ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКОВОГО ПРОДУКТА ИЗ БОБОВЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСТРАКЦИИ ХЛОРИДОМ КАЛЬЦИЯ ("YP702")
PRODUCTION OF PROTEIN PRODUCT FROM LEGUMES USING CALCIUM CHLORIDE ("YP702") EXTRACTION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к получению белковых продуктов из бобовых культур.
Уровень техники
В заявках на патент США №№13/103,528, поданной 9 мая 2011 г. (публикация патента США №2011-0274797 от 10 ноября 2011 г.), 13/289,264, поданной 4 ноября 2011 г.(публикация патента США №2012-0135117 от 31 мая 2012 г.), 13/556,357 поданной 24 июля 2012 г.(публикация патента США №2013-0189408 от 25 июля 2013 г.) и 13/642,003, поданной 7 января 2013 г.), права на которые переуступлены патентообладателю данного изобретения и описание которых включается в настоящий документ путем отсылки, описывается получение белковых продуктов из бобовых, содержащих белок в количестве по меньшей мере около 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, предпочтительно по меньшей мере около 90% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, более предпочтительно по меньшей мере около 100% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, полностью растворимых при низких значениях pH с образованием термостабильных растворов, предпочтительно прозрачных, которые можно использовать для обогащения (фортификации) белком напитков, в частности безалкогольных прохладительных и спортивных напитков, а также других водных систем, без осаждения белка.
Белковый продукт из бобовых (pulse protein), описанный в настоящем документе, обладает уникальным сочетанием свойств, отсутствующим у других белковых продуктов из бобовых. Этот продукт полностью растворим в кислой среде (pH меньше около 4,4) и термостабилен в этой области pH, что позволяет проводить тепловую обработку водных растворов продуктов. При полной растворимости продукта по данному изобретению нет необходимости в стабилизирующих агентах или иных агентах, добавляемых для удержания белка в растворенном состоянии или в виде дисперсии.
В одном из аспектов данного изобретения белковый продукт из бобовых получают способом, включающим:
(а) экстрагирование источника белка бобовых с использованием водного раствора соли кальция, предпочтительно водного раствора хлорида кальция, для солюбилизации белка бобовых (перехода его из материала источника в раствор) и образования водного раствора белка бобовых;
(b) отделение водного раствора белка бобовых от остального материала источника белка бобовых;
(c) необязательное разбавление водного раствора белка бобовых;
(d) доведение pH водного раствора белка бобовых до значения от около 1,5 до около 4,4, предпочтительно от около 2 до около 4, для получения подкисленного раствора белка бобовых;
(e) необязательное осветление подкисленного раствора белка бобовых, если он еще не прозрачный;
(f) необязательное концентрирование водного раствора белка бобовых с использованием селективной мембраны при поддержании в основном постоянной ионной силы раствора;
(g) необязательную диафильтрацию необязательно сконцентрированного раствора белка бобовых и
(h) необязательное высушивание необязательно сконцентрированного и необязательно подвергнутого диафильтрации раствора белка бобовых.
Белковый продукт из бобовых по данному изобретению предпочтительно является изолятом с содержанием белка по меньшей мере около 90% (масса/масса), предпочтительно по меньшей мере около 100% (масса/масса).
Раскрытие изобретения
Обнаружено, что полученные с использованием хлорида кальция экстракты источников белка бобовых можно подвергнуть такой обработке, что получаются в основном равноценные белковые продукты из бобовых с содержанием белка по меньшей мере около 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, растворимых при низких pH и образующих растворы, предпочтительно прозрачные, которые термостабильны при низких значениях pH и потому могут использоваться для обогащения белком напитков, в частности безалкогольных прохладительных и спортивных напитков, а также других водных систем без осаждения белка. Белковый продукт из бобовых по данному изобретению предпочтительно является изолятом с содержанием белка по меньшей мере около 90% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, предпочтительно по меньшей мере около 100% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес.
В одном и аспектов данного изобретения материал источника белка бобовых экстрагируют водным раствором хлорида кальция при естественном pH и полученный водный раствор белка бобовых при необходимости подвергают ультрафильтрации и при необходимости диафильтрации, получая необязательно сконцентрированный и необязательно диафильтрованный раствор белка бобовых, который можно высушить и получить таким образом белковый продукт из бобовых.
По одному из аспектов данного изобретения предлагается способ получения белкового продукта из бобовых с содержанием белка бобовых по меньшей мере 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, включающий:
(a) экстрагирование источника белка бобовых с использованием водного раствора соли кальция, предпочтительно водного раствора хлорида кальция, для солюбилизации белка бобовых (перехода его из материала источника в раствор) и образования водного раствора белка бобовых;
(b) отделение водного раствора белка бобовых от остального материала источника белка бобовых;
(c) необязательное концентрирование водного раствора белка бобовых с использованием селективной мембраны при поддержании в основном постоянной ионной силы раствора;
(d) необязательную диафильтрацию необязательно сконцентрированного раствора белка бобовых и
(e) необязательное высушивание необязательно сконцентрированного и необязательно подвергнутого диафильтрации раствора белка бобовых.
Белковый продукт из бобовых по данному изобретению предпочтительно является изолятом с содержанием белка по меньшей мере около 90% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес), предпочтительно по меньшей мере около 100% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес.
В одном из вариантов описанного выше процесса возможно доведение pH белкового раствора до значения от около 6 до около 8 непосредственно перед необязательным этапом высушивания. Это подведение pH способствует использованию продукта по данному изобретению для пищевых применений, при которых pH близок к нейтральному.
