Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устойчивой (стабильной) пене, имеющей контролируемое распределение по размерам высокодисперсных пузырьков воздуха, и к приготавливаемым из нее пищевым продуктам с низким содержанием жира. Особенно интересные приготавливаемые из таких пен продукты включают мороженое и родственные замороженные продукты.
Уровень техники
Получение тонко диспергированных пузырьков газа в непрерывной жидкой или полутвердой текучей фазе, называемой либо газовой дисперсией в случае объемных долей газа ниже около 10-15%, либо пеной в случае объемных долей газа, превышающих около 15-20%, является предметом особого интереса, в частности, в пищевой, фармацевтической, косметической промышленности, производстве керамики и строительных материалов. Доля содержания газа в относящихся к этим отраслям промышленности продуктах оказывает сильное воздействие на такие их физические характеристики, как плотность, реология, теплопроводность, сжимаемость и связанные с ними потребительские качества. В области пищевых продуктов аэрирование ряда систем от жидких до полутвердых повышает их ценность в отношении консистенции и таких связанных с этим воспринимаемых/органолептических свойств, как кремообразность, мягкость и однородность, а также улучшенная способность к сохранению формы и устойчивость к расслаиванию. Для определенных пищевых композиций, таких как замороженные десерты или мороженое, сильно сниженная теплопроводность является другим важным фактором устойчивости, предохраняющим продукт от быстрого таяния, например вследствие термических ударов, происходящих в «цепи охлаждения» от магазина до холодильника потребителя. Значительное увеличение внутренней поверхности может также открыть доступ к новым областям, пригодным для адсорбции и фиксации/стабилизации функциональных/техно-функциональных молекул, таких как вкусоароматические и/или питательно активные соединения.
В обычных замороженных и аэрированных водно-ледяных суспензиях типа мороженого такие характеристически важные сенсорные свойства как формуемость, кремообразность, однородность, сохранение формы в процессе таяния и устойчивость к термическим ударам определяются взаимодействием трех дисперсных фаз: воздушных полостей/пузырьков, жировых шариков/агломератов жировых шариков и кристаллов водяного льда с характеристическими диапазонами размеров и объемными долями этих дисперсных компонентов, соответствующими показанным, например, в таблице 1.
Хорошо стабилизированные мелкие воздушные полости главным образом ответственны за кремообразность и ощущение однородной текстуры во время таяния мороженого во рту потребителя. Более мелкие воздушные полости/пенистая структура в расплавленном состоянии при сдвиговом воздействии, возникающем между языком и небом, приводят к более выраженному восприятию кремообразности. Воздушные полости более мелкого размера также способствуют более длительной продолжительности хранения замороженных композиций мороженого вследствие более значительных пространственных затруднений для роста кристаллов льда. При постоянной объемной доле газа большее количество более мелких воздушных полостей образует более значительную площадь поверхности раздела газовой фазы, снижая тем самым толщину слоев, образуемых непрерывной водной жидкой фазой между воздушными полостями. Это ограничивает рост кристаллов льда внутри этих слоев. Другой, хотя и менее выраженный, непосредственный вклад в кремообразность проистекает из средних размеров агломератов жировых шариков, имеющих диаметр менее 20-30 мкм. Когда агрегаты жировых шариков получаются большими, чем около 30-50 мкм, кремообразное ощущение трансформируется в жирное, маслянистое вкусовое впечатление.
Формуемость таких замороженных аэрированных суспензий, как мороженое, главным образом соотносится со структурой кристаллов льда, в частности, с размерами кристаллов льда и их взаимной связанностью. Формуемость является наиболее существенным качественным признаком мороженого в низкотемпературном диапазоне между -20°С и -15°С. При традиционном производстве мороженого частичное замораживание осуществляется в морозильных аппаратах непрерывного или периодического действия с охлаждаемыми скребковыми теплообменниками до конечных температур около -5°С. Затем суспензия мороженого заливается в чашки или формуется через выпускные отверстия экструзионных головок. Затем продукты отверждаются в туннельных закалочных с охлажденным до температур около -40°С воздушным теплоносителем до достижения температуры в толще продукта около -20°С. После этого продукты отправляются на хранение и/или распределение. После предварительного замораживания мороженого обычных рецептур во фризере в виде кристаллов водяного льда замерзает около 40-45% замораживаемой воды. Другая часть замораживаемой воды величиной около 55-60% остается, тем не менее, жидкой вследствие снижения температуры замерзания водного раствора, обогащенного сахарами, полисахаридами и белками. Большая часть этой жидкой фракции замерзает при дальнейшем охлаждении в закалочном туннеле. На этом этапе закаливания мороженое находится в состоянии покоя. Вследствие этого дополнительно замороженная вода кристаллизуется на поверхности существующих ледяных кристаллов, вызывая их рост от около 20 мкм до 50 мкм и выше. Некоторые из ледяных кристаллов связываются друг с другом, образуя трехмерную сетку кристаллического льда. После образования таких сеток мороженое ведет себя как твердое тело, а его формуемость падает.
Некоторые патенты, такие как патенты US №№5620732, 6436460, 6491960, 6565908 раскрывают сдерживание роста кристаллов льда во время охлаждения/закалки при помощи антифризных белков. Также ожидается, что это должно оказывать положительное воздействие на способность кристаллов к образованию связей в отношении улучшения формуемости.
Патенты US №№6558729, 5215777, 6511694 и 6010734 раскрывают применение других специальных ингредиентов, таких как низкоплавкие растительные жиры, полиэфиры жирной кислоты и многоатомного спирта или особые сахара, такие как смеси сахарозы/мальтозы для смягчения относящихся к мороженому продуктов, улучшая тем самым их формуемость и кремообразность.
Патенты US №№5345781, 5713209, 5919510, 6228412 и RE 36390 раскрывают специальное технологическое оборудование, главным образом одно- или двухшнековые замораживающие экструдеры непрерывного действия, предназначенное для повышения качества микроструктуры мороженого (воздушные полости, кристаллы льда и агломераты жировых шариков) при использовании высоковязких сил трения, действующих при обычно очень низких температурах обработки от 10°С до -15°С, и таким образом улучшающее текстуру и характеристики устойчивости.
Другие публикации раскрывают применение мезоморфных фаз поверхностно-активного вещества с приготавливаемым при определенной температуре премиксом, содержащим поверхностно-активные вещества и воду, для обеспечения непрерывной ламеллярной фазы. Эти документы включают европейскую патентную заявку 753995 и публикацию WO 95/35035. Другой подход, который раскрывает применение мезоморфных фаз пищевого поверхностно-активного вещества в качестве структурирующих агентов и/или заменителей жиров, встречается в патенте US 6368652, европейской патентной заявке 558523 и публикации WO 92/09209.
Публикация WO 2005/013713 раскрывает содержащее по меньшей мере 2 мас.% жира замороженное кондитерское изделие, в котором часть всего присутствующего жира имеет консистенцию масла, а также способ его производства.
Тем не менее, несмотря на эти раскрытия, остается потребность в способе получения замороженной пены или замороженных кондитерских изделий, которые при замораживании не претерпевали бы явного расширения газовых пузырьков и не приобретали бы связанных с этим выраженных свойств твердого тела или льдистой структуры.
Кроме того, сохраняется недостаток новаторских технологий аэрирования, обращающихся к вышеупомянутой потребности. Например, промышленная технология аэрирования с применением мембран все еще является относительно новой. Известное общеупотребительное аэрирование или взбивание текучих жидких композиций обычно выполняется с помощью роторно-статорных диспергирующих смесителей, функционирующих в областях турбулентного потока в условиях очень высоких норм потребления энергии.
В области диспергирования систем типа жидкость - жидкость (эмульгирование) известны методики диспергирования с помощью мембран, при которых применяются статичные мембранные модули, в которых отделение дисперсных жидких капель вызывается протеканием непрерывной жидкой фазы через мембрану. Однако это означает, что обеспечивающие отделение капель силы или напряжения непосредственно связаны с объемной скоростью потока непрерывной жидкой фазы. Разумеется, это неприемлемо для производства относящихся к эмульсиям или дисперсиям композиций, если изменения в объемной скорости потока также способны воздействовать на распределение капель дисперсной фазы по размерам, изменяя тем самым связанные с этим параметром свойства композиции.
Первые попытки получения пен с помощью мембран также предпринимались с использованием статичных мембранных устройств и с проблемами того же рода, что описаны выше для случая получения дисперсий в системе жидкость - жидкость, однако с более выраженными сложностями в отношении образования мелких пузырьков, особенно при повышенных объемных долях газа (>30-40%). Это может основываться на известной физической зависимости, описываемой так называемым критическим капиллярным числом (Сас). Основным типом потока, генерируемого в окрестности (то есть в пограничном слое Прандтля) обтекаемой потоком мембраны, является сдвиговой поток. В сдвиговом потоке критическое капиллярное число находится в строгой зависимости от соотношения величин вязкости дисперсной и непрерывной фаз (ηдисперсная/ηнепрерывная). В частности, для случая очень небольших, демонстрируемых вспененными системами величин отношения вязкостей, находящихся в диапазоне ≤10-3-10-4, Сас может достигать значений, превышающих величины около 10-30. Причина заключается в том, что, несмотря на легкую и значительную деформацию пузырьков воздуха в жидкостях со сдвиговым течением, какого-либо эффективного разбиения не происходит, или, другими словами, величина критической деформации пузырьков сильно возрастает с уменьшением величины соотношения вязкостей. При очень высоких объемных скоростях достигаются условия турбулентного потока с улучшенной дисперсией пузырьков. Однако это не дает удовлетворительного результата в отношении размера пузырьков и узости диапазона распределения пузырьков по размерам. Даже в области турбулентного потока в окрестности стенок существует ламинарный слой Прандтля, ограничивающий действие турбулентного механизма диспергирования.
Недавно для диспергирования в системе жидкость - жидкость было применено ротационное мембранное устройство, продемонстрировавшее высокий потенциал улучшения диспергирования капель, в частности, в отношении малых и имеющих узкий диапазон распределения по размерам капелек, но это устройство не применялось для диспергирования газов или вспенивания. Вероятно, это является следствием проблем, связанных со сложностью разбиения газовых пузырьков в описанном выше преобладающем ламинарном сдвиговом потоке, а также вследствие значительного различия в плотности двух фаз, которое делает способ в поле циркуляционного, особенно ламинарного, потока еще более трудно выполнимым. Газовая фаза, обладающая плотностью менее одного процента от плотности жидкости, в поле действующей в ламинарных циркуляционных потоках центробежной силы имеет тенденцию отделяться в направлении более малых радиусов (что эквивалентно более низкому центробежному давлению), не подвергаясь вызываемым действием потока возмущениям. Фундаментальные проблемы такого рода остаются нерешенными.
Патентная заявка Германии DE 10127075 раскрывает ротационное мембранное устройство для получения эмульсионных систем. Однако это устройство не подходит для генерирования тонкодисперсных гомогенных газовых дисперсий или пен из-за больших радиальных размеров рассеивающих. зазоров, образованных между мембранными модулями и корпусом, влияние которых при повышенных скоростях вращения, необходимых для тонкого диспергирования газовых пузырьков проявляется в существенной поддержке расслоения фаз.
Публикации WO 2004/30799 и WO 01/45830 описывают подобные, предназначаемые для получения эмульсий, мембранные устройства с проблемами в отношении газовых дисперсий или пен, идентичными ранее упомянутым.
В этой связи существует потребность в новом устройстве для аэрирования и в способе, делающем возможным создание маложирного продукта из замороженной пены, который при замораживании не образует крупных газовых пузырьков или связанных между собой кристаллов льда и вытекающих из этого характеристик твердого тела. Имеется также потребность в продуктах, содержащих такую новую пену.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к устройству для изготовления пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, содержащему пористый материал с контролируемым размером пор для получения, по существу, однородного распределения по размерам газовых пузырьков, газовое насосное устройство для направления потока газа к и через пористый материал для образования газовых пузырьков, жидкостное насосное устройство для направления потока жидкой матрицы через пористый материал и вращающийся элемент с изменяемой, но регулируемой круговой скоростью, обуславливающий наличие потока в окрестности пористого материала для отделения от пористого материала, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице с целью создания пены, имеющей газовые пузырьки в целом однородного размера и по существу однородное распределение пузырьков газа по размерам. Предпочтительно размер пор пористого материала, поток газа из газового насосного устройства, поток жидкости из жидкостного насосного устройства и дополнительный поток, вызываемый вращающимся элементом вблизи от поверхности пористого материала, кооперативно взаимодействуют для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,5 до 2 средних диаметров Хр поры пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/ Х10,0 менее 5 без дополнительного вращающегося потока, и кооперативно взаимодействуют для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров поры Хр пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3, предпочтительно менее 2 с дополнительным вращающимся потоком.
Предпочтительно пористым материалом является мембрана, конфигурация которой, размеры, расположение и, в конечном итоге, перемещение подбираются таким образом, чтобы сделать возможным прохождение через нее газа и образование на поверхности мембраны газовых пузырьков, а также чтобы способствовать отделению газовых пузырьков от поверхности мембраны перетекающим потоком жидкой матрицы для их уноса в этой жидкой матрице. Подходящие пористые мембраны могут быть изготовлены из металла, керамического, стеклянного, полимерного или резинового материала и иметь диаметр пор в пределах от 0,1 до 10 мкм, поры среднего диаметра и узкое распределение пор по размерам, отличающееся величиной отношения максимального диаметра поры к минимальному менее 1,5, а также контролируемое расстояние между порами, составляющее по меньшей мере 3, но предпочтительно более 5 средних диаметров поры.
Пористой мембране может быть придана форма цилиндра, а устройство, кроме того, содержит корпус, который включает стенку с поверхностью, которой придаются такие форма и размеры, чтобы примыкать к цилиндру из пористой мембраны, образуя узкий зазор постоянной ширины между цилиндром из пористой мембраны и поверхностью стенки корпуса. Предпочтительно обеспечивается по меньшей мере один приводящий элемент для вращения цилиндра, или корпуса, или их обоих в целях отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице. При этом зазор может иметь ширину от около 0,1 до 10 миллиметров.
В одном воплощении цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, является внешней поверхностью цилиндра, примыкающая стенка корпуса является внутренней стенкой, цилиндр из пористой мембраны является вращающимся, а приводящий элемент обеспечивает вращение с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, отделяющей газовые пузырьки и захватывающей их в жидкой матрице. В качестве варианта цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, является внутренней поверхностью цилиндра из мембраны, а стенка корпуса окружает цилиндр из мембраны. Через зазор между стенкой корпуса и цилиндром из мембраны газ прокачивается сквозь мембрану. Внутри цилиндра из мембраны концентрически или эксцентрически располагается вращающийся элемент, предпочтительно другой (не имеющий мембраны) цилиндр таким образом, чтобы вызываемый вращающимся элементом (цилиндром) поток обеспечивал течение жидкой матрицы, которая направляется так, чтобы проходить мимо внутренней поверхности цилиндра из мембраны для отделения пузырьков газа и захватывания их в жидкой матрице.
В случае концентрического расположения внутреннего цилиндра без мембраны ширина зазора устанавливается в диапазоне от 0,1 до 10 миллиметров для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.
В случае эксцентрического расположения внутреннего цилиндра без мембраны эксцентрический зазор для потока имеет величину отношения наибольшей ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5 для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.
Кроме того, возможность регулирования при выборе размера пузырьков газа или распределения по размерам обеспечивается при помощи любого из жидкостного насосного устройства, обеспечивающего изменяемую, регулируемую массовую скорость потока жидкости матрицы, газового насосного устройства, направляющего газ через мембрану с изменяемыми, регулируемыми трансмембранным давлением и объемной или массовой скоростью потока газа, и/или изменяемой, регулируемой круговой скорости вращающегося элемента или цилиндра. Изобретение также относится к способу производства пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, который содержит прохождение потока газа к и через пористый материал, имеющий контролируемые величины размера пор и расстояния между порами, для получения по существу однородного распределения пузырьков газа по размерам, а также прохождение потока жидкой матрицы через пористый материал для отделения, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице для образования пены. При этом способе величины размера пор пористого материала, потока газа из газового насосного устройства, потока жидкости из жидкостного насосного устройства и круговой скорости вращающегося вблизи от поверхности пористого материала элемента выбираются отдельно или в комбинации такими, чтобы обеспечивать пузырьки газа, имеющие средний диаметр X50,0, величина которого находится в диапазоне от 2 до 2,5 средних диаметров Хр поры пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 5 без дополнительного вращающегося потока, вызываемого вращающимся элементом, и для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр X50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров поры Хр пористого материала, с обеспечением пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам X90,0/X10,0 менее 3, предпочтительно менее 2 с дополнительным вращающимся потоком.
Когда жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом и мембрана вращается с оптимально отрегулированной круговой скоростью, пена может обеспечиваться весьма желательной величиной коэффициента распределения пузырьков газа по диаметрам Х90,0/Х10,0 ниже 2.
Пористый материал в устройстве обычно является мембраной, конфигурация которой, размеры, расположение и, в конечном итоге, перемещение подбираются таким образом, чтобы сделать возможным прохождение через нее газа и образование на ее поверхности газовых пузырьков, а поток жидкости, образованный жидкой матрицей, проходящей через образованный между пористой мембраной и поверхностью стенки зазор, и, в конечном итоге, дополнительный поток, порождаемый изменяемым, регулируемым вращательным движением вращающегося элемента, способствуют отводу пузырьков газа. Предпочтительно пористой мембране придается форма цилиндра, а зазор между цилиндром из пористой мембраны и поверхностью стенки корпуса имеет постоянную ширину. Способ, кроме того, содержит обеспечение вращательного движения цилиндра, стенки или их обоих для отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице. Цилиндр может вращаться с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, выбивающей газовые пузырьки и захватывающей их в жидкой матрице. В качестве варианта цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, может являться внутренней поверхностью цилиндра из мембраны, а внутренняя поверхность корпуса в этом случае образует с внешней поверхностью цилиндра из мембраны зазор, через который поступает и проходит через мембрану газ. При такой компоновке вращающийся элемент, предпочтительно второй цилиндр без мембраны, располагается концентрически или эксцентрически внутри цилиндра из мембраны, образуя зазор шириной от 0,1 до 10 мм в случае концентрического расположения, а при эксцентрическом расположении образуя зазор, имеющий отношение наибольшей величины ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5, так, чтобы жидкая матрица направлялась мимо внутренней поверхности цилиндра для отделения пузырьков газа и захватывания их в жидкой матрице.
