СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АКРИЛАМИДА В ПОДВЕРГНУТЫХ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ
METHOD FOR REDUCING ACRYLAMIDE FORMATION IN HEAT-TREATED FOOD PRODUCTS

Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу уменьшения количества аспарагина, являющегося предшественником акриламида, в пищевых продуктах. Настоящее изобретение позволяет получать пищевые продукты со значительно сниженным содержанием акриламида, более точно изобретение относится к способу выщелачивания, по меньшей мере, одного предшественника акриламида с помощью экстракта, в котором содержится незначительное количество выщелачиваемого предшественника акриламида.
Описание уровня техники
Химическое вещество акриламид в форме полимера длительное время применяется в промышленности для очистки воды, усовершенствованной регенерации масел, производства бумаги, во флокулянтах, загустителях, для переработки руды и производства несминаемых тканей. Акриламид осаждается в виде белых кристаллов без запаха, хорошо растворимых в воде (2155 г/л при 30°С). Синонимами акриламида являются 2-акриламид, этиленкарбоксамид, амид акриловой кислотой и виниламид. Акриламид имеет молекулярную массу 71,08, температуру плавления 84,5°С и температуру кипения 125°С при давлении 25 мм рт.ст.
Совсем недавно было установлено, что акриламид в форме мономера содержится в самых разнообразных пищевых продуктах. В частности, акриламид обнаружен главным образом в пищевых продуктах с высоким содержанием углеводов, подвергнутых нагреву или переработке при высоких температурах. Примеры пищевых продуктов, в которых обнаружено присутствие акриламида, включают кофе, сухие завтраки, печенье, картофельные чипсы, крекер, картофель фри, хлебобулочные изделия и жареное панированное мясо. Подвергнутые нагреву богатые белками пищевые продукты обычно имеют относительно невысокое содержание акриламида, тогда как в богатых углеводами пищевых продуктах обнаружено относительно высокое содержание акриламида по сравнению с не обнаруживаемыми количествами в не подвергнутых нагреву и вареных пищевых продуктах. По имеющимся данным содержание акриламида в различных подвергнутых сходной обработке пищевых продуктах составляет 330-2300 (мкг/кг) в картофельных чипсах, 300-1100 (мкг/кг) в картофеле фри, 120-180 (мкг/кг) в кукурузных чипсах и от необнаруживаемых количеств до 1400 (мкг/кг) в различных сухих завтраках.
Как считается в настоящее время, акриламид образуется в результате присутствия аминокислот и восстанавливающих сахаров. Например, считается, что бóльшая часть акриламида, содержащегося в жареных пищевых продуктах, образуется в результате реакции между свободным аспарагином, являющимся аминокислотой, которая обычно содержится в сырых овощах, и свободными восстанавливающими сахарами. На долю аспарагина приходится приблизительно 40% всех свободных аминокислот, содержащихся в сыром картофеле, приблизительно 18% всех свободных аминокислот, содержащихся в богатой белками ржи, и приблизительно 14% всех свободных аминокислот, содержащихся в пшенице.
Возможно образование акриламида из аминокислот помимо аспарагина, но это не еще подтверждено с какой-либо степенью достоверности. Например, имеются данные об образовании некоторого количества акриламида по результатам испытаний глутамина, метионина, цистеина и аспарагиновой кислоты в качестве предшественников. Тем не менее, эти данные сложно подтвердить из-за потенциальных примесей аспарагина в исходных аминокислотах. Несмотря на это, установлено, что аспарагин является аминокислотой-предшественником, в наибольшей степени отвечающим за образование акриламида.
Поскольку факт содержания акриламида в пищевых продуктах установлен недавно, точный механизм образования акриламида еще не выяснен. Вместе с тем, в настоящее время считается, что наиболее вероятным путем образования акриламида является реакция Майяра. Реакция Майяра давно признана химиками-пищевиками одной из важнейших химических реакций в технологии обработки пищевых продуктов, способной влиять на вкус и аромат, цвет и питательную ценность пищевого продукта. Для реакции Майяра требуется тепло, влага, восстанавливающие сахара и аминокислоты.
Реакция Майяра включает последовательность сложных реакций с образованием множества промежуточных продуктов, но в целом ее можно описать как включающую три стадии. На первой стадии реакции Майяра из сочетания свободной аминогруппы (свободных аминокислот и/или белков) и восстанавливающего сахара (такого как глюкоза) образуются продукты перегруппировки Амадори или Хейнса. На второй стадии происходит расщепление продуктов перегруппировки Амадори или Хейнса посредством альтернативных путей, включающих дезоксикетоальдегиды, деление или расщепление Стрекера. В результате сложной последовательности реакций, включающих дегидратацию, элиминацию, циклизацию, деление и фрагментацию, образуется совокупность вкусовых промежуточных продуктов и вкусовых соединений. Третья стадия реакции Майяра характеризуется образованием коричневых азотистых полимеров и сополимеров. На примере реакции Майяра как вероятного пути образования акриламида на фиг.1 в упрощенной форме проиллюстрированы предполагаемые пути образования акриламида, начиная с аспарагина и глюкозы.
Хотя не доказано, что акриламид вреден для людей, его присутствие в пищевых продуктах, в особенности в больших количествах, является нежелательным. Как отмечено ранее, относительно более высокие концентрации акриламида обнаружены в пищевых продуктах, подвергнутых нагреву или тепловой обработке. Снижение содержания акриламида в таких пищевых продуктах можно осуществить путем снижения содержания или исключения соединений-предшественников, из которых образуется акриламид, подавления образования акриламида во время обработки пищевого продукта, расщепления или введения в реакцию акриламида в форме мономера, после его образования в пищевом продукте или удаления акриламида из продукта до его употребления. Понятно, что каждый пищевой продукт создает особые сложности при решении любой из перечисленных задач. Например, пищевые продукты, которые нарезаны ломтиками и подвергаются тепловой обработке в виде соприкасающихся частей, могут с трудом смешиваться с различными добавками без физического разрушения клеточных структур, которые придают пищевым продуктам их особые характеристики после тепловой обработки. Другие условия обработки конкретных пищевых продуктов также могут быть несовместимыми со стратегиями уменьшения содержания акриламида или крайне осложнять их осуществление.
В качестве примера на фиг.2 проиллюстрированы хорошо известные из уровня техники способы изготовления жареных картофельных чипсов из сырого картофеля. Сырой картофель, который содержит около 80 или более процентов по весу воды, сначала поступает на стадию 21 очистки от кожуры. После очистки сырого картофеля от кожуры он поступает на стадию 22 резания ломтиками. Толщина каждого ломтика картофеля на стадии 22 резания ломтиками зависит от желаемой толщины конечного продукта. В одном из примеров уровня техники картофель нарезают ломтиками толщиной от около 0,04 дюйма до около 0,08 дюйма. Затем эти ломтики поступают на стадию 23 промывания, на которой с помощью воды с поверхности каждого ломтика удаляют крахмал. Затем промытые ломтики картофеля подают на стадию 24 тепловой обработки. На стадии 24 тепловой обработки обычно жарят ломтики в обжарочном аппарате непрерывного действия, например при температуре от около 177°С до около 182°С (340-360°F) в течение приблизительно 2-3 минут. На стадии тепловой обработки содержание влаги в чипсах обычно снижается до менее 2% по весу. Например, жареные картофельные чипсы обычно имеют содержание влаги на выходе из обжарочного аппарата приблизительно 1-2% по весу. Затем подвергнутые тепловой обработке картофельные чипсы подают на стадию 25 приправления вкусовыми веществами, на которой во вращающемся барабане в них добавляют вкусовые вещества. Наконец, приправленные чипсы поступают на стадию 26 расфасовки. На стадии 26 расфасовки обычно подают приправленные чипсы в одно или несколько устройств для взвешивания, из которых чипсы затем поступают в один или несколько вертикальных формовочно-фасовочно-укупорочных автоматов для их расфасовки в гибкие упаковки. После расфасовки продукт направляют на реализацию, и его приобретают потребители.
Небольшие корректировки на некоторых из описанных стадий обработки картофельных чипсов могут привести к значительным изменениям характеристик конечного продукта. Например, увеличение времени пребывания ломтиков в воде на стадии 23 промывания может привести к выщелачиванию из ломтиков соединений, которые придают конечному продукту вкус и аромат картофеля, цвет и текстуру. Увеличение времени пребывания или повышение температуры на стадии 24 тепловой обработки способно привести к повышению степени обжарки чипсов в результате реакции Майяра, а также снижению содержания влаги. Если в ломтики картофеля желательно вводить какие-либо ингредиенты до обжарки, может потребоваться создать механизмы, обеспечивающие впитывание добавляемых ингредиентов во внутренние части ломтиков без разрушения клеточной структуры чипсов или выщелачивания полезных соединений из ломтиков.
Другим примером подвергаемых нагреву пищевых продуктов, которые создают особые сложности для снижения содержания акриламидов в конечном продукте, являются закусочные продукты, которые также могут изготавливаться из полуфабрикатов. Термин "изготавливаемый из полуфабрикатов закусочный продукт" означает закусочный продукт, в котором используется исходный ингредиент, отличающийся от основного и неизмененного исходного вещества, содержащего крахмал. Например, изготавливаемые из полуфабрикатов закусочные продукты включают изготавливаемые из полуфабрикатов картофельные чипсы, в которых в качестве исходного вещества используется дегидрированный картофель, и кукурузные чипсы, в которых в качестве исходного вещества используется кукурузное тесто. Отмечаем, что дегидрированным картофелем может являться картофельная мука, картофельные хлопья, картофельная крупа или дегидрированный картофель в других существующих формах. Подразумевается, что при использовании любых из этих терминов в настоящей заявке в них включены все эти варианты.
Как показано на фиг.2, для изготавливаемых из полуфабрикатов картофельных чипсов не требуется стадия 21 очистки от кожуры, стадия 22 резания ломтиками или стадия 23 промывания. Вместо этого для изготовления картофельных чипсов из полуфабрикатов используют дегидрированный продукт на основе картофеля, такой как картофельные хлопья. Дегидрированный продукт на основе картофеля смешивают с водой и другими ингредиентами, вводимыми в малых дозах, чтобы получить тесто. Затем тесто раскатывают и режут, после чего приступают к стадии тепловой обработки. Стадия тепловой обработки может включать обжаривание или выпекание. Затем чипсы поступают на стадию приправления вкусовыми веществами и стадию расфасовки. При перемешивании картофельного теста в него можно легко добавлять другие ингредиенты. В отличие от этого для добавления ингредиентов в сырой пищевой продукт, такой как ломтики картофеля, необходимо найти механизм, позволяющий ингредиентам проникать в клеточную структуру продукта. Тем не менее, добавление любых ингредиентов на стадии перемешивания должно осуществляться с учетом того, что ингредиенты могут отрицательно влиять на способность теста к раскатке, а также на характеристики готовых чипсов.
Желательно создать один или несколько способов снижения содержания акриламида в подвергнутых нагреву или тепловой обработке конечных пищевых продуктах. В идеале, такой способ должен преимущественно снижать содержание акриламида или исключать его из конечного продукта без отрицательного влияния на качество и характеристики конечного продукта. Кроме того, способ должен быть простым для осуществления и предпочтительно незначительно увеличивать или не увеличивать общие производственные издержки.
Хотя в патенте US 3934046 (выдан на имя Weaver) конкретно не предложен способ уменьшения образования акриламида, его идеи имеют отношение к рассматриваемой задаче. Из техники известно, что покоричневение подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктов частично вызвано нагревом аминокислот, таких как аспарагин, в присутствии восстанавливающих сахаров. Как поясняется в патенте Weaver, "степень покоричневения клубней возрастает с увеличением содержания восстанавливающих сахаров. Также доказано, что восстанавливающие сахара вступают в реакцию с азотсодержащими составляющими картофеля, в результате чего образуются имеющие темный цвет продукты реакции". Согласно патенту Weaver промывание кусков сырого картофеля горячей водой снижает степень покоричневения на стадии кулинарной обработки. Вместе с тем, в патенте Weaver также упомянут нежелательный эффект промывания только горячей водой: "в случае картофельных чипсов не используют промывание только горячей водой, поскольку в условиях, необходимых для эффективного предотвращения потемнения, почти целиком уничтожается текстура, вкус и аромат". Это объясняется тем, что вода выщелачивает из ломтиков картофеля все ингредиенты, у которых существует градиент их концентрации в сыром картофеле и воде. Следовательно, из сырого картофеля выщелачиваются все без исключения сахара и аминокислоты.
Хотя патент Weaver непосредственно не направлен на снижение содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах, его общая идея промывания кусков картофеля может быть усовершенствована и применена для решения положенной в основу настоящего изобретения задачи уменьшения образования акриламида. В связи с этим был бы полезен способ уменьшения образования акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах путем избирательного выщелачивания предшественников акриламида из кусков сырого пищевого продукта без существенного воздействия на его текстуру, вкус и аромат. В идеале, в таком способе потребовалось бы удаление выщелоченных предшественников акриламида из экстракта для выщелачивания с целью повторного использования экстракта для выщелачивания.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложен способ уменьшения количества аспарагина в продуктах на основе картофеля, в одном из вариантов осуществления которого непрерывно подают преимущественно необработанный картофель, имеющий первую концентрацию аспарагина, и выщелачивают аспарагин из упомянутого необработанного картофеля с помощью содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта, в результате чего получают послепромывной экстракт, содержащий аспарагин, а также обработанный картофель, имеющий вторую концентрацию аспарагина, меньшую, чем упомянутая первая концентрация. В одном из вариантов осуществления при осуществлении способа из упомянутого послепромывного экстракта дополнительно удаляют аспарагин с помощью, по меньшей мере, одного устройства для удаления аспарагина и тем самым регенерируют упомянутый содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт и повторно используют упомянутый содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт.
В одном из вариантов осуществления послепромывной экстракт может быть регенерирован с целью уменьшения количества аспарагина или других предшественников акриламида одним или несколькими способами, такими как использование фермента, такого как аспарагиназа, разложение предшественника акриламида аспарагина на продукты реакции для снижения концентрации предшественника. Затем получаемые продукты реакции могут быть удалены на последующих стадиях. В качестве другого способа удаления предшественника акриламида может использоваться ионообменная смола.
В другом варианте осуществления на промывную жидкость во время ее контакта с кусками картофеля воздействуют ультразвуковыми колебаниями. В еще одном варианте осуществления предшественники акриламида вместе с другими растворимыми в воде соединениями неизбирательно выщелачивают из кусков сырого картофеля с помощью чистой воды на первой стадии введения в контакт. Затем предшественники акриламида удаляют из промывного экстракта, а ранее выщелоченные, желательные соединения возвращают в куски картофеля на второй стадии введения в контакт.
В одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ уменьшения количества аспарагина в ингредиенте пищевого продукта, включающий стадии, на которых используют ингредиент пищевого продукта, имеющий первую концентрацию аспарагина, избирательно выщелачивают аспарагин из упомянутого ингредиента пищевого продукта с помощью содержащего незначительное количество аспарагина экстракта пищевого продукта, в результате чего упомянутый ингредиент пищевого продукта имеет вторую концентрацию аспарагина, меньшую чем упомянутая первая концентрация. Упомянутые, а также дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из следующего далее подробного описания.
