EP4266898A1 - Geschäumtes, elastisches, protein-basiertes produkt - Google Patents

Geschäumtes, elastisches, protein-basiertes produkt

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Publication number
EP4266898A1
EP4266898A1 EP21824479.6A EP21824479A EP4266898A1 EP 4266898 A1 EP4266898 A1 EP 4266898A1 EP 21824479 A EP21824479 A EP 21824479A EP 4266898 A1 EP4266898 A1 EP 4266898A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filling
pore
pores
product
fluid
Prior art date
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Pending
Application number
EP21824479.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Windhab
Joel Zink
Cédric SAX
Bhaskar Mitra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Buehler AG
Original Assignee
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ filed Critical Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Publication of EP4266898A1 publication Critical patent/EP4266898A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A23L33/10—Modifying nutritive qualities of foods; Dietetic products; Preparation or treatment thereof using additives
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    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K47/00—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient
    • A61K47/30—Macromolecular organic or inorganic compounds, e.g. inorganic polyphosphates
    • A61K47/42—Proteins; Polypeptides; Degradation products thereof; Derivatives thereof, e.g. albumin, gelatin or zein

Definitions

  • the invention relates to a foamed, elastic, protein-based product.
  • the invention relates to a method with method variants for producing such a product with a defined degree of pore filling.
  • the invention also relates to a device with device variants for carrying out the method according to the invention.
  • the invention relates to a use of the product according to the invention as a food product that can be customized in terms of its sensory, nutritional and health-promoting functionalities, in particular on the basis of plant-protein-based meat analogues.
  • a food product that can be customized in terms of its sensory, nutritional and health-promoting functionalities, in particular on the basis of plant-protein-based meat analogues.
  • Foamed, open-pored (spongy) product systems are known in the food sector for baked goods or in the field of instant products (instant soups, drinks, sauces) /1/.
  • instant products instant soups, drinks, sauces
  • wetting and penetrating behavior in contact with fluids as well as the rapid and complete dispersibility, possibly coupled with rapid dissolving, are decisive quality and convenience criteria 121.
  • wetting and partial dispersion take place in the saliva or supplied liquid in the mouth of the consumer.
  • Foamed food systems from dry extrusion processes are known in particular as starch-based snack foods. These have a low water content (approx. ⁇ 3-5%) to ensure their crispiness.
  • foam formation takes place through steam expansion as a result of a sudden drop in static pressure at the extruder nozzle outlet. Due to its fast kinetics, this process can only be controlled within wide limits with regard to the setting of a foam structure. As a result, the resulting products usually have very large pores and mostly open pores /3/.
  • WO 2012/158023 A1 describes a method for producing a structured vegetable protein extrudate, comprising the steps
  • the extruder has a length to diameter L/D ratio greater than 20, preferably greater than 30, for example it may be 40-50.
  • the structured vegetable protein extrudate is subjected to a freezing process. It is also contemplated to heat the aqueous liquid to a temperature of 70°C to 98°C.
  • the liquid may contain flavorings but is preferably a broth.
  • the vegetable protein extrudate contains 0.1-20% by weight of fat, preferably 0.2-10% by weight of fat.
  • the product can be used to produce a meat-like, fibrous, textured botanical
  • WO 2020/208104 A1 relates to a meat analog comprising a macrostructure of connected sheared fibers oriented substantially parallel to each other; and gaps located between the sheared fibers, wherein the macrostructure does not include meat and wherein the macrostructure includes a vegetable protein.
  • a fat and/or fat analog is injected into the vertical gaps such that the meat analog comprises a plurality of alternating visually distinct regions, the visually distinct regions comprising one or more first visually distinct regions comprising the fat and one or several second visually distinct areas encompassing the vegetable protein.
  • the vertical gaps can also be immersed in a fat solution such that the meat analog comprises a plurality of alternating visually distinct areas, the visually distinct areas being one or more first visually distinct areas comprising the fat and one or more second visually distinct areas Areas comprising the vegetable protein include.
  • the macrostructure may comprise a texturized vegetable protein or micronized vegetable matter, wherein the micronized vegetable matter comprises at least one of the group consisting of hulls, fibers and mixtures thereof.
  • the meat analog is shaped to resemble a marbled meat.
  • the macrostructure should have a non-homogeneous structure.
  • an extrusion system for the production of a meat analog, the meat analog comprising a vegetable protein
  • the extrusion system comprising an extruder and a short die; wherein the extruder is connectable to the short die and configured to direct a material comprising a vegetable protein from the extruder to the short die and through a fluid path extending through the short die, wherein the short nozzle is configured to inject a fat or fat analog into the material such that the fat or fat analog is embedded but visually separated from the material comprising the vegetable protein when the fat or fat analog and the material leaving the short nozzle.
  • a method of extruding a meat analog is described, the method steps being to apply are: applying pressure to the meat analog with an extruder; and passing the meat analog through a short die in a flow direction, the short die being part of and/or connected to the extruder, and generating sheared fibers in the meat analog substantially perpendicular to the flow direction of the meat analog as the meat analog passes through the short nozzle is guided.
  • An addition of pea skin to the meat analogue is also described, with the meat analogue also being said to contain pea proteins or field bean proteins.
  • the invention is based on the object of creating a foamed product of the specified type with predetermined functional properties.
  • the invention is based on the object of providing a device for producing such a product.
  • the invention is based on the object of proposing a method with which such a product can be produced.
  • the invention is based on the object of proposing a use according to the invention of such products.
  • This object is achieved according to the invention by a foamed, elastic, protein-based product with a dry substance content of 20-98% by weight, bound water content of 2-80% by weight and a partially to completely filled open pore structure, the ratio of the volume of the product surface being open fluid-filled pores (OGP) to the total volume of open pores in the product is set in the range of 0.05.
  • OGP open fluid-filled pores
  • the present invention is based on a generic concept for the personalization of sustainably produced food systems made from plant protein and plant fibers, with special consideration of meat analogues.
  • meat analogues which already come quite close to prepared meat in terms of their texturing, the "high moisture cooking extrusion” (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC) technology has become more established. Compact, fibrillar, meat-like structures can be achieved with it.
  • HMEC High Moisture Extrusion Cooking
  • gas volume fractions of 5-10% already show a significant reduction in product firmness. Above 30% gas volume fraction, the aspect of increased soft rubberiness (“marshmallow consistency”) can be detected. This applies in particular in the case of closed foam pores, since the enclosed gas content expands again after compression when biting/chewing deformation is imposed.
  • open pores the gas in the pores is pressed out of the pores into the environment without any associated damping effect on the deformation process under deforming stress and is (partially) sucked in again when it relaxes.
  • the gas inflow and outflow does not have any significant influence on the texture perception. If the open pores are filled with fluid, as the fluid viscosity increases, the outflow from open pores, which is delayed or impeded as a result, contributes to a firmer texture perception.
  • fluid-filled, open foam pore systems can be expected to have improved sensory properties in meat analogues with regard to tenderness, crispiness and juiciness. More inventive designs
  • the invention is characterized in that the proportion by volume of filled open pores relative to the total volume of all open and closed pores is between 0.05-1, preferably between 0.2-0.95, and is set for values >0.1 with an accuracy of +/-0.05 is.
  • compositional aspects water, protein, fiber content of the product foam structure are addressed, which on the one hand relate to the mechanical properties (structure strength, fibrillar structure) of the same, and on the other hand also to nutritional aspects (fiber, fat/oil content).
  • Patent claim 10 also refers to the possibility of filling the pores in the dried state of the foamed framework matrix with water contents ⁇ 10% by weight, based on the total mass, in the semi-moist state with water contents between 10-40% by weight or in the moist state of the foamed framework matrix, as it is directly after HMECF production with a water content of between 40-70% by weight, based on the total mass.
  • a drying step of the product after HMECF extrusion means additional production and energy expenditure, this is of interest with regard to product packaging, storage and shelf life aspects. Due to their high water content, meat analogs produced by HMECF can only be placed in the food trade under cold storage conditions.
  • Claims 11 to 19 relate to the composition and properties of the pore-filling fluids with the associated diverse possibilities of introducing a wide range of sensory, nutritional and health-promoting functionalities into the products with filled pores via these pore-filling fluids.
  • the filling mechanisms for open foam pores activated according to the invention can be combined in a simple manner with the HMEC extrusion technology and the process steps for opening the foam pores upstream of the filling of open pores, or can be integrated into a compact production process.
