CN112702921A - 提取蛋白质食品的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了从豆类中提取高蛋白食品的系统和方法，包括：将豆类研磨成细粉；使细粉水合形成液体浆液；从液体浆液中分离固体以形成乳状液体；对所述乳状液体进行巴氏杀菌以去除其中不需要的有机体；过滤所述巴氏杀菌乳状液体以去除其中的渗透物以形成基本上液态的产品；并且去除大部分水分从基本上液态的产品中产生粉末形式的高蛋白食品。

Description

提取蛋白质食品的系统和方法

相关申请

本申请权利要求的优先权来自2018年9月11日提交的澳大利亚临时专利申请No.2018903408，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于从豆类中提取蛋白质食品的系统和方法，所述豆类例如是称为蚕豆(vicia faba)的豆子，通常称为蚕豆(faba bean)或蚕豆(broad bean)。

背景技术

蛋白质是人体生长所必需的营养素，约占人体体重的15％。蛋白质存在于人体的每一个细胞中，人体利用蛋白质构建和修复组织，制造酶、激素和其他重要的身体化学物质。但是，尽管人体使用蛋白质，但并不会像脂肪和碳水化合物那样储存蛋白质。因此，蛋白质必须定期供应给身体，以确保有足够的蛋白质满足身体的需要，并使身体在运动后迅速恢复，减少肌肉损失，保持健康的体重。

蛋白质可以从多种来源自然获得，如肉、奶、鱼、蛋和豆类。对许多人来说，健康的饮食可以提供他们每天所需的蛋白质。然而，对于越来越多的饮食需求不同的人，例如素食主义者或严格的素食主义者以及对食物过敏的人，他们可能不适合从常规来源中摄入蛋白质，可能需要额外补充以增加其蛋白质摄入量。这可能是许多高性能运动员、健美运动员等的情况，他们需要比正常人更高的蛋白质摄入量，因为他们的身体正在进行大量的运动。

蛋白质补充剂传统上可能来自乳清，乳清是牛奶凝固和过滤后残留的液体。乳清可以以粉末形式提供，并且许多健美者用来促进瘦肌肉质量，但不适用于素食主义者或乳糖不耐受的人。大豆蛋白是另一种来自大豆的蛋白质补充剂，可以以豆浆或豆粉的形式提供。然而，大豆蛋白有一种特殊的风味或味道，当与食物混合或作为一种单独的补充剂服用时，许多人并不喜欢。当与其他食物混合时，大豆蛋白可能会遮盖其他食物的味道，从而减少人们对这些食物的享受感。豌豆也常用作补充蛋白质的来源，也有与大豆相似的问题，因为豌豆有压倒性的味道和有色的质地，很难与其他水果和蔬菜一起食用。

因此，需要提供一种替代的蛋白质来源，该蛋白质来源可以以粉末形式提供，具有中性香味和颜色特征，可与任何数量的其他食品一起使用，并且具有很高的蛋白质含量。

上述对先前提案或产品的引用和描述不打算且不应解释为对本领域公知常识的陈述或承认。特别是，以下先前技术讨论与本领域技术人员通常或众所周知的内容无关，而是帮助理解本发明的发明步骤，其中识别相关的现有技术方案只是其中一部分。

发明内容

根据第一方面，提供了一种从豆类中提取高蛋白食品的方法，其包括：

将豆类供应物研磨成细粉；

使细粉水合形成液体浆液；

从液体浆液中分离固体以形成乳状液体；

巴氏杀菌，将乳状液体中不需要的有机物去除；

过滤巴氏杀菌乳状液体以去除其中的渗透物以形成基本上液态的产品；以及从基本上液态的产品中去除至少94％的水分以产生粉末形式的高蛋白食品。

研磨豆类供应物的步骤可包括筛选豆类以从工艺中去除过大的豆子和材料。这些豆子可以送到磨坊磨成细粉。细粉粒径不大于300微米。

使细粉水合的步骤可包括温度在40-45°之间将细粉与水混合。使细粉水合的步骤可进一步包括将水和细粉与10％NaOH进一步混合以将所得混合物的pH水平调节至pH 9.3左右。使细粉末水合的步骤可包括产生液体浆液以使粉末与液体比例约为1:10。