Краткое описание чертежей
В прилагаемой формуле изобретения содержатся элементы новизны, считающиеся характеризующими изобретение. Вместе с тем, само изобретение, а также предпочтительный вариант его применения, его дополнительные задачи и преимущества будут лучше всего поняты при рассмотрении следующего далее подробного описания наглядных вариантов осуществления в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
на фиг.1 схематически проиллюстрированы предполагаемые пути образования акриламида,
на фиг.2 схематически проиллюстрированы известные из уровня техники стадии изготовления картофельных чипсов (В-2-3 мин - период 2-3 мин, C-100°F/10 мин, С-130°F/5 мин, С-180°F/1 мин - контроль 100°F/10 мин, 130°F/10 мин, 180°F/10 мин),
на фиг.3 показана диаграмма, на которой по оси у отложена концентрация акриламида в частях на миллиард ("част/млрд"), а также конечное содержание влаги по весу в образцах картофеля, обжаренных после введения в контакт различными способами, проиллюстрированными по оси х,
на фиг.4 показана сравнительная диаграмма показанных на фиг.3 первоначальных результатов и показанных на фиг.3 результатов после нормирования к содержанию влаги около 1,32% по весу (обозначения по оси х, аналогичные фиг.1),
на фиг.5 показана диаграмма, на которой проиллюстрирована зависимость между концентрацией акриламида и содержанием влаги в конечном обжаренном продукте, при этом по оси у отложена концентрация акриламида в част/млрд, а по оси х - содержание влаги в процентах по весу,
на фиг.6 показана диаграмма, на которой проиллюстрирована зависимость между концентрацией акриламида и содержанием влаги в конечном печеном продукте, при этом по оси у отложена концентрация акриламида в част/млрд, а по оси х - содержание влаги в процентах по весу,
на фиг.7а показана диаграмма, на которой проиллюстрирована концентрация акриламида в образцах картофеля, которые были частично обжарены, а затем высушены в печи при температуре около 120°С (250°F) после введения в контакт различными способами, при этом по оси у отложена концентрация акриламида в част/млрд, а по оси х - различные способы введения в контакт (обозначения по оси х, аналогичные фиг.1),
на фиг.7б показана диаграмма, на которой проиллюстрированы показанные на фиг.7а последние шесть измерительных точек на более узкой шкале концентрации акриламида (обозначения по оси х, аналогичные фиг.1),
на фиг.8 показана диаграмма, на которой проиллюстрированы показанные на фиг.7а данные после нормирования к данным после обжарки к содержанию влаги около 3,13% по весу и нормализации данных после сушки в печи к содержанию влаги около 1,25% по весу (обозначения по оси х, аналогичные фиг.1),
на фиг.9 показана диаграмма, на которой по оси у отложено в част/млрд: 1) содержание акриламида в образцах картофеля, которые вводили в контакт различными способами, показанными по оси х, а затем частично обжаривали при температуре около 178°С (353°F), 2) содержание акриламида в этих же образцах картофеля после сушки в печи при температуре около 176°С (350°F), нормированное к содержанию влаги около 0.76% по весу (обозначения по оси х, аналогичные фиг.1),
на фиг.10 показана диаграмма, на которой проиллюстрированы условия и результаты эксперимента, в ходе которого контрольный образец ломтиков картофеля обжаривали при атмосферном давлении до содержания влаги около 1,4% по весу, а образец для испытания обжаривали при атмосферном давлении содержания влаги около 2,5% по весу, а затем сушили в печи до содержания влаги около 1,4% по весу,
на фиг.11 показана диаграмма, на которой проиллюстрированы условия и результаты нескольких экспериментов, в ходе которых контрольный образец ломтиков картофеля обжаривали при атмосферном давлении до содержания влаги около 0,8% по весу, а четыре образца для испытаний частично обжаривали при атмосферном давлении до содержания влаги около 3-10% по весу, а затем обжаривали под вакуумом при низкой температуре до содержания влаги менее 1% по весу,
на фиг.12 показана диаграмма, на которой проиллюстрированы условия и результаты семи экспериментов, в ходе которых четыре образца для испытаний в течение 3-4 минут обжаривали при атмосферном давлении в масле, начальная температура которого составляла от около 165°С до около 180°С (329°F-356°F), а три образца для испытаний в течение около 4-10 минут обжаривали под вакуумом при низкой температуре при температуре от около 100°С до около 140°С (212°F-284°F) и давлении от около 50 до около 100 миллибар,
на фиг.13а показана блок-схема системы и способа выщелачивания аспарагин из непрерывно подаваемых кусков сырого картофеля согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.13б показана блок-схема системы и способа регенерации установки по удалению предшественников, насыщенной предшественниками акриламида согласно другому варианту осуществления изобретения,
на фиг.14 показана блок-схема системы и способа неизбирательного выщелачивания растворимых в воде соединений из непрерывно подаваемых кусков сырого картофеля в поток воды, удаления аспарагина из потока воды и возврата части ранее выщелоченных растворимых в воде соединений в куски картофеля согласно другому варианту осуществления изобретения и
на фиг.15 показана блок-схема системы и способа добавления фермента в обескрахмаленный послепромывной экстракт с целью получения раствора, содержащего незначительное количество предшественника акриламида, введения сырого пищевого продукта или необработанных кусков картофеля с естественной концентрацией аспарагина в контакт с раствором, содержащим незначительное количество предшественника акриламида, с целью предпочтительного выщелачивания предшественника акриламида из необработанных кусков пищевого продукта, чтобы кусок сырого пищевого продукта имел пониженное содержание аспарагина, меньшее естественной концентрации, и извлечения обработанных кусков пищевого продукта из экстракционной установки.
Подробное описание изобретения
Для образования акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах необходим источник углерода и источник азота. Предполагается, что источником углерода являются углеводы, а источником азота являются белки или аминокислоты. Многие пищевые продукты растительного происхождения, такие как рис, пшеница, кукуруза, ячмень, соя, картофель и овес, содержат аспарагин и имеют преобладающее содержание углеводов и незначительное содержание аминокислот. Обычно такие пищевые продукты содержат небольшую группу аминокислот, в которую помимо аспарагина входят другие аминокислоты. Существует двадцать стандартных аминокислот, которые являются строительными блоками для белков и содержатся в этих ингредиентах пищевых продуктов, включая без ограничения лизин, аланин, аспарагин, глутамин, аргинин, гистидин, глицин и аспарагиновую кислоту.
Термин "подвергнутый тепловой обработке" означает пищевой продукт или ингредиенты пищевого продукта, компоненты которого, такие как смесь ингредиентов, нагревают до температуры, по меньшей мере, 120°С при атмосферном давлении. Тепловая обработка также может происходить при более низких температурах и давлении ниже атмосферного. Какой-либо ингредиент пищевого продукта может быть подвергнут тепловой обработке отдельно при повышенной температуре до получения конечного пищевого продукта. Как указано в настоящем описании, подвергнутые тепловой обработке пищевые продукты включают в качестве примера и без ограничения все пищевые продукты, ранее перечисленные в качестве примеров изготавливаемых из полуфабрикатов закусочных продуктов и изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктов, а также картофель фри, сладкий картофель фри, другие клубнеплоды или корнеплоды, подвернутые тепловой обработке овощи, включая подвергнутую тепловой обработке спаржу, лук и томаты, кофейные зерна и какао-бобы, подвергнутое тепловой обработке мясо, дегидрированные плоды и овощи, подвергнутый тепловой обработке корм для животных, табак, чай, обжаренные или подвергнутые тепловой обработке орехи, соевые бобы, мелассу, соусы, такие как соус для барбекю, банановые чипсы, яблочные чипсы, обжаренные во фритюре бананы и другие подвергнутые тепловой обработке плоды. Примеры подвергнутых тепловой обработке ингредиентов пищевого продукта включают подвергнутый обработке овес, пропаренный и высушенный рис, подвергнутые тепловой обработке продукты на основе сои, кукурузное тесто, обжаренные кофейные зерна и обжаренные какао-бобы.
В качестве альтернативы для получения конечного пищевого продукта с использованием стадии тепловой обработки могут использоваться сырые ингредиенты. Одним из примеров обработки сырья, когда конечный пищевой продукт получают на стадии тепловой обработки, является изготовление картофельных чипсов из ломтиков сырого картофеля на стадии обжарки при температуре от около 120°С до около 250°С или изготовление картофеля фри, который обжаривают при сходных температурах. Вместе с тем в настоящем изобретении обнаружено, что значительное образование акриламида происходит, когда аминокислоту аспарагин нагревают в присутствии моносахарида. Нагрев других аминокислот, таких как лизин и аланин в присутствии моносахарида, такого как глюкоза, не приводит к образованию акриламида. Однако, как ни удивительно, присутствие аспарагина в сочетании с другой аминокислотой, такой как лизин, в присутствии моносахарида все же приводит к увеличению образования акриламида, которое является значительно большим, чем в случае, когда аспарагин является единственной присутствующей аминокислотой.
Зная, что быстрое образование акриламида происходит, когда аспарагин нагревают в присутствии моносахарида, можно добиться уменьшения содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах путем инактивирования аспарагина. Под "инактивированием" подразумевается удаление аспарагина из пищевого продукта или лишение аспарагина способности образовывать акриламид путем его преобразования или связывания с другим химическим веществом, которое препятствует образованию акриламида из аспарагина.
Одним из таких способов инактивирования является введение аспарагина в контакт с ферментом аспарагиназа. Этот фермент разлагает аспарагин на аспарагиновую кислоту и аммиак. Аспарагин также может быть инактивирован в качестве предшественника акриламида в подвергнутом тепловой обработке пищевом продукте путем выщелачивания. Растворимость аспарагина в водном растворе может быть повышена, если поддерживать рН раствора слегка кислотным или слегка щелочным, предпочтительно в интервале от около 5 до около 6,5 и от около 7,5 до около 9,0 при комнатной температуре. Растворимость аспарагина также может быть повышена при повышенной температуре в интервале от около 100°F (38°C) до около 150°F. Аспарагин может быть дополнительно инактивирован в качестве предшественника акриламида в подвергнутом тепловой обработке пищевом продукте путем ферментации. Аспарагин также может вводиться в белки с целью его инактивирования в качестве предшественника акриламида. Аспарагин может быть дополнительно инактивирован в качестве предшественника акриламида путем добавления снижающей рН соли, такой как лактат кальция, хлорид кальция или яблочнокислый кальций.
Специалистам в данной области техники известны другие способы инактивирования аспарагина с целью предотвращения образования акриламида. При более низких уровнях содержания аспарагина в ингредиенте пищевого продукта или пищевом продукте до тепловой обработки резко снижается уровень содержания акриламида в конечном обработанном продукте.
Пример
В этом примере проиллюстрировано уменьшение образования акриламида, когда аспарагин и глюкозу нагревают в присутствии фермента аспарагиназы. Фермент аспарагиназу растворили примерно в 0,05 моля в буфере на основе треххлористоводородной соли с рН=8,6 с целью получения активного раствора аспарагиназы. Также получили контрольный раствор аспарагиназы путем поддержания части активного раствора аспарагиназы нагретым до температуры около 100°С в течение около 20 минут, чтобы деактивировать фермент. Для контроля около 0,2 грамма глюкозы, около 0,1 грамма аспарагина и около 20 мл нагретого раствора аспарагиназы смешали в пробирке с 20-мл свободным пространством над продуктом. Для эксперимента с действующим ферментом около 0,2 грамма глюкозы, около 0,1 грамма аспарагина и около 20 мл активного раствора аспарагиназы смешали в пробирке с 20-мл свободным пространством над продуктом. Количество фермента в пробирке составляло около 250 единиц. Контрольную и активную смеси фермента подвергли одновременной обработке с воспроизведением. Пробирки в течение около 2 часов выдерживали при температуре около 38°С, а затем примерно на 40 часов поместили в разогретую примерно до 80°С печь, чтобы выпарить до сухого состояния. Затем в каждую пробирку добавили около 0,2 мл воды. После этого пробирки подвергли нагреву в газохроматографической печи с использованием следующего профиля температур: начальная температура - около 40°С, нагрев примерно до 200°С со скоростью около 20°С минуту и выдерживание в течение около 2 минут при температуре около 200°С с последующим охлаждением примерно до 40°С. Затем реакционные смеси извлекли с помощью примерно 50 мл воды и определили содержание акриламида в воде методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии (GC-MS). Результаты измерений приведены далее в таблице 1:
Таблица 1
Образование акриламида в присутствии аспарагиназы и глюкозы
Испытуемый материал
Акриламид (част/млрд)
Снижение в процентах
Контроль 1
334810
-
Контроль 2
324 688
-
Активная аспарагиназа 1
66
99,9
Активная аспарагиназа 2
273
99,9
Как можно видеть, в результате обработки системы ферментом, который разлагает аспарагин на аспарагиновую кислоту и аммиак, образование акриламида уменьшилось более чем на 99,9%. Этот эксперимент доказал, что при снижении концентрации аспарагина или ослаблении реакционной способности аспарагина уменьшается образование акриламида.
Помимо инактивирования аспарагина для получения ингредиентов пищевых продуктов растительного происхождения также могут использоваться растения, которые выращивают и отбирают таким образом, чтобы они имели меньшее содержание аспарагина чем другие подобные растения. Снижение количества аспарагина в ингредиентах пищевых продуктов растительного происхождения будет отображаться количеством акриламида, которое образуется при таких условиях тепловой обработки.
Вышесказанное доказывает возможность снижения содержания акриламида с помощью добавок, таких как аспарагиназа. Вместе с тем также получены интересные результаты исследования влияния различных технологических операций или стадий на образование акриламида в конечных пищевых продуктах. Эти результаты доказывают возможность усовершенствования одной или нескольких технологических операций любого известного из уровня техники процесса изготовления пищевого продукта таким образом, чтобы получаемый продукт, подвергнутый кулинарной обработке, имел пониженное содержание акриламида. Под "пониженным содержанием акриламида" подразумевается более низкое содержание акриламида, чем его количество, которое образовалось бы при осуществлении не усовершенствованного известного из уровня техники процесса кулинарной обработки конкретного рассматриваемого пищевого продукта. Термины "пониженное содержание акриламида", "пониженная концентрация акриламида" и "пониженный уровень акриламида" используются в настоящем описании взаимозаменяемо. С точки зрения настоящего описания "технологическая операция" означает определимую часть общего способа изготовления пищевого продукта. Например, как показано на фиг.2, каждая из стадий обработки картофельных чипсов (стадия 21 очистки от кожуры, стадия 22 резания ломтиками, стадия 23 промывания, стадия 24 тепловой обработки, стадия 25 приправления и стадия 26 расфасовки) рассматривается как отдельная технологическая операция по отношению к общему процессу изготовления пищевого продукта типа картофельных чипсов.
Первым примером модификации технологической операции является стадия 23 промывания (проиллюстрированная на фиг.2) картофельных чипсов, изготавливаемых из нарезанного ломтиками сырого картофеля. Известный из уровня техники способ промывания ломтиков предусматривает их ополаскивание водой при комнатной температуре. Среднее время пребывания каждого ломтика чипсов в промывной воде согласно известному уровню техники обычно составляет менее около 60 секунд в зависимости от используемого оборудования.
На фиг.3 проиллюстрировано, как может быть усовершенствована технологическая операция промывания чипсов с целью регулирования содержания акриламида в конечном продукте типа чипсов. Согласно настоящему изобретению стадия 23 промывания может быть усовершенствована путем включения стадии введения в контакт, на которой непрерывно подаваемые ломтики картофеля вводят в контакт с водным раствором, время пребывания в котором и его температура отличаются от используемых на известной из уровня техники стадии промывания. На фиг.3 показана диаграмма, на которой по расположенной слева (со стороны наблюдателя) вертикальной оси или оси у отложено количество акриламида ("АА") в частях на миллиард ("част/млрд"), обнаруженное в конечном продукте типа чипсов. По расположенной справа на фиг.3 вертикальной оси или оси у отложено содержание влаги в процентах по весу в конечном продукте типа чипсов. Содержание акриламида отображено на диаграмме вертикальными столбиками, а содержание влаги в процентах - в виде ломаной линии. По горизонтальной оси или оси х - диаграммы на фиг.3 отложены изменения различных технологических параметров, вносимые в операцию промывания процесса изготовления картофельных хлопьев. Время и температура кулинарной обработки были одинаковыми для всех испытаний, представленных на фиг.3. В частности, каждый образец обжаривали при температуре около 178°С (353°F) в течение около 120-140 секунд. Следовательно, содержание влаги в конечном продукте имело тенденцию меняться.
Если сравнить с результатами, проиллюстрированными на фиг.3, при осуществлении описанной выше известной из уровня техники стадии промывания сырого картофеля, нарезанного ломтиками толщиной 0,05 дюйма и обжаренного при температуре около 178°С (353°F) в течение около 120-140 секунд, получали конечный продукт с содержанием акриламида около 300-500 част/млрд (которое может быть более высоким в зависимости от содержания глюкозы и других переменных параметров сырья) и конечным содержанием влаги по весу около 1,4%. Этот известный из уровня техники результат вполне соответствует первой измерительной точке 31 диаграммы, проиллюстрированной на фиг.3, на которой представлена базовая измерительная точка и стадия промывания, на которой время пребывания ломтиков картофеля в воде составляет от двух до трех минут. При сохранении всех остальных параметров общей обработки картофельных чипсов в результате этого незначительного изменения в технологической операции промывания не происходит заметного изменения содержания акриламида (приблизительно 330 част/млрд) или содержания влаги в конечном продукте (приблизительно 1,35%) по сравнению с продуктом, полученным согласно известной из уровня техники стадии промывания.
Следующая измерительная точка 32 на диаграмме, проиллюстрированной на фиг.3, отображает изменение на стадии промывания, на которой ломтики картофеля вводят в контакт с водой в виде водного раствора, увеличивают продолжительность контакта водного раствора с ломтиками картофеля до десяти минут и повышают температуру водного раствора с температуры окружающей среды или комнатной температуры до температуры около 38°С (100°F). В результате этого изменения содержание акриламида в конечном продукте снизилось приблизительно до 210 част/млрд, а содержание влаги - до менее 1% по весу. Интересно, что третья измерительная точка 33 отображает, что в результате повышения температуры водного раствора (и в этом случае воды) до около 54°С (130°F) при средней продолжительности контакта в пять минут не произошло значимого снижения содержания акриламида в конечном продукте. В отличие от этого четвертая измерительная точка 34 иллюстрирует значимое снижение содержания акриламида в конечном продукте (до уровня ниже 100 част/млрд), когда технологическая операция промывания предусматривает стадию введения в контакт в течение одной минуты с водным раствором, представляющим собой воду при температуре около 82°С (180°F). Тем не менее, содержание влаги в конечных чипсах составляло около 1,8%. Пятая измерительная точка 35 иллюстрирует, что в случае использования в качестве водного раствора 1% раствора L-цистеина при комнатной температуре в течение 15 минут содержание акриламида в конечном продукте снижается до уровня ниже 250 част/млрд.
