Волокнистый пищевой материал

Волокнистый пищевой материал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к волокнистым материалам, и, в особенности, к волокнистым пищевым материалам, способам их получения и применения указанных волокнистых материалов. По основному объекту настоящее изобретение имеет целью предложить продукты для замены мяса и рыбы из альтернативных источников белка. По другому объекту, рыхлые волокнистые частицы используют в качестве ингредиента, имеющего различные применения.

В последние десятилетия образование волокнистых пищевых текстур снискало большой интерес со стороны ученых-промышленников, а также ученых-пищевиков. Особенно важный вызов состоял в том, чтобы заменить мясные продукты продуктами из альтернативных источников белка. В целом, это подразумевает создание мясоподобных структурных и сенсорных свойств у немясных материалов на белковой основе, т.е. целью являлось использование в качестве исходных анизотропных структур из немясных источников на белковой основе при различных линейных масштабах и в различных режимах концентрации.

Исследование, проведенное на волокнистых белковых материалах, можно грубо разделить на самосборку белков в фибриллы и принудительную сборку белков в волокнистые текстуры.

Фибриллярная самосборка различных белков, таких как β-лактоглобулин, овальбумин и альбумин бычьей сыворотки, была достигнута в разбавленном и полуразбавленном режимах в жестких температурных и рН-условиях (см., например, Veerman et al., J. Rheol. 49(2) (2005) 355-368). Образованные фибриллы имели толщину порядка нм и длину порядка мкм.

Сообщалось об особом случае самосборки при образовании амилоидных фибрилл κ-казеина (Thorn et al., Biochemtry 44(51) (2005) 17027).

В отличие от самосборки, к принудительной сборке белковых растворов в более концентрированном режиме (>10 мас.% белка) традиционно подходили с использованием методик экструдирования или вытягивания в нить, хотя также были описаны другие методики.

Экструзионную тепловую обработку использовали для текстурирования белков из различных источников, таких как соевая мука, пшеница и молочные белки. Пластификация, плавление и разрушение белков происходит в цилиндре экструдера, и волокнистая текстура может быть образована, благодаря ориентированию белков в длинных охлаждающих матрицах. См. в свете этого, например, Aguilera & Stanley, Food Rev. Int. 9(4) (1993) 527-550; and Cheftel et al., Food Rev. Int. 8(2) (1992) 235-275.

В этих воплощениях величина соотношения продольного и поперечного сопротивления растяжению является - согласно Thiebaud et al. (Food Science And Technology-Lebensmittel-Wissenschaft & Technologie 29(5-6) (1996) 526-535) - показателем качества волокна. Типичные значения соотношения продольного и поперечного сопротивления растяжению составляют, например, 1-5 для волокнистых экструдатов из обезжиренной соевой муки, в зависимости от температуры цилиндра и рН (Cheftel et al., ibid.); и 1-2 для экструдатов обезжиренной соевой муки и свинины при определении путем разрезания (Liu et al.. Food Sc. Techn. Int. 11(6) (2005) 463-470).

Исследования, относящиеся к двум предыдущим абзацам, показывают, что требуются смеси из животных и растительных источников, чтобы получить приемлемую степень волокнистости.

Толстогузов (Tolstoguzov) (в: J.A.O.C.S., 70(4) (1993) 417-424) подчеркнул, что требуются несовместимые биополимеры для образования анизотропных структур во время экструдирования.

В патенте US-A-4118520 получают белковые волокна, которые содержат казеин и, по меньшей мере, один теплоотверждаемый белок, путем сухого вытягивания в нить водной смеси белков, содержащей ион кальция и фосфат-ион, при температуре ниже точки гелеобразования белковой смеси, сопровождающегося высушиванием полученных волокон.

Патент US-A-2830902 и его частичное продолжение US-A-2879163 описывают, что суспензия богатого белком сырого материала коагулирует под действием тепла с образованием белкового геля, каковому гелю придают форму путем экструдирования с использованием макаронного пресса.

В целом методика экструдирования имеет ряд недостатков, таких как использование высоких температур для денатурирования белка, что вызывает неконтролируемые химические реакции; и использование высоких поперечных усилий во время экструдирования, что может приводить к разрушению структурных элементов (см., например, Peighambardoust et al., J. Cereal Sc. 43 (2006) 183-197), даже на молекулярном уровне (см. Van den Einde et al., Polymer Degradation And Stability, 85(1) (2004) 589-594). Кроме того, в экструдерах, точно так же, как во многих других смешивающих или пластифицирующих устройствах, получают различные эффекты для физических и/или химических процессов в зависимости от местоположения в аппарате.

