МИЦЕЛЛЫ БЕЛКА МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ
MILK WHEY PROTEIN MICELLES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается мицелл белка молочной сыворотки (далее по тексту - мицелл сывороточного белка), в частности применения концентратов и порошков указанных мицелл в широком перечне пищевой продукции.
Уровень техники
Белок составляет неотъемлемую часть рационов питания многих людей. Он используется не только из-за его питательной ценности, но и из-за его способности придавать требуемую текстуру и стабилизировать пищевые продукты. Например, в жиросодержащих продуктах жир должен оставаться стабильным в течение всего срока хранения продукта во избежание разделения на фазы.
Для этой цели используются эмульгаторы, которые стабилизируют образовавшуюся эмульсию благодаря присущему им свойству способствовать растворению липофильной или гидрофобной части в неводной фазе, а полярной или гидрофильной части - в воде, т.е. указанные молекулы облегчают эмульгирование одной фазы в другой фазе. В дополнение к этому, эмульгаторы предупреждают также агрегацию и коалесценцию уже сформировавшихся капель. В качестве эмульгаторов используются природные вещества, такие как гидроколлоиды, фосфолипиды (лецитин) или гликолипиды, но, с другой стороны, могут использоваться также и синтетические агенты, такие как стеарил-2-лактилат или моно-, диацилглицериды и др.
Одним из основных недостатков этих агентов является то, что они в некоторых случаях приводят к значительному удорожанию стоимости готового продукта и не способствуют повышению его питательной ценности. В некоторых случаях такого рода материалы не показывают также адекватной стабилизирующей способности из-за конкуренции с белками на границе раздела фаз.
Поэтому белок все чаще используется и как эмульгатор, и как частичный заменитель жира.
US 6767575 В1 раскрывает способ производства продукта сывороточных белков в форме агрегатов, который предусматривает денатурацию сывороточных белков путем подкисления и тепловой обработки. Полученные таким способом белковые агрегаты используются в пищевой промышленности.
GB 1079604 описывает улучшенный способ производства сыра, в котором сывороточные белки подвергаются тепловой обработке при оптимальном значении рН с целью получения нерастворимых сывороточных белков, которые затем добавляются в сырое молоко для сыра.
WO 93/07761 касается получения сухого белкового продукта из микрочастиц, который может использоваться в качестве жирозаменителя.
US 5750183 раскрывает способ производства белковых микрочастиц, которые пригодны для применения в качестве жирозаменителя, не содержащего жира.
Белковый жирозаменитель раскрывается также в WO 91/17665, в котором белок присутствует в виде денатурированного сывороточного белка из микрочастиц, способного диспергироваться в воде.
Помимо пищевых продуктов, белки присутствуют также во многих фармацевтических и косметических композициях.
Однако одной из проблем, связанных с производством продуктов, содержащих в большинстве случаев глобулярные белки, в частности белки молочной сыворотки, является их ограниченная технологичность в обработке в условиях промышленного пищевого производства. В действительности белковые молекулы при тепловой обработке или в кислотном, либо щелочном окружении, или в присутствии солей теряют свою нативную структуру и перестраиваются в различные произвольные структуры, такие как, например, гели.
Производство гелеобразных (желированных) водных композиций белков молочной сыворотки является предметом изобретения ЕР 1281322.
Elofsson et al. в "International Dairy Journal", 1997, p.601-608, описывает способ холодного желирования концентратов белков молочной сыворотки.
Равным образом Kilara et al. в "Journal of Agriculture and Food Chemistry", 1998, p.1830-1835, описывает влияние рН на агрегацию сывороточных белков и образование ими гелей.
Этот эффект гелеобразования является причиной ограничения в рамках не только технологичности в обработке (например, засорение машин, используемых в производстве белоксодержащих продуктов), но и в рамках формирования текстуры, которая может быть неприемлемой в большинстве сфер применения белка.
Поэтому в целях расширения сферы применения белков крайне желательно контролировать их денатурацию.
В материалах 2-й Международной конференции по молочной сыворотке, состоявшейся в октябре 1997 г. в Чикаго, США (Proceedings of the Second International Whey Conference, Chicago, October 1997), о которой сообщается в бюллетенях Международной Молочной Федерации, 1998, 189-196, Britten М. обсуждает вопросы тепловой обработки сывороточных белков с точки зрения улучшения их функциональных свойств. Описан способ производства дисперсии сывороточных белков в форме микрочастиц при 95°C.
Erdman в "Journal of American College of Nutrition", 1990, p.398-409, указывает на то, что качество белка в форме микрочастиц не страдает в случае применения высокого усилия сдвига и нагрева.
ЕР 0603981 также описывает стабильную к нагреву эмульсию масло-в-воде, содержащую белки.
Sato et al. в US 5 882 705 получил мицеллярный сывороточный белок путем тепловой обработки раствора гидролизованного сывороточного белка. Этот мицеллярный белок характеризуется неправильной формой.
Таким образом, задачей изобретения является расширение сферы использования белков в промышленных производственных процессах и обеспечение пригодных для потребления продуктов на белковой основе.
Раскрытие изобретения
Указанная цель соответственно достигается с помощью отличительных признаков самостоятельных пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы развивают далее основную идею настоящего изобретения.
Таким образом, в первом аспекте изобретения обеспечивается пригодный для потребления продукт, содержащий мицеллы сывороточного белка.
В частности, настоящее изобретение касается продукта типа майонеза с повышенной кислотностью, содержащего растворимые мицеллы сывороточного белка.
В другом аспекте изобретение относится к такому продукту, как суп или соус, содержащему растворимые мицеллы сывороточного белка и имеющему содержание соли от 0,01% до 3%, предпочтительно - от 0,1% до 2,5%.
Способ производства пригодного для употребления продукта по любому из пунктов формулы 1-28, включающий стадии:
(а) смешивания мицелл сывороточного белка, их концентрата или порошка с прочими ингредиентами продукта и
(б) обработки смеси,
также является частью настоящего изобретения.
В следующем аспекте настоящее изобретение касается обезвоженного пищевого продукта, содержащего порошок мицелл сывороточного белка и сухие пищевые ингредиенты.
Соответственно обеспечивается также способ производства пригодного для употребления продукта по любому из пунктов формулы 29-34, включающий стадии:
(а) смешивания порошка мицелл сывороточного белка с прочими сухими ингредиентами продукта или
(б) совместной сушки раствора мицелл сывороточного белка с прочими ингредиентами продукта.
Описание фигур
Настоящее изобретение описывается ниже со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты его воплощения, представленные на прилагаемых к описанию фигурах, из которых:
Фиг.1 показывает результат эксперимента, демонстрирующего влияние рН и тепловой обработки на мицеллизацию (мицеллообразование) β-лактоглобулина.
Фиг.2 демонстрирует возможность определения рН мицеллизации на примере выпускаемого промышленностью белкового препарата (Bipro, партия JE032-1-420) на основе измерений мутности при 500 нм.
Фиг.3 представляет собой ТЕМ (трансмиссионная электронная микроскопия) микрофотографию мицелл сывороточного белка (2 мас.%, WPI 95 (изолят белка молочной сыворотки), Lactalis) при рН 7,4. Масштабная шкала: 200 нм.
Фиг.4 демонстрирует результат эксперимента по оценке влияния ионной силы (комплекса аргинин НСl) на образование белковых мицелл при постоянном рН, равном 7,0.
Фиг.5 демонстрирует объемную стабильность (FVS) пены, стабилизированной 1 мас.%, мицелл β-лактоглобулина (от Davisco) при рН 7,0 в присутствии 60 мМ аргинина НСl, по сравнению с не подвергавшимся мицеллизации β-лактоглобулином.
Фиг.6 демонстрирует гидродинамический диаметр (на основе эквивалентной интенсивности) сывороточного белка, полученного путем тепловой обработки 1 мас.% дисперсии β-лактоглобулина при 85°С, 15 мин, при рН от 2 до 8. Мицеллы сывороточного белка получены при рН 4,25 (положительно заряженные зета-потенциал около +25 мВ) и при рН 6,0 (отрицательно заряженные зета-потенциал около -30 мВ). Z-усредненный гидродинамический диаметр мицелл составил 229,3 нм при рН 4,25 и 227,2 нм при рН 6,0. Представлены соответствующие микрофотографии, полученные с помощью ТЕМ с применением негативного окрашивания. Масштабная шкала: 1 мкм.
Фиг.7 демонстрирует схематическое изображение структуры мицеллы сывороточного белка.
Фиг.8 представляет собой SEM (сканирующая электронная микроскопия) микрофотографию порошка мицелл сывороточного белка, полученного распылительной сушкой дисперсии с содержанием белка 20% после микрофильтрации.
Фиг.9 представляет собой негативно окрашенную ТЕМ-микрофотографию дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной при содержании белка 4%.
Фиг.10 представляет собой негативно окрашенную ТЕМ-микрофотографию дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной при содержании белка 20% после микрофильтрации.
Фиг.11 демонстрирует теплоустойчивость дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной при содержании белка 10% после микрофильтрации при рН 7,0 в присутствии NaCl после тепловой обработки при 85°С, 15 мин.
Фиг.12 демонстрирует теплоустойчивость дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной при содержании белка 4% при рН 7,0 в присутствии NaCl после тепловой обработки при 85°С, 15 мин.
Фиг.13 представляет собой негативно окрашенную ТЕМ-микрофотографию 4%-й дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной путем диспергирования порошка чистых мицелл сывороточного белка при 50°C в деионизированной воде.
Фиг.14 представляет собой диаграмму, показывающую распределение по размерам мицелл, полученных способом по изобретению с использованием 4% изолята сывороточного белка Prolacta 90, обработанного при рН 5,9.
Фиг.15 представляет собой SEM-микрофотографию, показывающую внутреннюю структуру на разрезе гранулы порошка, полученного распылительной сушкой, которая показана на фиг.8.
Фиг.16 представляет собой негативно окрашенную ТЕМ-микрофотографию 4% дисперсии мицелл сывороточного белка, полученной путем диспергирования полученного сублимационной сушкой порошка чистых мицелл сывороточного белка при комнатной температуре в деионизированной воде. Масштабная шкала: 0,5 микрометра.
Фиг.17 демонстрирует схематично изображенный процесс покрытия WPM (мицеллы сывороточного белка) сульфатированным бутил-олеатом (SBO) при увеличении соотношения смешивания при рН 3,0. Серые кружочки: WPM с положительным поверхностным зарядом. Черные головки с хвостиками: отрицательно заряженные головные и гидрофобные хвостовые части SBO.
Фиг.18 представляет собой фотографию концентрата мицелл сывороточного белка, полученного выпариванием 20% дисперсии белка, в которую были добавлены 4% NaCl.
Фиг.19 представляет собой полученную микроскопией в проходящем свете микрофотографию полутонкого среза порошка мицелл сывороточного белка после окрашивания толуидиновым синим. Масштабная шкала: 50 микрон.
Фиг.20 представляет собой SEM-микрофотографию разреза полой частицы порошка мицелл сывороточного белка. Слева: внутренняя структура. Справа: детальное изображение мицеллы сывороточного белка, составляющей матрицу частицы порошка. Масштабная шкала: 10 и 1 микрон, соответственно.
Осуществление изобретения
На фиг.7 схематически показаны мицеллы по настоящему изобретению, в которых сывороточные белки локализованы таким образом, что их гидрофильные части ориентированы в сторону наружной части агломерата, а гидрофобные части - в сторону внутренней "сердцевины" мицеллы. Такая энергетически благоприятная конфигурация придает указанным структурам высокую стабильность в гидрофильном окружении.
Специфическую структуру мицелл можно видеть на фигурах, в частности на фиг.3, 9, 10, 13 и 15, на которых мицеллы состоят преимущественно из сферических агломератов денатурированного сывороточного белка. Мицеллы характеризуются, в частности, правильной сферической формой.
Вследствие их двойственного характера (гидрофильного и гидрофобного) указанное денатурированное состояние белка обусловливает, по-видимому, взаимодействие между гидрофобной фазой (например, каплей жира или воздуха) и гидрофильной фазой. Поэтому мицеллы сывороточного белка обладают отличными эмульгирующими и пенообразующими свойствами.