Способ может осуществляться регулируемым образом подбором размера пузырьков газа или их распределения по размерам, выбирая мембрану с определенным распределением размеров пор и расстоянием между порами и управляя потоком жидкой матрицы при изменяемой, регулируемой массовой скорости потока, контролируя поток газа через мембрану при изменяемых, регулируемых трансмембранном давлением и объемной или массовой скорости потока газа и управляя дополнительным потоком, вызываемым изменяемым, регулируемым вращательным движением вращающегося элемента (цилиндра), движущегося вблизи поверхности мембраны. Такой дополнительный вращающийся поток, обеспечиваемый вращающимся элементом, очень предпочтителен, поскольку он разделяет усилия, обеспечивающие протекание продукта и усилия, обеспечивающие отделение пузырьков, действующие на поверхность мембраны и определяющие размер получающихся пузырьков. При этом желательные величины размера пузырьков газа и распределения размера пузырьков газа могут быть достигнуты внутри диапазона объемных долей диспергированного газа от 20% до 70%, что эквивалентно взбитости от 25 до 230%.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сущности и преимуществ изобретения, а также относящихся к нему преимуществ по сравнению с существующим уровнем техники, следует обратиться к нижеследующему описанию, взятому в соединении с прилагаемыми фигурами, обеспечивающими иллюстративное сопровождение изобретения и связанных с изобретением показателей, при этом:
Фиг.1 - диаграмма распределения по размерам пузырьков воздуха, полученных с помощью обычного устройства для диспергирования пузырьков.
Фиг.2 - график распределения по размерам воздушных пузырьков пены, полученной в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
Фиг.3 - гистограмма, представляющая 10-й, 50-й и 90-й процентиль диаметров пузырьков для трех различных воплощений способа/устройства аэрирования по изобретению.
Фиг.4 - график, представляющий ширину распределения по размерам пузырьков или его «узость» для трех различных воплощений способа/устройства аэрирования по изобретению.
Фигуры 5А и 5В представляют полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа микрофотографии ламеллярных кейдж-структур пен по изобретению.
Фиг.6 - график, демонстрирующий функциональную зависимость объема ламеллярной фазы от концентрации добавленного способствующего набуханию вещества.
Фиг.7 - технологическая схема, представляющая этапы получения пены в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.8 представляет конечный продукт, полученный при изменении в ходе получения пены порядка следования этапа нагревания (I) и этапа регулирования рН (II), при котором обратный порядок (II, затем I) приводит к явному разрушению структуры без образования пены.
Фиг.9 - фотография двух пробирок, позволяющая сравнить дренажные характеристики пены согласно изобретению с пеной обычного щербета.
Фиг.10 - график изменения диаметра пузырьков пены, подвергнутой термическому удару, с Фиг.10А, являющейся микрофотографией пузырьков до термического удара, и Фиг.10В, иллюстрирующей пузырьки после термического удара.
Фиг.11 - график, демонстрирующий поведение пены согласно изобретению при термическом ударе.
Фиг.12 - схематический чертеж первого воплощения (Тип I) аэрирующего устройства изобретения, показывающий осевое сечение устройства с мембраной, установленной на поверхности внутренней вращающейся части (то есть цилиндра), и представленными на Фиг.12А и Фиг.12В увеличенными изображениями сечения перфорированного участка, показывающими компактные газовые образования на поверхности мембраны.
Фиг.13 - схематический чертеж второго воплощения (Тип II) аэрирующего устройства изобретения, показывающий осевое сечение устройства с мембраной, установленной на поверхности внешней неподвижной части (цилиндрического корпуса), и увеличенным изображением сечения зазора (Фиг.13А), показывающим газовые струйки, выбрасываемые из мембранной поры в зазор.
Фиг.14А представляет ортогональное по отношению к оси вращения сечение устройства с Фиг.12-13, демонстрируя эксцентрическое взаиморасположение вращающейся внутренней части и корпуса, с Фиг.14В, иллюстрирующим сечение, параллельное оси вращения.
Фиг.15А показывает ортогональное по отношению к оси вращения сечение устройства с Фиг.12-13, демонстрируя концентрическое взаиморасположение вращающейся внутренней части и корпуса с закрепленной на корпусе аэрирующей мембраной и профилированной поверхностью вращающейся внутренней части (то есть цилиндра); Фиг.15В иллюстрирует сечение, параллельное оси вращения.
Фиг.16 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в новом мембранном устройстве В-типа II с мембраной, установленной на неподвижном корпусе.
Фиг.17 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в мембранном устройстве типа II при тех же условиях, что и с устройством В-типа I.
Фиг.18 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в обычном роторно-статорном устройстве при тех же условиях, что и с устройствами В-типа I и II.
Фиг.19 - график, демонстрирующий функциональную зависимость среднего диаметра пузырьков x50,0 (средняя величина распределения объема пузырьков, q3(x)) как функции диспергированного газа при 30 объемных долях для модельной рецептуры NDA-1, подвергнутой аэрации с помощью двух различных воплощений способа: мембранного способа/устройства с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре (В-тип I), и мембранного способа/устройства с мембраной, закрепленной на корпусе, и вращающимся внутренним сплошным цилиндром с гладкой поверхностью (В-тип II); условия: рецептура NDA-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250).
Фиг.20 - график, демонстрирующий функциональную зависимость среднего диаметра пузырьков x50,0 (средняя величина распределения объема пузырьков, q3(x)) как функции объемной плотности энергии (энергия, подводимая к единице объема жидкости) для непрерывной текучей жидкофазной рецептуры NMF-2 (2а и 2b сопоставимы) аэрированной двумя различными способами: обычным, с использованием роторно-статорного смесителя с входящими в зацепление штифтами, обеспечивающим поток с турбулентными характеристиками (А), и новым мембранным способом/устройством с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре (В-тип I).
Фиг.21 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (распределение плотности) после дисперсионной обработки в новом мембранном устройстве с мембраной, установленной на неподвижном внешнем корпусе, и с вращающимся внутренним цилиндром с профилированной поверхностью (условия: рецептура NDA-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250, объемная доля газа 0,5).
Осуществление изобретения
В описании ниже применяется ряд определений, используемых для определения изобретения и понимания его элементов новизны.
Термин «термический удар» для целей настоящего изобретения означает изменение в состоянии пены от твердого до жидкого или полужидкого состояния, или наоборот, вызываемого нагреванием от температуры, при которой матрица является замороженной, к температуре, при которой матрица становится жидкой или полужидкой, или охлаждением от температуры, при которой матрица является жидкостью, к температуре, при которой матрица оказывается замороженной или твердой.
Термин «устойчивость к термическому удару» для целей настоящего изобретения означает способность пены сохранять стабильность, когда она подвергается одному или нескольким явлениям термических ударов. Как правило, это означает, что пена по существу сохраняет размер пузырьков и распределение размера пузырьков после воздействия термического удара, то есть пузырьки не сливаются и структура пены не ухудшается.
Настоящее изобретение относится к новой многофункциональной устойчивой пене, а также к способам изготовления такой пены и к продуктам, включающим или содержащим новую пену. Данная пена является уникальной композицией газовых пузырьков в матрице, добавление к которой некоторых дополнительных компонентов приводит к новой и уникальной ламеллярной кейдж-структуре, способствующей стабилизации пузырьков в пене.
В зависимости от желательного применения пены, могут использоваться пузырьки, приготовленные из любого газа. Для большинства применений газовые пузырьки готовятся из воздуха, но если желательно, газ может быть любым, являющимся инертным или по меньшей мере нереакционноспособным по отношению к жидкости матрицы и к предполагаемым для включения в матрицу или пену компонентам. Обычно предпочитаются, например, азот, кислород, аргон, двуокись азота или их смеси, хотя для отдельных применений пены могут использоваться водород, гелий или другие подобные газы. Мелкие пузырьки пены присутствуют в жидкой матрице, содержащей некоторые полезные добавки, которые поддерживают и сохраняют структуру пены, невзирая на воздействие различных температур в пределах от тех, которые вызывают замораживание матрицы, до тех которые вызывают ее нагревание лишь чуть ниже точки кипения матрицы.
Жидкость, используемая для получения матрицы пены, может также широко изменяться в зависимости от желательного типа пены и ее конечного применения. Самой широко распространенной и удобной для этих целей жидкостью является вода, хотя может использоваться и любая другая жидкость, которая является полярной и нереакционноспособной по отношению к газовым пузырькам и составным частям матрицы. Поскольку основным применением пены должна быть сфера потребления, газ и жидкость должны быть нетоксичными для употребления человеком.
Матрица обычно содержит жидкость и включает структурирующий агент, который образует ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру без образования геля, придающего пене каучукоподобную текстуру. Ламеллярная кейдж-структура захватывает по меньшей мере существенную часть газовых пузырьков и жидкой матрицы с тем, чтобы удерживать пузырьки газа и жидкость в достаточно плотной структуре, которая по существу предотвращает дренаж жидкой матрицы и слияние и расслоение пузырьков газа для обеспечения стабильности пены даже в случаях, когда пена подвергается многократным термическим ударам.
Выражение «по существу, предотвращает дренаж» для целей настоящего изобретения означает, что из пены при выдерживании ее в контейнере в течение 24 часов при температуре окружающей среды истекает не более 5% жидкости. Также выражение «по существу сохраняет стабильность» означает, что пена может быть подвергнута одному или большему количеству резких температурных колебаний в форме термического удара без утраты своей структуры. Это означает, что пена может быть заморожена, расплавлена или перетоплена с сохранением своей структуры. Например, для продукта в виде мороженого, которое является предпочтительным воплощением изобретения, это означает, что продукт может подвергаться замораживанию и повторному замораживанию без образования кристаллов льда таких размеров, которые могли бы придавать продукту неприятные качества.
Жидкая матрица предпочтительно содержит полярную жидкость, газ является азотом, кислородом, аргоном, двуокисью азота или их смесями, газовые пузырьки имеют достаточно малый средний диаметр и расположение в ламеллярной кейдж-структуре достаточно тесное, чтобы при воздействии на пену температур ниже температуры замерзания жидкой матрицы препятствовать образованию в жидкой матрице замороженных кристаллов со средними диаметрами X50,0 в 50 мкм или более. Предпочтительно жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом, газовые пузырьки имеют средний диаметр Х50,0, составляющий менее 30 мкм, и располагаются с промежутками менее 30 мкм, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 5. Более предпочтительно газовые пузырьки имеют средний диаметр Х50,0, составляющий менее 15 мкм, и расположены с промежутками менее 15 мкм, а пена имеет коэффициент распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3,5 и, более конкретно, между 2 и 3.
Подходящий структурирующий агент, как правило, содержит амфифильное соединение или материал, который включает гидрофобные и набухающие гидрофильные участки, которые образуют ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру.
Структурирующий агент часто является эмульгатором, который присутствует в количестве от около 0,05 до 2,5 мас.% от массы жидкой матрицы. Предпочтительный структурирующий агент содержит термически, физико-химически (то есть с применением к молекулам «обработки заряда»: явно выраженный суммарный заряд при нейтральном рН перед этапом нагревания и нейтрализация зарядов при пониженном рН и/или посредством увеличения содержания ионов солей перед взбиванием) или механически предварительно обработанный полиэфир глицерина и жирных кислот ("PGE") и присутствует в количестве от около 0,1 до 1,5 мас.% от жидкой матрицы. Эфир обрабатывается для обеспечения улучшений ламеллярной/пузырьковой кейдж-структуры, направленных на удерживание в ней газовых пузырьков и жидкой матрицы, и такая обработка особенно полезна, когда требуется или желательна пена из очень мелких пузырьков газа. Это может обеспечиваться добавлением способствующего набуханию вещества, такого как неэтерифицированные жирные кислоты, которые вызывают набухание слоев и образование крупных пор.
Другие подходящие структурирующие агенты включают стабилизаторы и обычные эмульгаторы, при этом любое выбранное из этого широкого многообразия вещество может использоваться как индивидуально, так и в различных комбинациях. Количество эмульгатора не является критическим, но, как правило, удерживается на относительно низком уровне. Предпочтительным является PGE, поскольку обладает контролируемой степенью набухания, что делает возможным управление образованием кейдж-структуры до уровня, желательного для выбранного размера пузырьков и предполагаемого применения пены. Поскольку регулируемыми в отношении обеспечения различных взаимодействий заряженных молекул в межслойном пространстве (добавлением жирных кислот, соли и/или понижением рН) могут быть и другие эмульгаторы, на основе стандартных испытаний может быть подобран ряд других подходящих эмульгаторов, например, моно- или триглицериды. Также стандартным образом могут определяться и относительные количества, однако в целом было найдено, что используемые количества должны быть выше количеств в существующих пищевых продуктах, таких как мороженое, поскольку эмульгатор и обволакивает газовые пузырьки, и обеспечивает ламеллярную/пузырьковую структуру каркаса.
Жидкая матрица может включать загуститель для обеспечения вязкости достаточной для обеспечения сохранения в пене между пузырьками. Этот компонент может быть любым из множества загустителей, известных по применению с определенными, выбираемыми для пены, жидкостями. Когда матричная жидкость является водой, у специалиста в данной области имеется множество пригодных для выбора соединений. Загуститель может быть углеводом в количестве от около 5 до 45 мас.% от жидкой матрицы, растительным или молочным белком в количестве от около 5 до 20 мас.% от жидкой матрицы, полисахаридом в количестве от около 0,1 до 2 мас.% от жидкой матрицы или их смесью. Более конкретно, углевод в случае присутствия может быть сахарозой, глюкозой, фруктозой, кукурузной патокой, лактозой, мальтозой или галактозой и присутствовать в количестве от около 20 до 35 мас.% от жидкой матрицы, растительный или молочный белок в случае присутствия может быть соевым, сывороточным или молочным белком в количестве от около 10 до 15 мас.% от жидкой матрицы, а полисахарид в случае присутствия может быть стабилизатором, таким как галактоманнан или гуаровая камедь, камедь плодоворожкового дерева, каррагенан или ксантановая камедь в количестве от около 0,2 до 1,25 мас.% от жидкой матрицы. Для этих целей могут применяться и другие, упоминаемые здесь далее вещества. В некоторых воплощениях предпочтительной является комбинация эмульгатора и стабилизатора.
Другое воплощение изобретения относится к твердым пенам описанных здесь типов, которые выдерживаются при температуре ниже вызывающей затвердевание или замерзание жидкой матрицы. Как ни удивительно, пена имеет достаточно малый размер пузырьков и такое распределение их по размерам, что затвердевшая или замороженная матрица не включает замороженные кристаллы жидкости, имеющие средний диаметр Х50,0 в 50 мкм или более, и, кроме того, пена остается устойчивой после многократных термических ударов.
Другое воплощение изобретения относится к способу создания устойчивой пены, содержащей газ и жидкую матрицу, газовые пузырьки и структурирующий агент, образующий ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру, которая удерживает в себе по меньшей мере существенную часть газовых пузырьков и жидкой матрицы. Этот способ в целом включает этапы обеспечения в жидкой матрице при рН 6-8, обладающего свойствами амфифильного агента кристаллического соединения или материала, включающего гидрофобные и гидрофильные части, добавления к жидкой матрице вещества, способствующего набуханию, при нагревании в течение некоторого времени и при температуре, достаточной для расплавления кристаллического соединения или материала и обеспечения раствора жидкой матрицы, вещества, способствующего набуханию, и гидрофобных и набухших гидрофильных частей амфифильного агента, которые образуют слои или пузырьки кейдж-структуры, гомогенизирования раствора при условиях, достаточных для диспергирования слоев/пузырьков кейдж-структуры, охлаждения гомогенизированного раствора до температуры ниже окружающей для фиксации слоев/пузырьков в кейдж-структуре без образования геля, придающего каучукоподобную текстуру, и обеспечения пузырьков воздуха в растворе. Таким образом, ламеллярная кейдж-структура захватывает по меньшей мере существенную часть газовых пузырьков и жидкой матрицы с тем, чтобы удерживать пузырьки газа и жидкость в достаточно плотной структуре, которая по существу предотвращает дренаж жидкой матрицы и слияние и расслоение пузырьков газа для приготовления стабильной пены, которая сохраняет стабильность даже в случаях, когда подвергается многократным термическим ударам.
Перед добавлением амфифильного агента рН деионизированной жидкой матрицы предпочтительно регулируется до нейтрального значения (приблизительно 7), а затем раствор нагревается до температуры от выше 65°С до 95°С в течение времени около 20-85 секунд. Это помогает растворению амфифильного агента в жидкой матрице. В случае сочетания с этапом пастеризации продолжительность времени выдерживания при соответствующей температуре соразмерно регулируется от около 25 минут при 65°С до 30 секунд при 85°С. Амфифильный агент обычно содержит поверхностно-активное вещество или, конкретнее, эмульгатор, и присутствует в количестве от около 0,1 до 2 мас.% от жидкой матрицы, а вещество, способствующее набуханию, обычно является материалом, совместимым с амфифильным агентом и вызывающим набухание агента. Для модельного эмульгатора PGE (полиэфир глицерина и жирных кислот), способствующее набуханию вещество, содержит неэтерифицированные жирные кислоты, которые являются растворимыми или диспергируемыми в жидкой матрице, и это вещество также добавляется в количестве между около 0,1 и 2 мас.% от жидкой матрицы. При рН 7 большинство жирных кислот находится в апротонном состоянии и имеет общий заряд, поддерживающий эффект набухания.
