KR20100101142A - 통곡물을 포함하는 단백질 압출물 - Google Patents

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필립 아이. 야쿠부
앤드류 제이. 클레인
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솔레 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 고농도의 식물성 단백질 및 통곡물을 함유하는 식품 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 고농도의 콩 단백질 및 통곡물을 함유하는 단백질 압출물, 이러한 단백질 압출물을 제조하는 방법, 및 식품 성분으로서 이러한 단백질 압출물의 용도에 관한 것이다.

Description

통곡물을 포함하는 단백질 압출물{PROTEIN EXTRUDATES COMPRISING WHOLE GRAINS}
본 발명은 고농도의 식물성 단백질 및 통곡물(whole grain)을 함유하는 식품 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 고농도의 식물성 단백질 및 통곡물을 함유하는 단백질 압출물, 이러한 단백질 압출물을 제조하는 방법, 및 식품 성분으로서 이러한 단백질 압출물의 용도에 관한 것이다.
텍스처화된 단백질 생성물은 본 기술 분야에 알려져 있으며, 전형적으로 쿠커 압출기(cooker extruder) 내에서 기계적 압력 하에 물과 함께 단백질 재료의 혼합물을 가열하고 이 혼합물을 다이를 통해 압출함으로써 제조된다. 압출시, 압출물은 일반적으로 감압(통상적으로 대기압) 상태의 매질 내로 유입됨에 따라 팽창하여 섬유성 세포 구조를 형성한다. 압출물의 팽창은 전형적으로 혼합물의 젤 강도를 감소시키는 가용성 탄수화물을 함유한 결과이다.
정제 밀가루(흰 밀가루)는 광범위한 일반 제빵 및 스낵 제품을 생산하는 데 사용된다. 정제 밀가루로 제조된 제품은 전통적으로 균일하고 밝은 색상의 외관 및 부드러운(껄끄럽지 않은) 질감을 갖는다. 대조적으로, 전통적인 통곡물 밀가루로 제조된 제품은 더 거칠고 더 조밀한 질감 및 더 짙고 덜 일관된 외관(예컨대, 눈에 보이는 겨 조각(bran speck))을 갖는 경향이 있다. 현재 존재하는 통곡물 밀가루(즉, 통밀가루)는, 입자 크기를 감소시키고 부드러운 질감을 형성하기 위해, 듀럼 밀(durum wheat) 및 적색 듀럼 밀이 아닌 순수한 밀(cleaned wheat)을 갈아서 제조될 수 있다. 통밀가루에서, 수분 이외의, 밀 내의 천연 성분들의 비율은 밀 낟알과 비교하여 변경되지 않은 상태로 남게 된다. 가루 반죽(dough)이 통곡물 밀가루, 브롬화(bromated) 통밀가루, 또는 이들의 조합으로 제조되는 경우, 식료품은 100% 통밀인 것으로 간주된다. 정제 밀가루는 통밀 제품에 사용되지 않는다. 통곡물 밀가루는, 주로 내배유만을 포함하기보다는 전체 밀 낟알을 포함(즉, 겨, 배(germ), 및 내배유(endosperm)를 포함)하기 때문에, 정제 밀가루에 비해 증가된 영양가를 갖는다. 따라서, 통곡물 밀가루는, 정제 밀가루에 비해, 섬유, 단백질, 지질, 비타민, 미네랄 및 식물 영양소(phytonutrient), 예를 들어 페놀계 화합물 및 파이테이트(phytate)의 측면에서 더 우수하다. 또한, 정제 밀가루는, 통곡물 밀가루에 비해, 칼로리 및 전분 측면에서 더 우수하지만 통곡물 밀가루에서 발견되는 식이 섬유(dietary fiber)의 약 1/5만을 함유한다. 밀 낟알에서 발견되는 수준으로 또는 그 이상으로 첨가된 티아민, 리보플라빈, 나이아신, 엽산 및 철을 함유할 수 있는, 보강된 정제 밀가루조차도 통곡물 밀가루에서 발견되는 바와 같은 많은 섬유, 미네랄, 지질 및 식물 영양소를 포함하지 않는다.
최근에, 건강 전문가들은 통곡물 식품의 유익함을 장려해 왔다. 증가하는 통곡물 소비의 중요성은 정부(USDA 및 FDA) 및 건강 기구 전문가 그룹(WHO)에 의해 발표된 권고의 변화에 반영된다. 문헌[Healthy People 2010 Report (National Academy Press, 1999)]에서는, 2,000 칼로리 식품의 경우, 개인은 적어도 3회가 통곡물인 곡물 제품의 적어도 6회의 일일 공급량을 소비해야 함을 권고하고 있다. 미국 심장학회(American Heart Association), 미국 당뇨병학회(American Diabetes Association) 및 미국 암학회(American Cancer Society)는 또한 통곡물의 소비 증대와 관련한 특정 권고를 제시하고 있다.
본 발명의 다양한 태양 중 하나는 고농도의 식물성 단백질 및 통곡물을 함유하는 단백질 압출물이다.
본 발명의 다른 태양은 무수분(moisture-free) 기준으로 적어도 50 중량%의 식물성 단백질, 무수분 기준으로 약 10 중량% 내지 약 45 중량%의 통곡물 성분 - 통곡물 성분은 겨, 내배유, 및 배를 포함함 - 을 포함하고, 밀도가 약 0.02 내지 약 0.5 g/㎤인 단백질 압출물이다.
본 발명의 추가의 태양은 단백질 압출물을 제조하는 방법으로서, 식물성 단백질과, 물과, 겨, 내배유 및 배를 포함하는 통곡물 성분을 압출기 내에서 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 압출기 내의 혼합물을 적어도 약 2.76 ㎫(400 psi)의 압력으로 가압하여 가압된 혼합물을 형성하는 단계; 압출기 내의 가압된 혼합물을 적어도 35℃의 온도로 가열하여 가열 및 가압된 혼합물을 형성하는 단계; 가열 및 가압된 혼합물을 압출기 다이를 통해 감압 환경으로 압출하여 혼합물을 팽창시키고 압출물을 형성하는 단계; 압출물을 복수의 조각으로 절단하는 단계; 및 조각을 약 1 중량% 내지 약 7 중량%의 물 함량으로 건조시켜, 단백질 압출물의 중량을 기준으로 밀도가 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.5 g/ ㎤이고 약 50 중량% 내지 약 85 중량%의 단백질을 포함하는 단백질 압출물을 형성하는 단계를 포함한다.
다른 목적 및 특징은 일부는 자명해질 것이고 일부는 이하에서 지적될 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 단백질 압출물을 제조하는 데 유용한 공정의 개략적 흐름도.
본 발명에 의하면, 고농도의 단백질 및 통곡물 성분을 함유하는 텍스처화된 단백질 생성물이 압출 기술을 이용해 원하는 밀도, 허용가능한 질감, 및 허용가능한 안정성을 갖도록 제조될 수 있음을 발견하였다. 이러한 단백질 압출물은 건강 및 영양 바, 스낵 바 및 즉석에서 먹을 수 있는(ready to eat) 시리얼의 단백질 공급원 또는 성분으로 사용하기 위한 "너겟(nugget)"(라이스 크리스피(Rice Krispies) 시리얼과 같은 크리스프(crisp)로도 알려짐) 또는 펠렛(pellet)으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 단백질 압출물은 결합제, 안정제, 또는 음료, 건강 및 영양 바, 유제품, 및 구워진 또는 유화/분쇄된(emulsified/ground) 육류 식품 시스템에서 단백질의 공급원으로 사용하기 위해 추가로 가공될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 단백질 압출물은 미세 입자 (즉, 분말)로 분쇄되어 음료 내로의 혼입을 가능하게 할 수 있다. 이렇게 분쇄된 입자는 전형적으로 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 입자 크기를 가져 액체 내 현탁을 가능하게 할 수 있다.
이들 압출물은 통곡물 성분을 사용하여 제조된다. 이들 통곡물 성분은 정제된 가루 성분들처럼 안정하지 않다. 통곡물 성분은 더 정제된 가루보다 더 많은 섬유 및 지방을 포함한다. 이러한 특성은 원하는 밀도 및 질감 특성을 갖는 압출물을 생성하는 것을 더 어렵게 한다. 더 높은 지방 함량은 공급 혼합물이 압출기를 통해 이동하는 것을 더 어렵게 하고 다이 막힘(plugging), 공급 홈통(trough) 차단을 초래할 수 있으며 압출 공정에서 건식 공급 유동 특성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 시스템 내의 더 높은 수준의 섬유는 바람직한 밀도 및 질감을 갖는 압출물을 제조하기 위해 더 높은 기계적 및 열적 에너지 공급(input)을 필요로 할 수 있다.
