СИСТЕМА И СПОСОБ ДРОБЛЕНИЯ БЕЛКА МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ НА МИКРОЧАСТИЦЫ
SYSTEM AND METHOD FOR MILK WHEY PROTEIN CRUSHING INTO MICROPARTICLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области дробления белка молочной сыворотки на микрочастицы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Белок молочной сыворотки характеризуется молекулярным весом, в своих различных видах, ниже 100 КД («КД» означает килодальтоны, также обозначаемые как «кДа»). Следовательно, он имеет малый размер и находится в растворимом состоянии. Для включения этого белка в некоторые процессы, связанные с приемом пищи, его необходимо денатурировать и агломерировать для образования частиц, обычно имеющих микронный размер, что известно как дробление на микрочастицы.
Дробление на микрочастицы может быть определено как процесс, в котором белковый концентрат подвергается термической обработке в условиях механического воздействия, так что силы трения препятствуют образованию загущенной матрицы и приводят к образованию небольших агрегатов белков сыворотки. Данный процесс не вызывает потери качества или снижение высокой биологической ценности белков, в действительности, главной целью является обеспечение новых технологических и органолептических свойств, при сохранении белками сыворотки своей пищевой ценности и своих функциональных свойств (вспенивание, способность к образованию эмульсии и загустеванию). В результате, он может быть очень полезным ингредиентом в составе молочных продуктов, таких как сыр, йогурт, мороженое, творог, кефир, напитки или в соусах, кремах и майонезе. Он также может быть использован в качестве источника сухого остатка молока для замены молока в составе других продуктов.
Как описано в настоящем документе и в стандартной терминологии, используемой в уровне техники изобретения, дробление на микрочастицы определено, как процесс обработки белкового концентрата, однако он не обязательно должен быть концентрированным продуктом, и процесс может выполняться без концентрата, даже если результаты не являются оптимальными. То есть, концентрация необходима для хорошего результата, но сама по себе не является существенной для дробления на микрочастицы, поэтому термин «концентрация», используемый в настоящем документе, следует толковать в широком смысле.
Дробление на микрочастицы обеспечивает возможность получения белковых агрегатов с размером частиц от 0,5 до 10 мкм, сходных по размеру с жировыми глобулами (1-10 мкм), обеспечивая возможность их включения в белковые матрицы и, таким образом, ведя себя в качестве потенциального заменителя жировых глобул, и которые могут быть повторно включены в молочный продукт. В действительности, данный вариант применения, как правило, имел место в многочисленных отраслях сырной промышленности более или менее профессионально в течение нескольких десятилетий (с проблемой, вызванной отсутствием тщательного контроля процесса, и, следовательно, в некоторой степени случайными результатами).
В дополнение к вышеизложенному, микрочастицы имеют другие преимущества по сравнению с жидкой молочной сывороткой:
• Они не придают молочной сыворотке желтоватый цвет, их белый цвет скорее напоминает молоко.
• По вкусу они не похожи на «молочную сыворотку»; считается, что сырая молочная сыворотка имеет неприятный вкус.
• Они придают кремовую гладкую структуру.
• Они характеризуются хорошей водоудерживающей способностью.
В известном патенте, опубликованном под № ЕР2124583, описан способ дробления на микрочастицы, в котором молочную сыворотку предварительно нагревают при 75°С, пропускают через насос при высоком давлении, составляющем 40-80 бар, нагревают до 85-125°С, выдерживают на протяжении от 3 до 30 минут, охлаждают до -75°C, пропускают через гомогенизатор, охлаждают и, таким образом, получают частицы размером от 3 до 10 микрометров.
Изобретение, описанное в указанном патенте, имеет недостатки, связанные с использованием высокого давления в большей части системы, температуры выше 100°С, которая считается высокой, а также с относительно продолжительным временем обработки.
Известен другой патент, опубликованный под № US2010/00472, в котором описан гораздо более традиционный процесс денатурации в теплообменнике, в котором, в то же время, используют высокое давление, с последующим разрушением агрегатов на головке гомогенизатора.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение представлено и охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, тогда как в зависимых пунктах формулы изобретения описаны его дополнительные характеристики.
Целью изобретения является достижение дробления белка молочной сыворотки на микрочастицы, как с помощью системы, так и способа ее использования, без необходимости высоких давлений во всей системе или в большинстве ее частей, или необходимости высоких температур, которые, согласно известному уровню техники, считаются таковыми, начиная с 40 бар и 100°С соответственно. Технической проблемой, подлежащей решению, является создание системы с помощью элементов и их соединения между собой, а также способа ее использования.
Преимуществом системы и способа по пунктам 1 и 10 формулы изобретения является то, что представлен не только физический (механический и термический) процесс обработки, но также и химический, температура во всей системе является низкой, а высокое давление имеет место только в одной точке системы. Преимущество, которое обеспечивается за счет вышеуказанного, заключается в снижении потребления энергии по сравнению с известными сведениями, являясь более экологически благоприятным.
Другим преимуществом системы по пункту 3 формулы изобретения является то, что ее температура не превышает 100°С, считаясь, таким образом, низкой температурой.
Другим преимуществом системы по пункту 9 формулы изобретения является то, что термическую обработку выполняют в трубчатом теплообменнике для поддержания оптимального рабочего потока с целью обеспечения денатурации и агрегации, что обеспечивает возможность выполнения дальнейшего дробления агрегата белка надлежащим образом. Подобным образом, обслуживание следует проводить в трубе, имеющей подходящий диаметр, для обеспечения рабочего потока.
