АГРЕГИРОВАННЫЕ ЧАСТИЦЫ СЫВОРОТОЧНОГО БЕЛКА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
AGGREGATED WHEY PROTEIN PARTICLES AND THEIR APPLICATION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к агрегированным частицам сывороточного белка, которые можно применять для стабилизации пен, в частности пищевых пен, таких как вспененные молочные продукты. В изобретении предложен способ получения таких агрегированных частиц сывороточного белка, применения таких частиц для стабилизации пены, а также пищевых пен или вспененного продукта, содержащего такие агрегированные частицы сывороточного белка.
Предпосылки создания изобретения
В сфере пищевых продуктов и напитков наблюдается все возрастающая тенденция предлагать по меньшей мере часть продукта в форме пены. Это приводит к техническим проблемам при обеспечении пен, которые сохраняют стабильность в течение длительного времени.
Пены представляют собой метастабильные системы с очень малым сроком хранения. Пузырьки газа, которые диспергированы в жидкой фазе, стабилизируются тонкими пленками поверхностно-активных веществ (например, молочными белками). Сразу же после пенообразования в связи со стеканием (жидкость стекает под действием силы тяжести), коалесценцией и диспропорционированием (вследствие разницы давлений газа в пузырьках неодинакового размера) происходит дестабилизация.
Пены и эмульсии ведут себя по-разному, так что необходимо разрабатывать специальные решения для стабилизации пен или эмульсий соответственно. Пены термодинамически более нестабильны, и время их жизни по существу на несколько порядков меньше, чем у эмульсий (часы по сравнению с месяцами). Основными причинами этого являются по существу гораздо больший размер пленок между пузырьками по сравнению с каплями эмульсии и межфазное натяжение на границе раздела «воздух-вода», которое превышает натяжение на границе раздела «масло-вода» приблизительно в 5 раз. Кроме того, пузырьки, как правило, имеют больший размер и меньшую плотность, чем капли масла, и, следовательно, отстаивание под действием силы тяжести в пенах происходит гораздо быстрее, чем в эмульсиях типа «вода в масле». Следовательно, пены склонны к стеканию, диспропорционированию (эквивалент оствальдовского созревания в эмульсиях) и коалесценции. Кроме того, в случае пен различные механизмы нестабильности могут усиливать друг друга за счет синергических эффектов при оседании пены. Например, диспропорционирование приводит к более крупным пузырькам и, следовательно, к большим размерам пленок, что, в свою очередь, ускоряет стекание, непрерывно снижая стабильность пены. Следовательно, невозможно сделать вывод о том, что эмульгатор, который можно успешно использовать для стабилизации эмульсии, также можно будет успешно использовать для стабилизации пены. Обратное также справедливо. Для пен необходимо разрабатывать специальные стабилизаторы.
Дестабилизацию пены можно отсрочить за счет высокой вязкости жидкой фазы (как в муссе), при сушке системы (например, теста) или при замораживании системы, как в мороженом. Однако все же желательно решить проблему стабилизации жидких пен.
Известно, что частицы могут стабилизировать пены за счет так называемого эффекта Пикеринга. Этот эффект подробно описан во множестве публикаций. Однако по-прежнему существует потребность в обнаружении подходящих пищевых частиц, которые действуют как частицы Пикеринга, для стабилизации пищевых пен.
Также существует тенденция к повышению стабильности пен без введения новых ингредиентов в составы. В частности, в случае молочных продуктов желательно добиться улучшения свойств таких молочных продуктов, включая стабильность пены, используя при этом существующие компоненты молока. Фракция сывороточного белка в молоке широко используется в пищевых составах из-за ее высокой питательной ценности, а также благодаря ее широким функциональным свойствам. Например, в публикации Е.А. Foegeding, P.J. Luck, and J.P. Davis, Food Hydrocolloids, 2006, 20, 284-292 исследовали способность изолятов сывороточного белка (WPI) стабилизировать пены.
В публикации Н. Zhu and S. Damodaran, J. Agric. Food Chem., 1994, 42, 846-855 было показано, что полимеризация фракций сывороточного белка за счет сульфгидрильных-дисульфидных взаимодействий улучшает пенообразующие свойства. Хотя белки могут образовывать пленки с высокой межфазной эластичностью и вязкостью за счет различных форм сшивания адсорбированных молекул на границе раздела фаз, было показано, что они все же не могут полностью остановить схлопывание пузырьков и ограничить нестабильность пены, следовательно, по-прежнему существует потребность в разработке новых стабилизаторов пены. Кроме того, такого рода стабилизация повышает вязкость и жесткость пены. Желательно найти решения для стабилизации пены с одновременным сохранением ее внешних характеристик жидкости.
На рынке представлено множество продуктов, которые имеют форму порошка и предназначены для разведения потребителем и образования пены после разведения, таких как забеливатели для кофе и чая. Это также относится к порошковым продуктам, которые предназначены для разведения в торговых автоматах или устройствах для приготовления напитков. В таком случае преимуществом была бы разработка стабилизатора пены в форме твердых частиц, которые можно было бы вводить в состав порошкового продукта.