단백질 압출물을 제조하는 본 발명의 방법은 일반적으로 공급 혼합물을 수분과 접촉시킴으로써 사전-조절된(pre-conditioned) 공급 혼합물(예컨대, 단백질 공급원 및 통곡물 성분)을 형성하는 단계, 사전-조절된 공급 혼합물을 압출기 배럴 내로 도입하는 단계, 사전-조절된 공급 혼합물을 기계적 압력 하에서 가열하여 용융된 압출 물질을 형성하는 단계, 및 용융된 압출 물질을 다이를 통해 압출하여 단백질 압출물을 생성하는 단계를 포함한다.
통곡물 또는 혼합곡물 성분
통곡물은 온전한 곡물, 분쇄된 곡물, 부순 곡물 또는 플레이크화된 곡물로 이루어지고, 그 주요한 분해적 성분들 - 즉, 녹말질의 내배유, 배, 겨 - 은 이들이 온전한 곡물 내에 존재하는 바와 동일한 상대 비율로 존재한다. 통곡물은 이들의 높은 오일 함량으로 인해 산화가 더 빨리 일어나기 쉽기 때문에 종종 정제 곡물보다 더 비싸다. 이러한 산화는 가공, 저장 및 운송을 복잡하게 한다.
일부 바람직한 실시 형태에서, 통곡물 성분은 내배유, 겨, 및 배를 포함한다. 배는 밀 낟알 내에서 발견되는 식물 배아이고, 지질, 섬유, 비타민, 단백질, 미네랄 및 식물 영양소, 예를 들어 플라보노이드(flavonoid)를 포함한다. 겨는 수 개의 세포 층을 포함하고, 상당한 양의 지질, 섬유, 비타민, 단백질, 미네랄 및 식물 영양소, 예를 들어 플라보노이드를 갖는다. 또한, 통곡물 성분은 내배유와, 내배유 내의 호분층을 포함한다. 이 호분층은 지질, 섬유, 비타민, 단백질, 미네랄 및 식물 영양소, 예를 들어 플라보노이드를 포함한다. 호분층은 겨와 동일한 다수의 특성을 나타내며, 따라서 전형적으로 제분 공정 중에 겨 및 배와 함께 제거된다. 호분층은 단백질, 비타민 및 식물 영양소, 예를 들어 페룰산을 함유한다. 겨 및 배가 중량 기준으로 밀 낟알의 약 18%만을 구성한다 하더라도, 이들은 밀의 영양가의 약 75%를 차지한다.
다양한 실시 형태에서, 통곡물 성분은 통곡물 가루 (예컨대, 초미세-제분된 통곡물 밀가루와 같은 초미세-제분된 통곡물 가루; 통곡물 밀가루, 또는 약 100%의 곡물로 제조된 가루)일 수 있다. 예를 들어, 곡물은 밀, 수수, 마일로(milo), 라이밀(triticale), 에머밀(emmer), 외알밀(einkorn), 스펠트밀(spelt), 귀리, 옥수수, 호밀, 보리, 쌀, 기장, 메밀, 퀴노아(quinoa), 아마란스, 아프리카 쌀, 팝콘(popcorn), 테프(teff), 카나리아풀 열매(canary seed), 율무(Job's tears), 야생쌀(wild rice), 타타리 메밀, 이들의 변종, 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
또한, 통곡물 성분은 정제 밀가루 성분과 함께 블렌딩될 수 있다. 바람직하게는, 통곡물 성분은 정제 밀가루 성분과 함께 균질하게 블렌딩된다.
일부 실시 형태에서, 통곡물 성분은 통쌀가루, 통옥수수가루, 통밀가루, 통보리가루, 통귀리가루, 또는 그 조합을 포함한다.
단백질
단백질-함유 공급 혼합물은 전형적으로 적어도 하나의 단백질 공급원을 포함하고, 무수분 기준으로 적어도 약 25 중량%, 30 중량%, 40 중량%, 50 중량%, 60 중량%, 70 중량%, 80 중량%, 90 중량% 이상의 단백질의 전체 단백질 농도를 갖는다. 공급 혼합물 내에 함유된 단백질은, 예를 들어, 식물성 단백질 재료를 비롯한 하나 이상의 적합한 공급원으로부터 입수될 수 있다. 식물성 단백질 재료는 밀, 옥수수 및 보리와 같은 곡물류(cereal grain), 및 대두 및 완두를 비롯한 콩류와 같은 식물로부터 입수될 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 콩 단백질 재료가 단백질의 공급원이다.
전형적으로, 콩 단백질이 단백질 압출물에 존재하는 경우, 콩 단백질은 단백질 압출물의 중량을 기준으로 무수분 기준으로 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 양으로 존재한다. 몇몇 경우에 콩 단백질은 무수분 기준으로 약 50 중량% 내지 약 90 중량%의 양으로 단백질 압출물 내에 존재하고, 다른 경우에 무수분 기준으로 약 55 중량% 내지 약 75 중량%의 양으로 존재한다.
적합한 콩 단백질 재료에는 콩 플레이크(flake), 콩 가루, 콩 그릿(soy grit), 콩 밀(soy meal), 콩 단백질 농축물, 콩 단백질 단리물, 및 그 혼합물이 포함된다. 이들 콩 단백질 재료들 사이의 주요 차이점은 통대두에 대한 정제 정도이다. 콩 가루는 일반적으로 약 150 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는다. 콩 그릿은 일반적으로 약 150 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 입자 크기를 갖는다. 콩 밀은 일반적으로 약 1000 ㎛를 초과하는 입자 크기를 갖는다. 콩 단백질 농축물은 전형적으로 약 65 중량% 내지 90 중량% 미만의 콩 단백질을 함유한다. 더 고도로 정제된 콩 단백질 재료인 콩 단백질 단리물은 적어도 90 중량%의 콩 단백질을 함유하고 가용성 탄수화물 또는 섬유를 거의 또는 전혀 함유하지 않도록 가공된다.
공급 혼합물의 전체 단백질 함량은 상기에 기술된 단백질의 적합한 공급원들의 조합(즉, 블렌드)에 의해 달성될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 콩 단백질이 사용되는 경우, 콩 단백질 단리물이 공급 혼합물 내 함유된 단백질의 하나 이상의 공급원을 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바람직한 공급 혼합물 제형은 둘 이상의 콩 단백질 단리물의 블렌드를 포함할 수 있다. 다른 적합한 제형은 콩 단백질 단리물과 함께 콩 단백질 농축물을 포함할 수 있다.
일반적으로, 콩 단백질의 공급원, 다른 단백질 공급원, 또는 공급원들의 블렌드의 벌크 밀도는 약 0.20 g/㎤ 내지 약 0.50 g/㎤ 및, 더욱 전형적으로, 약 0.24 g/㎤ 내지 약 0.44 g/㎤이다.
가수분해된 단백질과 가수분해되지 않은 단백질의 블렌드
공급 혼합물이 복수의 콩 단백질 재료를 포함하는 특정 실시 형태에서, 콩 단백질 재료들 중 적어도 하나는 낮은 점도 및 낮은 젤화 특성을 나타내는 것이 바람직하다. 단리된 콩 단백질의 점도 및/또는 젤화 특성은 본 기술 분야에 알려진 매우 다양한 방법에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 콩 단백질 단리물의 점도 및/또는 젤화 특성은 단백질 재료를 부분적으로 변성시키는 효소를 이용한 단백질의 부분적 가수분해에 의해 감소될 수 있다. 전형적으로, 이러한 방식으로 처리된 콩 단백질 재료는 분자량 분포, 단백질의 크기 및 사슬 길이, 또는 베타-콘글리시닌(conglycinin) 또는 글리시닌 저장 단백질의 분해에 기초하여 결정될 수 있는 가수분해 정도의 관점에서 기술된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 샘플의 "가수분해의 퍼센트 정도"(percent degree of hydrolysis)라는 용어는 샘플 내 펩티드 결합의 총 개수 중 절단된 펩티드 결합의 백분율로 정의된다. 샘플 내 절단된 펩티드 결합의 비율은 제어된 조건 하에서 샘플 내 일차 아민과 반응하는 트라이니트로벤젠 설폰산(TNBS)의 양을 계산함으로써 측정될 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 사용된 가수분해된 단백질 재료는 전형적으로 약 160 미만, 더욱 전형적으로 약 115 미만, 및 훨씬 더 전형적으로는 약 30 내지 약 70의 TNBS 값을 나타낸다.