Гомогенизация может быть гомогенизацией высокого давления, проводимой при 125-225 барах и температуре от около 60°С до 95°С, после которой гомогенизированный раствор охлаждается до температуры ниже около 10°С, но без замораживания жидкой матрицы, на период времени между 4 и 20 часами. После этого охлажденный раствор может быть подвергнут дальнейшей обработке для снижения рН до значений между 2 и 4,5 и/или добавления соли перед аэрированием охлажденного раствора для получения пены.
Жидкая матрица, как правило, содержит полярную жидкость, свободную от ионов соли, и возможно включает загуститель в количестве, достаточном для обеспечения увеличенной вязкости жидкой матрицы, в целях способствования удержанию матрицы и пузырьков в ламеллярной/пузырьковой кейдж-структуре. Одна жидкая матрица содержит деионизированную воду, а модификатор вязкости может быть любым из конкретно здесь упоминаемых. Модификатор вязкости, как правило, прибавляется к деионизированной воде при нейтральном рН и с умеренным нагреванием до температуры от около 30°С до 50°С до добавления амфифильного материала или соединения.
Газовые пузырьки, как правило, являются азотом, кислородом, аргоном, двуокисью азота или их смесью и обеспечиваются в растворе с помощью механизма для взбивания или введением через пористую мембрану. Для получения пузырьков газа со средним диаметром газового пузырька Х50,0 менее 10 мкм и имеющих узкое распределение размера пузырьков газа с величиной коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3,5, газовые пузырьки могут обеспечиваться в растворе с помощью вращающейся мембраны со средним диаметром пор в 6 мкм, которой приданы такие форма, размеры, расположение и характер движения, чтобы отделять газовые пузырьки данного размера от поверхности мембраны, на которой они образуются из проходящего через мембрану газового потока, и захватывать их жидкой матрицей. Наконец, для получения пузырьков газа со средним диаметром газового пузырька Х50,0 менее 7,5 мкм и узким распределением размера пузырьков газа с величиной коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3,5. Такие газовые пузырьки могут обеспечиваться в растворе с помощью мембраны со средним диаметром пор в 6 мкм, которой придана форма закрытого неподвижного цилиндра с вводимым в цилиндр снаружи газом для образования пузырьков газа на внутренней поверхности мембраны и жидкой матрицей, омывающей внутреннюю поверхность мембраны, и которая в конечном счете поддерживается вращающимся цилиндром без мембраны, размещенным концентрически или эксцентрически внутри цилиндра из мембраны для отделения пузырьков газа.
Как отмечалось выше, предпочтительным продуктом является твердая пена, и она может быть получена затвердеванием жидкой матрицы при выдерживании ее при температуре ниже той, которая вызывает затвердевание или замерзание жидкой матрицы. Как ни удивительно, затвердевшая или замороженная матрица не включает замороженные кристаллы жидкости, имеющие средний диаметр Х50,0 в 50 мкм или более и, кроме того, пена остается устойчивой без значительных изменений в распределениях по размерам пузырьков газа и кристаллов льда после многократных термических ударов. Это может быть обеспечено при добавлении к деионизированной жидкой матрице загустителя или без него, хотя загуститель предпочтителен и по другим причинам, которые станут ясны из следующего подробного описания.
Предпочтительным загустителем является сахар, так как одно из основных применений для пены изобретения находится в области продовольственных или фармацевтических потребительских товаров. В дополнение к увеличению вязкости матрицы, сахар придает пене привлекательный и желательный вкус. Может использоваться любой обычный сахарный компонент, поскольку не имеется никакой критичности в отношении какого-либо определенного типа. При использовании полисахарида предпочтительной является камедь. Подходящие камеди включают гуаровую камедь, камедь бобов рожкового дерева, ксантановую камедь, пектин или каррагинан.
Было найдено, что микроструктура пены включает образованный эмульгатором ламеллярный или пузырьковый «каркас» или «клеточную» структуру, в котором пузырьки оказываются в захваченном состоянии. Каркас является достаточно гибким для того, чтобы удерживать свою ориентацию и структуру, невзирая на нагревание и охлаждение матрицы. Кроме того, эта кейдж-структура не зависит непосредственно от вязкости матрицы, вследствие чего специалист в данной области обеспечивается рядом возможностей при выборе композиции пены для конкретного конечного применения.
Одно воплощение относится к получению устойчивых нанопен, которые имеют низкую стоимость и высокую пригодность для многих различных пищевых продуктов. В замороженном состоянии такая пена препятствует образованию и росту кристаллов льда. Такие пены имеют низкую стоимость вследствие небольшого количества обычных ингредиентов. Если желательно, такая пена может быть безаллергенной (то есть не содержать никаких белковых или молочных компонентов) и/или может иметь низкую калорийность с небольшим количеством или отсутствием жиров. Пена также обеспечивает гладкое, кремообразное вкусовое впечатление с желательным высвобождением вкусоароматических компонентов.
Такие пены являются относительно несложными в производстве и стойкими в хранении при комнатной температуре. Они имеют ровное поведение при таянии с чистым и свежим вкусовым высвобождением. Благодаря исключению молочных ингредиентов, гигиенический риск невелик.
Ключевая особенность настоящей пены - ее способность удерживать очень мелкие гомогенные пузырьки от микронных до наноразмеров, которые производят во рту потребителя эффект, подобный действию шарикоподшипников, обеспечивая однородность и смазку, приводящие к очень сливочному вкусовому впечатлению, несмотря на отсутствие жира. Это раскрывает новые, недоступные ранее рубежи в производстве «продуктов для здорового питания»,
Структурирующий агент может присутствовать в пене индивидуально или в комбинации со стабилизатором. В регулировании вязкости, обеспечении вкусового впечатления и улучшении взбиваемости (способности к насыщению газами), обеспечении защитного коллоида для придания белкам устойчивости к тепловой обработке, химическом модифицировании жировых поверхностей для минимизации расслоения, обеспечении устойчивости белковых композиций к действию кислот и повышении стабильности при многократном замораживании особенно эффективны стабилизаторы на основе камедей с эмульгаторами. Камеди могут классифицироваться как нейтральные и кислые, с линейной и разветвленной молекулярной цепочкой, гелеобразующие и не образующие гелей. Основные камеди, которые могут использоваться, представлены камедью карайи, камедью бобов рожкового дерева, ксантановой, гуаровой, камедью тары, каррагинаном, пектином и карбоксиметилцеллюлозой.
В целом композиции пены изобретения могут использоваться для производства множества различных съедобных и непищевых продуктов. При превращении в пищевые продукты или в композицию напитка пена может естественным образом подслащиваться. Натуральные источники сладкого вкуса включают сахарозу (жидкую или в твердом виде), глюкозу, фруктозу и кукурузную патоку (в жидком или твердом виде). Другие подслащивающие вещества включают лактозу, мальтозу и галактозу. Уровни содержания сахаров и источников сахара предпочтительно приводят к уровням содержания сахара в твердом виде вплоть до 20 мас.%, предпочтительно от 5 до 18 мас.%, особенно предпочтительно от 10 до 17 мас.%.
Если желательно применение искусственных подслащивающих веществ, возможно использование любого из известных в данной области искусственных подсластителей, таких как аспартам, сахарин, алитам® (производства Pfizer), ацесульфам калия (производства Hoechst), цикламаты, неотам, сукралоза и т.п. В случае их применения предпочтительным является аспартам.
Если желательно, могут использоваться глицерин или антифризные белки для контролирования образования льда в пенах, имеющих более значительные величины размера пузырьков и распределения пузырьков по размерам. Может также применяться сорбит, но предпочтительным является глицерин. Глицерин может использоваться в количестве от около 1% до 5%, предпочтительно от 2,5% до 4,0%. Антифризные белки (AFP) могут использоваться в концентрациях количества частей на миллион (ч./млн). Эти компоненты не нужны, когда в пену включаются пузырьки предпочтительно мелких размеров (или нанопузырьки).
Предпочтительно к продукту добавляются ароматизаторы, но только в количествах, придающих мягкий, приятный аромат. Ароматизатор может быть любым из коммерческих используемых в мороженом ароматизаторов, таких как какао различных типов, чистая ваниль или искусственный ароматизатор, такой как ванилин, этилванилин, шоколад, экстракты, специи и т.п. Далее будет понятно, что много ароматических вариантов может быть получено объединением основных ароматов. Кондитерские композиции ароматизируются для придания им вкуса упомянутым выше образом. Подходящие вкусоароматические добавки могут также включать приправы, такие как соль и имитации фруктовых или шоколадного ароматов как отдельно, так и в любой подходящей комбинации, при этом в случае добавок соли она должна прибавляться после нагревания и последующего охлаждения, но до вспенивания. Также во вспененные продукты изобретения могут включаться ароматизаторы, маскирующие посторонние привкусы от витаминов и/или минеральных веществ и других ингредиентов. Для придания аромата может также применяться порошок солода.
По желанию, могут применяться консервирующие средства, такие как полисорбат 80, полисорбат 65 и сорбат калия. Кальций предпочтительно присутствует в композиции в количествах от 10% до 30% от суточной рекомендуемой дозы, особенно предпочтительно - около 25% суточной рекомендуемой дозы. Предпочтительным источником кальция является трикальцийфосфат. Например, массовые процентные уровни трикальцийфосфата могут находиться в диапазоне от 0,5 до 1,5%. В одном предпочтительном воплощении в дополнение к трикальцийфосфату, используемому в качестве источника кальция, продукт обогащен одним или несколькими видами витаминов, и/или минеральными веществами, и/или источниками волокон. Они могут включать любое из нижеперечисленного: аскорбиновую кислоту (витамин С), ацетат токоферола (витамин Е), биотин (витамин Н), пальмитат витамина А, никотинамид (витамин В3), йодистый калий, d-пантотенат кальция (витамин В5), цианокобаламин (витамин В12), рибофлавин (витамин В2), мононитрат тиамина (витамин В1), молибден, хром, селен, карбонат кальция, лактат кальция, марганец (в виде сульфата марганца), железо (в виде ортофосфата трехвалентного железа) и цинк (в виде окиси цинка). Витамины предпочтительно присутствуют в количестве от 5 до 20% суточной рекомендуемой дозы, особенно предпочтительно - от около 15% суточной рекомендуемой дозы. Предпочтительно источники волокон присутствуют в продукте в количестве более 0,5 мас.% и не превышают 6 мас.%, особенно предпочтительно содержание в 5 мас.%. Некоторые из витаминов и/или минеральных веществ могут добавляться к замороженным кондитерским смесям, тогда как другие могут включаться в ингредиенты дополнений, таких как вафли, модифицирующие вкус и внешний вид добавки, а также в подливки.
Композиции пены по изобретению могут также содержать функциональный ингредиент. Термин «функциональный ингредиент» для целей настоящего изобретения включает физиологически или фармакологически активные вещества, предназначаемые для применения в терапии, профилактике, диагностике, лечении или ослаблении проявлений заболевания или недомогания, а также вещества, которые обеспечивают животному при потреблении некоторую степень питательной или терапевтической пользы. Более конкретно термин «функциональный ингредиент» отсылается к определению Европейского отделения Международного института биологических наук (ISLI), в котором формулируется, что функциональный продукт питания рассматривается в качестве «функционального», если, помимо надлежащего питательного действия определенной степени, удовлетворительно демонстрируется его способность благотворно влиять на одну или более целевых функций организма, что проявляется или в улучшении состояния здоровья и самочувствия и/или в снижении риска заболеваний (научное понятие функциональных пищевых продуктов в Европе: Consensus Document, British Journal of Nutrition, том 80, приложение 1, август 1998 г.). Неограничивающие примеры включают лекарственные препараты, растительные экстракты, ферменты, гормоны, белки, полипептиды, антигены, питательные добавки, такие как жирные кислоты, антиоксиданты, витамины, минеральные вещества, а также другие фармацевтически или терапевтически полезные соединения. Функциональные ингредиенты могут включать ингредиенты, обладающие активным действием в области зубной или медицинской гигиены, в обеспечении здорового состояния костей, способствовании пищеварению, оказании защитного действия на кишечник, в области общего питания, снятия стресса и т.д.
Другим предпочтительным компонентом композиции пены изобретения является питательный компонент. Термин «питательный компонент» для целей настоящего изобретения относится к веществу, которое оказывает физиологическое воздействие на животное или млекопитающее. В основном питательные компоненты удовлетворяет определенной физиологической функции или способствуют здоровью и хорошему самочувствию потребителя. Определенные питательные компоненты включают растительные экстракты, витамины, минеральные вещества, наполнители или другие удовлетворяющие пищевые потребности компоненты.
Взаимозаменяемо используемые здесь термины «растительный экстракт» и «растительный» относятся к веществу, получаемому из растительного источника. Неограничивающие примеры могут включать эхинацею, элеутерококк, гингко билоба, орех кола, желтокорень канадский, готу кола, китайский лимонник, бузину, зверобой, валериану и эфедру.
Эта добавка может быть представлена пробиотическими бактериями, поскольку они уже используются для терапии иммунных состояний, а также для профилактики или подавления вызываемой патогенными бактериями диареи.
Питательный компонент может быть одним или несколькими питательными или минеральными веществами, выбранными из группы, состоящей из витамина Е, витамина С, витамина В6, фолиевой кислоты, витамина В12, меди, цинка, селена, кальция, фосфора, магния, железа, витамина А, витамина В1, витамина В2, никотиновой кислоты и витамина D. Включены могут быть любой из них или все эти минеральные или питательные вещества.
В качестве наполнителя или источника волокон пищевой продукт изобретения может включать полидекстрозу или олигосахариды фруктозы, такие как инулин, предпочтительно включаемые в количествах от 1 до 10 мас.%, особенно предпочтительно - от 1 до 6 мас.%.
Термин «лекарственный компонент» для целей настоящего изобретения относится к фармакологически активному веществу, которое проявляет местное или системное действие или действия на животное или млекопитающее.
Лекарственный компонент может быть биологически активным компонентом любого типа, который не вступает в реакцию или иным образом не ухудшает пену. Для определения совместимости может быть проведено простое контактное испытание. Средство будет находиться в зависимости от того, предназначается ли система доставки для проглатывания, местного применения или имплантации, такой как использование инъекций или суппозиториев. Активные компоненты, которые признаются несовместимыми с пеной, могут быть заключены в оболочку, или инкапсулированы, или обработаны иным образом для предотвращения непосредственного контактирования активного компонента с пеной по меньшей мере до тех пор, пока к ним не будет применена система доставки или они не будут введены субъекту.
Косметический компонент может быть любым активным ингредиентом или комбинацией ингредиентов, которые применяются местным способом к коже или слизистой животного или млекопитающего для введения лекарственного компонента, или оказания благотворного воздействия, или усиления благотворного воздействия на животное или млекопитающее.
Ароматический компонент может быть ароматизатором или усиливающим вкус компонентом любого типа, или компонентом любого типа, придающим хорошо воспринимаемые ароматические характеристики системе доставки.
При использовании для описания компонента термина «специфическая функциональность» подразумевается, что компонент обладает некоторым признаком, свойством или функцией, которые в ином случае не обеспечиваются самой пеной. Одним их таких компонентов является краситель или другой придающий окрашивание компонент. Например, когда пена предназначается для потребления в пищу, специфическая функциональность может быть представлена вкусоароматической добавкой, съедобным включением, другой улучшающей органолептические качества составляющей. Для фармацевтических систем доставки специфическая функциональность может быть материалом, который вызывает отсроченное или замедленное высвобождение активной добавки. Когда пена предназначается для непотребительского применения, специфическая функциональность может быть представлена соединением, придающим огнестойкость. Специалист в данной области может выбрать компоненты, которые обеспечивают желательную функциональность для любой конкретной системы доставки, исходя из предназначаемой для введения добавки.
Добавка также может быть биополимером или биоинженерной композицией, такими как, например, обеспечивающие замедленное или отсроченное высвобождение лекарственных или питательных компонентов. Предпочтительно эта добавка является добавкой, подверженный биологическому разложению в организме, например полимером PLGA (сополимер молочной и гликолевой кислот).
Добавка также может быть доставляемым системой неорганическим компонентом, придающим звукопоглощающие свойства. Типичные неорганические компоненты включают стеклянные, глинистые или керамические частицы или волокна, которые прибавляются в количествах, подходящих для достижения желательного звукоизолирующего или звукопоглощающего эффекта. Система доставки, как правило, готовится с вязкостью, содействующей перекачиванию или течению жидкости, либо она может нагреваться для перевода в текучее состояние, которое впоследствии поддается отверждению или замораживанию после доставки в место размещения.
Форма добавки не является критически важной для изобретения. Может применяться газообразная добавка, но она должна быть растворимой в жидкой матрице или способной к включению в составляющий пузырьки газ. Предпочтительно добавка находится в твердом или жидком виде. Как правило, добавка представляет собой жидкие капли, которые могут смешиваться с жидкой матрицей. Если желательно, с представляющей непрерывную фазу жидкой матрицей могут использоваться липосомы, эмульсионные компоненты или другие мицеллы. В качестве варианта добавка может быть представлена частицами, то есть твердым материалом или композиционным материалом из твердого вещества или жидкости, заключенных в оболочку из твердого или полутвердого вещества. Эти капельки или частицы могут быть растворимыми так, чтобы полностью или частично растворяться в жидкой матрице, либо они могут быть нерастворимыми и суспендироваться в матрице до или после образования пены. Предпочтительно добавка присутствует в жидкости или в газе и вводится в систему доставки до образования пены.