На диаграмме, проиллюстрированной на фиг.4, результаты экспериментов, показанные на фиг.3 (первый из каждой пары вертикальных столбиков), нормированы, чтобы отобразить предполагаемое содержание акриламида, если бы образцы для испытаний были обжарены до такого же стандартного содержания влаги (первый из каждой пары вертикальных столбиков). Если допустить, что изменение относительного содержания акриламида в процентах обратно пропорционально относительному изменению содержания влаги в процентах при низком содержании влаги, результаты испытаний, проиллюстрированные на фиг.3, можно нормировать путем умножения фактического содержания акриламида на относительное изменение содержания влаги в процентах, необходимое для достижения конечного содержания влаги в базовом/стандартном образце. Нормирование экспериментальных данных к такому же содержанию влаги позволяет более точно сравнивать относительную эффективность каждого способа введения в контакт с целью уменьшения образования акриламида.
Как показано на фиг.4, по вертикальной оси или оси у также отложено содержание акриламида в част/млрд в конечном продукте. По горизонтальной оси или оси х отложены параметры каждой измерительной точки. Каждой измерительной точкой на фиг.4 обозначена пара вертикальных столбиков, при этом расположенные слева столбики в каждой паре перенесены с фиг.3, а расположенные справа столбики в каждой паре отображают предполагаемые значения тех же самых параметров процесса введения в контакт, если бы конечный продукт был обжарен до равномерного или стандартного содержания влаги 1,32%.
Первая измерительная точка 41 соответствует базовому образцу, который в течение двух-трех минут промывали водой при комнатной температуре. Вторая измерительная точка 42 соответствует стадии введения в контакт согласно настоящему изобретению, когда ломтики картофеля в течение десяти минут контактируют с водным раствором, представляющим собой воду, при температуре около 38°С (100°F). Расположенный слева столбик также доказывает, что в результате такого контакта с последующей обжаркой приблизительно при 178°С (353°F) в течение около 120-130 секунд содержание акриламида в конечном продукте будет составлять лишь около 200 част/млрд акриламид, а содержание влаги - менее 1%. Вместе с тем, расположенный справа столбик доказывает, что если бы чипсы, введенные в контакт таким способом, были обжарены до стандартного содержания влаги 1,32%, предполагаемое содержание акриламида снизилось бы приблизительно до 150 част/млрд.
Сходный желательный результат отображен третьей измерительной точкой 43, а четвертая измерительная точка 44 показывает, что при снижении содержания влаги в конечном продукте незначительно повышается содержание акриламида. Интересно, что последняя измерительная точка 45 показывает значительно снижение содержания акриламида при использовании водного раствора, содержащего 1% L-цистеин, и 15-минутной продолжительности контакта. Кроме того, особо низкое содержание акриламида предполагается при конечном содержании влаги в чипсах 1,32% по весу. Также интересно отметить, что предполагаемое содержание акриламида в ломтиках картофеля после 15-минутного контакта с 1% L-цистеином является почти таким же, как и предполагаемое содержание в ломтиках после 10-минутного контакта с содержащим воду водным раствором при температуре около 38°С (100°F).
Снижение содержания акриламида также можно достичь другими способами. Поскольку аспарагин, по-видимому, является основным предшественником акриламида, аспарагин желательно удалять до кулинарной обработки кусков картофеля, чтобы уменьшить образование акриламида в конечном подвергнутом тепловой обработке продукте. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ удаления аспарагина путем использования содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта или раствора с целью выщелачивания аспарагина из кусков сырого картофеля до кулинарной обработки. Отмечаем, что термины "предшественник" и "аспарагин" могут использоваться в настоящем описании взаимозаменяемо, поскольку установлено, что аспарагин является единственным предшественником, в наибольшей степени непосредственно связанным с образованием акриламида. Тем не менее, изобретение также может использоваться для удаления любого конкретного предшественника, который известен как необходимый для образования акриламида.
С помощью картофельного экстракта или выщелачивающего раствора из ломтиков картофеля происходит выщелачивание тех компонентов, для которых существует градиент их концентраций в виде растворимого вещества в ломтиках картофеля и в картофельном экстракте или выщелачивающем растворе. Выщелачивание может осуществляться избирательно с помощью картофельного экстракта, который содержит незначительное количество подлежащего выщелачиванию предшественника акриламида, но содержит другие желательные растворимые вещества или растворенные вещества, концентрации которых являются равновесными с соответствующими концентрациями в ломтиках картофеля или близкими к равновесным концентрациям. Под "равновесным" подразумеваются два состояния: 1) концентрации конкретных растворенных в воде веществ являются преимущественно одинаковыми в экстракте и в картофеле или 2) экстракт насыщен и не способен абсорбировать дополнительное количество такого конкретного растворенного вещества. Используемый в описании термин "желательные растворимые вещества" означает любое естественное растворимое соединение, содержащееся в картофеле помимо восстанавливающих сахаров, которое не является предшественником акриламида.
Примером избирательного выщелачивания является получение картофельного экстракта, содержащего незначительное количество аспарагина, и затем введение ломтиков сырого картофеля в контакт с содержащим незначительное количество аспарагина картофельным экстрактом с целью избирательного выщелачивания аспарагина из ломтиков сырого картофеля. В одном из вариантов осуществления выщелачивание дополнительно усиливается путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на картофельный экстракт во время его контакта с ломтиками картофеля. При желании картофельный экстракт или выщелачивающий раствор может быть очищен с целью удаления выщелоченных предшественников акриламида, чтобы вернуть картофельный экстракт или выщелачивающий раствор в повторный цикл для непрерывного применения с целью промывания бóльшего количества ломтиков картофеля.
Были проведены испытания, чтобы определить содержание аспарагина в ломтиках картофеля, вымоченных в различных растворах при различном времени пребывания. Было проведено 12 отдельных испытаний и контрольное испытание. В качестве контрольного образца использовали не вымоченный свежий ломтик картофеля. В ходе 12 испытаний ломтики картофеля вымачивали в четырех различных растворах при трех различных значениях времени пребывания. Результаты сведены далее в таблице 2.
Таблица 2
Снижение содержания аспарагина в ломтиках картофеля, вымоченных в картофельном экстракте
Раствор, нагретый до 120°F
Время вымачивания в растворе
Аспарагин в картофеле (% по весу)
Снижение содержания аспарагина в % по сравнению с контрольным образцом
Контрольный образец
-
0,66
0
Вода
15 минут
0,47
29
Вода с аспарагиназой
15 минут
0,37
43
Картофельный экстракт
15 минут
0,39
41
Картофельный экстракт с аспарагиназой
15 минут
0,39
41
Вода
40 минут
0,33
51
Вода с аспарагиназой
40 минут
0,31
53
Картофельный экстракт
40 минут
0,25
63
Картофельный экстракт с аспарагиназой
40 минут
0,12
81
Вода
60 минут
0,26
61
Вода с аспарагиназой
60 минут
0,20
70
Картофельный экстракт
60 минут
0,25
62
Картофельный экстракт с аспарагиназой
60 минут
0,05
93
Каждую партию сырья для картофельного экстракта, состоящую из около 800 граммов ломтиков очищенного от кожуры картофеля и около 1500 мл воды, поместили в смесительную установку и получили нефильтрованный картофельный экстракт. Затем нефильтрованный экстракт подвергли вакуумной фильтрации через лабораторную фильтровальную бумагу с порами размером 20-25 микрометров, чтобы удалить твердые частицы.
Отфильтрованный экстракт дополнительно концентрировали путем повторного осуществления описанных выше стадий, но вместо добавления около 800 граммов ломтиков очищенного от кожуры картофеля примерно в 1500 мл воды добавили 800 граммов ломтиков картофеля в отфильтрованный экстракт. Этот процесс повторяли несколько раз, чтобы повысить концентрацию желательного растворимого вещества в картофельном экстракте и свести к минимуму количество желательного растворимого вещества, выщелоченного из ломтиков картофеля.
Затем отфильтрованный картофельный экстракт нагрели до температуры 120°F, добавили в 1500 мл картофельного экстракта 340 микролитров аспарагиназы с концентраций 14 280 единиц/мл и получили содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт, содержащий около 4844 единиц аспарагиназы. Разумеется, могут использоваться другие количества аспарагиназы, и в одном из вариантов осуществления для получения содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта используется от около 3000 до около 100000 единиц аспарагиназы на килограмм всего сырого картофеля. Могут использоваться меньшие количества аспарагиназы, но для достижения желаемого более низкого содержания аспарагина в содержащем незначительное количество аспарагина картофельном экстракте может потребоваться более длительное время. Могут использоваться большие количества аспарагиназы, но при этом в промышленных вариантах осуществления могут непомерно вырасти издержки.
Все образцы картофеля имели содержание сухого вещества около 17,6% и были очищены от кожуры и нарезаны ломтиками. Контрольные образцы не помещали в раствор, а остальные образцы поместили в каждый из четырех растворов, представленных выше в таблице 2 (вода, вода + аспарагиназа, картофельный экстракт, картофельный экстракт + аспарагиназа), выдержали в них в течение около 15, около 40 и около 60 минут при температуре 120°F и измерили содержание аспарагина. Результаты испытаний, представленные выше в таблице 2, доказывают, что картофельный экстракт более эффективен, чем вода при удалении аспарагина из ломтиков картофеля. Кроме того, поскольку аспарагин удаляли из ломтиков картофеля избирательно, не произошло серьезного ухудшения текстуры, вкуса и аромата по сравнению с известным из уровня техники выщелачиванием горячей водой, так как содержание восстанавливающих сахаров и других желательных растворимых веществ в ломтиках картофеля остается на приемлемом уровне. Таким образом, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используют содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт и вводят картофель, такой как нарезанный ломтиками картофель, имеющий первую концентрацию аспарагина, в контакт с содержащим незначительное количество аспарагина картофельным экстрактом с целью избирательного выщелачивания аспарагина из ломтиков картофеля. Затем ломтики картофеля могут быть извлечены из содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта, необязательно промыты и подвергнуты тепловой обработке. Как показали отдельные исследования, существует зависимость между содержанием аспарагина в пищевом продукте и конечным содержанием акриламида в этом пищевом продукте. Следовательно, получаемые подвергнутые тепловой обработке ломтики картофеля со сниженным содержанием аспарагина будут иметь сниженное содержание акриламида.
В одном из вариантов осуществления для получения картофельного экстракта используют картофель и воду в соотношении от около 0,5 грамма до около 2 граммов очищенного от кожуры картофеля на 1 мл добавленного раствора. При более высоких соотношениях картофеля и воды может затрудняться фильтрация. Таким образом, более желательным может быть более низкое соотношение, в особенности, если картофельный экстракт в дальнейшем концентрируют путем смешивания дополнительного количества сырого картофеля и отфильтрованного экстракта для получения нефильтрованного экстракта и фильтрования нефильтрованного экстракта для получения картофельного экстракта. Этот процесс может повторно осуществляться, пока концентрации картофельного экстракта не станут равновесными с соответствующими концентрациями в ломтиках картофеля или близкими к равновесным концентрациям.
Кроме того, хотя для получения описанного выше картофельного экстракта используют 800 граммов ломтиков очищенного от кожуры картофеля на 1500 мл воды или отфильтрованного экстракта, это соотношение может быть оптимизировано. В результате добавления воды создается некоторый градиент концентрации желательных растворимых веществ, таких как восстанавливающие сахара, и картофельного экстракта. В связи с этим в одном из вариантов осуществления в картофельный экстракт вводят добавки, такие как восстанавливающие сахара, включаю фруктозу и глюкозу, чтобы дополнительно свести к минимуму градиент концентрации желательных растворимых веществ. Кроме того, исходный раствор может содержать добавки, такие как восстанавливающие сахара или другие желательные растворимые вещества для дополнительного уменьшения градиента концентрации.
В одном из вариантов осуществления сводят к минимуму количество добавляемой воды. В одном из вариантов осуществления исключают количество изначально добавленной воды. Таким образом, воду не добавляют, и экстракт содержит мацерированный картофель. В одном из вариантов осуществления из мацерированного картофеля получают картофельный экстракт путем вакуумной фильтрации.
Хотя выше проиллюстрирован периодический способ, который может применяться для снижения содержания аспарагина, он может быть модифицирован в полунепрерывный или непрерывный способ, как это описано далее.
До кулинарной обработки ломтиков или кусков картофеля сырой картофель обычно очищают от кожуры, нарезают ломтиками или кусками, а затем промывают, чтобы удалить избыток крахмала и отходы. Как показано на примере системы 1300 избирательного выщелачивания, проиллюстрированной на фиг.13а, стадия промывания может быть модифицирована за счет непрерывного процесса выщелачивания предшественников акриламида из непрерывно подаваемого преимущественно необработанного картофеля. С точки зрения настоящего описания ломтик очищенного от кожуры картофеля является необработанным. В одном из вариантов осуществления, чтобы промыть картофель и избирательно извлечь основной предшественник, т.е. аспарагин, осуществляют три основные технологические операции: 1) в экстракционной установке 1320 выщелачивают аспарагин из подаваемого необработанного картофеля 1310 в содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт 1380, 2) в установке 1340 для удаления крахмала удаляют избыточный несвязанный крахмал 1336 и 3), по меньшей мере, в одной установке 1350 для удаления аспарагина удаляют аспарагин из обескрахмаленного картофельного экстракта 1334 после промывания, который затем возвращают в повторный цикл (в виде содержащего незначительное количество аспарагина экстракта 1380) с целью непрерывного промывания подаваемого необработанного картофеля 1310. Затем обработанные таким способом ломтики 1312 картофеля поступают на следующую стадию обработки, такую как кулинарная или тепловая обработка.
В ходе первой технологической операции поток 1310 очищенного от кожуры и нарезанного ломтиками картофеля, содержащего предшественники акриламида ("необработанный картофель"), поступает в экстракционную установку 1320, как и на проиллюстрированной на фиг.2 известной из уровня техники стадии 23 промывания, на которой картофель вводят в контакт с содержащим незначительное количество предшественников картофельным экстрактом 1380. Содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1380 представляет собой поток воды, содержащий все растворимые в воде компоненты картофеля за исключением конкретного предшественника акриламида, которые должен быть удален из подаваемого необработанного картофеля 1310. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления в установившемся состоянии содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1380 представляет собой водный раствор или суспензию всех растворимых в воде твердых веществ и соединений картофеля за исключением аспарагина. Картофельный экстракт обычно содержит растворимые в воде соединения, такие как восстанавливающие и невосстанавливающие сахара, крахмалы и различные аминокислоты. В установившемся состоянии концентрации растворимых в воде соединений помимо крахмала и аспарагина в содержащем незначительное количество предшественника экстракте 1380 являются равновесными или близкими к равновесным с соответствующими концентрациями растворимых в воде соединений в подаваемом необработанном картофеле 1310. На стадии пуска системы доводят концентрации растворимых в воде соединений в содержащем незначительное количество предшественника экстракте 1380 до равновесных уровней путем периодической подачи заданного количества чистой воды (дистиллированной, деионизированной или очищенной методом обратного осмоса) через систему 1300 выщелачивания, пока из подаваемого необработанного картофеля 1310 в экстракт 1322 не будет выщелочено достаточно растворимых в воде веществ. Поскольку исходный поток картофеля, поступающий в экстракционную установку, промывают еще относительно чистой водой, из картофеля извлекается значительное количество желательных растворимых веществ, которые попадают в циркулирующую воду. Поскольку из части картофеля, промываемого на стадии пуска, после кулинарной обработки могут быть получены картофельные чипсы более низкого качества, возможно, желательно просто браковать этот используемый на стадии пуска картофель после выщелачивания. Аналогичным образом также возможно использовать на стадии пуска картофель, который в любом случае был бы отбракован из-за неприемлемого размера или формы. Этот используемый на стадии пуска картофель также можно браковать после промывания, если из него выщелочено слишком большое количество желательных растворимых соединений.
