 404. Например, жидкий поток можно отфильтровать через ультрафильтрационную мембрану с отсечением по молекулярной массе (MWCO), предпочтительно 5–70 кДа, при температуре в диапазоне от 4 до 48 градусов Цельсия или, альтернативно, от 40 до 120°F, и предпочтительно при давлении/скорости потока 30–45 галлонов в минуту. Фильтрат, содержащий простые соединения, можно отделить от белкового потока.
Затем, на стадии 406, белковый поток можно отфильтровать через нанофильтрационную мембрану. Например, мембрана NF может характеризоваться MWCO от 200 до 800 Да и может фильтровать белковый поток при температуре в диапазоне от 4 до 48 градусов Цельсия, предпочтительно при скорости потока 30–50 галлонов в минуту. Таким образом, конкретные параметры порядка фильтрации могут оптимизировать получение белкового ингредиента. Необязательно, способ 400 может дополнительно включать прохождение ретентата NF через обратный осмос на стадии 408. Обратный осмос можно использовать для дополнительного увеличения концентрации белка в жидком потоке путем удаления дополнительного количества воды. Например, мембрана обратного осмоса может иметь MWCO 100 Да и может фильтровать поток белка при температуре от 4 до 48 градусов Цельсия, предпочтительно при скорости потока 30–50 галлонов в минуту. В некоторых вариантах осуществления фильтрацию обратным осмосом можно проводить при низкой температуре. С помощью способа 400 можно получить концентрированный белковый продукт.
В определенных вариантах осуществления способа 400 диапазон температур на одной или более стадий фильтрации может представлять собой диапазон низких температур или диапазон высоких температур. Например, одну или более стадий фильтрации можно проводить при температуре от 4 до 10 градусов Цельсия. Применение более низкой температуры предотвращает рост микробов в белковом потоке или в фильтрационных устройствах и обеспечивает получение белка более высокого качества. В качестве другого примера, одну или более стадий фильтрации проводят при высокой температуре, например, от 30 до 48 градусов Цельсия. Диапазон высоких температур может способствовать фильтрации частиц или молекул. Разные стадии фильтрации можно проводить при разных температурах, или при одинаковых температурах. Стадии фильтрации также можно корректировать в зависимости от фильтруемой белковой основы и целевой формы белкового ингредиента. Кроме того, хотя значения температуры приведены в градусах Цельсия, температурные диапазоны или настройки могут описываться с использованием градусов Фаренгейта. Например, диапазон 4–48 градусов Цельсия примерно равен диапазону от 40 до 120 градусов Фаренгейта, как показано на фиг.4.
ПРИМЕР: получение белковой основы с нейтральным цветом, улучшенными текстурой и вкусом
В качестве исходного вещества используют целый желтый горох, содержащий примерно 25% белка, 50% крахмала, 2% жира и 3% золы. Целый горох расщепляют и лущат с помощью мельницы грубого помола и лущителя Glenmills Inc. Очищенный и расщепленный желтый горох подвергают тонкому измельчению при установке на 90 лезвий с использованием устройства для микрорезания Urschell Comitrol Process, модель 1700, 6,0 дюймов, получая сырья с подходящим размером частиц. Затем порошок/муку тонко измельченного гороха смешивают с холодной водой в соотношении 1:10 и получают исходную суспензию сырого гороха. Сепаратор на 100 и 120 меш используют для удаления волокнистого вещества – неочищенных волокон и частичного крахмала, с получением выходной суспензии, которую затем отправляют в экстрактор. Гороховую суспензию, содержащую белок и остаточный крахмал, помещают в контейнер, используемый для осаждения крахмала и в качестве питающего резервуара для экспериментальной мембранной фильтрации со спиральной платформой входной суспензии MF. Для полного удаления крахмала из белковой суспензии, представляющей собой выходную белковую суспензию MF, используют мембрану MF из полиэфирсульфона (PES) с размером пор 0,4–0,7 микрона, при температуре ~60°F и давлении 100–120 фунтов/кв.дюйм. Тест с использованием раствора йода показывает, что уровень крахмала в суспензии белка гороха является не детектируемым, поскольку в тесте с использованием раствора йода не наблюдается изменение цвета на синий. Полученную суспензию белка подвергают ультразвуковой обработке с использованием устройства Hielscher при частоте 20 кГц, удельной мощности 50–100 Вт/мл, давлении 2–3 бар и температуре 100–140°F с получением на выходе суспензии белка, обработанной ультразвуком. После ультразвуковой кавитации значение желтого b* уменьшается с 24,54 до 17,13. После этого обработанную ультразвуком суспензию белка подвергают спиральной UF с использованием PES мембраны с размером пор 10 кДа при температуре 100–122°F и 110–130 фунт/кв.дюйм с достижением коэффициента объемной концентрации (VCF) ~3. Из таблицы 1 видно, что желтый цвет (значение b*) и размер частиц уменьшаются в конечном ретентате UF белковой основы. В таблице 1 некоторые значения подчеркнуты, чтобы указать на изменения в значении b*, % белка CEM, среднем размере частиц и размере частиц D(90) в определенные моменты процесса.
