СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГЛЮТЕНОВЫХ И КРАХМАЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ В ПШЕНИЧНОЙ МУКЕ
METHOD FOR ENRICHING GLUTEN AND STARCH FRACTIONS IN WHEAT FLOUR

Настоящая заявка имеет приоритет предварительной заявки EP 12169020.0 от 23 мая 2012 г., озаглавленной «Способ агрегации белка в тесте из пшеничной муки», которая полностью включена в настоящую заявку путем ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение предлагает способ и устройство для обогащения обогащенных глютеном фракций и обогащенных крахмалом фракций в пшеничной муке и конечное выделение глютеновых и крахмальных фракций из пшеничной муки. Настоящее изобретение также предлагает способ изготовления теста, включающего одну или более обогащенных глютеном фракций и получаемый из них глютен, а также одну или более обогащенных крахмалом фракций.
Уровень техники
Разделение пшеничной муки на глютен и крахмал представляет собой процесс, осуществляемый в промышленном масштабе, для которого обычно требуется высококачественная вода в больших количествах.
Глютеновые белки находят разнообразные применения, например, как текстурирующие или связующие вещества и как добавки, повышающие качество пшеничной муки в выпечной промышленности. Изготавливаемый крахмал перерабатывают в сахарные сиропы или используют, в общем, в промышленном производстве и, в частности, в пищевой промышленности.
Промышленные способы разделения пшеничной муки, как правило, основаны на различной растворимости в воде, поскольку крахмал в более высокой степени проявляет тенденцию к диспергированию в воде, чем глютеновые белки. Пример такого способа представляет собой так называемый «способ Мартина» (Martin). Согласно данному способу, изготавливают тесто из пшеничной муки и воды, а затем и крахмал экстрагируют из этого теста на последовательных стадиях промывания. Следующий пример способа, включающего стадию разделения во влажном состоянии, описан в EP-A-090533. Согласно данному способу, в процессе изготовления теста образуются глютеновые агрегаты, и затем тесто промывают при медленном перемешивании, отделяя растворенный крахмал от суспензии посредством стадии промывания или центрифугирования с использованием декантаторов или гидроциклонов. Нерастворимый глютен отделяют от суспензии путем просеивания, после которого осуществляют высушивание на циркуляционной сушилке. В случае термического высушивания может использоваться повышенная температура, составляющая даже вплоть до 300°C. Стадии высушивания придается очень большое значение, поскольку глютен может легко разлагаться в процессе сильного нагревания и терять свои функциональные свойства. Как правило, глютен, получаемый в результате этих процессов, имеет содержание белка от 75 до 80% по сухому веществу.
Недостаток вышеупомянутых способов разделения заключается в том, что в огромных количествах используется высококачественная вода, для которой требуется последующая очистка. Во-вторых, требуется много энергии для отделения воды от продуктов; и, в-третьих, глютен будет всегда страдать в определенной степени от термического разложения.
EP-A-1881996 описывает способ выделения глютена и крахмала из пшеничной муки, причем вышеупомянутый способ включает стадии: (a) смешивание муки и водной композиции для получения теста, имеющего влагосодержание менее 50 вес.% по сухому веществу муки; (b) введение теста, полученного на стадии (a), в по существу простой сдвиговый поток при напряжении сдвига, составляющем, по меньшей мере, 1 кПа, и удельной подводимой механической энергии, составляющей, по меньшей мере, 5 кДж/кг в минуту в процессе обработки для получения обработанного теста; и (c) разделение обработанного теста на обогащенную глютеном фракцию и обогащенную крахмалом фракцию.
Хотя данный способ позволяет уменьшать количество расходуемой воды и энергии, требуемой для ее удаления, по существу простой сдвиговый поток делает затруднительным осуществление данного способа в непрерывном режиме и в промышленном масштабе.
Таким образом, существует огромная потребность в технологии, которая улучшает разделение и одновременно в значительной степени уменьшает или устраняет вышеупомянутые неблагоприятные эффекты, в частности уменьшает используемое количество растворителя. Более конкретно, остается потребность в способе, который обеспечивает непрерывную обработку в промышленном масштабе.
Сущность изобретения
Способ по изобретению позволяет осуществлять (полунепрерывный) процесс выделения глютена и крахмала из пшеничной муки, одновременно позволяя уменьшать количество используемой воды и, таким образом, уменьшать количество энергии, расходуемой для удаления этой воды и сокращать термическое разрушение и микробное разложение получаемого глютенового белка.
Соответственно, согласно первому аспекту, настоящее изобретение предлагает способ непрерывного или полунепрерывного выделения глютена и крахмала из пшеничной муки, включающий стадии: (a) введения пшеничной муки в контакт с разбавителем для получения первого теста; (b) подвергания первого теста при первом давлении деформации, включающей простой сдвиговый поток, вращательный поток и растягиваемый поток, для получения второго теста, содержащего крахмал и агрегированные глютеновые нити; и (c) подвергания второго теста деформации, включающей сдвиговый поток, при втором давлении, отличающемся от первого давления, для получения композиции, содержащей одну или более агрегированных обогащенных глютеном фракций и одну или более обогащенных крахмалом фракций. Композиция, получаемая на стадии (c), может также называться термином «третье тесто» в настоящем документе.