В этом и других вариантах осуществления с использованием избирательного выщелачивания аспарагина желательно, чтобы концентрации содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 (помимо аспарагина, избыточного крахмала и нежелательных примесей) находились в близком к равновесному или в равновесном состоянии с соответствующими концентрациями в подаваемом необработанном картофеле 1310 и во время выщелачивания из подаваемого необработанного картофеля 1310 не извлекались желательные растворимые вещества вследствие градиентов концентрации. Так, в одном из вариантов осуществления между подаваемым необработанным картофелем 1310 и содержащим незначительное количество предшественника экстрактом 1380, поступающим в экстракционную установку 1320, должны существовать только два основных градиента концентрации: один градиент концентраций при вытяжке аспарагина из подаваемого необработанного картофеля 1310 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380, а другой - при вытяжке крахмала из подаваемого необработанного картофеля 1310 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380. В одном из вариантов осуществления ломтики картофеля предварительно промывают, чтобы удалить из них несвязанный крахмал и уменьшить накопление крахмала в экстракционной установке 1320.
Кроме того, может быть желательным использовать нагретый содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380. Поскольку растворимость аспарагина в воде увеличивается с повышением температуры, при более высоких температурах промывания/выщелачивания увеличивается количество аспарагина, которое может быть выщелочено при заданной скорости потока содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380. Например, обычные температуры раствора для выщелачивания могут составлять от около 70°F до около 150°F. Кроме того, верхняя часть этого температурного диапазона (от около 120°F до около 150°F) может быть более предпочтительной, когда картофельный экстракт представляет собой продукт выщелачивания, поскольку за счет предпочтительного выщелачивания аспарагина выщелачивается меньше желательных растворимых веществ.
Если снова обратиться на фиг.13а, по мере контакта содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта 1380 с необработанным картофелем 1310 в экстракционной установке 1320 аспарагин и крахмал выщелачиваются в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380. В предпочтительном варианте осуществления содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 контактирует с необработанным картофелем 1310 в непрерывном противоточном режиме. Из уровня техники хорошо известно, что противоток более эффективно выщелачивает желаемые растворенные вещества из заданного твердого вещества по сравнению с параллельным потоком. В другом варианте осуществления процесс экстракции дополнительно усилен путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 во время его контакта с подаваемым необработанным картофелем 1310. Высокочастотные низкоамплитудные колебания помогают повысить скорость массового переноса за счет уменьшения толщины граничных слоев, окружающих куски картофеля. Например, если на ломтики воздействуют ультразвуковыми колебаниями на частоте 68 кГц и 170 кГц, из ломтиков картофеля выщелачивается больше аспарагина в чистую воду, чем без воздействия на них ультразвуковыми колебаниями. Таким образом, ультразвуковые колебания также способствуют выщелачиванию большего количества аспарагина из ломтиков картофеля в содержащий незначительное количество аспарагина экстракт, чем было бы выщелочено в тот же экстракт в отсутствии обработки ультразвуком.
Для осуществления непрерывной экстракции с использованием противотоков подаваемого необработанного картофеля 1310 и содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 могут применяться различные способы. Например, в одном из вариантов осуществления экстракционной установки 1320 используется, по меньшей мере, один червячный экстрактор погружного типа, подобный тому, который используется для бланширования картофеля. Обычно червячный экстрактор имеет винт, вращающийся внутри трубы. Винт перемещает выщелачиваемые твердые вещества в одном направлении по трубе, а встречный поток экстракционного раствора протекает по трубе в противоположном направлении. Поскольку червячные экстракторы для бланширования картофеля хорошо известны из техники, их конструкция и действие не требуют подробного описания в настоящем изобретении. В этом варианте осуществления необработанный картофель 1310 поступает в экстракционную установку 1320 червячного типа, а затем непрерывно подается вращающимся винтом, который проходит по длине экстракционной установки 1320. Для повышения производительности подаваемый необработанный картофель 1310 может быть поделен, чтобы подаваться через несколько экстракционных установок 1320 червячного типа, а затем объединен на выходе экстракционных установок. Содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1380 поступает в каждую экстракционную установку 1320 червячного типа со стороны, с которой выходит обработанный картофель 1312, протекает через экстракционную установку 1320 в направлении, противоположном направлению движения потока 1310 необработанного картофеля, и выходит со стороны, с которой необработанный картофель 1310 поступает в установку 1320. По мере протекания содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 по трубе в этом противоточном режиме содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 принудительно вступает в контакт с подаваемым необработанным картофелем 1310, а предшественники акриламида и крахмал выщелачиваются из необработанного картофеля 1310 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380. Поскольку куски 1310 картофеля прочно удерживаются винтом, содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 может нагнетаться через экстракционную установку 1320 под более высоким давлением и с более высокой скоростью для более эффективного выщелачивания предшественников акриламида. Тем не менее, если размер кусков картофеля имеет значение для последующей обработки, необходимо избегать давления, под действием которого разрушаются или повреждаются отдельные куски подаваемого картофеля 1310. Уровни концентрации предшественников акриламида, таких как аспарагин, в картофеле на выходе экстракционной установки 1320 зависят от различных параметров, таких как время пребывания в установке, скорость потока как подаваемого необработанного картофеля 1310, так и содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 и температура содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380. Например, если желательна более низкая конечная концентрация предшественников в потоке 1312 обработанного картофеля, может быть увеличена длина экстракционной установки 1320 и тем самым увеличено время пребывания.
В другом варианте осуществления экстракционная установка 1320 имеет промывной бак для содержащего незначительное количество предшественника картофельного экстракта 1380. В этом частном варианте осуществления конвейер открытого типа или из проволочной сетки перемещает необработанный картофель 1310 в один конец бака, где на заданное время и глубину погружает его в содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1380, а затем извлекает промытый картофель 1312 из содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 с противоположного конца промывного бака. Для обеспечения противоточного обмена между содержащим незначительное количество предшественника экстрактом 1380 и подаваемым необработанным картофелем 1310 содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 может вводиться в бак с того конца, с которого удаляют промытый картофель 1312, а послепромывной экстракт 1322 может извлекаться с того конца, с которого подаваемый необработанный картофель 1310 поступает в бак. Этот частный вариант осуществления экстракционной установки 1320 для содержащего незначительное количество предшественника акриламида экстракта может быть легко реализован в современных технологиях изготовления картофельных чипсов с использованием установки с промывным баком для удаления избытка крахмала. Можно и далее использовать существующий промывной бак для удаления крахмала лишь с несколькими небольшими изменениями. Тем не менее, одним из недостатков экстрактора этого типа является то, что относительные скорости подаваемого необработанного картофеля 1310, содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 внутри бака, должны быть достаточно низкими для того, чтобы подаваемый необработанный картофель 1310 принудительно не вытеснялся с конвейера. Таким образом, в этом варианте осуществления предшественники могут не выщелачиваться из подаваемого картофеля 1310 также быстро, как с помощью червячных экстракторов.
В еще одном варианте осуществления экстракционной установки 1320 предусмотрено перколяционное выщелачивание содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1380 через подвижные слои подаваемого картофеля 1310. Одним из экстракторов такого типа является экстрактор Больмана, который имеет вращающийся ковшовый элеватор в закрытом корпусе. Дно каждого ковша, на котором находится подаваемый картофель 1310 для выщелачивания, является перфорированным, чтобы экстракт 1380 мог просачиваться вниз из одного ковша в другой. Поскольку экстракторы Больмана хорошо известны из техники, конструкция и действие таких экстракторов не требует подробного описания в настоящем описании. Вращающийся элеватор имеет поднимающуюся сторону и опускающуюся сторону, а также имеет несколько отдельных отстойников с поднимающейся и опускающейся сторон для сбора экстракта. В отличие от предыдущих вариантов осуществления экстракционной установки экстракторы Больмана имеют как противоточные, так и прямоточные участки: противоточный участок с поднимающейся стороны и прямоточный участок с опускающейся сторона. В процессе работы необработанный картофель 1310 помещают в ковши в верхней части элеватора с опускающейся стороны и вводят содержащий незначительное количество предшественника экстракт в верхние ковши с поднимающейся стороны. Экстракт, который просочился через ковши с поднимающейся стороны, накапливается в отстойнике с поднимающейся стороны. Экстракт в отстойнике с поднимающейся стороны нагнетают обратно в верхнюю часть элеватора и вводят в ковши с опускающейся стороны. После того, как послепромывной экстракт 1322 достигает ковша с опускающейся стороны, его откачивают из экстракционной установки 1320 и подают в следующую технологическую операцию. После того, как необработанный картофель 1310 продвигается вниз до опускающейся стороны и вверх до поднимающейся стороны, его извлекают из верхних ковшей с поднимающейся стороны и выводят из экстракционной установки 1320. Перколяционное выщелачивание обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с выщелачиванием погружением. Перколяция в целом обеспечивает более высокую скорость экстракции, чем погружение, поскольку при перколяции обычно повышается степень перемешивания за счет более тонкого граничного слоя между растворимым и твердым веществами экстракта. По сравнению с червячными экстракторами погружного типа картофелю наносится меньший механический ущерб. Кроме того, ослабляется тенденция засорения.
В еще одном варианте осуществления экстракционная установка 1320 имеет наклонный канал, через который протекает содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1380. Если содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 протекает вниз по каналу от его верхнего конца и нижнему концу, конвейер открытого типа или из проволочной сетки перемещает необработанный картофель 1310 вверх по каналу через протекающий вниз содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380. Чтобы увеличить площадь поверхности контакта между необработанным картофелем 1310 и содержащим незначительное количество предшественника экстрактом 1380, этот конвейер из проволочной сетки может быть несколько приподнят над дном канала, чтобы содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 протекал над, под и вокруг выщелачиваемого необработанного картофеля 1310. Конвейер может иметь любую применимую в пищевых продуктах сетчатую, цепную, перфорированную или другую проницаемую для жидкости конструкцию из прочного материала, такого как нержавеющая сталь или металл другого типа, керамический или полимерный материал. Несколько из этих экстракционных установок могут применяться последовательно с целью увеличения продолжительности выщелачивания и снижения конечных концентраций аспарагина в обработанном картофеле 1312 на выходе последней экстракционной установки. Когда несколько таких экстракционных установок используются последовательно, содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1380 поступает через верхнюю часть последней экстракционной установки и продвигается вниз по наклонному каналу каждой установки, пока не достигнет дна первой экстракционной установки. К этому моменту концентрация предшественника в послепромывном экстракте 1322 приближается к его концентрации в необработанном картофеле 1310.
После того, как послепромывной экстракт 1322 выходит из экстракционной установки 1320, он поступает в установку 1340 для удаления крахмала, в которой осуществляется вторая технологическая операция. В предпочтительном варианте осуществления установка 1340 для удаления крахмала имеет циклон для удаления крахмала путем центрифугирования. Поскольку частицы крахмала обладают более высокой плотностью, чем большинство других растворимых в воде молекул в послепромывном экстракте 1322, под действием вращающегося циклона 1340 более тяжелые, чем вода, частицы крахмала отделяются от экстракта 1322 на стенках циклона и затем выводятся из циклона 1340 в виде суспензии или пасты 1336. Затем обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 выходит из циклона 1340 и поступает, по меньшей мере, в одну установку 1350 для удаления предшественников. Хотя в предпочтительном варианте осуществлении установка 1340 для удаления крахмала представляет собой циклон, для удаления крахмала может использоваться оборудование и способы других типов. Например, крахмал также может удаляться путем фильтрации, периодического осаждения или флокуляции. Вместе с тем отмечаем, что установка 1340 для удаления крахмала необязательна, если крахмал удаляется из подаваемого необработанного картофеля 1310 до поступления в экстракционную установку 1320.
В ходе третьей технологической операции обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 поступает, по меньшей мере, в одну установку 1350 для удаления предшественников, в которой из него удаляют предшественники акриламида. В одном из вариантов осуществления каждая установка 1350 для удаления предшественников имеет колонну с насадкой или колонну с отбойными перегородками, заполненную ионообменным материалом, таким как ионообменная смола, содержащая адсорбирующие вещества, которые избирательно связывают конкретный удаляемый предшественник акриламида. В одном из вариантов осуществления, когда основным удаляемым предшественником является аспарагин, ионообменная колонна содержит иммобилизованный фермент, такой как аспарагиназа.
В одном из вариантов осуществления установка 1350 для удаления предшественников имеет колонну, содержащую покрытую аспарагиназой смолу или смолу, которая избирательно удаляет аспарагин из раствора, например, путем связывания аспарагина. В одном из вариантов осуществления в процессе контакта обескрахмаленного послепромывного экстракта 1334 со смолой аспарагин в экстракте вступает в реакцию со смолой и преобразуется в аммиак и аспарагиновую кислоту.
В одном из вариантов осуществления обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 поступает через верх каждой колонны и обходным путем просачивается вниз до дна. В одном из вариантов осуществления обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 контактирует со смолой, которая избирательно удаляет из него аспарагин. В любом из описанных выше вариантов осуществления к тому моменту, когда обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 достигает дна ионообменной колонны, из него удаляется значительное количество аспарагина. С точки зрения настоящего описания значительное количество удаляется, когда из обескрахмаленного послепромывного экстракта 1334 удаляется, по меньшей мере, 50% содержания аспарагина. Затем со дна колонны удаляют содержащий незначительное количество аспарагина экстракт 1380 и возвращают в экстракционную установку 1320 для осуществления еще одного цикла выщелачивания. С целью дополнительного снижения содержания аспарагина в обескрахмаленном послепромывном экстракте 1334 может последовательно использоваться несколько таких колонн. Кроме того, две или более колонн или последовательностей колонн могут использоваться параллельно, чтобы можно было выводить из эксплуатации одну колонну (или последовательность колонн) для регенерации без остановки непрерывного процесса 1300 выщелачивания.
На фиг.13б проиллюстрирован процесс регенерации, если он необходим для ионообменной колонны, в которой из раствора избирательно удаляется аспарагин путем связывания аспарагина. Когда удаляющее аспарагин вещество одной колонны насыщается аспарагином, эту колонну выводят из эксплуатации и обескрахмаленный послепромывной экстракт 1334 направляют в остающуюся колонну или колонны. Через насыщенную колонну 1350 подают регенерационный раствор 1360, чтобы высвободить аспарагин с поверхности смолы. Содержащий большое количество аспарагина регенерационный раствор 1362, выходящий из выведенной из эксплуатации колонны 1350, может быть слит или дополнительно переработан, чтобы изолировать аспарагин и вернуть регенерационный раствор 1360 в повторный цикл. После удаления из колонны большей части аспарагина поток регенерационного раствора 1360 в колонну прекращают. Затем может быть использовано небольшое количество обескрахмаленного послепромывного экстракта 1334, чтобы промыть регенерационный раствор, остающийся в колонне. К этому моменту регенерация завершается, и колонна может затем снова использоваться в процессе 1300 выщелачивания, показанном на фиг.13а.
В одном из альтернативных вариантов осуществления работа экстракционной установки 1320 может быть разбита на две отдельные технологические операции. Первая из этих технологических операций включает стадию промывания, сходную с известной из уровня техники стадией 23 промывания, показанной на фиг.2. На этой стадии промывания используют воду с целью удаления избытка крахмала с поверхности ломтиков картофеля. Затем промытые таким способом ломтики картофеля поступают в экстракционную установку 1320 для их обработки содержащим незначительное количество предшественника картофельным экстрактом 1380, который также содержит определенное количество крахмала, достаточное для исключения или преимущественного уменьшения экстракции дополнительного крахмала из ломтиков картофеля. Согласно такому альтернативному варианту осуществления технологическую операцию 1340 удаления крахмала осуществляют на отдельном потоке, который показан на фиг.13а.
На фиг.14 проиллюстрирован другой вариант осуществления изобретения, в котором для промывания кусков сырого картофеля и удаления аспарагина применяют систему 1400 неизбирательного выщелачивания. Эта система 1400 неизбирательного выщелачивания включает четыре основные технологические операции: 1) в экстракционной установке 1420 неизбирательно выщелачивают растворимые в воде соединения, включая аспарагин, из подаваемого потока картофеля 1410 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460, 2) в установке 1440 для удаления крахмала удаляют избыточный несвязанный крахмал 1466 из получаемого послепромывного экстракта 1462, 3), по меньшей мере, в одной установке 1450 для удаления аспарагина удаляют аспарагин из обескрахмаленного картофельного экстракта 1464 после промывания и 4) в абсорбционной/подпиточной установке подпитывают обработанный картофель 1412 некоторыми из ранее экстрагированных растворимых в воде соединений.
Экстракционная установка 1420, установка 1440 для удаления крахмала и установка(-и) 1450 для удаления предшественников, показанные на фиг.14, сконструированы и действуют подобно тому, как это описано применительно к экстракционной установке 1320, установке 1340 для удаления крахмала и
установке(-ам) 1350 для удаления предшественников, показанным на фиг.13а. В отличие от системы 1300 избирательного выщелачивания, показанной на фиг.фиг.13а, в системе 1400 неизбирательного выщелачивания, показанной на фиг.14, не требуется промывание подаваемого необработанного картофеля 1410 в экстракционной установке 1420 картофельным экстрактом. Вместо этого непрерывный поток подаваемого необработанного картофеля 1410, поступающий в экстракционную установку 1420, показанную на фиг.14, может промываться чистой водой (дистиллированной, деионизированной или очищенной методом обратного осмоса) в качестве содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1460. Кроме того, как станет ясно из анализа всего процесса, израсходованный картофельный экстракт 1472 на выходе последней технологической операции 1480 может быть слит и необязательно возвращен в повторный цикл в экстракционную установку 1420. Вместе с тем израсходованный картофельный экстракт 1472 при желании можно вернуть в повторный цикл.