В публикации J. D. Firebaugh and С.R. Daubert, International Journal of Food Properties, 2005, 8, 243-253 указано, что высушенные модифицированные изоляты сывороточного белка способны стабилизировать пены по меньшей мере с той же эффективностью, что и неизмененные изоляты сывороточного белка. В частности, в ней описано, что модифицированные изоляты сывороточного белка позволяют создавать более стабильные пены, которые имеют более низкую взбитость, чем немодифицированные пены WPI, при доведении рН пены до 3,4 и 6,8. Модификацию проводят при получении изолята белка при рН 3,4.
В настоящем изобретении указанные выше проблемы решены за счет обеспечения эффективного решения для стабилизации пен.
Изложение сущности изобретения
В первом аспекте в настоящем изобретении предложен способ получения агрегированных частиц сывороточного белка, включающий следующие стадии:
a. диспергирование сывороточного белка в водной среде с образованием водного раствора;
b. доведение рН раствора, полученного на стадии а, до рН выше 7;
c. обеспечение гидратации сывороточного белка в растворе, полученном на стадии b;
d. денатурацию и желирование сывороточного белка путем нагрева раствора гидратированного сывороточного белка, полученного на стадии с;
e. сушку денатурированного и желированного сывороточного белка, полученного на стадии d, с образованием сухого агрегата сывороточного белка; и
f. размалывание высушенного агрегата сывороточного белка с получением частиц порошка.
Во втором аспекте в изобретении предложены агрегированные частицы сывороточного белка, получаемые по способу изобретения.
В третьем аспекте в изобретении предложено применение агрегированных частиц сывороточного белка в соответствии с изобретением для стабилизации пищевых пен.
В четвертом аспекте в изобретении предложен вспененный пищевой продукт, содержащий агрегированные частицы сывороточного белка в соответствии с изобретением.
В пятом аспекте в изобретении предложен способ получения вспененного продукта, включающий следующие стадии:
a. добавление агрегированных частиц сывороточного белка в соответствии с изобретением к пищевой композиции до пенообразования; и
b. стимулирование пенообразования в пищевой композиции, полученной на стадии а, для образования вспененного пищевого продукта.
В шестом аспекте в изобретении предложен способ стабилизации пены, включающий добавление агрегированных частиц сывороточного белка в соответствии с изобретением к вспениваемой пищевой композиции до пенообразования.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан гранулометрический состав частиц геля, полученных при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (треугольники), в соответствии с примером 1.
На фиг. 2 представлены кривые зависимости от времени поверхностного натяжения суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (а), рН 7 (b), рН 8 (с), и неизмененных растворов WPI (d) в концентрациях 1% (черные кружки), 3% (белые кружки) и 5% (треугольники), полученных в соответствии с примером 1.
На фиг. 3 представлены кривые текучести суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (а), рН 7 (b), рН 8 (с), и неизмененных растворов WPI (d) в концентрациях 1% (черные кружки), 3% (белые кружки) и 5% (треугольники), полученных в соответствии с примером 1.
На фиг. 4 представлены модули эластичности (G') при 1 Гц для дисперсий частиц геля, полученных при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (черные треугольники), и растворов WPI (белые треугольники) в 3 различных концентрациях, полученных в соответствии с примером 1.
-1
На фиг. 5 представлена вязкость пен, полученных в примере 1 при 0,25 с, стабилизированных частицами геля, полученными при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (черный треугольник), и WPI (белый треугольник) в трех различных концентрациях, использованных в примере 1.
На фиг. 6 представлен график стабильности пены, на котором показано время полураспада в минутах суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (черные треугольники), и неизмененных растворов WPI (белые треугольники) в различных концентрациях, как описано в примере 1.
На фиг. 7 показаны конфокальные микрофотографии пен, стабилизированных разведенными агрегированными частицами сывороточного белка, желированными при рН 7 (а) и рН 8 (b), которые были получены в примере 1.
На фиг. 8 показаны результаты измерений стабильности пены в примере 2 с агрегатами сывороточного белка, полученными из различных источников сыворотки.
На фиг. 9 показаны результаты измерений стабильности пены в примере 3 с агрегатами, имеющими различные размеры частиц, которые получены разными способами размалывания.
На фиг. 10 показаны микроскопические снимки образцов D (фиг. 10А) и G (фиг. 10В) в примере 3. Можно видеть неправильную несферическую форму размолотых частиц.
Подробное описание изобретения
Авторы настоящего изобретения разработали новые агрегированные частицы сывороточного белка, которые дают особенно благоприятный эффект стабилизации пены.
На первой стадии способа получения этих новых агрегированных частиц сывороточного белка сывороточный белок необходимо растворить в воде. Можно использовать любой источник сывороточного белка, такой как, например, изолят сывороточного белка, концентрат сывороточного белка или обезжиренное молоко. Предпочтительно сывороточный белок используют в как можно более очищенной форме для исключения наличия лактозы или жира в составе сывороточного белка. Как правило, используют изолят сывороточного белка и концентрат сывороточного белка, предпочтительно используют изолят сывороточного белка. Например, такие ингредиенты могут содержать от 80 до 90% сывороточного белка.
