Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устойчивой 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 консистенции 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 закалочных туннелях 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 №№5 620 732, 6 436 460, 6 491 960, 6 565 908, раскрывают ограничение 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 №№6 558 729, 5 215 777, 6 511 694 и 6 010 734 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 №№5 345 781, 5 713 209, 5 919 510, 6 228 412 и RE 36 390 раскрывают специальное технологическое оборудование, главным образом одно- или двухшнековые замораживающие экструдеры непрерывного действия, для повышения качества микроструктуры мороженого (воздушные полости, кристаллы льда и агломераты жировых шариков) при использовании высоковязких сил трения, действующих обычно при 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 753 995 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 6 368 652, европейской патентной заявке 558 523 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 перетеканием 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 и 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 (η дисперсная / η непрерывная). 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 трудновыполнимым. 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 101 27 075 раскрывает ротационное мембранное устройство для получения эмульсионных систем. Однако это устройство не подходит для генерирования тонкодисперсной гомогенной газовой дисперсии или пены из-за больших радиальных размеров рассеивающих зазоров, образованных между мембранными модулями и корпусом, которые однозначно способствовали расслоению фаз при повышенных скоростях вращения, необходимых для тонкого диспергирования газовых пузырьков.
Публикации WO 2004/30799 и WO 01/45830 описывают подобные, предназначенные 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 замороженный 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 вспененной системе доставки. Эта система имеет по меньшей мере два компонента: пену и соединенную с ней добавку, переносимую или доставляемую пеной. Предпочтительно пена является устойчивой пеной, содержащей жидкую матрицу, пузырьки газа и структурирующий агент, который образует ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру без образования геля, придающего резинистую консистенцию, в которой ламеллярная/пузырьковая кейдж-структура захватывает в себя, по меньшей мере, существенную часть газовых пузырьков и жидкой матрицы для удерживания пузырьков газа и жидкости в достаточно плотной структуре, которая по существу предотвращает дренаж жидкой матрицы и слияние и расслоение газовых пузырьков для обеспечения стабильности пены даже в случаях, когда пена подвергается многочисленным термическим ударам. Подходящие жидкие матрицы содержат полярную жидкость, такую как вода, в то время как газ может быть азотом, кислородом, аргоном, двуокисью азота (N2O2) или их смесью. Предпочтительная жидкая матрица является водой, в то время как предпочтительный газ является воздухом.
С помощью данной системы доставки может переноситься и доставляться любая из широкого разнообразия различных добавок. Типичные добавки включают питательный компонент, лекарственный компонент, косметический компонент, ароматический компонент или другой обладающий специфической функциональностью компонент. Когда система доставки разрабатывается для пищевых целей, она должна быть продуктом питания или напитком. Продукт питания может готовиться и потребляться при комнатной или температуре холодильного устройства, представляя собой, например, пудинг или йогурт, или же он может нагреваться. Нагреваемые напитки могут образовывать суп или соус, или даже горячий кремообразный напиток, такой как капуччино. Продукт питания может также переводиться в твердое состояние посредством охлаждения ниже температуры замерзания жидкой матрицы. В последнем случае предпочтительно использование газовых пузырьков, которые имеют достаточно малый средний диаметр и расположение в ламеллярной/пузырьковой кейдж-структуре достаточно тесное для того, чтобы при воздействии на пену температур ниже температуры замерзания жидкой матрицы препятствовать образованию в жидкой матрице твердых замороженных кристаллов со средними диаметрами X50,0 в 50 мкм или более. Могут доставляться и другие пригодные для употребления в пищу продукты. Добавка может быть лекарственным компонентом, который является фармацевтическим, нутрицевтическим, медикаментозным или биологически активным веществом с тем, чтобы система доставки могла применяться в качестве питательной добавки или для лечения болезненных состояний или заболеваний.
В систему доставки могут также включаться добавки, не предназначаемые для пищевых применений. В случае косметических рецептур добавка может быть косметически активным средством с тем, чтобы система могла использоваться для обработки кожи человека, волос, ногтей или слизистых. Добавка также может быть биополимером или биоинженерной композицией, тогда как система при этом выступает в качестве носителя для полимера. Кроме того, добавка может быть неорганическим компонентом, содержащим стеклянные, глинистые или керамические частицы или волокна с тем, чтобы система могла использоваться в качестве изоляции или шумопоглощающего средства.