Кроме того, мицеллы, полученные способом по изобретению, характеризуются распределением по размерам в чрезвычайно узком диапазоне (см. фиг.14), так что более 80% образовавшихся мицелл имеют размер менее 1 микрона, предпочтительно - от 100 до 900 нанометров (нм), более предпочтительно - от 100 до 770 нм, наиболее предпочтительно - от 200 до 400 нм.
Средний диаметр мицелл можно определять с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЕМ). Для этого жидкие образцы мицелл инкапсулируют в пробирки с агаровым гелем. Фиксация достигается при погружении в раствор 2,5% глутаральдегида в 0,1 М буфере какодилата с рН 7,4, а вторичная фиксация - при погружении в раствор 2% тетроксида осмия в том же буфере, при этом оба раствора содержат 0,04% рутения красного. После дегидратации в этаноле возрастающей концентрации (70, 80, 90, 96, 100%-й этанол) образцы заливают смолой Spurr (смола с низкой вязкостью) в соотношении смола:этанол=1:1, 2:1 (100%-й этанол). После полимеризации смолы (70°С, 48 часов) на ультрамикротоме Leica ultracut UCT готовят полутонкие и ультратонкие срезы. Затем ультратонкие срезы, контрастированные водным раствором уранилацетата и цитрата свинца, изучают под трансмиссионным электронным микроскопом (Philips СМ12, 80 кВ).
Не желая останавливаться на теории, авторы изобретения выдвинули предположение, что в процессе мицеллообразования по способу изобретения мицелла достигает "максимального размера" благодаря ее общему электростатическому заряду, отталкивающему дополнительные белковые молекулы, так что мицелла больше не может увеличиваться в размере. Это, по-видимому, и является причиной наблюдаемого распределения по размерам в столь узком диапазоне (ср. фиг.14).
Вышеописанные мицеллы можно получать способом, подробно описанным ниже.
В качестве сывороточного белка, пригодного для использования в способе по изобретению, могут служить любые выпускаемые промышленностью изоляты или концентраты белков молочной сыворотки, т.е. белки молочной сыворотки, полученные способом производства таких белков, известным из уровня техники, а также фракции белков молочной сыворотки, выделенные из них, или такие белки, как β-лактоглобулин (β-LG), α-лактальбумин и сывороточный альбумин. В частности, в качестве сывороточного белка можно использовать сладкую сыворотку, являющуюся побочным продуктом сыроделия; кислую сыворотку, являющуюся побочным продуктом производства кислотного казеина; нативную молочную сыворотку, полученную при микрофильтрации молока, или сычужную сыворотку, являющуюся побочным продуктом производства сычужного казеина. Сывороточный белок может быть получен из одного источника или смесей любых источников. Предпочтительно, чтобы сывороточный белок не подвергался стадии гидролиза перед мицеллообразованием. Так, сывороточный белок не должен подвергаться ферментативной обработке до мицеллизации. В настоящем изобретении важно использовать в способе мицеллообразования белок молочной сыворотки, а не его гидролизаты.
Настоящее изобретение не ограничивается изолятами сывороточного белка только из коровьего молока, а включает также изоляты сывороточного белка из молока всех видов млекопитающих, например овечьего, козьего, кобыльего молока и молока верблюдиц. Способ по настоящему изобретению применим также к минерализованному, деминерализованному или слабо минерализованному сывороточному продукту. Под "слабо минерализованным" подразумевается сывороточный продукт, из которого удалены методом диализа или диафильтрации свободные минералы, но в котором остались минералы, связанные с ним природной минерализацией после производства, например, концентрата или изолята сывороточного белка. Эти "слабо минерализованные" сывороточные продукты не подразумевают предварительного обогащения специфическими минералами.
Сывороточные белки являются отличным источником незаменимых аминокислот (АА) (45%). По сравнению с казеином (содержащим 0,3 г цистеина/100 г белка) белки сладкой сыворотки содержат в 7 раз больше цистеина, а белки кислой сыворотки в 10 раз больше цистеина. Цистеин - это аминокислота, лимитирующая скорость синтеза глутатиона (GSH), т.е. трипептида, состоящего из глутамата, цистеина и глицина, который выполняет первостепенные важные функции в защите организма от стресса. Потребности в указанных аминокислотах могут возрасти в случае стресса и у пожилых людей. Так, была показана полезность дополнения перорально принимаемых препаратов глутатиона сывороточным белком с целью повышения уровней GSH у ВИЧ-инфицированных больных (Eur. J. Clin. Invest. 2001; 31,171-178).
Другие полезные для здоровья преимущества, обеспечиваемые сывороточными белками, включают ускорение роста и формирования мышечной ткани, а также поддержание мышечной массы у детей, взрослых и пожилых людей, усиление иммунной функции, улучшение когнитивной функции, регулирование уровня глюкозы крови, что делает их пригодными для диабетиков, регулирование массы тела и чувства сытости, противовоспалительные действия, заживление ран и регенерация кожи, снижение кровяного давления и др.
Сывороточные белки характеризуются улучшенным коэффициентом эффективности белка (PER=118) по сравнению, например, с казеином (PER=100). PER -это мера качества белка, которое оценивается путем определения того, в какой степени тот или иной белок содействует приросту массы тела. PER можно рассчитать по следующей формуле:
PER=прирост массы тела (г) / масса потребленного белка (г).
Параметры:
PER
% от казеина
казеин
3,2
100
яичный белок
3,8
118
белок молочной сыворотки
3,8
118
соевый белок
(белок цельных бобов)
2,5
78
пшеничный глютен
0,3
9
В способе по изобретению сывороточные белки могут присутствовать в водном растворе в количестве от 0,1 мас.% до 12 мас.%, предпочтительно - в количестве от 0,1 мас.% до 8 мас.%, более предпочтительно - в количестве от 0,2 мас.% до 7 мас.%, еще более предпочтительно - в количестве от 0,5 мас.% до 6 мас.%, наиболее предпочтительно - в количестве от 1 мас.% до 4 мас.%, в пересчете на общую массу раствора.
Водный раствор продукта сывороточного белка в том виде, в каком он присутствует до стадии мицеллизации, может содержать также дополнительные соединения, такие как побочные продукты соответствующих способов производства сыворотки, другие белки, камеди или углеводы. Раствор может содержать также другие пищевые ингредиенты (жир, углеводы, растительные экстракты и др.). Количество таких дополнительных соединений предпочтительно не превышает 50 мас.%, более предпочтительно - 20 мас.%, наиболее предпочтительно - 10 мас.%, от общей массы раствора.
Сывороточный белок может использоваться в очищенном виде или в виде продукта-сырца. Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения содержание двухвалентных катионов в сывороточном белке для получения концентрата мицелл сывороточного белка может составлять ниже 2,5%, более предпочтительно - ниже 2%, еще более предпочтительно - ниже 0,2%. Наиболее предпочтительно, чтобы сывороточные белки были полностью деминерализованы.
В соответствии с настоящим открытием рН и ионная сила являются важными факторами в способе по изобретению. Так, в случае образцов, подвергнутых интенсивному диализу, из которых удалены практически все или сведены к минимуму свободные катионы, такие как Са, K, Na, Mg, было установлено, что при проведении тепловой обработки в течение периода времени от 10 секунд до 2 часов при рН ниже 5,4 образуется сгусток, в то время как при рН выше 6,8 образуется растворимый сывороточный белок (см. фиг.1). Поэтому только в этом довольно узком диапазоне рН можно получить мицеллы сывороточного белка диаметром менее 1 мкм. Эти мицеллы будут иметь общий отрицательный заряд. Такую же форму мицелл можно получить также при рН ниже изоэлектрической точки, т.е. при рН от 3,5 до 5,0, более предпочтительно - при рН от 3,8 до 4,5, который обеспечивает образование положительно заряженных мицелл (см. фиг.6).
Таким образом, согласно одному из вариантов воплощения изобретения для получения положительно заряженных мицелл мицеллизацию сывороточных белков можно проводить в не содержащем солей растворе при значении рН, установленном на уровне от 3,8 до 4,5 в зависимости от содержания минералов в белковом источнике.
Образующиеся при этом мицеллы предпочтительно будут иметь общий отрицательный заряд. Так, в предпочтительном варианте рН устанавливается на уровне от 6,3 до 9,0, если содержание двухвалентных катионов в сухом порошкообразном сывороточном белке составляет от 0,2% до 2,5%.
Если говорить более конкретно, то для получения отрицательно заряженных мицелл рН устанавливается в диапазоне от 5,6 до 6,4, более предпочтительно - от 5,8 до 6,0 при низком содержании двухвалентных ионов (например, ниже 0,2% исходного сухого сывороточного белка). рН может повышаться до 8,4 в зависимости от содержания минералов в источнике сывороточного белка (концентрате или изоляте). В частности, рН может составлять от 7,5 до 8,4, предпочтительно - от 7,6 до 8,0, для получения отрицательно заряженных мицелл в присутствии больших количеств свободных минералов, и рН может составлять от 6,4 до 7,4, предпочтительно - от 6,6 до 7,2, для получения отрицательно заряженных мицелл в присутствии умеренных количеств свободных минералов. Основное правило гласит, что чем выше содержание кальция и/или магния в исходном сухом сывороточном белке, тем выше рН мицеллизации.
В целях стандартизации условий мицеллообразования сывороточного белка наиболее предпочтительной является деминерализация любым из известных методов деминерализации (диализом, ультрафильтрацией, методом обратного осмоса, ионным обменом, хроматографией и др.) любого источника жидких нативных сывороточных белков с концентрацией белка, варьирующей от концентрации белка в сладкой сыворотке, пермеате от микрофильтрации молока или в кислой сыворотке (содержание белка 0,9%) до концентрации белка в концентрате с содержанием белка 30%. Диализ может проводиться против воды (дистиллированной, деионизированной или умягченной), но поскольку такой метод диализа позволяет удалять только ионы, слабо связанные с сывороточными белками, то более предпочтительным является метод диализа против кислоты при рН ниже 4,0 (органической или неорганической), позволяющий лучше контролировать ионный состав сывороточных белков. При проведении такого диализа рН мицеллообразования сывороточного белка будет ниже 7,0, более предпочтительно - от 5,8 до 6,6.
Перед тепловой обработкой водного раствора сывороточного белка его рН в большинстве случаев регулируется путем добавления кислоты, предпочтительно пищевого качества, такой как, например, соляная кислота, фосфорная кислота, уксусная кислота, лимонная кислота, глюконовая кислота или молочная кислота. Если содержание минералов высокое, то рН в большинстве случаев регулируется путем добавления раствора щелочи, предпочтительно пищевого качества, такой как гидроксид натрия, гидроксид калия или гидроксид аммония.
Альтернативно, если стадия регулирования рН не требуется, можно регулировать ионную силу сывороточно-белкового продукта при одновременном поддержании рН постоянным. В этом случае ионную силу можно регулировать с помощью органических или неорганических ионов таким путем, который позволяет проводить мицеллизацию при постоянном значении рН, равном 7. На фиг.4 показан вариант воплощения настоящего изобретения, в котором мицеллообразование может происходить при постоянном значении рН, равном 7,0, в то время как ионная сила будет варьироваться за счет добавления от 70 до 80 мМ комплекса аргинин НСl.
2
4
2
4
2
4
2
4
Буфер можно также добавлять к водному раствору сывороточного белка во избежание значительного изменения значения рН в ходе тепловой обработки сывороточного белка. В принципе буфер может выбираться из любой буферной системы пищевого качества, например уксусной кислоты и ее солей, таких как, например, ацетат натрия или ацетат калия; фосфорной кислоты и ее солей, таких как, например, NaHPO, NaHPO, KНРО, KНРО, или лимонной кислоты и ее солей и др.
Регулирование рН и/или ионной силы водного раствора обеспечивает, согласно настоящему изобретению, контролируемый способ получения мицелл размером от 100 до 900 нм, предпочтительно - от 100 до 700 нм, наиболее предпочтительно - от 200 до 400 нм. Предпочтительно относительное количество мицелл среднего размера от 100 до 700 нм составляет более 80% при осуществлении способа по изобретению (см. фиг.14).
Для получения мицелл правильной формы важно также, чтобы сывороточный белок не подвергался стадии гидролиза перед мицеллообразованием.