Разбавитель, используемый в способе по изобретению, предпочтительно представляет собой водную композицию, предпочтительнее содержащую разбавленный солевой раствор. В качестве одной или более солей предпочтительно выбирают соли, которые являются подходящими для потребления человеком или животными; они предпочтительнее представляют собой соли щелочных или щелочноземельных металлов и наиболее предпочтительно включают хлорид натрия. Предпочтительнее раствор содержит от 0 до 8 вес.% одной или более из вышеупомянутых солей, предпочтительно включающих хлорид натрия, предпочтительнее от 0,01 до 6 вес.%, еще предпочтительнее от 1 до 5 вес.% и наиболее предпочтительно от 2 до 4 вес.% хлорида натрия. Разбавитель может дополнительно содержать и другие компоненты, такие как добавки, вспомогательные растворители, консерванты, модификаторы вязкости и/или ферменты. Типичные ферменты включают амилазы, ксиланазы, протеазы, целлолазы и/или арабинофуранозидазы. Предпочтительными являются ферменты, которые способствуют разделению крахмала и глютена, как, например, ферменты, которые описаны в публикации WO 02/00911, и/или в общем такие ферменты, которые позволяют улучшить агломерацию глютена.
Термин «тесто», который используется в настоящем документе, как правило, означает тесто, в котором не содержатся дрожжи, т.е. неферментированное тесто, изготовленное из пшеничной муки и разбавителя, в котором предпочтительно содержатся вода и необязательные ингредиенты, такие как соль и/или добавки, в том числе ферменты.
Термин «простой сдвиг» является хорошо известным в технике и означает, что плоские слои материала скользят друг относительно друга только в одном направлении (см. К.В.Макоско, «Реология: основы, измерения и приложения», издательство VCH Publishers, Inc., Нью-Йорк, 1994 г., в частности, страницы 27-29, 40 и 70-75). На любой из стадий (b) и/или (c) могут присутствовать все компоненты сдвига, и их может выбирать квалифицированный оператор в зависимости от используемого оборудования и получаемых результатов. Тем не менее на стадии (c) основной компонент сдвигового течения, которому подвергается тесто, предпочтительно представляет собой компонент простого сдвигового течения.
Пшеничная мука различается по составу, виду и распределению по размеру частиц в зависимости от происхождения пшеницы и используемых способов помола. В способе по изобретению может быть использована пшеница твердых или мягких сортов. Данный способ может распространяться на пшеницу любого сорта. Термин «пшеница» в настоящем документе включает любую разновидность пшеницы и родственные виды зерновых растений при том условии, что они содержат крахмал и вязкоупругий глютен в подходящем количестве для выполнения данного способа.
Термин «глютен» означает смесь белков, которые присутствуют в пшенице. В составе глютена существуют белки четырех основных видов, так называемые альбумины, глютелины, такие как глютенин, глобулины и проламины, такие как глиадин. Глиадин и глютенин, как правило, составляют основную массу белков, присутствующих в пшеничном глютене, и они в совокупности образуют глютеновый комплекс посредством сшивания за счет образования дисульфидных связей между звеньями цистеина. Термин «концентрация глютена» в настоящем документе означает количество белка, присутствующее в обогащенной глютеном фракции и измеряемое на основании определения содержания азота, которое умножают на коэффициент пересчета 5,7, чтобы вычислить измеряемое содержание белка, зная содержание азота.
Подходящий способ измерения этого содержания осуществляется, например, посредством использования устройства Leco CN-2000, которое поставляет на продажу компания LECO Corporation (Сент-Джозеф, штат Мичиган, США). Термин «глютеновые частицы» означает трехмерные агломераты глютена, которые образуются в течение стадий (b) и (c) и которые могут представлять собой сферы, роликоподобные нити или листы из глютеновых белков.
За счет применения способа по изобретению оказывается возможным получение обогащенной глютеном фракции, в которой содержание глютена составляет, по меньшей мере, 50 вес.%, предпочтительнее 60 вес.%, еще предпочтительнее более чем 70 вес.%, еще предпочтительнее более чем 80 вес.% и наиболее предпочтительно 85 вес.% белка по сухому веществу.
Способ по изобретению позволяет получать глютен, имеющий повышенную вязкоупругость, и это определяет жизнеспособность данного способа. В зависимости от фактического применения, например, в изготовлении выпечных изделий и/или кормов для животных, таких как корм для рыб, могут оказаться желательными различные соотношения глютена и крахмала. Однако способ по изобретению предпочтительно позволяет изготавливать обогащенную глютеном фракцию, в которой содержание глютена составляет, по меньшей мере, 75 вес.% и предпочтительнее 80 вес.% по сухому веществу.
На стадии разделения осуществляется отделение крахмала от глютеновых компонентов, пример которого представляет собой увеличение содержание азота в обогащенной глютеном фракции и одновременное уменьшение содержание азота в крахмальной фракции.
Обогащенная глютеном фракция содержит визуально наблюдаемые глютеновые агрегаты, присутствующие, как правило, в форме нитей сетки, необязательно после окрашивания для наблюдения различия. Однако эти агрегаты из сетки не отделяются от обогащенной крахмалом фракции (фракций) таким образом, чтобы образовывались более крупные кластеры.