В этих системах доставки жидкая матрица предпочтительно содержит воду, а газ предпочтительно является воздухом. Газовые пузырьки обычно имеют средний диаметр X50,0, 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. Предпочтительно газовые пузырьки имеют средний диаметр X50,0, составляющий менее 15 мкм, и расположены с промежутками менее 15 мкм, а пена имеет коэффициент распределения пузырьков по диаметрам менее 3 и, более конкретно, между 2 и 3.
Структурирующий агент содержит амфифильное соединение или материал, который включает гидрофобные и набухающие гидрофильные участки, которые образуют ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру. Структурирующий агент, как правило, является поверхностно-активным веществом или, конкретнее, эмульгатором, который присутствует в количестве от около 0,05 до 2 мас.% от массы жидкой матрицы. Наиболее предпочтительным структурирующим агентом является термически, физико-химически или механически предварительно обработанный полиэфир глицерина и жирных кислот (PGE), который присутствует по отношению к массе жидкой матрицы в количестве от около 0,1 до 2,5%.
Жидкая матрица возможно включает загуститель в количестве, достаточном для обеспечения увеличенной вязкости жидкой матрицы, в целях способствования удержанию матрицы и пузырьков газа в ламеллярной кейдж-структуре. Модификатор вязкости 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. Предпочтительно углевод в случае присутствия является сахарозой, глюкозой, фруктозой, кукурузной патокой, лактозой, мальтозой или галактозой и присутствует в количестве от около 20 до 35 мас.% от жидкой матрицы, растительный или молочный белок в случае присутствия является соевым, сывороточным или молочным белком в количестве от около 10 до 15 мас.% от жидкой матрицы, и полисахарид в случае присутствия является гуаровой камедью, камедью бобов рожкового дерева, каррагенаном, пектином или ксантановой камедью в количестве от около 0,05 до 1,25 мас.% от жидкой матрицы.
Настоящее изобретение также относится к вспененной системе доставки, которая включает добавку, но в которой описанные здесь пены поддерживаются при температуре ниже вызывающей 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, а пена остается достаточно устойчивой, чтобы быть способной доставлять добавку, даже после многократных термических ударов.
Другое воплощение изобретения относится к способу создания вспененной системы доставки, которая содержит устойчивую пену, содержащую жидкую матрицу, газовые пузырьки и структурирующий агент, который образует ламеллярную/пузырьковую кейдж-структуру без образования геля, придающего резинистую консистенцию, при котором ламеллярная кейдж-структура захватывает, по меньшей мере, существенную часть пузырьков газа и жидкой матрицы для удерживания пузырьков газа и жидкости в достаточно плотной структуре, которая по существу предотвращает дренаж жидкой матрицы и слияние и расслоение газовых пузырьков для обеспечения стабильности пены даже в случаях, когда пена подвергается термическому удару, и при котором происходит связывание добавки с пеной для образования системы доставки.
Опять-таки возможно использование любых добавок из имеющегося широкого разнообразия, включая питательный компонент, лекарственный компонент, косметический компонент, ароматический компонент или другой обладающий специфической функциональностью компонент. Они могут вводиться в пену в форме капелек жидкости, инкапсулированного материала или твердых частиц. Как правило, эти добавки предназначаются для введения в систему доставки до образования пены. Например, когда добавка является растворимой в жидкой матрице, она может вводиться посредством растворения в жидкой матрице до образования пены. Когда добавка нерастворима в жидкой матрице, она может быть суспендирована и диспергирована в жидкой матрице до образования пены.
При объединении со структурой устойчивой пены значительно улучшаются распределение и высвобождение добавки в ходе применения. Это происходит благодаря тому, что во время механической обработки в условиях применения, например размазывания по коже (косметические препараты) или сдвиговых воздействий между языком и небом (пища), расслоение/высвобождение газовой фракции поддерживает образование однородных и тонких слоев жидкости из пены, и, таким образом, обеспечивается тесный контакт тонкого слоя с поверхностями (кожи, языка). Это улучшает быстрый массоперенос функциональных добавок (лекарственного препарата на кожу, вкусоароматического вещества на язык).
Другое воплощение этого способа содержит, кроме того, образование системы доставки из твердой пены поддерживанием пены при температуре ниже вызывающей затвердевание или замерзание жидкой матрицы, при котором затвердевшая или замороженная матрица не включает замороженные кристаллы жидкости, имеющие средний диаметр X50,0 в 50 мкм или более, и при котором, кроме того, после многократных термических ударов пена остается достаточно устойчивой, чтобы быть способной доставлять добавку.