На второй стадии способа исходный водный раствор сывороточного белка подвергается тепловой обработке. В рамках этого было установлено, что для получения мицелл сывороточного белка важно, чтобы температура составляла от примерно 70°C до ниже 95°C, предпочтительно - от 80°C до примерно 90°С, более предпочтительно - примерно от 82°C до 89°C, еще более предпочтительно - примерно от 84°C до 87°C, наиболее предпочтительно - около 85°C. Установлено также, что в промышленном масштабе важно, чтобы температура была предпочтительно ниже 95°C, более предпочтительно - от 80°С до 90°C, наиболее предпочтительно - около 85°С.
По достижении требуемой температуры водный раствор сывороточного белка выдерживается при этой температуре в течение минимум 10 секунд и максимум 2 часов. Предпочтительно период времени, в течение которого водный раствор сывороточного белка выдерживается при требуемой температуре, колеблется от 12 до 25 минут, более предпочтительно - от 12 до 20 минут, наиболее предпочтительно - составляет около 15 минут.
Тепловая обработка может достигаться также в микроволновой печи или в аналогичном оборудовании, обеспечивающем микроволновой нагрев с соотношением время/количество, равным 10 с/10 мл, для 4 мас.% белкового раствора, нагреваемого в аппарате мощностью 1500 Вт до температуры кипения (98°С при высоте 833 м). Может применяться также и непрерывный способ при установке дополнительных 8 или более магнетронов вокруг стеклянной трубки, потенциально удлиненной трубчатым выдерживателем для увеличения времени инкубации.
Как показано на фиг.2, наличие помутнения служит показателем мицеллообразования. В настоящем изобретении мутность, измеряемая спектральной поглощательной способностью (СПС) при 500 нм, составляет по меньшей мере 3 единицы СПС для 1% белкового раствора, но может достигать и 16 единиц СПС в том случае, когда выход при мицеллизации превышает 80% (см. фиг.2).

С целью дополнительной иллюстрации эффекта мицеллообразования с физико-химической точки зрения 1 мас.% дисперсия белка Bipro подвергали тепловой обработке при 85°С, 15 мин, при рН 6,0 и рН 6,8 в MilliQ-воде. Гидродинамический диаметр образовавшихся после тепловой обработки агрегатов измеряли методом динамического светорассеяния. Истинную молекулярную массу агрегатов определяли методом статического светорассеяния с использованием так называемой диаграммы Дебая. Поверхностную гидрофобность исследовали с помощью гидрофобного ANS (1-анилино-8-нафталенсульфоновая кислота) зонда, а свободные доступные SH-группы - методом с DTNB (дитиобис(нитробензол)) с использованием цистеина в качестве стандартной аминокислоты. В заключение изучали морфологию агрегатов с применением ТЕМ с негативным фоновым окрашиванием. Результаты представлены в табл.1.
Таблица 1.
Физико-химические свойства агрегатов растворимого сывороточного белка, образовавшихся при тепловой обработке (85°C, 15 мин) 1 мас.% белковой дисперсии вприсутствии или в отсутствие NaCl
рН
Гидродинамический диаметр (нм)
Молекулярная масса M<sub>w </sub>(×10<sup>6</sup> г·моль<sup>-1</sup>)
Морфология
ζ-потенциал (мВ)
Гидрофобность поверхности белка (мкг·ммоль<sup>-1</sup> ANS)
Доступные SH-группы (нмолей SH·мг<sup>-1</sup> белка)
6,0
120,3±9,1
27,02±8,09
Сферические мицеллы Линейные агрегаты
-31,8±0,8
105,4
3,5±0,4
6,8
56,2±4,6
0,64±0,01
-27,9±1,2
200,8
6,8±0,5
6
-1
6
-1
Из табл.1 видно, что мицеллы сывороточного белка, образовавшиеся при рН 6,0, обусловливают снижение удельной ANS поверхностной гидрофобности белка на множитель 2 по сравнению с не подвергавшимся мицеллизации сывороточным белком, тепловая обработка которого проводилась при тех же режимах, но при рН 6,8. О мицеллообразовании можно судить также по очень высокой молекулярной массе (27×10 г·моль) белковых мицелл по сравнению с молекулярной массой белка, не подвергавшегося мицеллизации (0,64×10 г·моль), что указывает на очень конденсированное состояние вещества внутри мицеллы (низкое количество воды). Заслуживает интереса и тот факт, что ζ-потенциал мицелл еще более отрицателен, чем потенциал не подвергавшихся мицеллизации белков, даже если образование последних происходило при более щелочном рН, чем мицелл. Это является результатом более гидрофильной поверхности мицелл, подвергающейся действию растворителя. И, наконец, необходимо отметить, что реактивность SH-групп мицелл намного ниже, чем реактивность этих групп в белке, не подвергавшемся мицеллизации, что объясняется различным рН тепловой обработки.
Установлено, что выход мицелл в ходе конверсии нативного сывороточного белка в мицеллы снижается при увеличении начальной концентрации белка перед регулированием рН и тепловой обработкой. Например, при использовании в качестве исходного белка сывороточно-белкового изолята Prolacta 90 (партия 673 от Lactalis) выход мицелл сывороточного белка в процессе мицеллизации снижается с 85% (когда начальная концентрация белка составляла 4%) до 50% (когда начальная концентрация белка составляла 12%). Для максимизации выхода мицелл сывороточного белка (>85% начального содержания белка) лучше начинать с водного раствора сывороточного белка с концентрацией белка ниже 12%, предпочтительно - ниже 4%. В зависимости от предполагаемого конечного применения мицелл концентрация белка регулируется перед тепловой обработкой для достижения оптимального выхода мицелл сывороточного белка.
Мицеллы сывороточного белка, полученные способом по изобретению, имеют средний размер менее 1 мкм, предпочтительно - от 100 до 900 нм, более предпочтительно - от 100 до 700 нм, наиболее предпочтительно - от 200 до 400 нм.
В зависимости от требуемого применения мицелл их выход до концентрирования составляет по меньшей мере 35%, предпочтительно - по меньшей мере 50%, более предпочтительно - по меньшей мере 80%, а остаточное содержание растворимых агрегатов или растворимого белка - предпочтительно ниже 20%. Средний размер мицелл характеризуется индексом полидисперсности ниже 0,200. Наблюдения показали, что мицеллы сывороточного белка способны к образованию агрегатов при рН около 4,5, однако без признаков макроскопического разделения на фазы спустя по меньшей мере 12 часов при 4°C.
Чистоту мицелл сывороточного белка, полученных способом по настоящему изобретению, можно определить по количеству остаточных растворимых белков. Для этого мицеллы отделяют центрифугированием при 20°C и 26900g в течение 15 мин. Супернатант используют для определения количества белка в кварцевых кюветах при 280 нм (длина пути прохождения света 1 см). Полученные значения выражаются в % от начального значения перед тепловой обработкой.
Относительное количество мицелл=(количество исходных белков - количество растворимых белков) / (количество исходных белков).
Преимущество способа изобретения состоит в том, что полученные этим способом мицеллы сывороточного белка не подвергались воздействию какого-либо механического усилия, приводящего к уменьшению размера частиц в ходе их образования, в отличие от традиционных способов. Указанный способ индуцирует спонтанную мицеллизацию сывороточных белков в процессе тепловой обработки в отсутствие усилия сдвига.
Мицеллы сывороточного белка можно использовать в их нативном виде в любой композиции, например в питательных композициях, косметических композициях, фармацевтических композициях и др. Согласно настоящему изобретению мицеллы сывороточного белка используются в пригодных для употребления продуктах.
Кроме того, мицеллы сывороточного белка могут служить носителем для активного компонента. Указанный компонент может выбираться из кофе, кофеина, экстрактов зеленого чая, растительных экстрактов, витаминов, минералов, биоактивных агентов, соли, сахара, подсластителей, ароматических веществ, жирных кислот, масел, белковых гидролизатов, пептидов и др. и смесей перечисленного.
Помимо этого мицеллы сывороточного белка (чистые или смешанные с активным компонентом), использующиеся в настоящем изобретении, могут иметь покрытие из эмульгатора, такого как, например, фосфолипиды, или из других агентов, таких как белок, пептид, белковый гидролизат или камедь, такая как камедь акации, с целью модулирования функциональности и вкуса мицелл сывороточного белка. Если в качестве покрытия используется белок, то он может выбираться из любых белков, изоэлектрическая точка которых значительно выше или ниже изоэлектрической точки белков молочной сыворотки. Такими белками являются, например, протамин, лактоферрин и некоторые белки риса. Если в качестве покрытия используется белковый гидролизат, то он предпочтительно является гидролизатом таких белков, как протамин, лактоферрин, белки риса, казеин, белок молочной сыворотки, пшеничный, соевый белки или смеси перечисленного. Предпочтительно покрытием служит эмульгатор, выбираемый из сульфатированного бутил-олеата, сложных эфиров моно- и диглицеридов диацетилвинной кислоты, лимоннокислых эфиров моноглицеридов, стеароил-лактилатов и смесей перечисленного. На фиг.17 схематически изображен процесс образования покрытия из сульфатированного бутил-олеата. Покрытие может наноситься любым известным из уровня техники способом. Кроме того, совместная распылительная сушка, которая описывается ниже, может также приводить к образованию покрытия на мицеллах сывороточного белка.
Показано, что мицеллы сывороточного белка идеально подходят для применения в качестве эмульгатора, жирозаменителя, заменителя мицеллярного казеина или пенообразующего агента, поскольку они способны стабилизировать жир и/или воздух в водной системе в течение длительного периода времени.
Стабильность пены показана на фиг.5, которая сравнивает применение не подвергавшегося мицеллизации сывороточного белка с мицеллами сывороточного белка, использующимися в настоящем изобретении.
Так, мицеллы сывороточного белка могут применяться в качестве эмульгатора: для этой цели они идеально подходят, поскольку обладают нейтральным вкусом и при их использовании побочные привкусы и запахи не возникают.
В дополнение к этому, мицеллы сывороточного белка по настоящему изобретению могут служить также отбеливающим агентом, так что с помощью одного соединения можно решить несколько задач. Поскольку молочная сыворотка представляет собой сырье, всегда имеющееся в изобилии, ее использование снижает стоимость продукта за счет сокращения затрат на эмульгатор, наполнитель, отбеливатель или пенообразующий агент и в то же время повышает питательную ценность продукта.
Таким образом, мицеллы сывороточного белка, получаемые способом изобретения, могут использоваться для производства любого вида пригодного к употреблению продукта, требующего стабилизации эмульсии или пены, например, такой, которая присутствует в муссе или мороженом, в заменителях сливок для кофе или в низкожирных, либо не содержащих жира молочных продуктах, или же в тех продуктах, в которых указанные мицеллы могут найти применение в качестве заменителя мицеллярного казеина.
Под "пригодным для употребления" подразумевается любой пищевой продукт в любой форме, включая напитки, супы, полутвердые пищевые продукты и др., которые могут употребляться человеком или животным. Примерами продуктов, в которых мицеллы сывороточного белка по настоящему изобретению могут найти применение, являются молочные продукты, майонез, дрессинги (заправки) для салатов, пастеризованное или УВТ-молоко, сгущенное молоко с сахаром, йогурт, кисломолочные продукты, соусы, соусы пониженной жирности, такие как, например, соус типа Бешамель, ферментированные продукты на молочной основе, молочный шоколад, белый шоколад, темный шоколад, муссы, пены, эмульсии, мороженое, ферментированные продукты на зерновой основе, сухое молоко, смеси для детского питания, диетические добавки, корма для домашних животных, таблетки, жидкие бактериальные суспензии, сухие биологически активные добавки для перорального приема, влажные биологически активные добавки для перорального приема, энергетические питательные батончики, спреды, фруктовые напитки, смеси для приготовления кофе.
Таким образом, пригодный для употребления продукт, содержащий мицеллы сывороточного белка, является частью настоящего изобретения. Под "мицеллами сывороточного белка" имеются в виду сферические агломераты денатурированного белка молочной сыворотки. Предпочтительно сывороточный белок не подвергается гидролизу перед мицеллообразованием, что позволяет получать сферические мицеллы правильной формы. В мицеллах сывороточные белки располагаются таким образом, что их гидрофильные части ориентированы в сторону наружной части агломерата, а их гидрофобные части ориентированы в сторону внутренней сердцевины указанной мицеллы. В типичных случаях мицеллы сывороточного белка имеют размер менее 1 микрона.