Пена по изобретению может также использоваться в качестве системы доставки для композиции напитка. Для целей настоящего изобретения термин «композиция напитка» обозначает композицию, которая имеет одинарную крепость и является готовой к употреблению, то есть годной для питья.
В зависимости от их рецептуры, пищевые или питьевые продукты изобретения могут быть разработаны для обеспечения прилива и поддержания энергии и умственной активности, а также для питания потребителя. Кроме того, возможно и предпочтительно композиции обеспечивают сытость и/или ощущение освежения. Настоящие композиции, содержащие пену и смесь одного или нескольких углеводов, одного молочного белка, одного натурального источника кофеина, витаминный премикс и, возможно, ароматизатор, краситель и антиоксидант, удивительным образом обеспечивают такой прилив и поддержание энергии, и умственную активность.
Углеводы могут быть смесью одного или нескольких моносахаридов или дисахаридов и предпочтительно находиться в комбинации с одним или несколькими сложными углеводами. При выборе эффективных для применения в настоящих композициях углеводов и уровней их содержания важно, чтобы выбранные углеводы и их уровни допускали скорость переваривания и кишечного всасывания, достаточную для того, чтобы обеспечивать стабильное поддержание уровня глюкозы, которая, в свою очередь, обеспечивает энергию и активность потребителя.
Было обнаружено, что моносахариды и дисахариды обеспечивают непосредственное поступление энергии потребителю, в то время как сложные углеводные компоненты гидролизуются в пищеварительном тракте для обеспечения более позднего или отсроченного и постоянного подвода энергии потребителю. Как здесь также излагается, введение одного или нескольких стимуляторов и/или растительных фитохимических компонентов усиливает этот внутренний отклик. Соответственно, как здесь будет далее обсуждено более подробно, особенно предпочтительно, чтобы в композиции для оптимизации поддержания энергии и умственной активности обеспечивались один или несколько стимуляторов и/или растительных фитохимических компонентов.
Неограничивающие примеры моносахаридов, которые могут здесь применяться, включают сорбит, маннит, эритрозу, треозу, рибозу, арабинозу, ксилозу, ксилит, рибулозу, глюкозу, галактозу, маннозу, фруктозу и сорбозу. Предпочтительные для применения здесь моносахариды включают глюкозу и фруктозу, наиболее предпочтительно - глюкозу. В качестве источника непосредственной энергии могут использоваться дисахариды. Неограничивающие примеры пригодных к применению здесь моносахаридов включают сорбит, маннит, эритрозу, треозу, рибозу, арабинозу, ксилозу, ксилит, рибулозу, глюкозу, галактозу, маннозу, фруктозу и сорбозу. Они могут добавляться в случаях, если еще не присутствуют в матрице пены для обеспечения вкуса или энергии.
Применяемым здесь сложным углеводом является олигосахарид, полисахарид и/или углеводное производное, предпочтительно олигосахарид и/или полисахарид. Для целей настоящего изобретения термин «олигосахарид» означает усвояемую линейную молекулу, имеющую от 3 до 9 моносахаридных единиц, в которой единицы ковалентно связаны по гликозидным связям. Для целей настоящего изобретения термин «полисахарид» означает усвояемую (то есть поддающуюся метаболизированию человеческим организмом) макромолекулу, имеющую более 9 моносахаридных единиц, в которой единицы ковалентно связаны по гликозидным связям. Полисахариды могут быть линейными или разветвленными. Предпочтительно полисахарид имеет от 9 до около 20 моносахаридных единиц.
В качестве сложного углевода здесь также могут применяться углеводные производные, такие как многоатомные спирты (например, глицерин). Для целей настоящего изобретения термин «усвояемый» означает поддающийся метаболизированию продуцируемыми человеческим организмом ферментами.
Примеры предпочтительных сложных углеводов включают рафинозы, стахиозы, мальтотриозы, мальтотетраозы, гликогены, амилозы, амилопектины, полидекстрозы и мальтодекстрины. Наиболее предпочтительные сложные углеводы являются мальтодекстринами.
Мальтодекстрины представляют форму сложной углеводной молекулы, содержащей на протяжении своей длины несколько глюкозных остатков. Мальтодекстрины гидролизуются в пищеварительном тракте в глюкозу, где они обеспечивают источник глюкозы пролонгированного действия. Мальтодекстрины могут быть подвергнутыми распылительной сушке углеводными ингредиентами, полученными направленным гидролизом кукурузного крахмала.
Белковый источник может быть выбран из множества материалов, включая без ограничения молочный белок, сывороточный белок, казеинат, соевый белок, яичные белки, желатин, коллаген, гидролизаты белка и их комбинации. В белковый источник включаются не содержащее лактозы обезжиренное молоко, изолят молочного белка и изолят сывороточного белка. Также рассматривается использование с настоящими композициями соевого молока. Для целей настоящего изобретения соевое молоко относится к жидкости, получаемой измельчением лущеных соевых бобов, смешиванием их с водой, варкой и выделением растворенного соевого молока из бобов.
При желании, продукты из пены настоящего изобретения могут, кроме того, содержать обеспечивающий умственную активность стимулятор. Включение одного или нескольких стимуляторов служит для обеспечения дальнейшего поддержания поступления энергии пользователю с помощью ассоциированного с потреблением композиции торможения гликемической реакции, посредством вызывания метаболической альтерации утилизации глюкозы, непосредственным стимулированием мозга транслокацией через гематоэнцефалический барьер или действием других механизмов. Поскольку один или несколько стимуляторов вносят вклад в прилив и, в особенности, в поддержание энергии при потреблении композиции, включение одного или нескольких стимуляторов является особенно предпочтительным воплощением настоящего изобретения.
Как хорошо известно в данной области, стимуляторы могут быть получены экстракцией из натурального источника или могут быть произведены искусственным образом. Неограничивающие примеры стимуляторов включают метилксантины, например кофеин, теобромин и теофиллин. Кроме того, было выделено или синтезировано множество других производных ксантина, которые могут здесь применяться в композициях в качестве стимулятора. См. например. Biochemical Pharmacology, том 30, стр.325-333 (1981). Предпочтительно использование натуральных источников этих веществ.
Предпочтительно один или несколько из этих стимуляторов обеспечиваются кофе, чаем, орехом кола, плодами дерева какао, парагвайским чайным деревом, рвотным чаем, пастой из гуараны и деревом йоко. Натуральные растительные экстракты являются наиболее предпочтительными источниками стимуляторов, поскольку они могут содержать другие соединения, которые сдерживают биологическую доступность стимуляторов так, что те могут обеспечивать восстановление умственных способностей и активности без проявлений напряженных состояний или повышения возбудимости.
Наиболее предпочтительным метилксантином является кофеин. Кофеин может быть получен из вышеупомянутых растений и их остатков или, в качестве варианта, может синтезироваться искусственно. Предпочтительные растительные источники кофеина, которые могут применяться в качестве исчерпывающего или частичного источника кофеина, включают экстракт зеленого чая, гуарану, экстракт парагвайского чайного дерева, черный чай, орехи колы, какао и кофе. Для целей настоящего изобретения экстракт зеленого чая, гуарана, кофе и экстракт парагвайского чайного дерева являются наиболее предпочтительными растительными источниками кофеина, из них наиболее предпочтительными являются экстракт зеленого чая и экстракт парагвайского чайного дерева. Помимо представления в качестве источника кофеина, экстракт зеленого чая имеет дополнительное преимущество в том, что он является флаванолом, что будет обсуждено далее. Экстракт парагвайского чайного дерева может оказывать дополнительную пользу, обладая подавляющим аппетит действием, и может включаться для использования также и в этих целях.
Экстракт зеленого чая может быть получен экстракцией неферментированных чаев, ферментированных чаев, частично ферментированных чаев и их смесей. Предпочтительно экстракты чая получаются экстракцией неферментированных и частично ферментированных чаев. Наиболее предпочтительные чайные экстракты получаются из зеленого чая. В настоящем изобретении могут использоваться как горячие, так и холодные экстракты. Подходящие способы получения чайных экстрактов хорошо известны. См. например, Ekanavake, патент US №5879733, Tsai, патент US №4935256, Lunder, патент US №4680193 и Creswick, патент US №4668525.
Предпочтительно экстракт зеленого чая и экстракт парагвайского чайного дерева присутствуют в относительно малых количествах между около 0,1 и около 0,4% и между около 0,1 и около 0,5% соответственно. Более предпочтительно они присутствуют в количествах между около 0,15 и около 0,35% и между около 0,15 и 0,25% соответственно. В то время как более значительные количества обеспечивают большее стимулирование, они также придают напитку менее желательный вкус. Это может быть скомпенсировано добавлением более значительных количеств углевода или добавлением искусственного подслащивающего вещества с тем, чтобы сделать конечный вкус напитка более приятным.
Вместо того, чтобы разрабатываться исключительно в качестве пищевой композиции или композиции напитка per se, пена по изобретению также может добавляться как покрывающий (топпинг) или образующий сливки компонент к горячему напитку, такому как кофе или чай. Как отмечалось выше, любая из этих композиций может, кроме того, содержать витамины или минеральные вещества. Витамины по меньшей мере трех видов, а предпочтительно более, могут обеспечиваться витаминным премиксом. Рекомендуемая в США суточная доза (USRDI) витаминов и минеральных веществ определена и изложена в Рекомендованных суточных нормах питания Комиссии по пищевым продуктам и питанию Национального исследовательского совета Национальной академии наук. Могут использоваться различные комбинации этих витаминов и минеральных веществ.
Неограничивающие примеры таких витаминов, включают битартрат холина, никотинамид, тиамин, фолиевую кислоту, d-пантотенат кальция, биотин, витамин А, витамин С, гидрохлорид витамина B1, витамин В2, витамин В3, гидрохлорид витамина В6, витамин В12, витамин D, ацетат витамина Е, витамин К. Предпочтительно выбираются по меньшей мере три витамина из битартрата холина, никотинамида, тиамина, фолиевой кислоты, d-пантотената кальция, биотина, витамина А, витамина С, гидрохлорида витамина B1, витамина В2, витамина В3, гидрохлорида витамина В6, витамина В12, витамина D, ацетата витамина Е, витамина К. Более предпочтительно композиция содержит витамин С и два или более других витаминов, выбранных из битартрата холина, никотинамида, тиамина, фолиевой кислоты, d-пантотената кальция, биотина, витамина А, гидрохлорида витамина B1, витамина В2, витамина В3, гидрохлорида витамина В6, витамина В12, витамина D, ацетата витамина Е, витамина К. В особенно предпочтительном воплощении настоящего изобретения композиция содержит витамин битартрат холина, никотинамид, фолиевую кислоту, d-пантотенат кальция, витамин А, гидрохлорид витамина B1, витамин В2, гидрохлорид витамина В6, витамин В12, витамин С, ацетат витамина Е. Там, где продукт содержит один из этих витаминов, продукт предпочтительно содержит по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 25% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 35% USRDI для такого витамина.
В настоящие композиции также могут включаться предлагаемые в продаже источники витамина А. Для целей настоящего изобретения «витамин А» включает, но не ограничивается, витамином А (ретинол), бета-каротином, пальмитатом ретинола и ацетатом ретинола. Источники витамина А включают другие каротиноиды провитамина А, такие как обнаруживаемые в натуральных экстрактах, имеющих высокое содержание каротиноидов с провитамин А активностью. Также красителем может служить бета-каротин, что будет обсуждено позднее. В настоящих композициях могут использоваться имеющиеся в продаже источники витамина В2 (также известного как рибофлавин). Здесь могут использоваться коммерчески доступные источники витамина С. Также могут применяться инкапсулированная аскорбиновая кислота и пищевые соли аскорбиновой кислоты.
Другие витамины, которые здесь могут вводиться в питательно дополняющих количествах, включают, но не ограничиваются, битартратом холина, никотинамидом, тиамином, фолиевой кислотой, d-пантотенатом кальция, биотином, гидрохлоридом витамина B1, витамином В3, гидрохлоридом витамина В6, витамином В12, витамином D, ацетатом витамина Е, витамином К.
Композиции пены настоящего изобретения могут, кроме того, содержать возможные дополнительные компоненты, улучшающие их эффективность в отношении, например, обеспечения энергией, умственной активности, органолептических качеств и питательного профиля. Например, здесь в композиции могут включаться один или несколько флаванолов, подкисляющие вещества, красители, минеральные вещества, растворимые волокна, бескалорийные подсластители, ароматизаторы, консервирующие средства, эмульгаторы, масла, насыщающие углекислым газом компоненты и другие подобные. Такие возможные компоненты могут быть диспергированы, растворены или иным образом замешаны в настоящие композиции. Эти компоненты могут здесь прибавляться к композициям только в случае, если они по существу не препятствуют свойствам композиции напитка, в частности, в обеспечении энергии и умственной активности. Ниже представлены неограничивающие примеры возможных подходящих для применения здесь компонентов.
Если желательно, могут прибавляться один или несколько ботанических или растительных фитохимических компонентов. Они могут включать флаванолы или другие фитохимические вещества, являющиеся по существу «полезными для здоровья». Включение одного или нескольких флаванолов служит для ассоциированного с потреблением настоящих композиций замедления гликемической реакции, обеспечивая таким образом дальнейшее поддержание поступления энергии пользователю. Поскольку один или несколько флаванолов вносят вклад в прилив и, в особенности, в поддержание энергии при потреблении композиции, включение одного или нескольких флаванолов является особенно предпочтительным воплощением настоящего изобретения.
Флаванолы являются натуральными веществами, присутствующими во многих растениях (например, во фруктах, овощах и цветах). Пригодные для использования в настоящем изобретении флаванолы могут экстрагироваться из, например, фруктов, овощей или других натуральных источников любым подходящим, известным специалистам в данной области способом. Например, флаванолы могут экстрагироваться как из индивидуального растения, так и из смесей растений. Специалистам в данной области известно много содержащих флаванолы фруктов, овощей, цветов и других растений. В качестве варианта эти флаванолы могут готовиться синтетическими или другими подходящими химическими способами и включаться в настоящие композиции. Флаванолы, включая катехин, эпикатехин и их производные, предлагаются в продаже.
Настоящие композиции могут не обязательно, но предпочтительно содержать, кроме того, одно или несколько подкисляющих средств. Добавка подкисляющего средства может использоваться для поддержания рН композиции. Композиции настоящего изобретения предпочтительно имеют величину рН от около 2 до около 8, более предпочтительно от около 2 до около 5, еще более предпочтительно от около 2 до около 4,5 и наиболее предпочтительно от около 2,7 до около 4,2. Кислотность напитков или пищевых продуктов может регулироваться и поддерживаться в пределах необходимого диапазона известными и обычными способами, например применением одного или нескольких подкисляющих средств. В основном кислотность внутри вышеупомянутых диапазонов представляет баланс между максимальной, необходимой для подавления микроорганизмов, кислотностью и кислотностью, оптимальной для обеспечения желательного вкуса напитка.
Для регулирования рН напитка могут использоваться органические, а также неорганические пищевые кислоты. Кислоты могут присутствовать в недиссоциированной форме или, в качестве варианта, в виде их соответствующих солей, например двузамещенного фосфата калия или натрия, или однозамещенного фосфата калия или натрия. Предпочтительные кислоты являются пищевыми органическими кислотами, включающими лимонную кислоту, фосфорную кислоту, яблочную кислоту, фумаровую кислоту, адипиновую кислоту, глюконовую кислоту, винную кислоту, аскорбиновую кислоту, уксусную кислоту, фосфорную кислоту или их смеси.
Подкисляющее средство может также выполнять функцию антиоксиданта для стабилизирования компонентов напитка. Примеры широко используемых антиоксидантов включают, но не ограничиваются аскорбиновой кислотой, этилендиаминтетрауксусной кислотой (EDTA) и их солями.
В композициях настоящего изобретения могут использоваться небольшие количества одного или нескольких красителей. Предпочтительно применяется бета-каротин. Также могут использоваться рибофлавин и FD&С-красители (красители для химической и пищевой промышленности), например, №5 - желтый, №2 - синий, №40 - красный и/или FD&С-лаки (лаковые красители для химической и пищевой промышленности). Прибавлением лаков к другим порошкообразным ингредиентам равномерно и полностью прокрашиваются все частицы, в частности, окрашенных соединений железа, в результате достигается однородно окрашенная смесь для напитка. Кроме того, смесь FD&С-красителей или FD&С-лаков может использоваться в комбинации с другими обычными продуктами питания и пищевыми красителями. Дополнительно могут использоваться другие натуральные красители, включая, например хлорофиллы и хлорофиллины, а также фруктовые, овощные и/или растительные экстракты, например винограда, черной смородины, черноплодной рябины, моркови, свеклы, краснокочанной капусты и гибискуса. Натуральные красители предпочтительны для «полностью натуральных» продуктов.
Количество используемого красителя изменяется в зависимости от используемых компонентов и интенсивности желательного для конечного продукта цвета. Количества могут легко определяться специалистом в данной области. Как правило, в случае применения уровни содержания красителя должны составлять от около 0,0001% до около 0,5%, предпочтительно от около 0,001% до около 0,1% и наиболее предпочтительно от около 0,004% до около 0,1% от массы композиции.
Данные композиции могут быть обогащены одним или несколькими минеральными веществами. Рекомендуемая в США суточная доза (USRDI) минеральных веществ определена и изложена в Рекомендованных суточных нормах питания Комиссии по пищевым продуктам и питанию Национального исследовательского совета Национальной академии наук.