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.
Фиг.5А и 5В представляют полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа микрофотографии ламеллярных кейдж-структур пены 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 в порядке следования этапа нагревания (I) и этапа регулирования pH (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 традиционного шербета.
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 1) аэрирующего устройства по изобретению, показывающий осевое сечение устройства с мембраной, установленной на поверхности внутренней вращающейся части (то есть цилиндра), и представленными на Фиг.12А и Фиг.12 В увеличенными изображениями сечения зазора, показывающими компактные газовые образования на поверхности мембраны.
Фиг.13 - схематический чертеж второго воплощения (Тип II) аэрирующего устройства по изобретению, 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; Фиг.14В иллюстрирует 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.15 В иллюстрирует сечение, параллельное оси вращения.
Фиг.16 - график функции распределения размера пузырьков воздуха qo(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 qo(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(х)) как функции диспергированного газа при 30 объемных долях для модельной рецептуры NDA-1, аэрированной 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 NDА-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250).
Фиг.20 - график, демонстрирующий функциональную зависимость среднего диаметра пузырьков Х50,0 (средняя величина распределения объема пузырьков, q3(х)) 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 корпусе, и 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 следующем ниже описании применяется ряд определений, используемых для определения изобретения и понимания элементов его новизны.
Термин «термический удар» для целей настоящего изобретения означает изменение в состоянии пены от твердого до жидкого или полужидкого состояния, или наоборот, вызываемое 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 нереакционно-способным 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 нереакционно-способной по отношению к газовым пузырькам и составным частям матрицы. Поскольку основным применением пены должна быть сфера потребления, газ и жидкость должны быть нетоксичными для потребления человеком.
Матрица обычно содержит жидкость и включает структурирующий агент, который образует ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру без образования геля, придающего пене резинистую консистенцию. 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 вытекает 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 X50.0, составляющий менее 30 мкм, и располагаются с промежутками менее 30 мкм, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметру X90,0/Х10,0 менее 5. Более предпочтительно газовые пузырьки имеют средний диаметр X50,0, составляющий менее 15 мкм, и расположены с промежутками менее 15 мкм, а пена имеет коэффициент распределения пузырьков по диаметру 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 pH перед этапом нагревания и нейтрализация зарядов при пониженном pH 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 бобов рожкового дерева, каррагинан 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 X50,0 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 pH между 6 и 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 резинистую консистенцию, 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 pH 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 от около 20 до 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 pH 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 pH 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 pH 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 X50,0 менее 10 мкм и имеющих узкое распределение размера пузырьков газа с величиной коэффициента распределения пузырьков по диаметру Х90,0 / Х10,0 менее 3,5, газовые пузырьки могут обеспечиваться в растворе через вращающуюся мембрану со средним диаметром пор в 6 мкм, которым приданы такие форма, размеры, расположение и характер движения, чтобы отделять газовые пузырьки такого 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 X50,0 менее 7,5 мкм и узким распределением размера пузырьков газа с величиной коэффициента распределения пузырьков по диаметру 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 X50,0 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 по изобретению 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 по изобретению 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 контроля 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 ароматизаторы 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, углекислый кальций, 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 болезни, а также вещества, которые обеспечивают животному при потреблении некоторую степень питательной или терапевтической пользы. Более конкретно термин «функциональный ингредиент» относится 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 по изобретению 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 удовлетворяют 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 фотохимических 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 фотохимических 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 №5 879 733, Tsai, патент US №4 935 256, Lunder, патент US №4 680 193 и Creswick, патент US №4 668 525.