В соответствии с одним из конкретных вариантов воплощения изобретения пригодный для употребления продукт содержит мицеллы сывороточного белка, которые растворяются в продукте и имеют рН ниже 6. "Растворяются" означает, что мицеллы не агрегируют или не коагулируют с образованием нерастворимых агрегатов мицелл сывороточного белка. Другими словами, мицеллы сывороточного белка диспергируются в продукте. Это дает преимущество, заключающееся в том, что мицеллы сывороточного белка по изобретению могут использоваться и в продуктах с повышенной кислотностью без возникновения каких-либо проблем с их стабильностью.
Равным образом продукты, имеющие содержание соли выше 0,01%, даже выше 0,1%, даже выше 1%, и содержащие растворимые мицеллы сывороточного белка, также являются частью изобретения. Стабильность мицелл сывороточного белка в пищевых матрицах с повышенным содержанием соли или с повышенной кислотностью обеспечивает значительное преимущество.
Например, это делает возможным производство таких пригодных для употребления продуктов, как майонез, низкожирный или обезжиренный майонез, соус, например соус типа Бешамель, соус типа голландского, соус тартар, соус для макаронных изделий, белый соус, перечный соус, соус, содержащий кусочки, соус для блюд, запекаемых в духовом шкафу, таких как филе лосося, запеченное в сливочной панировке, суп, крем-суп, например крем-суп из шампиньонов, крем-суп из спаржи, крем-суп из брокколи, тайский суп, овощной суп, заправка (дрессинг) для салата из сливок, приправа, сладкий соус, спреды, крем-соусы, салаты и др. Присутствие мицелл сывороточного белка обеспечивает продуктам все преимущества, описанные в настоящей заявке, такие как обогащение белком, отбеливающий/опалесцирующий эффект, снижение жирности, придание кремообразной текстуры и сливочного вкусового ощущения во рту и др.
Продукт типа майонеза с повышенной кислотностью, содержащий растворимые мицеллы сывороточного белка, является продуктом по изобретению. Под "продуктом типа майонеза" следует понимать любой соус-приправу, имеющий текстуру и внешний вид майонеза. Это может быть стандартный майонез, салатный майонез, дрессинг для салатов, приправа, спред, сладкий соус и др.
В типичных случаях рН продукта типа майонеза по изобретению составляет от 2 до 6, предпочтительно - от 2,5 до 4,5. Продукт может содержать также соль в количестве от 0 до 3%, предпочтительно - от 0,1% до 2,5%, наиболее предпочтительно - от 0,1% до 1,5%. Продукт может содержать менее 50% жира, от 50% до 70% жира или более 70% жира. Предпочтительно продукт вообще не содержит жира. Продукт может быть на основе эмульсии или нет.
Другие ингредиенты, присутствующие в продукте типа майонеза по изобретению, могут включать яйцепродукты (например, яичный желток, белок куриного яйца, продукт на основе куриного яйца и др.), сахара, приправу, специи, ароматические пряные травы, фрукты и овощи, включая фруктовые и овощные соки, горчицу, молочные продукты, воду, эмульгаторы, загустители и др.
В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения обеспечивается также такой продукт, как суп или соус, содержащий растворимые мицеллы сывороточного белка и имеющий содержание соли от 0,01% до 3%, предпочтительно - от 0,1% до 2,5%. Суп или соус может иметь также повышенную кислотность, например томатные супы или соусы и др. В типичных случаях суп или соус может быть острым, хотя в некоторых случаях он может быть сладким (например, польские супы). В типичных случаях суп или соус по изобретению содержит вкусоароматизированную основу и загустители. Вкусоароматизированная основа может включать соль, вкусоароматические вещества, усилители аромата и вкуса, специи и др. и смеси перечисленного. Загустители могут выбираться из крахмалов, камедей, муки и др. или смесей перечисленного. Кроме того, суп или соус может содержать другие ингредиенты, выбираемые из жира, сливок, заменителей сливок, масла, эмульгаторов, овощей, бобовых, гарниров, макаронных изделий, мяса, клецок, молочных продуктов и любых смесей перечисленного.
Предпочтительно суп или соус не содержит жира или имеет пониженное содержание жира. Примерами такого соуса являются соус типа Бешамель, соус типа голландского, белый соус, соус для макаронных изделий, соус, содержащий кусочки, соус для блюд, запекаемых в духовом шкафу, например филе лосося в сливочной панировке, перечный соус, соус тартар и др. Супы могут включать крем-суп, например крем-суп из спаржи или брокколи, или из шампиньонов, тайские супы, овощные супы и т.п.
Вышеописанные продукты могут производиться в виде "готовых к употреблению" продуктов, т.е. их можно употреблять в пищу как таковые без добавления прочих ингредиентов, таких как вода, например. Альтернативно они могут представлять собой восстанавливаемые из сухой смеси продукты.
Описываемые здесь продукты можно производить путем смешивания мицелл сывороточного белка, их концентрата или порошка с дополнительными ингредиентами и обработки смеси. Обработка может включать любую стадию обработки, традиционно применяемую в производстве пищевых продуктов, известную из уровня техники. Это может быть подвергание смеси нагреву, воздействию давления, кислотных или щелочных условий, охлаждению и др.
В другом аспекте изобретение обеспечивает также обезвоженные продукты, такие как быстрорастворимые сухие супы, соусы или приправы, сухие супы быстрого приготовления и др., которые можно легко восстановить водой или другой жидкостью с тем, чтобы сделать их пригодными для употребления.
В типичных случаях обезвоженный продукт по изобретению содержит порошок мицелл сывороточного белка и сухие пищевые ингредиенты. Порошок мицелл сывороточного белка описывается в настоящей заявке. Он может состоять из подвергнутых распылительной сушке мицелл сывороточного белка. Альтернативно порошок мицелл сывороточного белка может содержать дополнительные ингредиенты, которые могут выбираться из растворимых или нерастворимых солей, пробиотических бактерий, красителей, сахаров, мальтодекстринов, жиров, масел, жирных кислот, эмульгаторов, подсластителей, ароматических веществ, растительных экстрактов, лигандов, биоактивных агентов, кофеина, витаминов, минералов, лекарственных средств, молока, молочного белка, сухого обезжиренного молока, мицеллярного казеина, казеината, растительного белка, белковых гидролизатов, таких как гидролизат пшеничного глютена, пептидов, аминокислот, полифенолов, пигментов, дрожжевых экстрактов, мононатрий глутамата и любых смесей перечисленного.
Если порошок мицелл сывороточного белка содержит дополнительные ингредиенты, то соотношение мицелл сывороточного белка к дополнительным ингредиентам предпочтительно составляет от 1:1 до 1:1000.
Сухие пищевые ингредиенты, присутствующие в обезвоженных продуктах по изобретению, выбираются из углеводов, источников белка, крахмалов, пищевых волокон, жира, ароматизаторов, специй, солей и др. и любых смесей перечисленного.
Соотношение порошка мицелл сывороточного белка к этим сухим ингредиентам обычно составляет от 1:1 до 1:10, предпочтительно - от 1:1 до 1:5, наиболее предпочтительно - 1:3.
Такого рода обезвоженный продукт может изготавливаться путем смешивания порошка мицелл сывороточного белка с дополнительными сухими ингредиентами или путем совместной сушки раствора или концентрата мицелл сывороточного белка с дополнительными ингредиентами. В типичных случаях это достигается совместной распылительной сушкой.
Кроме того, мицеллы сывороточного белка по изобретению могут использоваться либо отдельно, либо вместе с другими активными материалами, такими как полисахариды (например, камедь акации или каррагинаны), для стабилизации матриц, например матриц молочной пены. Благодаря их нейтральному вкусу, отбеливающей способности и стабильности после тепловой обработки мицеллы сывороточного белка по настоящему изобретению могут использоваться для отбеливания обезжиренного молока и улучшения его вкусовых качеств.
Кроме того, повышение отбеливающей способности молочных систем при не изменяющемся общем содержании белка позволяет снизить содержание жира в пищевой матрице. Этот отличительный признак составляет особое преимущество мицелл сывороточного белка по настоящему изобретению, поскольку он позволяет производить низкожирные продукты, например добавлять молочный заменитель сливок без внесения дополнительного молочного жира как такового.
В описанном способе изобретения дисперсия мицелл сывороточного белка, полученная после тепловой обработки, концентрируется до получения концентрата мицелл сывороточного белка.
Соответственно стадия концентрирования может осуществляться, например, путем выпаривания, центрифугирования, седиментации, ультрафильтрации и/или микрофильтрации.
Выпаривание может проводиться на дисперсии мицелл путем подачи ее в вакуум-выпарной аппарат, температура в котором составляет от 50°С до 85°С.
Центрифугирование может осуществляться с высоким (выше 2000g) или низким ускорением (ниже 500 g) после подкисления дисперсии мицелл сывороточного белка до рН ниже 5, предпочтительно - до рН 4,5.
Спонтанная седиментация может также проводиться на дисперсии мицелл сывороточного белка путем ее подкисления. Предпочтительно рН седиментации составляет 4,5, а время седиментации - более 12 часов.
Предпочтительно концентрирование мицелл сывороточного белка может достигаться микрофильтрацией дисперсии мицелл. Эта техника обогащения позволяет не только концентрировать мицеллы сывороточного белка за счет удаления растворителя, но и удалять не подвергнувшийся мицеллизации белок (например, нативные белки или растворимые агрегаты). Поэтому конечный продукт состоит только из мицелл (что подтвердила трансмиссионная электронная микроскопия, ср. фиг.9 и 10). В этом случае максимально возможный коэффициент концентрирования будет достигаться после падения начальной скорости потока пермеата через мембрану до 20% от ее исходного значения.
Концентрат сывороточного белка, полученный способом по настоящему изобретению, имеет концентрацию белка по меньшей мере 12%. Кроме того, концентрат содержит по меньшей мере 50% белка в форме мицелл.
Интересно отметить, что концентрат, если установить содержание белка в нем на уровне 10%, способен выдерживать последующую тепловую обработку при 85°C, 15 мин, при рН 7,0 в присутствии, например, до 0,15 М хлорида натрия, как показано на фиг.11. Для сравнения: дисперсия нативного сывороточного белка (Prolacta90, партия 500 658 от Lactalis) образует гель в присутствии 0,1 М хлорида натрия при концентрации белка только 4% (ср. фиг.12).
Мицеллы, использующиеся в настоящем изобретении, обеспечивают также полезное преимущество, заключающееся в том, что высокая стабильность структуры мицелл сохраняется в процессе стадии концентрирования. Кроме того, мицеллы по настоящему изобретению характеризуются коэффициентом эффективности белка (PER), эквивалентным PER исходного сывороточного белка, который составляет по меньшей мере 100, предпочтительно - по меньшей мере 110, что делает мицеллы важными питательными ингредиентами.
Обогащение мицеллами сывороточного белка дает исключительные преимущества, заключающиеся в возможности производить продукты, обогащенные белком в концентрации, которой не удавалось достигнуть в предшествующем уровне техники. Кроме того, поскольку концентрат может действовать как жирозаменитель при одновременном сохранении требуемых свойств структуры, текстуры и органолептических свойств, ассортимент низкожирных продуктов может быть значительно расширен.
В дополнение к этому концентрат мицелл обеспечивает такое преимущество, как снижение стоимости продуктов за счет того, что для достижения желательного эффекта требуется меньшее количество концентрата.
Концентрат мицелл сывороточного белка (от выпаривания или микрофильтрации) может использоваться в жидком виде, например в виде дисперсии, или в полутвердом, или в сухом виде. Он может использоваться для тех же многочисленных целей, какие перечислены выше применительно к мицеллам сывороточного белка.
Например, белковый концентрат с 20% белка, полученный выпариванием, имеет кремообразную полутвердую текстуру (см. фиг.18), а путем подкисления молочной кислотой указанную текстуру можно преобразовать в мажущуюся. Эта жидкая, кремообразная, пастообразная текстура может использоваться для производства кислых, сладких, соленых, ароматизированных, обогащенных белком продуктов, пригодных для употребления.