Согласно альтернативному варианту выполнения, настоящее изобретение также предлагает способ непрерывного или полунепрерывного выделения глютена и крахмала из пшеничной муки, включающий стадии: (a) контактирования пшеничной муки с разбавителем для получения первого теста; (b) подвергания первого теста при первом давлении деформации, включающей простой сдвиговый поток, вращательный поток и растягиваемый поток, для получения второго теста, содержащего крахмал и агрегированные глютеновые нити; и (d) осуществление процесса разделения второго теста таким образом, чтобы разделить второе тесто, получая одну или более отдельных обогащенных глютеном фракций и одну или более отдельных обогащенных крахмалом фракций. Стадию (d) можно осуществлять, используя любой подходящий способ, включая, но не ограничиваясь этим, стадии центрифугирования, фильтрования и/или промывания, которые описаны ниже в настоящем документе. Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения, отделение глютеновых агрегатов от крахмальной матрицы можно осуществлять в устройстве, включающем две параллельные поверхности, движущиеся в одном направлении с различными скоростями. Между поверхностями существует предпочтительно регулируемый промежуток. Сдвигаемый материал на стадии (b) или (c) предпочтительно пропускают между двумя поверхностями. Затем обогащенные глютеном агломераты, которые проходят между имеющими различные скорости и направленными под углом друг к другу поверхностями, отделяются от обогащенной крахмалом фракции. Давление, по меньшей мере, на одну из этих поверхностей требуется, чтобы поддерживать подходящее трение для глютеновых агломератов. Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения, данное устройство включает двойной плоский ремень, как описано ниже.
Данный способ имеет преимущество в том, что он обеспечивает быстрое первое частичное разделение крахмала и глютеновых нитей, что может обеспечивать лучшее разделение крахмала и глютена, чем в случае исходной пшеничной муки, и при этом, вероятно, производится обогащенная глютеном фракция, имеющая более высокую устойчивость, и уменьшается, например, количество воды, которое требуется в случае разделения в процессе промывания водой. Эту повышенную устойчивость могут проиллюстрировать исключительно высокая способность монослойной адсорбции воды, определяемая методом динамической сорбции пара (DVS), а также большое количество дисульфидных мостиков, которое может быть измерено по сравнению с обогащенными глютеном материалами, произведенными из применяемых в промышленности традиционных способов промывания.
Однако способ по изобретению, включающий стадию (c), обеспечивает значительно повышенную степень разделения и агрегации глютена в пшеничной муке по сравнению со способом, включающим только стадии (a) и (b), без необходимости разбавления фракций на более ранней стадии.
Размеры частиц в обогащенных глютеном фракциях можно определять, используя преимущественно оптический способ, например, окрашивая глютеновый и/или крахмальный компонент и осуществляя измерения по сравнению со стандартными образцами, чтобы определять размеры глютеновых частиц.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1-4 - полученные сканирующим электронным микроскопом (SEM) изображения глютеновых нитей, полученных способом по изобретению. Фиг. 1 и 2 представляют изображения при увеличении в 200 раз, а Фиг. 3 и 4 представляют изображения при увеличении в 800 раз.
Фиг.5 - график адсорбции воды, определяемой методом DVS, в примерах 4 и 5 и в сравнительных примерах 9-12.
Стадия (a) включает изготовление теста. Различные образцы теста можно изготавливать в один и тот же день или в течение определенного периода времени. Однако максимальный уровня добавления воды предпочтительно определяется предварительно или в ходе процесса, чтобы обеспечивать непрерывное дозирование воды.
Соответственно, способ по изобретению может также включать стадии измельчения пшеничных зерен и необязательное разделение полученной пшеничной муки, а также необязательное определение максимального уровень добавления воды перед изготовлением теста.
Таким образом, согласно предпочтительному варианту выполнения, настоящее изобретение предлагает способ, включающий: (i) измельчение пшеничных зерен для получения муки и необязательное разделение полученной муки на фракции, а также (ii) необязательное определение максимального уровня добавления воды по отношению к исходной муке.
Предпочтительно, мука имеет влагосодержание менее 20 вес.% от общего веса муки. Кроме того, предпочтительно, мука имеет зольность, составляющую менее 1 вес.% от общего веса муки.
Влагосодержание теста, получаемого на стадии (a), предпочтительно равняется или составляет менее 50% и предпочтительнее равняется или составляет менее 45% по сухому веществу муки, однако, с учетом влажности муки. Таким образом, было обнаружено, что влагосодержание теста можно поддерживать на относительно низких уровнях. На стадии (a) первое тесто может представлять собой, например, тесто нулевой зрелости (тесто НЗ). Тесто НЗ можно изготавливать способом, который описали D.T. Campos и др., Cereal Chemistry (Химия зерна), 1996 г., т. 73, с. 105-107, с модификациями, которые описали S.H. Peighambardoust и др., Cereal Chemistry, 2004 г., т. 81, с. 714-721. Согласно данному способу, смесь ледяного порошка, просеянная для выделения частиц, у которых средний размер составлял около 700 мкм, смешивают с мукой при низкой температуре, предпочтительно при температуре, составляющей около -25°C, в желательных весовых соотношениях, используя смеситель Waring, и мука равномерно распределяется при пониженной скорости. Смешивание этих ингредиентов на стадии (a) осуществляется, как правило, при низких значениях удельной механической энергии (SME), составляющих предпочтительно ниже 10 кДж/кг и предпочтительнее ниже 2,5 кДж/кг, поскольку предпочтительно количество энергии, передаваемой глютену, является минимально возможным. Соответственно, тесто НЗ согласно данному документу, определяется как тесто, изготовленное посредством смешивания, по меньшей мере, муки и воды в весовом соотношении, составляющем от 1:9 до 9:1 от общего веса теста, причем подача механической энергии, выраженной как SME, составляет менее 5 кДж/кг и предпочтительно менее 2,5 кДж/кг. Кроме того, способ изготовления первого теста может представлять собой процедуру RAPIDOJET, в которой используется струя воды высокого давления, которая захватывает падающие частицы муки в воздухе (см. www.rapidojet.de; Dr. B. Noll «Представление процедуры RAPIDOJET быстрое энергосберегающее беспыльное изготовление теста с использованием струя воды высокого давления»; см. также заявку США 2004/0022917). В способе согласно предпочтительному варианту изобретения первое тесто может существовать, т.е. содержаться при температуре, составляющей от 0°C до 50°C и предпочтительно от 15°C до 50°C, предпочтительнее в течение периода времени, составляющего от менее 1 до 15 минут, перед стадией (b). Предпочтительнее стадия томления осуществляется в течение 15 минут при температуре от 15°C до 25°C. На данной стадии томления образуется увлажненное однородное тесто. Как должно быть очевидным для специалиста в данной области техники, продолжительность этого томления зависит, как правило, от температуры воды для замешивания теста и от качества пшеничной муки. Эту стадию увлажнения можно осуществлять, используя накопительный резервуар или смешивающее устройство в условиях низкого сдвига. Термин «удельная механическая энергия» (SME) является хорошо известным в технике и вычисляется с использованием метода конуса и плиты, как описано в вышеупомянутой статье (Cereal Chemistry., 2004 г., т. 81, с. 714-721).