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 слой сверху (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 B6, 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 В1, 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 В1, 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 рабочие характеристики, касающиеся, 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 фотохимические 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 извлекаться из, например, фруктов, овощей или других натуральных источников любым подходящим, известным специалистам в данной области способом. Например, флаванолы могут извлекаться 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 возможно, но предпочтительно содержать, кроме того, одно или несколько подкисляющих средств. Добавка подкисляющего средства может использоваться для поддержания pH композиции. Композиции настоящего изобретения предпочтительно имеют величину pH 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 pH 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, EDTA (этилендиаминтетрауксусная кислота) 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 баканов 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 №5 670 344; или Diehl и др., патент US №5 612 026. 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, псиллиумом, гуаровой камедью, ксантановой камедью, альгинатами, аравийской камедью, инулином, агаром и каррагенаном. 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 K, подслащивающие вещества на основе эфирных производных L-аспартил-L-фенилаланина и низших алкилов, амиды L-аспартил-D-аланина, амиды L-аспартил-D-cepина, подслащивающие вещества на основе L-аспартил-гидроксиметилалканамида, подслащивающие вещества на основе амида L-аспартил-l-гидроксиэтилалканамида, глициризины 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 билоба, 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 билоба. 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 гладкого 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 однородной 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 Фиг.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 в -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 Х90,0/Х10,0 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 pH 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 pH и близкой к нулевой концентрации ионов. Замороженный пищевой продукт из пены имеет отрегулированное нейтральное значение pH 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 pH 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 отношения (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 температура охлаждения в течение приблизительно нескольких часов, снижение pH 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 pH доводится до приблизительно нейтральной величины перед добавлением эмульгатора. Приблизительно нейтральная величина pH 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 гомогенизизация выполняется как одностадийная гомогенизация при давлении гомогенизации не менее приблизительно 100 бар. В качестве варианта гомогенизации 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 гомогенизирования 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 pH 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 до пор, имеющей размер пор в 1-6 мкм и расстояние до пор в 10-20 мкм, предусматривающей тонкую дисперсию 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 отношением Х90,0/Х10,0 не выше приблизительно 3.
Описанный выше новый 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 qo(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 Х90,0 (величины распределения плотности, qo(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 сопоставлена 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, X50,0 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 отношения диаметра пузырьков X90,0/X10,0, показывающим ширину или «узость» распределения размера пузырьков соответственно для трех ранее упомянутых различных вариантов способа/устройства аэрирования. Величина соотношения X90,0/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 X90,0/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 pH (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 шербета (цилиндр слева) в сравнении с образцом тонкой пены (цилиндр справа) этот столб оказывается в около 15 раз выше. Пена по настоящему изобретению 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 наблюдается. Это именуется новой «стабильностью при многократных циклах замораживания и оттаивания» тонкой пены.
Фиг.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 новую 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 может происходить при фиксированной, или переменной, или фиксированной с регулированием, или периодически колеблющей поверхность круговой скорости, или в режиме регулируемой по времени скорости относительно другой поверхности.
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 Фиг.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 на методику 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 структура 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 Фиг.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. Потоковые структуры 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 Фиг.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 Фиг.15А и 15В для конструкции мембранного устройства типа II. В этом случае порождаются периодические вихри (23), скользящие по поверхности мембраны.
При сопоставимых значениях окружной скорости вращающейся части, примененных в экспериментах по вспениванию с новым способом типов I и II (В), и с использование той же самой взбиваемой модельной жидкой композиции NDA-I, состоящей из водного модельного раствора с 0,1% полисахарида/загустителя и 0,6% поверхностно-активного вещества, были получены распределения размера пузырьков, показанные на Фиг.1 и 20. Были также проведены эксперименты по вспениванию с использованием обычного роторно-статорного вспенивающего устройства производства Kinematica AG, Luzern (СН), в которых обычно применяются условия турбулентного потока. Распределение полученных пузырьков по размерам представлено на Фиг.2. Прямое сравнение с Фиг.1 и 16 показывает явно более крупные и имеющие более широкое распределение по размерам пузырьки.