По еще одному аспекту данного изобретения предлагается способ получения белкового продукта из бобовых с содержанием белка бобовых по меньшей мере около 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, включающий:
(a) экстрагирование источника белка бобовых с использованием водного раствора соли кальция, предпочтительно водного раствора хлорида кальция, для солюбилизации белка бобовых (перехода его из материала источника в раствор) и образования водного раствора белка бобовых;
(b) отделение водного раствора белка бобовых от остального материала источника белка бобовых;
(c) необязательно концентрирование водного раствора белка бобовых с использованием селективной мембраны при поддержании в основном постоянной ионной силы раствора;
(d) необязательную диафильтрацию необязательно сконцентрированного раствора белка бобовых;
(e) доведение pH необязательно сконцентрированного и необязательно подвергнутого диафильтрации раствора белка бобовых до значения от около 6 до около 8, и
(f) необязательное высушивание полученного раствора.
Или же доводят pH частично или полностью сконцентрированного и необязательно подвергнутого диафильтрации раствора белка бобовых до значения от около 1,5 до около 4,4, предпочтительно от около 2, 0 до около 4,0. Подкисленный раствор белка бобовых можно подвергнуть тепловой обработке для инактивации термолабильных антипитательных (снижающих питательную ценность продукта) факторов, например ингибиторов трипсина.
По другому аспекту данного изобретения предлагается способ получения белкового продукта из бобовых с содержанием белка бобовых по меньшей мере около 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, включающий:
(a) экстрагирование источника белка бобовых с использованием водного раствора соли кальция, предпочтительно водного раствора хлорида кальция, для солюбилизации белка бобовых (перехода его из материала источника в раствор) и образования водного раствора белка бобовых;
(b) отделение водного раствора белка бобовых от остального материала источника белка бобовых;
(c) необязательное концентрирование водного раствора белка бобовых с использованием селективной мембраны при поддержании в основном постоянной ионной силы раствора;
(d) доведение pH необязательно сконцентрированного частично или полностью раствора белка бобовых до значения от около 1,5 до около 4,4, предпочтительно от около 2,0 до около 4,0, и
(e) необязательное высушивание полученного раствора.
Применение способов по данному изобретению позволяет получать белковый продукт из бобовых в форме с естественным pH. При получении белкового продукта из бобовых без этапа подведения pH процесс обработки становится легче, безопаснее и экономичнее, поскольку отпадает необходимость в кислотах или щелочах и манипуляциях с ними. Кроме того, такой процесс дает возможность при составлении напитка использовать для подкисления белка и напитка закисляющий агент по своему выбору с учетом того, что сила разных кислот и профиль возникающего запаха различны.
Поскольку данное изобретение относится главным образом к получению изолятов белка бобовых, предполагается, что можно получать из бобовых белковые продукты меньшей чистоты, сходные по свойствам с изолятами белка бобовых по данному изобретению. В таких менее чистых продуктах концентрация белка может составлять по меньшей мере около 60% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес.
Новые бежовые продукты из бобовых по данному изобретению можно смешивать с порошками для приготовления напитков и, растворяя их в воде, получать безалкогольные прохладительные или спортивные напитки. Такая смесь может служить порошковым напитком.
Белковые продукты из бобовых, предлагаемые в настоящем документе, могут быть представлены в виде водных растворов. Такие растворы предпочтительно прозрачные и термостабильные при pH ниже около 4,4.
В другом аспекте данного изобретения предлагается водный раствор продукта из бобовых, описанного в настоящем документе, термостабильный при низких pH. Этот водный раствор может быть безалкогольным напитком, который может представлять собой прозрачную жидкость, в которой белковый продукт из бобовых полностью растворен и прозрачен, или же непрозрачную жидкость, например матовую, мутную или опалесцирующую, в которой белковый продукт из бобовых увеличивает или не увеличивает мутность.
Белковые продукты из бобовых, полученные способами, описанными в настоящем документе, пригодны не только для обогащения белками кислой среды - они могут использоваться в широком спектре применений белковых изолятов, включая (но не ограничиваясь перечисленным здесь) обогащение белками прошедших технологическую обработку пищевых продуктов и напитков, эмульгирование жиров, формования корпуса выпечки и вспенивания в продуктах с газовыми включениями. Кроме того, белковый продукт из бобовых может быть сформован в виде волокон, которые можно использовать в продуктах, имитирующих мясо, а также как заменитель яичного белка или наполнитель в пищевых продуктах, в которых связующим служит яичный белок. Белковый продукт из бобовых по данному изобретению может использоваться как пищевая добавка. Белковый продукт из бобовых по данному изобретению может использоваться также в имитациях или заменителях молочных продуктов или продуктов из молочно-бобовых смесей. Белковый продукт из бобовых по данному изобретению может использоваться также в кормах для домашних животных, в промышленности, при производстве косметики и предметов личной гигиены.
Осуществление изобретения
Начальный этап способа получения белковых продуктов из бобовых включает солюбилизацию белка бобовых из его источника. Бобовые растения, к которым можно применять способ по данному изобретению, включают чечевицу, нут, сушеные бобы и сушеный горох. Источником белка бобовых может быть бобовое растение или его плоды или любой продукт из бобовых растений или их плодов или побочный продукт переработки бобовых растений или их плодов. Например, источником белка бобовых может служить мука, полученная путем размола плодов бобовых, например лущеных плодов бобовых. Другой пример источника белка бобовых - богатая белком фракция, полученная в результате лущения и размола плодов бобовых и последующего разделения путем воздушной сепарации на фракцию, богатую крахмалом, и фракцию, богатую белком. Белковый продукт из бобовых, выделенный из источника белка бобовых, может представлять собой нативный белок, от природы содержащийся в бобовых растениях, или же белок, модифицированный генетическим путем, но обладающий специфическими свойствами гидрофобности и полярности, присущими природному белку.