Концентрат мицелл сывороточного белка в любом виде может смешиваться с 5% кислой фруктовой основы и 5% сахарозы с получением стабильного, обогащенного белком молочной сыворотки, фруктового напитка с повышенной кислотностью. Он может использоваться также в производстве молочных продуктов, мороженого или как забеливатель для кофе.
Другие сферы его применения включают средства ухода за кожей и средства ухода за полостью рта, такие как, например, зубная паста, жевательная резинка или жевательная резинка с отбеливающим эффектом.
Отбеливающая способность концентрата в любой форме намного выше по сравнению с неконцентрированными мицеллами или нативным сухим белком. Например, отбеливающая способность 4 мл концентрата мицелл с 15% белка эквивалентна отбеливающей способности 0,3% оксида титана в 100 мл (1 чашка) 2% растворимого кофе. Представляет интерес тот факт, что если диспергировать растворимый кофе и сахарозу в концентрате мицелл сывороточного белка, то можно получить концентрат 3-в-1 с общим содержанием сухих веществ 60% без жира.
Концентрат может использоваться в своем нативном виде или в разбавленном виде в зависимости от цели его применения.
Например, концентрат мицелл сывороточного белка в жидком или сухом виде можно разбавить до содержания белка 9%, т.е. до содержания белка в сгущенном молоке с сахаром. Затем можно добавить минеральные вещества молока, лактозу и сахарозу с тем, чтобы приблизить питательный профиль готового продукта к молоку, но в качестве источника белка использовать только сывороточный белок. Такая смесь на основе сывороточного белка является более устойчивой, чем сгущенное молоко с сахаром, к реакции Майяра (если судить по скорости формирования коричневой окраски) в условиях инкубации в течение 2 часов при 98°С (температура кипящей воды при высоте 833 м).
Сухая форма концентрата сывороточного белка по изобретению может быть получена любым известным способом, например распылительной сушкой, сублимационной сушкой, вальцовой сушкой и др. Так, концентрат сывороточного белка по настоящему изобретению может быть высушен распылительной сушкой с добавлением или без добавления дополнительных ингредиентов и может использоваться как средство для их переноса или как структурный элемент в широком перечне производственных процессов, например в производстве пригодных для употребления продуктов, в производстве косметических средств и др.
43
32
Фиг.8 демонстрирует порошок, полученный распылительной сушкой без добавления дополнительных ингредиентов, средний диаметр частиц которого превышает 1 микрон вследствие агрегации мицелл, происходящей в процессе распылительной сушки. В типичных случаях среднеобъемный диаметр (D) частиц таких порошков составляет от 45 до 55 микрон, предпочтительно - 51 микрон. Средне-поверхностный диаметр (D) частиц порошков по настоящему изобретению предпочтительно составляет от 3 до 4 микрон, более предпочтительно - 3,8 микрон.
Содержание влаги в порошках, полученных распылительной сушкой, предпочтительно составляет ниже 10%, более предпочтительно - ниже 4%.
Такой порошок мицелл сывороточного белка может содержать по меньшей мере 90% сывороточного белка, из которых по меньшей мере 20%, предпочтительно - более 50%, наиболее предпочтительно - более 80%, присутствуют в мицеллярной форме.
Кроме того, порошок мицелл сывороточного белка, использующийся в настоящем изобретении, обладает высокой способностью связываться с растворителями, такими как вода, глицерин, этанол, масло, органические растворители и др. Связывающая способность порошков с водой составляет по меньшей мере 50%, предпочтительно - по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно - по меньшей мере 100%. По отношению к таким растворителям, как глицерин и этанол связывающая способность составляет по меньшей мере 50%, а по отношению к маслу - по меньшей мере 30%. Это свойство порошка мицелл сывороточного белка по настоящему изобретению позволяет распылять их или наполнять дополнительными функциональными ингредиентами, такими как кофе, кофеин, экстракты зеленого чая, растительные экстракты, витамины, минералы, биоактивные агенты, соль, сахар, подсластители, ароматические вещества, жирные кислоты, масла, белковые гидролизаты, пептиды и др. и смеси перечисленного.
Функциональные ингредиенты могут вводиться в порошок в количестве от 0,1% до 50%. Таким образом, порошок может служить носителем для указанных функциональных ингредиентов. Это дает преимущество, заключающееся, например, в том, что ощущение горечи кофеина уменьшается при введении его в порошки по настоящему изобретению, поэтому последние можно использовать, например, в питательных батончиках с кофеином.
Дополнительные ингредиенты можно смешивать с концентратом мицелл сывороточного белка перед распылительной сушкой. Эти дополнительные ингредиенты включают растворимые или нерастворимые соли, пептиды, белковые гидролизаты, например гидролизат пшеничного глютена, пробиотические бактерии, красители, сахара, мальтодекстрины, жиры, эмульгаторы, подсластители, ароматические вещества, растительные экстракты, лиганды, биоактивные агенты, кофеин, витамины, минералы, лекарственные средства, молоко, молочные белки, сухое обезжиренное молоко, мицеллярный казеин, казеинат, растительный белок, аминокислоты, полифенолы, пигмент и др. и любые возможные смеси перечисленного. Готовые смешанные порошки мицелл сывороточного белка содержат мицеллы сывороточного белка и по меньшей мере один дополнительный ингредиент в массовом соотношении от 1:1 до 1:1000.
Такая совместная распылительная сушка дает порошки, состоящие из мицелл сывороточного белка, агломерированных или с покрытием из дополнительных ингредиентов. Предпочтительно массовое соотношение мицелл сывороточного белка к дополнительному ингредиенту составляет 1:1. В дальнейшем это может облегчить солюбилизацию указанных порошков и может представлять особый интерес в производстве обезвоженных пищевых продуктов, таких как супы, соусы и др., содержащих мицеллы сывороточного белка.
Порошки мицелл сывороточного белка, используемые в настоящем изобретении, характеризуются внутренней структурой, состоящей преимущественно из полых сфер, а также сплющенных сфер (ср. фиг.19). Структуру из полых сфер можно легко объяснить образованием капли пара внутри капли концентрата мицелл сывороточного белка (WPM) в процессе распылительной сушки. После высвобождения капли пара из капли WPM при температуре выше 100°С остается полая сфера. "Форма в виде косточки" объясняется комбинированным действием испарения воды из капли с внешним давлением внутри капли.
Внутренняя структура из полых сфер исследовалась с помощью SEM после разреза частицы практически по ее диаметру (фиг.20, слева). Установлено, что толщина оболочки частицы составляет около 5 мкм и, по-видимому, довольно однородна, в то время как внутренняя структура имеет более зернистый внешний вид. Более сильное увеличение показало, что эта зернистость на самом деле объясняется присутствием исходных WPM, которые склонны сливаться друг с другом с образованием внутренней матрицы частицы порошка. Интересен тот факт, что сферическая форма мицелл сохраняется в процессе распылительной сушки, равно как и однородное распределение частиц по размерам (фиг.20, справа).
Таким образом, на микроскопическом уровне порошки мицелл сывороточного белка характеризуются уникальной гранулированной морфологией полых или сплющенных сфер, содержащих интактные и дискретные мицеллы сывороточного белка.
Порошки мицелл сывороточного белка характеризуются очень хорошей текучестью (сыпучестью), что дает преимущества, которые невозможно было достигнуть в предшествующем уровне техники. Например, эти порошки ведут себя почти как жидкости и обладают такими преимуществами, как удобство в использовании и транспортировке. Угол естественного откоса частиц таких порошков предпочтительно составляет менее 35°, более предпочтительно - менее 30°. Такой небольшой угол естественного откоса позволяет использовать порошки настоящего изобретения в качестве агентов, придающих текучесть (антислеживатели), например, в пищевом производстве.
Очень важной отличительной особенностью указанных порошков в смешанном или "чистом" виде является то, что основная мицеллярная структура сывороточных белков в них сохраняется. Фиг.15 показывает частицу (в разрезе) порошка мицелл сывороточного белка, и на разрезе можно наблюдать дискретные мицеллы сывороточного белка. Кроме того, структура мицелл способна легко восстанавливаться в растворителях. Показано, что порошки, полученные из концентрата мицелл сывороточного белка, способны легко диспергироваться повторно в воде при комнатной температуре или при 50°С. Размер и структура мицелл сывороточного белка полностью сохраняются по сравнению с исходным концентратом. Например, на фиг.13 концентрат сывороточного белка, подвергнутый распылительной сушке при концентрации белка 20%, повторно диспергировался в деионизированной воде при 50°C при концентрации белка 4%. Структура мицелл изучалась с помощью ТЕМ, и ее можно сравнить с фиг.10. Полученные мицеллы имеют одинаковую форму. Установлено, что диаметр мицелл составляет 315 нм по результатам динамического светорассеяния с индексом полидисперсности 0,2. Фиг.16 также показывает дисперсию порошка мицелл сывороточного белка, полученного сублимационной сушкой, в которой мицеллы восстанавливаются.
Тот факт, что в растворе после восстановления порошка, полученного распылительной или сублимационной сушкой, можно наблюдать мицеллы сывороточного белка и только небольшую фракцию их агрегатов подтверждает, что мицеллы сывороточного белка остаются физически стабильными в процессе распылительной и сублимационной сушки.
Порошки по настоящему изобретению могут использоваться в тех же многочисленных случаях, какие описаны выше применительно к мицеллам сывороточного белка и их концентратам. Например, обогащенные белком пригодные для употребления продукты, такие как шоколад, энергетические питательные батончики, обезвоженные кулинарные изделия, жевательная резинка и др. можно легко производить с использованием порошков концентратов мицелл.
Благодаря высокой стабильности в обработке порошков по настоящему изобретению на них можно наносить покрытие, например, из эмульгаторов, камедей, белков, пептидов, белковых гидролизатов. Это дает большое преимущество, так как позволяет модулировать функциональность и вкус указанных порошков.
Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но ни в коей мере не ограничивают его масштаб.
Примеры
Изобретение описывается далее с приведением конкретных примеров, в которых подробно излагается получение мицелл, использующихся в настоящем изобретении. Однако масштаб описанного и заявленного здесь изобретения не ограничивается только раскрываемыми конкретными вариантами его воплощения, поскольку эти варианты служат иллюстрацией лишь нескольких аспектов изобретения. Возможны любые эквивалентные варианты в рамках настоящего изобретения. Фактически квалифицированным в настоящей области техники специалистам из вышеприведенного описания станут очевидными различные модификации изобретения в дополнение к показанным и описанным здесь. Однако такого рода модификации могут предприниматься строго в масштабе заявленной формулы изобретения.
Пример 1. Мицеллизация β-лактоглобулина при регулируемом рН
2+
2+
+
+
-
β-лактоглобулин (партия JE002-8-922, 13-12-2000) был получен от Davisco (Le Sueur, MN, USA). Белок был выделен и очищен из сладкой (подсырной) сыворотки ультрафильтрацией и ионообменной хроматографией. Порошок содержал 89,7% белка, 8,85% влаги, 1,36% минеральных веществ (0,079% Са, 0,013% Mg, 0,097% K, 0,576% Na, 0,050% Сl). Все другие используемые реагенты имели аналитическое качество (Merck Darmstadt, Germany).
Белковый раствор концентрацией 0,2% приготавливали сольватацией β-лактоглобулина в МilliQ-воде (Millipore) и вымешиванием при 20°C в течение 2 ч. Затем рН аликвотных количеств раствора устанавливали на уровне рН 5,0; 5,2; 5,4; 5,6; 5,8; 6,0; 6,2; 6,4; 6,6; 6,8; 7,0 путем добавления НСl. Растворы разливали в стеклянные флаконы на 20 мл (Agilent Technologies), которые герметично укупоривали алюминиевыми колпачками с уплотнением из силикона/PTFE (политетрафторэтилен). Растворы подвергали тепловой обработке при 85°C в течение 15 мин (время для достижения температуры составило 2,30-3,00 мин). После тепловой обработки образцы охлаждали в ледяной воде до 20°С.
Визуальная оценка внешнего вида продуктов (фиг.1) указывает на то, что оптимальный рН мицеллизации составляет 5,8.
Пример 2. Мицеллизация изолята сывороточного белка
Изолят сывороточного белка (WPI) (Bipro, партия JE032-1-420) был получен от Davisco (Le Sueur, MN, USA). Состав порошка приводится в табл.2.