본 발명의 방법에서 낮은 점도/낮은 젤화 재료로 사용하기에 충분한 가수분해된 콩 단백질 공급원은 전형적으로 약 15% 미만, 바람직하게는 약 10% 미만, 및 더욱 바람직하게는 약 1% 내지 약 5%의 가수분해 정도를 갖는다. 콩 단백질 단리물의 경우에, 가수분해된 콩 단백질 재료는 전형적으로 약 1% 내지 약 5%의 가수분해 정도를 갖는 부분적으로 가수분해된 콩 단백질 단리물을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 형태에 의하면, 낮은 점도/낮은 젤화 공급원은 바람직하게는 높은 점도/높은 젤화 공급원과 조합되어 블렌드를 형성한다. 높은 점도/높은 젤화 공급원이 있음으로써 압출시 블렌드의 과도한 팽창 위험성을 감소시키고, 압출물에 허니콤 구조를 제공하고, 일반적으로 블렌드에 안정성을 부여한다. 낮은 점도/낮은 젤화 공급원 및 높은 점도/높은 젤화 공급원은 압출물의 원하는 특성에 따라 다양한 비율로 조합될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서는, 단백질-함유 공급 혼합물은 전형적으로 가수분해되지 않은 (즉, 일반적으로 높은 점도/높은 젤화) 콩 단백질 단리물의 1 중량부당 적어도 약 3 중량부의 가수분해된 (즉, 일반적으로 낮은 점도/낮은 젤화) 콩 단백질 단리물을 포함하는 콩 단백질 단리물의 블렌드를 포함하며; 다른 실시 형태에서는, 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물의 1 중량부당 적어도 약 4 중량부의 가수분해된 콩 단백질 단리물을 포함하는 콩 단백질 단리물의 블렌드를 포함하며; 또 다른 실시 형태에서는, 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물의 1 중량부당 적어도 약 5 중량부의 가수분해된 콩 단백질 단리물을 포함하는 콩 단백질 단리물의 블렌드를 포함한다. 바람직하게는, 콩 단백질 단리물의 블렌드는 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물의 1 중량부당 약 3 중량부 내지 약 8 중량부의 가수분해된 콩 단백질 단리물을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 콩 단백질 단리물의 블렌드는 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물의 1 중량부당 약 5 중량부 내지 약 8 중량부의 가수분해된 콩 단백질 단리물을 포함한다.
다양한 바람직한 실시 형태에서, 단백질 압출물은 또한 공급 혼합물에 대해 기술된 바와 동일한, 가수분해된 콩 단백질 대 가수분해되지 않은 콩 단백질의 비를 포함한다.
복수의 콩 단백질 단리물 - 그 중 하나가 콩 단백질 단리물의 부분적 가수분해에 의해 생성된 낮은 점도/낮은 젤화 공급원임 - 을 포함하는 블렌드는 전형적으로 공급 혼합물 또는 단백질 압출물의 중량을 기준으로 무수분 기준으로 약 40 중량% 내지 약 80 중량%의 가수분해된 콩 단백질 단리물 및 무수분 기준으로 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물을 포함한다. 더욱 전형적으로, 이러한 블렌드는 무수분 기준으로 약 50 중량% 내지 약 75 중량%의 가수분해된 콩 단백질 단리물 및 무수분 기준으로 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 가수분해되지 않은 콩 단백질 단리물을 포함한다.
낮은 점도/낮은 젤화 (즉, 부분적으로 가수분해된) 콩 단백질 재료로 사용하기에 적합한 단리된 콩 단백질 공급원에는 솔라에, 엘엘씨(Solae, LLC) (미국 미주리주 세인트루이스 소재)로부터 입수가능한 수프로(SUPRO)(등록상표) XT219, 수프로(등록상표) 313, 수프로(등록상표) 670, 수프로(등록상표) 710, 수프로(등록상표) 8000, 및 솔레스(Soless)(상표명) H102와, 아처 다니엘스 미들랜드(Archer Daniels Midland) (미국 일리노이주 데카투르 소재)로부터 입수가능한 프로팜(PROFAM) 931 및 프로팜 873이 포함된다. 수프로(등록상표) 670, 수프로(등록상표) 710, 및 수프로(등록상표) 8000의 경우, 가수분해의 정도는 약 0.5% 내지 5.0%의 범위일 수 있다. 이들 단리물 각각의 분자량 분포는 크기 배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography)로 결정될 수 있다.
제2 콩 단백질 단리물로 사용하기에 적합한 높은 점도 및/또는 중간의/높은 젤화의 단리된 (즉, 가수분해되지 않은) 콩 단백질의 공급원에는 솔라에, 엘엘씨 (미국 미주리주 세인트루이스 소재)로부터 입수가능한 수프로(등록상표) 248, 수프로(등록상표) 620, 수프로(등록상표) 500E, 수프로(등록상표) 1500, 수프로(등록상표) EX33, ISP-95, 솔레스(상표명) G101, 및 알파(Alpha)(상표명) 5800과; 아처 다니엘스 미들랜드 (미국 일리노이주 데카투르 소재)로부터 입수가능한 프로팜 981; 및 솔라에, 엘엘씨 (미국 미주리주 세인트루이스 소재)로부터 입수가능한 솔라에 콩 단백질 단리물이 포함된다.
표 1은 상기에 언급된 소정의 상업용 수프로(등록상표) 제품의 분자량 분포를 제공한다. 알파(상표명) 5800은 78 내지 84.5 중량% 콩 단백질(무수분 기준), 적어도 80%의 NSI (질소 용해도 지수), 7.0 내지 7.7의 pH, 0.24 내지 0.31 g/㎤의 밀도, 및 적어도 3.4 mg/g 단백질의 아이소플라본 함량을 갖는 가수분해되지 않은 콩 단백질 농축물이다.
[표 1]
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팽창 보조제
팽창 보조제는 쌀, 타피오카 및 밀과 같은 전분이다. 다른 팽창 보조제는 콩 섬유, 구체적으로 솔라에, 엘엘씨로부터 입수가능한 총 식이 섬유 성분이 80%인 피브림(피브림(FIBRIM)(등록상표) 브랜드) 콩 섬유, 인산 이칼슘, 및 콩 레시틴 분말이다. 이들 팽창 보조제는 단백질 압출물의 팽창을 제어하고, 최종 제품 내의 세포 구조를 변경하며, 공정 중 공급 혼합물의 유동성을 향상시키는 것을 돕기 위해 첨가될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 팽창 보조제는 공인된 유기물이다.
탄수화물
단백질-함유 공급 혼합물은 또한 무수분 기준으로 약 0.001 중량% 내지 약 30 중량%의 탄수화물의 양으로 하나 이상의 탄수화물 공급원을 함유할 수 있다. 공급 혼합물 내에 존재하는 탄수화물은 가용성 탄수화물 또는 불용성 탄수화물일 수 있다. 전형적으로, 단백질-함유 공급 혼합물은 무수분 기준으로 약 10 중량% 내지 약 25 중량%의 탄수화물, 및 더욱 전형적으로 무수분 기준으로 약 18 중량% 내지 약 22 중량%의 탄수화물을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 압출물은 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 탄수화물을 함유한다. 다른 경우에, 약 1 내지 약 5 중량% 또는 약 1 내지 약 10 중량%의 탄수화물이 공급 혼합물 또는 단백질 압출물 내에 존재한다. 가용성 탄수화물의 적합한 공급원에는, 예를 들어, 쌀 (예컨대, 쌀가루), 밀, 옥수수, 보리, 감자 (예컨대, 천연 감자 전분), 및 타피오카 (예컨대, 천연 타피오카 전분)와 같은 곡류, 덩이줄기 및 뿌리가 포함된다. 섬유와 같은 불용성 탄수화물은 탄수화물의 영향적 측면(nutritive carbohydrate load)에는 기여하지 않지만 공급 혼합물의 유동성 및 팽창을 용이하게 함으로써 혼합물의 가공에는 도움이 된다. 일반적으로, 공급 혼합물은 약 0.001 중량% 내지 약 5 중량% 섬유, 및 더욱 일반적으로 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 섬유를 포함한다. 콩 섬유는 압출 물질이 압출 배럴을 통해 다이로 이동함에 따라 수분을 흡수한다. 콩 섬유의 적당한 농도는 단백질 분자들의 가교결합을 감소시켜 다이로부터 배출되는 조리된 압출 물질 내에 과다한 젤 강도가 형성되는 것을 방지하는 데 효과적인 것으로 생각된다. 또한 수분을 흡수하는 단백질과는 달리, 콩 섬유는 다이 출구 온도에서 압력의 해제시 수분을 손쉽게 방출한다. 방출된 수분의 순간 증발(flashing)은 압출물의 팽창, 즉 "퍼핑(puffing)"에 기여하여 본 발명의 저밀도 압출물을 생성한다. 전형적으로, 압출물은 또한 무수분 기준으로 약 0.001 중량% 내지 약 5 중량% 섬유, 및 더욱 전형적으로 무수분 기준으로 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 섬유를 함유한다.
물
일반적으로, 물은 약 1 내지 약 7 중량%, 또는 약 2% 내지 약 5.5 중량%의 농도로 건조 압출물 내에 존재한다. 물의 양은 압출물의 원하는 조성 및 물리적 특성 (예컨대, 탄수화물 함량 및 밀도)에 따라 달라질 수 있다.