Сыворотка растворяется в водной среде, которая предпочтительно представляет собой воду, а более предпочтительно деминерализованную воду. Как правило, концентрация сывороточного белка в водном растворе составляет по меньшей мере 5% мае. в расчете на общую массу раствора. Предпочтительно концентрация сывороточного белка составляет по меньшей мере 6%, предпочтительно по меньшей мере 7%, предпочтительно по меньшей мере 8%, более предпочтительно по меньшей мере 9%, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 10%. Максимально достижимая концентрация в водном растворе зависит от растворимости белка. Ее может определить специалист в данной области. Предпочтительно могут использоваться концентрации до 40%), предпочтительно до 35%, более предпочтительно до 30%, а еще более предпочтительно до 20%. В наиболее предпочтительном варианте осуществления концентрация сывороточного белка в водном растворе составляет максимум 14%, более предпочтительно максимум 13%, более предпочтительно максимум 12%, а еще более предпочтительно максимум 11%. Например, водный раствор может содержать 10% сывороточного белка.
На второй стадии способа рН раствора доводят до рН выше 7. Предпочтительно значение рН, до которого доводят раствор на стадии b, составляет по меньшей мере 7,1, предпочтительно по меньшей мере 7,2, более предпочтительно по меньшей мере 7,3, более предпочтительно по меньшей мере 7,4, более предпочтительно по меньшей мере 7,5, более предпочтительно по меньшей мере 7,6, более предпочтительно по меньшей мере 7,7, более предпочтительно по меньшей мере 7,8, еще более предпочтительно по меньшей мере 7,9, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 8. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения значение рН, до которого доводят раствор на стадии b, составляет максимум 9, предпочтительно максимум 8,9, более предпочтительно максимум 8,8, более предпочтительно максимум 8,7, более предпочтительно максимум 8,6, более предпочтительно максимум 8,5, более предпочтительно максимум 8,4, более предпочтительно максимум 8,3, более предпочтительно максимум 8,2, еще более предпочтительно максимум 8,1, а наиболее предпочтительно максимум 8. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения рН раствора доводят до рН 8. Верхний предел рН 9 является предпочтительным, чтобы обеспечить безопасность полученных частиц с точки зрения потребления человеком при применении в продуктах питания и напитках.
На третьей стадии способа сывороточный белок оставляют для гидратации в растворе. Время гидратации зависит от концентрации сывороточного белка. Это время может определить специалист в данной области на основании используемой концентрации сывороточного белка. Степень гидратации может измеряться стандартными способами, чтобы гарантировать достижение надлежащего уровня гидратации. Пример времени и температуры, при которых может проводиться стадия гидратации, представлен в экспериментальном разделе примера 1.
На четвертой стадии способа раствор гидратированного сывороточного белка подвергается тепловой обработке для проведения денатурации и желирования сывороточных белков. На этой стадии происходит денатурация, развертывание белков и образование агрегатов, отвечающих за образование геля. Как правило, тепловую обработку проводят таким образом, чтобы добиться денатурации более чем 90% беталактоглобулина. Тепловую обработку необходимо проводить при температуре выше температуры денатурации сывороточного белка, т.е. выше 76°C. Температура и время, необходимые для надлежащей денатурации и желирования, могут быть определены специалистом в данной области на основании используемой концентрации сывороточного белка. Степень денатурации и желирования могут быть измерены стандартными способами, чтобы гарантировать достижение надлежащего уровня денатурации и желирования. Пример времени и температуры, при которых может проводиться стадия денатурации и желирования, представлен в экспериментальном разделе примера 1. Например, можно применять тепловую обработку при 80°C в течение 30 минут. Стадия денатурации и желирования может осуществляться под действием напряжения сдвига или в состоянии покоя. Предпочтительно стадию денатурации и желирования проводят в состоянии покоя.
На пятой стадии способа по изобретению выполняют сушку денатурированных и желированных сывороточных белков. Сушку можно проводить любым способом, подходящим для сушки геля данного типа. Например, используют сублимационную сушку или сушку во вращающемся барабане. Предпочтительный способ представляет собой сублимационную сушку. Эти способы хорошо известны специалисту в данной области, поскольку для целей настоящего изобретения можно использовать стандартные способы и оборудование. В стандартном способе сублимационной сушки раствор денатурированного и желированного белка охлаждают до комнатной температуры, замораживают до -20°C и затем сушат.
На шестой стадии способа сухой агрегированный гель сывороточного белка, образованный в конце пятой стадии, дополнительно размалывают в порошок. Для этого можно использовать любой способ, подходящий для разрушения высушенного геля, такой как истирание или размалывание.
Стадии сушки геля после размалывания или истирания позволяют придать определенную структуру полученным частицам, которые в основном характеризуются неправильной, несферической формой с острыми краями. Эти частицы также нерастворимы.