  • pores are opened by static residual pressure relaxation at the end of the extruder nozzle so that closed pores are opened towards the product surface
  • an associated elastic reverse deformation of the product matrix in the opened pore channel area can be used to suck in a proportion of pore filling fluid, possibly supported by superimposed mechanical pressure deformation and elastic shape relaxation.
  • pore opening by means of needle penetration can also be combined with filling using hollow needles.
  • pore filling using hollow needles differs from the infusion methods known from the meat industry, such as those used in the production of boiled ham, in that during needle penetration into a foam structure such as the one present here, the injected pore filling fluid as a result of the applied filling pressure to Breakage of pore walls contributes and thus further closed pores are opened.
  • the devices for filling the open foam pores assigned to the process steps according to the invention are also technically compatible with HMEC technology and the various process steps downstream of the HMEC extruder, either individually or in combination, for adjustable pore opening.
  • the inventive at least partial combinability of the devices for opening the foam pores with the devices for filling the open foam pores described in more detail below is of considerable advantage in an integrated design of the overall production process of tailor-made functionalized meat analogs, but not limited to these products.
  • the pore-filling devices are detailed based on the associated method steps using the pore-filling mechanisms (a)-(d) in their respective process engineering environment. Aspects of adaptability to HMEC technology are highlighted.
  • patent claim 36 for a foodstuff with specific sensory, nutritional and health-promoting properties for specific consumers or patient target groups.
  • target groups e.g. those with certain intolerances or allergies or deficiency symptoms, pregnant women, infants or the elderly. This is due in particular to the additional effort required in the industrial production of food products with a further reduction in the size of target groups down to individuals in the production processes and in the production and distribution logistics.
  • 2a shows a device for filling open foam pores by means of elastic pore shape relaxation
  • 2c shows a further detail in section
  • 3 shows a device for filling open foam pores by means of elastic pore shape relaxation after deformation by means of a partial vacuum
  • 4a shows a device for filling open foam pores by means of infusion via a hollow needle penetration and pore-filling roller system
  • 4b shows a device for filling open foam pores by means of infusion via a hollow needle penetration and pore-filling stamp system
  • 5a and 5b a device for filling open foam pores by means of ultrasonically forced diffusion.
  • FIG. 1a shows a device arrangement with an HMEC extruder nozzle 4 and deflection guide rollers 5 for an extrudate strand. Height-adjustable brackets for lower rows of deflection rollers are denoted by 6. Numeral 7 designates a pore-filling fluid. The height adjustment range of the adjustable supports 6 is shown schematically with Hi, while H2 is the total height of the pore-filling fluid bath.
  • reference numeral 1 denotes closed foam pores, while 2 are open foam pores.
  • An inflowing pore-filling fluid is indicated schematically at 3 .
  • ADJUSTED SHEET (RULE 91) ISA/EP 2a shows a schematic representation of a pore-filling device by means of elastic pore shape relaxation after extrudate strand passage 14 between pressure rollers 13.
  • reference numeral 8 designates a direction of compression between pressure rollers 11 by means of a pressure force 9, which acts on the open and closed pores 10 of an extrudate strand.
  • reference numeral 12 designates the direction of re-expansion of an extrudate strand under shape relaxation after exiting the pressure nip.
  • FIG. 3 shows a device for filling open foam pores by means of elastic pore relaxation after deformation by applying a partial vacuum.
  • Numeral 15 denotes an extrudate strand portion, while 16 is a half-shell for receiving strand portions for vacuum treatments.
  • 17 is the pore filling fluid and 18 denotes the conveying direction.
  • 19 designates a movable cover device for the sealing closure of the lower half-shell with product parts.
  • Numeral 20 designates a vacuum hose connected to a vacuum tank 21 .
  • Denoted at 22 is a vacuum pump, and at 23 is a conveyor belt. The direction of rotation and thus the conveying direction of the conveyor belt 23 results from the arrows at the reversing stations of the conveyor belt 23.
  • FIG. 4a shows a device for filling open foam pores by means of infusion via hollow needles of a penetration and pore-filling roller system.
  • 25 designates a storage tank for a pore-filling fluid and 26 a piston metering pump, while 27 represents the end of the HMEC extruder cooling nozzle.
  • Shown at 28a is an upper hollow needle penetration and pore-filling roller, while 28b illustrates a lower hollow needle penetration and pore-filling roller.
  • a penetration and filling hollow needle is denoted by 29, while 30a denotes a metering segment of the upper pore-filling roller.
  • 30b is a metering segment of the lower pore-filling roller.
  • Illustrated at 31 is a pore-filling fluid feed line to the hollow needle penetration and pore-filling rollers.
  • Numeral 32a designates a pressure pressing device for the upper hollow needle penetrating and pore-filling roller 28a. The direction of pressure is denoted by F P , while 32b illustrates a pressure pressing device for the lower hollow needle penetration and pore-filling roller.
  • a collection container for pore-filling fluid is denoted by 33 .
  • Shown at 34 is a conveyor belt for the removal of the treated products. The conveying direction results from the arrows of the deflection stations.
  • FIG. 4b shows a device for filling open foam pores by means of infusion via a hollow-needle penetration and pore-filling stamp system.
  • Conveyor belts for the strand of extrudate are shown at 35a and 35b, while 36 designates an extrudate strand which is indicated by way of example.
  • An extruder nozzle outlet is denoted by 37, while 38 denotes a collecting container for pore-filling fluid.
  • a perforated sheet metal block for accommodating penetration and pore-filling hollow needles is indicated schematically, while 40 represents a penetration and pore-filling hollow needle stamp equipped with several penetration and pore-filling hollow needles.
  • At 41 is a pore-filling fluid delivery for the penetration and pore filling hollow needle punch illustrated.
  • Denoted at 42 is a pore-filling fluid delivery hose, while 43 is a pore-filling fluid metering pump fed from the pore-filling fluid reservoir 44 .
  • the direction of movement of the penetration and pore-filling hollow needle stamp is shown with the reference number 45, while a hydraulic penetration pressure force amplification is indicated schematically with 46.
  • FIG. 5a shows a device for filling open foam pores by means of ultrasound-forced diffusion.
  • An extruder nozzle outlet is shown at 47, while 48 is an HMEC extrudate strand.
  • Deflection Z guide rollers for the strand of extrudate are shown at 49 .
  • Ultrasonic sonotrodes are indicated schematically at 50, while 51 illustrates a height-adjustable suspension of the lower deflection rollers for the extrudate strand 48.
  • the extrudate dwell time in the heated ultrasonic immersion bath can be set by adjusting the height.
  • a pore-filling fluid is indicated by reference number 52, while 53 is a heating register for heating pore-filling fluid.
  • the height adjustability of the lower deflection rollers is denoted by Hi, while H2 indicates the overall height of the pore-filling fluid bath.
  • Patent Foamed dough-based food product and apparatus and method for making the foamed dough-based food product

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Produkt mit Schaumstruktur mit teilweise zur Oberfläche hin offenen und mit einem Fluid teilweise bis vollständig gefüllten Schaumporen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren mit Ausführungsvarianten zur definierten Füllung offener Schaumporen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit Ausführungsvarianten zur definierten Füllung offener Schaumporen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäß gestalteten, gefüllten Schaumprodukte als Hauptkomponenten für pflanzenprotein-basierte Fleischanaloge. Besondere Vorteile der Erfindung betreffen die vereinfachte Funktionalisierbarkeit der erfindungsgemäßen Produkte hinsichtlich deren sensorischen und nutritiven Eigenschaften für die Anpassung an Präferenzen und Bedürfnisse bestimmter Zielgruppen bis hin zur individuellen Personalisierung.

Description

Geschäumtes, elastisches, protein-basiertes Produkt
Beschreibung Gattung
Die Erfindung betrifft ein geschäumtes, elastisches, protein-basiertes Produkt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren mit Verfahrensvarianten zum Herstellen eines derartigen Produktes, mit definiert eingestelltem Porenfüllgrad.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit Vorrichtungsvarianten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Produktes als in seinen sensorischen, nutritiven und gesundheitsunterstützenden Funktionalitäten maßgeschneidert individualisierbares Lebensmittelprodukt, insbesondere unter Zugrundelegung pflanzenproteinbasierter Fleischanaloge. Stand der Technik
Geschäumte, offenporige (schwammartige) Produktsysteme sind im Lebensmittelbereich für Backwaren oder aus dem Bereich der Instantprodukte (Instant-Suppen, -Getränke, -Saucen) bekannt /1 /. Für letztere sind das Benetzungs- und Eindringverhalten im Kontakt mit Fluiden sowie die schnelle und vollständige Dispergierbarkeit evtl, gekoppelt mit einem schnellen in Lösung bringen, maßgebliche Qualitäts- bzw. Convenience-Kriterien 121. Für die erstgenannte Kategorie der Backwaren erfolgen Benetzung und Teildispergierung im Speichel oder zugeführter Flüssigkeit im Mundraum des Konsumenten.