В ходе первой технологической операции системы 1400 неизбирательного выщелачивания непрерывный поток содержащего предшественники акриламида сырого картофеля ("необработанный картофель") 1410 протекает из одного конца экстракционной установки 1420 в другой конец, а содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460 протекает через экстракционную установку 1420 в противоположном направлении, встречном потоку необработанного картофеля 1410. Содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460 обычно содержит чистую воду, но в качестве альтернативы может содержать израсходованный картофельный экстракт 1472, выходящий из абсорбционной/подпиточной установки, или сочетание чистой воды и израсходованного экстракта 1472.
В отличие от показанной на фиг.13а экстракционной установки 1320, в которой из подаваемого картофеля 1310 извлекают только молекулы аспарагина и крахмала, показанная на фиг.14 экстракционная установка 1420 неизбирательно извлекает из подаваемого необработанного картофеля 1410 любые растворимые в воде соединения. Поскольку содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460 содержит мало или не содержит ни одно из растворимых в воде соединений, таких как восстанавливающие и невосстанавливающие сахара, крахмал и аспарагин, которые содержатся в подаваемом необработанном картофеле 1410, вследствие градиентов концентраций между подаваемым необработанным картофелем 1410 и содержащим незначительное количество предшественника экстрактом 1460 растворимые в воде соединения, которые содержатся в подаваемом необработанном картофеле 1410, диффундируют в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460. После промывания и выщелачивания обработанный картофель 1412 выходит из экстракционной установки 1420 и поступает в абсорбционную/подпиточную установку, а послепромывной экстракт 1462 выходит из экстракционной установки 1420 и поступает в установку 1440 для удаления крахмала.
В ходе второй технологической операции системы 1400 неизбирательного выщелачивания послепромывной экстракт 1462, который теперь содержит крахмал, аспарагин, восстанавливающие и невосстанавливающие сахара и другие растворимые в воде соединения, поступает в установку 1440 для удаления крахмала. Эта установка сконструирована и действует преимущественно аналогично тому, как это описано выше применительно к установке 1340 для удаления крахмала, показанной на фиг.13а. Установка 1440 для удаления крахмала отделяет от послепромывного экстракта 1462 частицы крахмала, который выходит из установки в виде суспензии или пасты 1466. Затем обескрахмаленный послепромывной экстракт 1464 выходит из установки 1440 для удаления крахмала и поступает, по меньшей мере, в одну установку 1450 для удаления предшественников.
В ходе третьей технологической операции системы 1400 неизбирательного выщелачивания, по меньшей мере, одна установка 1450 для удаления предшественников удаляет аспарагин таким же способом, как это описано выше применительно к установке(-ам) 1350 для удаления предшественников, показанной на фиг.13а. Аналогичным образом, каждую показанную на фиг.14 установку 1450 для удаления предшественников при необходимости регенерируют таким же способом, как и каждую показанную на фиг.13б установку 1350 для удаления предшественников. После удаления аспарагина из обескрахмаленного послепромывного экстракта 1464 получаемый содержащий незначительное количество предшественников подпиточный экстракт 1470 выходит из установки(-ок) 1450 для удаления предшественников и поступает в абсорбционную/подпиточную установку.
В ходе четвертой технологической операции системы 1400 неизбирательного выщелачивания в обработанный картофель 1412 возвращают ранее выщелоченные растворимые в воде соединения. С этой целью используют абсорбционную/подпиточную установку, которая представляет собой любую из установок, описанную в различных вариантах осуществления экстракционной установки 1320, показанной на фиг.13а. Например, абсорбционная/подпиточная установка может представлять собой червячный экстрактор, экстрактор с промывным баком или перколяционный экстрактор Больмана. Хотя эти установки чаще всего используют для экстрагирования растворенного вещества из твердой фазы в раствор для выщелачивания, они также могут использоваться для осуществления обратной операции - диффундировать растворенное вещество из раствора в твердую фазу. Такое оборудование лишь способствует массовому переносу между твердой и жидкой фазами. Например, в одном из вариантов осуществления абсорбционная/подпиточная установка представляет собой червячный экстрактор. Обработанный картофель 1412 поступает из экстракционной установки 1420 с одного конца червячного экстрактора 1480 и сталкивается с противотоком содержащего незначительное количество предшественников подпиточного экстракта 1470. Поскольку поступающий содержащий незначительное количество предшественников подпиточный экстракт 1470 имеет относительно высокую концентрацию растворимых в воде соединений (в основном сахаров), а обработанный картофель 1412 имеет относительно низкую концентрацию растворимых в воде соединений, растворимые в воде соединения диффундируют из содержащего незначительное количество предшественников подпиточного экстракта 1470 обратно в обработанный картофель 1412. Таким образом, концентрация растворимых в воде растворенных веществ в обработанном картофеле 1412 возрастает по мере прохождения обработанного картофеля 1412 через абсорбционную/подпиточную установку, а концентрации растворенных веществ в содержащем незначительное количество предшественников подпиточном экстракте 1470 снижается по мере прохождения содержащего незначительное количество предшественника подпиточного экстракта 1470 через установку 1480. Израсходованный экстракт 1472, выходящий из абсорбционной/подпиточной установки, может быть слит или возвращен в повторный цикл в экстракционную установку 1420 в составе содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1460. Содержание растворимых в воде растворенных веществ в подпитанном картофеле 1414 на выходе из установки 1480 является более высоким, чем их содержание в потоке обработанного картофеля 1412, но более низким, чем исходное содержание в сыром необработанном картофеле 1410.
Если израсходованный картофельный экстракт 1472 возвращают в повторный цикл в качестве содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1460, поступающего в экстракционную установку 1420, система неизбирательного выщелачивания со временем станет действовать скорее как система избирательного выщелачивания, показанная на фиг.13а. По мере приближения установившегося состояния, в содержащем незначительное количество предшественника экстракте 1460 будут увеличиваться концентрации растворимых в воде веществ помимо аспарагина и крахмала, и из подаваемого необработанного картофеля 1410 будет выщелачиваться меньше веществ. В установившемся состоянии из подаваемого картофеля 1420 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1460 экстрагируется только аспарагин и крахмал, что делает абсорбционную/подпиточную установку 1480 излишней. Таким образом, в другом варианте осуществления изобретения предусмотрено использование системы 1400 неизбирательного выщелачивания только на стадии пуска, возвращения израсходованного экстракта 1472 в повторный цикл в экстракционную установку 1420 в качестве содержащего незначительное количество предшественника экстракта 1460 и затем преобразования системы 1400 неизбирательного выщелачивания в систему 1300 избирательного выщелачивания, показанную на фиг.13, путем обхода абсорбционной/подпиточной установки после достижения установившегося состояния. В этом варианте осуществления сведено к минимуму количество растворенных веществ (таких как сахара), которые нежелательно выщелачиваются из необработанного картофеля 1310, 1410 на стадии пуска. В нем также уменьшено число кусков обработанного картофеля 1312, 1412, которые должны быть выбракованы на стадии пуска из-за неприемлемо низких уровней содержания желательных растворенных веществ.
В одном из вариантов осуществления удаление предшественников осуществляется методом выщелачивания за счет продления стадии бланширования, предусматривающей обработку цельного или нарезанного ломтиками картофеля 1410 горячей 1460 водой с температурой от 100°F до 150°F, более предпочтительно от около 120°F до 150°F, с продолжительностью вымачивания от около 1 минуты до около 5 минут, более предпочтительно от около 3 минут до около 5 минут. Зависимость температура-время важна, поскольку при более низких температурах не удаляются достаточные количества предшественников, а при более высоких температурах слишком легко удаляются все компоненты. В одном из вариантов осуществления ломтики картофеля бланшируют в растворе, содержащем одну или несколько желательных растворимых добавок, включающих без ограничения восстанавливающие сахара, такие как глюкоза и фруктоза. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения на стадии бланширования удаляется такое количество аспарагина, чтобы обеспечить уменьшение образования акриламида вплоть до 95%. Затем обескрахмаленный послепромывной экстракт 1464, который содержит компоненты, выщелоченные на стадии бланширования, охлаждают, чтобы предотвратить инактивирование фермента, и в течение 5-20 минут смешивают с ферментом аспарагиназой, имеющим концентрацию от 500 до 100000 единиц, более предпочтительно от около 3000 до около 100000 единиц на 1,4 литра раствора. В одном из вариантов осуществления обескрахмаленный послепромывной экстракт 1464 охлаждают до температуры ниже около 70°С (158°F), чтобы предотвратить разрушение аспарагиназы. В одном из вариантов осуществления раствор охлаждают до температуры от около комнатной температуры до температуры около 100°F. Аспарагиназа удаляет из обескрахмаленного послепромывного экстракта 1464 большую часть аспарагина. Затем в одном из вариантов осуществления бланшированные обработанные ломтики 1412 подпитывают желательными растворимыми веществами с помощью обработанного ферментом содержащего незначительное количество предшественников подпиточного экстракта 1470, чтобы вернуть в ломтики остальные компоненты (без аспарагина) для получения подпитанного картофеля 1414. На стадии введения, которая осуществляется в абсорбционной/подпиточной установке, может использоваться различная по температуре-времени обработка, возможно, под более высоким давлением или вакуумом. После этой обработки ломтики обжаривают в обычном температурном и временном режимах и получают чипсы.
Было проведено тринадцать сравнительных испытаний при различных соотношениях времени и температуры, чтобы исследовать выщелачивание аспарагина из ломтиков картофеля на стадии длительного бланширования. В некоторых вариантах осуществления повторно вводили выщелачивающие сахара путем вьмачивания в течение различного времени, и оценивали влияние на удаление аспарагина. Результаты испытаний приведены далее в таблице 3.
Таблица 3
Снижение содержания аспарагина в бланшированных ломтиках картофеля
Вода для выщелачивания
Ломтики
ASN*
ASN
ASN*
Условия испытаний
ч/млн
Сниж.
ч/млн
1
Контроль - 2-мин. вымачивание при комнатной температуре
2902
20
2
15-мин. вымачивание при 140°F
1353
53,4
103
3
30-мин, вымачивание при 140°F
409
85,9
104
4
60-мин, вымачивание при 140°F
92
96,8
148
5
15-мин. вымачивание при 140°F в 0,02% глюкозе/фруктозе. Споласкивание
487
83,2
159
6
30-мин. вымачивание при 140°F в 0,02% глюкозе/фруктозе. Споласкивание
385
86,8
137
7
60-мин. вымачивание при 140°F в 0,02% глюкозе/фруктозе. Споласкивание
114
96,1
166
8
15-мин. вымачивание при 140°F/15-мин. вымачивание при 95°F
440
84,8
119
9
15-мин. вымачивание при 140°F/30-мин. вымачивание при 95°F
108
96,3
174
10
15-мин. вымачивание при 140°F/60-мин. вымачивание при 95°F
117
96
167
11
15-мин. вымачивание при 140°F/Охлаждение промывной воды до 95°F; добавление 10000 единиц фермента/10-мин. перемешивание/15-мин. вымачивание ломтиков
7
99,8
150
12
15-мин. вымачивание при 140°F / Охлаждение промывной воды до 95°F; добавление 10000 единиц фермента / 10-мин. перемешивание / 30-мин, вымачивание ломтиков
9
99,7
0
13
15-мин. вымачивание при 140°F/Охлаждение промывной воды до 95°F; добавление 10000 единиц фермента / 10-мин. перемешивание / 60-мин. вымачивание ломтиков
17
99,4
0
*Средний показатель для 2 образцов
Для проведения каждого испытания из приведенной выше таблицы 200 граммов картофеля очистили от кожуры, нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма и вымочили в 5 л воды. Затем ломтики вымачивали при различных условиях с целью выщелачивания аспарагина. После каждого испытания брали пробы ломтиков картофеля и воды для выщелачивания, чтобы определить содержание аспарагина. Так, в ходе испытания 1 контрольный образец, содержащий 200 граммов ломтиков картофеля толщиной 0,053 дюйма, в течение двух минут вымачивали в 5 литрах чистой воды при комнатной температуре (около 70°F). Два протестированных ломтика картофеля имели среднюю концентрацию аспарагина 2902 част/млн, а вода для выщелачивания - 20 част/млн. Как следует из испытаний 2-4, при более длительном вымачивании получали более высокие показатели снижения концентрацию аспарагина в вымоченных или промытых ломтиках картофеля и более высокую концентрацию аспарагина в воде для выщелачивания. Как следует из испытаний 5-7, при вымачивании ломтиков картофеля в растворе, содержащем 0,02% восстанавливающих сахаров, снижение концентрации аспарагина в ломтиках картофеля увеличивалось (в испытании 5 по сравнению с испытанием 2) или оставалось таким же (результаты испытаний 3 и 6 и испытаний 4 и 7 являются сопоставимыми), как и при вымачивании в чистой воде в течение такого же времени и при такой же температуре. Этот факт важен, поскольку доказывает, что желательное избирательное выщелачивание может быть достигнуто также успешно или более успешно, чем неизбирательное выщелачивание.
Как следует из испытаний 8-10, в результате осуществления дополнительной стадии вымачивания в чистой воде при более низкой температуре снижение содержания аспарагина увеличивалось по сравнению с результатами, полученными при осуществлении одной стадии вымачивания в испытаниях 2-4. Как показывают испытания 11-13, при осуществлении первой стадии вымачивания в воде при 140°F с последующим охлаждением воды до 95°F, чтобы предотвратить инактивирование фермента путем окружения ковша льдом, после чего добавляют 10000 единиц аспарагиназы, перемешивают в течение 10 минут и вымачивают ломтики картофеля, из них удаляется свыше 99% аспарагина. Кроме того, как следует из испытаний 12 и 13, когда стадия окончательного вымачивания длится 30 минут или более, в воде для выщелачивания не остается обнаружимого количества аспарагина.
На фиг.15 показана блок-схема системы и способа добавления фермента 1555 в обескрахмаленный послепромывной экстракт 1574 с целью получения содержащего незначительное количество предшественника акриламида раствора 1580, введения сырого пищевого продукта или необработанных кусков 1510 картофеля с естественной концентрацией аспарагина в контакт с содержащим незначительное количество предшественника акриламида раствором 1580 с целью предпочтительного выщелачивания предшественника акриламида из необработанных кусков 1510 пищевого продукта, чтобы кусок сырого пищевого продукта имел пониженное содержание аспарагина, меньше естественной концентрации, и извлечения обработанных кусков 1512 пищевого продукта из экстракционной установки 1520. Как показано на примере системы 1500 выщелачивания, проиллюстрированной на фиг.15, стадия промывания может быть усовершенствована и включать непрерывный процесс выщелачивания предшественников акриламида из непрерывно подаваемого картофеля 1510.
В одном из вариантов осуществления для промывания картофеля и избирательной экстракции основного предшественника, т.е. аспарагина осуществляют пять основных технологических операций: 1) в смесительной установке 1530 получают картофельный экстракт 1532, 2) в установке 1540 для удаления крахмала удаляют твердые частицы 1546 избыточного несвязанного крахмала и картофеля, 3), по меньшей мере, в одной установке 1550 для удаления аспарагина удаляют аспарагин из обескрахмаленного послепромывного картофельного экстракта 1534, который затем возвращают в повторный цикл (в качестве содержащего незначительное количество аспарагина экстракта 1552) для непрерывного промывания и выщелачивания подаваемого необработанного картофеля 1510, 4) может использоваться, по меньшей мере, одна установка 1560 для удаления продуктов реакции, чтобы предотвратить накопление продуктов реакции, таких как аммиак и аспарагиновая кислота, которые могут образовываться в результате реакции аспарагина с аспарагиназой в установке 1550 для удаления предшественников, и 5) в экстракционной установке 1520 выщелачивают аспарагин из потока подаваемого необработанного картофеля 1510 в содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт 1580.