Ясно, что для того, чтобы получить хорошо сформированные волокнистые продукты, необходима тонкая игра на грани между разрушением и индуцированием текстуры в структурных элементах. Данное изобретение имеет целью предложить способ, который позволяет получить четко определенные волокнистые продукты.

Кроме того, продукты, полученные экструзионной тепловой обработкой, обычно нагревают при температурах выше 100°С. Такие продукты можно нагреть, но их нельзя обрабатывать на кухне с использованием методик, таких как выпекание и поджаривание, которые привели бы к эффектам, получаемым также с рыбой и мясом.

Другая методика, упомянутая здесь выше, а именно, вытягивание в нить биополимеров, основана на ориентировании макромолекул, за счет сдвига и продольного потока в матрице и во время коагуляции (см., например. Gallant et al., Food Microstructure 3 (1984) 175-183). Обычно образующиеся волокна (-100 мкм) подвергают коагуляции в банях, содержащих растворы кислоты и соли, и после этого промывают. Гидроколлоиды, такие как каррагинан (Downey & Burgess, J. Food Techn. 14(1) (1979) 21-31; Downey & Burgess, J. Food Techn. 14(1) (1979) 33-40) и альгинат (Antonov et al., Die Nahrung 29(1) (1985) 39; Suchkov et al., Nahrung-Food 24(9) (1980) 893-897 24(9) (1980) 893-897), или растительные белки, такие как соя (Suchkov et al., Nahrung-Food 32(7) (1988) 669-678) или кормовой белок (белок конского боба) (Suchkov et al., Nahrung-Food 32(7) (1988) 679-689), использовали в сочетании с казеином в двухфазной смеси для того, чтобы снизить растворимость в воде образованных волокон на основе казеина.

Патент US-A-2682466 описывает съедобные белковые волокна, изготовленные способом сухого вытягивания в нить. Сырой материал, богатый белком, растворяют в щелочной среде, и затем экструдируют в форме тонких струек в кислотно-солевую баню, в которой волокна коагулируют.

Недостатком этого способа вытягивания в нить остаются большие потоки сточной воды из коагуляционной и промывной бань. Кроме того, необходимость низкого рН и высоких концентраций соли и химических добавок для коагуляции волокон делает разработку процесса и аппарата для получения волокон, подходящих для употребления, сложной задачей. Кроме того, объединение волокон, полученных путем вытягивания в нить, в волокнистую структуру является сложным, если вообще возможным.

В Патенте NL-C-1019816 получают продукты, которые имеют целью заменить мясо и рыбу, и которые можно выпекать. Эти продукты получают из свернувшегося молока, которое смешивают с альгинатом и/или фосфатом в воде, при этом указанную смесь эмульгируют, а затем энергично перемешивают в солевом растворе. После этого полученный волокнистый продукт промывают и дополнительно удаляют воду. Описанный способ имеет недостатки, подобные тем, что описаны выше для способа вытягивания в нить.

Также в WO 2005/004624 и WO 2005/004625 гомогенные смеси белка (молочные и растительные белки соответственно) и гидроколлоида, в котором происходит преципитация при контактировании с ионами металла, имеющего заряд, по меньшей мере, +2, приводят в контакт с раствором, содержащим такие ионы металла для образования сформированных волокон, содержащих пищевые продукты.

Продукты, полученные способами двух предыдущих абзацев, приобретают структуру, основанную на желированных гидроколлоидах.

Кроме того, уровень техники включает перекрестное сшивание белков с трансглутаминазой с получением белковых продуктов для различных целей, не включая волокнистые текстуры для замены мяса или рыбы. Ссылаются на ЕР 1085023, который относится к способу частичного перекрестного сшивания белков с трансглутаминазой. Целью является предложить сшитые белки, используемые в качестве загустителей или связующих веществ в пищевых продуктах. Материал получают в реакторе с непрерывным перемешиванием или реакторе с неподвижным слоем, причем последний является предпочтительнее. Также ссылаются на ЕР 0821881, который относится к порошку молочной сыворотки, содержащему белок, используемому в пастообразной пище и эмульгированной пище. Белок молочной сыворотки реагирует в растворе с трансглутаминазой.