Geschäumte Lebensmittelsysteme aus Trocken-Extrusionsverfahren sind insbesondere als stärkebasierte Snacks bekannt. Diese besitzen niedrige Wassergehalte (ca. < 3-5%) um deren Knusprigkeit zu gewährleisten. Die Schaumbildung findet in den für derartige Produkte angewandten Extrusionsverfahren durch Wasserdampfexpansion infolge schiagartiger statischer Druckabsenkung am Extruderdüsenaustritt statt. Dieser Vorgang ist aufgrund seiner schnellen Kinetik nur in weiten Grenzen hinsichtlich der Einstellung einer Schaumstruktur kontrollierbar. In der Folge sind resultierende Produkte meist sehr grobporig und überwiegend auch offenporig /3/.
In wenigen neueren Entwicklungen wurden extrusionsbasierte Aufschäumprozesse mit kontrollierter Einstellung der resultierenden Schaumstruktur realisiert. Dabei erfolgte die Schaumerzeugung in den in aller Regel hochviskosen Massen durch Gaslösung und nachfolgender Schaumblasennukleation sowie Schaumblasenwachstum unter geregel- ter Druckentspannung. Die in dieser Weise erfolgte Prozessentwicklung für Teige gilt als
Nassextrusion, jedoch unter „Tieftemperaturbedingungen" von ca. 40-60°C /4, 5/.
Jüngst gelang mittels einer weiterentwickelten Verfahrensvariante der "Hochfeuchten Nass-/Kochextrusion (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC), welche bei hohen statischen Drucken bis 80 bar und Temperaturen bis 170°C erfolgt, die Aufschäumung von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen. Veröffentlichungen liegen dazu bislang nicht vor.
Auf derartige Schaumprodukte, welche offene und geschlossenen Schaumporen in unterschiedlichen Verhältnissen aufweisen können, wird im Folgenden Bezug genommen.
Bislang wurde die Problemstellung einer gezielten Befüllung von geschäumten, teilweise bis vollständig offenporigen Lebensmittelsystemen gemäß publiziertem Stand des Wissens nicht adressiert. Dies ist durch die Tatsache begründet, dass die wenigen bekannten offenporigen Lebensmittelprodukte wie z.B Backwaren oder meringueartige Schaumzuckerwaren nicht mit wässrigen Fluiden benetzt werden können, ohne zu desintegrieren und ölbasierte Fluide weder gut benetzen noch ernährungstechnisch bzw. kulinarisch in diesem Kontext relevant sind. Die neuartigen geschäumten mittels HMECF- Technologie hergestellten pflanzenprotein-basierten Fleischanaloge stellen eine Besonderheit dar in Bezug auf den hohen gebundenen Wasseranteil von bis > 60%. Da infolge der starken molekularen bzw. intermolekularen Wasserbindung im denaturiert aufgefalteten Proteingerüst in den Schaumporen kein freies Wasser separiert, lassen sich die erzeugten Gasporenräume dazu nutzen weitere Flüssigkeiten in diese einzubringen. Dies kann prinzipiell zumindest teilweise über ein langfristiges (Stunden bis Tage) Einlegen solcher geschäumter Produkte in Flüssigkeiten und erfolgenden Fluid-Gasaustausch durch Diffusion erfolgen. Dies entspräche einer Art von „Marinier-Verfahren". Ein solches Vorgehen lässt allerdings kaum Spielraum für (i) eine industrielle Produktion mit (ii) vielfältiger Variation zur Produktpersonalisierung und insbesondere (iii) die Integration von sensorischen und nutritiven Produktfunktionalitäten.
Die Möglichkeit der beschleunigten Aufnahme zusätzlicher Fluidanteile und deren kapillare Fixierung in den bereits ausgeprägt wasserhaltigen HMEC-basiert hergestellten Fleischanalogen wird durch deren Aufschäumung und Einstellung der Offenporigkeit gegeben. Damit stellt sich die Aufgabe neue Möglichkeiten sensorisch und nutritiv maßgeschneiderte Produkte in bislang nicht möglicher Form herzustellen.
Die Veröffentlichung „Albert-Schweitzer-Stiftung: Vegane Großverpflegung - ein Leitfaden, 2. Auflage, Stand: Mai 2017“ beschreibt vegane Großverpflegung, also einen Leitfaden für Großküchen mit verschiedenen Rezepten.
Die WO 2012/158023 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Pflanzenproteinextrudats, umfassend die Schritte
(a) Bereitstellen einer wässrigen Proteinzusammensetzung, die pflanzliches Protein enthält, wobei der Proteingehalt, bezogen auf die Trockenmasse, unter 90 Gew.-% liegt;
(b) Unterziehen der wässrigen Proteinzusammensetzung einem oder mehreren Knetschritten, um einen Teig zu bilden; (c) Erhitzen des Teigs auf eine Temperatur oberhalb der Denaturierungstemperatur des Proteins;
(d) Einwirkung von Scherkräften und Druck auf den Teig in einem Extruder, um eine faserige Proteinzusammensetzung zu bilden;
(e) Austretenlassen der faserigen Proteinzusammensetzung aus dem Extruder durch eine Extruderdüse; wobei der Wassergehalt der wässrigen Proteinzusammensetzung mindestens 50 Gew.- % beträgt und wobei die faserige Proteinzusammensetzung einer begrenzten Kühlung unterworfen wird, so dass sie den Extruder mit einer Temperatur der Zusammensetzung verlässt, die mindestens der Siedetemperatur von Wasser in der ersten äußeren Umgebung entspricht. Der Proteingehalt, bezogen auf die Trockensubstanz, liegt in einem Bereich von 15 Gew.-% bis 85 Gew.-% und vorzugsweise in einem Bereich von 50 Gew.-% bis 80 Gew.-%. Die wässrigen Zusammensetzungen werden einem Extruder zugeführt und die Knet- und Denaturierungsschritte (b) und (c) in dem Extruder durchgeführt. Der Extruder weist ein L/D-Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als 20, vorzugsweise mehr als 30, auf, es kann zum Beispiel 40 bis 50 betragen. Das strukturierte Pflan- zenproteinextrudat wird einem Gefriervorgang unterzogen. Es ist außerdem vorgesehen, die wässrige Flüssigkeit auf eine Temperatur von 70°C bis 98°C zu erhitzen. Die Flüssigkeit kann Aromastoffe enthalten, ist vorzugsweise allerdings eine Brühe. Das Pflanzen- proteinextrudat enthält 0,1-20 Gew.-% Fett, vorzugsweise 0,2-10 Gew.-% Fett. Das Produkt kann zur Herstellung eines fleischähnlichen, fasrigen, strukturierten pflanzlichen
Proteins verwendet werden. Die WO 2020/208104 A1 betrifft ein Fleischanalogon, umfassend eine Makrostruktur aus verbundenen, gescherten Fasern, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind; und Lücken, die zwischen den gescherten Fasern angeordnet sind, wobei die Makrostruktur kein Fleisch umfasst und wobei die Makrostruktur ein pflanzliches Protein umfasst. In die senkrechten Lücken wird ein Fett und/oder ein Fettanalogon injiziert, so dass das Fleischanalogon eine Vielzahl von abwechselnden, visuell unterschiedlichen Bereichen umfasst, wobei die visuell unterschiedlichen Bereiche einen oder mehrere erste visuell unterschiedliche Bereiche umfassen, die das Fett umfassen, und einen oder mehrere zweite visuell unterschiedliche Bereiche, die das pflanzliche Protein umfassen. Die senkrechten Lücken können auch in eine Fettlösung eingetaucht werden, so dass das Fleischanalogon eine Vielzahl von abwechselnden, visuell unterschiedlichen Bereichen umfasst, wobei die visuell unterschiedlichen Bereiche einen oder mehrere erste visuell unterschiedliche Bereiche, die das Fett umfassen, und einen oder mehrere zweite visuell unterschiedliche Bereiche, die das pflanzliche Protein umfassen, umfassen. Die Makrostruktur kann ein texturiertes, pflanzliches Protein oder mikronisiertes pflanzliches Material umfassen, wobei das mikronisierte pflanzliche Material mindestens eines aus der Gruppe der Schalen, Fasern und Mischungen davon umfasst. Das Fleischanalogon wird so geformt, dass es einem marmorierten Fleisch ähnelt. Die Makrostruktur soll eine nichthomogene Struktur aufweisen. Es kommt auch ein Extrusionssystem für die Herstellung eines Fleischanalogon in Betracht, wobei das Fleischanalogon ein pflanzliches Protein umfasst, wobei das Extrusionssystem einen Extruder umfasst und eine kurze Düse; wobei der Extruder mit der kurzen Düse verbunden werden kann und so konfiguriert ist, dass er ein Material, das ein pflanzliches Protein umfasst, von dem Extruder zu der kurzen Düse und durch einen Fluidpfad, der sich durch die kurze Düse erstreckt, leitet, wobei die kurze Düse so konfiguriert ist, dass sie ein Fett oder ein Fettanalogon in das Material injiziert, so dass das Fett oder das Fettanalogon eingebettet, aber visuell von dem Material, das das pflanzliche Protein umfasst, getrennt ist, wenn das Fett oder das Fettanalogon und das Material die kurze Düse verlassen. Es wird ein Verfahren zum Extrudieren eines Fleischanalogons beschrieben, wobei folgende Verfahrensschritte zur Anwendung kommen sollen: Ausüben eines Drucks auf das Fleischanalogon mit einem Extruder; und Hindurchführen des Fleischanalogons durch eine kurze Düse in einer Fließrichtung, wobei die kurze Düse Teil des Extruders ist und/oder mit diesem verbunden ist, und Erzeugen von gescherten Fasern in dem Fleischanalogon im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des Fleischanalogons, wenn das Fleischanalogon durch die kurze Düse geführt wird. Es wird auch eine Zugabe von Erbsenschale zu dem Fleischanalogon beschrieben, wobei das Fleischanalogon auch Erbsenproteine oder Ackerbohnenproteine enthalten soll.