물리적 특성
일반적으로, 본 발명의 단백질 압출물은 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤의 밀도를 갖는다. 바람직하게는, 본 발명의 단백질 압출물은 약 0.1 내지 약 0.4 g/㎤ 또는 약 0.15 g/㎤ 내지 약 0.35 g/㎤의 밀도를 갖는다. 이러한 실시 형태에서, 압출물의 밀도는 약 0.20 g/㎤ 내지 약 0.27 g/㎤, 약 0.24 g/㎤ 내지 약 0.27 g/㎤, 또는 약 0.27 g/㎤ 내지 약 0.32 g/㎤일 수 있다. 다른 경우에, 단백질 압출물은 약 0.02 내지 약 0.1 g/㎤ 또는 약 0.02 내지 약 0.05 g/㎤의 밀도를 갖는 퍼프(puff)이다.
다양한 실시 형태에서, 콩 단백질 단리물 및 천연 타피오카 전분은 압출물 내 팽창 생성을 돕고 원하는 생성물 밀도를 얻기 위해 사용된다. 이들 성분은 압출 조리 공정 중에 포착된 물을 방출하며; 물이 증기의 형태로 방출될 때의 수축율은 콩 단백질 단리물 및 천연 타피오카 전분이 제형 내에 포함되는 경우에 최소화되어, 생성물 구조 내에 더 큰 세포를 형성한다. 더 큰 크기의 세포로 인해, 생성물 내 세포의 농도는 감소하고 생성물 내 공간은 증가하여, 질감에 영향을 미치고 더 낮은 밀도의 생성물로 이어진다.
본 발명의 단백질 압출물은 추가로 적어도 약 1000 그램의 경도를 갖는 것을 그 특징으로 할 수 있다. 전형적으로, 단백질 압출물은 약 1000 그램 내지 약 50,000 그램, 및 더욱 전형적으로 약 5,000 그램 내지 약 40,000 그램의 경도를 갖는다. 다양한 바람직한 실시 형태에서, 경도는 약 7,000 그램 내지 약 30,000 그램이다. 압출물의 경도는 일반적으로 압출물 샘플을 용기 내에 놓고 이 샘플을 탐침(probe)으로 분쇄함으로써 결정된다. 샘플을 부수는 데 요구되는 힘을 기록하고; 그 크기 또는 중량을 기준으로 샘플을 분쇄하는 데 요구되는 힘은 제품의 경도에 비례한다. 압출물의 경도는 스테이블 마이크로 시스템즈 리미티드 (STABLE Micro Systems Ltd., 영국)에 의해 제작된, 25 ㎏ 로드 셀을 갖는 TA.TXT2 질감 분석기(Texture Analyzer)를 사용해 결정될 수 있다.
또한, 단백질 압출물은 약 5-9의 바삭바삭한 정도 값(crispiness value)을 갖는다. 압출물의 바삭바삭한 정도는 스테이블 마이크로 시스템즈 리미티드에 의해 제작된, 25 ㎏ 로드 셀을 갖는 TA.TXT2 질감 분석기를 사용해 결정될 수 있다. 생성물은 또한 통상 약 65 내지 99, 더욱 바람직하게는 약 80 내지 97 정도의 광범위한 펠렛 내구성 지수(pellet durability index, PDI) 값을 갖는다.
입자 크기
단백질 압출물은 광범위한 입자 크기를 나타낼 수 있고, 일반적으로 타원형 또는 원형 너겟 또는 펠렛을 그 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 압출물의 입자 크기를 특징짓기 위한 하기 중량비는 "있는 그대로(as is)"(즉, 수분 함유) 기준으로 제공된다.
특정 실시 형태에서, 압출물의 입자 크기는 약 0.2 중량% 내지 약 70 중량%의 입자가 4 메시 표준 미국 체(4 Mesh Standard U.S. sieve) 상에 보유되고, 약 30 중량% 내지 약 99 중량%의 입자가 6 메시 표준 미국 체 상에 보유되고, 약 0 중량% 내지 약 2 중량%가 8 메시 표준 미국 체 상에 보유되도록 하는 것이다.
상기에 기술된 압출물 너겟은 또한 분쇄되어 분말화된 콩 단백질 생성물을 생성할 수 있다. 이러한 분말은 전형적으로 특정 응용에 적합한 입자 크기를 갖는다. 특정 실시 형태에서, 분말은 약 10 ㎛ 미만의 평균 입자 크기를 갖는다. 더욱 전형적으로, 분쇄된 압출물의 평균 입자 크기는 약 5 ㎛ 미만, 및 더욱 더 전형적으로 약 1 내지 약 3 ㎛이다.
색상
단백질 압출물의 색상 강도(color intensity)는 코코아 분말, 카라멜, 및 그 혼합물을 사용해 조절될 수 있다. 코코아 분말 및/또는 카라멜 양을 증가시키면 더 진하고 더 강하게 착색된 압출물을 얻는다. 코코아는 코코아 분말 형태로 단백질-함유 공급 혼합물에 첨가된다. 전형적으로, 단백질-함유 공급 혼합물은 무수분 기준으로 공급 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 1 중량% 내지 약 8 중량%의 코코아 분말을 포함한다. 적합한 코코아 분말 공급원은 블루머 초콜렛(Bloomer Chocolate) (미국 일리노이주 시카고 소재)으로부터의 코코아 분말, 및 아처 다니엘스 미들랜드 (미국 일리노이주 데카투르 소재)로부터의 ADM 코코아이다.
다양한 실시 형태에서, 단백질 압출물의 색상 L 값은 50을 초과한다. 이들 다양한 실시 형태의 일부에서, 단백질 압출물의 색상 A 값은 2.5 내지 4이다. 다른 실시 형태에서, 단백질 압출물의 색상 B 값은 17 내지 20이다. 대안적으로, 다른 실시 형태에서, 단백질 압출물의 색상 L 값은 35 미만이다.
식료품
본 발명의 압출물은, 예를 들어, 식품 바 및 즉석에서 먹을 수 있는 시리얼을 비롯한 다양한 식료품 내로의 혼입에 적합하다. 이러한 압출물은 일반적으로 타원형 또는 원형일 수 있고 또한 잘게 조각날 수도 있다. 분말화된 압출물은, 예를 들어, 음료, 유제품(예컨대, 두유 및 요거트), 제과 제품(baked product), 육류 제품, 수프, 및 육즙(gravy)을 비롯한 다양한 식료품에 혼입하기에 적합하다. 단백질 압출물은 상기에 기술된 바와 같은 너겟 또는 펠렛, 잘게 조각낸 너겟 또는 펠렛, 또는 분말의 형태로 이러한 응용에 혼입될 수 있다. 음료에 포함되는 압출물의 경우에 약 5 ㎛ 미만의 입자 크기가 제품에서 "껄끄러운(gritty)" 맛을 방지하기 위해 특히 바람직하다.
일부 실시 형태에서, 단백질 압출물은 저밀도 스낵 제품의 형태이다. 전형적으로, 이러한 제품에는 약 25% 내지 약 95%로 포함된다. 이러한 저밀도 스낵 식료품은 밀도가 일반적으로 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 및 더욱 일반적으로, 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤이다. 일반적으로, 이러한 압출물은 바삭바삭한, 비-섬유성 식감을 나타낸다. 특정 실시 형태에서, 제품은 밀도가 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.4 g/㎤, 약 0.15 g/㎤ 내지 약 0.35 g/㎤., 약 0.20 g/㎤ 내지 약 0.27 g/㎤, 약 0.24 g/㎤ 내지 약 0.27 g/㎤, 또는 대안적으로 약 0.27 g/㎤ 내지 약 0.32 g/㎤이다. 다른 경우에, 제품은 밀도가 약 0.02 내지 약 0.1 g/㎤ 또는 약 0.02 내지 약 0.05 g/㎤이다.
단백질에 더하여, 본 발명의 식료품은 탄수화물 또는 섬유와 같은 다른 고체 성분(즉, 충전재)을 포함할 수 있다. 제품은 약 5:95 내지 약 75:25의 범위의 충전재 대 단백질의 비율로 충전재를 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 대다수의 충전재는 전분이다. 적합한 전분에는 쌀가루, 감자, 타피오카, 및 이들의 혼합물이 포함된다.
본 발명의 저밀도 식료품은 전형적으로 단백질, 충전재, 및 물의 중량 기준으로 약 1% 내지 약 7%의 농도로, 더욱 전형적으로는, 단백질, 충전재, 및 물의 중량 기준으로 약 3% 내지 약 5%의 농도로 물을 함유한다.
육류
다양한 실시 형태에서, 본 발명의 단백질 압출물은 유화된 육류(emulsified meat)에 사용되어 유화된 육류에 구조를 제공하여, 깨물 때의 단단함(firm bite) 및 고기의 질감을 제공한다. 단백질 압출물은 또한 물을 쉽게 흡수함으로써 유화된 육류로부터의 조리시 수분 손실을 감소시키고, 육류 내 지방의 "패팅 아웃(fatting out)"을 방지하여 조리된 육류에 육즙이 더 많게 한다.