Белковый раствор с концентрацией белка 3,4% приготавливали сольватацией сухого сывороточного белка в виде порошка в MilliQ-воде (Millipore) и вымешиванием при 20°С в течение 2 ч. Начальный рН составил 7,2. Затем рН аликвотных количеств раствора устанавливали на уровне рН 5,6; 5,8; 6,0; 6,2; 6,4 и 6,6 путем добавления 0,1 N НСl.
Растворы разливали в стеклянные флаконы на 20 мл (Agilent Technologies), которые герметично укупоривали алюминиевыми колпачками с уплотнением из силикона/PTFE. Растворы подвергали тепловой обработке при 85°C в течение 15 мин (время для достижения температуры составило 2,30-2,50 мин). После тепловой обработки образцы охлаждали в ледяной воде до 20°C.
Мутность подвергнутых тепловой обработке сывороточных белков определяли при 500 нм и 25°C; образцы разбавляли таким образом, чтобы измерения можно было проводить в диапазоне от 0,1 до 3 Abs-единиц (т.е. единиц спектральной поглощательной способности (СПС)) (спектрофотометр Uvikon 810, Kontron Instrument). Значения рассчитывали, исходя из начальной концентрации белка 3,4%.
рН мицеллизации достигается, как предполагается, при стабильности (коэффициент вариации <5% начального значения), измеренной при 500 нм СПС в течение интервала времени 10 минут в том же образце, как показано на фиг.2. Для продукта настоящего примера оптимальный рН мицеллизации составил от 6,0 до 6,2. При указанном рН, отрегулированном перед тепловой обработкой, стабильная мутность равнялась 21, а содержание остаточного растворимого белка, которое оценивалось по спектральной поглощательной способности при 280 нм после центрифугирования, составило 1,9%. Полученные данные позволили авторам изобретения сделать вывод, что 45% исходных белков трансформировались в мицеллы при рН 6,0.
Таблица 2.
Состав WPI (изолята сывороточного белка) и характеристики образца после мицеллизации
Поставщик
Davisco
Наименование продукта
Bipro
Номер партии
JE 032-1-420
<b>Состав</b> (мг/100 г):
Натрий
650
Калий
44
Хлорид*10, если ≤40
10
Кальций
82
Фосфор
49
Магний
6
Начальный рН
7,2
рН мицеллизации
6,0
Мутность (500 нм) раствора с концентрацией белка 3,4%
21
Остаточный растворимый белок (%) по результатам измерения спектральной поглощательной способности при 280 нм
1,9
Пример 3. Изучение мицелл под микроскопом
Получение мицелл
Белковый раствор с концентрацией белка 2% приготавливали сольватацией сухого сывороточного белка в виде порошка (WPI 90, партия 989/2, Lactalis, Retier, France) в MilliQ-воде (Miilipore) и вымешиванием при 20°C в течение 2 ч. Затем устанавливали рН аликвотных количеств с использованием 0,1 N НСl или 0,1 N NaOH.
Растворы разливали в стеклянные флаконы на 20 мл (Agilent Technologies), которые герметично укупоривали алюминиевыми колпачками с уплотнением из силикона/PTFE. Тепловую обработку растворов проводили при 85°C в течение 15 мин (время для достижения температуры составило 2,30-2,50 мин). После тепловой обработки образцы охлаждали в ледяной воде до 20°C. Для продукта настоящего примера оптимальный рН мицеллизации составил 7,4.
Микроскопические наблюдения
Жидкие образцы мицелл инкапсулировали в пробирки с агаровым гелем. Фиксация достигалась погружением в раствор 2,5% глутаральдегида в 0,1 М буфере какодилата с рН 7,4, а вторичная фиксация - погружением в раствор 2% тетроксида осмия в таком же буфере, при этом оба раствора содержали 0,04% рутения красного. После дегидратации в этаноле возрастающей концентрации (70, 80, 90, 96, 100%-й этанол) образцы заливали смолой Spurr (смола с низкой вязкостью) в соотношении смола: этанол=1:1, 2:1 (100%-й этанол). После полимеризации смолы (70°C, 48 часов) на ультрамикротоме Leica ultracut UCT готовили полутонкие и ультратонкие срезы. Ультратонкие срезы контрастировали водным раствором уранилацетата и цитрата свинца и изучали с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (Philips СМ12, 80 кВ).
ТЕМ-микрофотография представлена на фиг.3. Полученные мицеллы имели сферическую форму диаметром 200 нм.
Распределение частиц по размерам
Измерение распределения мицелл по размерам на основе интенсивности проводили на примере мицелл, полученных тепловой обработкой 1 мас.% дисперсии β-лактоглобулина (β-LG) при 85°C, 15 мин, при рН 4,25 (положительно заряженные зета-потенциал примерно +25 мВ) и при рН 6,0 (отрицательно заряженные зета-потенциал примерно -30 мВ). Z-усредненный гидродинамический диаметр мицелл составил 229,3 мм при рН 4,25 и 227,2 мм при рН 6,0. Агрегацию β-LG и сывороточного белка изучали методом динамического светорассеяния. Для этой цели использовался прибор Nanosizer ZS (Malvern Instruments, UK), оснащенный источником лазерного излучения мощностью 4,0 мВт при 633 нм. Используемый прибор имел конфигурацию обратного светорассеяния, в которой распознавание проводится при угле рассеяния 173°. Это обеспечивает значительное сокращение множественных рассеивающих сигналов, зафиксированных в мутных образцах. Образцы помещали в прямоугольную кварцевую ячейку (Hellma, длина пути прохождения светового пучка 1 см). Длина пути прохождения светового пучка автоматически устанавливалась прибором в зависимости от мутности образца (затухание). Автокорреляционная функция рассчитывалась по колебаниям интенсивности рассеяния. Результаты представлены на фиг.6. Они показывают, что усредненная частица характеризуется индексом полидисперсности в очень узком диапазоне (<0,200).
Пример 4. Мицеллизация β-лактоглобулина при постоянном рН
Способ, описанный в примере 1, повторяли, но с использованием водного раствора 2% β-лактоглобулина. рН этого раствора устанавливали на уровне рН 7,0 после добавления раствора комплекса аргинин НСl с целью обеспечения конечной концентрации соли от 5 до 200 мМ и конечной концентрации β-лактоглобулина 1%. Затем для индуцирования мицеллообразования проводили тепловую обработку (80°С, 10 мин, время достижения температуры составило около 2 мин).
Результаты представлены на фиг.4; они четко показывают, что значительную мутность можно наблюдать при ионной силе примерно от 50 до 70 мМ, что указывает на присутствие мицелл сывороточного белка.
Пример 5. Получение отбеливающего агента
Нативные сывороточные белки (WPI 95, партия 848, от Lactalis; 8 мас.% водный раствор) обрабатывали согласно примеру 2. Уровень светлоты (L) конечного продукта измеряли в режиме диффузного отражения с помощью прибора Mac Beth CE-XTH D65 10° SCE, оборудованного измерительной ячейкой на 2 мм. Конечный уровень светлоты составил L=74,8, т.е. был сравним со значением L=74,5 для жирного молока.
Пример 6. Получение заменителя сливок для кофе
Нативные сывороточные белки (Bipro, партия JE 032-1-420, 0,5 мас.% водный раствор) смешивали при 50°С с 10 мас.% частично гидрогенизированного пальмового масла, 14 мас.% мальтодекстрина (DE=декстрозный эквивалент 21) и в присутствии 50 мМ фосфатно-цитратного буфера с установленным рН 6,0, т.е. с рН мицеллизации указанного белка Bipro. Смесь гомогенизировали при 400/50 бар в гомогенизаторе Rannie, а затем подвергали тепловой обработке при 85°C, 15 мин.
Полученная эмульсия показала высокую стабильность в течение периода времени по меньшей мере один месяц в условиях хранения при 4°С и уровень светлоты L=78, сравнимый с контрольным жидким заменителем сливок (Creme a Cafe, Emmi, Switzerland), имеющим содержание жира 15% и уровень светлоты L = 75,9.
Пример 7. Получение пены на водной основе
3
Нативный β-лактоглобулин (Biopure, Davisco, партия JE 002-8-922, 2 мас.% водный раствор) смешивали с 120 мМ раствора аргинин НС1 таким образом, чтобы конечная концентрация β-лактоглобулина составила 1 мас.%, а аргинина НС1 - 60 мМ. рН смеси устанавливали на уровне 7,0 путем добавления 1N НС1. Затем смесь подвергали тепловой обработке при 80°С, 10 мин, так, чтобы 90% исходного β-лактоглобулина трансформировались в мицеллы с z-усредненным диаметром 130 нм. В настоящем примере диаметр мицелл определяли прибором Nanosizer ZS (Malvern Instruments, UK). Образец наливали в кварцевую кювету и автоматически фиксировали изменения рассеянного света. Автокорреляционную функцию подгоняли с помощью метода кумулянтов (полуинвариантов) таким образом, чтобы можно было рассчитать сначала коэффициент диффузии частиц, а затем z-усредненный гидродинамический диаметр по уравнению Стокса-Эйнштейна. В указанных измерениях было принято, что коэффициент преломления растворителя составляет 1,33, а мицелл - 1,45. Затем объем 50 мл полученной дисперсии мицелл β-лактоглобулина вспенивали путем введения азота через стеклянную фритту, генерирующую пузырьки от 12 до 16 мкм, для получения объема пены 180 см с применением откалиброванного прибора Foamscan (ITConcept). Стабильность объема пены во времени при 26°C определяли методом анализа изображений и сравнивали со стабильностью пены, полученной из β-лактоглобулина, обработанного при тех же режимах, но без аргинина НСl, т.е. без мицеллообразования. Фиг.5 демонстрирует, что стабильность объема пены значительно повышается в присутствии мицелл β-лактоглобулина.
Пример 8. Ферментированный молочный продукт на основе сыворотки - эксперименты по ферментации
Сырье
Изолят сывороточного белка (WPI) (Bipro) был получен от Davisco (Le Sueur, MN, USA) (концентрация белка 92,7%).
Высушенный распылительной сушкой сывороточный пермеат (Variolac 836): концентрация лактозы 83%, минералов 8%.
Молочная кислота (50%)
Пищевая лактоза (Lactalis)
Деионизированная вода/
Метод
Порошок Bipro (WPI) растворяли в деионизированной воде таким образом, чтобы концентрация белка составила 4,6%, т.е. на 3 литра раствора взяли 154,5 г порошка WPI и 2845,5 г воды. Время гидратации составило 3 часа. После гидратации полученный раствор разделили на образцы по 200 мл для проведения различных экспериментов.
Таблица 3
Эксперимент
Сывороточный пермеат (%)
Лактоза (%)
Установленный рН
Тепловая обработка 85°С/15 мин
1
2,9
2,5
6,5
+
2
0
5
6
+
3
0
5
6,7
-
4
0
5
6,7
+
5
0
5
6,1
+
6
0
0
6
+
7
0
5 (добавленная после установления рН)
6
-
8
0
5 (добавленная после установления рН)
6
+
В каждый образец раствора добавляли молочную кислоту (50%) для регулирования рН перед тепловой обработкой.
Тепловую обработку образцов проводили в котле с двойной изоляционной рубашкой при температуре до 85°C с выдержкой при этой температуре 15 минут. После тепловой обработки образцы охлаждали до 40°С и инокулировали Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus. Инкубацию образцов проводили в течение 5 ч 30 мин в паровой камере при 41°С, после чего их помещали в холодную камеру при 6°C.
Результаты представлены в табл.4.
Таблица 4
Эксперимент
Сывороточный пермеат
Лактоза
рН
Тепловая обработка 85°С/15 мин
рН спустя 5ч 30 м
Внешний вид
1
+
+
6,5
+
4,68
Очень плотный
2
-
+
6
+
4,7
Плотный
3
-
+
6,7
-
5,78
Жидкий
4
-
+
6,7
+
4,81
Очень плотный
5
-
+
6,1
+
4,59
Очень плотный
6
-
-
6
+
4,99
Очень плотный
7
-
- (добавленная после установления рН)
6
-
4,87
Жидкий с белыми пятнами
8
-
- (добавленная после установления рН)
6
+
4,77
Плотный
Пример 9. Мороженое с пониженным содержанием жира с добавлением сывороточного белка
Сырье
Изолят сывороточного белка (WPI, Prolacta90 от Lactalis, Retiers, France) с содержанием белка 90%
Сухое обезжиренное молоко с содержанием белка 35%
Сахароза
Мальтодекстрины с DE 39
Безводный молочный жир
Эмульгатор
Деионизированная вода
Соляная кислота пищевого качества (1М).