Таблица 1. Способы получения гороховой белковой основы из сырого гороха и физико–химические свойства образцов с каждой стадии
| Способ и образцы | L* | a* | b* | всего твердых веществ %, CEM | Белок %, CEM | Жиры %, CEM | Средний размер частиц (мкм) | Размер частиц D(90) (мкм) |
| 1. Исходная взвесь сырого гороха | 81,09 | 1,73 | 31,58 | 5,84 | 3,55 | 0,03 | 117,0 | 301,0 |
| 2. Выходная взвесь для поступления в экстрактор | 77,25 | 0,70 | 25,33 | 4,02 | 1,05 | 0,01 | 65,6 | 146 |
| 3. Входная взвесь для MF после осаждения крахмала | 75,67 | 0,68 | 27,00 | 2,85 | 1,63 | 0,04 | 57,9 | 205 |
| 4. Выходная из MF взвесь белка | 76,52 | 0,22 | 24,54 | 2,35 | 1,55 | 0,06 | 85,8 | 225 |
| 5. Выходная обработанная ультразвуком взвесь белка | 69,25 | 3,28 | 17,13 | 2,55 | 1,64 | 0,04 | nd | nd |
| 6. ~3× CF UF ретентат белковой основы | 79,83 | 3,27 | 25,88 | 6,11 | 4,62 | 0,14 | 6,4 | 9,5 |
Отдельные летучие соединения, присутствующие в суспензии сырого гороха и в гороховой белковой основе после обработки ультразвуком и UF перечислены в таблице 2. Содержание летучих соединений, таких как гексаналь, вызывающих неприятный запах, приписываемый неприятному запаху бобов, уменьшается после обработки ультразвуком и UF. В Таблице 2 подчеркнуты некоторые значения, указывающие на увеличение содержания белка в образце, полученном после обработки ультразвуком+UF по сравнению с контрольным образцом.
Таблица 2. Отдельные летучие соединения (ppb) до и после обработки ультразвуком+UF
| Летучие соединения | Контрольная взвесь горохового белка | Гороховая белковая основа (после обработки ультразвуком +UF) |
| Содержание белка (%) | 1,55% | 4,62% |
| Серосодержащие соединения | ||
| DMS | ||
| DMTS | 0,063 b | 0,083 ab |
| Метиональ | ||
| Альдегиды | ||
| Ацетальдегид | 74,200 b | |
| Бутаналь | 0,798 b | |
| Пентаналь | ND | |
| Гексаналь | 0,138 b | |
| Гептаналь | ||
| Октаналь | 0,159 b | |
| Нонаналь | ||
| Бензальдегид | 0,062 b | |
| 2–метилбутаналь | 0,679 ab | |
| 3–метилбутаналь | ||
| 2–ноненаль | 0,809 b | |
| 3–ноненаль | ||
| E–2–гептеналь | ||
| Z–4–гептеналь | ||
| E–2–октеналь | 0,184 b | 0,209 b |
| E–2–деценаль | 0,100 b | |
| E–2–додеценаль | 0,120 b | 0,225 ab |
| E, Z–2,6–нонадиеналь | 0,184 b | |
| E, E–2,4–декадиеналь | ||
| Спирты | ||
| 3–метил–1–бутанол | 0,044 b | |
| 1–Бутанол | 0,043 b | |
| 1–Гексенол | 0,277 b | |
| 1–Бутанол | 0,043 b | |
| 1–Пентанол | ND | |
| 1–Гептанол | 0,333 b | 0,646 ab |
| 1–Октен–3–ол | 0,232 b | 0,256 b |
| Кетоны | ||
| Диацетил | ||
| Ацетоин | ||
| Ацетон | 0,601 b | |
| 2–Бутанон | 0,328 b | |
| 2–Гексанон | 0,049 b | |
| 2–Гептанон | 0,154 b | |
| 4–Октанон | ||
| 2–Нонанон | ||
| 2–Деканон | 3,411 b | |
| 1–Октен–3–он | 0,297 b | 0,250 b |
На фиг.5 и 6 показан профиль белка гороха, полученный методом SDS–PAGE, демонстрирующий влияние обработки ультразвуком и UF на концентрацию белка. В частности, на фиг.5 показано сравнение полученного методом SDS–PAGE профиля белка гороха с ферментативным расщеплением после обработки ультразвуком и без обработки ультразвуком, а на фиг. 6 показано сравнение полученного методом SDS–PAGE профиля белка гороха до и после UF. Профили белка гороха SDS–PAGE до и после обработки ультразвуком и пептиды, полученные в результате ферментативного расщепления, используемые в качестве стандартов, показанные на графике 1, демонстрируют, что ультразвуковые условия не разрушают видимую первичную структуру белка. Сравнение полученных методом SDS–PAGE профилей белка гороха на фиг. 6 показывает, что UF с использованием пор размером 10 кДа позволяет извлечь основные белковые фракции.