Другие данные из уровня техники, такие как ЕР 0340035, включают белковые микроволокнистые структуры. Способ, описанный здесь, включает растирание ксантан/белковых сложных волокон и подвергание измельченных волокон высокой сдвиговой нагрузке, таким образом, чтобы получить микроволокна. Образующийся продукт можно использовать в пищевых продуктах, например, на основе мясных компонентов. Он не имеет, сам по себе, структуру, заменяющую мясо или рыбу.

ЕР 0420165 относится к принципиально иному типу замены мяса или рыбы, а именно на основе измельченного мясного или рыбного белка, включающий способ реструктурирования белков в мышцеподобные структуры. Этот тип замены, очевидно, не является подходящим там, где желательно использование немясных источников белка. Кроме того, иные, чем глобулярные белки и казеин, оригинальные мясные белки, используемые здесь, являются волокнистыми белками, сами по себе.

Задачей настоящего изобретения является предложение способа получения структур и текстур волокнистой пищи, где проблемы, выявленные здесь выше, преодолены.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является получение продуктов и, в особенности, твердо-мягких продуктов, имеющих внешний вид и свойства, сравнимые с характеристиками мяса и рыбы. В частности, композиция, содержащая иерархическую волокнистую структуру, является желательной.

В свете этого, иерархические структуры подразумевают, что постепенно монтируются структуры все более высоких уровней организации от молекулярного до макроуровня, до тех пор, пока желаемые свойства и функции не оказываются достигнутыми. Адаптировано из: J.M.Aguilera, S.W.Stanley, (1999), Microstructural principles of food processing and engineering, 2^nd ed, Aspen Publishing, Inc, Gaithersburg, Maryland (ISBN 0-8342-1256-0), page 186-187.

В данном контексте, твердомягкий пищевой продукт представляет собой пищевой продукт, который, в первую очередь, характеризуется эластичной деформацией (эластичная деформация: G'>G") при прикладывании нагрузки, и для которого требуется относительно малая нагрузка, чтобы получить существенную деформацию, благодаря либо низкому модулю эластичности, либо низкому напряжению текучести. Дальнейшие подробности по поводу твердо-мягких пищевых продуктов описаны в: Р.Walstra (2003) Physical Chemistry of Foods; Chapter 17: Soft-solids; Marcel Dekker, New York, причем эта глава включена в качестве ссылки в данное описание для дальнейшего описания твердомягких пищевых продуктов.

Внешний вид и/или поведение, сравнимое с мясным и рыбным, относится, предпочтительно, как к возможности обработки во время приготовления пищи, включая поджаривание и обжаривание при перемешивании, так и к употреблению. В частности, структура по изобретению будет сокращаться при нагревании, что дает поведение, подобное тому, что имеет место в случае куриного мяса.

Более того, желательно предложить волокнистый пищевой материал, имеющий хорошие абсорбционные и адсорбционные свойства по отношению к вкусовым и ароматическим веществам, таким как пряные травы и приправы.

Другие задачи настоящего изобретения станут ясны после прочтения оставшейся части описания, включая рабочие примеры.

Задачи настоящего изобретения решаются путем использования технологии, основанной на приложении простого сдвигового потока и одновременного ферментативного перекрестного сшивания для индуцирования анизотропной волокнистой структуры в концентрированном белке, а наиболее предпочтительно, в концентрированной композиции казеината кальция, без необходимости коагуляционных бань и без необходимости прикладывать высокие температуры или высокие поперечные усилия. Кроме того, количество стадий промывания можно значительно снизить, а зачастую никаких стадий промывания не требуется вообще.

По первому объекту настоящее изобретение относится к способу получения иерархических волокнистых пищевых структур, основанному на подвергание суспензии съедобного белка простому сдвиговому потоку и ферментативному перекрестному сшиванию. Ферментативное перекрестное сшивание проводят одновременно с действием простого сдвигового потока.

Способ настоящего изобретения опирается на особый вид деформации, представляющей собой простой сдвиг. Термин "простой сдвиг" является хорошо известным в данной области и подразумевает, что поверхности материала скользят одна относительно другой только в одном направлении. В этом отношении ссылаются на C.W.Macosko, "Rheology, Principles, Measurements and Applications", VCH Publishers Inc., New York (1994), in particular pages 27-29, 40 and 70-75; причем эта ссылка включена в качестве ссылки в данное описание с целью определения понятия "простого сдвига".