Это различие более заметно на Фиг.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 Х90,0 (то есть диаметр, ниже величины которого оказываются размеры 90% пузырьков), а также соотношение диаметра пузырьков Х90,0/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 второй модельной смешанной рецептуры композиции 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 модельной смешанной рецептурой NDA-1 и, следовательно, 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 модельной смешанной рецептуры NDA-1, аэрированной в ротационном мембранном устройстве типа II (мембрана установлена на внешней неподвижной стенке), однако с дополнительно профилированной поверхностью внутреннего цилиндра, названного типом II b. Результаты сравниваются с представленными на Фиг.1, 16 и 2. Сравнение с Фиг.1, 16 и 2 показывает, что конструкция типа II b 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, шербеты 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 по изобретению 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 (украшения сверху), 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 свое расположение 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 потребляться 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.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТОЙЧИВАЯ ПЕНА И СПОСОБ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА | 2007 |
|
RU2461223C2 |
| ПИТАТЕЛЬНЫЕ И ПОЛЕЗНЫЕ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ НИЗКОКАЛОРИЙНЫЕ, МАЛОЖИРНЫЕ ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ | 2007 |
|
RU2461209C2 |
| ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНЫ | 2007 |
|
RU2443465C2 |
| АЭРИРОВАННЫЙ ПРОДУКТ НА ЖИРОВОЙ ОСНОВЕ И ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЕ | 2015 |
|
RU2706474C2 |
| СТАБИЛЬНЫЕ АЭРИРОВАННЫЕ ПИЩЕВЫЕ ПРОДУКТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ МАСЛО И ЦИКЛОДЕКСТРИН | 2006 |
|
RU2394436C2 |
| ЗАМОРОЖЕННЫЙ АЭРИРОВАННЫЙ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКТ, СОДЕРЖАЩИЙ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВОЛОКНА | 2007 |
|
RU2448474C2 |
| Замороженный десертный продукт | 2021 |
|
RU2757598C1 |
| АЭРИРОВАННЫЕ ПРОДУКТЫ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЖИРОВОЙ ФАЗОЙ | 2008 |
|
RU2476127C2 |
| Способ получения аэрированной пищевой композиции, аэрированная пищевая композиция и устройство для получения аэрированной пищевой композиции | 2020 |
|
RU2823625C2 |
| МОРОЖЕНОЕ | 2009 |
|
RU2489029C2 |
Изобретение может быть использовано при производстве мороженого, напитков, супов, соусов. Вспененная система доставки включает устойчивую пену и добавку. Устойчивая пена содержит жидкую матрицу, пузырьки газа и структурирующий агент. Жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом. Газовые пузырьки имеют средний диаметр Х50,0 менее 30 мкм и располагаются с промежутками менее 30 мкм. Пена имеет величину коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 5. Структурирующий агент содержит амфифильное соединение или материал. Амфифильное соединение является термически, физико-химически или механически предварительно обработанным полиэфиром глицерина и жирных кислот (PGE). PGE присутствует в количестве от около 0,1 до 2 мас.% от массы жидкой матрицы. Способ получения вспененной системы доставки предусматривает получение устойчивой пены путем введения в жидкую матрицу при рН 6-8 PGE. Далее к жидкой матрице добавляют способствующее набуханию вещество при нагревании при 60-95°С в течение 20-85 секунд. При этом способствующее набуханию вещество содержит неэтерифицированные жирные кислоты (FFA) в количестве 0,1-2,0 мас.% от массы жидкой матрицы. Полученный раствор гомогенизируют и охлаждают при температуре ниже окружающей среды. Затем обеспечивают воздушные пузырьки в растворе посредством взбивающего устройства или путем пропускания раствора через поры мембраны и связывают добавку с полученной пеной. Изобретение позволяет получить продукт, стабильный при хранении в условиях комнатной температуры, и структурой, устойчивой к изменениям температуры. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 табл., 21 ил.
1. Вспененная система доставки, включающая:
устойчивую пену, содержащую жидкую матрицу, пузырьки газа и структурирующий агент,
- в которой 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 газовых пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 5,
- в которой структурирующий агент содержит амфифильное соединение или материал, который включает гидрофобные и набухшие гидрофильные участки, которые образуют ламеллярную или пузырьковую клеточную структуру,
- в которой амфифильное соединение является термически, физико-химически или механически предварительно обработанным полиэфиром глицерина и жирных кислот (PGE), который присутствует в количестве от около 0,1 до 2 мас.% от массы жидкой матрицы, и добавку, связанную, переносимую или доставляемую с помощью системы доставки.
2. Система доставки по п.1, в которой добавка является питательным компонентом, лекарственным компонентом, косметическим компонентом, ароматическим компонентом или другим функциональным компонентом.
3. Система доставки по п.1, рецептура которой составлена так, чтобы быть пригодной к употреблению в пищу в качестве продукта питания или напитка.
4. Система доставки по п.3, в которой напиток нагревается для образования горячего напитка, супа или соуса.
5. Система доставки по п.2, в которой лекарственный компонент является фармацевтическим, нутрицевтическим, медикаментозным или биологически активным веществом, а система доставки применяется в качестве питательной добавки или для лечения болезненных состояний или заболеваний.
6. Система доставки по п.2, в которой косметический компонент включает косметически активное средство для обработки кожи человека, волос, ногтей или слизистых.
7. Система доставки по п.2, в которой добавка является биополимером или биоинженерной композицией, а система является носителем для полимера.