Солюбилизацию белка из материала источника белка бобовых наиболее удобно осуществлять, используя раствор хлорида кальция со степенью чистоты, допустимой для производства пищевых продуктов; можно использовать также растворы других солей кальция. Если белковый продукт из бобовых предназначен для не пищевого использования, можно брать химические реактивы со степенью чистоты, не ограниченной пищевыми применениями. Кроме того, можно использовать соли других щелочноземельных металлов, например магния. Также экстракцию белка бобовых из его источника можно осуществлять, используя раствор какой-либо соли кальция в сочетании с другим солевым раствором, например с раствором хлорида натрия. Также экстракцию белка бобовых из его источника можно осуществлять, используя воду или иные солевые растворы, например раствор хлорида натрия; при этом к водному раствору белка бобовых, полученному на этапе экстракции, прибавляется затем соль кальция, например хлорид кальция, после чего осадок, образовавшийся в результате прибавления соли кальция, отделяют до дальнейшей обработки.
По мере увеличения концентрации соли кальция степень солюбилизации белка бобовых из его источника вначале возрастает, но в какой-то момент достигает максимума. Дальнейшее повышение концентрации соли не приводит к увеличению общего количества солюбилизированного белка. Концентрация соли кальция, при которой достигается максимальная солюбилизация белка, может быть разной в зависимости от того, какая соль кальция используется. Предпочтительно, чтобы концентрация соли не превышала около 1,0 М, более предпочтительны значения концентрации от около 0,10 M до около 0,15 М.
При серийном производстве высаливание белка осуществляется при температуре от около 1°C до около 100°C, предпочтительно от около 15°C до около 65°C, более предпочтительно от около 20° до около 35°C, предпочтительно при перемешивании для того, чтобы сократить продолжительность солюбилизации, которая обычно занимает от около 1 до около 60 минут. Предпочтительно проводить солюбилизацию так, чтобы экстрагировать максимальное практически возможное количество белка бобовых из его источника, обеспечивая в итоге высокий выход продукта.
При непрерывном производстве экстракция белка бобовых из его источника осуществляется любым способом, обеспечивающим непрерывное экстрагирование белка бобовых из его источника. В одном из воплощений данного изобретения источник белка бобовых непрерывно смешивают с раствором хлорида кальция, и эта смесь оттекает по трубе или шлангу такой длины и с такой скоростью, чтобы время пребывания там было достаточным для осуществления желаемой экстракции соответственно описанным в настоящем документе показателям. В таком непрерывном процессе этап высаливания белка осуществляется за время от около 1 минуты до около 60 минут; предпочтительно проводить этап солюбилизации так, чтобы экстрагировать максимальное практически возможное количество белка бобовых. При непрерывном производстве солюбилизация осуществляется при температуре от около 1°C до около 100°C, предпочтительно от около 15°C до около 65°C, более предпочтительно от около 20° до около 35°C.
Экстракция по данному изобретению обычно проводится при pH от около 4,5 до около 11, предпочтительно от около 5 до около 7. На этапе экстрагирования pH в системе экстракции (источник белка бобовых и раствор соли кальция) при необходимости можно довести до любого желаемого значения в диапазоне от около 4,5 до около 11 с помощью любой подходящей кислоты (обычно используется соляная кислота) или щелочи (обычно используется едкий натр), добавляемых по мере надобности.
На этапе солюбилизации концентрация источника белка бобовых в растворе соли кальция может варьировать в широких пределах. Обычно концентрация источника белка бобовых в растворе соли кальция составляет от около 5 до около 15% (масса/объем).
В получаемом в результате этапа экстрагирования растворе белка концентрация последнего составляет обычно от около 5 до около 50 г/л, предпочтительно от около 10 до около 50 г/л.
В результате этапа экстрагирования белка с использованием водного солевого раствора также солюбилизируются жиры, которые могут присутствовать в источнике белка бобовых, что приводит к наличию жиров в водной фазе.
Водный раствор соли кальция по данному изобретению может содержать антиоксидант. В качестве такового можно брать любой подходящий агент со свойствами антиоксиданта, например сульфит натрия или аскорбиновую кислоту. Используемое количество антиоксиданта может варьировать от около 0,01% до около 1% (масса/масса) солевого раствора, предпочтительно составляя 0,05% (масса/масса). Антиоксидант служит для подавления окисления фенольных соединений в белковом растворе.
Водную фазу, получаемую в результате этапа экстрагирования, далее можно отделить от остального материала источника белка бобовых любым подходящим способом, например с помощью осадительной центрифуги с последующими центробежной сепарацией и/или фильтрацией. Этот этап отделения можно проводить при любой температуре в диапазоне от от около 1° до около 100°C, предпочтительно от около 15° до около 65°C, более предпочтительно от около 50° до около 60°C. Отделенный остальной материал источника белка бобовых можно высушить для хранения или дальнейшей переработки, например выделения крахмала и/или оставшегося белка. Оставшийся белок можно выделить путем повторного экстрагирования отделенного материала источника белка бобовых новым раствором соли кальция и полученный белковый раствор после его осветления объединяют с первым белковым раствором для дальнейшей обработки, описанной ниже. Или же отделенный материал источника белка бобовых подвергают стандартной процедуре изоэлектрического осаждения или любой другой обычно применяемой для выделения оставшегося белка процедуре.
Водный раствор белка бобовых можно обработать противопенным агентом (например, любым не силиконовым пеногасителем, пригодным для использования применительно к пищевым продуктам), чтобы уменьшить объем пены, образующейся в результате дальнейшей переработки. Количество пеногасителя по данному изобретению обычно больше чем около 0,0003% (масса/объем). Или же пеногаситель в указанном количестве можно добавлять на этапе экстрагирования.