본 발명의 단백질 압출물과 조합하여 육류 유화물을 형성하는 데 사용되는 육류 재료는 바람직하게는 소시지, 프랑크프루트 소시지, 또는 껍질(casing)을 육류 재료로 채워서 형성되는 다른 육류 제품을 형성하는 데 유용한 육류이거나, 또는 햄버거, 미트 로프 및 다진 육류 제품과 같은 분쇄육 응용에 유용한 육류일 수 있다. 특히 본 발명의 단백질 압출물과 조합하여 사용되는 바람직한 육류 재료에는 닭, 소, 및 돼지로부터 기계적으로 뼈를 발라낸 육류; 돼지 잡육(trimming); 소 잡육; 및 돼지 등지방이 포함된다.
전형적으로, 분쇄 단백질 압출물은 약 0.1 중량% 내지 약 4 중량%, 더욱 전형적으로는 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량% 및, 더욱 더 전형적으로는, 약 1 중량% 내지 약 3 중량%의 양으로 육류 유화물에 존재한다.
전형적으로, 육류 재료는 약 40 중량% 내지 약 95 중량%, 더욱 전형적으로는 약 50 중량% 내지 약 90 중량% 및, 더욱 더 전형적으로는, 약 60 중량% 내지 약 85 중량%의 양으로 육류 유화물에 존재한다.
육류 유화물은 또한 물을 포함하는데, 물은 전형적으로 약 0 중량% 내지 약 25 중량%, 더욱 전형적으로는 약 0 중량% 내지 약 20 중량%, 더욱 더 전형적으로는 약 0 중량% 내지 약 15 중량%, 그리고 더욱 더 전형적으로는 약 0 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재한다.
육류 유화물은 또한 육류 유화물에 방부, 향미, 또는 착색 품질을 제공하는 다른 성분들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 육류 유화물은 전형적으로 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 염; 전형적으로 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%의 향신료; 및 전형적으로 약 0.001 중량% 내지 약 0.5 중량%의 방부제, 예를 들어, 질산염을 포함할 수 있다.
음료
본 발명의 단백질 압출물은, 예를 들어, 산성 음료를 비롯한 음료 응용에 사용될 수 있다. 전형적으로, 분쇄 단백질 압출물은 약 0.5 중량% 내지 약 3.5 중량%의 양으로 음료에 존재한다. 단백질 압출물이 혼입된 음료는 전형적으로 약 70 중량% 내지 약 90 중량% 물을 포함하고, 최대 약 20 중량%의 양으로 당(예컨대, 프럭토스 및 수크로스)을 포함할 수 있다.
압출 공정
압출 조리 장치는 인간의 식사 및 동물 사료와 같은 매우 다양한 식용 및 다른 생성물의 제조에 오랫동안 사용되어 왔다. 일반적으로 말하면, 이러한 유형의 압출기는 긴 배럴과, 그 안에 하나 이상의 내부의 나선형으로 진행(flight)하고 축방향으로 회전할 수 있는 압출 스크루(extrusion screw)를 포함한다. 압출기 배럴의 출구는 천공된 압출 다이를 구비하고 있다. 사용시, 가공되는 재료는 압출기 배럴 내로 그리고 이를 통해 지나가고, 증가하는 수준의 온도, 압력 및 전단력을 받게 된다. 재료가 압출기 다이로부터 배출됨에 따라, 재료는 완전히 조리되고 형상화되며 회전하는 나이프 어셈블리를 이용하여 전형적으로 세분될 수 있다. 이러한 유형의 통상적인 압출기는, 예를 들어, 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제4,763,569호, 제4,118,164호 및 제3,117,006호에 기술된다. 대안적으로, 텍스처화된 단백질 생성물은 "너겟"과 같은 더 작은 압출물 또는 식품 성분으로 사용하기 위한 분말로 절단될 수 있다.
이제 도 1을 참고하여, 본 발명의 방법의 일 실시 형태가 도시된다. 본 방법은 단백질-함유 공급 혼합물 제형의 특정 성분들을 혼합 탱크(101)(즉, 성분 블렌더)에 도입하여 이들 성분들을 조합하고 단백질 공급 프리믹스(pre-mix)를 형성하는 단계를 포함한다. 이어서, 프리믹스는 스크루 공급기(105)를 통해 사전-조절기(107)로 공급하기 위해 프리믹스가 유지되는 호퍼(103)로 전달되어, 조절된 공급 혼합물을 형성한다. 이어서, 조절된 공급 혼합물은 공급 혼합물이 압출기의 스크루에 의해 생성된 기계적 압력 하에서 가열되는 압출 장치(즉, 압출기)(109)로 공급되어 용융 압출 물질을 형성한다. 용융 압출 물질은 압출 다이를 통해 압출기로부터 배출된다.
사전-조절기(107)에서, 미립자 고체 성분 믹스(즉, 단백질 공급 프리믹스)는 예열되고, 수분과 접촉하며, 제어된 온도 및 압력 조건 하에서 유지되어 수분이 개별 입자 내로 침투하여 연화시키게 한다. 사전-조절 단계는 미립자 공급 혼합물의 벌크 밀도를 증가시키고 그의 유동 특성을 향상시킨다. 사전-조절기(107)는 공급 혼합물의 균일한 혼합 및 사전-조절기를 통한 공급 혼합물의 전달을 촉진하기 위해 하나 이상의 패들(paddle)을 포함한다. 패들의 형상 및 회전 속도는 사전-조절기의 용량, 압출기 작업 처리량(throughput) 및/또는 사전-조절기 또는 압출기 배럴 내에서의 공급 혼합물의 원하는 체류 시간에 따라 광범위하게 달라진다. 일반적으로, 패들의 속도는 약 200 내지 약 500 rpm이다.
전형적으로, 단백질-함유 공급 혼합물은 적어도 약 45℃ (110℉)의 온도에서 프리믹스를 수분 (즉, 증기 및/또는 물)과 접촉시킴으로써 압출 장치(109) 내로 도입하기 전에 사전-조절된다. 더욱 전형적으로, 공급 혼합물은 약 45℃ (110℉) 내지 약 85℃ (185℉)의 온도에서 프리믹스를 수분과 접촉시킴으로써 가열하기 전에 조절된다. 더욱 더 전형적으로, 공급 혼합물은 약 45℃ (110℉) 내지 약 70℃ (160℉)의 온도에서 프리믹스를 수분과 접촉시킴으로써 가열하기 전에 조절된다. 사전-조절기 내의 더 높은 온도는 전분이 젤화되는 것을 촉진할 수 있고, 이는 그 결과 사전-조절기에서 압출기 배럴로의 공급 혼합물의 흐름을 방해할 수 있는 덩어리(lump)의 형성을 야기할 수 있음이 관찰되었다.
전형적으로, 프리믹스는 조절기의 속도 및 크기에 따라 약 1분 내지 약 6분의 기간 동안 조절된다. 더욱 전형적으로, 프리믹스는 약 2분 내지 약 5분, 가장 전형적으로 약 3분의 기간 동안 조절된다. 프리믹스는 사전 조절기(107) 내에서 증기 및/또는 물과 접촉되고 원하는 온도를 달성하도록 대체로 일정한 증기 유동에서 가열된다. 물 및/또는 증기는 공급 혼합물을 조절하고(즉, 수화시키고), 그의 밀도를 증가시키며, 단백질이 텍스처화되는 압출기 배럴에 도입되기 전에 방해 없이 건조 믹스의 유동성을 용이하게 한다. 특정 실시 형태에서, 공급 혼합물 프리믹스는 물 및 증기 둘 모두와 접촉되어 조절된 공급 혼합물을 생성한다. 예를 들어, 지금까지의 경험은, 증기가 수분을 포함하여 건조 믹스를 수화시키고 또한 건조 믹스의 수화 및 조리를 촉진하는 열을 제공하기 때문에, 건조 믹스의 밀도를 증가시키기 위해 물 및 증기 둘 모두를 첨가하는 것이 바람직할 수 있음을 시사한다.
조절된 프리믹스는 약 5 중량% 내지 약 25 중량% 물을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 조절된 프리믹스는 약 5 중량% 내지 약 15 중량% 물을 함유한다. 조절된 프리믹스는 전형적으로 약 0.25 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤의 벌크 밀도를 갖는다. 일반적으로, 사전-조절된 공급 혼합물의 벌크 밀도가 이 범위 내에서 증가함에 따라, 공급 혼합물은 운반이 더 용이해지고 또한 가공이 더 용이해진다. 이것은 현재로서는 그러한 혼합물이 압출기의 스크루들 사이의 공간의 전부 또는 대부분을 차지하고 그럼으로써 배럴을 통한 압출 물질의 운반을 촉진하기 때문으로 여겨진다.
조절된 프리믹스는 일반적으로 약 10 ㎏/min (20 lb/min)의 속도로 압출 장치(109)로 도입된다. 다양한 실시 형태의 일부에서, 조절된 프리믹스는 약 2 내지 약 10 ㎏/min (약 5 내지 약 20 lb/min), 더욱 전형적으로 약 5 내지 약 10 ㎏/min (약 10 내지 약 20 lb/min) 및, 더욱 더 전형적으로, 약 6 내지 약 8 ㎏/min (약 12 내지 약 18 lb/min)의 속도로 배럴에 도입된다. 일반적으로, 압출기로의 프리믹스의 공급 속도가 증가함에 따라 압출물의 밀도는 감소하는 것으로 관찰되었다. 압출기 배럴 내 압출 물질의 체류 시간은 전형적으로 약 60초 미만, 더욱 전형적으로 약 30초 미만 및, 더욱 더 전형적으로, 약 15초 내지 약 30초이다.