Если в отношении присутствия в композиции данного минерального вещества не указывается иного, обычно композиция содержит по меньшей мере около 1%, предпочтительно по меньшей мере около 5%, более предпочтительно от около 10% до около 200%, еще более предпочтительно от около 40% до около 150% и наиболее предпочтительно от около 60% до около 125% USRDI такого минерального вещества. Если в отношении присутствия в композиции данного витамина не указывается иного, обычно композиция содержит по меньшей мере около 1%, предпочтительно по меньшей мере около 5%, более предпочтительно от около 10% до около 200%, еще более предпочтительно от около 20% до около 150% и наиболее предпочтительно от около 25% до около 120% USRDI такого витамина.
Минеральные вещества, которые могут здесь возможно включаться в композиции, являются, например кальцием, калием, магнием, цинком, йодом, железом и медью. Может использоваться любая растворимая соль этих минеральных элементов, подходящая для включения в пищевые композиции, например цитрат магния, глюконат магния, сульфат магния, хлорид цинка, сульфат цинка, йодид калия, сульфат меди, глюконат меди и цитрат меди.
Кальций является особенно предпочтительным для применения в настоящем изобретении минеральным элементом. Предпочтительные источники кальция включают, например, цитрат-лактат кальция, хелированный аминокислотой кальций, карбонат кальция, оксид кальция, гидроксид кальция, сульфат кальция, хлорид кальция, фосфат кальция, двузамещенный фосфат кальция, однозамещенный фосфат кальция, цитрат кальция, малат кальция, глюконат кальция, тартрат кальция и лактат кальция и, в особенности, цитрат-малат кальция. Форма цитрата-малата кальция описана, например, в Mehansho и др., патент US №5670344; или Diehl и др., патент US №5612026. Предпочтительные композиции настоящего изобретения содержат от около 0,01% до около 0,5%, более предпочтительно от около 0,03% до около 0,2%, еще более предпочтительно от около 0,05% до около 0,15% и наиболее предпочтительно от около 0,1% до около 0,15% кальция от массы продукта.
Железо может также использоваться в композициях и способах настоящего изобретения. Подходящие формы железа хорошо известны в данной области техники. Количество включаемого в продукт соединения железа широко изменяется в зависимости от желательного в конечном продукте уровня добавки и целевого потребителя. Обогащенные железом композиции настоящего изобретения обычно содержат от около 5% до около 100%, предпочтительно от около 15% до около 50% и наиболее предпочтительно около 20% до около 40% USRDI для железа.
В композиции настоящего изобретения для обеспечения, например, чувства сытости и восстановления сил и/или придания питательных достоинств, возможно, могут также включаться растворимые волокна одного или нескольких видов. Растворимые пищевые волокна представляют форму углеводов, которые не могут метаболизироваться продуцируемой человеческим организмом ферментной системой и которые проходят через тонкую кишку не будучи гидролизованными (и таким образом не подпадая под принятое здесь определение сложного углевода). Не претендуя на теоретическую глубину, предполагается, что, поскольку растворимые пищевые волокна набухают в желудке, они замедляют желудочную секрецию, продлевая таким образом период удерживания питательных веществ в кишечнике, что приводит к чувству насыщения.
Растворимые волокна, которые могут использоваться в настоящем изобретении индивидуально или в комбинации, включают, но не ограничиваются пектинами, подорожником, гуаровой камедью, ксантановой камедью, альгинатами, аравийской камедью, инулином, агаром и каррагинаном. Среди этих растворимых волокон предпочтительным является по меньшей мере одно из гуаровой камеди, ксантана и каррагенана, наиболее предпочтительным - гуаровая камедь или ксантановая камедь. Эти растворимые волокна могут в настоящем изобретении также выполнять функцию стабилизирующих агентов.
Особенно предпочтительными для применения здесь растворимыми волокнами являются полимеры глюкозы, предпочтительно имеющие разветвленную цепочку.
Предпочтительным среди этих растворимых волокон является предлагаемое в продаже под торговой маркой Fiβersol2, доступное для приобретения в Matsutani Chemical Industry Co., Itami City, Hyogo, Япония.
Пектины являются предпочтительными здесь растворимыми волокнами. Еще более предпочтительно применение низкометоксильных пектинов. Предпочтительные пектины имеют степень этерификации выше, чем около 65%, получаются горячей кислотной экстракцией из кожуры плодов цитрусовых и могут быть приобретены, например, в Danisco Co., Braband, Дания.
Продукты из пены настоящего изобретения, когда они предназначаются для потребительских целей, снабжаются подходящей смесью ароматизаторов и подслащивающих веществ с тем, чтобы они были достаточно сладки для того, чтобы вымыть сильные вкусы других компонентов, присутствующие благодаря наличию вышеупомянутых источников углеводов. Кроме того, в настоящем изобретении могут также возможно использоваться эффективные уровни бескалорийных подслащивающих веществ для усиления органолептических качеств и сладости композиций, но не в качестве замены источнику углеводов. Неограничивающие примеры бескалорийных подслащивающих веществ включают аспартам, сахарин, цикламаты, ацесульфам К, подслащивающие вещества на основе эфирных производных L-аспартил-L-фенилаланина и низших алкилов, амиды L-аспартил-D-аланина, амиды L-аспартил-D-серина, подслащивающие вещества на основе L-аспартил-гидроксиметилалканамида, подслащивающие вещества на основе амида L-аспартил-1-гидроксиэтилалканамида, глипиризины и синтетические алкокси-ароматические соединения. Аспартам и ацесульфам-K являются наиболее предпочтительными используемыми здесь бескалорийными подслащивающими веществами, и могут применяться индивидуально или в комбинации.
Для усиления вкусовой привлекательности продуктов настоящего изобретения рекомендуется один или несколько ароматизаторов. В настоящем изобретении может использоваться любое натуральное или синтетическое вкусовое вещество. Например, здесь могут применяться один или несколько растительных и/или фруктовых ароматизаторов. Для целей настоящего изобретения такие ароматизаторы могут быть синтетическими или натуральными ароматизирующими веществами.
Особенно предпочтительными фруктовыми ароматизаторами являются имеющие экзотические ароматы и ароматы лактонной природы, такие как, например, аромат маракуйи, аромат манго, аромат ананаса, аромат купуасу, аромат гуавы, аромат какао, аромат папайи, аромат персика и аромат абрикоса. Помимо этих ароматизаторов, может использоваться множество других фруктовых ароматизаторов, такие как, например, имеющие яблочный аромат, ароматы цитрусовых, аромат винограда, аромат малины, аромат клюквы, вишневый аромат и подобные. Эти фруктовые ароматизаторы могут быть получены из натуральных источников, таких как фруктовые соки и ароматизирующие масла, или, в качестве варианта, могут быть приготовлены синтетически. Натуральные ароматизаторы предпочтительны для «полностью натуральных» продуктов.
Предпочтительные растительные ароматизаторы включают, например, алоэ вера, гуарану, женьшень, гинкго, боярышник, гибискус, шиповник, ромашку, мяту, фенхель, имбирь, лакрицу, семена лотоса, китайский лимонник, пальму сереноа, аралию, сафлору, зверобой, куркуму, кардамон, мускатный орех, корицу, бучу, корицу, жасмин, боярышник, хризантему, водяной орех, сахарный тростник, личи, молодые побеги бамбука, ваниль, кофе и подобные. Предпочтительными среди них являются гуарана, женьшень, гингко. Помимо выполнения функции источников стимуляторов, экстракты чая и кофе могут также использоваться и как ароматизаторы. В частности, комбинация ароматов чая, предпочтительно зеленого чая или черного чая (предпочтителен зеленый чай), возможно, вместе с фруктовыми ароматизаторами имеет привлекательный вкус. Вкусовое вещество может также содержать смесь различных ароматизаторов. Если желательно, ароматическое вещество во вкусовой добавке может быть представлено в виде капелек эмульсии, которые затем диспергируются в композиции напитка или в концентрате. Поскольку эти капельки обычно имеют удельную массу меньше, чем удельная масса воды, и поэтому образовывали бы в ней отдельную фазу, для сохранения капелек эмульсии в композиции напитка или концентрате в дисперсном состоянии могут использоваться утяжеляющие вещества (которые могут также действовать как средства, вызывающие помутнение раствора). Примерами таких утяжеляющих веществ являются бромированные растительные масла (BVO) и смоляные эфиры, в частности, эфир канифоли. Для более подробного описания применения в жидких напитках утяжеляющих и вызывающих помутнение средств см. F. Green, Developments in Soft Drinks Technology, том 1, Applied Science Publishers Ltd., стр.87-93 (1978). В основном ароматизаторы являются традиционно доступными в виде концентратов или экстрактов или в форме искусственно полученных ароматизирующих эфиров, спиртов, альдегидов, терпенов, сесквитерпенов и других подобных.
Дополнительно здесь могут, возможно, использоваться один или несколько консервантов. Предпочтительные консерванты включают консерванты на основе, например, сорбатов, бензоатов и полифосфатов. Предпочтительным является, когда в случае использования здесь консервантов применяется один или несколько сорбатных или бензоатных консервантов (или их смеси). Подходящие для применения в настоящем изобретении сорбатные и бензоатные консерванты включают сорбиновую кислоту, бензойную кислоту и их соли, включая (но не ограничиваясь) сорбат кальция, сорбат натрия, сорбат калия, бензоат кальция, бензоат натрия, бензоат калия и их смеси. Сорбатные консерванты являются особенно предпочтительными. Особенно предпочтителен для применения в настоящем изобретении сорбат калия.
Когда композиция содержит консервант, консервант предпочтительно включается с уровнями содержания от около 0,0005% до около 0,5%, более предпочтительно от около 0,001% до около 0,4% консерванта, еще предпочтительнее от около 0,001% до около 0,1%, еще более предпочтительно от около 0,001% до около 0,05% и наиболее предпочтительно от около 0,003% до около 0,03% консерванта от массы композиции. Когда композиция содержит смесь одного или нескольких консервантов, общая концентрация таких консервантов предпочтительно поддерживается в пределах этих диапазонов.
В дополнение к напиткам и жидким или порошкообразным концентратам, настоящее изобретение может также готовиться в форме композиции мороженого, йогурта или пудинга в зависимости от, как хорошо известно специалисту в данной области, консистенции и температуры хранения.
Пузырьки пены от нано- до микроразмеров готовятся в специально разработанном устройстве относительно простой конструкции. В центре цилиндрического корпуса вращается ротор для генерирования потока и захватывания воздуха. Вблизи окружности корпуса расположена неподвижная мембрана с порами, соответствующими желательному размеру пузырьков. Когда перемешиваемая жидкость проходит мембрану, на поверхности которой создаются пузырьки, это приводит к образованию большого числа воздушных пузырьков однородных размеров. Поток жидкости, как правило, воды, проходит мимо наружной поверхности мембраны для создания либо полей ламинарного потока, либо вихревого потока Тейлора, либо турбулентных завихрений, уносящих пузырьки. Это вызывает однородную и непрерывную подачу воздушных пузырьков, имеющих желательный размер (например, ниже 10 мкм).
Когда необходимо изготовление мороженого, пена может просто быть заморожена. Поскольку размер воздушных пузырьков выбирается таким, чтобы иметь между ними очень небольшие промежутки, в которых только и могут расти кристаллы льда, потребитель получает ощущение очень однородного и кремообразного продукта. Для этих целей предпочтительные размеры промежутков составляют менее 50 мкм в длину по их самому большому измерению. Задавая такой небольшой размер этих промежутков, обеспечивается то, что величина любых образующихся в них кристаллов льда оказывается меньше промежутков, и при столь небольших размерах такие кристаллы становятся незаметными на вкус. Это представляет любые замороженные продукты с более однородной консистенцией и с предотвращением роста больших кристаллов льда, которые умаляют вкусовую привлекательность продукта. Этот продукт показывает, что благодаря меньшему размеру пузырьков, пригодное для образования льда пространство между ними оказывается очень небольшим, не допуская таким образом образования сплошных крупных трехмерных кристаллов льда.
Поскольку пузырьки имеют однородные небольшие размеры, они действуют, как если бы являлись твердыми сферами, и не имеют почти никакой тенденции к слиянию друг с другом и образованию более крупных пузырьков. Соответственно, мороженое и другие приготавливаемые из такой пены продукты имеют превосходную стойкость к перепадам температур, так как пузырьки остаются устойчивыми и предотвращают рост кристаллов льда в промежутках между пузырьками до сколько-нибудь воспринимаемых на вкус размеров. Это делает возможным таяние и повторное замораживание таких продуктов без утраты гладкой консистенции и без образования крупных кристаллов льда или потери устойчивости пены. Очень хорошие результаты были получены при использовании 30% сахарного раствора в качестве жидкой матрицы, в которой генерировались пузырьки.
Предпочтительный объект настоящего изобретения относится к замороженному аэрированному продукту питания из пены с новой микроструктурой, отличающийся сверхвысокодисперсными газовыми пузырьками, небольшими и слабо связанными кристаллами льда, стабильностью при многократном таянии и замораживании и обладающий новыми органолептическими показателями, обеспечиваемыми воздушной пеной, получаемой замораживанием в состоянии покоя. Производство воздушной пены включает новизну в аэрировании водно-сахарной смеси и вследствие этого некоторые объекты настоящего изобретения относятся к ротационному мембранному устройству и способу механической генерации в мягких условиях сверхтонких газовых дисперсий или микропен с узко распределенными по размерам газовыми пузырьками.
Другое воплощение настоящего изобретения делает возможным получение замороженного пищевого продукта из пены, который создается представленным ниже способом. Способ включает изготовление размороженного пищевого продукта из пены, где изготовление включает приготовление и созревание смеси и последующее за этим аэрирование смеси. Подвергнутая аэрации смесь затем замораживается в состоянии покоя для образования кристаллов льда, имеющих средний диаметр X50,0 менее приблизительно 50 мкм.
Новый замороженный пищевой продукт из пены имеет кремообразную текстуру, определяемую наличием воздушных полостей сверхмалых размеров, имеющих средний диаметр не выше приблизительно 15 мкм. Кроме того, пищевая пена обладает качествами формуемости, определяемой величиной среднего диаметра присутствующих в ней кристаллов льда ниже приблизительно 50 мкм, а также улучшенной стабильностью при многократных циклах замораживания и таяния.
Другое важное преимущество нового продукта относится к осуществлению технологической обработки очень простым способом замораживания, применяемым к пене, образующейся при температуре окружающей среды и заполняемой в подходящие мерные емкости/контейнеры в состоянии покоя. Это обеспечивает значительное снижение затрат в отношении технологического оборудования, поскольку не требует морозильных аппаратов непрерывного действия.
Описанный выше новый продукт обеспечивает неизвестную ранее стабильность при многократных циклах таяния и замораживания благодаря его тонкодисперсной и устойчивой структуре с узким распределением по размерам содержащихся в ней воздушных полостей/газовых пузырьков. Это также делает возможными выраженную кремообразность, сниженную холодность и необычное в отношении устойчивости формы поведение при таянии. Сниженное содержание жира менее или около 0-5% обеспечивает способствующий поддержанию здорового состояния организма «исключительно легкий» характер продукта. Структура из мелких и имеющих узкое распределение по размерам воздушных полостей/пузырьков также делает возможной заметную экономию затрат на стабилизирующие ингредиенты.
Кроме того, стабильность при многократных циклах замораживания и таяния определяется смесью, содержащей от около 0,1 до 2 мас.% эмульгатора, предназначенного для образования ламеллярных или пузырьковых фаз, и от около 0,05 до 1,25 мас.% стабилизатора, такого как камедь. Функция этого компонента заключается в увеличении вязкости жидкой матрицы для лучшего удержания пузырьков и жидкости и, следовательно, улучшенной стабилизации. Кроме того, эмульгатор находится в особом диапазоне концентраций, обеспечивающем его эмульгирующие свойства, и при котором на или в окрестности поверхности контакта газа и жидкости в продукте из пены образуются ламеллярные или пузырьковые фазы эмульгатора. Кроме того, могут использоваться заряженные молекулы, которые способны встраиваться в структуру ламеллярной фазы, и вследствие сил электростатического отталкивания, вызывать набухание ламеллярной фазы для повышения стабильности структуры пены при многократных циклах замораживания и оттаивания.
Пищевой продукт из замороженный пены, имеющий средний диаметр пузырьков ниже 10 мкм, узкий диапазон распределения пузырьков по размерам (Х90,0/Х10,0≤3,5, как видно из Фигуры 4) и высокую общую объемную долю газа (>50 об.%), взбивается в температурных условиях окружающей среды, заполняется в чашки/контейнеры и затем замораживается, например, в закалочном туннеле до температуры -15°С без явного укрупнения пузырьков газа и без появления выраженных характеристик твердого тела или льдистой структуры.
Новый замороженный пищевой продукт из пены имеет калорийность в случае замороженного продукта из пены со степенью взбитости приблизительно в 100%, составляющую менее приблизительно 55 ккал/100 мл. Для целей настоящего изобретения взбитость определяется как величина отношения (плотность смеси - плотность образца пены)/(плотность образца пены), или другими словами, взбитость является мерой увеличения объема прибавленным воздухом, то есть процентным увеличением объема продукта вследствие внесения или удержания в нем пузырьков воздуха. Эта низкая калорийность является существенным улучшением по сравнению с другими низкокалорийными десертами, когда такие легкие десерты имеют эквивалентную калорийность из расчета на порцию, составляющую около 250 ккал на 100 мл порцию без пузырьков. Это можно сравнить с так называемым мороженым премиум-класса, которое имеет калорийность около 280 ккал/100 мл даже при взбитости 100%, что составляет около 560 ккал на 100 мл порцию без пузырьков. Как известно специалисту в данной области, объемная доля газа между 30 и 60% эквивалентна взбитости до около 40-150%. Таким образом, продукт, имеющий калорийность в 60 ккал на 100 мл порцию при 200% взбитости, эквивалентен продукту с калорийностью в 120 ккал на 100 мл порцию при 100% взбитости и 240 ккал на 100 мл без взбитости. При этом термин «не содержащий пузырьков» используется здесь для определения тех порций, которые не подвергались взбиванию и могут использоваться как основа для сравнения с рецептурами мороженого существующего уровня техники.