Необязательно отделенный водный раствор белка бобовых может быть подвергнут обезжиривающей обработке, как описано в патентах США №№5,844,086 и 6,005,076, права на которые переуступлены патентообладателю данного изобретения и описание которых включается в настоящий документ путем отсылки. Или же обезжиривание отделенного водного раствора белка бобовых можно осуществлять любым другим подходящим способом.
Водный раствор белка бобовых можно обработать адсорбентом (например, активированным углем в форме порошка или гранул) для удаления соединений, обусловливающих цвет и/или запах. Обработку адсорбентом можно осуществлять в любых подходящих условиях; обычно это делается при температуре окружающей среды, в которой находится отделенный водный раствор белка бобовых. Порошок активированного угля берут в количестве от около 0,025% до около 5% (масса/объем), предпочтительно от около 0,05% до около 2% (масса/объем). Адсорбирующий агент можно удалить из раствора белка бобовых любым подходящим способом, например путем фильтрования.
Если полученный водный раствор белка бобовых обладает надлежащей чистотой, его можно непосредственно высушить и таким образом получить белковый продукт из бобовых. Чтобы снизить содержание примесей, водный раствор белка бобовых можно до высушивания подвергнуть соответствующей обработке.
Для повышения концентрации белка водный раствор белка бобовых можно сконцентрировать; при этом ионная сила раствора поддерживается в основном постоянной. В результате концентрирования обычно получается концентрированный водный раствор белка бобовых, содержащий от около 50 г/л до около 400 г/л белка, предпочтительно от около 100 г/л до около 250 г/л белка.
Этап концентрирования можно осуществлять любым подходящим способом, соответствующим характеру производства - серийному либо непрерывному. Например, можно применять любой подходящий метод с использованием селективных мембран ультрафильтрацию или диафильтрацию с половолоконными или спиральными мембранами, характеризующимися отсечением по молекулярной массе (MWCO) от около 1000 до около 100000 дальтон, предпочтительно от около 1000 до около 100000 дальтон, в зависимости от материала и конфигурации мембраны. В случае непрерывного процесса размеры пор мембраны должны быть такими, чтобы обеспечить желаемое концентрировании в ходе протекания водного раствора белка бобовых через мембрану.
Как известно, при ультрафильтрации и подобных методах с использованием селективных мембран через них проходят молекулы с массой ниже порога отсечения и задерживаются вещества с более высокой молекулярной массой. В случае водного раствора белка бобовых молекулы с относительно низкой массой включают не только ионы использовавшейся соли со степенью чистоты, пригодной для пищевых продуктов, но также относительно низкомолекулярные соединения, экстрагированные из материала источника белка бобовых, например углеводы, пигменты, небольшие белки и такие антипитательные факторы, как ингибиторы трипсина, которые тоже представляют собой белки с малой молекулярной массой. MWCO мембраны обычно выбирают так, чтобы гарантировать задержку значительной доли находящегося в растворе белка и в то же время пропускание примесей, в зависимости от материала и конфигурации мембраны.
Затем концентрированный раствор белка бобовых можно подвергнуть этапу диафильтрации с использованием раствора соли кальция, например раствор хлорида кальция, при тех же значениях pH и концентрации соли кальция, что и при экстрагировании. Если нужно снизить концентрацию соли в концентрате (ретентате) белка бобовых, то для диафильтрации берут водный раствор соли кальция с тем же pH, что и для экстрагирования, но с более низкой концентрацией соли. Однако концентрация соли в растворе для диафильтрации должна быть такой, чтобы в концентрате (ретентате) содержание соли оставалось достаточным для обеспечения растворенного состояния белка. Как уже говорилось, pH раствора для диафильтрации предпочтительно такой же, как раствора белка, подлежащего диафильтрации. Чтобы подвести pH раствора для диафильтрации, используют любую подходящую кислоту, например соляную или фосфорную, либо щелочь, например едкий натр. При диафильтрации по данному изобретению берут от около 1 до около 40 объемов раствора для диафильтрации, предпочтительно от около 2 до около 25 объемов раствора для диафильтрации. В результате этапа диафильтрации из водного раствора белка бобовых удаляется еще больше примесей, которые проходят через мембрану и оказываются в фильтрате (пермеате). Процедуру диафильтрации проводят до тех пор, пока фильтрат (пермеат) более не содержит значительного количества примесей или более не имеет заметного цвета, или до тех пор, пока концентрат (ретентат) белка бобовых не станет чистым до такой степени, что, будучи высушен, он даст белковый продукт бобовых с желаемым содержанием белка - предпочтительно изолят должен содержать по меньшей мере около 90% (масса/масса) белка бобовых в расчете на сухую массу. Для диафильтрации по данному изобретению используют ту же мембрану, что и на этапе концентрирования. Но, если требуется, для этапа диафильтрации можно брать отдельную мембрану с иным MWCO, например в диапазоне от около 1000 до около 100000 дальтон, предпочтительно от около 1000 до около 100000 дальтон, в зависимости от материала и конфигурации мембраны.
Описанный выше этап диафильтрации может предшествовать концентрированию водного раствора белка бобовых или же его можно проводить с частично сконцентрированным водным раствором белка бобовых. Когда диафильтрация предшествует концентрированию или осуществляется применительно к частично сконцентрированному белковому раствору, получаемый в результате диафильтрации раствор можно дополнительно сконцентрировать.
Этапы концентрирования и диафильтрации по данному изобретению проводят так, чтобы в белковом продукте из бобовых, получаемом далее в результате высушивания сконцентрированного и прошедшего диафильтрацию белкового раствора, содержание белка составляло менее чем около 90% (масса/масса; Ν×6,25) в расчете на сухой вес, например 60% (масса/масса; Ν×6.25) в расчете на сухой вес. Путем частичного концентрирования и/или частичной диафильтрации водного раствора белка бобовых удается только частично удалить примеси. Такой белковый раствор затем можно высушить, и получится белковый продукт из бобовых с более низкой степенью чистоты. Этот белковый продукт все еще растворим в кислой среде.