Aufgaben
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geschäumtes Produkt der vorausgesetzten Gattung mit vorbestimmt eingestellten funktionellen Eigenschaften zu schaffen.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Produktes bereitzustellen.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzugschlagen, mit dem sich ein solches Produkt herstellen lässt. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine erfindungsgemäße Verwendung solcher Produkte vorzuschlagen.
Lösung der Aufgabe betreffend das Produkt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein geschäumtes, elastisches, proteinbasiertes Produkt mit Trockensubstanzanteil von 20-98 Gew.%, gebundenem Wasseranteil von 2-80 Gew.% und teilweise bis vollständig gefüllter offener Porenstruktur gelöst, wobei das Verhältnis des Volumens von zur Produktoberfläche hin offenen fluidgefüllten Poren (OGP) zum Gesamtvolumen der offenen Poren im Produkt im Bereich 0.05 eingestellt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt ein generisches Konzept zur Personalisierung von aus Pflanzenprotein und Pflanzenfasern hergestellten, nachhaltig produzierten Lebensmittelsystemen unter besonderer Berücksichtigung von Fleischanalogen zugrunde. Für die Herstellung von Fleischanalogen, welche in ihrer Texturierung zubereitetem Fleisch bereits recht nahekommen, hat sich die „Hochfeuchte Kochextrusion" (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC) Technologie weitergehend etabliert. Kompakte, fibrilläre, fleischähnliche Strukturen sind damit erzielbar. Allerdings waren dieser Technologie bislang Grenzen gesetzt hinsichtlich einer weitergehenden Verbesserung und definierten Einstellung der sensorischen Aspekte (1 ) Zartheit, (2) Saftigkeit, (3) Knusprigkeit sowie (4) Geschmack/Aroma; Die in ihrer Anfangsphase befindliche Entwicklung der HMEC-Mikroschäumung (HMECF) von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen hat neue Möglichkeiten aufgezeigt, um nächste Entwicklungsschritte hinsichtlich einer Verbesserung der maßgeblichen sensorischen Qualitätsaspekte (1 ) - (4) zu realisieren.
Hier setzt die erfindungsgemäße Produkt-, Verfahrens- und Vorrichtungsentwicklung an. In einer parallel zur an dieser Stelle beschriebenen erfindungsgemäßen Weiterentwicklung erfolgten Erfindung konnten Mechanismen identifiziert werden zur Herstellung offenporiger, geschäumter Fleischanaloge. Damit wurde der Weg frei für die prominente Nutzung offenporiger HMECF-basierter Fleischanaloge, um deren Eigenschaftsverbesserung und Personalisierung voranzubringen. Die einstellbare Füllung offener Schaumporen hinsichtlich Füllgrad und Füllfluid sowie die vielfältigen Möglichkeiten in entsprechende Füllfluide eine Palette an sensorischen, nutritiven und gesundheitsrelevanten Komponenten zu integrieren führte zu den erfindungsgemäßen an dieser Stelle dargestellten Produkt-, Verfahrens- und Vorrichtungsentwicklungen. Als maßgebliche physikalische Mechanismen zur Füllung offener Poren mit charakteristischen Durchmessern von ca. 10 - 500 Mikrometern wurden (a) Kapillarkräfte, (b) elastische Porenrelaxation nach Deformation, (c) Infusion und (d) Ultraschall forcierte Diffusion identifiziert, welche einzeln oder in Kopplung anzuwenden sind. Hieraus wurden die als relevant erachteten Verfahrensschritte entwickelt sowie die zur Durchführung derselben passenden Vorrichtungen abgeleitet. Einige Vorteile
Für die sensorische Optimierung einer geschäumten Fleischanalogtextur zeigen Gasvolumenfraktionen von 5-10% bereits eine deutliche Reduktion der Produktfestigkeit. Ab 30% Gasvolumenfraktion kann der Aspekt einer verstärkten Weichgummiartigkeit („Mar- shmallow'-Konsistent) detektierbar werden. Dies gilt insbesondere für den Fall geschlossener Schaumporen, da bei aufgeprägter Beiß-/Kaudeformation der eingeschlossene Gasanteil nach Kompression wieder expandiert. Im Falle offener Poren wird bei deformierender Beanspruchung das in den Poren befindliche Gas ohne einhergehende dämpfende Wirkung auf den Deformationsvorgang aus den Poren in die Umgebung gedrückt und bei Entspannung wieder (teilweise) angesaugt. Die Gas-Ein-/Ausströmung nimmt dabei keinen markanten Einfluss auf das Texturempfinden. Im Falle einer Fluidfüllung der offenen Poren trägt mit zunehmender Fluidviskosität die dadurch verzögerte bzw. behinderte Ausströmung aus offenen Poren zu einem festeren Texturempfingen bei.
Ferner wird der sensorische Aspekt der Knusprigkeit (crunchiness) durch offene Poren unterstützt, da ohne Dämpfungseffekt, wie durch ein nicht entweichendes Gaspolster in einer geschlossenen Pore eintretend, eine kritische Bruchdehnung der Porenwände eher erreicht wird. Bei Porenfüllung mit Fluiden, welche eine niedrige Viskosität (bis ca. 100 mPas) besitzen, wird bei Deformation und Fluidaustritt aus offenen Poren ferner „Saftigkeit" verstärkt wahrgenommen.
Somit lassen fluidgefüllte, offene Schaumporensysteme verbesserte sensorische Eigenschaften bei Fleischanalogen hinsichtlich Zartheit, Knusprigkeit und Saftigkeit erwarten. Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 19 beschrieben.
Gemäß Patentanspruch 2 ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil gefüllter offener Poren bezogen auf das Gesamtvolumen aller offenen und geschlossenen Poren zwischen 0.05-1 , bevorzugt zwischen 0.2-0.95, beträgt und für Werte > 0.1 mit einer Genauigkeit von +/- 0.05 eingestellt ist.