Метод
В резервуаре с двойной изоляционной рубашкой на 80 л диспергировали порошок Prolacta90 при 50°C в деионизированной воде до концентрации белка 9,67 мас.%, в условиях щадящего перемешивания во избежание пенообразования, т.е. 3,3 кг Prolacta90 диспергировали в 31,05 кг деионизированной воды. Спустя 1 час диспергирования рН дисперсии устанавливали на уровне рН мицеллизации путем добавления НСl. Температуру дисперсии повышали до 85°С и выдерживали при этой температуре в течение 15 минут с целью генерирования мицелл сывороточного белка. Спустя 15 минут температуру понижали до 50°С и последовательно вносили в дисперсию мицелл прочие ингредиенты (т.е. сухое обезжиренное молоко, мальтодекстрины с DE39, сахарозу, эмульгатор и безводный молочный жир). Окончательное количество смеси с общим содержанием сухих веществ 39,5% и содержанием жира 5 мас.% составило 50 кг. Спустя 30 минут гидратации смесь гомогенизировали в две стадии (80/20 бар) и пастеризовали (86°С/30 сек) перед последующим созреванием в течение ночи.
На следующий день смесь для мороженого фризеровали до степени взбитости 100% в аппарате Hoyer MF50 и закаливали при -40°С перед последующим хранением при -20°C. Готовое мороженое содержало 8 мас.% белков (20% казеинов, 80% сывороточных белков) и 5 мас.% жира в пересчете на общую массу смеси для мороженого.
Пример 10. Порошок мицелл сывороточного белка, полученный распылительной сушкой
Сырье
Изолят сывороточного белка (WPI, Prolacta90 от Lactalis, Retiers, France) с содержанием белка 90%
Пищевая лактоза
Сахароза
Мальтодекстрины с DE 39
Деионизированная вода
Соляная кислота пищевого качества (1М).
Метод
В резервуаре с двойной изоляционной рубашкой на 100 л диспергировали порошок Prolacta90 при 50°C в деионизированной воде до концентрации белка 10 мас.% в условиях щадящего перемешивания во избежание ценообразования, т.е. 11 кг Prolacta90 диспергировали в 89 кг деионизированной воды. Спустя 1 час диспергирования рН дисперсии устанавливали на уровне рН мицеллизации (в данном случае на уровне рН около 6,3) путем добавления НСl. Температуру дисперсии повышали до 85°С и выдерживали при этой температуре в течение 15 минут с тем, чтобы генерировать образование мицелл сывороточного белка. Спустя 15 минут температуру понижали до 50°С и 10 мас.% дисперсию мицелл разделяли на две партии по 50 кг. В первом эксперименте 20 кг лактозы диспергировали в 50 кг дисперсии мицелл при 50°С и перемешивали в течение 30 минут. Равным образом 20 кг мальтодекстринов с DE 39 добавляли в оставшиеся 50 кг дисперсии мицелл сывороточного белка.
Затем обе смеси подвергали распылительной сушке в башенной сушилке NIRO SD6.3T при расходе смеси 15 л/ч. Температура воздуха на входе в сушилку составляла 140°С, на выходе из сушилки 80°C. Влагосодержание полученных порошков было ниже 5%.
Размер мицелл сывороточного белка определяли в присутствии лактозы и мальтодекстрина (DE 39) в воде методом динамического светорассеяния перед и после распылительной сушки. Общую концентрацию белка устанавливали на уровне 0,4 мас.% путем разбавления дисперсии перед распылительной сушкой или восстановления порошка с тем, чтобы обеспечить разбавленный режим вязкости для мицелл сывороточного белка. Для измерений использовали прибор Nanosizer ZS (Malvern Instruments); диаметр мицелл определяли как среднее 20 измерений.
Диаметр мицелл сывороточного белка в измерениях в присутствии лактозы и мальтодекстринов (DE 39) составил соответственно 310,4 нм и 306,6 нм. После восстановления порошков указанный диаметр соответственно составил 265,3 нм и 268,5 нм. Проведенные измерения показали, что мицеллы сывороточного белка оставались физически стабильными в процессе распылительной сушки. Эти результаты были подтверждены и ТЕМ-микроскопией 0,1 мас.% дисперсий мицелл сывороточного белка в воде с применением негативного фонового окрашивания в присутствии 1% фосфовольфрамовой кислоты при рН 7. Для анализа использовали трансмиссионный электронный микроскоп Philips СМ12, работающий при 80 кВ. Мицеллы сывороточного белка наблюдали в растворе перед распылительной сушкой и после восстановления полученного распылительной сушкой порошка. Не было установлено различий в морфологии и структуре.
Пример 11. Концентрирование выпариванием
Изолят сывороточного белка Prolacta90 от Lactalis (партия 500648) восстанавливали при 15°С умягченной водой при концентрации белка 4% для доведения конечного объема партии до 2500 кг. рН устанавливали путем добавления 1М соляной кислоты на таком уровне, чтобы конечное значение рН составило 5,90. Дисперсию сывороточного белка пропускали с помощью насоса через пластинчатый теплообменник APV-mix при расходе 500 л/ч. После предварительного нагревания до 60°С проводили тепловую обработку при 85°C, 15 мин. Образование мицелл сывороточного белка контролировали путем измерения размера частиц методом динамического светорассеяния, а также измерением мутности при 500 нм. Полученная 4% дисперсия мицелл сывороточного белка характеризовалась гидродинамическим радиусом частиц 250 нм, индексом полидисперсности 0,13 и мутностью 80. Затем дисперсию мицелл сывороточного белка подавали в выпарной аппарат Scheffers при расходе 500 л/ч. Температуру и вакуум в выпарном аппарате поддерживали на таком уровне, чтобы получить примерно 500 кг концентрата мицелл сывороточного белка с концентрацией белка 20%, который охлаждали затем до 4°С.
Пример 12. Обогащение микрофильтрацией
2
Изолят сывороточного белка Prolacta 90 от Lactalis (партия 500648) восстанавливали умягченной водой при 15°C до концентрации белка 4% с доведением конечного объема партии до 2500 кг. рН устанавливали путем добавления 1М соляной кислоты в таком количестве, чтобы конечное значение рН составило 5,90. Дисперсию сывороточного белка пропускали с помощью насоса через пластинчатый теплообменник APV-mix при расходе 500 л/ч. После предварительного нагревания до 60°С проводили тепловую обработку при 85°С, 15 мин. Образование мицелл сывороточного белка контролировали путем измерения размера частиц методом динамического светорассеяния, а также измерением мутности при 500 нм. Полученная 4% дисперсия мицелл сывороточного белка характеризовалась гидродинамическим радиусом частиц 260 нм, индексом полидисперсности 0,07 и мутностью 80. Форму мицелл белка контролировали также с помощью ТЕМ, и структуры мицелл средним диаметром от 150 до 200 нм были четко видны под микроскопом (фиг.9). Дисперсию мицелл сывороточного белка можно охладить до 4°C и направить на хранение или можно сразу пропустить ее через фильтрационную установку, оборудованную мембраной Carbosep М14 площадью 6,8 м, при расходе 180 л/ч. В таком случае концентрирование мицелл сывороточного белка проводится при температуре от 10°C до 70°C до тех пор, пока расход пермеата не достигнет 70 л/ч. В этом случае готовый концентрат сывороточного белка будет содержать 20% белков. Структуру мицелл в концентрате контролировали с помощью ТЕМ; результаты ТЕМ показали отсутствие четко видимых существенных изменений по сравнению с 4% дисперсией сывороточного белка перед микрофильтрацией (фиг.10).
Пример 13. Порошок мицелл сывороточного белка, содержащий по меньшей мере 90% сывороточного белка
3
200 кг концентрата мицелл сывороточного белка, полученного микрофильтрацией при 20% белка (см. пример выше), вводили в башенную сушилку Niro SD6.3N через распылительную форсунку (диаметр=0,5 мм, угол распыла=65°, давление=40 бар) при расходе продукта 25 кг/ч. Температура продукта на входе в сушилку составила 150°С, на выходе 75°С. Расход воздуха в сушильной башне составил 150 м/ч. Содержание влаги в порошке было менее 4%, и порошок характеризовался очень хорошей текучестью (сыпучестью). Сканирующая электронная микроскопия порошка выявила достаточно сферические частицы, имеющие истинный диаметр от 10 до 100 мкм (фиг.8).
3
Пример 14. Смешанный порошок мицелл сывороточного белка 20 кг концентрата мицелл сывороточного белка смешивали с 1,7 кг мальтодекстринов с DE 39 таким образом, чтобы конечное соотношение мицелл сывороточного белка к мальтодекстринам в порошке составило 70:30. Полученную смесь вводили в башенную сушилку Niro SD6.3N через атомизирующую (распылительную) форсунку (диаметр=0,5 мм, угол распыла=65°, давление=40 бар) при расходе продукта 25 кг/ч. Температура продукта на входе в сушилку составила 150°С, на выходе 75°С. Расход воздуха в сушильной башне составил 150 м/ч. Содержание влаги в порошке было ниже 4%, и порошок характеризовался очень хорошей текучестью (сыпучестью).
Порошки примеров 13 и 14 при восстановлении водой дают, в основном, мицеллы, имеющие такие же структуру и морфологию, что и мицеллы в концентрате мицелл сывороточного белка.
Пример 15. Порошок мицелл сывороточного белка, полученный сублимационной сушкой
Сырье
Концентрат мицелл сывороточного белка с содержанием белка 20%, полученный в примере 12 микрофильтрацией изолята с содержанием белка 90%.
Метод
100 г концентрата мицелл сывороточного белка вносили в пластиковый стаканчик и замораживали при -25°C в течение одной недели. Затем стаканчик помещали в сублимационную сушилку лабораторного типа Virtis, оборудованную вакуум-насосом. Образец оставался в сушилке в течение 7 суток, пока давление в сублимационной сушилке не стало постоянным и не составило около 30 мбар. Было получено около 20 г высушенных сублимационной сушкой мицелл сывороточного белка.
Пример 16. Темный шоколад без сахарозы, обогащенный сывороточным белком
Сырье
Ингредиенты
Количество в %
Порошок мицелл сывороточного белка из примера 13 с содержанием белка 90%
40-50%
Сукралоза
0,05-0,1%
Безводный молочный жир
3-5%
Какао тертое
30-40%
Какао-масло
5-15%
Ванилин
0,005-0,015%
Лецитин
0,1-1%
Метод
Какао тертое смешивали с какао-маслом, молочным жиром, порошком мицелл сывороточного белка, сукралозой, ванилином и лецитином. Полученную смесь коншировали в течение ночи при 65°С до получения гомогенной пасты. Затем шоколадную массу формовали в виде шоколадных плиток и охлаждали. Темный шоколад характеризовался конечным содержанием сывороточного белка от 45% до 50%.
Пример 17. Белый шоколад, обогащенный сывороточным белком
Сырье
Ингредиенты
Способ 1
Способ 2
Способ 3
Порошок мицелл сывороточного белка из примера 13 с содержанием белка 90%
15-25%
25-35%
35-40%
Сукралоза
40-45%
30-35%
30-35%
Безводный молочный жир
1-10%
1-10%
1-10%
Сухая сыворотка
2-10%
2-10%
0%
Какао-масло
20-30%
20-30%
20-30%
Ванилин
0,01-0,1%
0,01-0,1%
0,01-0,1%
Лецитин
0,1-1%
0,1-1%
0,1-1%
Способ 1
Смешивали мицеллы сывороточного белка, сухую сыворотку, сахарозу и ванилин и измельчали до требуемого распределения частиц по размерам. Затем полученную смесь коншировали в течение ночи при 65°С вместе с какао-маслом, безводным молочным жиром и лецитином до получения гомогенной пасты. Полученную шоколадную массу формовали в виде шоколадных плиток и охлаждали. Готовый белый шоколад характеризовался конечным содержанием сывороточного белка 20%.