В своем наиболее предпочтительном воплощении настоящее изобретение направлено на способ и композицию нового маложирного замороженного продукта из пены, получаемого замораживанием воздушной пены в условиях состояния покоя, без образования крупных газовых пузырьков или взаимосоединенных кристаллов льда и без следующего из этого поведения твердого тела. Способ делает возможным образование новой композиции, имеющей улучшенную стабильность в условиях многократных циклов замораживания и оттаивания и новые регулируемые текстурные качества, предназначаемой в частности, для приготовления новых видов мороженого.
Как правило, для определения температуры, при которой возможно замораживание пены, используется температура замерзания жидкости матрицы. При определенных обстоятельствах жидкая матрица включает другие компоненты или ингредиенты, которые воздействуют на температуру замерзания жидкости так, чтобы температура замерзания матрицы могла быть ниже температуры замерзания жидкости. Специалист в данной области может провести стандартные испытания для определения подходящей температуры замерзания для любой конкретной композиции матрицы. Поэтому, когда описание относится к температуре замерзания пены, подразумевается, что это означает температуру, при которой замораживается матрица и ее компоненты.
В следующем далее описании характеристические свойства продукта были получены на основании модельной рецептуры продукта из пены (именуемой как рецептура NDA-1), имеющей следующую композицию:
24% сахарозы,
3% крахмальной патоки,
3% декстрозы (DE 28),
0,6% эмульгатора PGE (полиэфир глицерина),
0,25% стабилизатора из гуаровой камеди.
Одно воплощение настоящего изобретения делает возможным получение замороженного пищевого продукта из пены, который создается следующим способом. Способ включает изготовление размороженного пищевого продукта из пены, где изготовление включает приготовление и созревание смеси и последующее за этим аэрирование смеси. Подвергнутая аэрации смесь затем замораживается в состоянии покоя для образования кристаллов льда, имеющих средний диаметр ниже приблизительно 50 мкм.
Описанный выше новый продукт обеспечивает неизвестную ранее стабильность при многократных циклах таяния и замораживания благодаря его тонкодисперсной и устойчивой структуре с узким распределением по размерам содержащихся в ней воздушных полостей/газовых пузырьков. Это также делает возможными выраженную кремообразность, сниженную холодность и необычное в отношении устойчивости формы поведение при таянии. Сниженное содержание жира от 0 до 5% обеспечивает способствующий поддержанию здорового состояния организма «исключительно легкий» характер продукта. Структура из мелких и имеющих узкое распределение по размерам воздушных полостей/пузырьков также делает возможной заметную экономию затрат на стабилизирующие ингредиенты.
Другое важное преимущество нового продукта относится к осуществлению технологической обработки очень простым способом замораживания, применяемым к пене, образующейся при температуре окружающей среды и заполняемой в подходящие мерные емкости/контейнеры в состоянии покоя. Это обеспечивает значительное снижение затрат в отношении технологического оборудования, поскольку не требует морозильных аппаратов непрерывного действия.
В одном объекте замороженный пищевой продукт из пены имеет размеры сверхвысокодисперсных воздушных полостей со средним диаметром воздушной полости ниже, чем от приблизительно 10 мкм до 15 мкм. Замороженный пищевой продукт из пены также отличается наличием узкого диапазона распределения пузырьков по размеру с отношением X90,0/X10,0 не выше приблизительно 2-3.
Новый замороженный пищевой продукт из пены имеет кремообразную текстуру, определяемую наличием воздушных полостей сверхмалых размеров, имеющих средний диаметр не выше приблизительно 15 мкм. Кроме того, пищевая пена обладает качествами формуемости, определяемой величиной среднего диаметра присутствующих в ней кристаллов льда ниже приблизительно 50 мкм, а также улучшенной стабильностью при многократных циклах замораживания и таяния.
Стабильность при многократных циклах замораживания и оттаивания определяется смесью, имеющей от около 0,05 до 2 мас.% эмульгатора для образования ламеллярных или пузырьковых фаз и от около 0,05 до 0,5 мас.% стабилизатора, такого как гуаровая камедь или другие камеди, где эмульгатор находится в определенном, обеспечивающем эмульгирование диапазоне концентрации, и где ламеллярные или пузырьковые фазы эмульгатора образуются в жидкой матрице, а затем располагаются на или в окрестности поверхности контакта газа и жидкости продукта из пены. Кроме того, могут использоваться заряженные молекулы, которые способны встраиваться в структуру ламеллярной фазы, и вследствие сил электростатического отталкивания, вызывать набухание ламеллярной фазы при условии регулирования рН до величины в области нейтральных значений около 7 с тем, чтобы увеличить стабильность структуры пены при многократных циклах замораживания и оттаивания.
В этом замороженном пищевом продукте из пены поверхности раздела воздушных полостей стабилизированы многослойными мезоморфными (ламеллярными или пузырьковыми) фазами, которые выборочно регулируются в отношении их набухания, иммобилизации воды и характеристик стабилизирования структуры добавлением некоторого количества неэтерифицированных жирных кислот в условиях отрегулированного до нейтрального значения показателя рН и близкой к нулевой концентрации ионов. Замороженный пищевой продукт из пены имеет отрегулированное нейтральное значение рН в 6,8-7,0 и очень низкую концентрацию ионов в диапазоне деионизированной воды во время приготовительного созревания смеси. Предпочтительно до аэрирования смеси замороженный пищевой продукт из пены имеет величину рН, отрегулированную до значения около 3,0.
В одном воплощении замороженный пищевой продукт из пены включает около 20-45% сухого вещества, состоящего из 0-25% сухого молока, 10-40% сахаров, 0-10% жиров и их комбинаций. В некоторых объектах, как здесь раскрывается, замороженный пищевой продукт из пены также включает от около 0,1 до 1 мас.% эмульгатора для образования ламеллярной фазы и от около 0,05 до 1,25 мас.% стабилизатора из камеди. Эмульгатор может находиться в особом диапазоне концентрации, обеспечивающем его эмульгирующие свойства, при котором на или в окрестности поверхности контакта газа и жидкости в продукте из пены образуются ламеллярные или пузырьковые фазы эмульгатора.
Замороженный пищевой продукт из пены может также при нейтральных условиях рН использовать заряженные молекулы, которые могут встраиваться в структуру ламеллярной фазы и, вследствие сил электростатического отталкивания, вызывать набухание ламеллярной фазы, тем самым улучшая стабильность структуры пены. Замороженный пищевой продукт из пены может также использовать полиэфиры глицерина и жирных кислот (PGE) в качестве эмульгаторов, образуя тем самым ламеллярные пузырьковые структуры, и неэтерифицированные жирные кислоты в качестве заряженных молекул, встраивающихся в ламеллярные или пузырьковые слои и вызывающих набухание соответствующей ламеллярной/пузырьковой структуры. Набухание поддается контролю регулированием концентрации прибавляемых заряженных молекул, которые могут встраиваться в структуру ламеллярной фазы и, вследствие сил электростатического отталкивания, вызывать набухание ламеллярной фазы, тем самым улучшая стабильность структуры пены. В такой композиции набухание ламеллярных структур, которые образуются полиэфирами глицерина и жирных кислот, регулируется наличием добавленных неэтерифицированных жирных кислот, концентрация которых находится в диапазоне от около 0,01 до 2 мас.%.
Замороженный пищевой продукт из пены имеет в пене газообразную фракцию, которая является регулируемой в пределах от приблизительно 25 до 75 об.% и предпочтительно в диапазоне 50-60%, а калорийность замороженного продукта из пены со степенью взбитости приблизительно в 100% составляет менее приблизительно 55 ккал/100 мл. Для целей настоящего изобретения взбитость определяется как величина соотношения (плотность смеси - плотность образца пены)/(плотность образца пены), или другими словами, взбитость является показателем количества прибавленного воздуха, то есть процентным увеличением объема продукта вследствие внесения или удержания в нем пузырьков воздуха.
Описанный выше замороженный пищевой продукт из пены может быть изготовлен следующим предпочтительным способом, который включает этапы образования смеси растворением сахара и стабилизаторов в деионизированной воде, добавления к смеси эмульгатора, нагревания смеси до температуры выше точки плавления эмульгатора для растворения эмульгатора в смеси, гомогенизирования смеси, охлаждения смеси до температуры охлаждения ниже, чем около 10°С, выдерживания смеси при температуре охлаждения в течение приблизительно нескольких часов, снижение рН смеси в кислотный диапазон, аэрирования смеси для образования пены и замораживания пены в состоянии покоя. В одном объекте смесь нагревается до температуры пастеризации.
В другом объекте сахар и стабилизаторы растворяются в деионизированной воде при 35-45°С и рН доводится до приблизительно нейтральной величины перед добавлением эмульгатора. Приблизительно нейтральная величина рН составляет около 6,8.
В другом объекте эмульгатор растворяется при температуре, превышающей приблизительно 20°С, и до 60°С, более предпочтительно при 80°С, с последующей пастеризацией в течение не менее приблизительно 30 секунд. В другом объекте эмульгатор растворяется при температуре, превышающей приблизительно 80°С, с последующей пастеризацией в течение не менее приблизительно 30 секунд.
В еще одном объекте гомогенизация выполняется как одностадийная гомогенизация при давлении гомогенизации не менее приблизительно 100 бар. В качестве варианта гомогенизация выполняется как одностадийная гомогенизация при давлении гомогенизации приблизительно в 150 бар.
После гомогенизирования смесь охлаждается до приблизительно 4°С и выдерживается в течение периода времени приблизительно более 8 часов. В качестве варианта после гомогенизации смесь охлаждается до приблизительно 4°С и выдерживается в течение периода времени приблизительно более 12 часов. Предпочтительно до аэрирования рН снижается до величины менее приблизительно 3-4 прибавлением лимонной кислоты. При понижении рН к смеси могут также добавляться соли.
Аэрирование проводится с помощью устройства тонкого диспергирования газа. Устройство может быть: роторно-статорным механизмом для взбивания, взбивающим устройством с неподвижной мембраной, взбивающим устройством с вращающейся мембраной или их комбинациями. Аэрирование может выполняться в температурном диапазоне приблизительно от 4 до 50°С.
В одном воплощении взбивающее устройство с вращающейся мембраной оборудовано мембраной с контролируемым расстоянием между порами, имеющей размер пор в 1-6 мкм и расстояние между порами в 10-20 мкм, позволяющее получение тонкой дисперсии с узким распределением размера пузырьков, при этом мембрана вращается с круговой скоростью в диапазоне 5-40 м/с, а узкое распределение размера пузырьков определено как распределение с соотношением Х90,0/Х10,0 не выше приблизительно 3. В одном объекте взбивающее устройство с вращающейся мембраной вращается внутри цилиндрического корпуса, образующего с поверхностью мембраны узкий кольцевой зазор от 0,1 до 10 мм, таким образом делая возможным улучшенное отделение от поверхности мембраны более узко распределенных по размерам пузырьков воздуха.
Описанный выше новаторский способ предусматривает образование новой структуры пены с новыми сверхтонкими средними размерами диаметра пузырьков, очень узким распределением по размерам и связанной с этим высокой стабильностью пены в условиях температуры окружающей среды и атмосферного давления (см., например, таблицу 2). С последующим замораживанием в состоянии покоя продукт из пены замерзает без значительного огрубления пузырьковой структуры пены. Для целей настоящего изобретения огрубление относится к увеличению среднего размера пузырьков и ширины распределения по размерам.
Следующее преимущество новой структуры продукта из пены заключается в способе замораживания продукта из пены в состоянии покоя. Это замораживание в состоянии покоя не вызывает образования структуры из крупных и прочно связанных между собой кристаллов льда с вытекающей из этого значительной твердостью и льдистостью продукта.
Фиг.1 является модельным графиком функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в обычном роторно-статорном смесителе с турбулентным потоком, использующим конфигурацию входящих в зацепление штифтов, в следующих условиях: рецептура NDA-I, число оборотов в минуту: 3500, объемная доля газа 0,5, значения диаметра пузырьков X10,0, X50,0 и X90,0 (величины распределения плотности, q0(x)) составляют 6,944, 13,667 и 24,713. В то время как этот способ пригоден для некоторых воплощений пены, он не является предпочтительным для получения пены, устойчивой к многократным циклам замораживания и таяния.
Фиг.2 - модельный график функции распределения размера пузырьков воздуха q0(x) (например, распределение плотности) продукта из пены в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения после обработки аэрированием в новаторском устройстве для аэрации в ламинарном потоке с вращающейся мембраной. Мембрана была установлена на вращающемся внутреннем цилиндре, обработка проводилась в следующих условиях: рецептура NDA-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250, объемная доля газа 0,5. Фиг.2 может быть сопоставлен с результирующим распределением, полученным посредством аэрирования той же самой модельной рецептуры (NDA-1) на обычном роторно-статорном (R/S) взбивающем устройстве, показанном на Фиг.1. Как видно, использование ротационного мембранного устройства приводит к намного более малому размеру пузырьков и более четко контролируемому распределению размера пузырьков.
Сравнение размеров пузырьков также количественно представлено на Фиг.3, которая является модельной гистограммой со столбцами, соответствующими диаметрам пузырьков X10,0, Х50,0 и Х90,0 для трех различных вариантов способа/устройства аэрирования: обычного роторно-статорного устройства с входящими в зацепление штифтами и характеристиками турбулентного потока (А), нового мембранного способа/устройства типа I с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре, (В-тип I) и нового мембранного способа/устройства типа II с закрепленной на кожухе мембраной и вращающимся внутренним сплошным цилиндром с гладкой поверхностью (В-тип II). Условия работы устройства В-типа II были представлены рецептурой NDA-1 при объемной доле газа в 0,5. Устройства как В-типа I, так и В-типа II давали значительно более малые величины размера пузырьков и распределения по размерам.
Суженная ширина распределения размера пузырьков продукта из пены, подвергнутого обработке в ротационном мембранном устройстве изобретения, демонстрируется на Фиг.4, которая является модельным графиком соотношения диаметра пузырьков Х90,0/X10,0, показывающим ширину или «узость» распределения размера пузырьков соответственно для трех ранее упомянутых различных вариантов способа/устройства аэрирования. Величина отношения Х90,0/X10,0 для устройств В-типа I и В-типа II ниже, чем для устройства А-типа, при этом устройство В-типа I обеспечивает почти половину того, что дает устройство А-типа. Это соотносится с однородностью воздействия усилий сдвига на поверхность мембраны (устройства В-типа), вызывающих отделение пузырьков от поверхности мембраны, по сравнению с намного менее однородным распределением напряжений, вызывающих дробление крупных пузырьков на более мелкие внутри зазоров между статором и ротором с их неоднородным распределением напряжений (А-тип).
По существу однородный размер пузырьков означает, что большинство пузырьков находится в определенном диапазоне размеров для избежания или снижения степени диспропорционирования пузырьков вследствие переноса газа от более мелких к более крупным пузырькам (созревание по Освальду). По существу однородное распределение размера пузырьков означает, что конкретное соотношение диаметра пузырьков Х90,0/X10,0 составляет менее около 5, предпочтительно менее 3,5, еще более предпочтительно ниже 2-3.
Наряду с различными структурными, определяемыми пузырьками газа, характеристиками продукта из пены, связанными с используемым устройством для взбивания, характеристики продукта из пены исходят из высокой стабильности его структуры, следующей из нового принципа межфазной стабилизации. Этот новый принцип межфазной стабилизации основан на применении композиций поверхностно-активных веществ, предусматривающих образование ламеллярных или пузырьковых межфазных структур, эффект набухания которых поддается регулированию внесением в ламеллярную/пузырьковую фазовую структуру контролируемой доли особых молекул, Фиг.5 показывает такую ламеллярно-фазовую структуру, образованную полиэфирами глицерина и жирных кислот (PGE). Фиг.6 демонстрирует зависимость объема ламеллярной фазы (набухание) в виде функции концентрации добавленной неэтерифицированной жирной кислоты. При этом регулирование набухания наиболее понятно в контексте нового способа образования пены, представленного на Фиг.7. Этот способ содержит растворение сахаров и стабилизаторов в деионизированной воде, прибавление эмульгатора и растворение его при температуре выше его температуры плавления, предпочтительно при температуре пастеризации, совместный с растворением эмульгатора либо отдельный этап пастеризации и последующая одностадийная гомогенизация, сопровождаемая охлаждением смеси до температуры от 5 до 10°С и последующая выдержка при этой температуре в течение периода времени в несколько часов. Заключительные этапы включают снижение рН в кислотную область с последующим аэрированием и замораживанием получающейся пены в состоянии покоя.
Фиг.8 демонстрирует последствия для структуры ламеллярной/пузырьковой фазы PGE в случае изменения порядка следования этапа нагревания (I) и этапа регулирования рН (II). Контейнер слева представляет пену из мелких пузырьков, полученную при правильном порядке, в то время как контейнер справа с пеной, полученной при осуществлении обратного порядка следования этапов (II, затем I), демонстрирует явное разрушение структуры, без какой-либо способности к стабилизации пены.
На Фиг.9 демонстрируется свойство устойчивости тонкой пены, представленное через дренажные характеристики (жидкость, отделившаяся после 60 минут при температуре окружающей среды и в состоянии покоя). Как видно из высоты столба отделившейся при аналогичных условиях испытаний жидкости, для предлагаемого в продаже щербета (цилиндр слева) в сравнении с образцом тонкой пены (цилиндр справа) этот столб оказывается в около 15 раз выше. Пена настоящего изобретения в этом испытании теряет менее 2% объема.