Für die insbesondere in Betracht gezogene Lebensmittelgruppe der pflanzenprotein-ba- sierten Fleischanaloge werden, um zu stark ausgeprägte „Gummiartigkeit" zu vermeiden, maximal 50% Gasvolumenfraktion durch Aufschäumung avisiert. Davon werden mittels Porenöffnungstechnologien unter Nutzung der Mechanismen (a) Porenöffnung durch Einstellung eines rapiden Umgebungsdruckabfalls (Flash-Opening, FOP), (b) Porenöffnung durch Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (CUT-Opening, COP), (c) Porenöffnung durch multiple Nadelpenetration (Penetration-Opening, POP) oder (d) Porenöffnung durch Erzeugung einer Sekundär-Mischströmung (Mix-Opening, MOP) in der Extruderkühldüse, einstellbar in aller Regel zwischen 10-60%, die Poren geöffnet. Dies bedeutet, dass im Falle der bevorzugt betrachteten Fleischanaloge zwischen 5-30% an offenen Poren vorliegen. Gemäß den Patentansprüchen 3 bis 10 werden Zusammensetzungsaspekte (Wasser-, Protein-, Fasergehalte) des Produktschaumgerüstes adressiert, welche einerseits die mechanischen Eigenschaften (Gerüstfestigkeit, fibrilläre Struktur) desselben, andererseits auch nutritive Aspekte (Faser-, Fett/Öl-Anteile) betreffen.
Patentanspruch 10 nimmt ferner Bezug auf die Möglichkeit, die Porenfüllung im getrockneten Zustand der geschäumten Gerüstmatrix bei Wassergehalten < 10 Gew.%, bezogen auf Gesamtmasse, im halbfeuchten Zustand mit Wassergehalten zwischen 10-40% Gew.% oder im feuchten Zustand der geschäumten Gerüstmatrix, wie sie direkt nach HMECF-Herstellung mit Wassergehalten zwischen 40-70% Gew.%, bezogen auf Gesamtmasse, vorliegt, durchzuführen. Wenngleich ein Trocknungsschritt des Produktes nach der HMECF-Extrusion zusätzlichen Produktions- und Energieaufwand bedeutet, ist dies im Hinblick auf Produktverpackung, Lagerung und Haltbarkeitsaspekten von Interesse. Aufgrund ihres hohen Wassergehaltes sind HMECF erzeugte Fleischanaloge nur unter Kühllagerungsbedingungen in den Lebensmittelhandel zu bringen. Allerdings besteht für die offenporigen, geschäumten Fleischanaloge im Falle einer Trocknung die Möglichkeit bei weniger aufwändiger Verpackung die Produktlagerung unter Raumtemperaturbedingungen und die Funktionalisierung durch Porenfüllung bei Rekonstitution unter Nutzung der besonderen strukturbedingten Instant-Rekonstitutionseigenschaften infolge Offenporigkeit, im getrockneten bzw. teilgetrockneten Zustand anzusetzen. Die Patentansprüche 11 bis 19 gehen auf Zusammensetzung und Eigenschaften der Porenfüllfluide mit den damit verbundenen vielfältigen Möglichkeiten über diese Porenfüllfluide ein breites Spektrum an sensorischen, nutritiven und gesundheitsunterstützenden Funktionalitäten in die Produkte mit gefüllten Poren einzubringen.
Einige Vorteile
Vor diesem Hintergrund werden mit den erfindungsgemäßen Produkten, befüllt mit funktionellen Fluidfüllungen in den offenen Produktporen, vielfältige Problemlösungen hinsichtlich einer weitergehend personalisierten Ernährung deutlich vereinfacht adressiert werden können. Neben der Erleichterung in der Herstellung sensorisch und nutritiv maßgeschneiderter Produkte auf industrieller Produktionsebene werden unter optimalen Con- venience-Randbedingungen auch vom Endkonsumenten entsprechende individuelle Optimierungen vorgenommen werden können.
Dies wird zunächst die erfindungsgemäßen geschäumten, offenporigen pflanzenproteinbasierten Fleischanaloge betreffen, aber nicht auf diese beschränkt bleiben, da das der Erfindung zugrunde liegende generische Konzept der funktionalen Befüllung offenporiger Lebensmittelproduktsysteme auf weitere Produkt-Neuentwicklungen zu übertragen sein wird. Lösung der Aufgabe betreffend das Verfahren
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 20 dadurch gelöst, dass zur Befüllung der offenen Poren des geschäumten Produkts die vier Befüllungsmechanismen (a) Befüllung mittels Kapillarkräften (BK), (b) Befüllung mittels elastischer Porenformrelaxation (BE), (c) Befüllung durch Infusion (BI) und (d) Befüllung durch Diffusion (BD) einzeln oder in Kopplung angewendet werden.
Einige Vorteile
Die benannten, erfindungsgemäß aktivierten Füllmechanismen für offene Schaumporen sind in einfacher Weise mit der HMEC-Extrusionstechnologie sowie der Befüllung offener Poren vorgeschalteten Verfahrensschritten zur Schaumporenöffnung zu kombinieren bzw. in einen kompakten Produktionsablauf zu integrieren.
Wenn beispielsweise eine Porenöffnung durch statische Restdruckentspannung am Extruderdüsenende erfolgt, damit geschlossene Poren zur Produktoberfläche hin geöffnet werden, kann eine damit verbundene elastische Rückdeformation der Produktmatrix im geöffneten Porenkanalbereich dazu genutzt werden, einen Anteil an Porenfüllfluid einzusaugen, gegebenenfalls unterstützt durch eine überlagerte mechanische Druckdeformation und elastische Formrelaxation. Selbiges gilt für die Kombination einer Porenöffnung über schlagartige Vakuumbeaufschlagung, welche im mit Porenfüllfluid befüllten Tauchbad ausgeführt ein nachfolgendes Einsaugen des Fluids in offene Poren nach sich zieht. Schließlich kann eine Porenöffnung mittels Nadelpenetration auch zur Befüllung über Hohlnadeln kombiniert werden. Zur Porenfüllung mittels Hohlnadeln ist anzumerken, dass diese sich gegenüber aus der Fleischindustrie bekannten Infusionsverfahren, wie diese z.B. bei der Herstellung von Kochschinken angewendet werden, dadurch erfindungsgemäß unterscheidet, dass bei der Nadelpenetration in eine wie hier vorliegende Schaumstruktur das injizierte Porenfüllfluid infolge des aufgeprägten Fülldruckes zum Bruch von Porenwänden beiträgt und somit weitere noch geschlossene Poren geöffnet werden.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Gemäß den Patentansprüchen 21 bis 27 werden die Porenfüllungsverfahren mittels der Mechanismen (a) - (d) in ihrer jeweiligen verfahrenstechnischen Umsetzung detailliert. Dabei werden Aspekte der Adaptierbarkeit an die HMEC-Technologie herausgestellt
Lösung der Aufgabe betreffend die Vorrichtung
Diese Aufgabe wird durch Patentanspruch 28 unter Bezugnahme auf die vier erfindungsgemäß differenzierten Porenfüllmechanismen (a-d) gelöst. Die nachfolgende Beschreibung der diesen Mechanismen zugehörigen Vorrichtungen wird durch die Figuren 1 bis 5 ergänzt. Einige Vorteile
Auch für die den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten zugeordneten Vorrichtungen zur Füllung der offenen Schaumporen ist technische Kompatibilität mit der HMEC-Tech- nologie sowie den verschiedenen einzeln oder in Kombination dem HMEC-Extruder nachgeschalteten Verfahrensschritten zur einstellbaren Porenöffnung gegeben. Die erfindungsgemäße zumindest teilweise Kombinierbarkeit der Vorrichtungen für die Schaumporenöffnung mit den nachfolgend weitergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen zur Befüllung der offenen Schaumporen ist von erheblichem Vorteil bei einer integrierten Gestaltung des Gesamt-Produktionsprozesses von maßgeschneidert funkti- onalisierten Fleischanalogen, jedoch nicht auf diese Produkte beschränkt.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Gemäß den Patentansprüchen 29 bis 35 werden die Porenfüllvorrichtungen, basierend auf den zugeordneten Verfahrensschritten unter Anwendung der Porenfüllmechanismen (a) - (d) in ihrer jeweiligen prozesstechnischen Umgebung detailliert. Dabei werden wiederum Aspekte der Adaptierbarkeit an die HMEC-Technologie herausgestellt.
Lösung der Aufgabe betreffend die Verwendung
Diese Aufgabe wird durch Patentanspruch 36 für ein Lebensmittel mit bestimmten sensorischen, nutritiven und gesundheitsunterstützenden Eigenschaften für bestimmte Konsumenten oder Patientenzielgruppen gelöst.