전형적으로, 압출 물질은 약 7.5 ㎏/min 내지 약 40 ㎏/min (약 17 lb/min 내지 약 85 lb/min)의 속도로 배럴을 통과한다. 더욱 전형적으로, 압출 물질은 약 7.5 ㎏/min 내지 약 30 ㎏/min (약 17 lb/min 내지 65 lb/min)의 속도로 배럴을 통과한다. 더욱 더 전형적으로, 압출 물질은 약 7.5 ㎏/min 내지 약 22 ㎏/min (약 17 lb/min 내지 약 50 lb/min)의 속도로 배럴을 통과한다. 더욱 더 전형적으로, 압출 물질은 7.5 ㎏/min 내지 약 15 ㎏/min (약 17 lb/min 내지 약 35 lb/min)의 속도로 배럴을 통과한다. 통상 압출기를 완전히 통과하는 물질의 양은 압출기의 크기 및 형상에 의해 강제될 것이다.
식물성 단백질을 포함하는 공급 재료로부터 용융 압출 물질을 형성하기에 적합한 다양한 압출 장치가 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 본 연구를 위해 사용된 압출기는 이중-배럴, 이축 압출기인, 13.5:1의 L/D 비 및 4개의 가열 구역을 갖는 웬저(Wenger) (미국 캔자스주 사베타 소재)에 의해 제작된 웬저 모델 TX-52; 13.5:1의 L/D 비 및 4개의 가열 구역을 갖는 클렉스트랄(Clextral) (미국 플로리다주 탐파 소재)에 의해 제작된 클렉스트랄 모델 BC-72; 및 19.5:1의 L/D 비; 및 5개의 가열 구역을 갖는 클렉스트랄 (미국 플로리다주 탐파 소재)에 의해 제작된 클렉스트랄 모델 에볼룸(Evolum) 68이었다.
압출기의 길이와 직경의 비 (L/D 비)는 일반적으로 혼합물을 가공하는 데 필요한 압출기의 길이를 결정하고, 그 내부의 혼합물의 체류 시간에 영향을 미친다. 일반적으로, L/D 비는 약 10:1 초과, 약 15:1 초과, 약 20:1 초과, 또는 심지어는 약 25:1 초과이다.
압출기의 스크루 또는 스크루들의 속도는 특정 장치에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 스크루 속도는 전형적으로 약 250 내지 약 1200 회전수/분 (rpm), 더욱 전형적으로 약 260 내지 약 800 rpm, 및 더욱 더 전형적으로는 약 270 내지 약 500 rpm이다. 일반적으로, 스크루 속도가 증가함에 따라, 압출물의 밀도는 감소한다.
압출 장치(109)는 일반적으로 복수의 배럴 구역을 포함하는데, 공급 혼합물은 압출 다이를 통해 압출 장치(109)로부터 배출되기 전에 이 배럴 구역을 통해 기계적 압력 하에서 운반된다. 각각의 연속하는 배럴 구역 내의 온도는 일반적으로 이전의 가열 구역의 온도를 약 10℃ 내지 약 70℃ (약 15℉와 약 125℉)만큼, 더욱 일반적으로는 약 10℃ 내지 약 50℃ (약 15℉ 내지 약 90℉)만큼, 그리고 더욱 일반적으로는 약 10℃ 내지 약 30℃(약 15℉ 내지 약 55℉)만큼 초과한다.
예를 들어, 마지막 배럴 구역 내의 온도는 약 90℃ 내지 약 150℃ (약 195℉ 내지 약 300℉), 더욱 전형적으로는 약 100℃ 내지 약 150℃ (약 212℉ 내지 약 300℉), 및 더욱 더 전형적으로는 약 100℃ 내지 약 130℃ (약 210℉ 내지 약 270℉)이다. 마지막 배럴 구역의 인접 구역의 온도는, 예를 들어, 약 80℃ 내지 약 120℃ (약 175℉ 내지 약 250℉) 또는 약 90℃ 내지 약 110℃ (약 195℉ 내지 약 230℉)이다. 일부 실시 형태에서, 마지막 배럴 구역의 인접 구역 직전의 배럴 구역 내의 온도는 약 70℃ 내지 약 100℃ (약 160℉ 내지 약 210℉), 및 바람직하게는 약 80℃ 내지 약 90℃ (약 175℉ 내지 약 195℉)이다. 전형적으로, 2개의 가열 구역에 의해 마지막 가열 구역으로부터 떨어진 배럴 구역 내의 온도는 약 50℃ 내지 약 90℃ (약 120℉ 내지 약 195℉), 및 더욱 전형적으로는 약 60℃ 내지 약 80℃ (약 140℉ 내지 약 175℉)이다.
전형적으로, 압출 장치는 적어도 약 3개의 배럴 구역, 및 더욱 전형적으로는 적어도 약 4개의 배럴 구역을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 조절된 프리믹스는 압출 장치 내의 4개의 배럴 구역을 통해 전달되어 공급 혼합물이 약 100℃ 내지 약 150℃ (약 212℉ 내지 약 302℉)의 온도로 가열되어, 용융 압출 물질이 약 100℃ 내지 약 150℃ (약 212℉ 내지 약 302℉)의 온도에서 압출 다이로 유입되게 한다.
이러한 실시 형태에서, 제1 가열 구역은 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 90℃ (약 120℉ 내지 약 195℉)의 온도에서 작동되고, 제2 가열 구역은 약 70℃ 내지 약 100℃ (약 160℉ 내지 약 212℉)의 온도에서 작동되고, 제3 가열 구역은 약 80℃ 내지 약 120℃ (약 175℉ 내지 약 250℉)의 온도에서 작동되고, 제4 가열 구역은 약 90℃ 내지 약 150℃ (약 195℉ 내지 약 302℉) 의 온도에서 작동된다.
가열 구역 내의 온도는, 예를 들어, 클렉스트랄(미국 플로리다주 탐파 소재)에 의해 제작된 모콘(Mokon) 온도 제어 시스템을 포함하는 적합한 온도 제어 시스템 또는 전기적 가열을 사용하여 제어될 수 있다. 증기가 또한 온도를 제어하기 위해 하나 이상의 가열 구역들과 연통하는 하나 이상의 밸브를 통해 이들 가열 구역에 도입될 수 있다. 다른 대안은 전기 저항 또는 증기에 의해 가열된 오일 모콘 유닛을 사용하는 것이다. 일부 압출기는 외부 가열 시스템을 갖지 않으며; 압출기 배럴 온도는 시스템 내에서 생성된 전단력에 의해 달성될 수 있고; 더 높은 전단력은 더 높은 온도를 생성할 것이다. 가열 시스템을 갖지 않는 압출기는 배럴 구역 내를 이동하는 냉각수를 가질 것이고; 이는 압출기 전단력에 의해 형성된 에너지와 온도를 제어하기 위한 것이다.
배럴 구역의 온도를 제어하는 데 사용되는 장치는 자동적으로 제어될 수 있다. 하나의 이러한 제어 시스템은 프로그램가능 논리 제어기(PLC)와 통신하는 적합한 밸브 (예컨대, 솔레노이드 밸브)를 포함한다.
압출기 배럴 내의 압력은 좁은 범위에서만 중요(narrowly critical)한 것은 아니다. 전형적으로, 압출 물질은 적어도 약 2.758 ㎫ (400 psig, 약 28 bar)의 압력을 받으며, 일반적으로 마지막 2개의 가열 구역 내의 압력은 약 6.895 ㎫ 내지 약 20.68 ㎫ (약 1000 psig 내지 약 3000 psig, 약 70 bar 내지 약 210 bar)이다. 배럴 압력은, 예를 들어, 압출기 스크루 속도, 배럴로의 혼합물의 공급 속도, 다이 유동 면적, 배럴로의 물의 공급 속도, 및 배럴 내의 용융 물질의 점도를 비롯한 많은 요인에 의존한다.
배럴 내의 가열 구역은 그 내부의 혼합물에 대한 작용의 측면에서 특징지워질 수 있다. 예를 들어, 일차 목적이 배럴을 따라 종방향으로 혼합물을 운반하고, 혼합하고, 그 혼합물을 압축하거나, 또는 단백질에 전단력을 제공하는 것인 구역들은 각각 일반적으로 운반 구역, 혼합 구역, 압축 구역, 및 전단 구역으로 지칭된다. 하나 초과의 작용이 한 구역 내에서 발생할 수 있으며, 예를 들어, "전단/압축" 구역 또는 "혼합/전단" 구역일 수 있음을 이해해야 한다. 다양한 구역 내에서의 혼합물에 대한 작용은 일반적으로 예컨대 구역의 온도 및 구역 내의 스크루 프로파일(profile)을 비롯한 구역 내의 다양한 조건들에 의해 결정된다.