Некоторые варианты осуществления могут быть более безвредными для окружающей среды, чем известные способы обработки белков, которые требуют применения химических веществ. Например, в целях улучшения экстрагируемости и инактивации липоксигеназы растительных белков в качестве экстракционного раствора обычно используют щелочной раствор, а процесс концентрирования методом изоэлектрического осаждения (IEP) включает применение кислых и щелочных химических веществ. Некоторые варианты осуществления изобретения позволяют извлекать и концентрировать белок, а также инактивировать LOX без применения химикатов. Кроме того, некоторые варианты осуществления позволяют уменьшить отходы за счет использования побочных продуктов производства белкового ингредиента для получения пищевых волокон и/или пищевых продуктов с высоким содержанием пищевых волокон.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления, специалисту в данной области техники могут быть предложены многочисленные замены, вариации, изменения, преобразования и модификации, и предполагается, что настоящее описание охватывает такие замены, вариации, изменения, преобразования и модификации, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения. Компоненты систем и устройств, раскрытых в данном документе, могут быть объединены или разделены. Кроме того, операции систем и устройств можно проводить с использованием большего количества компонентов, меньшего количества компонентов или других компонентов. Способы могут включать в себя больше стадий, меньше стадий или другие стадии. Кроме того, стадии можно проводить в любом подходящем порядке.
1. Способ для получения концентрированной белковой основы, которая может быть использована в качестве ингредиента пищевого продукта, включающий:
получение белковой основы путем измельчения белкового ингредиента и смешивания его с водой, где белковым ингредиентом являются бобовые растения;
отделение волокнистого вещества от белка;
применение ультразвуковой обработки к белковой основе в ультразвуковом устройстве в соответствии с настройками ультразвуковой обработки, где настройки ультразвуковой обработки выбирают так, чтобы вызывать акустическую кавитацию внутри белковой основы;
фильтрование белковой основы через один или более мембранных фильтров с получением концентрированной белковой основы до тех пор, пока концентрация белка в белковой основе не будет составлять по меньшей мере 15 мас.% белка.
2. Способ по п. 1, где один или более мембранных фильтров включают ультрафильтрационную мембрану, имеющую максимальный диаметр пор от 0,1 до 0,001 мкм.
3. Способ по п. 2, где фильтрация белковой основы с помощью ультрафильтрационной мембраны включает фильтрацию белковой основы до тех пор, пока белковая основа не будет содержать менее 0,5 г/кг сапонинов, менее 0,5% танинов и менее 1,5 г/кг фитата.
4. Способ по п. 1, где один или более мембранных фильтров включают нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса, имеющую максимальный диаметр пор от 1 до 10 нанометров.
5. Способ по п. 1, где один или более мембранных фильтров включают микрофильтрационную мембрану, имеющую максимальный диаметр пор от 0,1 до 0,22 мкм.
6. Способ по п. 1 или 5, где белковая основа представляет собой гороховую белковую основу, а в результате фильтрования белковой основы получают белковую фракцию, имеющую высокое процентное содержание вицилинового компонента.
7. Способ по п. 1, где источником белка для указанной белковой основы является горох.
8. Способ по п. 1, где белковая основа не содержит или по существу не содержит животные и/или молочные вещества.
9. Способ по п. 1, где настройки ультразвука включают амплитуду от 25 до 100 мкм при частоте от 20 до 20000 Гц и мощности в диапазоне от 100 до 400 Вт.
10. Способ по п. 1, где ультразвуковую обработку применяют, по меньшей мере, до тех пор, пока цвет белковой основы не достигнет эталонного уровня со значением b* менее +15.
11. Способ по п. 1, где белковая основа содержит активированную липоксигеназу, а ультразвуковую обработку применяют, по меньшей мере, до инактивации липоксигеназы при температуре ниже 85 градусов Цельсия.
12. Способ по п. 1, где применяемая ультразвуковая обработка представляет собой маносаникацию, применяемую при давлении от 1 до 4 бар.
13. Способ по п. 1, включающий обработку белковой основы с получением белкового ингредиента.
14. Пищевой продукт, содержащий концентрированную белковую основу, содержащую белок в концентрации по меньшей мере 15 мас.%, где указанную концентрированную белковую основу получают способом по пп. 1-13, где пищевой продукт представляет собой одно из следующего: молочные или немолочные (растительные) напитки, замороженные десерты, йогурты, сыры, сливки для кофе, спортивные напитки, улучшенные фруктовые и овощные соки, смузи, закуски, хлебобулочные изделия, питательные порошкообразные продукты RTM, спортивные/питательные батончики, диетологический чай, диетологический кофе, мясо, ореховые, молочные или немолочные масла, взбитая глазурь или экзотические продукты.