Einige Vorteile
Wenngleich seit Jahren von personalisierter Ernährung die Rede ist, erstrecken sich praxisnahe Umsetzungskonzepte lediglich auf größere Zielgruppen (z.B. solche mit bestimmten Unverträglichkeiten bzw. Allergien oder Mangelerscheinungen, Schwangere, Säuglinge oder Ältere). Dies liegt insbesondere am in der industriellen Fertigung von Lebensmittelprodukten bei weitergehender Reduzierung der Größe von Zielgruppen bis hin zu Einzelpersonen zu betreibenden Mehraufwand in den Produktionsverfahren sowie der Herstellungs- und Distributionslogistik.
Das erfindungsgemäße Konzept der Füllung von offenporigen Schaumsystemen mit individuell hinsichtlich Sensorik-, Ernährungs- und Gesundheitsaspekten maßzuschneidernden Fluidsystemen lässt durch industrielle Herstellung von offenporigen Produktmatrizes mit nachgeschaltetem vereinfachten Funktionalisierungsschritt durch Porenfüllung mit einem Sortiment zu kombinierende Fluide, Geschmacks- und Aromastoffen (incl. Gewürze), Mikronärstoffen (Vitamine, Spurenelemente) sowie gesundheitsunterstützenden Komponenten (Antioxidantien), mit vereinfachten Verfahren und reduziertem logistischen
Aufwand in der Lebensmittelpersonalisierung einen neuen Meilenstein erreichen.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Die Patentansprüche 37 und 38 unterstreichen die vorab genannten vorteilhaften Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Produktanwendungen und betonen den besonderen Bezug zu pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen.
In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch - an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a Eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Kapillarkräften;
Fig. 1 b eine weitere Einzelheit im Schnitt;
Fig. 2a eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels elastischer Porenformrelaxation;
Fig. 2b eine weitere Einzelheit im Schnitt;
Fig. 2c eine weitere Einzelheit im Schnitt; Fig. 3 eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels elastischer Porenformrelaxation nach Deformation mittels partiellen Vakuums;
Fig. 4a eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Infusion über ein Hohlnadelpenetrations- und Porenfüllwalzen-System;
Fig. 4b eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Infusion über ein Hohlnadelpenetrations- und Porenfüll-Stempelsystem; und
Fig. 5a und 5b eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Ultraschall forcierter Diffusion.
Aus Fig. 1a ist eine Vorrichtungsanordnung ersichtlich mit einer HMEC-Extruderdüse 4 und Umlenkführungsrollen 5 für einen Extrudatstrang. Mit 6 sind höhenverstellbare Halterungen für untere Umlenkrollenreihen bezeichnet. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Porenfüllfluid. Mit Hi ist der Höhenverstellbereich der verstellbaren Haltungen 6 schematisch dargestellt, während H2 die Gesamthöhe des Porenfüllfluidbades ist.
In Fig. 1b sind mit dem Bezugszeichen 1 geschlossene Schaumporen bezeichnet, während 2 offene Schaumporen sind. Bei 3 ist ein einströmendes Porenfüllfluid schematisch angedeutet.
19
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP In Fig. 2a ist eine schematische Darstellung einer Porenfüllvorrichtung mittels elastischer Porenformrelaxation nach Extrudatstrangpassage 14 zwischen Anpresswalzen 13 dargestellt.
In Fig. 2b wird mit Bezugszeichen 8 eine Kompressionsrichtung zwischen Anpresswalzen 11 mittels einer Anpresskraft 9 bezeichnet, welche auf die offenen und geschlossen Poren 10 eines Extrudatstranges einwirkt.
In Fig. 2c wird mit Bezugszeichen 12 die Rückexpansionsrichtung eines Extrudatstranges unter Formrelaxation nach Austritt aus dem Anpresswalzenspalt bezeichnet.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels elastischer Porenrelaxation nach Deformation mittels Beaufschlagung mit partiellem Vakuum dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein Extrudatstrangteil bezeichnet, während 16 eine Halbschale zur Aufnahme von Strangteilen für Vakuumbehandlungen ist. 17 ist das Porenfüllfluid und 18 bezeichnet die Förderrichtung. Mit 19 ist eine bewegliche Deckelvorrichtung zum dichtenden Verschluss der unteren Halbschale mit Produktteilen bezeichnet. Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Vakuumschlauchleitung, die mit einem Vakuumtank 21 verbunden ist. Mit 22 ist eine Vakuumpumpe bezeichnet und mit 23 ein Förderband. Die Drehrichtung und damit die Förderrichtung des Förderbandes 23 ergibt sich aus den Pfeilen an den Umkehrstationen des Förderbands 23. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine periodische Bewegung der Deckelkonstruktion für die Vakuumier- schalen 16. Aus Fig. 4a ist eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Infusion über Hohlnadeln eines Penetrations- und Porenfüllwalzen-Systems ersichtlich. 25 bezeichnet einen Vorratstank für ein Porenfüllfluid und 26 eine Kolbendosierpumpe, während 27 das Ende der HMEC-Extruderkühldüse darstellt. Bei 28a ist eine obere Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllwalze dargestellt, während 28b eine untere Hohlnadel-Penetrationsund Porenfüllwalze veranschaulicht. Mit 29 ist eine Penetrations- und Füllhohlnadel bezeichnet, während 30a ein Dosiersegment der oberen Porenfüllwalze bezeichnet. 30b ist ein Dosiersegment der unteren Porenfüllwalze. Bei 31 ist eine Porenfüllfluidzuleitung zu den Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllwalzen veranschaulicht. Das Bezugszeichen 32a bezeichnet eine Druckanpressvorrichtung für die obere Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllwalze 28a. Mit FP ist Druckrichtung bezeichnet, während 32b eine Druckanpressvorrichtung für die untere Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllwalze veranschaulicht. Mit 33 ist ein Auffangbehälter für Porenfüllfluid bezeichnet. Bei 34 ist ein Förderband für die Abförderung der behandelten Produkte dargestellt. Die Förderrichtung ergibt sich aus den Pfeilen der Umlenkstationen.
Aus Fig. 4b ist eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Infusion über ein Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllstempelsystem ersichtlich. Bei 35a und 35b sind Förderbänder für den Extrudatstrang dargestellt, während mit 36 ein beispielsweise angedeuteter Extrudatstrang bezeichnet ist. Mit 37 ist ein Extruderdüsenaustritt bezeichnet, während 38 einen Auffangbehälter für Porenfüllfluid bezeichnet. Bei 39 ist ein Lochblechblock für die Aufnahme von Penetrations- und Porenfüllhohlnadeln schematisch angedeutet, während 40 einen mit mehreren Penetrations- und Porenfüllhohlnadeln bestückten Penetrations- und Porenfüllhohlnadelstempel darstellt. Bei 41 ist eine Porenfüll- fluidzuführung für den Penetrations- und Porenfüllhohlnadelstempel veranschaulicht. Mit 42 ist eine Druckschlauchzuleitung für Porenfüllfluid bezeichnet, während 43 eine Dosierpumpe für Porenfüllfluid ist, die aus dem Vorratsbehälter für Porenfüllfluid 44 gespeist wird. Mit dem Bezugszeichen 45 ist die Bewegungsrichtung des Penetrations- und Porenfüllhohlnadelstempels dargestellt, während mit 46 eine hydraulische Penetrationsdruckkraftverstärkung schematisch angedeutet ist.
Aus Fig. 5a geht eine Vorrichtung zum Befüllen offener Schaumporen mittels Ultraschall forcierter Difusion hervor, bei 47 ist ein Extruderdüsenaustritt dargestellt, während 48 ein HMEC-Extrudatstrang ist. Mit 49 sind Umlenk-ZFührungsrollen für den Extrudatstrang dargestellt. Bei 50 sind Ultraschall-Sonotroden schematisch angedeutet, während 51 eine höhenverstellbare Aufhängung der unteren Umlenkrollen für den Extrudatstrang 48 veranschaulicht. Durch die Höhenverstellung kann die Extrudatstrangverweilzeit im beheizten Ultraschall-Tauchbad eingestellt werden. Mit dem Bezugszeichen 52 ist ein Porenfüllfluid angedeutet, während 53 ein Heizregister zur Porenfüilfluidaufheizung ist.
Mit Hi ist die Höhenverstellbarkeit der unteren Umlenkwalzen bezeichnet, während H2 die Gesamthöhe des Porenfüllfluidbades andeutet.