8. Система доставки по п.2, в которой добавка является неорганическим компонентом, содержащим стеклянные, глинистые или керамические частицы или волокна.
9. Система доставки по п.1, в которой газовые пузырьки имеют средний диаметр Х50,0, составляющий менее 15 мкм, и располагаются с промежутками менее 15 мкм, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х90,0/Х10,0 менее 3,5.
10. Система доставки по п.1, в которой жидкая матрица дополнительно содержит усилитель вязкости в количестве, достаточном для обеспечения увеличенной вязкости жидкой матрицы для удержания матрицы и газовых пузырьков в ламеллярной клеточной структуре.
11. Система доставки по п.1 или 10, в которой жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом, усилитель вязкости является углеводом в количестве от около 5 до 45 мас.% от массы жидкой матрицы, растительным или молочным белком в количестве от около 5 до 20 мас.% от массы жидкой матрицы, полисахаридом в количестве от около 0,1 до 2 мас.% от массы жидкой матрицы или их смесью.
12. Система доставки по п.11, в которой углевод, в случае присутствия, является сахарозой, глюкозой, фруктозой, кукурузной патокой, лактозой, мальтозой или галактозой и присутствует в количестве от около 20 до 35 мас.% от массы жидкой матрицы, растительный или молочный белок, в случае присутствия, является соевым, сывороточным или молочным белком в количестве от около 10 до 15 мас.% от массы жидкой матрицы, и полисахарид, в случае присутствия, является гуаровой камедью, камедью бобов рожкового дерева, каррагинаном, пектином или ксантановой камедью в количестве от около 0,1 до 1,25 мас.% от массы жидкой матрицы.
13. Система доставки по п.1 в виде твердой пены, которая поддерживается при температуре ниже температуры, вызывающей затвердевание или замерзание жидкой матрицы, в которой затвердевшая или замороженная матрица не включает замороженные кристаллы жидкости, имеющие диаметры в 50 мкм или более, и в которой дополнительно после многократных термических ударов пена остается достаточно устойчивой, чтобы быть способной доставлять добавку.
14. Способ создания вспененной системы доставки, который включает:
- получение устойчивой пены, содержащей жидкую матрицу, пузырьки газа и структурирующий агент, путем введения в жидкую матрицу при рН 6-8 кристаллического амфифильного соединения, включающего гидрофобные и гидрофильные части;
- добавление к жидкой матрице вещества, способствующего набуханию, при нагревании при температуре от 60°С до 95°С в течение времени от около 20 до 85 с, где амфифильное соединение является PGE и представлено в количестве 0,1-2,0 мас.% от массы жидкой матрицы, а вещество, способствующее набуханию, содержит неэтерифицированные жирные кислоты (FFA) в количестве 0,1-2,0 мас.% от массы жидкой матрицы;
- гомогенизацию раствора;
- охлаждение гомогенизированного раствора при температуре ниже окружающей среды;
- обеспечение воздушных пузырьков в растворе посредством взбивающего устройства или путем пропускания через поры мембраны и
- связывание добавки с пеной для образования системы доставки.
15. Способ по п.14, в котором добавка является питательным компонентом, лекарственным компонентом, косметическим компонентом, ароматическим компонентом или другим функциональным компонентом.
16. Способ по п.14, в котором добавка содержится в капельках жидкости, в инкапсулированном материале или в твердых частицах и вводится в систему доставки до образования пены.
17. Способ по п.14, 15 или 16, в котором добавка является растворимой в жидкой матрице и вводится посредством растворения в жидкой матрице до образования пены.
18. Способ по п.14, 15 или 16, в котором добавка не является растворимой в жидкой матрице, а суспендируется и диспергируется в жидкой матрице до образования пены.
19. Способ по п.14, 15 или 16, который дополнительно включает образование системы доставки из твердой пены поддерживанием пены при температуре ниже температуры, вызывающей затвердевание или замерзание жидкой матрицы, при котором затвердевшая или замороженная матрица не включает замороженные кристаллы жидкости, имеющие диаметры в 50 мкм или более, и в котором дополнительно после многократных термических ударов пена остается достаточно устойчивой, чтобы быть способной доставлять добавку.
| US 6596333 B1, 22.07.2003 | |||
| BRIAN M | |||
| MCKENNA "Texture in food | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Перекатываемый затвор для водоемов | 1922 |
|
SU2001A1 |