압출기는 적어도 부분적으로는, 스크루의 다양한 부분의 길이 대 피치(pitch) 비에 의해 결정되는 그의 스크루 프로파일을 그 특징으로 한다. 길이(L)는 스크루의 길이를 나타내며, 피치(P)는 스크루의 한 나사산의 1회 완전한 회전에 필요한 거리를 나타낸다. 다양한 특징을 갖는 복수의 스크루 부분을 포함하는 모듈형 스크루의 경우에, L은 이러한 부분의 길이를 나타낼 수 있고 P는 스크루의 한 나사산의 1회 완전한 회전에 필요한 거리를 나타낼 수 있다. 혼합, 압축, 및/또는 전단의 강도는 일반적으로 피치가 감소함에 따라 증가하고, 따라서 L:P가 증가한다. 본 발명의 일 실시 형태의 다양한 가열 구역 내의 트윈-스크루(twin-screw)용 L:P 비가 하기 표 2에 제공된다.
[표 2]
Figure pct00002
물은 압출기 배럴 내로 주입되어 공급 혼합물을 수화시키고 단백질의 텍스처화를 촉진한다. 용융 압출 물질 형성을 돕기 위하여, 물은 가소제로 작용할 수 있다. 물은 하나 이상의 주입 제트를 통해 압출기 배럴에 도입될 수 있다. 전형적으로, 배럴 내의 혼합물은 약 15 중량% 내지 약 30 중량%의 물을 함유한다. 임의의 배럴 구역에의 물의 도입 속도는 일반적으로 원하는 특징을 갖는 압출물의 생산을 촉진하도록 제어된다. 배럴에의 물의 도입 속도가 감소됨에 따라 압출물의 밀도가 감소되는 것으로 관찰되었다. 전형적으로, 단백질 1 ㎏당 약 1 ㎏ 미만의 물이 배럴에 도입되고, 더욱 전형적으로는 단백질 1 ㎏당 약 0.5 ㎏ 미만의 물 및, 더욱 더 전형적으로는 단백질 1 ㎏당 약 0.25 ㎏ 미만의 물이 배럴에 도입된다. 일반적으로, 단백질 1 ㎏당 약 0.1 ㎏ 내지 약 1 ㎏의 물이 배럴에 도입된다.
다시 도 1을 참고하면, 압출 장치(109) 내의 용융 압출 물질은 다이(도시하지 않음)를 통해 압출되어 압출물을 생성하고, 이는 이어서 건조기(111) 내에서 건조된다.
압출 조건은 압출기 배럴로부터 나오는 생성물이 전형적으로 습식 기준 약 15 중량% 내지 약 45 중량%, 및 더욱 전형적으로는 습식 기준 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 수분 함량을 갖도록 하는 것이 일반적이다. 수분 함량은 압출기에 도입된 혼합물 내에 존재하는 물, 사전-조절 중에 첨가된 수분 및/또는 가공 중에 압출기 배럴 내에 주입된 임의의 물로부터 유래한다.
압력 해제시, 용융 압출 물질은 다이를 통해 압출기 배럴로부터 배출되고, 압출 물질 내에 존재하는 과열된 물은 증기로 순간 증발하여, 재료의 동시 팽창(즉, 퍼핑)을 일으킨다. 압출물의 단면적 대 다이 개구의 단면적의 비와 관련하여 압출기로부터 혼합물의 배출시의 혼합물의 팽창 수준은 일반적으로 약 15:1 미만, 더욱 일반적으로는 약 10:1 미만, 및 더욱 더 일반적으로는 약 5:1 미만이다. 전형적으로, 압출물의 단면적 대 다이 개구의 단면적의 비는 약 2:1 내지 약 11:1, 및 더욱 전형적으로는 약 2:1 내지 약 10:1이다. 퍼핑된 재료는 일반적으로 다이의 기하학에 의해 강제되는 모양을 형성하여 압출된 로프(rope)를 형성할 것이다.
압출 물질/로프는 다이 배출 후 절단되어 퍼핑된 재료 내의 적당한 특징을 갖는다. 압출물을 절단하기에 적합한 장치는 웬저 (미국 캔자스주 사베타 소재) 및 클렉스트랄 (미국 플로리다주 탐파 소재)에 의해 제작된 가요성 나이프이다.
압출물을 건조시키는 데 사용되는 건조기(111)는 일반적으로 공기 온도가 다를 수 있는 복수의 건조 구역을 포함한다. 일반적으로, 하나 이상의 구역 내의 공기 온도는 약 135℃ 내지 약 185℃ (약 280℉ 내지 약 370℉)일 것이다. 전형적으로, 하나 이상의 구역 내의 공기 온도는 약 140℃ 내지 약 180℃ (약 290℉ 내지 약 360℉), 더욱 전형적으로는 약 155℃ 내지 170℃ (약 310℉ 내지 340℉), 및 더욱 더 전형적으로는 약 160℃ 내지 약 165℃ (약 320℉ 내지 약 330℉)이다. 전형적으로, 압출물은 원하는 수분 함량을 가진 압출물을 제공하기에 충분한 시간 동안 건조기에 존재한다. 이 원하는 수분 함량은 압출물의 의도된 응용에 따라 광범위하게 달라질 수 있고, 전형적으로는 약 2.5 중량% 내지 약 6.0 중량%이다. 일반적으로, 압출물은 적어도 약 5분 동안, 그리고 보다 일반적으로 적어도 약 10분 동안 건조된다. 적합한 건조기에는 울버린 프록터 & 슈와츠(Wolverine Proctor & Schwartz) (미국 메사추세츠주 메리막 소재), 내셔날 드라잉 머시너리 컴퍼니(National Drying Machinery Co.) (미국 펜실베이니아주 필라델피아 소재), 웬저 (미국 캔자스주 사베타 소재), 클렉스트랄 (미국 플로리다주 탐파 소재), 및 불러(Buhler) (미국 미네소타주 세인트폴/미네아폴리스 소재)에 의해 제작된 것들이 포함된다.
압출물은 압출물의 평균 입자 크기를 감소시키기 위해 추가로 분쇄될 수 있다. 적합한 분쇄 장치에는 호소카와 마이크론 리미티드(Hosokawa Micron Ltd.) (영국 소재)에 의해 제작된 마이크로 해머 밀(Mikro Hammer Mill)과 같은 해머 밀이 포함된다.
정의 및 방법
TNBS . 트라이니트로벤젠 설폰산(TNBS)은 제어된 조건 하에서 단백질의 일차 아민과 반응하여 420 ㎚에서 빛을 흡수하는 발색단(chromophore)을 생성한다. TNBS-아민 반응으로부터 생성된 색상의 강도는 아미노 말단기의 총 개수에 비례하고 따라서 이는 샘플의 가수분해 정도를 나타낸다. 이러한 측정 절차는, 예를 들어, 문헌[Adler-Nissen in J. Agric. Food Chem., Vol. 27(6), p. 1256(1979)]에 기술된다.
가수분해 정도. 퍼센트(%) 가수분해 정도는 하기 방정식을 이용해 TNBS 값으로부터 결정된다: % 가수분해 정도 =((TNBS값 - 24)/885)×100. 값, 24는 비-가수분해된 샘플의 라이실 아미노기의 보정이고 값, 885는 100 ㎏의 단백질당 아미노산의 몰이다.
단백질 함량. A.O.C.S. 방법 Bc4-91(1997), Aa 5-91(1997), 및 Ba 4d-90(1997)의 질소-암모니아-단백질 수정된 켈달(Kjeldahl) 방법이 콩 재료 샘플의 단백질 함량을 결정하는 데 사용될 수 있다.
질소 함량. 샘플의 질소 함량은 하기 공식에 따라 결정된다: 질소(%)=1400.67×[[(표준 산의 노르말 농도)×(샘플에 사용된 표준 산의 부피(㎖))]-[(1 ㎖의 표준 산을 적정하는데 요구되는 표준 염기의 부피에서, 방법에 사용되고 1 ㎖ 표준 산으로 증류되는 시약 블랭크를 적정하는데 요구되는 표준 염기의 부피를 감한 것(㎖))×(표준 염기의 노르말 농도)]-[(샘플에 사용된 표준 염기의 부피(㎖))×(표준 염기의 노르말 농도)]]/(샘플의 밀리그램). 단백질 함량은 콩 단백질에 대해 샘플의 질소 함량의 6.25배이다.