In Fig. 5b ist bei 54 die Diffusionsrichtung in offene Schaumporen bezeichnet, während
56 offene Schaumporen sowie 55 geschlossene Schaumporen bezeichnen. Die in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
Schaumporen, geschlossene
Schaumporen, offene
Porenfüllfluid, einströmendes
HMEC-Extruderdüse
Umlenkführungsrolle für Extrudatstrang
Halterung, höhenverstellbare
Porenfüllfluid
Kompressionsrichtung zwischen Anpresswalzen
Rollenanpresskraft an Extrudatstrang
Poren, deformierte/komprimierte (offen/geschlossen)
Anpresswalze
Extrudatstrang-Expansion/Relaxation am Anpresswalzen-Austritt
Anpresswalze
Extrudatstrang
Extrudatstrangteil
Halbschale zur Aufnahme von Strangteilen für Vakuumbehandlung
Porenfüllfluid
Förderrichtung bewegliche Deckelvorrichtung zum dichtenden Verschluss der unteren
Halbschale mit Produktteilen Vakuumschlauchleitung Vakuumtank Vakuumpumpe Förderband periodische Bewegung der Deckelkonstruktion für Vakumierschale Vorratstank für Porenfüllfluid Kolbendosierpumpe Ende der HMEC-Extruderkühldüse a obere Hohlnadel Penetrations- und Porenfüllwalze b untere Hohlnadel Penetrations- und Porenfüllwalze Penetrations- und Füllhohlnadel a Dosiersegment der oberen Porenfüllwalze b Dosiersegment der unteren Porenfüllwalze Porenfüllfluid-Zuleitung zu Hohlnadel-Penetrations- und Porenfüllwalzena Druckanpressvorrichtung für obere Walze b Druckanpressvorrichtung für untere Walze Auffangbehälter für Porenfüllfluid Förderband a Förderband für Extrudatstrang b „ „ „ HMEC-Extrudatstrang Extruderdüsenaustritt 38 Auffangbehälter für Porenfüllfluid
39 Lochblechblock für Aufnahme von Penetrations- und Porenfüllhohlnadeln
40 Penetrations- und Porenfüll-Hohlnadel-Stempel
41 Porenfüllfluid-Zuführung zu Penetrations- und Porenfüll-Hohlnadel-Stempel
42 Druckschlauchzuleitung für Porenfüllfluid
43 Dosierpumpe
44 Vorratsbehälter für Porenfüllfluid
45 Bewegungsrichting des Penetrations- und Porenfüll-Hohlnadel-Stempels
46 hydraulische Penetrationsdruckkraftverstärkung
47 Extruderdüsenaustritt
48 HMEC-Extrudatstrang
49 Umlenk-ZFührungsrolle für Extrudatstrang
50 Ultraschall-Sonotroden
51 höhenverstellbare Aufhängung der unteren Umlenkrollen zur Justierung der
Extrudatstrang-Verweilzeit im beheizten Ultraschall-Tauchbad
52 Porenfüllfluid
53 Heizregister zur Porenfüllfluidaufheizung
54 Diffusionsrichtung in Schaumporen, offene
55 Schaumporen, geschlossene
56 Schaumporen, offene
Hi Höhenverstellbereich der unteren Umlenkwalzen
H2 Gesamthöhe des Porenfüllfluidbades tv Verweilzeit des Extrudatstranges im Porenfüllfluidbad
FP Druckrichtung Literaturverzeichnis
/1/ P. J. Hailing & P. Walstra (1981 ) Protein-stabilized foams and emulsions, C R C Critical Reviews in Food Sei. & Nutrition, 15:2, 155203, DOI: 10.1080 Z1040839810952 7315
121 L. Forny, A. Marabi, S. Palzer (2009); Wetting, disintegration and dissolution of agglomerated water soluble powder; June 2009 Conference: 9th International Symposium on Agglomeration and 4th International Granulation Workshop; Sheffield; Volume: paper 64
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/4/ V. Lammersl , A. Morant, J. Wemmer, E. Windhab (2017); High-pressure foaming properties of carbon dioxide-saturated emulsions; Rheol Acta (2017) 56:841-850
/5/ E. Windhab, V. Lammers (2017); Patent: Aufgeschäumtes teigbasiertes Lebensmittelprodukt sowie Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung des aufgeschäumten teigbasierten Lebensmittelprodukts; Patent Application Nr. DE 10 2016 111 518 A1 Albert-Schweitzer-Stiftung: Vegane Großverpflegung - ein Leitfaden, 2. Auflage, Stand:
Mai 2017
WO 2012/158023 A1
WO 2020/208104 A1

Claims

Patentansprüche Geschäumtes, elastisches, protein-basiertes Produkt mit Trockensubstanzanteil von 20-98 Gew.%, gebundenem Wasseranteil von 2-80 Gew.% und teilweise bis vollständig gefüllter offener Porenstruktur, wobei das Verhältnis des Volumens von zur Produktoberfläche hin offenen fluidgefüllten Poren (OGP) zum Gesamtvolumen der offenen Poren im Produkt im Bereich 0.05 - 1.00 eingestellt ist. Produkt nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil gefüllter offener Poren bezogen auf das Gesamtvolumen aller offener und geschlossener Poren zwischen 0.05-1.00, bevorzugt zwischen 0.2-0.95, beträgt und für Werte > 0.1 mit einer Genauigkeit von +/- 0.05 eingestellt ist. Produkt nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil an Poren (= Porosität) zwischen 0.1 und 0.95 mit einer Genauigkeit von +/- 0.05 ebenfalls eingestellt ist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt einen Proteinanteil von 10 - 95 Gew.%, bezogen auf seine Trockensubstanz, aufweist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Proteinanteil zu 0 - 100% aus pflanzlichem Protein besteht. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Protein im Produkt in teilweise bis vollständig denaturierter Form vorliegt und bevorzugt eine fibrilläre Struktur, weitergehend bevorzugt eine orientierte fibrilläre Struktur, aufweist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt einen Pflanzenfaseranteil von 0.5 - 20 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, beinhaltet. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt einen Anteil an Fetten oder Ölen von 0.1 - 15 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, beinhaltet. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einem pflanzenprotein-basierten, aufgeschäumten Fleischanalog entspricht, welches mittels Hochfeuchter Kochextrusion (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC) Technologie hergestellt ist.
30 Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Befüllungszustand als getrocknete, geschäumte Gerüstmatrix mit Wassergehalten 10 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse, als halbfeuchte, geschäumte Gerüstmatrix mit Wassergehalten zwischen 10 - 40% Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse, oder als feuchte, geschäumte Gerüstmatrix mit Wassergehalten zwischen 40 - 70% Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse, vorliegt. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid im Füllzustand eine dynamische Nullviskosität von < 1 Pas und benetzende Eigenschaften gegenüber dem die Porenwände bildenden Material aufweist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid nach erfolgter Porenfüllung seinen Fluidcharakter beibehält. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid nach erfolgter Porenfüllung eine Fließgrenze ausbildet. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid mit für den menschlichen Verzehr sensorisch relevanten Geschmacks- oder Aromastoffen oder einer Kombination aus solchen angereichert ist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid mit für die menschliche Ernährung relevanten nutritiven Komponenten angereichert ist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid mit pharmazeutischen Wirkstoffkomponenten angereichert ist, die für bestimmte Krankheitsprophylaxe oder die Behandlung bestimmter Erkrankungen angezeigt sind. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid ein Mehrphasensystem mit Emulsions-, Mehrfachemulsions- oder Suspensionscharakter ist. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid ein Mehrphasensystem mit Emulsions-, Mehrfachemulsions- oder Suspensionscharakter ist und in den einzelnen Phasen derselben unterschiedliche sensorisch oder nutritiv funktionalisierende Stoffkomponenten beinhaltet oder eingekapselt sind. Produkt nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenfüllfluid aus Suppen, Saucen, Dressings, Getränke oder aus einer Fettschmelze besteht. Verfahren zur Befüllung offener Poren für Produkte gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befüllung der offenen Poren des geschäumten Produkts die vier Befüllungsmechanismen: (a) Befüllung mittels Kapillarkräften (BK), (b) Befüllung mittels elastischer Porenrelaxation (BE), (c) Befüllung durch Infusion (BI) und (d) Befüllung durch Diffusion (BD) einzeln oder in Kopplung angewendet werden. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Befüllungsmechanismen gemäß Anspruch 20 einzeln oder in Kopplung der HMEC-Technolo- gie räumlich und zeitlich unmittelbar nachgeschaltet angewendet werden. Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die
(a) Befüllung offener Poren mittels Kapillarkräften über eine direkte in Kontaktbringung eines HMEC extrudierten Produktstranges mit offenen Porenanteilen in einem Füllfluidbad erfolgt, durch welches der Extrudatstrang kontinuierlich unter Fluidniveau hindurch bewegt wird. Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die
(b) Befüllung offener Poren mittels des Mechanismus der elastischen Porenrelaxation über die Aufprägung einer die offenen Poren verengende Deformation und die
33 resultierende elastische Rückdeformation derselben in einem Füllfluidbad erfolgt, wobei der durch die elastische Relaxation der offenen Poren erzeugte Saugdruck die Porenfüllung bewirkt. Verfahren nach den Ansprüchen 20, 21 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zur (b) Befüllung der offenen Poren mittels des Mechanismus der elastischen Porenrelaxation zur Porendeformation aufzuwendende Kraft über eine Druckbeanspruchung des HMEC-Extrudatstranges zwischen zwei Walzenelementen im Füllfluidbad kontinuierlich erfolgt. Verfahren nach den Ansprüchen 20, 21 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zur (b) Befüllung der offenen Poren mittels des Mechanismus der elastischen Porenrelaxation zur Porendeformation aufzuwendende Kraft über eine partielle Vakuumbeanspruchung geschnittener HMEC-Extrudatstrangteile im hermetisch gekapselten Füllfluidbad quasi kontinuierlich erfolgt. Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die (c) Befüllung offener Poren mittels des Mechanismus der Infusion erfolgt, wobei das Füllfluid über Injektionsnadeln in die geschäumten Poren injiziert und sowohl vorab offene als auch durch die Nadeleinstiche neu geschaffene Poren bzw. Verbindungskanäle zwischen zuvor geschlossenen Poren gefüllt werden.