При диафильтрации в среде может присутствовать антиоксидант в течение по меньшей мере части этапа диафильтрации. В качестве антиоксиданта может служит любой подходящий агент такого рода, например сульфит натрия или аскорбиновая кислота. Количество антиоксиданта в среда при диафильтрации зависит от того, какие вещества для этого используются, и варьирует от около 0,01% до около 1% (масса/масса), предпочтительно составляя около 0,05% (масса/масса). Антиоксидант нужен для подавления окисления каких бы то ни было фенольных соединений, присутствующих в растворе белка бобовых.
Этапы концентрирования и диафильтрации, являющиеся необязательными, можно проводить при любой подходящей температуре (обычно в диапазоне от около 2°C до около 65°C, предпочтительно от около 50°C до около 60°C); продолжительность этих этапов должна быть такой, чтобы достигалась желаемая степень концентрирования или диафильтрации. Выбор температуры и других условий в некоторой степени зависит от оборудования, используемого при обработке раствора с помощью мембран, от желаемой концентрации белка в растворе и от эффективности удаления примесей, отходящих в фильтрат (пермеат).
В плодах бобовых растений содержатся ингибиторы трипсина, являющиеся антипитательными агентами. Уровень активности ингибиторов трипсина в белковом продукте из бобовых на конечной стадии его получения регулируется путем изменения различных переменных параметров процесса обработки белкового раствора.
Например, этапы концентрирования и/или диафильтрации могут осуществляться таким образом, чтобы способствовать удалению ингибиторов трипсина в составе фильтрата (пермеата) наряду с другими примесями. Удалению ингибиторов трипсина способствует использование мембран с более крупными порами, например с MWCO от около 30000 дальтон до около 1000000 дальтон; осуществление мембранного процесса при более высокой температуре, например в диапазоне от около 30°C до около 65°C, предпочтительно от около 50°C до около 60°C, и использование больших объемов среды для диафильтрации, например от около 10 до около 40 объемов.
Снизить активность ингибиторов трипсина можно путем обработки препаратов из бобовых восстанавливающими агентами, разрывающими или перестраивающими дисульфидные связи в молекулах ингибиторов трипсина. Пригодные для этого восстанавливающие агенты включают сульфит натрия, цистеин и N-ацетилцистеин.
Такие восстанавливающие агенты можно добавлять на разных стадиях процесса переработки источника белка бобовых. Например, восстанавливающий агент можно прибавлять вместе с материалом источника белка бобовых на этапе экстрагирования; к осветленному водному раствору белка бобовых после удаления оставшегося материала источника белка бобовых; к сконцентрированному белковому раствору перед диафильтрацией или после нее; или смешивать в сухом виде с высушенным белковым продуктом из бобовых. Добавление восстанавливающего агента может сочетаться с этапами мембранной обработки, описанной выше.
Если требуется сохранить активные ингибиторы трипсина в белковом растворе, то нужно для диафильтрации и/или концентрирования использовать мембраны с менее крупными порами, проводить обработку с применением мембран при более низкой температуре, использовать меньшие объемы среды для диафильтрации и не использовать восстанавливающие агенты.
Полученный в результате необязательных этапов концентрирования и диафильтрации белковый раствор может быть далее подвергнут обезжиривающей обработке, как описано в патентах США №№5,844,086 и 6,005,076. Или же обезжиривание необязательно сконцентрированного и необязательно диафильтрованного белкового раствора можно осуществлять любым другим подходящим способом.
Полученный в результате необязательных этапов концентрирования и диафильтрации водный раствор белка бобовых можно обработать адсорбентом (например, активированным углем в форме порошка или гранул) для удаления соединений, обусловливающих цвет и/или запах. Обработку адсорбентом можно осуществлять в любых подходящих условиях; обычно это делается при температуре окружающей среды, в которой находится водный раствор белка. Порошок активированного угля берут в количестве от около 0,025% до около 5% (масса/объем), предпочтительно от около 0,05% до около 2% (масса/объем). Адсорбирующий агент можно удалить из раствора белка бобовых любым подходящим способом, например путем фильтрования.
Сконцентрированный и подвергнутый диафильтрации раствор белка бобовых после обезжиривания и обработки адсорбентом (каждый из этих этапов - концентрирования, диафильтрации, обезжиривания и обработки адсорбентом не является обязательными) может быть также пастеризован для снижения микробной нагрузки. Пастеризацию по данному изобретению можно проводить в любых желаемых условиях. Как правило, необязательно сконцентрированный и необязательно диафильтрованный раствор белка бобовых нагревают до температуры от около 55°C до около 70°C, предпочтительно от около 60°C до около 65°C, в течение промежутка времени от 30 секунд до 60 минут, предпочтительно от около 10 мин до около 15 мин. Пастеризованный раствор белка бобовых затем охлаждают до температуры от около 15°C до около 35°C для последующего высушивания или дальнейшей обработки.
При желании необязательно сконцентрированный и необязательно диафильтрованный раствор белка бобовых можно дополнительно очистить для удаления оставшихся мелких частиц, например путем фильтрования.
Согласно одному из аспектов данного изобретения необязательно сконцентрированный и необязательно диафильтрованный водный раствор белка бобовых высушивают любым подходящим способом, например, путем сушки распылением или лиофилизации, получая таким образом белковый продукт из бобовых. В этом белковом продукте из бобовых содержание фитиновой кислоты низкое, обычно меньше чем около 1,5% (масса/масса) в расчете на сухой вес.