Предпочтительно по меньшей мере 90% по объему частиц, полученных по настоящему способу, имеют размер частиц по меньшей мере 5 мкм. В другом предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере 90% по объему частиц, полученных таким способом, имеют размер частиц максимум 1000 мкм, предпочтительно максимум 500 мкм, более предпочтительно максимум 300 мкм, наиболее предпочтительно максимум 50 мкм. Предпочтительно, чтобы размер частиц сохранялся при разведении частиц в водной среде.
Как показано ниже в разделе примеров, агрегат сывороточного белка, полученный описанным выше способом, демонстрирует особенно эффективные свойства стабилизации пены. Кроме того, эти частицы представляют собой пищевые частицы, образованные из сыворотки, которая является естественным компонентом молока.
В ходе микроскопических исследований было установлено, что агрегированные частицы сывороточного белка, полученные по способу настоящего изобретения, сохраняют свою дисперсную структуру при разведении в водной среде и что также сохраняется агрегирование белка. Без ограничения теорией предполагается, что это будет обеспечивать преимущественный эффект стабилизации пены для частиц настоящего изобретения.
Агрегированные частицы сывороточного белка настоящего изобретения могут преимущественно использоваться для пенообразования или для стимулирования пенообразования. Иными словами, способ создания пены или стимулирования пенообразования включает в себя стадию добавления частиц к продукту, который необходимо вспенивать до пенообразования, а затем начала пенообразования.
Частицы настоящего изобретения также будут иметь особые преимущества при использовании для стабилизации пен, в частности пищевых пен. Иными словами, в настоящем изобретении предложен способ стабилизации пены, включающий в себя добавление агрегированных частиц сывороточного белка в соответствии с изобретением до пенообразования к вспениваемой пищевой композиции.
В изобретении также предложен преимущественный способ получения вспененного продукта, включающий следующие стадии:
a. добавление агрегированных частиц сывороточного белка в соответствии с изобретением к пищевой композиции до пенообразования; и
b. стимулирование пенообразования в пищевой композиции, полученной на стадии а, для образования вспененного пищевого продукта.
Неожиданно оказалось, что стабилизация пены особенно эффективна, если агрегированные частицы сывороточного белка используют в концентрациях по меньшей мере 1,5%, предпочтительно по меньшей мере 2%, более предпочтительно по меньшей мере 2,5%, более предпочтительно по меньшей мере 3% мае. в расчете на общую массу пены. Максимальная используемая концентрация агрегированных частиц сывороточного белка предпочтительно составляет максимум 8%, предпочтительно максимум 1%, более предпочтительно максимум 6% мае. в расчете на общую массу пены.
Вспененные пищевые продукты также входят в объем изобретения. Как правило, вспененные пищевые продукты включают в себя все вспененные продукты, которые можно употреблять в пищу, такие как пищевые продукты или напитки, содержащие вспененный компонент. Вспененные продукты также включают в себя продукты, которые обеспечены в сухой форме, но которые предназначены для пенообразования после разведения в жидкости конечным потребителем или в устройстве для приготовления напитков.
Предпочтительными вспененными продуктами для целей настоящего изобретения являются продукты, содержащие казеин. Предпочтительно такие продукты являются молочными продуктами, поскольку сыворотка является естественным ингредиентом молока. Продукты, входящие в объем настоящего изобретения, как правило, включают в себя продукты на основе цельного молока, обезжиренного молока или полуобезжиренного молока. Кроме того, особенно преимущественные вспененные продукты включают в себя немолочные продукты, которые включают в себя казеин и необязательно другие молочные ингредиенты. Это, например, относится к немолочным забеливателям или забеливателям с наполнителями, которые используют для кофе и чая или в качестве забеливающего компонента кофейных смесей.
Следовательно, типичные категории продуктов, которые включают в себя такие вспененные продукты, включают в себя молочные, немолочные забеливатели или забеливатели с наполнителями, десерты, мороженое, кондитерские или кулинарные изделия.
Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже с помощью следующих примеров.
Пример 1
1. Материалы
3
Изолят сывороточного белка (BiPRO) приобретали в компании Davisco Foods International Inc. (г. Ле-Сур, штат Миннесота, США). Растворы белка получали в дважды дистиллированной деионизированной воде, доводили рН с помощью NaOH или HCl (5 М) и добавляли NaN (0,001% мае), чтобы предотвратить рост микроорганизмов. Все химические вещества приобретали в компании Sigma Aldrich (Дорсет, Великобритания).
2. Экспериментальные способы
2.1 Получение высушенных агрегированных частиц сывороточного белка Изолят сывороточного белка (WPI) диспергировали в водных растворах при концентрации белка 10% мае. в дважды дистиллированной воде и оставляли перемешиваться для гидратации на 1 ч. Затем рН растворов доводили до желаемого значения с помощью 5 М NaOH или 5 М HCl. Растворы белка подвергали нагреву и желированию в водяной бане при 80°C в течение 30 минут. После стадии нагрева гели охлаждали в лотках и затем замораживали при -20°C в течение 24 ч. Затем проводили сублимационную сушку замороженных гелей с помощью настольной сублимационной сушилки Scanvac модели 110-4 (г. Копенгаген, Дания), доведя образцы до комнатной температуры. Наконец, высушенные гели размалывали в шаровой мельнице в течение 2 часов. Затем порошки частиц геля повторно диспергировали в дважды дистиллированной воде при желаемой концентрации и гидратировали в течение по меньшей мере 2 часов с умеренным перемешиванием. После разведения рН дополнительно не доводили, но его значение было почти идентично начальному рН при желировании. Исследованные концентрации составляли 1%, 3% и 5%, и свойства агрегированных частиц сывороточного белка всегда сопоставляли со свойствами растворов неагрегированного изолята сывороточного белка, которые использовали в качестве контрольного образца. С этого момента и далее значения рН для частиц относятся к рН, при котором были изготовлены частицы геля.