На стадии (b) первое тесто подвергается деформации, включающей простой сдвиговый поток, вращательный поток и растягиваемый поток. В процессах замешивания, т.е. в процессах, включающих стадии перемешивания и/или перекачивания, возникают деформации трех видов: (1) одноосное растяжение, (2) простой сдвиг и (3) вращение твердого тела. T.R.G. Jongen и др. (Cereal Chemistry., 2003 г., т. 80, с. 383-389) определили параметр течения D, который можно использовать, чтобы различать вращательный сдвиг, простой сдвиг и растягиваемый поток, то есть D=-1 характеризует чисто вращательный поток, D=0 характеризует чистый простой сдвиговый поток, и D = +1 характеризует чистое растягиваемый поток. На стадии (b) способа по изобретению могут возникать деформации всех трех видов. Таким образом, в первом тесте идеально осуществляется сдвиговый поток, в котором присутствуют все три компонента, и при этом долю каждого из компонентов определяют (a) имеющееся оборудование и (b) желательный состав теста. Компоненты направленной деформации, которые не представляют собой простой сдвиговый поток, можно преимущественно осуществлять с помощью подающих механизмов в устройстве, используемом в способе по изобретению, например, в процессе деформации, создаваемой посредством экструзии или нагнетания теста. Предпочтительно простой сдвиговый поток остается основным компонентом деформации.
Без намерения ограничения какой-либо определенной теорией, считается, что сдвиг при сравнительно высоком давлении требуется для отделения глютеновых белков от частиц крахмала.
На стадии (b) абсолютное давление, прилагаемое к тесту, предпочтительно находится в интервале от более чем 10 кПа (0,1 бар) до 5000 кПа (50 бар).
Хорошие результаты были получены, когда прилагаемое давление составляло от 500 до 2500 кПа. По существу, давление не имеет решающего значения, при том условии, что давление, продолжительность обработки и соответствующее напряжение сдвига не приводят к увеличению температуры теста выше 55°C, что может уменьшать образование частиц глютена и может приводить к ухудшению состава крахмала.
Обнаружено, что давление зависит от вязкости теста, которая зависит от содержания сухого вещества, температуры теста и поступающей в систему энергии, типа муки, а также содержания и состава разбавителя и конструкции оборудования, например, расстояния между деформационными исполнительными механизмами и расстояния сдвига.
Температура составляет предпочтительно от 0 до 50°C и предпочтительнее от 5 до 15°C. Предпочтительнее температура поддерживается ниже температуры на стадии (b).
На стадии (b) SME составляет предпочтительно, по меньшей мере, 5 кДж/кг и предпочтительнее, по меньшей мере, 20 кДж/кг. На стадии (b) SME предпочтительно составляет не более чем 150 кДж/кг и предпочтительнее не более чем 120 кДж/кг.
Микроструктура второго теста включает обогащенные глютеновым белком агрегаты, распределенные вокруг гранул крахмала, которые проявляются как мясоподобные волокна при окрашивании глютеновой фракции.
Сдвиговое течение на стадии (c) осуществляется при втором давлении, отличающемся от первого давления, прилагаемого на стадии (b), для получения композиции, содержащей одну или более дополнительно агрегированных обогащенных глютеном фракций и одну или более обогащенных крахмалом фракций.
Предпочтительно второе давление меньше первого давления. Давление, прилагаемое на стадии (c), составляет предпочтительно менее 5 кПа и предпочтительнее менее 3 кПа.
Предпочтительно поступающая энергия на стадии (c) меньше удельной поступающей энергии на стадии (b).
На стадии (c) на второе тесто, содержащее более крупные глютеновые агрегаты и/или агломераты, предпочтительно воздействует, в основном, деформация одного вида, а именно, деформация, представляющая собой простой сдвиг. На этой стадии на второе тесто, полученное на стадии (b), предпочтительно воздействует, в основном, простой сдвиговый поток, где напряжение сдвига составляет, по меньшей мере, 1 кПа, и удельная подводимая механическая энергия составляет, по меньшей мере, 5 кДж/кг в минуту в течение обработки.