Фиг.10 демонстрирует устойчивость тонкой пены в условиях режима замораживания и оттаивания в отношении среднего диаметра газового пузырька. Как видно из сравнения структуры до (Фиг.10А) и после (Фиг.10В) обработки термическим ударом, какого-либо значительного изменения в распределении размера пузырьков не происходит. Это именуется новаторской «стабильностью при многократных циклах замораживания и оттаивания» тонкой пены.
Фигура 11 также демонстрирует свойства структуры в условиях режима замораживания и оттаивания, но в отношении среднего диаметра кристалла льда. И на этот раз не видно никаких значительных изменений в размере кристалла льда, демонстрирующих новаторски высокую «стабильность при многократных циклах замораживания и оттаивания» тонкой пены.
Еще одно воплощение настоящего изобретения направлено на новое устройство и технологию аэрирования описанной выше жидкой смеси, предназначаемых для получения вспененного продукта. В этом отношении одно воплощение настоящего изобретения раскрывает новый способ для образования газовых дисперсий или пен с мелко диспергированными и узко распределенными по размеру газовыми пузырьками в условиях механически однородной и мягкой обработки.
В способе для механической генерации в мягких условиях тонких газовых дисперсий газа с узкими распределениями газовых пузырьков по размерам пузырьки образуются на поверхности мембраны, при этом их отделение от этой поверхности эффективно вызывается или вращательным движением мембраны внутри непрерывной жидкой фазы, и/или вращающимся потоком этой жидкой фазы через мембрану, применимым вследствие действия прилагаемого сдвигового усилия, вызывающих удлинение и нормально направленных сил.
Способ для механической генерации в мягких условиях газовых дисперсий или пен со сверхвысокодисперсными пузырьками, узко распределенными по размерам, включает: обеспечение мембраны (или пористой среды), образующей по меньшей мере одну поверхность узкого двухповерхностного зазора, подачу газа через поры мембраны, газа, образующего при подаче через поры мембраны пузырьки или непрерывные газовые струйки, отделение пузырьков или непрерывных газовых струек от ограничивающей зазор поверхности мембраны и смешивание пузырьков или непрерывных газовых струек внутри непрерывной текучей жидкой фазы, текучей жидкой фазы, присутствующей в зазоре.
В одном объекте отделение и смешивание выполняются по любому из следующих механизмов: однородно действующее сдвиговое усилие, напряжения удлинения, инерционные силы и их комбинации, вызываемые движением одной из поверхностей зазора относительно другой поверхности.
В одном объекте подача газа включает проталкивание газа через поры мембраны. Проталкивание может осуществляться прокачкой насосом, вакуумированием или просасыванием газа через поры мембраны. Жидкая фаза также может прокачиваться через зазор.
В одном объекте зазор образован между двумя поверхностями, по меньшей мере одна из которых включает мембрану. Зазор может быть образован между двумя вращающимися симметричными элементами, один из которых расположен концентрически или вставлен в другой, второй, вследствие этого, образует корпус вокруг первого и концентрический или эксцентрический зазор между элементами. В качестве варианта зазор может быть образован между двумя вращающимися симметричными элементами, один из которых эксцентрически вставлен в другой, второй, вследствие этого, образует корпус вокруг первого и эксцентрический зазор между элементами. Кроме того, обе поверхности зазора могут быть образованы мембранами.
В то время как одна или обе поверхности зазора могут быть изготовлены из мембранного материала, либо внутренняя, либо внешняя поверхность зазора перемещается относительно другой. Движение относительно другой поверхности может происходить при фиксированной, или изменяемой, или фиксированной с регулированием, или периодически колеблющей поверхность круговой скорости, или в режиме регулируемой по времени скорости.
Расход газа через мембрану может обеспечиваться при постоянной, или изменяющейся, или периодически изменяющейся интенсивности подачи.
Поток жидкости может перемещаться относительно поверхностей зазора в любом из следующих режимов течения: чистый ламинарный сдвиговый поток, смешанный ламинарный сдвиговый и элонгационный поток, вихревой поток Тейлора, инерционный турбулентный поток в условиях режима от ламинарного до переходного течения и их комбинации. Режим потока жидкости внутри зазора может быть отрегулирован для получения четко определенного сдвигового, или элонгационного, или инерционного напряжения, отделяющего струйки пузырьков газа от поверхности мембраны. Кроме того, в дополнение к потоку, генерируемому в зазоре и вызываемому движением по меньшей мере одной из поверхностей зазора, прокачиванием через зазор непрерывной текучей жидкой фазы может быть получена составляющая потока, определяемая скоростью прокачиваемой жидкости. В одном объекте относительная круговая скорость движения поверхностей зазора друг относительно друга может находиться в диапазоне 1-40 м/с. Аналогично, средняя осевая скорость непрерывной текучей жидкой фазы в зазоре может быть отрегулирована в пределах диапазона приблизительно от 0,01 до 5 м/с.
В другом объекте прикладываемое к газовой фазе трансмембранное давление может определяться диапазоном приблизительно от 0,05 до 5 бар. Аналогично, величина прилагаемого к текучей жидкой фазе поперечно-осевого мембранного давления может быть внутри диапазона приблизительно от 0,01 до 10 бар. В другом объекте величина зазора управляется обратным клапаном, отрегулированным в диапазоне приблизительно от 1 до 5 бар абсолютного давления.
Еще одно воплощение настоящего изобретения относится к устройству для осуществления этого нового способа вспенивания, использующему либо мембрану, установленную на вращающемся элементе, окруженном концентрическим или эксцентрическим корпусом, образующим с вращающимся элементом узкий зазор для прохождения потока, либо использующему обратную конструкцию с мембраной, установленной в концентрическом или эксцентрическом корпусе, и со сплошным вращающимся элементом, образующим с мембраной или корпусом соответствующий зазор для потока. Внутри концентрического или эксцентрического зазора обеспечиваются локальные сужения для генерирования локально суженного течения, порождающего компоненты элонгационного потока и/или турбулентные потоки. В дополнение к вращательному компоненту потока, генерируемому движением вращающегося элемента, существует осевой компонент потока, образующийся вследствие постоянного прокачивания непрерывной жидкой фазы через диспергирующий поток зазор.
Вышеописанный новый способ аэрирования предпочтителен тем, что делает возможным мягкое диспергирование газовых/воздушных пузырьков в условиях ламинарного потока, которое ранее к тонко диспергированным газовым/жидким дисперсиям не применялось.
Кроме того, сниженный уровень удельной мощности или подводимой энергии во время проведения технологических операций допускает лучший контроль рассеяния энергии вязкостного трения и связанного с этим возрастания температуры в системе, обеспечивая таким образом лучшую защищенность механических и чувствительных к нагреванию компонентов системы.
Кроме того, в результате баланса равномерно распределенных сил или напряжений сдвига и удлинения, воздействующих на процесс диспергирования пузырьков, и менее существенных возмущающих воздействий центробежных сил или напряжений расслаивания, поддерживающих повторное слияние пузырьков, в сочетании с начальным этапом диспергирования порами мембраны генерируются очень мелко диспергированные пузырьки, которые, кроме того, имеют узкое распределение по размерам. Вследствие этого связанные с микроструктурой свойства продукта из пены могут также регулироваться более четко по сравнению с газовыми дисперсиями/пенами, получаемыми посредством обычных технологий взбивания/аэрирования.
Дополнительно, регулируемая вращательная составляющая потока обеспечивает независимость действующих диспергирующих напряжений, прилагаемых для отделения пузырьков от поверхности мембраны, деформации пузырьков и дробления пузырьков, от объемной/массовой скорости потока при непрерывном процессе.
Более того, для более высоких долей содержания газа новое мягкое диспергирование пузырьков газа допускает дальнейшее утончение размера пузырьков с увеличением доли содержания газа, что невозможно в случае обычной роторно-статорной, основанной на устройствах с входящими в зацепление штифтами, технологии с турбулентными характеристиками диспергирующего потока.
Описанное выше новое устройство имеет несколько преимуществ и позволяет простое изменение и регулирование желательных характеристик протекающих через мембрану/диспергирующих сдвиговых и/или смешанных сдвиговых и элонгационных потоков, поддерживая эффективное отделение и дробление пузырьков. Частично вследствие большого различия в плотности между этими двумя фазами (газ/жидкость) умеренное увеличение трансмембранного давления смещает механизм диспергирования пузырьков от отделения от поверхности мембраны в виде от полусферического до сферического к газовым струйкам, срывающимся из пор в непрерывную жидкую фазу, что ведет к удлинению газовых струек и их дроблению, поддерживаемому дополнительно накладывающимися сдвиговыми и релаксационными эффектами.
Отрыв струек, или элонгационный механизм может дополнительно поддерживаться действующими центробежными силами, когда мембрана устанавливается на невращающейся внутренней стенке корпуса.
Дополнительная степень свободы в улучшении эффективности отделения капель/дробления струек обеспечивается облегченным применением свойств накладывающегося элонгационного потока вследствие регулировки эксцентриситета вращающейся части (например, внутреннего цилиндра).
Благодаря новому и высокоэффективному процессу диспергирования пузырьков, требуется намного более короткое время пребывания в диспергирующем зазоре по сравнению с обычными устройствами. Это, в свою очередь, приводит к предпочтительно компактному и высокопроизводительному устройству, которое является предпочтительным для увеличения производительности и/или снижения производственных затрат на выпуск соответствующего продукта из пены.
Размером пузырьков пены можно дополнительно управлять во время производства, выбирая или изменяя некоторые переменные или параметры. Даже при этих условиях распределение пузырьков по размерам остается узким и, как здесь раскрыто, таким, чтобы образовывалась однородная устойчивая пена. Первой переменной является тип предназначаемого к применению устройства, поскольку каждый из них дает немного различающийся диапазон размеров пузырьков. Это, по-видимому, происходит вследствие различных параметров зазора между мембраной и корпусом. Как правило, при всех прочих равных параметрах, чем больше зазор между этими двумя элементами, тем больше размер пузырьков. После выбора желаемого устройства и зазора, для получения желательного размера пузырьков может варьироваться частота вращения устройства:
более медленные частоты вращения, как правило, приводят к выработке пузырьков более крупного размера. Еще одной поддающейся управлению переменной является рецептура жидкой матрицы, как в отношении типа жидкости, так и в отношении желательных включаемых добавок или компонентов. В целом, более низкое количество эмульгатора способно приводить к более крупным пузырькам, в то время как увеличение количества эмульгатора обеспечивает достаточно материала для образования кейдж-структуры, которая может вмещать пузырьки более мелкого размера. Поскольку более мелкие пузырьки имеют более значительную площадь поверхности, чем более крупные пузырьки, требуется большее количество эмульгатора для обволакивания пузырьков и образования клеточного каркаса. Интересно отметить, что, по-видимому, размеры генерируемых пузырьков не зависят от размера пор мембраны или от вязкости матрицы.
Далее в следующем описании и сопутствующих чертежах, в которых описаны некоторые воплощения изобретения и связанные с ними свойства, более подробно представляются способ и характеристики устройства, а также связанные с ними преимущества по сравнению с существующим уровнем техники.
Фиг.12 представляет принципиальную схему нового мембранного способа/устройства (Тип В I) с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре (Тип I), в соответствии с первым воплощением изобретения. На Фиг.12 позиция (1) обозначает два уплотнения по двусторонним уплотнительным кольцам, делающие возможным подвод газа/воздуха без утечки через вращающийся пустотелый вал (2). Газ/воздух поступает в вал через отверстие (3а) для впуска газа/воздуха, протекает по внутреннему каналу (3b) вала и далее покидает вал через отверстия (3с), поступая в полость вращающегося цилиндра (4), который удерживает на своей поверхности мембрану (6). Газ/воздух равномерно распределяется в полом цилиндре (3d) и оттуда продавливается через поры (3е) мембраны в диспергирующий поток зазор (7), образуя пузырьки на поверхности (8) мембраны или срываясь в виде газовых/воздушных струек
(11) в зазор. Непрерывная жидкая текучая фаза поступает в диспергирующее устройство через впуск (5) для жидкости/смеси. Как только жидкость/смесь поступает в диспергирующий зазор (7), преобладающая вращательная составляющая потока перекрывает скорость пропускания осевой составляющей потока. Внутри поля течения в зазоре газовые пузырьки (8) отделяются от поверхности мембраны и газовых струек (11), дробясь в условиях очень однородных напряжений, действующих в потоке узкого зазора (7). Более ясно это видно на Фигуре 12А. Газовая дисперсия/пена покидает устройство через выпускное отверстие (16) для пены. Цилиндрический корпус (17) в целом сконструирован как охлаждающая рубашка для передачи рассеиваемой теплоты вязкостного трения хладагенту, который поступает в охлаждающую рубашку через впуск (9) хладагента и покидает ее через выпускное отверстие (10) хладагента.
Фиг.13 представляет дополнительные сведения по новому мембранному способу/устройству Типа В II с мембраной, установленной на неподвижном корпусе (Тип II), в соответствии со вторым воплощением настоящего устройства. Вал (2) и подсоединенный цилиндр (4) больше не являются частью системы аэрирования. Мембрана (6) установлена на каркасной конструкции (18), соединенной с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса (17) и образующей газовую/воздушную камеру (19) между внутренней стенкой корпуса и мембраной. Через центральное отверстие (13а) для впуска газа/воздуха камера (19) снабжается газом/воздухом, который равномерно распределяется (13b) и продавливается через поры (13е) мембраны в диспергирующий зазор (7).
Ожидается, что непрерывный поток жидкости и его воздействие по методике диспергирования будут аналогичными описанному выше (Фиг.12) варианту способа типа I за исключением различного воздействия центробежных сил, которые в этом устройстве типа II обеспечивают большее количество газовой фазы, срывающейся в диспергирующий поток зазор, предпочтительно образуя газовые/воздушные струйки (11), тогда как в устройстве типа I центробежные силы противодействуют механизму срыва струек, отдавая таким образом большее предпочтение образованию пузырьков на поверхности мембраны. Однако это зависит от объемного расхода газа и прикладываемого трансмембранного давления. На втором представленном в увеличенном виде на Фиг.13А сечении зазора между мембраной и внутренним цилиндром показана модель вихревого потока Тейлора (24), который вносит вклад в улучшение отделения пузырьков от мембраны.
Можно ожидать, что механизм срыва струек, схематично показанный на представленной в увеличенном виде на Фиг.13А части зазора, до некоторой степени благоприятствует образованию более мелких пузырьков, когда газовая/воздушная струйка, образующая, как предполагается, удлиненную форму, дробится на капли (8) в диспергирующем потоке. Напротив, можно ожидать, что образование пузырьков на внутренней поверхности вращающейся мембраны создает более компактные газовые/воздушные образования с тенденцией при отделении к образованию крупных пузырьков газа или даже газового слоя, как демонстрируется на Фиг.12А. В последнем случае образование пузырьков может иметь место на поверхности жидкого слоя, от которого отделяются струйки. Эти тенденции были подтверждены экспериментами, проиллюстрированными на Фигурах 1, 3, 4, 16, 17 и 18, показывающих итоговые распределения величин размера пузырьков (Фиг.1: для мембраны, установленной на внутреннем вращающемся цилиндре (Тип I); Фиг.16: для мембраны, установленной на неподвижном корпусе (Тип II)) и средние диаметры пузырьков как функции объемной доли газа для двух различных способов/устройств типов BI и ВII (Фиг.17) и для роторно-статорного устройства (Фиг.18). Интересно, что при более высокой объемной доле газа (здесь: 50 об.%) средний размер пузырьков достигает той же самой величины. Это поддерживает объяснение, что механизм отделения/дробления газового/воздушного пузырька приближается к общему типу.
Это неожиданное открытие послужило мотивом для объединения способов/устройств обоих типов I и II, что означает, что оба элемента - и вращающийся цилиндр и корпус - могут быть оборудованы мембраной, удваивая таким образом производительность аэрирования на единицу объема диспергирующего зазора.
Структуры потока в виде показанного на Фиг.12 вихря Тейлора также действительно встречаются в конструкции обратного типа II, если превышается критическое число Тейлора (например, 41,3).
Элонгационные составляющие потока, допускающие увеличенное растяжение струек, могут по существу внести вклад в дальнейшее увеличение образования тонких газовых/воздушных струек вместо компактных газовых/воздушных образований на поверхности мембраны. Для реализации таких элонгационных составляющих потока используется, как показано на Фигурах 14А и 14В, эксцентрическое размещение (22) вращающегося внутри цилиндрического корпуса внутреннего цилиндра. В суживающей поток области зазора жидкость ускоряется на входе в область зазора (20), делая возможным дополнительное удлинение газовой струйки. В расширяющей поток области (21) зазора отрицательное удлинение, эквивалентное сужению, может поддерживать ослабление растянутой газовой/воздушной струйки, поддерживая таким образом генерацию так называемой рэлеевской неустойчивости и приводя к волнистой струйке, поддерживающей дробление на узко распределенные по размеру диспергированные пузырьки.
Периодические локальные элонгационные и релаксационные потоки на поверхности мембраны могут также создаваться с помощью профилированной поверхности той стенки цилиндра, на которой не установлена мембрана, как демонстрируется на Фигурах 15А и 15В для конструкции мембранного устройства типа II. В этом случае порождаются периодические вихри (23), скользящие по поверхности мембраны.
Показанные на Фигурах 1 и 20 распределения размера пузырьков были получены при сопоставимых параметрах круговой скорости вращающейся части, примененных в экспериментах по вспениванию с новым способом типов I и II (В), и с использованием той же самой взбиваемой модельной жидкой композиции NDA-1, состоящей из водного модельного раствора с 0,1% полисахарида/загустителя и 0,6% поверхностно-активного вещества. Были также проведены эксперименты по вспениванию с использованием обычного роторно-статорного вспенивающего устройства производства Kinematica AG, Luzern (CH), характерным для которого является применение условий турбулентного потока. Распределение полученных пузырьков по размерам представлено на Фиг.2. Прямое сравнение с Фигурами 1 и 16 показывает пузырьки явно более крупные и имеющие более широкое распределение по размерам.