В ходе первой технологической операции, которую осуществляют в основном на стадии пуска или для получения подпиточного потока, в смесительную установку 1530 добавляют сырой, очищенный от кожуры и нарезанный ломтиками картофель 1514 и воду 1516, чтобы получить картофельное пюре или картофельный экстракт 1532. В этом и других вариантах осуществления с использованием избирательного выщелачивания аспарагина желательно, чтобы уровни концентрации экстракта (помимо аспарагина, избыточного крахмала и нежелательных примесей) были настолько близки к равновесному состоянию с соответствующими уровнями концентрации в подаваемом необработанном картофеле 1510, чтобы сводился к минимуму градиент концентраций, вследствие которого из подаваемого необработанного картофеля 1510 во время выщелачивания могут выводиться желательные растворимые вещества. Так, в одном из вариантов осуществления, если ломтики картофеля предварительно не промывают, между подаваемым необработанным картофелем 1510 и содержащим незначительное количество предшественника экстрактом 1580, поступающим в экстракционную установку 1520, должны существовать только два основных градиента концентраций: один при вытяжке аспарагина из подаваемого необработанного картофеля 1510 в содержащий незначительное количество аспарагина экстракт 1580, а другой - при вытяжке крахмала из подаваемого необработанного картофеля 1510 в содержащий незначительное количество предшественника экстракт 1580. Следовательно, предпочтительно сводится к минимуму количество воды 1516, используемой для получения экстракта 1532. В одном из вариантов осуществления экстракт содержит от около 300 граммов до около 1000 граммов картофеля на 1,4 литра воды. В одном из вариантов осуществления вода содержит от около 500 до около 100000 единиц на 1,4 литра. Кроме того, может быть желательным использовать нагретый содержащий незначительное количество аспарагина экстракт 1580. Поскольку растворимость аспарагина в воде увеличивается с повышением температуры, при более высоких температурах промывания/выщелачивания увеличивается количество аспарагина, который может быть выщелочен при заданной скорости потока экстракта. Например, раствор для выщелачивания может обычно использоваться при температурах от около 100°F до около 150°F.
Как показано на фиг.15, по мере контакта содержащего незначительное количество аспарагина картофельного экстракта 1580 с необработанным картофелем 1510 в экстракционной установке 1520 аспарагин и крахмал выщелачиваются в содержащий незначительное количество аспарагина экстракт 1580. Экстракционные установки, описанные выше со ссылкой на фиг.13а, также могут применяться в вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг.15.
После того, как послепромывной экстракт 1522 выходит из экстракционной установки 1520, он может быть перемещен в установку 1540 для удаления крахмала. Установки для удаления крахмала, описанные выше со ссылкой на фиг.13а, также могут применяться в вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг.15.
В ходе следующей технологической операции обескрахмаленный послепромывной экстракт 1534 поступает, по меньшей мере, в одну установку 1550 для удаления предшественников, в которой из него удаляют предшественники акриламида.
Установка 1550 для удаления предшественников имеет одно или несколько отверстий для ввода аспарагиназы 1555. В одном из вариантов осуществления установка 1550 для удаления предшественников имеет мешалку непрерывного действия. Должно быть добавлено достаточно аспарагиназы 1555, чтобы концентрация аспарагина в содержащем незначительное количество аспарагина выходящем потоке 1552 составляла менее около 50%, более предпочтительно менее около 90% концентрации аспарагина в обескрахмаленном послепромывном экстракте 1534.
Содержащий незначительное количество аспарагина выходящий поток 1552 будет содержать продукты реакции, а именно аммиак и аспарагиновую кислоту, которые образуются в результате реакции аспарагиназы с аспарагином. Желательно, чтобы в ходе непрерывного процесса до поступления в экстракционную установку 1520 удалялась часть или все продукты реакции для поддержания благоприятной предпочтительной или избирательной силы вытеснения аспарагина из необработанного картофеля 1510 и сведения к минимуму любого нежелательного побочного воздействия, которое такие продукты могут оказывать на качество и характеристики обработанного картофеля 1512, выходящего из экстракционной установки 1520. Соответственно для снижения концентрации продуктов реакции в содержащем незначительное количество аспарагина экстракте 1580, поступающем в экстракционную установку 1520, могут по отдельности или в сочетании применяться несколько способов.
В одном из вариантов осуществления из системы 1500 выщелачивания отводят определенный объем 1558 содержащего незначительное количество аспарагина выходящего потока 552, который может быть направлен в поток отработавшей воды. В одном из вариантов осуществления подпиточный поток картофельного экстракта 1532, поступающий в систему 1500 выщелачивания, пропорционален или равен объему 1558 содержащего незначительное количество аспарагина экстракта, который выходит из системы 1500 выщелачивания.
В одном из вариантов осуществления содержащий незначительное количество аспарагина выходящий поток 1552 делят на обходной поток 1556 и часть 1554 потока, которую направляют в одну или несколько установок для удаления продуктов реакции. В одном из вариантов осуществления установка 1560 для удаления аммиака предпочтительно удаляет аммиак 1562 из содержащей незначительное количество аспарагина части 1554 потока. Часть 1554 потока может содержать от около 0% до около 100% потока 1552 содержащего незначительное количество аспарагина экстракта. Для части 1554 потока может быть задан периодический режим, чтобы весь или часть потока 1552 содержащего незначительное количество аспарагина экстракта направлялась в одну или несколько установок 1560 для удаления продуктов реакции на выбранный период времени. Например, содержащая незначительное количество аспарагина часть 1554 потока может последовательно или периодически использоваться в течение около 30 минут на протяжении каждого часа работы системы 1500 выщелачивания для обработки всего или части потока 1552 содержащего незначительное количество аспарагина экстракта.
В одном из вариантов осуществления установка 1560 для удаления аммиака может удалять аммиак одним или несколькими способами по отдельности или в сочетании. Способ удаления аммиака может быть выбран из числа способов, включающих нагрев потока, снижение давления потока, продувку газа, такого как воздух, пар или азот, через поток, регулирование рН потока и использование ионообменной смолы с целью избирательного удаления аммиака из потока.
Аммиак присутствует в водном растворе в качестве равновесной системы, заданной следующей реакцией:
3
4
Доступные способы удаления аммиака из водных потоков обычно лишь позволяют извлекать аммиак (NH) в форме ионов (NH) или газообразной форме. Поскольку система находится в равновесном состоянии, в результате удаления аммиака в газообразной форме больше аммиака в форме ионов преобразуется в газообразную форму, и тем самым указанная реакция смещается вправо. Аммиак в газообразной форме также благоприятен в основных условиях, так как аммиак в форме ионов будет стремиться установить равновесное состояние. Поскольку газообразный аммиак способен улетучиваться из раствора под действием тепла, нагретый раствор аммиака также смещает указанную реакцию вправо. Любой газообразный аммиак в свободном пространстве над раствором также будет влиять на газообразный аммиак в растворе.
Следовательно, удаление газообразного аммиака из свободного пространства, например, с использованием вакуума или другого способа снижения давления также способно содействовать улетучиванию содержащегося в растворе газообразного аммиака, в результате чего реакция смещается вправо. Аммиак также может быть удален другими известными способами, описанными в патенте US 6838069, если только эти способы безвредны для пищевых продуктов. Например, аммиак может быть введен в контакт с сорбентом, который представляет собой гидроксид твердого металла, чтобы насытить сорбент аммиаком и регенерировать сорбент слабой кислотой. Соответственно в одном из вариантов осуществления установка 1560 для удаления аммиака может состоять из двух установок: установки для регенерации и установки для удаления аммиака.
В одном из вариантов осуществления аспарагиновая кислота 1572 может удаляться в установке 1570 для удаления аспарагиновой кислоты одним или несколькими способами по отдельности или в сочетании. Способ удаления аспарагиновой кислоты может быть выбран из различных способов, начиная от использования ионообменной смолы и до избирательного удаления аспарагиновой кислоты из потока, фильтрации с помощью ультрафильтрационной мембраны, электрофореза и регулирования рН потока.
Ионообменная смола в установке 1560 для удаления аммиака и/или установке 1570 для удаления аспарагиновой кислоты может использоваться в уплотненном слое. В качестве альтернативы ионообменная смола может использоваться в непрерывном периодическом режиме, в котором смолу помещают в бак, смешивают ее с частью 1554 потока, и она абсорбирует предшественники реакции, при этом смола может быть извлечена и регенерирована.
В одном из вариантов осуществления снижают рН части 1554 потока с целью осаждения аспарагиновой кислоты. Затем выпавшая в осадок фаза может быть удалена с помощью центрифуги, гидроциклона, фильтрации или других применимых средств. В одном из вариантов осуществления рН доводят до величины в диапазоне от около 4 до около 6, более предпочтительно от около 4,5 до около 5,5. С целью фильтрации аспарагиновой кислоты ультрафильтрационная мембрана может использоваться по отдельности или в сочетании с регулированием рН. Получаемый содержащий незначительное количество предшественника очищенный картофельный экстракт 1574, пропущенный через установку 1560 для удаления аммиака и/или установку 1570 для удаления аспарагиновой кислоты, будет содержать меньше продуктов реакции или побочных продуктов (например, меньше аммиака и/или аспарагиновой кислоты), чем содержащий незначительное количество аспарагина выходящий поток 1552. Очищенный содержащий незначительное количество предшественника картофельный экстракт 1574 может быть смешан с обходным потоком 1556 и становиться содержащим незначительное количество аспарагина картофельным экстрактом 1580.
Затем по аналогии с проиллюстрированной на фиг.2 известной из уровня техники стадией 23 промывания поток содержащего предшественники акриламида очищенного от кожуры и нарезанного ломтиками картофеля 1510 ("необработанного картофеля") поступает в экстракционную установку 1520, в которой картофель вводят в контакт с содержащим незначительное количество предшественника картофельным экстрактом 1580. Содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт 1580 представляет собой поток воды, содержащей все растворимые в воде компоненты картофеля за исключением конкретного предшественника акриламида, который должен быть удален из подаваемого необработанного картофеля 1510. Так, в предпочтительном варианте осуществления содержащий незначительное количество аспарагина картофельный экстракт 1580 в установившемся состоянии представляет собой водный раствор или суспензию всех растворимых в воде твердых веществ и соединений картофеля за исключением аспарагина. Картофельный экстракт обычно содержит растворимые в воде соединения, такие как восстанавливающие и невосстанавливающие сахара, крахмалы и различные аминокислоты. В установившемся состоянии концентрации растворимых в воде соединений помимо крахмала и аспарагина в содержащем незначительное количество аспарагина экстракте 1580 находятся в равновесном или близком к равновесному состоянии с соответствующими концентрациями растворимых в воде соединений в подаваемом необработанном картофеле 1510. При анализе воздействий регулирования различных параметров технологических операций, таких как воздействия, проиллюстрированные на фиг.13 и 14, важно помнить, что все они будут оказывать определенное побочное воздействие на качество и характеристики конечного продукта. Следовательно, любое регулирование какой-либо из технологических операций должно быть тщательно выбрано с тем, чтобы получать продукт, обладающий желаемыми конечными характеристиками. Эти характеристики включают цвет, вкус и аромат, привкус, плотность, запах и особенности срока хранения конечного продукта.
b
На фиг.5 проиллюстрирована другая особенность технологических операций и показано влияние снижения содержания влаги в чипсах на стадии тепловой обработки. Как показано на фиг.2, стадия 24 тепловой обработки является технологической операцией, которая обычно предусматривает тепловую обработку чипсов из нарезанного ломтиками картофеля в обжарочном аппарате непрерывного действия при высоких температурах. На фиг.5 показана диаграмма, по горизонтальной оси или оси х которой отложено содержание влаги в конечном продукте типа чипсов. По вертикальной оси или оси у отложено содержание акриламида ("АА") в конечном продукте в част/млрд. Также показано несколько измерительных точек, отображающих процентное содержание влаги в зависимости от содержания акриламида в конечных чипсах. Обжарку осуществляли при двух различных температурах, при этом символами в виде ромбов отображены измерительные точки для чипсов, обжаренных при температуре около 178°С (353°F), а символами в виде квадратов - для чипсов, обжаренных при температуре около 149°С (300°F). По измерительным точкам вычерчены кривые 51, 52, чтобы установить тенденцию. Вычерченные кривые 51, 52 подчиняются общему уравнению: y=сx, в котором "y" означает содержание акриламида, "с" является константой, "х" означает содержание влаги, а "b" является экспонентой "х". Первая кривая 51 соответствует измерительным точкам при температуре обжарки 149°С (300°F). Вторая кривая 52 соответствует измерительным точкам при температуре обжарки 178°С (353°F). Как показано на фиг.5, при содержании влаги выше около 3% по весу содержание акриламида остается очень низким независимо от температуры обжарки.
Если на фиг.5 показана зависимость между содержанием акриламида и содержанием влаги в обжаренных ломтиках картофеля, на фиг.6 показана та же зависимость применительно к печеному конечному продукту типа чипсов, изготовленных из сухой смеси. По вертикальной оси диаграммы, проиллюстрированной на фиг.6, отложена концентрация акриламида, а по горизонтальной оси - содержание влаги по весу. Хотя концентрация акриламида обычно выше в печеном конечном продукте типа чипсов, чем в жареных ломтиках картофеля, и на фиг.5, и на фиг.6 показано, что концентрация акриламида в продуктах тепловой обработки картофеля остается довольно низкой, пока содержание влаги составляет менее около 3%.
Из фиг.5 и 6 следует, что содержание акриламида в картофельных чипсах, подвергнутых тепловой обработке в обычном обжарочном аппарате, довольно резко возрастает, как только содержание влаги падает ниже 3% по весу, когда, по-видимому, не остается достаточно влаги для поддержания температуры продукта ниже температуры образования акриламида. Например, на фиг.5 показано, что содержание акриламида в конечном продукте является относительно низким, когда содержание влаги в чипсах во время технологической операции тепловой обработки составляет 3% по весу или более независимо от воздействия высокотемпературной среды тепловой обработки. На фиг.5 и 6 показано, что содержание влаги является полезным дополнительным параметром технологической операции, который может регулироваться с целью уменьшения образования акриламида в конечном продукте.
К сожалению, содержание влаги в конечных картофельных чипсах в идеале должно быть менее около 2%, предпочтительно около 1,3-1,4%. При любом содержании свыше 2% и даже 1,4% может происходить потеря свежести и бактериальная порча упакованного продукта, а также могут изменяться органолептические свойства, например вкус, текстура и т.д. Тем не менее, изменения цвета, вкуса и консистенции конечного продукта могут быть скорректированы различными способами. Кроме того, изменение свойств конечного пищевого продукта с более высоким содержанием влаги можно компенсировать на стадии перед расфасовкой путем корректировки различных параметров, таких как увеличение вытяжного колпака обжарочного аппарата, использование закрытых конвейеров, ведущих к упаковочным машинам, осушение производственной среды, и различных параметров расфасовки, таких как упаковочный материал, пленки, мешки и уплотнения. Так, в другом варианте осуществления предложенного способа уменьшения образования акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах одной из дополнительных технологических операций является окончательная обработка пищевого продукта после его поступления с конечной стадии тепловой обработки при содержании влаги, например, около 1,4% по весу, около 1,6% по весу, около 1,8% по весу и около 2% по весу или при любом процентном содержании влаги по весу от 1,4% до 2%.
Вместе с тем, важно отметить, что известны другие продукты на основе картофеля, в которых значительные количества акриламида образуются даже при относительно высоком содержании влаги. Например, известно, что во время тепловой обработки значительные количества акриламида образуются в картофеле фри, содержание влаги в котором на выходе из обжарочного аппарата обычно составляет свыше 15% по весу. Из этого можно заключить, что образование акриламида зависит от температуры (в частности, температуры на поверхности) подвергаемого тепловой обработке продукта, а не от общего содержания влаги. По существу, исследованиями доказано, что акриламид не образуется в значительных количествах, пока необходимые реагенты не подвергнуться воздействию температур около 250°F/120°C. Таким образом, в продукте на основе картофеля, содержащем соединения предшественников акриламида, по-видимому, не будут образовываться значительные количества акриламида, пока в результате тепловой обработки температура продукта, которая может значительно отличаться от температуры среды тепловой обработки, не превысит 120° (250°F). Тем не менее, содержание влаги в таком продукте может служить хорошим показателем того, превысила ли температура продукта температуру образования акриламида.
Специалисты в данной области техники теоретически предположили, что влага в продукте способствует поддержанию температуры внутри продукта ниже температуры образования акриламида даже в среде с относительно высокой температурой. Однако, когда большая часть влаги удаляется, под действием высокотемпературной среды температура продукта может превысить температуры образования акриламида. Вместе с тем важно учитывать, что не все части подвергаемого тепловой обработке продукта имеют одинаковую внутреннюю температуру. Например, поскольку картофель фри может иметь достаточно большую толщину по сравнению с ломтиками картофеля, он обычно имеет больший градиент влажностей между внутренней и наружной частями продукта. Следовательно, подвергаемый тепловой обработке картофель фри может иметь достаточно высокую температуру на поверхности, даже несмотря на высокое содержание влаги внутри. В отличие от этого ломтик картофеля является более тонким, и в процессе тепловой обработки влага обычно более равномерно распределена в нем. Таким образом, по меньшей мере, для тонких продуктов, таких как ломтики картофеля или куски картофельного полуфабриката, содержание влаги все же может являться верным показателем их внутренней температуры. Это также справедливо в отношении не содержащих картофель продуктов, изготавливаемых из кукурузы, ячменя, пшеницы, риса, овса проса и других содержащих крахмал зерновых. Кроме того, может быть создано оборудование для непрерывной тепловой обработки в различных режимах, когда температура постепенно снижается по мере снижения содержания влаги в подвергаемом тепловой обработке продукте. За счет этого можно быстро удалять влагу, не давая температуре продукта превысить температуру образования акриламида.