Сдвиг на стадии (c) предпочтительно осуществляют деформационные исполнительные механизмы, такие стенки вращающихся цилиндров. Среднее расстояние между деформационными исполнительными механизмами, которые осуществляют сдвиг на стадии (c), предпочтительно находится в интервале от 0,1 мм до 20 мм.
Чтобы способствовать образованию слоистой глютеновой сетки, расстояние между исполнительными механизмами, которые осуществляют сдвиг на стадии (c), предпочтительно выбирается таким образом, что исполнительные механизмы разделяет расстояние, которое является близким или составляет более чем меньший диаметр из размеров глютеновых агломератов, получаемых на стадии (c). Эти размеры можно удобным образом измерять, окрашивая тесто соответствующим красителем, а затем осуществляя измерение, что хорошо известно специалисту в данной области техники. Таким образом, среднее расстояние между деформационными исполнительными механизмами, которые осуществляют сдвиг на стадии (c), находится в интервале, составляющем предпочтительно от 0,1 мм до 20 мм, предпочтительнее от 0,2 мм до 10 мм и наиболее предпочтительно от 1 мм до 8 мм.
Подходящая конструкция для выполнения способа по изобретению может включать единый экструдер или последовательность экструдеров, которую составляют одношнековые или многошнековые экструдеры. Предпочтительнее, по меньшей мере, стадия (c) осуществляется в сдвиговом устройстве, включающем внешний цилиндр и внутренний цилиндр, которые вращаются коаксиально по отношению друг к другу. Внешний и внутренний цилиндры определяют кольцевое пространство между внешней поверхностью внутреннего цилиндра и внутренней поверхностью внешнего цилиндра. Термин «цилиндр» в настоящем документе включает цилиндрические, конические и усеченные конические формы. Такое устройство может представлять собой устройство, содержащее два коаксиальных цилиндра, вращающихся по отношению друг к другу концентрически или эксцентрически, чтобы обеспечивать установившийся ламинарный поток типа Куэтта (Couette). При использовании способа по изобретению тесто содержится в этом кольцевом пространстве. Согласно данному второму предпочтительному варианту изобретения, стадия (c) предпочтительно осуществляется в устройстве, включающем два коаксиальных цилиндра, вращающихся по отношению друг к другу концентрически или эксцентрически, благодаря тому, что данное устройство может обеспечивать сдвиговый поток вследствие сравнительно большой контактной поверхности, причем расстояние между двумя поверхностями можно соответствующим образом выбирать в зависимости от размера глютеновых агрегатов. Дополнительное благоприятное воздействие на дальнейшую агломерацию глютена производит разность между силами адгезии силы крахмала и агрегированного глютена по отношению к двум поверхностям. Поверхности данного устройства могут надлежащим образом действовать как деформационные исполнительные механизмы.
Предпочтительно процесс на стадиях (a)-(c) или (a)-(d), соответственно, осуществляется в непрерывном или полунепрерывном режиме работы.
Преимущество способа по изобретению по сравнению со способом, описанным в EP-A-1881996, заключается в том, что изготовление теста, обрабатываемого на двух отдельных стадиях, позволяет использовать оборудование, которое не только осуществляет простой сдвиговый поток, но может также перемещать тесто во время первой стадии сдвига.
В результате этого устройства, которые используется для выполнения стадии (b), например активные смесительные устройства, такие как экструдеры или статические смесители, могут оказаться особенно подходящим для непрерывного процесса, в то время как стадия (c) может осуществляться после окончания стадии (b). Обе стадии (b) и (c) предпочтительно связаны друг с другом, и их можно осуществлять, используя одно и то же оборудование, например изменяя условия течения и/или сдвига соответствующим образом.
-1
Стадию (c) проводят, осуществляя «по существу простой сдвиговый поток», который в настоящем документе определяется как деформация в условиях, в которых скорость растяжения ε составляет менее 10 с.
Кроме того, способ по изобретению предпочтительно включает стадию (d), осуществляемую предпочтительно после стадии (c) или непосредственно после стадии (b), чтобы осуществлять разделение композиции на агрегированную обогащенную глютеном фракцию и обогащенную крахмалом фракцию, а также предпочтительно дополнительную очистку обогащенной глютеном фракции. Это можно преимущественно осуществлять, применяя центрифугирование, просеивание, диспергирование, промывание, сублимационную сушку, распылительную сушку и/или их комбинации.
Предпочтительно любая из стадий (a)-(c) осуществляется, по меньшей мере, частично в устройстве, имеющем исполнительные механизмы, такие как стенки, которые осуществляют сдвиг теста и/или композиции. Подходящие устройства включают экструдер, устройство, содержащее два коаксиальных цилиндра, вращающихся по отношению друг к другу концентрически или эксцентрически и имеющих стенки, которые осуществляют сдвиг, и/или статический смеситель, или их комбинации, и/или сдвиговые устройства типа параллельных плит.
На стадии (d) композиция предпочтительно подвергается процессу разделения, чтобы разделить обработанное тесто на обогащенную глютеном фракцию и обогащенную крахмалом фракцию. Это можно осуществлять, используя любой подходящий способ, в том числе, но не ограничиваясь этим, стадии центрифугирования, фильтрования и/или промывания.