2.2. Получение пен и определение стабильности пены
Пены получали двумя различными способами - барботированием газа и механическим взбиванием. При оценке стабильности пен их получали путем барботирования по адаптированному способу из литературы. Следовательно, пену создавали внутри прозрачной акриловой прямоугольной колонки (внутренние размеры 60×60 мм и высота 500 мм) путем барботирования воздухом со скоростью 3 л/мин при давлении 200 кПа (2 бар) через дно колонки, где находилась пластина из спекшегося стекла с пористостью 3 (поры 15-40 мкм). 100 мл суспензии образца помещали в колонку и затем начинали барботирование воздухом до получения слоя пены высотой 20 см. После этого снижение высоты слоя пены регистрировали с помощью ПЗС-камеры, затем рассчитывали время полураспада пены.
При всех остальных измерениях пены получали механическим взбиванием с помощью доступного в продаже молоковзбивателя со спиральной мешалкой диаметром 10 мм, вращающейся со скоростью приблизительно 2000 об/мин. Для пенообразования 20 мл образца помещали в стеклянный лабораторный стакан объемом 100 мл и взбивали в течение 30 секунд. Если не указано иное, все измерения проводили при 25°C.
2.3 Измерение размера частиц
Гранулометрические составы частиц высушенного геля, полученных после стадии размалывания, определяли методом лазерной дифракции после диспергирования порошков в воде при концентрации 0,25% мае. с помощью Malvern Mastersizer 2000 с подключенным ручным блоком дисперсии в малых объемах Hydro SM (Malvern Instruments, Великобритания). Интенсивность рассеяния в зависимости от угла преобразовывали в гранулометрический состав с использованием теории Ми и применяли соответствующий показатель преломления белка (1,456).
2.4 Реологические характеристики основного объема растворов и полученных пен
-1
-1
Вязкость и реологические измерения проводили с помощью реометра Kinexus производства Malvern Instruments (Malvern, Великобритания). Кривые текучести растворов белка получали с помощью ячейки «цилиндр в цилиндре» (диаметр 25 мм и 27,5 мм соответственно), применяя диапазон скоростей сдвига (0,1-100 с) при измерении вязкости. Кривые текучести для пен определяли с использованием 60-миллиметровой ячейки с параллельными пластинами с насечкой, применяя более узкий диапазон скоростей сдвига (0,1-10 с). Реологические свойства как фазы основного объема, так и пен определяли с помощью ротационной реологии с разверткой частоты при контроле деформации с уровнем деформации в пределах линейной вязкоупругой области образцов, которую определяют по развертке амплитуды деформации, проведенной заранее с использованием аналогичного образца. В случае ротационных измерений фазу основного объема измеряли с использованием 60-миллиметровых параллельных пластин после пескоструйной обработки, а для пен использовали 60-миллиметровые пластины с насечкой, чтобы исключить проскальзывание.
2.5 Поверхностное натяжение
Для измерения статического поверхностного натяжения использовали способ пластин Вильгельми с применением тензиометра К100 производства Kruss GmbH (г.Гамбург, Германия).
2.6 Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ)
Микроструктуру агрегированных частиц сывороточного белка в пенах визуализировали при 20°C с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа Leica TCS SPE (г. Гейдельберг, Германия) с лазером, работающим на длине волны 532 нм. Изображения получены при увеличении 10х. Частицы геля WPI окрашивали родамином В (0,01% мае), который вносили до стадии желирования.
3 Результаты и описание
3.1 Свойства частиц геля изолята сывороточного белка
3.1.1 Размер частиц геля белка
Было показано, что агрегаты белка, созданные при рН 7 и выше, имеют волокнистую форму, тогда как агрегаты, полученные при более низком рН, ближе к изоэлектрической точке (приблизительно 4,9 для сыворотки) имеют более компактную сферическую форму 15. Кроме того, доступные сульфгидрильные группы более активны при рН 7, тогда как при рН 8 они могут легко образовывать дисульфидные связи, возможно, вследствие окисления тиольной группы 16. Этим может объясняться тот факт, что термически индуцированные гели сывороточного белка демонстрируют более высокие значения модуля эластичности в температурном диапазоне (20-80°C) при значениях рН 7 и 8 (данные не показаны). Следовательно, гели сывороточного белка получили способом, описанным для трех различных условий рН: близко к изоэлектрической точке сывороточного белка (рН 5,0), при нейтральном значении (рН 7,0) и при слабощелочном значении (рН 8,0). При рН 5 полученный гель был хрупким и имел белый цвет, тогда как гели, полученные при рН 7 и 8, были прозрачными и эластичными, как описано в литературе 17. Гели в состоянии покоя высушивали посредством сублимации и размалывали в аналогичных условиях. Проводили анализ размера частиц полученных порошков после диспергирования в воде (фиг. 1). Высушенные гели, полученные при рН 5, позволяли получить частицы меньшего размера (D4,3=16,58 мкм), что, возможно, связано с тем, что они более хрупкие, тогда как гели при рН 7 и 8 позволяли получить более крупные частицы (D4,3=259 мкм и 193 мкм соответственно).