Способ 2
Смешивали мицеллы сывороточного белка, сухую сыворотку, сахарозу и ванилин и измельчали до требуемого распределения частиц по размерам. Затем полученную смесь коншировали в течение ночи при 65°C вместе с какао-маслом, безводным молочным жиром и лецитином до получения гомогенной пасты. Полученную шоколадную массу формовали в виде шоколадных плиток и охлаждали. Готовый белый шоколад характеризовался конечным содержанием сывороточного белка 30%.
Способ 3
Смешивали мицеллы сывороточного белка, сахарозу и ванилин и измельчали до требуемого распределения частиц по размерам. Затем полученную смесь коншировали в течение ночи при 65°C вместе с какао-маслом, безводным молочным жиром и лецитином до получения гомогенной пасты. Полученную шоколадную массу формовали в виде шоколадных плиток и охлаждали. Готовый белый шоколад характеризовался конечным содержанием сывороточного белка от 30 до 35%.
Пример 18. Водная дисперсия мицелл сывороточного белка с покрытием из сульфатированного бутил-олеата (SBO) или какого-либо другого отрицательно заряженного эмульгатора
Сырье
Порошок мицелл сывороточного белка (WPM) из примера 13 с содержанием белка 90%
SBO
Соляная кислота (1М).
Метод
Порошок WPM, описанный в примере 13, диспергировали в MilliQ-воде до конечной концентрации белка 0,1 мас.%. Полученную дисперсию фильтровали через фильтры 0,45 мкм для удаления возможных WPM-агрегатов. рН этой WPM-дисперсии снижали до 3,0 путем добавления соляной кислоты (1М). Далее приготавливали 1 мас.% дисперсию SBO с рН 3,0.
-1
-1
-1
-1
Гидродинамический радиус и зета-потенциал этих WPM определяли с помощью прибора Nanosizer ZS (Malvern Instruments Ltd.). Диаметр составил 250 нм, а электрофоретическая подвижность +2,5 мкм·см·В·с. Гидродинамический радиус и электрофоретическая подвижность SBO-дисперсии при рН 3,0 составили соответственно 4 нм и -1,5/-2,0 мкм·см·В·с.
-1
-1
После определения этих предварительных характеристик SBO-дисперсию использовали для титрования только WPM, после чего определяли эволюцию гидродинамического радиуса и электрофоретической подвижности смеси. Установлено, что гидродинамический радиус оставался постоянным и составлял около 250-300 нм до тех пор, пока массовое соотношение смешивания WPM:SBO не достигло 5:1. В этой точке гидродинамический радиус резко отклонился до 20000 нм, и произошла неожиданная преципитация комплексов WPM с SBO. При последующем добавлении SBO, превысившем отношение смешивания 5:1, гидродинамический радиус постепенно снизился до 250 нм, т.е. до уровня в исходном WPM, и стал выравниваться, начиная с соотношения смешивания 4:1. Определение электрофоретической подвижности смеси показало, что она снижалась при добавлении SBO, достигая нулевого значения при соотношении смешивания 5:1. Затем она продолжала падать при последующем добавлении SBO, начиная выравниваться с соотношения 4:1, и составила -3,0 мкм·см·В·с.
Объяснить полученные результаты можно тем, что положительно заряженные WPM покрываются на первой стадии электростатическим путем отрицательно заряженной головной частью SBO до тех пор, пока не будет достигнута полная нейтрализация заряда (соотношение смешивания 5:1). В этот момент гидрофобные хвостовые части SBO способны самостоятельно объединяться, что приводит к избыточному образованию агрегатов с очень большим гидродинамическим диаметром и к преципитации комплексов. При последующем добавлении SBO гидрофобные хвостовые части продолжают объединяться с образованием двухслойного покрытия, при этом отрицательно заряженная головная часть SBО обращена к растворителю. Это приводит к отрицательно заряженным WPM с двухслойным покрытием из SBO (см. фиг.17), сравнимым с окружающей всю "сердцевину" белка липосомой.
-
Аналогичные результаты были получены и с другими кислотными эмульгаторами пищевого качества, такими как DATEM, CITREM, SSL (от Danisco), в водном растворе при рН 4,2, в котором они ионизировались, главным образом, в анионную форму (-СОО химические функции).
Пример 19. Обогащенный белком соус типа Бешамель
Сырье
Смешанный порошок мицелл сывороточного белка из примера 14 с содержанием белка 70%
Сливочное масло
Мука
Обезжиренное молоко
Пищевая соль.
Метод
30 г смешанного порошка сывороточного белка диспергировали в 1 литре обезжиренного молока при нагревании. Затем добавляли 30 г сливочного масла и 80 г муки вместе с 2,85 г пищевой соли. Полученную смесь кипятили для получения соуса типа Бешамель, имеющего содержание сывороточного белка около 3 г/100 г.
Пример 20. Обогащенная сывороточным белком основа для энергетического питательного батончика
Сырье
Ингредиенты
Количество в %
Смешанный порошок мицелл сывороточного белка из примера 13 с содержанием белка 90% (влагосодержание 3,5%)
40-50%
Сироп из коричневого риса
35-45%
Мальтит
5-10%
Глицерин
10-15%
Метод
Сироп из коричневого риса смешивали с мальтитом и глицерином при 25°C. Затем добавляли порошок мицелл сывороточного белка и проводили перемешивание в течение 10 минут. Полученную обогащенную сывороточным белком основу для энергетического питательного батончика можно смешать с прочими ингредиентами (минералами, витаминами, вкусоароматическими добавками). Готовая композиция содержит больше белков, чем молоко (38%).
Пример 21. Определение угла естественного откоса частиц полученного распылительной сушкой порошка мицелл сывороточного белка, смешанного порошка мицелл сывороточного белка, сухого изолята сывороточного белка и сухого обезжиренного молока низкотемпературного нагрева
Материал
Порошок мицелл сывороточного белка из примера 12 с содержанием белка 90% (влагосодержание 3,5%)
Смешанный порошок мицелл сывороточного белка из примера 13 с содержанием белка 90% (влагосодержание 3,5%)
Сухой изолят сывороточного белка Prolacta 90 (партия 500658 от Lactalis, France; влагосодержание 4%)
Сухое обезжиренное молоко низкого нагрева (партия 334314 от Emmi, Switzerland; влагосодержание 3,5%)
Измерительный прибор для измерения угла естественного откоса частиц порошка согласно стандарту ISO 4324.
Метод измерения.
Порошок помещали в воронку с диаметром трубчатой части 99 мм и принудительно ссыпали с помощью мешалки. Порошок падал в прозрачную пластиковую чашку диаметром 100 мм и высотой 25 мм. Угол естественного откоса (Ф) определяли по следующему уравнению: Ф=arctg(2h/100),
где h - максимальная высота конуса порошка, который может образоваться при покрытии порошком всей поверхности пластиковой чашки.
Результаты теста на измерение естественного угла откоса (значения представляют собой среднее 3-х измерений с указанием стандартного отклонения)
Порошок мицелл сывороточного белка
Смешанный порошок мицелл сывороточного белка
Сухой изолят сывороточного белка
Сухое обезжиренное молоко низкотемпературного нагрева
Угол естественного откоса (°)
24,6±1,1
27,3±0,7
34,3±0,5
43,8±2,8
Результаты измерения угла естественного откоса четко показывают, что порошок мицелл сывороточного белка как чистый, так и в смеси с мальтодекстринами характеризуется значительно меньшим углом естественного откоса, чем исходный сухой сывороточный белок или даже сухое обезжиренное молоко. Угол естественного откоса менее 35° характерен для чрезвычайно текучих (сыпучих) порошков.
Пример 22. Рецептуры соуса голландского типа и продукта типа майонеза, содержащих мицеллы сывороточного белка
Соус голландского типа
Ингредиенты
%
Вода
80-90
Связующие агенты
1-10
Кислоты
0,1-5
Мицеллы сывороточного белка
0,5-5
Специи, соль, сахар,
ароматизаторы, красители
5-10
Соус типа майонеза
Ингредиенты
%
Вода
75-80
Связующие агенты
1-10
Кислоты
1-10
Мицеллы сывороточного белка
0,5-5
Специи, соль, сахар,
ароматизаторы, красители
5-15
С использованием мицелл сывороточного белка можно изготавливать не содержащие жира продукты с высоким содержанием кислоты и соли. Преимущество использования мицелл сывороточного белка состоит в том, что одновременно достигается отбеливающий эффект, поскольку мицеллы остаются стабильными и в кулинарной матрице, и в процессе обработки. Кроме того, мицеллы сывороточного белка имитируют присутствие жира благодаря присущей им эмульгирующей способности.
Пример 23. Совместная распылительная сушка мицелл сывороточного белка (WPM) с гидролизатом пшеничного глютена (WGH)
2,2 кг порошка WPM диспергировали в 45,8 кг деминерализованной воды при 25°С. Спустя 15 минут перемешивания дисперсию WPM гомогенизировали при 250/50 бар в гомогенизаторе Niro-Soavi при расходе 50 кг/ч. Порошок WGH (гидролизат пшеничного глютена) (2 кг) (полученный в промышленных условиях или стандартными способами, известными из уровня техники) диспергировали в дисперсии WPM (48 кг) таким образом, чтобы конечное содержание сухих веществ в дисперсиях составило 8%, а соотношение WPM:WGH=1:1. В этом случае конечное содержание WPM в порошке распылительной сушки составит примерно 50%.
Пример 24. Суп, обогащенный сывороточным белком
С использованием порошка мицелл сывороточного белка по настоящему изобретению готовили сухую смесь (28 г) из следующих ингредиентов:
Крем-суп из брокколи
Ингредиенты
%
Мицеллы сывороточного белка
10-15
Загустители
5-10
Овощной порошок
2-5
Жир/масло
1-5
Соль
0,5-3
Специи, ароматизаторы, усилители вкуса и аромата
1-2
Продукт восстанавливали путем добавления сухой смеси к 250 мл холодной или горячей воды и кипятили. Готовый суп имел кремообразную текстуру и содержание сывороточного белка от 4 до 6 г/100 г.
Пример 25. Крем-суп с пониженным содержанием жира на основе сывороточного белка
Крем-суп из спаржи (29 г)
Ингредиенты
%
Мицеллы сывороточного белка
3-10
Загустители
10-20
Овощной порошок
1-5
Жир/масло
1-3
Соль
0,5-5
Специи, вкусоароматические добавки, усилители вкуса и аромата
1-2
Продукт восстанавливали путем добавления сухой смеси к 500 мл холодной или горячей воды и кипятили для получения супа с кремообразными текстурой и внешним видом и с пониженным содержанием жира.
Пример 26. Совместная распылительная сушка мицелл сывороточного белка с основой для супа
Дисперсию мицелл сывороточного белка восстанавливали путем смешивания 1,6 кг мицелл сывороточного белка с 43,7 кг деминерализованной воды. Спустя 15 минут перемешивания, дисперсию WPM гомогенизировали при 250/50 бар в гомогенизаторе Niro-Soavi при расходе 50 кг/ч. После этого в дисперсию WPM добавляли 4,7 кг основы для супа. Конечное содержание сухих веществ в дисперсии составило 12,6%. Дисперсию подвергали распылительной сушке. Температура продукта на входе в распылительную сушилку составляла 75°С, конечное содержание влаги 3,5%. Конечная концентрация WPM в порошке была около 23%.
Типичная обезвоженная основа для супа, полученная описанным выше способом, приводится в таблице.
Ингредиенты
Композиция (г/100 г порошка WPM-основы для супа)
Мицеллы сывороточного белка
20-30
Загустители
20-40
Соль, специи, вкусоароматические добавки, усилители вкуса и аромата
3-9
Сливки
5-15
Мальтодекстрин
10-20
Растительное масло
3-8
Пример 27. Белый соус, содержащий мицеллы сывороточного белка
С использованием порошка WPM по изобретению приготавливали сухую смесь (35 г) из следующих ингредиентов:
Ингредиенты
г
Мицеллы сывороточного белка
3-10
Загустители
20-40
Соль, специи, вкусоароматические добавки, усилители вкуса и аромата
1-9
Жир/масло
1-4
Продукт восстанавливали путем добавления сухой смеси к 500 мл холодной воды и кипятили для получения белого соуса.