Стадию (b) можно преимущественно осуществлять, используя фермент в глютеновой фракции, включая, например, способ, который представлен в статьях P.L. Weegels, J.P. Marseille, R.J. Hamer (Starch/Stärke (Крахмал), 1992 г., т, 44, № 2, с. 44-48) и C. Christophersen, E. Andersen, T.S. Jakobsen, P. Wagner (Starch/Stärke, 1997 г., т. 49, с. 5-12), где описано использование ферментов в качестве технологической добавки для разделения пшеничной муки на крахмал и глютен. В числе ферментов упоминаются липаза, гемицеллюлаза, целлюлаза и ксиланаза.
Однако композиция, изготовленная на стадии (c), может также находить и другие применения, например в качестве заменителя мяса.
Стадия (d) может предпочтительно включать стадии промывания, просеивания и/или центрифугирования. После этого полученную таким способом обогащенную глютеном фракцию можно предпочтительно очищать и/или высушивать, чтобы получать глютеновую композицию. Кроме того, обогащенные глютеном фракции, полученные на стадиях (c) или (d), можно направлять на дополнительную стадию очистки (e), чтобы отделять остаточный крахмал.
Особенно предпочтительный процесс для данной стадии включает использование устройства, включающего два плоских параллельных ремня, которые предпочтительно расположены под углом по отношению друг к другу. Эти ремни осуществляют поступательное движение, в процессе которого верхний ремень движется быстрее, чем нижний ремень.
Композиция, полученная на стадии (b) или (c), проходит между ремнями, которые преимущественно разделены промежутком, таким образом, что глютеновые агрегаты испытывают сжатие между ремнями, и при этом на них воздействуют два различных уровня скорости. Поскольку верхний ремень движется под углом по отношению к нижнему ремню, глютеновые агрегаты выдавливаются на эту сторону.
С другой стороны, крахмальная фракция испытывает нулевой или весьма незначительный сдвиг от обоих ремней, и, таким образом, перемещается с нижним ремнем, в основном, в направлении нижнего ремня, и в результате этого она отделяется от отделяемой глютеновой фракции. Этот вариант выполнения процесса на стадии (d) предпочтительно также работает при температуре, составляющей от 5 до 15°C.
Кроме того, технологическую стадию (d), которая описана выше, можно предпочтительно объединять со стадией (c) в единую стадию, поскольку существует перепад давления вследствие образования и отделения глютеновых агрегатов от крахмала, который образуется согласно настоящему описанию.
Кроме того, в настоящем изобретении предлагается также композиция, содержащая агрегированную обогащенную глютеном фракцию и обогащенную крахмалом фракцию, которые получаются на стадиях (b) (c), (d) и/или (e). Композиция, получаемая на стадии (b), включает трехмерную сетку из глютеновых нитей, которые имеют диаметр, составляющий, по меньшей мере, 0,02 мм, и внедряются в крахмальную фракцию.
Композиция, получаемая на стадии (c), дополнительно включает глютеновые агломераты, у которых средний диаметр составляет от 5 до 20 мм. Диаметр глютеновых нитей и/или частиц можно удобным способом измерять, используя красители, которые обеспечивают визуальное и/или микроскопическое определение диаметра.
В настоящем изобретении предлагается также обогащенная глютеном фракция, получаемая вышеупомянутым способом и имеющая содержание белка от 30 до 70 вес.% по сухому веществу, что определяется по содержанию азота с применением коэффициента 5,7 для вычисления содержания аминокислот по содержанию азота. Такую фракцию можно надлежащим образом использовать, например, в качестве корма для животных, например, в качестве корма для рыб. В настоящем изобретении также предлагается обогащенная крахмалом фракция, получаемая вышеупомянутым способом и имеющая содержание белка менее 5 вес.% и предпочтительно менее 2-3 вес.% по сухому веществу.
В настоящем изобретении также предлагается дополнительно обогащенная глютеном фракция, получаемая вышеупомянутым способом и имеющая содержание белка от 30 до 85 вес.% по сухому веществу.
В настоящем изобретении также предлагается дополнительно обогащенная глютеном фракция, в которой суммарное количество дисульфидных мостиков составляет от 55 до 80 нМ/мг белка, предпочтительно от 60 до 75 нМ/мг белка и предпочтительнее от 62 до 70 нМ/мг белка, что определяется с использованием способа, описанного в статьях Anderson и Ng (Cereal Chemistry, 2000 г., т. 7, с. 354-359); и Chan и Wasserman (Cereal Chemistry, 1993 г., т. 70, с. 22-26).
В настоящем изобретении также предлагается дополнительно обогащенная глютеном фракция, для которой монослойная адсорбция воды, определенная методом динамической сорбции пара (DVS) по модели Гуггенхайма-Андерсона-ДеБора (Guggenheim-Anderson-DeBoer, GAB), составляет более чем 6,3%, предпочтительно от 6,35 до 8%, предпочтительнее от 6,5 до 7,9% и еще предпочтительнее от 6,7 до 7,5%, когда осуществляется динамическая сорбция пара, и модель GAB применяется к получаемой изотерме сорбции для вычисления емкости монослоя, как описано в статье A.H. Al-Muhtaseb и др. (Journal of Food Engineering (Журнал техники пищевой промышленности), 2004 г., т. 61). Емкость монослоя выражается как процентное влагосодержание, требуемое для образования монослоя воды на поверхности образца.
