DE69116313T2

DE69116313T2 - Proteinartiges material als ersatz für fett

Info

Publication number: DE69116313T2
Application number: DE69116313T
Authority: DE
Inventors: Chun-Shun Fang; Rene Snook
Original assignee: Nutrasweet Co
Current assignee: Nutrasweet Co
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1991-05-17
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-05-18
Also published as: KR927002923A; ATE132702T1; DE69116313D1; NO920218L; NO920218D0; FI920157A0; ES2081483T3; EP0484508A4; EP0484508B1; CA2060655A1; AU639123B2; GR3018641T3; WO1991017665A1; DK0484508T3; JPH05500163A; EP0484508A1; AU8086491A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mikroteilchenförmige denaturierte Proteine, welche als Fettersatz in Nahrungsmitteln geeignet sind und insbesonders ein verbessertes Verfahren für die Herstellung proteinartiger Fettersatzstoffe aus löslichen und koagulierbaren Proteinen.

Hintergrund

Fettreiche Nahrungsmittel geniessen wesentliche Popularität und machen einen wesentlichen Anteil der Ernährung vieler Leute aus. Die unerwünschten ernährungsmässigen Folgen im Zusammenhang mit der Einnahme dieser populären Nahrungsmitteltypen wurde allgemein erkannt und Wege, um das in diesen Nahrungsmittelprodukten enthaltene Fett zu vermindern, wurden entwickelt um die Probleme, die durch die Einnahme fettreicher Nahrungsmittel bewirkt werden, anzusprechen.
Singer et al., US-Patent 4,734,287, beschreibt einen mikroteilchenförmigen denaturierten Proteinfettersatz, hergestellt aus Milchmolkeprotein. Der Molkeprotein-Fettersatz ist ein Makrokolloid aus kugelförmigen Mikroteilchen, welche während des Erhitzens einer wässrigen Molkeproteinlösung unter hohen Scherbedingungen gebildet werden. Um mikroteilchenförmiges Protein zu bilden, das Mikroteilchengrössen in einem Bereich aufweist, der das Mundgefühl und die organoleptischen Eigenschaften von Fett so stark wie möglich vorspiegelt, wird offenbart, dass der pH der wässrigen Proteinlösung vor dem Erhitzen durch Zugabe von Säure auf einen Wert erniedrigt werden sollte, der unter dem Mittelpunkt der isoelektrischenkurve der Proteinlösung liegt. Zusätzlich gibt die Referenz an, dass es bevorzugt ist, dass Verfahrenshilfsstoffe dem Protein geeigneterweise vor der Wärmebehandlung zugegeben werden, um die Aggregation der Mikroteilchen zu vermindern.
Die europäische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 0 323 529, veröffentlicht am 12. Juli 1989 beschreibt die Anwendung der von Singer et.al. entwickelten und offenbarten Technologie auf, zusätzlich zum Molkeprotein, andere lösliche und koagulierbare Proteine, welche bei Erhitzen unter hohen Scherbedingungen Makrokolbide aus kugelförmigen Mikroteilchen bilden. Es wird offenbart, dass die mikroteilchenförmigen Proteine, welche das Mundgefühl und die organoleptischen Eigenschaften von Fett am besten vorspiegeln, auch in einer wässrigen Lösung mit einem pH-Wert unter dem Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve der Proteine gebildet werden und vorzugsweise in Anwesenheit von Verfahrenshilfsstoffen, welche die Aggregatbildung der Mikroteilchen