Поскольку многие из приведенных выше способов современного уровня техники относятся к системам с разделенными фазами белка и полисахарида, где ориентирование в единственной фазе продиктовано или скорее зафиксировано другой фазой, настоящее изобретение охватывает ориентирование белкового материала в смеси белок/вода. Т.е. ориентирование и образование волокнистой структуры происходит в одной и той же фазе, по настоящему изобретению. Структура, полученная с помощью изобретения, не требует фиксации в отдельной матрице, как того требуют способы современного уровня техники, основанные на гелеобразовании.

В способе настоящего изобретения суспензию белка подвергают линейному сдвигу простого профиля, который может, например, быть осуществлен между плоскостью и конусом; между конусом и конусом; или в цилиндрическом, коническом и плоскостном реакторе. Пример подходящего аппарата показан на Фигуре 1, где Фигура 1а показывает фотографию устройства с камерой лабораторного уровня, а Фигура 1b представляет собой схематический рисунок сдвиговой зоны указанного аппарата. В частности, полимеры могут быть подвергнуты простому сдвигу линейного профиля путем использования в воплощении на Фигуре 1 плоскости и конуса, где угол (α_{плоскость} составляет, например, около 105°, и α_конус, например, 100°. Устройство сдвиговой камеры на Фигуре 1 имеет объем, примерно, 70 мл. Вращающуюся плоскость и неподвижный конус нагревают (или охлаждают) водой. Температуру материала измеряют термопарой, размещенной в конусе. Устройство присоединено к Brabender Do-Corder 330 (Brabender OHG, Duisburg, Germany) для того, чтобы сделать возможным регулирование скорости сдвига и замеры вращающего момента и температуры. Аппарат на Фигуре 1 основан на аппарате, описанном Peighambardoust et al. В: Journal of Cereal Science. 42(1) (2005) 59-68. Документ включен здесь в качестве ссылки для дальнейшего определения аппарата, подходящего для использования в настоящем изобретении.

Прилагаемые нагрузки во время сдвига не должны приводить к разрушению белков. Обычно прилагаемые нагрузки не должны превышать 25 кПа, предпочтительно, не превышать 20 кПа (рассчитано на основе спроецированного радиуса плоскости).

В этом способе простой сдвиговый поток приводит к ориентированию белков, в то время как ферментативное перекрестное сшивание приводит к отверждению.

Конечно, небольшие отклонения от простого профиля сдвигового потока, которые все же дают волокнистые материалы, также охвачены настоящим изобретением.

На основании сведений, раскрываемых настоящим изобретением, возможно, хотя не предпочтительно, осуществить простой профиль сдвигового потока в "несдвиговом оборудовании", т.е. в оборудовании, обычно не используемом для применения сдвига, таком как миксер. В таком оборудовании могут существовать домены обработки, в которых, на самом деле, происходит простой сдвиг. Если делают таким образом, следует позаботиться о том, чтобы получить - например, со стенок перемешивающего оборудования - только те порции материала, которые были объектом домена простого сдвига в несдвиговом оборудовании. Также, если используют несдвиговое оборудование, такое как миксер, порядок прибавления компонентов будет более критичным для образования волокнистых структур. В таком оборудовании, жидкие фазы (вода, масло), и ферментативный перекрестие сшивающий агент, следует добавлять до белка. Возможно, что для некоторых целей может быть достаточно материала, лишь некоторые части которого являются анизотропными (и, например, содержатся в изотропной матрице).

Стадию осуществления простого сдвига предпочтительно проводят с белковым материалом, у которого нет температуры денатурирования, таким как казеинат кальция (см. также здесь ниже), или, предпочтительно, проводят при температуре ниже, чем температура денатурирования белкового материала. Что касается простого сдвига per se, нижний предел температуры не является критичным, поскольку белковый раствор или дисперсия способна течь. Фактически, стадия умеренного нагревания приводит к более быстрому ориентированию. Температурные требования для одновременного ферментативного перекрестного сшивания могут быть более критичными. На практике, способ изобретения подходяще проводить в температурном диапазоне около 15-60°С, предпочтительно от комнатной температуры, т.е. 20-25°С, до 55°С, и, более предпочтительно, в температурном диапазоне 35-50°С.