Другие преимущества, относящиеся к системе и способу, заключаются в том, что:
-  благодаря использованию низкого давления и температуры, оборудование имеет меньший размер и является менее дорогостоящим, а его использование является более экономичным с точки зрения энергии;
- полученный продукт является однородным, поскольку более 95% частиц имеют одинаковый размер;
- с помощью одной системы может быть получен широкий диапазон размеров частиц в отличие от других известных систем, в которых может быть получен только один размер частиц.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Данное описание дополнено набором чертежей, на которых изображен предпочтительный вариант реализации, которые не предназначены для ограничения изобретения.
На фигуре 1 представлена схема системы, в которой различные сектора разграничены штрихпунктирными линиями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительный вариант реализации изобретения, основанный на фигуре, приведен ниже.
На фигуре 1 показана система для дробления белка молочной сыворотки на микрочастицы, которая содержит первый канал (1) для переноса указанного белка, который проходит через вход (E) системы через насос (2). Как правило, концентрация белка на входе составляет от 14 КБМС до 60 КБМС (КБМС является аббревиатурой для «Концентрата белка молочной сыворотки»). Необязательно, перед насосом (2) установлен усреднительный резервуар (14).
Система дополнительно содержит термический сектор (Т), механический сектор (М) и химический сектор (Q), причем последний расположен непосредственно после одиночного или коловратного насоса (2) непрерывного потока, который содержит дозатор корректора (3) pH, соединенный с первой трубой (1). Как правило, контроль рН выполняют с помощью любого стандартного измерителя рН, а регулирование (при необходимости) обычно выполняют путем добавления кислого продукта (предпочтительно, лимонной кислоты) с помощью дозирующего насоса, который не показан. Кроме того, за исключением лишь механического сектора (M), во всей системе поддерживается температура, равная или ниже 100°C, и давление, составляющее от 2 до 15 бар.
Таким образом, в способе, наряду с термической и механической обработкой, проводят химическую обработку с целью коррекции значений рН до значения от 4 до 7, причем все они проводятся при низкой температуре, ниже или равной 100°C, при давлении от 2 до 15 бар, хотя обычно использут давление от 2 до 4 бар, механическая обработка является единственной, которую проводят при давлении выше 40 бар, таким образом, он является способом с низким давлением по сравнению со способами, известными из уровня техники, и агломерацию частиц выполняют при относительно низком давлении.
В первом описанном варианте реализации, для нагревания труба (1) входит в термический сектор (М) и проходит через первый теплообменник (4), предпочтительно, пластинчатый теплообменник, как тот, который показан, хотя он может быть и другого типа; и это продолжают до достижения нагревателем (5) температуры от 75 до 95°C. Как правило, нагревание проводят с перепадом 2°C между горячей водой и нагреваемой текучей средой для достижения линейной и контролируемой агломерации частиц, поскольку размер частиц прямо пропорционален температуре: чем выше температура, тем больше размер.
Первая труба (1) проходит до достижения секции (6) обслуживания - этапа способа, который, предпочтительно, длится от 5 секунд до 90 секунд, как правило, менее 15 секунд, что составляет намного меньше времени, чем известно из уровня техники. Время обслуживания влияет не только на размер и твердость частицы: чем дольше время, тем больше размер и тем значительнее твердость. Предпочтительно, как показано на фиг. 1, секция обслуживания выполнена в виде множества параллельных прямых секций с круглым поперечным сечением, при этом по меньшей мере две соединены с помощью кривых в 180°. Вместо этой конфигурации, известна альтернативная конфигурация с использованием покрытия, которая нецелесообразна для поддержания оптимального потока, что предусмотрено в изобретении.
В конечном итоге, денатурация и агрегация белков связана с потоком, поскольку если денатурированные белковые частицы находятся в контакте без какого-либо движения, агрегация будет более легкой, и, следовательно, разрушение будет менее эффективным. Именно поэтому существует оптимальное соотношение производительности, особенно в нагревателе (5) трубчатого типа, и в секции (6) обслуживания. Диаметр обоих влияет на размер агломерированных частиц.
Первая труба (1), которая проходит к охладителю (7) и протягивается до входа в механический сектор (М), содержащий клапан обратного давления (8), доходит до гомогенизатора (9) для дробления агломератов частиц под давлением, составляющим от 200 до 250 бар, что является единственной точкой системы, находящейся под высоким давлением, и она проходит к выходу из механического сектора (М) и к входу термического сектора (Т), достигая первого теплообменника (4) для охлаждения агломерата до кремовой текстуры и оттуда к выпускному отверстию (S) системы, для которой конечная температура, до которой она охлаждается в зависимости от конечного применения и которая обычно составляет около 8°C. Таким образом, достигается термическое применение, поскольку в первом теплообменнике (4) горячий продукт, покидающий систему, используется для нагревания поступающего в нее продукта, который является охлажденным, и наоборот, для охлаждения выходящего продукта. Данный аспект помогает снизить энергопотребление системы.
Результат комбинации химической, термической и механической обработок заключается в устранении возможных бактериофагов,
содержащихся в молочной сыворотке.
Необязательно, нагреватель (5) представляет собой трубчатый теплообменник, в который горячая жидкость поступает через вторую трубу (10), с которой он соединен, нагревается во втором теплообменнике (11), как правило, пластинчатом теплообменнике, как показано, но он может быть и другого типа, в который горячая жидкость попадает через третью трубу (12), а охладитель(7) представляет собой трубчатый или пластинчатый
теплообменник, в который охлажденная жидкость попадает через четвертую трубу (13), с которой он соединен. Где необходимо, указанные нагревательные (5) и охлаждающие (7) трубчатые теплообменники являются простыми, которые не обязательно должны быть теплообменниками с очищаемой поверхностью, которые являются более экономичными и не изменяют агломерацию путем вращения скребков.