verhindern. EPA 0 323 529 beschreibt ebenfalls eine Anlage für starke Scherung, welche darauf angepasst ist, die Hitze und die hohen Scherbedingungen bereitzustellen, die benötigt werden um die Singer et al. Technologie voll auszunutzen. Die offenbarte Anlage ist ein eingeschlossener Behälter, ausgestattet mit einem Rotor, welcher einen toroidalen Fluss einer flüssigen Proteinlösung erzeugt und welcher die Flüssigkeit kontrollierten Hitze- und hohen Scherbedingungen unterwirft. Diese Hochscherungsapparatur wird auch in US-Patent 4,744,521 beschrieben.
Sowohl US-Patent 4,734,287 als auch EPA 0 323 529 offenbaren und empfehlen die Formulierung von Einsatzmaterialien aus löslichen und koagulierbarem Protein mit einer Vielzahl an Verfahrenshilfsstoffen, wie die Aggregatbildung verhindernde Mittel, vor der Behandlung mit Hitze und hoher Scherkraft. Brauchbare, die Aggregatbildung verhindernde Mittel schliessen Gummi, wie Xanthangummi, Karrageen, Alginat und Calciumstearyllactylat, Datemester, Maltodextrine oder Lecithin ein. Darüberhinaus wurde festgehalten, dass im Verfahren zur Bildung denaturierter Molkemikroteilchen die Behandlung des Molkeprotein-Eingangsmaterials mit einem geeigneten Lösungsmittel vor dem Erhitzen nicht nur zur Extraktion löslicher Lipide wie Cholesterol, sondern auch für die Entfernung von Molkeproteinkomponenten vorteilhaft ist, welche infolge der Hitzebehandlung zu Nebengeschmack im mikroteilchenförmigen Produkt führen können.
Das Bedürfnis in der Nahrungsmittelindustrie für verbesserte Verfahren zur Herstellung von Proteinmikroteilchen mit geeigneter Grösse und Gestalt für die Verwendung als Fettersatz besteht weiterhin.
WO-A 89 05587 offenbart - neben der Verwendung von proteinartigen Fettersatzstoffen, die aus angesäuerten Proteinlösungen gemäss beispielsweise US 4,734,287 hergestellt wurden, für die Herstellung von Nahrungsmittelprodukten mit geringem Fettgehalt - ein Verfahren für die Herstellung von Fettersatzstoffen, bei denen die Denaturierung bei einem höheren pH-Wert durchgeführt wird, aber in der notwendigen Anwesenheit mindestens eines kernbildenden Mittels.
EP-A-356,094 offenbart einen Nahrungsmittelaufstrich mit tiefem Fettgehalt und einer durchgehenden Fettphase, welcher eine Dispersion einer proteinmakrokolloidalen Zusammensetzung enthält. Lagerproteinteilchen werden dadurch hergestellt, dass eine wässrige Aufschlämmung an Protein, das sich unter Wärmeeinwirkung verfestigt, bei einem pH über dem isolelektrischen Punkt des Proteins einer Scherkraft unterzogen wird.
Im besten Fall würde ein solches verbessertes Verfahren die Notwendigkeit für irgendwelche wesentlichen Mengen an Verfahrenshilfsmitteln, wie die Aggregatbildung verhindernde Mittel, in den als Einsatzmaterialien verwendeten Lösungen von löslichem und koagulierbarem Protein vermindern oder beseitigen. Verbesserte Verfahren würden auch die Herstellung denaturierter Molkeprotein- Mikroteilchen gestatten, welche gewünschte Geschmackseigenschaften haben, ohne vor der Behandlung mit Hitze und hoher Scherkraft zu einem Lösungsmittelextraktionsverfahrensschritt greifen zu müssen.