Следовательно, согласно одной из особенностей настоящего изобретения технологическую операцию тепловой обработки (четвертую технологическую операцию 24, проиллюстрированную на фиг.2) делят, по меньшей мере, на две отдельных стадии нагрева. Первую стадию нагрева осуществляет при повышенной температуре с целью снижения содержания влаги до уровня, близкого, но не превышающего 3% по весу. Затем содержание влаги в продукте доводят до желаемого содержания влаги, составляющего около 1-2% по весу, но предпочтительно около 1,4%
по весу, а на стадии тепловой обработке при пониженной температуре температуру доводят до уровня ниже около 120°С (250°F). Тем не менее описанные технологические усовершенствования не ограничены известными из уровня техники способами тепловой обработки ломтиков картофеля, как, например, способом, проиллюстрированным на фиг.2. Эти усовершенствования также применимы в способах изготовления полуфабрикатов из картофеля, кукурузы, пшеницы, ржи, риса, овса, проса и других содержащих крахмал зерновых. Например, эти технологические усовершенствования могут использоваться для уменьшения образования акриламида, в том числе в полуфабрикатах из картофеля и кукурузы, сухих завтраках, печенье крекер, твердых кренделях и хлебобулочных изделиях. Отмечаем, что термины "усовершенствованная стадия тепловой обработки" и "усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки" подразумевают не только проиллюстрированный на фиг.2 известный из уровня техники способ тепловой обработки ломтиков картофеля, но также известные из уровня техники способы изготовления других пищевых продуктов, в которых желательно уменьшить образование акриламида. Кроме того, термин "куски картофеля" подразумевает как ломтики сырого картофеля, так и куски картофельного полуфабриката, полученного из картофельного крахмала или теста.
Каждая стадия нагрева может осуществляться с использованием различных способов нагрева. Например, первая стадия нагрева может включать обжарку при атмосферном давлении, обжарку под вакуумом, обжарку с помощью сверхвысокочастотного излучения или выпекание. Тем не менее, в качестве альтернативы первая стадия нагрева может включать любой другой способ тепловой обработки продукта и снижения содержания влаги в нем с первоочередным вниманием к показателям эффективности производства, таким как время пребывания, затраты энергии, капитальные затраты на оборудование и доступные размеры помещения. Когда первая стадия нагрева предусматривает обжарку продукта, первую стадию нагрева часто называют "частичной обжаркой", так как при этом происходит только частичная тепловая обработка продукта, пока содержание влаги в нем не снизится до уровня, близкого, но не превышающего 3% по весу. Вторая стадия нагрева может включать обжарку под вакуумом, низкотемпературную сушку в печи, сушку в вакуумной печи или любой способ тепловой обработки с поддержанием температур тепловой обработки, необходимых на второй стадии нагрева. Тем не менее также могут использоваться другие способы снижения содержания влаги без создания наиболее благоприятных для образования акриламида условий низкого содержания влаги/высокой температуры, если только поддерживается температура продукта ниже температуры образования акриламида, составляющей около 120°С (250°F). Вторую стадию нагрева часто называют "окончательной обжаркой" или "окончательной сушкой", так как содержание влаги дополнительно снижается до конечного желаемого уровня.
За счет усовершенствования стадии 23 промывания и/или стадии 24 тепловой обработки способа изготовления картофельных чипсов, проиллюстрированного на фиг.2, можно значительно снизить содержание акриламида в конечном продукте без отрицательного воздействия на качество и конечные характеристики продукта. В одном из предпочтительных вариантов осуществления предложен способ изготовления картофельных чипсов с использованием измельченного свежего картофеля, в котором традиционные стадии очистки от кожуры, резания ломтиками и промывания сочетают с усовершенствованной технологической операцией тепловой обработки, предусматривающей частичную обжарку при температуре от около 165°С до около 182°С (330-360°F) в течение 1-3 минут с последующей сушкой в печи при температуре ниже около 120°С (250°F) до снижения содержания влаги в чипсах до около 1,4% по весу. При испытаниях этого предпочтительного варианта осуществления было достигнуто содержание акриламида менее 130 част/млрд. В этом предпочтительном варианте осуществления достигнуто равновесие между высоким уровнем снижения содержания акриламида и приемлемым изменением качества продукта, сопутствующим необходимым технологическим усовершенствованиям. Вместе с тем возможны другие варианты осуществления. На фиг.7а, 7б и 8 проиллюстрированы различные примеры сочетаний усовершенствований промывания, включающие введение в контакт с водным раствором, и усовершенствований тепловой обработки, снижающих конечное содержание акриламида по сравнению с показателями, получаемыми известными из уровня способами. Например, конечное содержание акриламида свыше 300 част/млрд снижено до менее 100 част/млрд. Хотя на фиг.7а, 7б и 8 показаны варианты осуществления, в которых используют ломтики сырого картофеля, усовершенствованные способы промывания согласно этим вариантам осуществления также применимы в сырых пищевых продуктах других типов, в которых желательно снижение содержания акриламида, таких как сладкий картофель, батат и бананы. Аналогичным образом, усовершенствования тепловой обработки согласно этим вариантам осуществления также применимы в других обжаренных пищевых продуктах, таких как жареные тортильи, жареные бананы, жареный сладкий картофель и жареный батат.
На фиг.7а показано содержание акриламида в картофельных чипсах, изготовленных путем сочетания нескольких различных вариантов осуществления усовершенствованной стадии промывания, включающей сочетание с одним частным вариантом осуществления усовершенствованной стадии тепловой обработки. Усовершенствованная стадия тепловой обработки, проиллюстрированная на фиг.7а, включает частичную обжарку ломтиков картофеля при температуре около 178°С (353°F) в течение приблизительно 1-3 минут на первой стадии нагрева, а затем сушку ломтиков картофеля в печи при температуре около 120°С (250°F) до снижения содержания влаги приблизительно до 1,3% по весу на второй стадии нагрева. Преимущество частичной обжарки с последующей сушкой в печи состоит в том, что можно избежать условий низкого содержании влаги/высокой температуры, наиболее благоприятных для образования акриламида, и при этом получать конечные продукты, органолептические свойства которых сходны со свойствами продуктов, обжаренных традиционным способом. Тем не менее в результате длительной сушки в печи у продукта может появиться привкус сухости, и он может подгореть, что сложно замаскировать.
По вертикальной оси или оси у диаграммы, проиллюстрированной на фиг.7а, отложена концентрация акриламида в част/млрд, а по горизонтальной оси или оси х - параметры каждого варианта осуществления усовершенствованной стадии промывания, включающей введение ломтиков картофеля в контакт с водным раствором. Каждая измерительная точка иллюстрирует пару вертикальных столбиков: левый столбик отображает концентрацию акриламида после введения в контакт и частичной обжарки, а правый столбик отображает концентрацию акриламида после сушки в печи. Если смотреть слева направо, показанная на фиг.7а первая измерительная точка 71, как и точки на фиг 3 и 4, соответствует базовому образцу, который в течение 2-3 минут промывали в воде при комнатной температуре, а затем обжаривали при атмосферном давлении до содержания влаги приблизительно 1,3% по весу. Вторая измерительная точка 72 аналогична первой точке за исключением того, что образец обжаривали до содержания влаги около 1,0%. Отмечаем, что первый и второй образцы 71, 72 имели содержание акриламида около 320 част/млрд и 630 част/млрд акриламида соответственно. Третья измерительная точка 73 соответствует образцу, который также в течение 2-3 минут промывали в воде при комнатной температуре, но затем частично обжаривали до содержания влаги несколько выше 3% и сушили в печи до содержания влаги около 1,3%. Левый и правый столбики доказывают, что образец после стадии частичной обжарки имел относительно низкую концентрацию акриламида около 65 част/млрд, которая увеличилась менее чем на 15 част/млрд после стадии сушки в печи. Четвертая измерительная точка 74 соответствует ломтикам картофеля, которые в течение пяти минут контактировали с содержащим воду водным раствором при температуре около 60°С (140°F), после чего осуществили стадии частичной обжарки и сушки в печи согласно усовершенствованной технологической операции тепловой обработки. В результате этого пятиминутного контакта при температуре 60°С (140°F) в сочетании со стадиями частичной обжарки и сушки в печи получили еще более низкую конечную концентрацию акриламида менее 40 част/млрд.
У всех образцов, контактировавших с растворами 75, 76, 77 хлорида кальция, содержание акриламида превышало его содержание в образце 74, который в течение 5 минут контактировал с чистой водой при температуре около 60°С (140°F). Тем не менее конечное содержание акриламида во всех таких образцах все же оставалось ниже 80 част/млрд, что значительно меньше 320 част/млрд в базовом образце.
Последняя измерительная точка 78 соответствует 15-минутному контакту с водным раствором, содержащим 1% L-цистеин. Интересно, что этот способ обеспечивал наименьшую концентрацию акриламида из нескольких способов введения в контакт, проиллюстрированных на фиг.7а. Тем не менее в этом способе введения в контакт также требовалась наибольшая из различных способов, показанных на фиг.7а, продолжительность контакта. Хотя применение 1% L-цистеина 78 в качестве водного раствора для введения в контакт обеспечивало наименьшее содержание акриламида в конечном продукте, должны учитываться другие обстоятельства, такие как влияние такого продолжительного контакта на качество продукта, а также расходы на увеличение продолжительности контакта.
На фиг.7б показаны последние шесть измерительных точек 73, 74, 75, 76, 77, 78 диаграммы, проиллюстрированной на фиг.7а, на примере более узкой шкалы концентрации акриламида.
На фиг.8 результаты, проиллюстрированные на фиг.7б, нормированы, чтобы показать содержание акриламида, которое могло бы ожидаться, если бы образцы для испытаний обжаривали до содержания влаги несколько выше 3% по весу, а затем сушили в печи при температуре около 120°С (250°F) до стандартного содержания влаги около 1,3% по весу. Содержание акриламида нормируют таким же способом, который описан выше со ссылкой на фиг.4. При сравнении результатов 83, 84, 88, проиллюстрированных на фиг.8, с результатами сходных экспериментов 41, 43, 45, проиллюстрированными на фиг.4, видно, что при делении технологической операции тепловой обработки на первую высокотемпературную стадию нагрева и вторую низкотемпературную стадию нагрева значительно снижается содержание акриламида. Хотя на фиг.4 показано, что при обжарке традиционным способом до стандартного содержания влаги 1,32% по весу концентрации акриламида должны составлять от немногим более 100 част/млрд до свыше 400 част/млрд, на фиг.8 показано, что при частичной обжарке и сушке в печи до такого стандартного содержания влаги концентрация акриламида должна быть значительно ниже и составлять менее 100 част/млрд. Совокупная выгода от сочетания усовершенствованной технологической операции промывания, включающей стадию введения в контакт, с усовершенствованной технологической операцией тепловой обработки особо очевидна при сравнении измерительной точки 43 на фиг.4 (температура около 54°C (130°F)/5-минутный контакт) и измерительной точки 84 на фиг.8 (температура около 60°C (140°F)/5-минутный контакт) с базовой измерительной точкой 41 на фиг.4. Как указано выше применительно к фиг.4, в результате увеличения продолжительности контакта с 2-3 минут до 5 минут и повышения температуры контакта с комнатной температуры до температуры около 54°С (130°F) содержание акриламида в конечном продукте снижается с около 330 част/млрд до приблизительно 230 част/млрд. Вторая измерительная точка 84 на фиг.8 доказывает, что конечное содержание акриламида может быть дополнительно снижено до менее около 40 част/млрд, когда за аналогичной 5-минутной стадией введения в контакт при температуре около 60°С (140°F) следует усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки, предусматривающая частичную обжарку и сушку в печи.
На фиг.9 проиллюстрировано резкое увеличение конечной концентрации акриламида в результате сушки в печи при температуре выше около 120°С (250°F). Как показано на фиг.9, образцы для испытаний вводили в контакт, а затем частично обжаривали таким же способом, который проиллюстрирован на фиг.7б, но затем образцы сушили в печи при температуре около 176°С (350°F), а не около 120°С (250°F). Затем величины конечной концентрации акриламида в образцах для испытаний нормировали, чтобы показать предполагаемое содержание акриламида после достижения содержания влаги около 0,76% по весу (что является конечным содержанием влаги при стандартном 2-3-минутном промывании водой, как это отображено базовой точкой, которая обозначена как первая измерительная точка). Если сравнить вторую измерительную точку 74 на фиг.7б со второй измерительной точкой 94 на фиг.9, например, при повышении температуры сушки в печи от около 120°С (250°F) до около 170°С (350°F) концентрация акриламида увеличивается с немногим менее 40 част/млрд до приблизительно 270 част/млрд. Это повышение температуры в печи аналогичным образом приводит к резкому повышению концентрации акриламида в других образцах для испытаний с менее 100 част/млрд до более 500 част/млрд. Другой образец для испытаний (не показан) промыли с целью удаления крахмала с поверхности, частично обжарили при температуре около 176°С (350°F) до содержания влаги около 3-5% по весу, а затем высушили в промышленной печи Венгера при температуре около 132°С (270°F) до конечного содержания влаги около 1,3% по весу, в результате содержание акриламида в нем составило около 270 част/млрд. Таким образом, проиллюстрированные на фиг.9 результаты 93, 94, 95, 96, 97, 98, а также результаты испытания образца, высушенного в печи при температуре около 132°С (270°F), доказывают преимущества поддержания температуры тепловой обработки и/или сушки продукта на уровне, ниже или равном около 120°С (250°F), когда содержание влаги составляет менее приблизительно 3% по весу. Это относится не только к ломтикам сырого картофеля, но также к другим сырым пищевым продуктам, таким как батат и бананы, и полуфабрикатам из картофеля, кукурузы, ячменя, пшеницы, ржи, риса, овса, проса и других содержащих крахмал зерновых.
На фиг.10 в виде диаграммы представлены результаты и рабочие условия согласно еще одному варианту осуществления, в котором ломтики картофеля промывают, частично обжаривают и затем сушат в печи. Контрольный образец 101 подвергли обработке способом, сходным с тем, который описан применительно к базовым образцам 71, 72, показанным на фиг.7а. После примерно 20-30-секундного промывания ломтиков картофеля в воде при комнатной температуре с последующим кратковременным контактом с разбавленным (3-5%) раствором хлорида натрия в течение нескольких секунд контрольный образец 101 в виде очищенных от кожуры ломтиков картофеля для чипсов сорта Гермес толщиной 1,45 мм в течение приблизительно 3 минут частично обжаривали в масле с начальной температурой около 179°С (354°F) до содержания влаги 1,4% по весу. Контрольный образец 101 имел концентрацию акриламида 640 част/млрд, близкую к 630 част/млрд у второго базового образца 72, показанного на фиг.7а. Образец 102 для испытаний промыли и ввели в контакт таким же образом, как и контрольный образец 101, затем с помощью большого промышленного обжарочного аппарата образец 102 для испытаний в течение около 3 минут частично обжаривали в масле с начальной температурой около 174°С (345°F), пока содержание влаги не снизилось до 2,5% по весу. Затем частично обжаренный образец 102 для испытаний в течение 6 минут окончательно обжаривали в печи при температуре около 110°С (230°F), пока содержание влаги не снизилось до 1,4% по весу. В результате тепловой обработки этим способом получали продукт со сниженной концентрацией акриламида 160 част/млрд, что приблизительно составляет 25% концентрации акриламида в контрольном образце 101.