젤화 정도. 젤화 정도(G)와 관련해 표시되는 젤 강도는 슬러리(통상적으로 콩 단백질 공급원 대 물의 1:5 중량비를 갖는 200 그램의 슬러리)를 제조하여 역 절두원추형(inverted frustoconical) 용기에 넣고 이를 눕혀 놓아서 용기로부터 유동하는 슬러리의 양을 결정함으로써 결정될 수 있다. 용기는 대략 150 ㎖(5 온스)의 용량, 7 ㎝의 높이, 6 ㎝의 상부 내경, 및 4 ㎝의 저부 내경을 갖는다. 콩 단백질 공급원의 슬러리 샘플은 콩 단백질 공급원을 물과 함께, 예를 들어, 호버트 코포레이션(Hobart Corporation)(미국 오하이오주 트로이 소재)에 의해 제작된 호버트 푸드 커터(Hobart Food Cutter)를 포함하는 적합한 식품 절단기를 이용해 절단하거나 잘게 썰어줌(chopping)으로써 형성될 수 있다. 젤화 정도, G는 설정 기간에 걸쳐 용기 내에 잔존하는 슬러리의 양을 나타낸다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 콩 단백질의 낮은 점도/낮은 젤화 공급원은 전형적으로, 200 그램의 샘플을 용기에 도입하고 용기를 눕혀 놓은 후 5분이 지난 것을 기준으로, 약 1 그램 내지 약 80 그램(즉, 약 1 그램 내지 약 80 그램, 0.5% 내지 약 40%의 슬러리가 용기를 눕혀 놓은 지 5분 후 용기 내에 잔존함)의 젤화 정도를 나타낸다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 콩 단백질의 높은 점도/중간 내지 높은 젤화 공급원은 전형적으로, 상기에 기술된 것과 동일한 기준으로, 약 45 그램 내지 약 140 그램(즉, 약 45 그램 내지 약 140 그램, 22% 내지 약 70%의 슬러리가 용기를 눕혀 놓은 지 5분 후 용기 내에 잔존함)의 젤화 정도를 나타낸다. 낮은 점도/낮은 젤화 공급원과 높은 점도/높은 젤화 공급원을 포함하는 공급원의 블렌드는 전형적으로, 동일한 기준으로, 약 20 그램 내지 약 120 그램의 젤화율을 갖는다.
색상 값. 단백질 압출물의 색상 강도를 헌터랩 비색계(Hunterlab Colorimeter)와 같은 색차계(color-difference meter)를 사용하여 측정하여, 색상 L 값, 색상 A 값 및 색상 B 값을 얻는다.
수분 함량. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "수분 함량"은 물질 중의 수분의 양을 말한다. 콩 재료의 수분 함량은 문헌[A.O.C.S. (American Oil Chemists Society) Method Ba 2a-38 (1997)]의 방법에 의해 측정될 수 있으며, 상기 방법은 본 명세서에 그의 전체 내용이 참고로 포함된다. 수분 함량은 하기 식에 따라 계산된다: 수분 함량 (%) = 100 × [(질량 손실 (g) / 샘플의 질량 (g)]
질감. 질감을 측정하기 위해, 50 ㎏ 로드 셀을 갖는 스테이블 마이크로 시스템즈 모델 TA-XT2i를 사용한다. 시험할 샘플을 후면 압출 리그(rig) 내에 놓고 이를 플랫폼 위에 놓는다. 시험은 탐침을 샘플 내에 68 ㎜의 수직 거리로 삽입하여 수행된다. 샘플의 경도는 탐침을 전진시키는 데 필요한 힘으로 측정된다. 3회의 압축 검사가 수행되는 경우, 동일한 샘플이 3회의 연속 측정을 받게 된다.
본 발명을 상세히 기술하였으므로, 변경 및 변화는 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서도 가능함이 자명할 것이다.
[실시예]
하기 비제한적인 실시예는 본 발명을 더 설명하기 위해 제공된다.
실시예 1: 통곡물 및 혼합곡물 성분을 함유하는 콩 단백질 너겟의 제조
대략 55 내지 70 중량%의 단백질을 갖는 콩 단백질 압출물을 제조하였다. 공급 혼합물은 하기에 기술한다.
[표 3A]
Figure pct00003
[표 3B]
Figure pct00004
각 공급 혼합물의 성분들을 균일하게 분산될 때까지 성분 블렌더 내에서 혼합하였다. 이어서, 건조 공급 혼합물을 웬저 매그넘(Wenger Magnum) TX52 압출기로 운반하고 하기 조건을 이용해 가공하였다.
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
생성된 단백질 압출물은 하기 특징을 가졌다.
[표 4A]
Figure pct00008
[표 4B]
Figure pct00009
[표 5]
Figure pct00010
[표 6]
Figure pct00011
[표 7]
Figure pct00012
[표 8]
Figure pct00013
[표 9]
Figure pct00014
[표 10]
Figure pct00015
[표 11]
Figure pct00016
[표 12]
Figure pct00017
본 발명 또는 그의 바람직한 실시 형태(들)의 요소를 도입하는 경우, 관사("a", "an", "the") 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하는 것으로 의도된다 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"이라는 용어들은 포괄적인 것으로 열거된 요소들 이외에 부가적인 요소들이 있을 수 있음을 의미하는 것으로 의도된다.
상기 내용에 비추어 보면, 본 발명의 몇몇 목적들이 달성되고 다른 유리한 결과가 성취되었음을 알 수 있을 것이다.
발명의 범주로부터 벗어나지 않고서도 다양한 변화가 상기 입자 및 방법 내에서 이루어질 수 있기 때문에, 상기 명세서에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 함이 의도된다.

Claims (19)

  1. 무수분(moisture-free) 기준으로 적어도 50 중량%의 식물성 단백질, 무수분 기준으로 약 10 중량% 내지 약 45 중량%의 통곡물(whole grain) 성분 - 통곡물 성분은 겨(bran), 내배유(endosperm), 및 배(germ)를 포함함 - 을 포함하며, 밀도가 약 0.02 내지 약 0.5 g/㎤인 단백질 압출물.
  2. 제1항에 있어서, 식물성 단백질은 콩 단백질을 포함하는 단백질 압출물.
  3. 제2항에 있어서, 약 15 중량% 내지 약 40 중량%의 통곡물 성분을 포함하는 단백질 압출물.
  4. 제2항에 있어서, 통곡물 성분은 통쌀가루, 통옥수수가루, 통밀가루, 통보리가루, 통귀리가루, 또는 그 조합을 포함하는 단백질 압출물.
  5. 제2항에 있어서, 적어도 60 중량%의 콩 단백질을 포함하는 단백질 압출물.
  6. 제2항에 있어서, 적어도 70 중량%의 콩 단백질을 포함하는 단백질 압출물.
  7. 제2항에 있어서, 밀도가 약 0.15 내지 약 0.25 g/㎤인 단백질 압출물.
  8. 제2항에 있어서, 약 50 중량% 내지 약 75 중량%의 미가수분해 콩 단백질, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 가수분해 콩 단백질, 및 약 15 중량% 내지 약 40 중량%의 통곡물 가루를 포함하는 단백질 압출물.
  9. 제1항의 단백질 압출물을 포함하는 식료품.
  10. 제9항에 있어서, 저밀도 스낵 식품인 식료품.
  11. 제10항에 있어서, 저밀도 스낵 식품은 스낵 퍼프(snack puff) 또는 아침식사용 시리얼(breakfast cereal)인 식료품.
  12. 식물성 단백질, 물, 그리고 겨, 내배유 및 배를 포함하는 통곡물 성분을 압출기 내에서 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    압출기 내의 혼합물을 적어도 약 2.76 ㎫(400 psi)의 압력으로 가압하여 가압된 혼합물을 형성하는 단계;
    압출기 내의 가압 혼합물을 적어도 35℃의 온도로 가열하여 가열 및 가압된 혼합물을 형성하는 단계;
    가열 및 가압된 혼합물을 압출기 다이를 통해 감압 환경으로 압출하여 혼합물을 팽창시키고 압출물을 형성하는 단계;
    압출물을 복수의 조각으로 절단하는 단계; 및
    조각을 약 1 중량% 내지 약 7 중량%의 물 함량으로 건조시켜, 단백질 압출물의 중량을 기준으로 밀도가 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤이고 약 50 중량% 내지 약 85 중량%의 단백질을 포함하는 단백질 압출물을 형성하는 단계를 포함하는, 단백질 압출물의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 식물성 단백질은 콩 단백질을 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 단백질 압출물은 약 15 중량% 내지 약 40 중량%의 통곡물 성분을 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 통곡물 성분은 통쌀가루, 통옥수수가루, 통밀가루, 통보리가루, 통귀리가루, 또는 그 조합을 포함하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 단백질 압출물은 적어도 60 중량%의 콩 단백질을 포함하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 단백질 압출물은 적어도 70 중량%의 콩 단백질을 포함하는 방법.
  18. 제13항에 있어서, 건조된 조각은 밀도가 0.15 내지 0.25 g/㎤인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 단백질 압출물은 약 50 중량% 내지 약 75 중량%의 미가수분해 콩 단백질, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 가수분해 콩 단백질, 및 약 15 중량% 내지 약 40 중량%의 통곡물 가루를 포함하는 방법.
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