Kurze Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren bereit, um denaturierte Proteinmikroteilchen herzustellen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine wässrige Proteinlösung unter hohen Scherbedingungen, bei einem pH-Wert oberhalb des Mittelpunkts der isoelektrischen Kurve des Proteins in der wässrigen Lösung erhitzt wird.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches Erhitzen undenaturierten, im wesentlichen löslichen und koagulierbaren Proteins bei Hitzedenaturierungstemperaturen in einer wässrigen Lösung, bei einem pH, der grösser ist als der Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve des Proteins, einschliesst, unter Scherbedingungen, die ausgewählt sind und während eines Zeitraums ausgeführt werden, der ausreichend ist, um die Bildung irgendwelcher wesentlicher Mengen an verschmolzenen teilchenförmigen proteinartigen Aggregaten mit Durchmessern über etwa 2 um (Mikronen) zu vermeiden, währenddem auch denaturierte proteinartige makrokolloidale Teilchen gebildet werden, die grösser sind als etwa 0,1 um (Mikronen) im Durchmesser.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsart dieses Verfahrens umfasst die wässrige Proteinlösung lösliche und koagulierbare Molkeproteine. Vorzugsweise enthält die wässrige Lösung etwa 10-36 Gew.-% lösliches Molkeprotein und speziell bevorzugt enthält die wässrige Lösung etwa 18-25 Gew.-% lösliches Molkeprotein.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsart des verbesserten Verfahrens der Erfindung ist der pH-Wert eines wässrigen Molkeproteinlösungs-Einsatzmaterials für die Hitze- und Scherbehandlung grösser als etwa 5, und vorzugsweise ist der pH-Wert etwa 5,8 bis 6,9.