Для способа по изобретению требуются достаточно плотные белковые растворы или дисперсии, предпочтительно, в воде или по меньшей мере в водных системах, хотя другие неденатурирующие растворители могут также быть использованы. Предпочтительно, концентрация белка составляет, по меньшей мере, 5 масс.%, предпочтительно, по меньшей мере, 10 масс.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 15 масс.% И, даже более предпочтительно, по меньшей мере, 20 масс.%, в расчете на массу всего раствора или дисперсии; в наилучших вариантах, найденных к настоящему времени, применяют, предпочтительно, по меньшей мере, 25 масс.%, и, более предпочтительно, 30 масс.% и выше белка. Верхний предел концентрации белка обусловлен тем требованием, что белковый материал должен быть достаточно подвижным, чтобы ориентироваться в среде. Это может быть легко определено специалистм, квалифицированным в данной области, на основе данной заявки. На практике содержание белка не будет выше, чем около 60 масс.%, и, предпочтительно, не выше, чем 50 масс.%.

По предпочтительному объекту изобретения съедобный белок основан на казеине, и, в частности, на казеинах коровьего молока. Казеин коровьего молока состоит, в основном, из α_S1-, α_S2-, β- и κ-казеина в соотношении 4:4:2:1. Серии и треонилфосфаты α-и β-казеинов могут взаимодействовать с кальцием (Са²⁺) и другими би- и трехвалентными ионами. Благодаря этому взаимодействию, дисперсии казеината кальция содержат белковые агрегаты, которые являются сравнимыми с мицеллами казеина (~100-300 нм) в молоке; казеинат натрия имеет более открытую третичную структуру и образует белковые агрегаты размером около 50 нм.

Из-за более больших белковых агрегатов в дисперсиях казеината, содержащих бивалентные и более высоковалентные катионы, где катионы должны быть безопасны для употребления, и наиболее предпочтительно, содержащих ионы кальция, казеинаты, содержащие бивалентные и более высоковалентные катионы, являются особенно предпочтительными для использования в данном изобретении. Однако также могут быть использованы соя (дезодорированная) и другие растительные белки, получаемые из масличных семян; в целом, растительные белки, концентраты сывороточного белка (порошки КСБ), фильтраты сыворотки, молочные белки, казеины, белки картофеля, овальбумины и смеси таких белков.

Для перекрестного сшивания белка относительно большое количество типов ферментов является подходящим в принципе, таких как протеиндисульфидизомераза, сульфгидрилоксидазы, полифенолоксидазы, лизилоксидазы, пероксидазы, трансглутаминазы, грибная тирозиназа, липоксигеназы и глюкозоксидазы. Упомянутые ферменты катализируют различные реакции, и в зависимости от белков, присутствующих в исходных продуктах, подлежащих ориентированию, квалифицированный работник может выбрать подходящие ферментаты. Весьма подходящими являются трансглутаминаза, пероксидаза и глюкозоксидаза, помимо прочего из-за их доступности.

В предпочтительном воплощении, трансглутаминазу используют в качестве фермента для перекрестного сшивания белка. Два типа трансглутаминазы известны: животная и микробная. В противоположность животной трансглутаминазе, активность трансглутаминазы микробного происхождения не зависит от присутствия ионов кальция. Фермент трансглутаминаза катализирует специфические реакции перекрестного сшивания между белками. Более конкретно, глутаминовая группа одной белковой молекулы связывается путем ковалентной связи с группой лизина другой белковой молекулы, в результате чего могут быть образованы межмолекулярные связи.

Как указано, предпочтительный белок для использования в способе изобретения, основан на казеине, и, более предпочтительно, является казеинатом кальция. Казенны образуют подходящий субстрат для трансглутаминазы. Для дальнейшего описания этого фермента, ссылаются на статьи Lorenzen and Schlimme in the Bulletin of the IDF 332, pages 47-53, in Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte 49(3) 221-227 (1997), and in Nahrung-Food 42(3-4) (1998) 151-154, to Nonaka et al., J. Food Sc. 57(5) (1992) 1214, и ЕР-А-0610649. Трансглутаминаза является коммерчески доступной, помимо прочего, из Ajinomoto Co., Inc. Tokyo, Japan.

Изобретателями было найдено, что отверждение с использованием фермента перекрестного сшивания, является существенным для того, чтобы достичь образования желаемой анизотропной структуры. Волокнистые материалы, полученные по способу изобретения, показали анизотропию, как на микро-, так и на макроуровне, как можно было определить с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и механического анализа соответственно.

СЭМ выявила белковые волокна с диаметром ~100-200 нм, тогда как визуально наблюдали волокна до 1 мм.

Как простой сдвиг, так и фермент перекрестного сшивания, предпочтительно, трансглутаминаза, влияли на укрепление волокон в большой степени, тогда как механические свойства в направлении, перпендикулярном поперечному потоку, оставались постоянными.