Это различие более заметно на Фигурах 3 и 4, где сравниваются такие показатели размера пузырьков, как X10,0 (то есть такой диаметр пузырьков, ниже величины которого оказываются размеры 10% пузырьков), X50,0 (то есть диаметр, ниже величины которого оказываются размеры 50% пузырьков) и X90,0 (то есть диаметр, ниже величины которого оказываются размеры 90% пузырьков), а также отношение диаметров пузырьков X90,0/Х10,0 (то есть показатель ширины или «узости» распределения пузырьков по размерам, соответственно) для трех различных вариантов способа/устройства аэрирования: обычного роторно-статорного устройства с входящими в зацепление штифтами и характеристиками турбулентного потока (А), нового мембранного способа/устройства с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре, (В, тип I) и нового мембранного способа/устройства с закрепленной на кожухе мембраной и вращающимся внутренним сплошным цилиндром с гладкой поверхностью (В, тип II).
Помимо представленного выше сравнения нового способа/устройства типов I и II (В) с обычным роторно-статорным способом/устройством (А) в условиях одной и той же круговой скорости вращающихся элементов, было выполнено более общее сравнение характеристик диспергирования/вспенивания отображением средних диаметров пузырьков в виде функции от объемной энергии, подводимой к газовой/жидкой дисперсии внутри устройства для вспенивания. Оно представлено на Фиг.20 для рецептуры композиции второй модельной смеси NMF-2, содержащей 3% молочных белков в качестве поверхностно-активного вещества и 1,5% гуаровой камеди в качестве стабилизатора/загустителя (небольшие изменения рецептур NMF-2a и NMF-2b, но с сопоставимыми реологическими свойствами; более высокая вязкость по сравнению с рецептурой модельной смеси NDA-1 и в результате более значительные величины диаметра получающихся газовых пузырьков). Новая ротационная мембранная система (например, типа I с Фиг.20) потребляет намного меньше энергии (в 5-7 раз меньше) на единицу объема продукта из пены (при постоянной доле диспергированного газа в 50 об.%) по сравнению с обычным способом/устройством (А).
Кроме того, при подводе одной и той же объемной энергии около 3×107 Дж/м3, минимально требуемой для получения минимального возможного среднего размера пузырьков, составляющего при использовании обычного способа/устройства (А)≈70-75 мкм при объемном распределении (q3(х)) около X50,3 (ограничение вследствие центробежного расслаивания при увеличении подвода энергии / скорости вращения), новое устройство/способ при Х50,3 достигает величины ≈40-45 мкм (≈40% уменьшение размера).
На Фиг.21 далее показано численное распределение рецептуры модельной смеси NDA-1, аэрированной в ротационном мембранном устройстве типа II (мембрана установлена на внешней неподвижной стенке), однако с дополнительно профилированной поверхностью внутреннего цилиндра, устройстве, тип которого обозначен как IIb. Результаты сравниваются с представленными на Фигурах 1, 16 и 2. Сравнение с Фигурами 1, 16 и 2 показывает, что конструкция типа IIb также обеспечивает явно более мелкие и более узко распределенные пузырьки, чем роторно-статорное устройство (Фиг.2), и также более мелкие, чем ротационное мембранное устройство типа I (Фиг, 16), но уступает ротационному мембранному устройству типа II без профилированной стенки внутреннего цилиндра (Фиг.1).
Как здесь отмечалось, пена изобретения может использоваться для производства различных продуктов, включая пищевые. Такие продукты включают замороженные продукты, такие как мороженое, щербеты или другие новые виды продукции, охлажденные продукты питания, такие как взбитые пудинги, сливочные сыры, топпинги для десертов и т.п., или даже горячие пищевые продукты, такие как супы-пюре, соусы, подливы и т.п.
В зависимости от желаемого для пищевого продукта данного типа, пищевая пена изобретения может также включать годные к употреблению в пищу добавки, такие как зелень, специи, кусочки хлеба, мяса, овощей или включения, такие как орехи, фрукты, кусочки печенья, сласти или другие подобные. Кроме того, когда желательно, могут также включаться сиропы, топпинги, полутвердые продукты, такие как зефир, арахисовое масло, помадка или подобные. Для наиболее предпочтительного воплощения мороженого добавка может использоваться таким же образом, как и в производстве обычного мороженого. Если желательно суспендирование добавки в пену, то возможна обработка этого компонента для придания ему плотности, подобной плотности пены с тем, чтобы добавка не погружалась в нижние слои пены под действием силы тяжести, когда матрица находится в жидком состоянии. Кроме того, добавки той же плотности, что и пена, сохраняют характер своего размещения после смешивания и перед замораживанием пены. Одна хорошо известная методика снижения плотности добавки состоит в аэрировании или применении подобных вспенивающих технологий. Это также снижает стоимость конечного продукта, поскольку при одном и том же объеме масса компонента или добавки снижается.
Настоящая пена способствует производству недорогих, низкокалорийных, несложных в изготовлении продуктов питания, которые обеспечивают потребителя, как с точки зрения своих питательных качеств, так и с точки зрения пользы для здоровья. Кроме того, эти продукты питания могут производиться при любой температуре - от температур, при которых матрица находится в замороженном состоянии, до более высоких температур, при которых она является жидкостью. Таким образом, продукты могут храниться, транспортироваться или употребляться при комнатных температурах, более низких температурах или даже при более высоких температурах при условии, что матрица не нагревается выше ее точки кипения, когда значительное испарение может вызвать исчезание пены. Такие продукты могут готовиться обезжиренными с чистым и быстрым таянием или распаданием во рту, таким образом обеспечивая чистые вкусовые характеристики или вкусоароматический профиль продукта. Кроме того, эта пена обеспечивает кремообразное вкусовое впечатление без добавления жирового компонента. Это позволяет пене иметь низкую калорийную плотность, порядка от 240-250 до возможно 300 ккал на 100 мл порцию без пузырьков, что делает большинство, если не все продукты, чрезвычайно подходящими для рынка маложирной/низкокалорийной продукции. Кроме того, эти продукты могут выпускаться не содержащими белков и аллергенов, поскольку не требуют наличия каких-либо молочных компонентов. Это приводит к низкому гигиеническому риску, вследствие чего продукты могут храниться перед употреблением при комнатной температуре. Даже без молочного компонента эти продукты обеспечивают кремообразное, чистое, быстро тающее вкусовое впечатление, которое является желательным и приятным для потребителя. Мелкие воздушные пузырьки в пене действуют как шарики в подшипнике, смазывая небо потребителя.
Пена создает совершенно новое направление в производстве продуктов в виде мороженого. Пена может выпускаться и храниться при комнатной температуре до момента, когда становится желательным ее замораживание для получения мороженого. В технологии изготовления может готовиться базовая пена, которая затем может перерабатываться в желательные вкусоароматические рецептуры и помещаться в контейнеры, которые могут транспортироваться, продаваться и храниться при комнатной температуре. Этот способ подобен существующему в производстве красок, где готовится основа и по требованию к ней добавляется цвет. Подобные преимущества пригодны и для производства мороженого, поскольку на фабрике могут готовиться различные желаемые ароматизаторы или рецептуры. Фактически теперь торговые предприятия получают возможность составлять и продавать потребителю те конкретные ароматы или рецептуры, которые он желает при покупке продукта. Продукт продается с пеной, находящейся при комнатной температуре, поэтому его несложно транспортировать домой и хранить перед применением. Перед употреблением потребитель просто должен поместить мороженое на час или два в морозильник, чтобы дать возможность матрице замерзнуть. После этого оно может таять и храниться при комнатной температуре.
Как очевидно специалистам в данной области, могут быть предположены другие аналоги или варианты способа и устройства для получения нового пищевого вспениваемого продукта согласно воплощениям настоящего изобретения без отступления от его существенных характеристик. Соответственно, вышеприведенное раскрытие предназначается для того, чтобы быть иллюстративным, но не ограничивающим объем изобретения, который изложен в следующей формуле изобретения.
Изобретение относится к способу и устройству для производства пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице и может использоваться в пищевой промышленности для производства пищевых продуктов с низким содержанием жира. Устройство содержит пористую мембрану, имеющую контролируемый размер пор и расстояние между порами для получения однородного распределения по размерам газовых пузырьков, газовый насос, направляющий газ через пористую мембрану для образования пузырьков газа, жидкостной насос для направления потока жидкой матрицы мимо пористой мембраны и вращающийся элемент, двигающийся вблизи поверхности мембраны и вызывающий дополнительный поток для отделения, сбора, аккумулирования и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице. Технический результат состоит в получении пены, содержащей газовые пузырьки однородного размера и имеющей однородное распределение пузырьков газа по размерам. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 28 ил., 2 табл.
1. Устройство для производства пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, содержащее:
пористую мембрану, имеющую контролируемый размер пор и расстояние между порами для получения, по существу, однородного распределения газовых пузырьков по размерам;
газовое насосное устройство для направления движения газа к и через пористую мембрану для образования газовых пузырьков; и
жидкостное насосное устройство для направления потока жидкой матрицы мимо пористой мембраны для отделения, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице для получения пены, имеющей газовые пузырьки в целом однородного размера и, по существу, однородное распределение размера пузырьков газа, отличающееся тем, что пористой мембране (6) придается форма цилиндра, и дополнительно устройство содержит корпус (17), который включает стенку с поверхностью, которой придаются такие форма и размеры, чтобы примыкать к цилиндру из пористой мембраны, образуя узкий зазор (7) постоянной или переменной ширины в диапазоне от 0,1 до 10 мм между цилиндром из пористой мембраны и поверхностью стенки корпуса.
2. Устройство по п.1, в котором размер пор пористой мембраны (6), поток газа из газового насосного устройства и поток жидкости из жидкостного насосного устройства кооперативно взаимодействуют для обеспечения газовых пузырьков (8), имеющих средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,5 до 2,5 средних диаметров Хр поры мембраны, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 5.
3. Устройство по п.1 или 2 с дополнительным вращающимся элементом (4), работающим при изменяемой, регулируемой круговой скорости вблизи от поверхности пористой мембраны (6).
4. Устройство по п.1 или 2, в котором газовые пузырьки (8) имеют средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров Хр поры мембраны, а пена имеет коэффициент распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3.
5. Устройство по п.1 или 2, в котором жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 2.
6. Устройство по п.1 или 2, в котором конфигурация, размеры и расположение пористой мембраны (6) позволяют прохождение через нее газа и образование на поверхности газовых пузырьков (8), а также способствуют отделению газовых пузырьков от мембраны для их уноса с жидкой матрицей.
7. Устройство по п.1 или 2, в котором пористая мембрана (6) изготовлена из металла, керамического, стеклянного, полимерного или резинового материала и имеет диаметр пор в пределах от 0,1 до 10 мкм, поры среднего диаметра и узкое распределение пор по размерам, отличающееся величиной отношения максимального диаметра поры к минимальному менее 1,5, а также контролируемое расстояние между порами, составляющее по меньшей мере 3, но предпочтительно более 5 средних диаметров поры.
8. Устройство по п.1 или 2, которое дополнительно содержит по меньшей мере один приводящий элемент для вращения цилиндра, или корпуса, или их обоих для отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице.
9. Устройство по п.1, в котором цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, является внешней поверхностью цилиндра (4), примыкающая стенка корпуса (17) является внутренней стенкой, цилиндр из пористой мембраны (6) является вращающимся, а приводящий элемент обеспечивает вращение с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, отделяющей газовые пузырьки (8) и захватывающей их в жидкой матрице.
10. Устройство по п.1, в котором цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки (8), является внутренней поверхностью цилиндра из мембраны (18), а вращающийся элемент, предпочтительно являющийся вторым цилиндром без мембраны (4), располагается концентрически внутри цилиндра из мембраны (18), образуя зазор шириной 0,1-10 мм так, чтобы жидкая матрица направлялась мимо внутренней поверхности цилиндра из мембраны (18) для отделения газовых пузырьков и захватывания их в жидкой матрице.
11. Устройство по п.10, в котором цилиндр без мембраны (4), являющийся вращающимся элементом, располагается эксцентрически внутри цилиндра из мембраны (18), образуя зазор (7), имеющий величину отношения наибольшей ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5, для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.
12. Устройство по п.10 или 11, которое дополнительно содержит по меньшей мере один приводящий элемент для вращения внутреннего вращающегося элемента (цилиндра) (4), или цилиндра из мембраны (18), или их обоих в целях отделения газовых пузырьков (8) от поверхности пористой мембраны (6) и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице.
13. Устройство по п.10 или 11, в котором внутренний цилиндр без мембраны (4) имеет гладкую поверхность.
14. Устройство по п.10 или 11, в котором внутренний цилиндр без мембраны (4) имеет структурированную поверхность, состоящую из ориентированных вдоль оси или спиральных насечек с величиной отношения глубины прорези к самому узкому зазору от 1/10 до 1/2.
15. Устройство по п.1 или 2, в котором для обеспечения возможности регулирования при выборе размера пузырьков газа или распределения по размерам либо жидкостное, насосное устройство обеспечивает изменяемую, регулируемую массовую скорость потока жидкости матрицы, либо газовое насосное устройство направляет газ через мембрану (6) с изменяемыми, регулируемыми трансмембранным давлением и объемной или массовой скоростью потока газа, либо вращающийся элемент вращается с изменяемой, регулируемой круговой скоростью.
16. Способ изготовления пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, который включает:
прохождение потока газа к и через пористую мембрану, имеющую контролируемый размер пор, для получения, по существу, однородного распределения пузырьков газа по размерам, а также
прохождение потока жидкой матрицы мимо пористой мембраны для отделения, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице для образования пены, содержащей пузырьки газа в целом однородного размера и имеющей, по существу, однородное распределение пузырьков газа по размерам,
отличающийся тем, что пористой мембране (6) придают форму цилиндра, а зазор (7) между цилиндром из пористой мембраны (6) и поверхностью стенки корпуса (17) имеет ширину в диапазоне от 0,1 до 10 мм, при этом способ дополнительно предусматривает вращение цилиндра, стенки или их обоих для отделения пузырьков газа от поверхности пористой мембраны и захватывания пузырьков газа (8) в жидкой матрице.
17. Способ по п.16, который дополнительно включает выбор величин, отдельно или в комбинации, размера пор или расстояния между порами пористой мембраны (6), потока газа из газового насосного устройства и потока жидкости из жидкостного насосного устройства для обеспечения пузырьков газа (8), имеющих средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,5 до 2,5 средних диаметров Хр поры мембраны, для обеспечения пены с узким распределением газовых пузырьков по диаметрам, выражаемым величиной отношения Х90,0/Х10,0 менее 5.
18. Способ по п.16 или 17, в котором поток жидкости, прошедший пористую мембрану (6), обеспечивают изменяемой, регулируемой круговой скоростью и направляют близко к поверхности пористой мембраны (6).
19. Способ по п.16 или 17, осуществляемый для обеспечения газовыми пузырьками (8), имеющими средний диаметр Х50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров Хр поры мембраны, а пена имеет коэффициент распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3.
20. Способ по п.16 или 17, в котором жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 2.
21. Способ по п.16 или 17, в котором цилиндр (4) вращается с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра (4) находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, выбивающей газовые пузырьки (8) и захватывающей их в жидкой матрице.
22. Способ по п.16 или 17, в котором цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки (8), является внутренней поверхностью цилиндра из мембраны (18), а вращающийся элемент, предпочтительно являющийся вторым цилиндром без мембраны (4), располагается концентрически внутри цилиндра из мембраны (6), образуя зазор (7) шириной 0,1-10 мм так, чтобы жидкая матрица направлялась мимо внутренней поверхности цилиндра из мембраны для отделения газовых пузырьков (8) и захватывания их в жидкой матрице.
23. Способ по п.16 или 17, который включает эксцентрическое размещение цилиндра без мембраны (4), представляющего вращающийся элемент, внутри цилиндра из мембраны (18) с образованием зазора (7), имеющего величину соотношения наибольшей ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5, для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.
24. Способ по п.16 или 17, который дополнительно включает вращение внутреннего вращающегося элемента или цилиндра (4), или цилиндра из мембраны, или их обоих для отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны (6) и захватывания газовых пузырьков (8) в жидкой матрице.
25. Способ по п.16 или 17, в котором внутренний цилиндр без мембраны (4) имеет гладкую поверхность.
26. Способ по п.16 или 17, в котором внутренний цилиндр без мембраны (4) имеет структурированную поверхность, состоящую из ориентированных вдоль оси или спиральных насечек с величиной отношения глубины прорези к самому узкому зазору от 1/10 до 1/2.
27. Способ по п.16 или 17, который дополнительно включает подбор размера пузырьков газа или их распределения по размерам, регулируемым образом посредством управления потоком жидкой матрицы при изменяемой, регулируемой массовой скорости потока, контролируя поток газа через пористую мембрану (6) при изменяемых, регулируемых трансмембранном давлении и объемной или массовой скорости потока газа, или при вращении вращающегося элемента с изменяемой, регулируемой круговой скоростью для обеспечения возможности регулировки при выборе размера пузырьков газа или распределения по размерам.
28. Способ по п.27, в котором желательный размер пузырьков газа и распределение размера пузырьков газа достигаются в пределах диапазона объемных долей диспергированного газа от 20% до 70%, что эквивалентно взбитости от 25 до 230%.
| US 3118958 А, 21.01.1964 | |||
| ПЕНОГЕНЕРАТОР | 2001 |
|
RU2227063C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ГАЗАМИ | 2000 |
|
RU2178728C1 |
| Смесь для изготовления синтерированных электродов для газоразрядных источников света | 1978 |
|
SU694918A1 |
| Устройство для обучения операторов | 1986 |
|
SU1357994A1 |