Ausführliche Beschreibung

Auf die Offenbarungen von Singer et al., US- Patent 4,734,287, EPA Veröffentlichungs-Nr. 0 323 529, veröffentlicht am 12. Juli 1989 und US-Patent 4,961,953 wird zu dem Zweck Bezug genommen, den allgemeinen Stand der Technik zu Verfahren und Apparaturen, die für die Herstellung denaturierter Protein-Mikroteilchen geeignet sind, zu beschreiben und zu Verfahren, die geeignet sind nebengeschmackerzeugende Komponenten aus den Molkeproteinen zu extrahieren, die für die Erzeugung von Mikroteilchen verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung liegt zum Teil in der Feststellung, dass Mikroteilchen tatsächlich aus wässrigen Lösungen von Einsatzmaterialien aus löslichem und koagulierbarem Protein hergestellt werden können, welche in üblichen Apparaturen, wie die Apparaturen, die in US-Patent 4,828,396 beschrieben sind, bei pH-Werten, die grösser sind als der Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve der Proteine, Hitze und Scherung unterzogen werden. Bei pH-Werten oberhalb des Mittelpunkts der isoelektrischen Kurve der Proteine wird nicht nur die unerwünschte Aggregation von Mikroteilchen vermieden, sondern es wurde auch gefunden, dass die Notwendigkeit für zusätzliche Verfahrenshilfsstoffe, wie die Aggregatbildung verhindernde Mittel, wesentlich vermindert oder beseitigt wird. Ferner wurde gefunden, dass bei Verwendung wässriger Molkeproteinlösungen als Einsatzmaterial für die Bildung der Mikroteilchen die Notwendigkeit, das wässrige Proteinlösungs-Einsatzmaterial vor dem Erhitzen Extraktionsverfahren zu unterziehen, um Nebengeschmäcke oder -gerüche zu vermeiden, vermindert oder beseitigt ist.
Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise auf wässrige Lösungen an hitzekoagulierbaren Proteinen angewendet, welche eine Proteinkonzentration von etwa 10-36 Gew.-% aufweisen. Im allgemeinen sollten Ausgangsproteinquellen für die Ausführung der Erfindung mehr als etwa 80 % lösliche Proteine einschliessen und vorzugsweise mehr als etwa 90 % lösliche Proteine. Proteinquellen, die weniger als etwa 80 % lösliche Proteine bereitstellen, scheinen übergrosse Teilchen oder Teilchenaggregate einzuschliessen, die die gewünschten organoleptischen Eigenschaften des Produkts wesentlich beeinträchtigen können.
Die bevorzugten Quellen geeigneten Proteins für die Ausführung des vorliegenden Verfahrens sind Rohstoffquellen, welche lösliche, kugelförmige, nichtfasrige Proteine bereitstellen, die zuvor keiner Protein-Denaturierungsbehandlung unterzogen worden sind. Eine bevorzugte Proteinquelle ist flüssiges Molkeproteinkonzentrat mit etwa 18-25 Gew.-% Protein, etwa 37-50 Gew.-% Feststoff und etwa 5-13 Gew.-% Lactose.
Der pH-Wert der Proteinlösungen wird über dem Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve der Proteine in Lösung festgesetzt, welcher ein pH-Wert über dem Mittelpunkt der zusammengesetzten Kurve der verschiedenen isoelektrischen Punkte der einzelnen Proteinkomponenten ist. Unerwarteterweise gestattet die Festsetzung des pH über dem Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve die Bildung von Teilchenpopulationen mit richtiger Grösse, welche ein verbessertes Produkt bereitstellen. Offensichtlicherweise sollte dafür Sorge getragen werden, dass pH-Werte, die so weit über dem Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve liegen, dass Basehydrolyse der Proteine auftritt, vermieden werden.
Vorzugsweise wird im vorliegenden Verfahren eine wässrige Proteinlösung mit einer Proteinkonzentration zwischen etwa 10-36 Gew.-% verwendet. Proteinkonzentrationen zwischen etwa 15-26 Gew.-% sind am meisten bevorzugt. Wässrige Lösungen mit Proteinkonzentrationen unter etwa 10 Gew.-% können verwendet werden und die Bildung der gewünschten Mikroteilchen tritt auf, das gebildete mikroteilchenförmige Produkt kann jedoch zu verdünnt sein, um als Fettersatz ohne weitere Konzentrierung zu wirken. Wässrige Lösungen mit Proteinkonzentrationen über etwa 36 Gew.-% haben die Tendenz mikroteilchenförmige Produkte bereitzustellen, welche äusserst viskos sind und welche zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung führen können, die typischerweise mit viskosen Materialien im Zusammenhang stehen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die wässrigen Proteinlösungen während verschiedener Zeitperioden unter Schergeschwindigkeiten, die so hoch oder grösser als 40'000 reziproke Sekunden sind, erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Typische Verfahrenstemperaturen liegen im Bereich von etwa 68-120ºC und typische Verfahrenszeiten liegen im Bereich von etwa 3 Sekunden bis etwa 30 Minuten oder länger. Verfahrenszeiten von etwa 10 Sekunden bis etwa 2 Minuten sind bevorzugt. Im allgemeinen sind die Verahrenszeiten bei tiefen Temperaturen länger und bei hohen Temperaturen kürzer. Zum Beispiel können Verfahrenszeiten bei 68ºC etwa 20 Minuten, Verfahrenszeiten bei 90-95ºC etwa 20 Sekunden bis etwa 5 Minuten und Verfahrenszeiten bei 120ºC etwa 3 Sekunden betragen.
Die Aggregatbildung verhindernde Mittel können, falls gewünscht, den wässrigen Proteinlösungen wahlweise zugegeben werden. Das die Aggregatbildung verhindernde Mittel kann derart ausgewählt oder die Konzentration des Mittels kann derart eingestellt werden, dass es den gewünschten pH der Mischung nicht verändert.
Den Proteinlösungs-Einsatzmaterialien können auch fakultative Bestandteile zugegeben werden, und diese können Farbstoffe, Aromastoffe, Stabilisatoren, Konservierungsmittel und ähnliches in Mengen, die ausreichend sind um die gewünschten Eigenschaften in den mikroteilchenförmigen Produkten bereitzustellen, einschliessen. Diese Arten von Zusatzstoffen können im allgemeinen in der Lösung ohne negative Wirkungen anwesend sein oder dieser zugegeben werden.
Die folgenden Beispiele betreffen ein bevorzugtes Verfahren für die Herstellung von denaturierten Proteinmikroteilchen, hergestellt aus einer wässrigen Molkeproteinkonzentratlösung mit einem pH-Wert über etwa 6.