На фиг. 1 показан гранулометрический состав частиц, полученных при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (треугольники).
3.1.2 Межфазное натяжение
Также оценивали воздействие частиц геля на снижение поверхностного натяжения после суспендирования в воде и сравнивали с воздействием WPI. Результаты показывают, что, как и ожидалось, воздействие снижения поверхностного натяжения было больше для белков WPI, не проходивших тепловую обработку (фиг. 2d). Растворы, содержащие частицы, полученные при рН 5, также имели значения поверхностного натяжения (фиг. 2а), аналогичные значениям необработанных WPI, что, возможно, связано с тем, что после желирования при данном рН по-прежнему остаются значительные количества неагрегированных белков. Суспензии, содержащие частицы, полученные при рН 7 и 8, демонстрируют аналогичные значения поверхностного натяжения, которые превышают значения для контрольного образца и суспензий частиц, желированных при рН 5 (фиг. 2b и с). Кроме того, суспензии частиц при рН 7 и 8 демонстрируют более сильную зависимость от концентрации, при этом для концентрации 3% наблюдается меньшее поверхностное натяжение, чем для 1% и 5%, что представляется парадоксальным.
На фиг. 2 представлены кривые зависимости от времени поверхностного натяжения суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (а), рН 7 (b), рН 8 (с), и неизмененных растворов WPI (d) в концентрациях 1% (черные кружки), 3% (белые кружки) и 5% (треугольники).
3.2 Реологические свойства
3.2.1 Реологические свойства основного объема суспензий
Три образца разных агрегированных частиц сывороточного белка диспергировали в дистиллированной воде в трех разных концентрациях (1%, 3% и 5% мас). Свойства суспензий оценивали по вязкости и реологическим свойствам, чтобы получить представление о воздействии этих частиц на механические свойства в условиях существования их суспензий в воде и понаблюдать, как оно может повлиять на их функциональные свойства в процессе вспенивания.
На фиг. 3 представлены кривые текучести суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (а), рН 7 (b), рН 8 (с), и неизмененных растворов WPI (d) в концентрациях 1% (черные кружки), 3% (белые кружки) и 5% (треугольники).
Кривые текучести, построенные при изменениях скорости сдвига, указывают на разжижение после сдвига частиц геля, созданных при рН 5, и это свидетельствует о наличии агрегатов, которые разрушаются при более высоких значениях сдвига, снижая вязкость (фиг. 3а). Частицы геля, полученные при рН 7 и рН 8, демонстрируют практически ньютоновское поведение в пределах исследуемого диапазона скоростей сдвига и аналогичные значения параметров. Для этих двух образцов наблюдается четкое различие в 3 концентрациях, особенно для более высоких значений скорости сдвига. Суспензии частиц геля при рН 7 и рН 8 также обладают значительно большей вязкостью по сравнению с суспензией неизмененного белка при концентрации 5%.
Это объясняется различиями в размере частиц. WPI и частицы геля, полученные при рН 5, значительно меньше частиц геля, полученных при рН 7 и 8, и, следовательно, их суспензии в меньшей степени сопротивляются потоку, что отражается в регистрируемых значениях вязкости.
Воздействие 3 разных частиц геля на свойства основного объема суспензий после разведения также оценивали по модулям накопления и потерь. Выполненная развертка по частоте в пределах линейной вязкоупругой области для всех образцов не показала значимого различия между суспензиями агрегированных частиц сывороточного белка, полученными при трех разных значениях рН, и контрольным образцом. На фиг. 4 для простоты сравнения представлен модуль эластичности для всех образцов при 1 Гц. Воздействие размера и природы суспензий разных частиц, по-видимому, не оказывает значительного воздействия на реологические свойства основного объема суспензий.
3.2.2 Реологические свойства пен
Реологические свойства пен, созданных с помощью различных агрегированных частиц сывороточного белка, оценивали по вязкости сдвига и ротационной реологии. Пены, стабилизированные тремя различными суспензиями частиц сывороточного белка, и WPI (контрольный образец) получали путем механического взбивания в одинаковых условиях.