Согласно другому аспекту данного изобретения в необязательно сконцентрированном и необязательно диафильтрованном водном растворе белка бобовых доводят pH до значения в диапазоне от около 6,0 до около 8,0 путем прибавления любой подходящей щелочи (обычно используется едкий натр). Полученный белковый раствор с подведенным до нужного значения pH затем высушивают. Или же в частично либо полностью сконцентрированном и необязательно диафильтрованном растворе белка бобовых доводят pH до значения в диапазоне от около 1,5 до около 4,4, предпочтительно от около 2,0 до около 4,0. Доведение pH осуществляется любым удобным способом, например путем прибавления соляной или фосфорной кислоты. Далее полученный подкисленный раствор белка бобовых окончательно очищают, как говорилось выше, и затем высушивают. Или же подкисленный раствор белка бобовых подвергают тепловой обработке для инактивации термолабильных антипитательных факторов, например упомянутых выше ингибиторов трипсина. Такой этап нагревания дает ту дополнительную выгоду, что снижает микробную нагрузку. Как правило, указанный белковый раствор нагревают до температуры в диапазоне от около 70°C до около 160°C в течение промежутка времени от около 10 с до около 60 мин, предпочтительно при температуре от около 80°C до около 120°C в течение промежутка времени от около 10 с до около 5 мин, более предпочтительно при температуре в диапазоне от около 85°C до около 95°C в течение промежутка времени от около 30 с до около 5 мин. Подкисленный раствор белка бобовых, прошедший тепловую обработку, затем остужаю до температуры в диапазоне от около 2°C до около 65°C, предпочтительно от около 20° до около 35°C. Далее полученный подкисленный раствор белка бобовых, прошедший тепловую обработку, окончательно очищают, как говорилось выше, и затем высушивают.
Белковые продукты из бобовых, получаемые, как описано в настоящем документе, растворимы в кислой водной среде, благодаря чему эти продукты отлично подходят для включения в состав кислых безалкогольных напитков - как газированных, так и негазированных - для их обогащения белком. В таких напитках pH может варьировать в широких пределах - от 2,5 до 5,0. Для обогащения таких напитков белком в них можно добавлять предлагаемые в настоящем документе белковые продукты из бобовых в любом подходящем количестве, например из расчета по меньшей мере около 5 г белка бобовых на одну порцию напитка. Добавленный в напиток белковый продукт из бобовых растворяется в нем и остается в растворенном состоянии после тепловой обработки.
Белковый продукт из бобовых по данному изобретению можно смешивать с порошками, из которых готовят безалкогольные напитки, до разведения их водой.
В некоторых случаях для включения композиции по данному изобретению в состав безалкогольного напитка его рецептура должна быть изменена, если какие-то компоненты напитка могут вредно влиять на способность этой композиции оставаться в растворенном виде.
Белковые продукты из бобовых, получаемые, как описано в настоящем документе, можно использовать также в растворах с pH, близким к нейтральному, в диапазоне от около 6 до около 8. Такой водный раствор белкового продукта из бобовых может представлять собой безалкогольный напиток. Водный раствор белкового продукта из бобовых, приготовленный при pH, близком к нейтральному, можно использовать также в производстве для любых пищевых применений, для которых нужен белковый продукт в растворе с pH, близким к нейтральному, например в производстве аналогов или заменителей молочных продуктов из растительного сырья, например напитков типа молока из бобовых или замороженных десертов типа мороженого из бобовых, или продуктов типа молочных, содержащих смесь молочных и растительных ингредиентов.
Помимо упомянутых выше пищевых применений белковые продукты из бобовых, получаемые, как описано в настоящем документе, можно также использовать в различных других пищевых применениях, например в производстве питательных батончиков, мясных продуктов и выпечки.
Примеры
Пример 1
Этот пример иллюстрирует получение изолята горохового белка, включающее обработку с использованием мембран при нейтральном pH.
2
2
К 30 кг концентрата горохового белка, полученного в результате воздушной классификации муки, произведенной путем размола лущеного гороха, прибавляли 300 л раствора CaCl концентрацией 0,15 М при температуре 60°C и перемешивали в течение 30 мин, получая таким образом водный белковый раствор. Отделяли оставшийся концентрат горохового белка и полученный белковый раствор осветляли путем центрифугирования и фильтрации; в результате получали раствор с содержанием белка 3,14% (масса/масса). Профильтрованный белковый раствор концентрировали (объем сокращался с 225 л до 60 л), используя мембрану PES с отсечением по молекулярной массе 10,000 дальтон; концентрирование проводили при температуре около 51°C. Сконцентрированный белковый раствор подвергали диафильтрации с 600 л раствора CaСl (0,075М) при температуре около 59°C. Полученный в результате диафильтрованный сконцентрированный белковый раствор весил 61,64 кг, содержал 9,08% (масса/масса) белка, то есть выход составлял 79,2% (масса/масса) фильтрованного белкового раствора. Сконцентрированный диафильтрованный белковый раствор высушивали распылением и в результате получали продукт с содержанием белка 95,67% (масса/масса; N×6,25) в расчете на сухой вес. Этот продукт обозначили. YP03-L08-11А YP702.
Пример 2
Этот пример иллюстрирует цветовые характеристики изолята горохового белка, полученного способом по Примерам 1 и 8 (см. ниже) в растворе и в виде сухого порошка.
Получали раствор YP03-L08-11A YP702: в воде, очищенной путем обратного осмоса, растворяли столько белкового порошка, чтобы в 15 мл раствора содержалось 0,48 г белка. Цвет и прозрачность определяли с помощью спектрофотометра HunterLab ColorQuest ХЕ в режиме пропускания. Также определяли pH раствора с помощью pH-метра.