BEISPIEL 1 - Mikroteilchenförmiges Molkeprotein

Ein im Handel erhältliches flüssiges Molkeprotein wird mit Ultrafiltration und Verdampfung behandelt, bis eine Mischung mit etwa 42 Gew.-% Feststoff und etwa 50-55 Gew.-% Protein auf Trockenbasis erhalten worden ist. Das flüssige Molkeproteinkonzentrat wird in einem Versator-Entlüfter entlüftet und vom Boden her in einen hygienischen Behälter gespiesen, der für nichtbelüftendes Rühren ausgestattet ist.
Die entlüftete Mischung wird dann mittels einer Verdrängerpumpe (272 kg/Std., 600 lbs/hr) durch ein eingebautes Sieb (300 um Käsetuch), einem Masseflussmesser und einen Plattenwärmetauscher, der die Temperatur der Mischung auf etwa 76,7ºC (170ºF) erhöht, in eine erhitzte Haltevorrichtung gepumpt.
Die erhitzte Haltevorrichtung schliesst zwei konzentrische gekratzte Oberflächenwärmetauscher, die in Serie geschaltet sind, ein. Jeder Wärmetauscher stellt eine Verweilzeit von etwa 3,6 Minuten bei einer Fliessgeschwindigkeit von etwa 136 kg/Std. (300 lbs/hr) bereit. Beide dieser Wärmetauscher werden derart erhitzt, dass sie die Haltetemperatur, die durch den Plattenwärmetauscher gesetzt wurde, beibehalten.
Die Mischung wird dann aus der Haltevorrichtung in einen exzentrischen gekratzten Oberflächenwärmetauscher gepumpt. Dieser gekratzte Oberflächenwärmetauscher kühlt die Mischung auf eine Temperatur von etwa 73,9ºC (165ºF) ab, eine Temperatur, die tiefer liegt als die Zielspitzentemperatur innerhalb einer Apparatur, die Hitze und hohe Scherkraft erzeugt ("MicroCooker"). Die Mischung fliesst dann direkt in eine Mikrokocherapparatur, wie in US-Patent 4,828,396 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Einlass- und Auslassöffnungen vertauscht wurden, d.h., die Einlassöffnung ist dort angeordnet, wo die Auslassöffnung in der Patentzeichnung gezeigt ist und die Auslassöffnung ist am Boden des schalenförmige gestalteten Kessels angeordnet. Die Temperatur der Mischung wird innerhalb von 10 Sekunden unter hohen Scherbedingungen auf 93,3ºC (200ºF) angehoben. Strenge Kontrolle der Mischungstemperatur von 93,3ºC (200ºF) wird in der Mikrokocherapparatur durch eine Kaskadenregelschlaufe beibehalten. Die Regelschlaufe spürt die Temperatur des Produkts, welches die Mikrokocherapparatur verlässt, und hält die Temperatur durch Regelung der Temperatur der Mischung, die den exzentrischen gekratzten Oberflächenwärmetauscher verlässt, konstant.
Die Geschwindigkeit des Rotors in der Mikrokocherapparatur wird konstant bei etwa 5200 U/Min. (rpm) gehalten. Bei dieser rpm-Zahl ist die Schergeschwindigkeit etwa 40'000 reziproke Sekunden an den Spitzen des Rotors, der einen Durchmesser von etwa 0,178 m (7 Inch) hat.
Nach dem Verlassen der Mikrokocherapparatur fliesst das Produkt direkt in einen exzentrischen gekratzten Oberflächenwärmetauscher und wird unter heftigem Rühren auf weniger als 54,4ºC (130ºF) abgekühlt. Das gekühlte Produkt fliesst dann durch einen zusätzlichen Wärmetauscher (gekratzter Oberflächen- oder Plattentyp), um dessen Temperatur auf weniger als 12,8ºC (55ºF) zu vermindern.

Claims

1. Verfahren umfassend Erhitzen undenaturierter, im wesentlichen löslicher und koagulierbarer Proteine bei Hitzedenaturierungstemperaturen in einer wässrigen Lösung unter Scherbedingungen, die ausgewählt sind und während einer Zeit ausgeführt werden, die ausreichend ist, um die Bildung wesentlicher Mengen verschmolzener teilchenförmiger proteinartiger Aggregate mit Durchmessern über etwa 2 um (Mikronen) zu vermeiden, wohingegen auch denaturierte proteinhaltige teilchenförmige makrokolloidale Teilchen gebildet werden, die grösser als etwa 0,1 um (Mikronen) im Durchmesser sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Denaturierungsverfahren bei einem pH ausgeführt wird, der grösser ist als der Mittelpunkt der isoelektrischen Kurve der genannten Proteine, aber unterhalb dem pH, bei welchem Hydrolyse der Proteine auftritt und in Abwesenheit eines kembildenden Mittels.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, in dem die Proteinlösung Molkeproteine enthält.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, in dem der pH der wässrigen Molkeprotein-Lösung mehr als 5 beträgt.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, in dem der pH der wässrigen Molkeprotein-Lösung etwa 5,8 - 6,9 beträgt.

5. Verfahren gemäss Anspruch 2, in dem die wässrige Molkeprotein-Lösung etwa 10-36 Gew.-% lösliches Molkeprotein enthält.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5, in dem die wässrige Molkeprotein-Lösung etwa 18-25 Gew.-% lösliches Molkeprotein enthält.