Реологические свойства были изотропными, и на них оказывал влияние только фермент перекрестного сшивания.

После сдвиговой деформации казеината Са без трансглутаминазы, слабо анизотропная слоистая структура была обнаружена, но никакие волокна не образовывались. Как перекрестное сшивание в отсутствие сдвига, так и перекрестное сшивание во время смешивания, приводило к гелям казеината Са без какого-либо ориентирования.

Следовательно, настоящее изобретение основано на синергетическом влиянии, полученном при сочетании применения простого сдвига и перекрестного сшивания с помощью фермента. Этот эффект иллюстрирован в Таблице 2 в Примере 1 здесь ниже для казеината Са с использованием простого сдвига и трансглутаминазы (ТГА; также описываемой как Тгаза). Получены значения механических свойств при растяжении, нормализованные соответствующими величинами образцов казеината Са, так что эффект сдвига (подвергшегося сдвигу и перекрестно-сшитого казеината Са, нормализованного перекрестно-сшитым казеинатом Са в условиях неподвижности), и ТГА (подвергшегося сдвигу и перекрестно-сшитого казеината Са, нормализованные подвергшимся сдвигу казеинатом Са без ТГА) мог быть прослежен. Как сдвиг, так и ТГА, в большей степени влияли на механические свойства при растяжении в параллельном направлении, а значит, в направлении анизотропных микроструктур. Кроме того, с учетом величин нормализованного напряжения пластического течения, укрепляющий эффект сдвига (в присутствия ТГА) был почти вдвое больше, чем эффект одной ТГА.

В способе настоящего изобретения образуется слоистая структура. В частности, ферментативное перекрестное сшивание во время простого сдвига меняет морфологию белковых агрегатов на волокна.

По второму основому объекту настоящее изобретение, следовательно, относится к волокнистой иерархической съедобной белковой структуре, имеющей анизотропию на микроуровне (т.е. имеющей ориентированную структуру, при изучении морфологии с использованием СЭМ) и на макроуровне (т.е. имеющей ориентированную структуру при изучении морфологии на глаз). Анизотропию на макроуровне можно также определить с использованием испытания прочности на разрыв; для анизотропии на макроуровне различные значения прочности при растяжении получают при измерении испытуемого образца в различных направлениях.

Эти белковые структуры ведут себя как мясо и даже коричневеют при выпекании. Чтобы сделать эту коричневую окраску более ярко выраженной, можно добавить небольшую долю восстанавливающих сахаров, предпочтительно, лактозы.

По третьему основному объекту настоящее изобретение относится к рыхлым волокнистым частицам, имеющим анизотропную форму волокон, подходящим для использования в качестве ингредиента для пищевого применения. Из-за дисперсного характера эти частицы обладают эффектом увеличения вязкости. Эти частицы позволяют регулировать вязкость продукта в широких пределах, включая от очень жидких вплоть до почти твердых продуктов.

В дополнение, волокнистые частицы могут влиять на поведение потока (вязких) жидких продуктов. Анизотропный характер частиц обеспечивает дополнительный эффект для увеличения инерции систем, где такие волокна используют. Подобные эффекты применяют к более твердым системам, имеющим свойства текучести. С помощью тонкого регулирования структуры белка; т.е. путем получения структуры с более высоким или более низким количеством анизотропии на микро- или макроуровне, могут быть получены продукты, имеющие одинаковое содержание белка, которые имеют совершенно различную вязкость и/или текучесть.

Анизотропный характер дисперсной фазы может также давать возможность реализации свойства сдвигового утончения и, при желании, свойства текучести продукта. Т.е., когда густой продукт подвергают сдвигу, вязкость указанного продукта снижается. Густой продукт может становиться текучим или таким, что его можно зачерпнуть ложкой, и может затем становиться густым снова.

Как упомянуто выше в отношении "несдвигового оборудования", для некоторых применений, возможно, получать материал, в котором анизотропные части содержатся в изотропной матрице. Примером этого является также способ получения рыхлых волокон, т.е. волокон, которые не обязательно являются частью иерархической структуры, но которые значительно отделены друг от друга матрицей. Для того чтобы получить такие рыхлые волокна, представляется существенным иметь дополнительную фазу, присутствующую в суспензии, которая должна быть подвергнута сдвигу. В частности, полисахариды или белки, которые не вступают в химические связи, могут образовать рыхлые волокна. В присутствии этой дополнительной фазы устанавливаются более непрочные отношения в иерархической организации, что может закончиться образованием рыхлых волокон. Следовательно, в зависимости от присутствия другой фазы, присутствующей в суспензии, и в зависимости от параметров обработки можно получить иерархическую структуру или рыхлые волокна, или целую серую зону между рыхлыми волокнами и иерархической структурой. См. в свете этого также рабочий пример 3, здесь ниже.