Результаты определения pH, цвета и прозрачности представлены в таблице 1.
Цвет сухого порошка также определяли с помощью спектрофотометра HunterLab ColorQuest ХЕ в режиме отражения. Полученные данные представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, цвет сухого порошка YP702 очень светлый.
Пример 3
Этот пример содержит оценку термостабильности изолята горохового белка, полученного способом по Примеру 1, в воде при pH 3.
Получали водный раствор YP03-L08-11A YP702 с концентрацией белка 2% (масса/объем) и доводили его pH до 3 с помощью разбавленной HCl. Определяли прозрачность этого белкового раствора путем измерения мутности с помощью спектрофотометра HunterLab ColorQuest ХЕ. Затем белковый раствор нагревали до 95°C, держали при этой температуре в течение 30 с, после чего немедленно остужали в воде со льдом до комнатной температуры. Определяли прозрачность белкового раствора, прошедшего такую тепловую обработку.
Данные о прозрачности указанного белкового раствора до и после нагревания представлены в таблице 3.
Таблица 3. Влияние тепловой обработки на прозрачность раствора YP03-L08-11A YР702 при pH3
Как видно из таблицы 3, тепловая обработка не ухудшает прозрачность образца. Наоборот, мутность образца после тепловой обработки уменьшалась.
Пример 4
Этот пример содержит оценку растворимости в воде изолята горохового белка, полученного способом по Примеру 1. О растворимости образца судили двояко - по растворимости белка (в настоящем документе этот метод назван «определение растворимости по белку»; он является модифицированным вариантом методики, описанной в работе Morr et al., J. Food Sci. 50: 1715-1718) и по растворимости всего продукта в целом (в настоящем документе этот способ назван «определение растворимости по осадку»).
В химический стакан отвешивали столько белкового порошка, чтобы в нем было 0,5 г белка и прибавляли небольшое количество воды, очищенной методом обратного осмоса (RO); полученную смесь перемешивали до тех пор, пока не получалась однородная паста. Затем добавляли воды, доводя объем до приблизительно 45 мл. Содержимое стакана медленно перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 60 минут. Сразу после того, как белок разошелся в смеси, определяли pH и доводили его до нужного значения (2, 3, 4, 5, 6 или 7) с помощью разбавленных NaOH или HCl. Готовили также образец при естественном pH. В тех образцах, в которых pH подводили, его на протяжении 60 минут перемешивания периодически проверяли и корректировали. По истечении этих 60 минут перемешивания объем образцов доводили до 50 мл водой, очищенной методом обратного осмоса; в результате получалась 1%-ная (масса/объем) белковая дисперсия. Содержание белка в полученных дисперсиях определяли путем органического элементного анализа, включающего сжигание образца, с помощью элементного анализатора Leco Truspec Ν Nitrogen Determinator. Затем аликвоты (20 мл) дисперсий помещали в предварительно взвешенные центрифужные пробирки, которые до этого держали в течение ночи в сушильном шкафу при 100°C, после чего они остывали в эксикаторе; пробирки укупоривали. Образцы центрифугировали при ускорении 7800 g в течение 10 минут, в результате чего нерастворимый материал образовывал осадок. Определяли содержание белка в супернатантах путем органического элементного анализа, включающего сжигание образца, после чего супернатанты и крышки пробирок отбрасывали, а пробирки с осадком высушивали (в сушильном шкафу при 100°C) в течение ночи. Наутро пробирки помещали в эксикатор и давали им остыть. Сухие осадки взвешивали. Рассчитывали сухую массу исходного белкового порошка, умножая вес порошка на коэффициент ((100 - содержание влаги в порошке (%)) / 100). Рассчитывали растворимость продукта двумя способами:
1) Растворимость («по белку») (%) = (Содержание белка (%) в супернатанте / содержание белка в исходной дисперсии (%)) × 100
2) Растворимость («по осадку») (%) = (1 - (вес сухого нерастворимого материала осадка / ((вес 20 мл дисперсии/вес 50 мл дисперсии) × исходный вес сухого бежового порошка)) × 100
Полученные в результате этих расчетов значения более 100%, выражали как 100%.
Естественный pH белкового изолята, полученного в Примере 1, в воде (1% белка) составлял 5,79. Полученные данные по растворимости представлены в таблицах 4 и 5.
Как видно из таблиц 4 и 5, продукт YP702 хорошо растворим при pH 2-4.
Пример 5
В этом примере содержится оценка прозрачности в воде изолята горохового белка, полученного по Примеру 1.
Определяли прозрачность 1%-ных (масса/объем) белковых дисперсий, полученных, как описано в Примере 4, путем измерения поглощения при 600 нм (в качестве контроля - вода); чем меньше поглощение, тем больше прозрачность. Также использовали анализатор HunterLab ColorQuest ХЕ в режиме пропускания, показывавший мутность (%) образца, что тоже характеризовало прозрачность. Данные о прозрачности представлены в таблицах 6 и 7.
Как видно из таблиц 6 и 7, полученные растворы не были прозрачными, но наименьшая мутность достигалась при самых низких из взятых значений pH.
Пример 6
Этот пример содержит оценку растворимости в безалкогольных прохладительных и спортивных напитках изолята горохового белка, полученного способом по Примеру 1.
Определяли растворимость белка, добавленного в напиток, без подведения pH и после доведения pH обогащенного белком напитка до исходного для данного напитка уровня.