Настоящее изобретение также предлагает способ изготовления продуктов питания для животных и человека, предпочтительно выпечных изделий, с использованием процесса, который описанный выше в настоящем документе, а также с использованием композиций и фракций, которые описаны выше, для изготовления разнообразных продуктов питания и других изделий. Способ по изобретению позволяет изготавливать обогащенную глютеном фракцию, содержащую в более высокой пропорции жизнеспособный пшеничный глютен согласно кодексу пищевых продуктов (CODEX Alimentaries, стандарт 163-1987, редакция от января 2001 г.), чем позволяли описанные ранее способы, вследствие менее продолжительного контакта с водой в условиях, которые лишают глютен жизнеспособности.
Настоящее изобретение также предлагает устройство, содержащее средство для выполнения деформации первого теста при первом давлении, включая простой сдвиговый поток, вращательный поток и растягиваемый поток, для получения второго теста, содержащего крахмал и первую агрегированную глютеновую фракцию (т.е. первое средство); а также средство для выполнения деформации второго теста, включая сдвиговый поток при втором давлении, отличающемся от первого давления, для получения композиции, содержащей одну или более агрегированных обогащенных глютеном фракций и одну или более обогащенных крахмалом фракций (т.е. второе средство).
Первое средство предпочтительно включает экструдер. Кроме того, предпочтительно, второе средство представляет собой концентрический цилиндрический тип, в котором присутствуют внешний цилиндр и внутренний цилиндр, включающие исполнительные механизмы, которые осуществляют сдвиг, и/или статический смеситель, или их комбинации.
Второе средство может также представлять собой устройство, содержащее две по существу параллельные поверхности, движущиеся в одном направлении с различными скоростями, например ремни или большие ролики; однако они предпочтительно расположены под различными углами. Между поверхностями существует предпочтительно регулируемый промежуток. Сдвигаемый материал на стадии (b) или (c) предпочтительно проходит между двумя поверхностями. Тогда за счет различия скоростей и угла между направлениями поверхностей обогащенные глютеном агломераты вытесняются из обогащенной крахмалом фракции. Требуется давление, по меньшей мере, на одну из поверхностей, чтобы поддерживать соответствующее трение для глютеновых агломератов.
В данном описании и в формуле настоящего изобретения глагол «включать» и формы его спряжения используются в неограничительном смысле, означающем, что включаются предметы, следующие за этим словом, но не исключаются и предметы, которые не упомянуты особо. Кроме того, если перед предметом присутствует неопределенный артикль «a» или «an», его присутствие не исключает возможности присутствия более чем одного предмета, если, согласно контексту, четко не определяется, что должен присутствовать один и только один из данных предметов. Таким образом, неопределенный артикль «a» или «an» обычно имеет значение «по меньшей мере, один».
Настоящее изобретение иллюстрируют следующие неограничительные примеры:
Пример 1. Изготовление первого теста
Эксперименты по разделению осуществляли, используя пшеничную муку одного культурного сорта пшеницы. Используемая мука имела содержание белка 11,2 вес.%, и влагосодержание 14,0 вес.%.
Пшеничная мука и водный раствор, содержащий 4 вес.%, поступали в двухшнековый экструдер при содержании 2,0 вес.% NaCl от веса пшеничной муки. В экструдере изготавливали первое тесто, имеющее влагосодержание 43% (57% по сухому веществу). Экструдер выдерживали при температуре 15°C.
Пример 2. Изготовление глютеновых агрегатов
К выпуску экструдера присоединяли создающий вращательный сдвиг реактор, включающий вращающийся стальной цилиндр в неподвижном цилиндрическом корпусе.
Вращающийся стальной цилиндр устанавливали в концентрическом/центрированном положении во внешний цилиндрический корпус. Цилиндрический корпус имел впуск для первого теста на ближней к экструдеру стороне и выпуск для получаемой в результате композиции на дальней стороне. Вращающийся цилиндр приводился в действие электромотором.
Вращающийся цилиндр вращался внутри цилиндрического корпуса при скорости вращения, составляющей 20 оборотов в минуту (об/мин). Выпуск экструдера находился в гидравлическом соединении с впуском сдвигового реактора таким образом, что впуск присоединялся к пространству между вращающимся цилиндром и цилиндрическим корпусом. Выпуск экструдера присоединялся к впуску таким образом, чтобы вводить первое тесто под давлением во впуск сдвигового реактора.
Пространство между внутренней поверхностью стенки корпуса, обращенной к цилиндру, и внешней поверхностью вращающегося цилиндра сдвигового реактора составляло 5 мм, но при расстоянии, составляющем около 15 см, обеспечивалось большее пространство между корпусом и вращающимся цилиндром при увеличении данного расстояния, и, таким образом, снижалось давление и периодически уменьшался сдвиг, действующий на композицию.
Второе тесто, содержащее 2 вес.% NaCl от веса муки, перемещалось через сдвиговое устройство при скорости потока, составляющей 30 кг/ч.
Продукт после сдвигового устройства содержал крупные глютеновые агрегаты в наблюдаемой визуально глютеновой сетке. Было обнаружено, что содержание белка в этих агрегатах составляет от 30 до 70 вес.% белка по сухому веществу.
На Фиг. 1-4 представлены полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображения глютеновых нитей, которые были получены в примере 2. Эти изображения четко показывают, что обогащенная глютеном фракция состоит, главным образом, из глютеновых белков, которые покрыты частицами крахмала.
Пример 3. Определение дисульфидных и гидросульфидных групп
Обогащенные глютеном агрегаты, полученные на стадии (c), подвергали сублимационной сушке и измельчали в охлаждаемой водой мельнице типа M20 от компании IKA. Полученные в результате помола частицы затем просеивали до размера 200 мкм, используя соответствующее сито.