Подходящими полисахаридами для использования в этом способе являются ксантан, каррагиннан, галактоманнан, гуаровая камедь, камедь актинидии аргута, камедь бобов рожкового дерева, гуммиарабик, пектин, целлюлоза, включая карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), метилцеллюлозу (МЦ), гидроксипропилцеллюлозу (ГПЦ) и крахмалы, включая модифицированные крахмалы.

Полисахариды позволяют восстанавливать белковое содержимое в суспензии для обработки согласно изобретению и/или позволяют варьировать связность и/или тканеобразующую способность волокон и могут, в конечном счете, приводить к образованию рыхлых волокон.

Подходящие количества таких белков или полисахаридов, которые следует добавить к суспензии, обычно находятся в диапазоне от 0,01-5 масс.%, предпочтительно, 0,05-3 масс.%, более предпочтительно, 0,1-1,5 масс.% и/или количество дополнительного белка или полисахарида по отношению к массе белка, подлежащего ориентированию, составляет в пределах 1:1000-1:5, предпочтительно, 1:500-1:8, более предпочтительно, 1:100-1:10.

В предпочтительном воплощении эти волокнистые структуры получают по способу изобретения.

Более предпочтительными являются волокнистые структуры, основанные на казеинате, перекрестно-сшитом трансглутаминазой.

Анизотропные волокнистые образцы настоящего изобретения являются гораздо прочнее в параллельном направлении, по сравнению с перпендикулярным направлением. Это в особенности может отразиться на соотношении напряжений текучести. В предпочтительном воплощении волокнистая структура по изобретению имеет соотношение напряжений текучести σ_{параллельное}/σ_{перпендикулярное} по меньшей мере, 6, предпочтительно, по меньшей мере 7 и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере 8. Для казеината кальция, соотношение напряжений текучести σ_{параллельное}/σ_{перпендикулярное} может подходяще составлять около 9.

Образование сдвиг-индуцированных и ферментативно-индуцированных анизотропных структур было объяснено улучшенным фазовым разделением белковых агрегатов, благодаря сдвигу и сопутствующему отверждению выстраивающихся белковых агрегатов.

Ферментативное гелеобразование казеината кальция с использованием простого сдвига и ферментативного перекрестного сшивания индуцирует образование новой волокнистой белковой структуры. Полученные микроструктурные свойства были изучены с помощью анализа методом СЭМ. Выявлены структурные характеристики при малых и больших деформациях, приводящих к желаемым линейным вязкостно-эластичным свойствам и желаемым механическим свойствам, которые будут здесь ниже описаны более подробно для структур казеината кальция, перекрестно-сшитых трансглутаминазой.

На практике, сначала раствор или дисперсия белка в подходящей среде, предпочтительно водной среде, готовят в виде премикса. Этот премикс переносят в сдвиговую камеру, и предпочтительно, нагревают до температуры между 35 и 50°С. Фермент для перекрестного сшивания либо вносят в сдвиговую камеру, либо, предпочтительно, уже в премикс, и смесь подвергают простому сдвигу. Для оптимальных результатов, т.е. для хорошо образованного поля сдвига, требуется полное заполнение сдвиговой камеры. Сдвиг должен быть достаточно значительным, чтобы осуществить ориентирование белкового материала, но не слишком большим, потому что тогда структура может разрушиться.

Согласно изобретению анизотропная волокнистая белковая структура, и предпочтительно, анизотропная структура казеината Са, образовывалась с использованием технологии, основанной на сдвиг-индуцированном образовании структуры и сопутствующем отверждении. Ферментативное перекрестное сшивание в ходе сдвига оказывается существенным для образования анизотропных структур. Простота способа, в сочетании с получением высокой анизотропии свидетельствуют о высоком потенциале технологии новых пищевых структур и их применения.