从液体浆液中分离固体以形成乳状液体的步骤可包括在初始时间内将液体浆液输送到倾析器(decanter)。倾析器分离出浆液中存在的任何固体，并收集容器中的固体以进行去除。该步骤可进一步包括在倾析之后使混合物通过澄清器。

过滤所述巴氏杀菌乳状液体以去除其中的渗透物以形成基本液态产品的步骤可包括使巴氏杀菌乳状液体通过具有多个膜的超滤单元。超滤单元的多个膜可具有不同大小的孔，以提供渗透物与液体的分级分离。从基本上液态的产品中去除的水分的量可至少为94％。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于根据第一方面的方法从豆类中提取高蛋白食品的系统。

根据本发明的另一方面，公开了一种通过如上所述的系统或方法生产的粉状食品。

粉状食品的蛋白质含量以干重计至少为80％，优选以干重计至少为85％。粉状食品的钠含量可小于400mg/100g，优选小于300mg/100g。

粉状食品可具有至少75％，优选至少85％的溶解度。

粉状食品的碳水化合物含量可每100g小于5g，优选每100g小于3g。粉状食品的总游离糖含量可每100g小于1.5g，优选每100g小于1g。

附图说明

通过以下优选实施例的非限制性描述可以更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明实施例的方法的研磨和水合阶段的图示；

图2是根据本发明实施例的方法的分离和巴氏杀菌阶段的图示；

图3是根据本发明实施例的方法的过滤阶段的图示；

图4是根据本发明实施例的方法的干燥和包装阶段的图示；

图5是描述如何从步骤A到G执行本发明的方法的流程图；

图6是更具体地描绘图5的研磨步骤(A)的流程图；

图7是更具体地描绘图5的水合步骤(B)的流程图；

图8是更具体地描绘图5的分离步骤(C)的流程图；

图9是更具体地描绘图5的过滤步骤(D)的流程图；

图10是更具体地描述图5的干燥步骤(E)的流程图；以及

图11是更具体地描述图5的包装步骤(F)的流程图。

具体实施方式

现在将特别参考附图来描述本发明的优选特征。然而，应当理解，在附图中示出和参照附图描述的特征不应解释为限制本发明的范围。

如前所述，豌豆、大豆等长期以来用于以粉末形式从中提取蛋白质，用作补充蛋白质摄入量的食品添加剂。在这种情况下，脱皮豆类通常通过适当的研磨工艺形成粉末，并对所得粉末进行筛分，以便将细颗粒与较大颗粒分离。

还提出了湿法提取方法，其中将豆类在溶液中浸泡了设定的时间，其依据是蛋白质在碱性pH值下非常易溶，在酸性较强(～ph4.5)时溶解度较低。

已经提出了其他组合方法和系统，这些方法和系统试图先将材料研磨成粉末，然后添加水以形成浆液，然后可以进行分馏和超声波处理以提取富含蛋白质的所需最终产品。

目前的系统和方法是对现有系统的改进，在最大限度地提高最终粉末产品中蛋白质含量的同时，最大限度地减少了系统中的水的使用。下面描述本发明的系统和方法。

应当理解，下面将结合本发明的系统和方法来描述其从豆类植物中提取高蛋白粉末产品的应用，所述豆类例如是非转基因蚕豆。应当理解，本发明的系统和方法可以同样地应用于从其他原料来源提取高蛋白粉末，如本领域技术人员理解的那样。