-1
Все пены демонстрировали разжижение после сдвига, что можно объяснить разрушением структуры пузырьков под действием сдвига (данные не показаны). В случае вязкости для простоты сравнения ее значения при 0,25 с представлены на фиг. 5. Вязкость пен, полученных с суспензиями частиц геля, полученными при рН 8, была выше, чем у остальных образцов. Выраженной зависимости от концентрации не наблюдалось. При концентрации 5% пены, стабилизированные частицами геля, желированного при рН 7, обладали в равной степени высокими значениями, что и при рН 8, но демонстрировали рост при повышении концентрации. Наконец, пены, стабилизированные частицами геля, полученного при рН 5, и WPI, демонстрировали наименьшие значения вязкости при всех концентрациях. Следовательно, представляется, что частицы геля, полученные при рН 7, а в еще большей степени полученные при рН 8, способны создавать пены, более устойчивые к деформации, чем пены, стабилизированные частицами геля, полученными при рН 5, и неизменным WPI.
-1
На фиг. 5 представлена вязкость пен при 0,25 с, стабилизированных частицами геля, полученными при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (черный треугольник), и WPI (белый треугольник) в трех различных концентрациях.
3.3 Конфокальная лазерная микроскопия
Подтверждение механизма повышения стабильности пены за счет разведенных частиц желированного сывороточного белка получили с помощью изображений конфокальной микроскопии, выполненных при окрашивании агрегированных частиц сывороточного белка с использованием родамина В. В соответствии с анализом размера частиц частицы, полученные при рН 5, имеют малые размеры и сферическую форму. По-видимому, они проявляют аффинность к границе раздела фаз «воздух-вода», на что указывает их наличие только на поверхности воздушных пузырьков. В случае агрегированных частиц сывороточного белка, полученных при рН 7 и 8, частицы имеют больший размер и неправильную форму. В этом случае также отмечается аффинность к границе раздела фаз «воздух-вода», и частицы, по-видимому, полностью блокируют границы плато между пузырьками. Данная компактная структура, вероятно, является основной причиной более высоких показателей частиц, полученных при рН 8, с точки зрения стабильности пены, поскольку обеспечивает уменьшение стекания и блокирует траекторию потока жидкости между пузырьками.
3.4 Стабильность пены
Стабильность пен, стабилизированных разведенными высушенными частицами, исследовали по времени полураспада пены. Объем пен, созданных при барботировании воздухом, контролировали во времени и регистрировали время, соответствующее уменьшению пены до половины ее первоначального объема. Результаты (фиг. 6) демонстрируют значительное повышение стабильности пен, стабилизированных частицами геля, созданными при рН 8. Повышение стабильности сильно коррелирует с повышением концентрации в пределах исследованного диапазона. Частицы геля, полученные при рН 5, также продемонстрировали умеренное, но выраженное повышение стабильности пены, которое не зависело от концентрации. Это означает, что условия получения гелей сывороточного белка оказывают сильное воздействие на функциональность полученных из них высушенных частиц при вспенивании.
На фиг. 6 представлен график стабильности пены, на котором показано время полураспада в минутах суспензий частиц геля, полученных при рН 5 (черные кружки), рН 7 (белые кружки) и рН 8 (черные треугольники), и неизмененных растворов WPI (белые треугольники) в различных концентрациях.
4. Выводы
Как показывают результаты исследования стабильности пены, водные суспензии разведенных агрегированных частиц сывороточного белка могут эффективно стабилизировать пены. На стабильность получаемых пен существенно влияют условия, при которых происходят тепловая денатурация и желирование сывороточных белков. Частицы, полученные из растворов сывороточного белка при рН 8 после желирования и дегидратации, будут оказывать большее воздействие на повышение стабильности создаваемых пен. Кроме того, пены, стабилизированные частицами геля, созданными при рН 8, демонстрируют более высокую вязкость, чем при более низких рН, что предполагает более высокую устойчивость этих пен к текучести. Как показано на микрофотографиях, эти пены имеют тенденцию выстраиваться на границе раздела фаз «воздух-вода» и создавать физические барьеры, которые наряду с электростатическим отталкиванием, а также за счет потенциальной способности связывать воду могут существенно уменьшать воздействие факторов, вызывающих нестабильность пены.
Хотя в обоих случаях частицы геля, созданные при рН 7 и 8, после разведения в воде обладают аналогичной способностью повышать вязкость, они не оказывают какого-либо выраженного воздействия на механические свойства основного объема раствора, определяемые модулями накопления или потерь. Более того, хотя эти два разных состава (рН 7 и 8) по размеру частиц, поверхностному натяжению и реологическим свойствам в основном объеме суспензий аналогичны, при вспенивании они демонстрируют разные показатели. Причину этого эффекта необходимо исследовать дополнительно для получения полного представления о механизме, посредством которого частицы геля при рН 8 стабилизируют жидкие пены.
Наконец, частицы, созданные при желировании вблизи изоэлектрической точки сывороточных белков при рН 5, демонстрируют аналогичные воздействия с точки зрения реологических и межфазных свойств, что и суспензии изолята сывороточного белка, возможно, по причине их небольшого размера и отсутствия электростатического заряда. Они в большей степени участвовали в стабилизации пены, чем контрольный образец, но все же существенно меньше, чем частицы, полученные при рН 7, и этот эффект был еще более выраженным при рН 8.