В ходе еще одной серии испытаний (не проиллюстрированных), сходных с испытаниями, проиллюстрированными на фиг.10, ломтики картофеля подвергли стандартной процедуре промывания, частично обжарили до содержания влаги около 3-5% по весу и затем высушили в печи до содержания влаги менее около 2% по весу. Контрольный образец промыли и затем обжарили при температуре около 179°С (354°F) до конечного содержания влаги около 1,3% по весу, в результате чего содержание акриламида составило 380 част/млрд. Тем не менее, в результате частичной обжарки образца для испытаний при температуре около 179°С (354°F) до содержания влаги от около 3 до около 5% содержание акриламида составило приблизительно 64 част/млрд. Затем частично обжаренный продукт подвергли сушке в промышленной печи Венгера при различных температурах. Было доказано, что в результате сушки частично обжаренных ломтиков при температуре около 115°С (240°F) до конечного содержания влаги около 1,3% по весу в печи Венгера содержание акриламида составляло 125 част/млрд. Интересно, что при сушке частично обжаренных ломтиков при температуре около 100°С (212°F) и при давлении, равном атмосферному, или немного ниже атмосферного (13,6-14,6 фунтов на кв. дюйм) даже в течение длительного времени (вплоть до 10-15 минут) содержание акриламида не увеличивалось. Этот вариант осуществления доказывает, что ломтики картофеля могут быть частично обжарены при температуре около 179°С (354°F) до содержания влаги 3-5% и затем высушены в печи при температуре около 100°С (212°F) при давлении, равном атмосферному, или немного ниже атмосферного без увеличения содержания акриламида свыше того, что образуется в ходе операции частичной обжарки. С целью дополнительного снижения концентрации акриламида, образующегося в подвергнутом тепловой обработке продукте, ломтики картофеля могут быть удалены со стадии частичной обработки при содержании влаги, достигающем 10% по весу, но слишком раннее удаление продукта способно повлиять на конечную текстуру продукта. Вместе с тем отмечаем, что этот способ не ограничен ломтиками сырого картофеля и может быть применен в других обжаренных пищевых продуктах, таких как жареные тортильи, жареные бананы, жареный сладкий картофель и жареный батат. Преимущество частичной обжарки и затем сушки в печи при температуре около 100°С (212°F) состоит в том, что для значительного уменьшения образования акриламида с более 300 част/млрд до менее около 70 част/млрд может быть усовершенствована только технологическая операция тепловой обработки, и не требуется усовершенствование стандартных стадий очистки от кожуры, резания ломтиками и промывания.
В группе вариантов осуществления с использованием частичной обжарки с последующей сушкой в печи также можно осуществлять сушку в печи под вакуумом, чтобы способствовать удалению влаги. За счет сушки в печи под вакуумом сокращается время, необходимое для сушки продукта до желаемого конечного содержания влаги. Хотя доказано, что сушка в печи при температуре, равной или близкой к 100°С (212°F), не вызывает поддающегося измерению увеличения содержания акриламида, для сушки продукта в печи при этой температуре требуется относительно длительное время. Таким образом, сушка в вакуумной печи помогает сократить время, необходимое для того, чтобы высушить продукт. Она также помогает сократить время, в течение которого на продукт воздействуют температуры, при которых образуется акриламид в случае сушки в печи при более высоких температурах.
Хотя на фиг.7а, 7б, 8 и 10 показаны результаты испытаний при сочетании одного частного варианта осуществления усовершенствованной технологической операции тепловой обработки с несколькими различными вариантами осуществления усовершенствованной технологической операции промывания, включающей стадию введения в контакт, возможны другие варианты осуществления и сочетания. Например, за несколькими различными стадиями введения в контакт, показанными на этих фигурах, может следовать отличающаяся усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки. В качестве альтернативы, в усовершенствованном способе уменьшения образования акриламида может просто использоваться усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки без усовершенствования каких-либо других технологических операций. В другой группе вариантов осуществления изобретения вторая из двух стадий нагрева усовершенствованной технологической операции тепловой обработки включает окончательную обжарку под вакуумом вместо обжарки при атмосферном давлении. За счет окончательной обжарки под вакуумом можно продолжать обжаривать частично обжаренный или подвергнутый тепловой обработке продукт, получаемый после первой стадии нагрева, но при температуре ниже температуры, при которой образуются значительные количества акриламида. В одном из вариантов осуществления разрежение должно быть таким, чтобы обжарка происходила при температуре ниже около 120°С (250°F). Такая окончательная обжарка под вакуумом также может использоваться для других обжаренных пищевых продуктов, таких как продукты, получаемые из картофеля, кукурузной муки, ячменя, пшеницы, риса, проса и других содержащих крахмал зерновых.
На фиг.11 в виде диаграммы представлены результаты и рабочие условия нескольких примеров усовершенствованной технологической операции тепловой обработки, предусматривающей частичную обжарку с последующей окончательной обжаркой под вакуумом. Для получения контрольного образца 110 и образцов 111, 112, 113, 114 для испытаний картофель для чипсов сорта Гермес очистили от кожуры, нарезали ломтиками толщиной около 1,35 мм и подвергли стандартному 20-30-секундному промыванию в воде при комнатной температуре. После промывания контрольный образец 110 в течение около 2,5 минут обжаривали при атмосферном давлении в масле с начальной температурой около 177°С (351°F) до содержания влаги 0,83% по весу, в результате чего концентрация акриламида составила 370 част/млрд. В ходе испытаний 1-4 все образцы 111, 112, 113, 114 частично обжарили при атмосферном давлении и температуре около 177°С (351°F) и окончательно обжарили под вакуумом при температуре около 120°С (248°F) и давлении 100 миллибар, но частичную обжарку и окончательную обжарку под вакуумом каждого образца осуществляли в течение различных периодов времени. В ходе испытания 1 содержание акриламида в образце 111 после промывания составляло 220 част/млрд, частичная обжарка при атмосферном давлении до содержания влаги 3% по весу длилась около 100 секунд, а окончательная обжарка под вакуумом до содержания влаги около 0,7% по весу длилась 44 секунды. Результаты испытаний 2-4 с использованием образцов 112, 113, 114 доказывают, что содержание акриламида в конечном продукте резко снижается, когда прекращают частичную обжарку и начинают окончательную сушку под вакуумом до того, как содержание влаги снизится до 3% по весу. Конечная концентрация акриламида во всех образцах 112, 113, 114, которые использовали в испытаниях 2-4, составляла менее 50 част/млрд. Образец 114 из испытания 4 имел содержание акриламида лишь 13 част/млрд, которое было достигнуто за счет частичной обжарки до содержания влаги 10% по весу, а затем обжарки под вакуумом до содержания влаги около 1% по весу. Из представленных данных следует, что в результате частичной обжарки ломтиков до более высокого содержания влаги перед их окончательной низкотемпературной обжаркой под вакуумом резко снижается конечная концентрация акриламида. Этот способ также применим для снижения конечной концентрации акриламида в других обжаренных продуктах, таких как жареные тортильи, жареные бананы, жареный сладкий картофель и жареный батат. Преимущества окончательной обжарки под вакуумом после частичной обжарки до содержания влаги около 3-10% по весу состоят в том, что конечные стадии тепловой обработки могут быть осуществлены при низких температурах без воздействия на текстуру продукта, и благодаря их эффективности при уменьшении образования акриламида может быть исключена необходимость в усовершенствованной стадии промывания, на которой продукт вводят в контакт с водным раствором. Тем не менее окончательная обжарка под вакуумом также позволяет осуществлять конечные стадии тепловой обработки при более высоких температурах, чем возможные температуры, когда не осуществляется обжарка под вакуумом, и одновременно обеспечивает сниженную концентрацию акриламида в конечном продукте. Отмечаем, что окончательно обжаренный под вакуумом продукт имел более светлый цвет, чем контрольный образец, при перемещении подвергаемого тепловой обработке продукта из установки для частичной обжарки в установку для окончательной обжарки под вакуумом при более высоком содержании влаги продукту может быть придан легкий вкус и аромат. Следует учитывать, что капитальные затраты на оборудование для окончательной обжарки под вакуумом могут быть выше, чем на оборудование для сушки в печи.
Аналогичным образом, на первой из двух стадий нагрева усовершенствованной технологической операции тепловой обработки может использоваться частичная обжарка под вакуумом. Например, в одном из вариантов осуществления усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки предусматривает частичную обжарку под вакуумом до содержания влаги, близкого, но превышающего пороговое содержание влаги 3-4% по весу, а затем окончательную сушку в печи при температуре не выше около 120° (250°F). За счет частичной обжарки под вакуумом продукт можно обжаривать при более низкой температуре, в результате чего образуется меньше акриламида. Кроме того, сушка в печи при температуре около 120° (250°F) или ниже гарантирует, что количество дополнительного акриламида, образующегося на стадии сушки в печи, составляет от небольшого до нулевого. Преимущество частичной обжарки под вакуумом на первой из двух стадий нагрева в особенности при температуре ниже около 120°С (250°F) и даже ниже около 140°С (284°F), состоит в том, что количество акриламида, образующегося на первой стадии, составляет от небольшого до нулевого, тогда как в результате частичной обжарки обычно образуется, по меньшей мере, некоторое количество акриламида. Тем не менее в результате обжарки под вакуумом на первой стадии нагрева может быть получен продукт с отличающимися конечными характеристиками.
В другом варианте осуществления изобретения предложена усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки, включающая первую стадию выпекания при более высокой температуре и вторую стадию выпекания при более низкой температуре, для линий по производству печеных продуктов, на которых изготавливают закусочные или пищевые продукты из полуфабрикатов, такие как сухие завтраки, печенье, крекер, твердые крендели и хлебобулочные изделия. В ходе технологической операции тепловой обработки согласно этому варианту осуществления продукт сначала выпекают при более высокой температуре (свыше около 120°С (250°F)), пока содержание влаги в нем не снизится до около 4% - около 10% по весу. Затем продукт сушат в печи (окончательно сушат или выпекают) при температуре не выше около 120°С (250°F), пока не будет достигнуто желаемое содержание влаги, обычно от около 1% до около 3% по весу. Например, на первой стадии нагрева при более высокой температуре может использоваться конвекционная печь для снижения содержание влаги до около 10% по весу. Печь может быть поделена на четыре зоны нагрева, при этом температура в первой зоне является самой высокой и постепенно снижается в остальных трех зонах. На второй стадии нагрева при более низкой температуре может использоваться однозонная конвекционная печь с нижней тягой для завершения процесса тепловой обработки. Вместе с тем на обеих стадиях нагрева согласно этому варианту осуществления могут использоваться печи других типов. Кроме того, как в вариантах осуществления, предусматривающих частичную обжарку с последующей сушкой в печи, вторая стадия нагрева при более низкой температуре согласно этому частному варианту осуществления может протекать при температуре около 100°С (212°F) и давлении немного ниже атмосферного, чтобы количество дополнительного акриламида, образующегося после первой стадии нагрева при более высокой температуре, составляло от небольшого до нулевого.
В испытаниях одного из примеров осуществления, предусматривающего первую стадию выпекания при более высокой температуре и вторую стадию выпекания при более низкой температуре, картофельный полуфабрикат сначала выпекали при температуре свыше около 120°С (250°F), пока содержание влаги не снизилось приблизительно до 10% по весу. Затем куски в течение около 10 минут окончательно высушивали при температуре около 110°С (230°F), пока содержание влаги не снизилось до около 1,7-2,2% по весу. Конечное содержание акриламида составило около 100-200 част/млрд. Тем не менее, когда несколько образцов частично выпеченных кусков окончательно высушили при температуре около 120°С (250°F) до содержания влаги около 1,6% по весу, содержание акриламида составило от 470 до 750 част/млрд. Кроме того, значительно более высокое содержание акриламида от 460 до 1900 част/млрд было получено, когда образцы частично выпеченных ломтиков окончательно обжарили при температуре около 132°С (270°F) до содержания влаги около 1,6-2,2% по весу. Эти результаты еще раз подчеркивают, насколько важно поддерживать температуру тепловой обработки или сушки подвергаемого тепловой обработке продукта на уровне около 120°С (250°F) или ниже во время конечных стадий тепловой обработки. Это относится не только к тепловой обработке картофельного полуфабриката, но также к другим полуфабрикатам, получаемым из картофеля, кукурузы, ячменя, пшеницы, ржи, риса, овса, проса и других содержащих крахмал зерновых. Это также относится к тепловой обработке сырых пищевых продуктов, таких как батат и бананы.
В другом варианте осуществления изобретения вместо деления усовершенствованной технологической операции тепловой обработки на первую стадию нагрева при более высокой температуре и вторую стадию нагрева при более низкой температуре усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки включает обжарку под вакуумом на протяжении всего процесса тепловой обработки. На фиг.12 в виде диаграммы представлены результаты и рабочие условия нескольких примеров такого варианта осуществления. В ходе испытаний 1-4 несколько групп контрольных образцов 121, 122, 123, 124 очищенного от кожуры, нарезанного ломтиками толщиной 1,45 мм картофеля для чипсов сорта Гермес промыли в течение около 30 секунд, а затем обжарили в стандартном обжарочном аппарате непрерывного действия. Температуру масла на впуске варьировали в диапазоне от около 165°С до около 180°С (329°F-356°F) и обжаривали контрольные образцы в течение около 3-4 минут, в результате чего содержание акриламида превысило 300 част/млрд. В отличие от этого все образцы 125, 126, 127, использованные в испытаниях 5-7, после низкотемпературной обжарки под вакуумом в течение от около 4 до около 10 минут при температурах от около 100°С до около 140°С (212°F-284°F) и давлении от около 50 до около 100 миллибар имели концентрацию акриламида ниже 60 част/млрд. Как следует из представленных данных, в результате обжарки под вакуумом при пониженных температурах резко уменьшается количество образующегося акриламида. Кроме того, когда продукт на протяжении всего процесса тепловой обработки обжаривают под вакуумом при температуре ниже около 120°С (250°F), количество образующегося акриламида является небольшим или нулевым. Например, как доказывают испытания 6 и 7, при обжарке под вакуумом при температуре ниже около 120°С (250°F) и давлении не выше 100 миллибар содержание акриламида в образцах 126, 127 практически не поддается обнаружению (менее 5 част/млрд). Преимущество обжарки при температуре около 120°С (250°F) состоит в том, что не образуется акриламид, тогда как в результате высокотемпературной частичной обжарки образуется, по меньшей мере, некоторое количество акриламида. Тем не менее, если применяется обжарка под вакуумом или окончательная обжарка под вакуумом, могут использоваться температуры выше около 120°С (250°F), и при этом по-прежнему обеспечивается снижение концентрации акриламида в конечном продукте. Например, в ходе испытания 5 в результате обжарки под вакуумом при температуре около 140°С (284°F) образца 125 получили продукт с содержанием акриламида около 53 част/млрд. Если исходить из этого результата, по-видимому, можно получать продукты с содержанием акриламида менее около 100 част/млрд путем окончательной обжарки под вакуумом или только обжарки под вакуумом при температурах вплоть до около 143°С (290°F). Вместе с тем следует учитывать, что обжарка под вакуумом на протяжении всего процесса тепловой обработки может значительно менять текстуру, внешний вид, вкус и аромат продукта.
Для линий по производству печеных продуктов, на которых могут изготавливаться закусочные продукты из полуфабрикатов, сухие завтраки и другие содержащие крахмал продукты или продукты из теста, как это пояснено выше, усовершенствованная технологическая операция тепловой обработки может в качестве альтернативы включать низкотемпературное выпекание на протяжении всего процесса тепловой обработки. Низкотемпературное выпекание может осуществляться при температуре около 120°С (250°F) или ниже, чтобы количество образующегося акриламида было от небольшого до нулевого. Тем не менее в результате низкотемпературного выпекания продукты могут иметь более светлый цвет, а в результате высокотемпературного выпекания - более темный цвет. Таким образом, применимость низкотемпературного выпекания частично зависит от желаемых цветовых характеристик конечного продукта.
В настоящем изобретении предусмотрено комбинирование идей изобретения, касающихся манипулирования различными технологическими операциями с целью достижения желаемого содержания акриламида в конечном продукте наряду с желаемыми характеристиками конечного продукта. Используемые сочетания зависят от исходного продукта и желаемого конечного продукта и могут корректироваться специалистами в данной области техники в соответствии с идеями настоящего изобретения. Еще одним фактором, который может учитываться и сочетаться с идеями настоящего изобретения, является влияние рН на образование акриламида.
Подразумевается, что изменения характеристик конечного продукта, таких как цвет, вкус и консистенция могут корректироваться различными средствами. Например, цветовые характеристики картофельных чипсов могут корректироваться путем регулирования количества сахаров в исходном продукте. Некоторые вкусоароматические характеристики могут быть изменены путем добавления в конечный продукт различных вкусовых и ароматических веществ. Физическая текстура продукта может корректироваться, например, путем добавления разрыхлителей или различных эмульгаторов.
Хотя изобретение конкретно рассмотрено и описано со ссылкой на один или несколько вариантов осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что применимы различные другие, не выходящие за пределы существа и объема настоящего изобретения подходы к снижению содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах. Например, хотя в изобретении описан способ применительно к продуктам из картофеля, он также применим для обработки пищевых продуктов, изготовленных из кукурузы, ячменя, пшеницы, ржи, риса, овса, проса и других содержащих крахмал зерновых. Помимо картофельных чипсов изобретение применимо при изготовлении кукурузных чипсов и закусочных чипсов других типов, а также сухих завтраков, печенья, крекера, твердых кренделей, хлебобулочных изделий и панировочной смеси для мяса. Предложенный в изобретении способ манипулирования одной или несколькими технологическими операциями применительно к этим пищевым продуктам может сочетаться с другими стратегиями снижения содержания акриламида до приемлемого уровня без отрицательного воздействия на вкус, цвет, запах или другие характеристики отдельного пищевого продукта.