图5至11描述了根据本发明优选实施例提取蛋白质产品的方法10，并将相对于图1-4进行描述。该方法一般包括：将豆制品转化为粉末状的初始研磨步骤A；水合步骤B，其中粉末形成浆液以进行进一步加工；分离步骤C，其中浆液在两阶段过程中分离成高蛋白组分；巴氏杀菌步骤D，用于消除病原体和制备延长保质期的提取物；过滤阶段E，其中废水从浆液中去除以产生固体提取物；干燥阶段F，其中固体提取物干燥形成粉末提取物；以及包装阶段G，其中混合和包装粉末状蛋白质提取物以用于运输和储存。

图1更详细地描述了初始研磨步骤A和水合步骤B。在这一阶段，在加工之前，原材料由农民以散装袋的形式供应，储存在干燥防虫的环境中，以便进行预检查和预分类。这可能需要对每一袋散装蚕豆进行外观检查，以确定是否有损伤和污染物，并对其进行取样，以检测是否存在过敏原或毒素。一旦出现不合格，则立即拒收任何散装原料，这些原料可能会退回给农民或用作饲料等。

首先，将装有干蚕豆的各个袋子11运送到卸料机12，卸料机12将袋子11提起并将其卸到料斗14中。在步骤100中，在料斗14的入口上方设置一个分级筛15，使得只有小于预定尺寸的豆子接收到料斗14中进行进一步处理。所述预定尺寸可根据所加工的原材料的尺寸而变化，但可在10-20mm附近。大于此尺寸的任何材料都将从分级筛15的表面去除，以便处理或用作进料。

提供螺旋输送器16以将原料从料斗14输送到研磨机17中，研磨机17用于在步骤102中将原料产品研磨成细粉末混合物。然后将精细研磨的粉末输送到第二料斗，使其由于重力作用通过第二分级筛19，从而在步骤104中在第三料斗20中接收细粉。第二分级筛19比第一分级筛15细得多，并且可能仅允许300微米大小的材料通过以在第三料斗20中接收。这一步确保只有经过精磨的原材料才能通过系统进一步加工，较大的材料从第二分级筛中去除以供再次使用。

料斗20中的细粉随后通过另一螺旋输送器21输送至混合料斗22。混合料斗22与分批搅拌机(batch mixer)23相关联，该分批搅拌机23与一对搅拌水合罐24进行流体连通，使得所加工的细粉能够分散到罐24中存在的液体中，从而在步骤106中与液体形成浆液。在步骤108中，水合罐24分别连接到流体供应源“x”，优选地具有约45℃的饮用水供应源，以及流体供应源“y”，优选地为约10％NaOH的碱性混合物，其pH值调节至9.3。水合罐24和分批搅拌机23配置成在步骤110中产生粉末与液体比例约1:10的混合物，即100Kg粉末与1000L液体的混合。系统的配置应确保混合物以缓慢搅拌的速度在45℃左右的罐24中保持约60分钟。为确保在步骤112中混合物是理想的，可测试混合物的颜色，并进行最终pH测定，以确保pH值在9.3–9.5之间。在确定混合物充分混合至所需比例后，通过进料泵(feed pump)25将所得浆液加工材料输送至图2的分离设备C。

然后，通过沉降式离心机27接收浆液加工材料26，该沉降式离心机连续旋转以在步骤114中将固体材料与浆液26中的液体材料分离。从沉降式离心机27中提取的固体通常是豆纤维和淀粉，它们在重力作用下输送到螺旋输送器28中，在步骤116中它们作为废料接收到箱29中。废料中可能只含有1-2％的蛋白质和60％左右的水分，可作为饲料、肥料或根据需要进行处理。

由沉降式离心机27分离的液体材料通常称为牛奶30，并送入存储罐31，在步骤118中进一步分离之前，将其保持在搅拌状态下。在步骤120中，饮用水x也提供给存储罐31，然后通过进料泵32将液体输送到澄清器34。在将存储罐31连接至澄清器34的管线中提供预热器33，以在步骤122中将进入澄清器的液体的温度升高至约30℃。

澄清器34用作沉降罐，由此从液体中去除任何固体材料，通常是纤维和淀粉，并将其存储在处理箱35中，以便在步骤124中进行处理或用作原料。剩余的液体随后通过进料泵36输送到另一个收集罐37。