Т.к. указанное перекрестное сшивание в ходе сдвига является существенным, подбор типа и активности фермента, скорости сдвига и времени обработки, для конкретного используемого белка зависят от конкретного белка. Для водной среды, содержащей 25-30 масс.% казеината кальция, например, минимальная скорость сдвига в аппарате, показанном на Фигуре 1 (см. здесь ниже), с использованием трансглутаминазы (ТГА) составляет 24 с^-1, причем время обработки составляет между 300 и 3600 с. Оптимум температуры определяется используемым ферментом. Для ТГА это составляет около 50°С.

В рабочих примерах здесь ниже, казеинат кальция в сочетании с ТГА используют в качестве модельной системы изобретения. Показано, что после сдвига и ферментативного перекрестного сшивания с использованием ТГА образовывались анизотропные волокнистые структуры в матрице концентрированного казеината Са на макро- и микроуровне. Волокна до 1 мм наблюдали визуально, тогда как СЭМ-изображения выявили белковые волокна диаметром ~50-200 нм, которые были скомпонованы из цепочечных белковых доменов.

В отсутствие ТГА, слоистая и слабо анизотропная структура была найдена, но никаких волокон не было образовано. Перекрестное сшивание в отсутствие сдвига приводило к плотному гелю казеината Са без какого-либо ориентирования. Линейные вязкостно-эластичные (ЛВЭ, LVE) свойства показали увеличение G и уменьшение tanδ благодаря прибавлению ТГА. Эти свойства были изотропными (т.е. не зависящими от направления прилагаемого усилия).

Напротив, механические свойства при растяжении подтвердили присутствие анизотропных структур, в особенности, на основе больших различий между величинами напряжения текучести в параллельном и перпендикулярном направлении, по сравнению с прилагаемым сдвиговым потоком (см. здесь ниже). Сдвиг влиял на укрепление анизотропных волокон в большей степени, тогда как свойства в перпендикулярном направлении оставались постоянными. ТГА также значительно влияла на образование структуры в направлении сдвига.

При сдвиге концентрированной белковой дисперсии образовывалась слоистая структура, которая схематически показана на Фигуре 10. Ферментативное перекрестное сшивание в ходе сдвига изменяло морфологию белка на морфологию волокон. Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, выдвинули гипотезу, что в способе настоящего изобретения фазовое разделение белковых агрегатов на молекулярном уровне в результате сдвига приводит к сдвиг-индуцированном и ферментативно-индуцированных анизотропным структурам. Ферментативное перекрестное сшивание требуется для отверждения выстроенных белковых агрегатов, которые, возможно, смягчатся по завершении сдвига, когда никакого отверждающего агента нет.

В рабочих примерах здесь ниже используют высококонцентрированную систему казеината, где агрегаты казеина плотно упакованы или находятся в сдавленном состоянии. Локальное фазовое разделение на богатую белком фазу и фазу с низким содержанием белка с низким поверхностным натяжением на границе раздела, которое могло уже присутствовать в остальной системе, было улучшено путем сдвига, приводящего к ориентированию в этих фазах. В отсутствие ТГА, комбинированное действие сдвига и взаимодействия с ионами Са²⁺ приводило к образованию макроструктуры слоистого казеината Са, которая показывала анизотропное поведение в ходе испытаний на эластичность. По контрасту, на микроструктуру едва ли влиял сдвиг. Это привело бы к слоистой структуре, подобной той, что показана на Фигуре 10А. Похоже, что ориентирование в казеинате Са на микроуровне присутствовало, благодаря фазовому разделению и сдвигу, но что временная шкала используемого способа отверждения, т.е. охлаждения, была гораздо длиннее, чем время релаксации ориентированных белковых блоков. Поэтому, подвергшийся сдвигу казеинат Са не давал волокнистую структуру. В присутствии ТГА перекрестное сшивание, возможно, увеличивало размер агрегатов казеината Са, что делало их даже более чувствительными к ориентированию путем сдвига. Кроме того, в фазово-отделенной богатой белком фазе, ТГА индуцировала ковалентное связывание в направлении потока. Т.к. отверждение происходило в более короткой временной шкале, чем релаксация, волокнистая микро- и макроструктура сохранялась после завершения сдвига.

Казеинат Са и казеинат Na имеют различные физические свойства и поэтому требуются различные режимы для получения анизотропных структур. Что касается различий в сдвиг-индуцированном образовании структуры плотных дисперсий казеината, рассматривают следующую концепцию.

Мы рассматриваем плотные казеинатные дисперсии как системы, содержащие коллоидные близко упакованные мягкие сферы, и как п