34 Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die (d) Befüllung offener Poren mittels Diffusion erfolgt, wobei das Füllfluid auf Temperaturen unterhalb dessen Siedetemperatur oder unterhalb einer kritischen Veränderungstemperatur für seine sensorische oder nutritive Funktionalität im Tauchbad erwärmt wird und den kontinuierlich durch dieses hindurchbewegten geschäumten, mit offenen Schaumporen beinhalteten HMEC-Extrudatstrang überspült sowie über die Aufprägung einer Ultraschallwellen-Beanspruchung bei einer Frequenz im Bereich 10-50 kHz und einer volumetrischen Ultraschalleistung von 0.1 -0.5 kW/Liter eine Erhöhung der Diffusionsrate sowie die Öffnung weiterer zunächst noch geschlossener Poren bewirkt wird. Vorrichtung zur Befüllung offener Poren für Produkte nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise bis vollständige Befüllung zur Produktoberfläche hin offener Poren unter Anwendung der vier Befüllungsmechanismen (a) Befüllung mittels Kapillarkräften (BK) in einer Tauchbadvorrichtung, (b) Befüllung mittels elastischer Porenrelaxation (BE) in einer Tauchbadvorrichtung mit (i) Druckrollenpassage oder (ii) Vakuumierungseinrichtung, (c) Befüllung durch Infusion (BI) mittels Hohlnadel-Penetrations- und Füllvorrichtung und (d) Befüllung durch Diffusion (BD) im Tauchbad mit integrierter Ultraschall Behandlungsvorrichtung einzeln oder in Kopplung sowie direkt räumlich und zeitlich nachgeschaltet zur HMEC-Extrusionsvorrichtung, erfolgt.
35 Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllfluidbad mit einer Rollenanordnung an die HMEC-Extruderdüse angesetzt ist zur kontinuierlichen Führung des aus der Extruderdüse austretenden, elastisch flexiblen Extru- datstrangs durch das Tauchbad, wobei Rollenanordnung und Tauchbad derart ausgeführt sind, dass eine Verweilzeit des im Porenfüllfluid eingetauchten Extru- datstranges zwischen 5-10 Sekunden, anpassbar an Extrusionsgeschwindigkeit oder Extrudatmassenstrom, gegeben ist. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellvorrichtung für den vertikalen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden im Tauchbad angeordneten Extrudatstrang-Umlenkrollen integriert ist, womit die Eintauchlänge des HMEC-Extrudatstranges im Füllfluidbad dynamisch an dessen Düsenaustrittsgeschwindigkeit oder Extrudatmassenstrom derart angepasst ist, dass eine vorgegebene Verweilzeit im Tauchbad gewährleistet ist. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass im Füllfluidbad zwei durch Druckkraft oder Druckdeformation kontrollierte Walzen angeordnet sind zur Aufprägung einer temporären Druckdeformation auf den HMEC-Extrudatstrang sowie eine Strangrelaxations-Verweilstrecke unter Fluidniveau mittels weiterer Rollen zur Extrudatstrangführung nachgeordnet integriert ist. Vorrichtung nach den Ansprüchen 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneidevorrichtung für den Extrudatstrang dem Extruderdüsenaustritt direkt nachgeordnet ist und zur Weiterbehandlung der geschnittenen Extrudatstrangteile ein
36 hermetisch verschließbares Füllfluidbad integriert ist, in welchem ein partielles Vakuum im Bereich von 10-100 mbar für 5-30 s mittels Vakuumpumpe und Vakuumbehälter sowie einer nachfolgenden Belüftung und Vakuumentspannung vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwei rotierbar aufgehängte Nadelwalzen, bestückt mit Hohlnadeln mit Innendurchmessern zwischen 0.3-5 mm, derart angeordnet sind, dass zwischen diesen das bandförmig extrudierte Produkt geführt wird und die Nadelpenetrationstiefe produktformabhängig zwischen 1-20 mm sowie die Einstich-Anzahldichte zwischen 1- 49 / cm2 einstellbar sind, wobei zum Transport des Porenfüllfluids eine Kolbendosierpumpe angeordnet ist, welche über eine Hohlwelle den Nadelwalzeninnenraum mit Porenfüllfluid befüllt und von diesem aus die den Extrudatstrang penetrierenden Hohlnadeln mit Porenfüllfluid zur Injektion versorgt. Vorrichtung nach den Ansprüchen 28 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Hohlnadeln bestückter Stempel mit Hohlnadel-Innendurchmessern zwischen 0.3 - 5 mm über eine Lochplatte mit auf die Nadelanordnung am Stempel geometrisch abgestimmter Lochanordnung angeordnet ist und eine rollenbasierte Transportvorrichtung für das damit kontinuierlich über diese Lochplatte geführte bandförmige Extrudat sowie eine Kolbenpumpe integriert sind, um bei periodischer Absenkung des Hohlnadel-Stempels die Injektion des Porenfüllfluids volumetrisch geregelt in den Extrudatstrang zu realisieren.
37 Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tauchbad mit Temperiervorrichtung zur Einstellung von Temperaturen unterhalb der Porenfüllfluid-Siedetemperatur oder einer kritischen Veränderungstemperatur der sensorischen oder nutritiven Funktionalität desselben angeordnet sind, wobei die Wandungen des Tauchbades mit Ultraschall-Sonotroden bestückt sind, welche US-Fre- quenzen im Bereich 10-50 kHz bei einer volumetrischen Ultraschalleistung von 0.1- 0.5 kW/Liter zur Erhöhung der Diffusionsrate von Porenfüllfluid in die offenen Extru- datporen realisieren. Verwendung eines Produktes nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 19 als Lebensmittel mit bestimmten sensorischen, nutritiven und gesundheitsunterstützenden Eigenschaften für bestimmte Konsumenten oder Patientenzielgruppen. Verwendung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt als personalisiertes pflanzenprotein-basiertes Fleischanalog ausgebildet ist, das (i) fleischrelevante Geschmacks- und Aromakomponenten oder (ii) nutritiv relevante B-Vitamine wie B12 sowie weitere Vitamine und Mineralien wie bioverfügbare Eisenverbindungen oder (iii) Kombinationen aus (i) und (ii) im Porenfüllfluid eingebunden sind. Verwendung nach Ansprüchen 36 und 37, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte, offene Poren beinhaltende als pflanzenprotein-basiertes Fleischanalog ausgebildete Produkt vom Konsumenten selbst einer personalisierten Füllung der offenen Poren unterzogen wird durch Einlegen und mehrfach periodisches Zusam-
38 menpressen in einer individuell zusammengestellten, auf die persönlichen sensorischen, nutritiven und gesundheitsunterstützenden Funktionen abgestimmten fluiden Phase, wobei letztere gegebenenfalls einer der Lebensmittelkategorien Suppen, Saucen, Dressings/Marinaden, Getränke oder Schmelzen entspricht.
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