在步骤126中，将酸性溶液(约5％HCl)添加到收集罐37中，以将液体的pH调节至约6.8-7.0的pH。然后，通过进料泵38将液体泵送至巴氏杀菌系统40，在步骤128中，液体温度升高到72℃左右，持续15秒左右，然后冷却后再将其储存在另一个收集罐41中，其中添加10％NaOH，以进一步调整步骤130中液体的pH值，使其pH值在6.5左右。生成的液体随后通过泵42输送到图3的过滤系统E。

再到图3，然后将液体输送至超滤系统，该超滤系统包括多个膜43–46，每个膜具有不同的渗透性等级，以在步骤132中逐渐限制能够通过其中的渗透物的大小。在步骤134中，将饮用水“x”添加到每个过滤阶段的液体中，并且在步骤136中，将未通过下一阶段的每个捕获的渗透物收集并作为废水渗透物存储在收集罐47中。由于该工艺的性质，收集并储存在储存罐47中的废水渗透物可作为该工艺的有用副产品使用。废水渗透物可能含有归类为益生元的低聚半乳糖(GOS’)。罐47中的废水渗透液进行的测试表明，其包含低分子量的总游离糖，包括蔗糖和低聚糖、磨碎的面粉和蛋白粉。渗透液中总游离糖浓度的分解可总结在下表中：

我们理解，由于豆子中的总游离糖浓度，废物渗透物中的总游离糖和碳水化合物含量会有所变化。该系统处理的每吨豆子中收集到的废水渗透量约为16500升(16.5kl)。该废水可能含有57.48–83.6kg的总碳水化合物，其中含有50–74％的总游离糖，主要糖分如上图所示。在此基础上，可以合理地假设废物流中约50％的糖是低聚糖，从而在整个过程中提供重要的副产品。

因此，由于废水渗透液含有已从液体中去除的总游离糖，因此液体的碳水化合物含量以及随后的总游离糖含量将比较低。特别是，由于去除的总游离糖中有50％是低聚糖，因此液体中总游离糖(如低聚糖)的含量也比较低。其他可溶物质，如钠，也可通过废水渗透液或工艺中的其他步骤从液体中去除。

然后，通过膜系统的液体输送到存储罐50，在步骤138中，允许其在搅拌下静置预设时间段。可测试罐50中存在的液体的TSS和pH值，必要时在步骤140中，可在步骤142中添加5％HCl以达到6.8的目标pH值。然后，如图4所示，通过泵51将所得液体输送至干燥系统F。

干燥系统F包括蒸发器52，其接收来自存储罐50的液体并从中除去液体，使得在步骤144中所得混合物约为总固体的32％。然后将混合物输送至喷雾干燥器53，喷雾干燥器53除去湿气中的残余湿气，直到在步骤146中混合物成为含水量小于6％的粉末。然后，在步骤148中，喷雾干燥器将粉末状材料喷射到气动输送机54中，在这里，粉末作为蛋白质含量大于80％、水分含量小于6％的高蛋白粉末输送到粉末箱中。申请人认为也可以通过上述方法去除水分，使得混合物成为蛋白质含量大于85％或大于90％的粉末。粉末箱55可以直接连接到装袋机，在这里可以将粉末装袋并贴标签并堆叠成小球以便从现场运输。

可以理解的是，上面描述的工艺用水非常少，并且能够回收工艺中使用的大部分水，以便在系统内直接再利用或用于其他二次用途。从这一过程中获得的所有固体废物都可以回收用作饲料或堆肥和其他用途。

OMIC使用NATA认可的方法对所得粉末进行的分析如下：

应了解，由于蚕豆的天然特性，由上述方法形成的所得粉末在颜色和气味上基本上是中性的，并且具有最小的香味/味道。特别是悬浮时所合成粉末和/或粉末的颜色，例如，当添加作为水或饮料的补充时，其颜色为淡或浅色，从而提高其适口性。