Для определения растворимости без подведения pH в химический стакан отвешивали столько белкового порошка, чтобы в нем было 1 г белка, прибавляли небольшое количество напитка, и полученную смесь перемешивали до тех пор, пока не получалась однородная паста. Затем добавляли того же напитка, доводя объем до 50 мл. Содержимое стакана медленно перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 60 минут; в результате получалась 2%-ная (масса/объем) белковая дисперсия. Содержание белка в образцах определяли путем органического элементного анализа, включающего сжигание образца, с помощью элементного анализатора Leco TruSpec N Nitrogen Determinator. Затем аликвоты напитка, содержащего белок, центрифугировали при ускорении 7800 g в течение 10 минут, и определяли содержание белка с супернатантах.
Растворимость (%) = (Содержание белка (%) в супернатанте / содержание белка в исходной дисперсии (%)) × 100
При определении растворимости с подведением pH вначале измеряли pH безалкогольных напитков, а именно прохладительного напитка («Sprite»; pH 3,37) и спортивного напитка («Orange Gatorade; pH 3,07), без белка. Затем в химический стакан отвешивали столько белкового порошка, чтобы в нем было 1 г белка, прибавляли небольшое количество напитка, и полученную смесь перемешивали до тех пор, пока не получалась однородная паста. В нее добавляли того же напитка, доводя объем до приблизительно 45 мл. Содержимое стакана медленно перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 60 минут. Тотчас после того, как белок разошелся в смеси, определяли pH и доводили его до исходного (которое было в данном напитке без добавленного белка) значения с помощью растворов NaOH или HCl, добавляемых по мере необходимости. На протяжении 60 минут перемешивания pH периодически проверяли и корректировали. По истечении этих 60 минут перемешивания объем образцов доводили до 50 мл соответствующим напитком; в результате получалась 2%-ная (масса/объем) белковая дисперсия. Содержание белка в образцах определяли путем органического элементного анализа, включающего сжигание образца, с помощью элементного анализатора Leco TruSpec N Nitrogen Detenriinator. Затем аликвоты напитков, содержащих белок, центрифугировали при ускорении 7800 g в течение 10 минут и определяли содержание белка с супернатантах.
Растворимость (%) = (Содержание белка (%) в супернатанте / содержание белка в исходной дисперсии (%)) × 100
Полученные результаты представлены в таблице 8.
Как видно из таблицы 8, белок YP702 хорошо растворим как в «Sprite», так и в «Orange Gatorade». Отметим, что естественный pH водного раствора YP03-L08-11A YP702 близок к нейтральному, а в безалкогольных напитках без подведения pH он несколько выше, но это мало влияло на растворимость.
Пример 7
В этом примере содержится оценка прозрачности раствора изолята горохового белка, полученного по Примеру 1, в безалкогольных прохладительных и спортивных напитках.
Определяли прозрачность 2%-ных (масса/объем) дисперсий белка в прохладительном напитке («Sprite») и в спортивном напитке («Orange Gatorade»), приготовленных в Примере 6, методом HunterLab, описанным в Примере 5.
Полученные результаты представлены в таблице 9.
Как видно из таблицы 9, несмотря на высокую растворимость белка YP03-L08-11A YP702, он увеличивал мутность напитков «Sprite» и «Orange Gatorade». Подведение pH несколько снижало мутность.
Пример 8
Этот пример иллюстрирует получение белкового продукта из гороха, включающее обработку с использованием мембран при естественном pH, содержание белка в котором составляет менее 90% в расчете на сухой вес.
К 48 кг желтой гороховой муки прибавляли 300 л воды, очищенной методом обратного осмоса (RO), при температуре окружающей среды и перемешивали в течение 30 минут, чтобы получить водный раствор белка. Основную массу оставшегося материала муки удаляли путем центрифугирования, в результате получали частично осветленный белковый раствор. К этому частично осветленному белковому раствору прибавляли 6,84 кг раствора хлорида кальция, полученного путем смешивания сухого хлорида кальция с водой, очищенной методом обратного осмоса (RO), из расчета 1 кг хлорида кальция на 2 л воды, и смесь белкового раствора с солью перемешивали в течение еще 15 минут. В результате добавления раствора хлорида кальция образовывался осадок. После добавления хлорида кальция проводимость белкового раствора составляла 12,37 мСм. Повышали температуру этого раствора до около 50°C и затем смесь объемом 250 л с содержанием белка 2,75% (масса/масса) осветляли путем центрифугирования; в результате получали раствор с содержанием белка 1,53% (масса/масса).
Этот осветленный раствор концентрировали, используя мембрану PES с MWCO 3000 дальтон, при температуре около 52°C; при этом из 225 л раствора получалось 24,95 кг. В результате получали сконцентрированный белковый раствор, в котором содержание белка составляло 8,13% (масса/масса), с выходом 29,5% относительно белкового раствора, центрифугированного для удаления осадка, образовавшегося после добавления хлорида кальция. Сконцентрированный белковый раствор подвергали сушке распылением, в результате получали продукт с содержанием белка 78,88% (масса/масса; N×6.25) в расчете на сухой вес. Это продукт обозначили YP08-F28-12A YP702.
Пример 9
Этот пример содержит оценку содержания фитиновой кислоты в белковых продуктах из гороха, полученных способом, описанным в Примерах 1 и 8. Содержание фитиновой кислоты определяли методом, описанным в работе Latta М., Eskin М., J. Agric. Food Chem., 1980, 28: 1313-1315.
Данные о содержании фитиновой кислоты в указанных продуктах представлены в таблице 10.
Как видно из таблицы 10, в белковых продуктах из гороха содержится очень мало фитиновой кислоты.
Краткое изложение раскрытия изобретения
Данным изобретением предлагается иной по сравнению с применяемыми способ, основанный на экстракции белка бобовых из материала его источника с использованием водного раствора хлорида кальция для получения белкового продукта из бобовых, который растворим в кислой среде, образуя термостабильный раствор. Возможны модификации предлагаемого способа, не выходящие за пределы объема данного изобретения.