Пример 2
Вспененное молоко получали с использованием агрегата сывороточного белка в соответствии с изобретением, полученного из различных источников сыворотки. Стабильность пены такого вспененного молока сравнивали с эталоном, состоящим из такого же вспененного молока, но без агрегатов сывороточного белка в соответствии с изобретением.
Получение агрегированных частиц сывороточного белка
Источник сыворотки (см. таблицу 1 ниже) диспергировали в дважды дистиллированной воде и оставляли перемешиваться для гидратации в течение 1 ч с образованием водного раствора белка. Затем рН растворов доводили до рН 8 с помощью 5 М NaOH или 5 М HCl. После этого раствор белка нагревали и проводили желирование в водяной бане при 80°C в течение 30 минут. После стадии нагревания гели охлаждали в лотках и затем замораживали при -20°C в течение 24 ч. Затем проводили сублимационную сушку замороженных гелей с помощью настольной сублимационной сушилки Scanvac модели 110-4 (г. Копенгаген, Дания), доведя образцы до комнатной температуры. Наконец, высушенные гели размалывали в шаровой мельнице в течение 2 часов.
Получение вспененного молока и измерение распада пены
Частицы, полученные так, как описано выше, в количестве 1 г суспендировали в 99 г охлажденного ультрапастеризованного (UHT) молока (молоко марки Emmi, приобретенное в супермаркете в Швейцарии) при перемешивании магнитной мешалкой в течение 5 минут. Затем молоко вспенивали с помощью молоковзбивателя Nescafe. После этого вспененное молоко выливали в мерный цилиндр объемом 250 мл.
Эталонный образец получали путем вспенивания ультрапастеризованного молока без добавления агрегированных частиц сыворотки с использованием той же технологии вспенивания.
Для каждого образца высоту пены измеряли через 30 секунд после переливания в цилиндр. Затем эту высоту использовали в качестве базового значения для измерения распада пены. После этого измеряли высоту пены и высоту жидкой фазы под пеной через 1, 3, 5, 10, 20, 60 и 120 минут соответственно.
Результаты представлены на диаграмме на фиг. 8. Через 1 час распад пены был существенно меньше для всех тестовых образцов А-С по сравнению с эталонным образцом. Данный эффект наблюдали для всех образцов, что демонстрирует эффект стабилизации пены для агрегированных частиц сыворотки в соответствии с изобретением, полученных из различных источников сыворотки. Через 120 минут эффект стабилизации был еще более выраженным.
Пример 3
Вспененное молоко получали с использованием агрегата сывороточного белка в соответствии с изобретением по способам с различными вариантами стадии размалывания, таким образом изменяя размер частиц агрегатов сывороточного белка. Стабильность пены такого вспененного молока сравнивали с эталоном, состоящим из такого же вспененного молока, но без агрегатов сывороточного белка в соответствии с изобретением.
Получение агрегированных частиц сывороточного белка
Изолят сывороточного белка (BiPRO, приобретенный в компании Davisco Foods International Inc. (г. Ле-Сур, штат Миннесота, США)) диспергировали в водных растворах с концентрацией белка 12% мае. в дважды дистиллированной воде и оставляли перемешиваться для гидратации в течение 1 ч с образованием водного раствора белка. Затем рН растворов доводили до рН 8 с помощью 5 М NaOH или 5 М HCl. После этого раствор белка нагревали и проводили желирование в водяной бане при 80°C в течение 30 минут. После стадии нагревания гели охлаждали в лотках и затем замораживали при -20°C в течение 24 ч. Затем проводили сублимационную сушку замороженных гелей с помощью настольной сублимационной сушилки Scanvac модели 110-4 (г. Копенгаген, Дания), доведя образцы до комнатной температуры. Наконец, высушенные гели измельчали способами размалывания, приведенными в таблице 2.
Получение вспененного молока и измерение распада пены

Частицы, полученные так, как описано выше, в количестве 2 г суспендировали в 198 г 9,3% раствора сухого обезжиренного молока в воде при комнатной температуре при перемешивании магнитной мешалкой в течение 5 минут. Затем молоко вспенивали с помощью кухонного миксера Thermomix в течение 2 минут на уровне 3-4 с пластиковой насадкой и при вращении против часовой стрелки.
Эталонный образец получали путем вспенивания того же разведенного сухого обезжиренного молока без добавления агрегированных частиц сыворотки с использованием той же технологии вспенивания.
Для каждого образца высоту пены измеряли через 30 секунд после переливания в цилиндр. Затем эту высоту использовали в качестве базового значения для измерения распада пены. После этого измеряли высоту пены и высоту жидкой фазы под пеной через 1, 3, 5, 10, 20, 60 и 120 минут соответственно.
Результаты представлены на диаграмме на фиг. 9. Через 1 час распад пены был существенно меньше для всех тестовых образцов D-G по сравнению с эталонным образцом. Данный эффект наблюдали для всех образцов, что демонстрирует наличие эффекта стабилизации пены у агрегированных частиц сыворотки в соответствии с изобретением, полученного для разных частиц с различными размерами более 5 мкм. Результаты также указывают на возможность использования различных способов размалывания с сохранением эффекта стабилизации пены. Через 120 мин эффект стабилизации был еще более выраженным.