因此，该粉末除了具有高蛋白外，还具有高的溶解度，从而具有多种潜在商业应用的食品可以利用这些特性。申请人还期望所得粉末具有至少75％的高溶解度，这是希望将粉末食品添加到奶昔或其他饮料中的人所期望的。然而，申请人预期所得粉末的溶解度可至少为85％。因此，这种粉末不仅可以作为饮料的补充，还可以应用于蛋白棒、烘焙产品、面食/面条、挤压零食、汤和其他各种食品。

还应了解，由于液体具有较低的碳水化合物、总游离糖或钠含量，因此所得粉末也将具有较低的碳水化合物、总游离糖、低聚糖或钠含量。如上面显示平均营养信息的表格所示，碳水化合物含量为每100g约有1.4g，总游离糖含量低至每100g有0.9g。此外，钠含量可为每100g约有400mg，且申请人认为可通过上述方法将钠含量进一步降低至每100g有300mg且优选地降低至每100g有250mg。

在整个说明书和权利要求中，“包括”一词及其衍生产品旨在具有包容性而非排他性含义，除非明确说明相反的含义或上下文另有要求。也就是说，“包括”一词及其派生词将被视为不仅包括其直接引用的列出的组件、步骤或特征，而且还包括未具体列出的其他组件、步骤或特征，除非另有明确说明或上下文另有要求。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所描述的本发明的方法进行许多修改和变化。

Claims (19)

1.一种从豆类中提取高蛋白食品的方法，包括：

将豆类供应研磨成细粉；

将细粉水合形成液体浆液；

从液体浆液中分离固体以形成乳状液体；

巴氏杀菌所述乳状液体，去除其中不需要的有机物；

过滤所述巴氏杀菌乳状液体以去除其中的渗透物以形成基本上液态的产品；以及

从基本上液态的产品中除去水分以产生粉末形式的高蛋白食品。

2.根据权利要求1所述的方法，其中研磨豆类供应的步骤包括筛选豆类以从过程中去除过大的豆类和材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其中研磨步骤包括将所述经筛选的豆子传递到研磨机以研磨成细粉。

4.根据权利要求3所述的方法，其中细粉的尺寸不大于300微米。

5.根据权利要求1所述的方法，其中使细粉水合的步骤包括在40-45℃的温度下将细粉与水混合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中使细粉水合的步骤包括将水和细粉与10％NaOH进一步混合，以便将所得混合物的pH水平调节至pH 9.3左右。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中使细粉水合的步骤包括形成液体浆液，使所述液体浆液具有约1:10的粉液比。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，从液体浆液中分离固体以形成乳状液体的步骤包括在初始时间段内将液体浆液输送至倾析器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中倾析器分离浆液中存在的任何固体并将所述固体收集在箱中以供移除。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括在倾析之后使混合物通过澄清器。

11.根据权利要求1所述的方法，其中过滤所述巴氏杀菌乳状液体以去除其中的渗透物以形成基本液态产品的步骤包括使巴氏杀菌乳状液体通过具有多个膜的超滤单元。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，超滤单元的多个膜具有不同尺寸的孔，以提供渗透物与所述液体的分级分离。

13.根据权利要求1所述的方法，其中从基本液态产品中去除的水分量至少为94％。

14.一种由上述任一权利要求生产的粉状食品。

15.根据权利要求14所述的粉状食品，其中蛋白质含量占干重的至少80％，优选占干重的至少85％。

16.根据权利要求14所述的粉状食品，其含盐量小于400mg/100g，优选小于300mg/100g。

17.根据权利要求14所述的粉状食品，其具有至少75％、优选至少85％的溶解度。

18.根据权利要求14的粉状食品，其碳水化合物含量每100g小于5g，优选每100g小于3g。

19.根据权利要求14所述的粉状食品，其总游离糖含量每100g小于1.5g，优选每100g小于1.0g。

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