Полученные образцы подвергали анализу, чтобы определить содержащиеся в них гидросульфидные группы и дисульфидные группы со связями между атомами серы, используя способ, описанный в статьях Anderson и Ng (Cereal Chemistry, 2000 г., т. 7, с. 354-359); и Chan и Wasserman (Cereal Chemistry, 1993 г., т. 70, с. 22-26).
Образцы растворяли в растворе, содержащем 8 М мочевины, и затем выдерживали при 20°C и 50°C в течение 16 часов. Далее содержание свободных групп SH и групп S-S определяли после обработки в течение 15 минут, используя 0,2 мл раствора 0,01 М 5,5'-дитиобис-2-нитробензойной кислоты (DTNB) в буферном растворе трис(гидроксиметил)аминометана (TRIS) при pH 8,2 и 4,5 мл буферного раствора 0,2 М TRIS при pH 8,2 для образца объемом 0,5 мл и 0,2 мл раствора 0,01 М DTNB в буферном растворе TRIS при pH 8,2 и 4,5 мл буферного раствора 0,2 М TRIS при pH, содержащего борат, соответственно, а затем осуществляли фильтрование образцов и измеряли поглощение при 412 нм. После этого вычисляли количество групп SH на основе калибровочной кривой с использованием цистеина в качестве стандарта.
Образцы сравнивали с имеющимися в продаже образцами глютена, полученными традиционными способами промывания и имеющими аналогичные размеры частиц и распределение частиц (сравнительные примеры 1-8). Таблица 1 иллюстрирует различия между измеренными значениями:
Таблица 1
Содержание белка
Свободные гидросульфидные группы SH
Дисульфидные мостики (выражены как свободные группы SH)
Полное содержание цистеина
% s-s
%
среднеквадратическое отклонение
среднеквадратическое отклонение
среднеквадратическое отклонение
Пример 1
43,6
8,78
0,25
63,5
0,63
72,2
0,88
88
Сравнительный пример 1
60,8
8,76
0,21
53,3
0,25
62,1
0,46
86
Сравнительный пример 2
77,1
7,88
0,12
52,3
0,41
60,2
0,53
87
Сравнительный пример 3
77,3
6,39
0,15
48,6
0,75
55,0
0,90
88
Сравнительный пример 4
74,4
7,15
0,23
48,4
0,52
55,6
0,75
87
Сравнительный пример 5
77,1
7,17
0,18
46,1
0,35
53,3
0,53
87
Сравнительный пример 6
79,4
9,06
0,25
52,7
0,61
61,7
0,86
85
Сравнительный пример 7
79,2
7,11
0,16
49,3
0,57
56,4
0,73
87
Сравнительный пример 8
42,7
9,93
0,28
51,1
0,38
61,0
0,66
84
Образец в примере 1, который был изготовлен способом по изобретению, имеет значительно более высокое содержание дисульфидных мостиков, что показывает повышенную степень сохранения глютенового белка в сопоставлении с образцами в сравнительных примерах, все из которых были получены традиционными способами промывания. Кроме того, образцы по изобретению показывали аналогичные значения.
Примеры 4 и 5. Определение сорбции водяного пара
Обогащенные глютеном агрегированные частицы, изготовленные в примере 3, анализировали, определяя адсорбцию воды методом DVS с использованием трехпараметрической модели GAB.
Образцы сравнивали с имеющимися в продаже образцами глютена, полученными традиционными способами промывания и имеющими аналогичные размеры частиц и распределение частиц (сравнительные примеры 9-12).
Кривую сорбции водяного пара получали для каждого из образцов с помощью устройства для динамической сорбции пара (DVS), используя систему DVS Advantage компании Surface Measurement Systems. Результаты показали влагосодержание глютена по сухому веществу в зависимости от активности воды. Температура измерения с помощью системы DVS Advantage составляла 25°C. В процессе DVS увеличение массы за счет адсорбции воды наблюдали при постоянной температуре 25°C. Когда измеренное увеличение массы составляло менее 0,001 %/мин, считали, что равновесие достигнуто, и активность воды увеличивали на 10% до следующего достижения равновесия. Сорбцию увеличивали последовательными шагами по 10% вплоть до 90%. Измеренные кривые представлены на Фиг. 5.
Емкость монослоя выражается как процентное влагосодержание, требуемое для образования монослоя воды на поверхности, и определяется по кривым сорбции с применением трехпараметрической модели GAB для емкости монослоя, как описано в статье A.H. Al-Muhtaseb и др. (Journal of Food Engineering (Журнал техники пищевой промышленности), 2004 г., т. 61). Таблица 2 представляет полученные в результате данные:
Таблица 2Монослойная адсорбция воды (DVS)
Пример
Содержание белка (%)
Емкость монослоя (модель GAB)
Пример 4
47,7
6,89%
Пример 5
49,6
7,49%
Сравнительный пример 9
77,1
4,70%
Сравнительный пример 10
77,3
3,20%
Сравнительный пример 11
74,4
5,13%
Данные примеры показывают, что обогащенные глютеном материалы, которые получены способом по изобретению, проявляют значительно более высокую активность монослойной сорбции воды по сравнению с традиционно изготавливаемыми обогащенными глютеном материалами. Глютеновый компонент явно оказывает положительное воздействие на сорбцию, которое отсутствует в случае традиционно изготавливаемых обогащенных глютеном материалов.