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May 19, 2023

乾燥および蒸発技術を最適化して高品質を実現する方法

Secondo un rapporto della Plant Based Foods Association (PBFA), il 57% di tutti gli alimenti statunitensi

Plant Based Foods Association (PBFA) の報告によると、2020 年に米国の全世帯の 57% が植物ベースの食品を購入し、2019 年の 53% から増加しました。画像 by johndavi from Pixabay

乾燥豆、レンズ豆、エンドウ豆は、多くの東洋文化で主食として長い間確立されてきた後、西洋の食生活でも人気があり、ますます多くの選択肢となっています。 豆類の消費量増加の要因には、エスニック料理への幅広い関心と食に対する意識の変化が含まれます。 グループとして、それらは最も栄養的に完全な食品の 1 つであり、安価で広く入手可能です。 これらの大豆、緑豆、ひよこ豆、ルピナス、レンズ豆、エンドウ豆は、タンパク質、繊維、炭水化物が豊富で脂肪が少ないため、乳製品や肉の健康的で人気の代替品となっており、ビーガン、ベジタリアン、フレキシタリアンの食事への傾向が大きく広がっています。乳製品や肉の代替品としての植物ベースのタンパク質の使用に影響を与えます。

2020 年、植物由来産業の勢いが続き、急速な成長を遂げました。 何百もの新製品が市場に投入され、食品表示に関する重要な規制上の勝利により、植物由来製品の平等な競争条件が確保されました。 Plant Based Foods Association (PBFA) の報告によると、2020 年に米国の全世帯の 57% が植物ベースの食品を購入し、2019 年の 53% から増加しました。

植物ベースのタンパク質を製造する施設を建設する主な市場の推進力は、畜産への依存を減らしながら、非動物性タンパク質と原料に対する需要の高まりに応えることです。 歴史的に、穀物の分別の専門知識を持つ原料メーカーは、多くの食品および産業用途の主な関心事としてデンプンに焦点を当てていました。 タンパク質と繊維はそれほど重要な収入源ではなく、ほとんどが動物の飼料として指定されていました。 食習慣や社会的関心の変化に目を付け、これらの製造業者や新規投資家は現在、収益性を高めるためにエンドウ豆やその他の豆類からの貴重なタンパク質に注目している。

ほとんどのプラント新興企業は、年間 35,000 ～ 70,000 トンの生の作物粉砕物の処理を検討しています。 これらの工場は、植物ベースの肉代替品の高成長市場分野を活用することに関心を持っており、テクスチャー化植物タンパク質 (TPP) (テクスチャー化植物タンパク質 (TVP) とも呼ばれる) に加工される高価値のタンパク質を生産し、そこで押出成形されます。小売および外食向けの肉代替品。

肉代替品は、タンパク質を 70 ～ 75% の範囲で含むように製造され、植物ベースの最終肉製品に押出成形または成形されます。 押出プロセスを使用して製品の質感と形状を定義し、クランブル、ストリップ、パティ、ソーセージなどの形状に成形できます。 基本的に、押出機に販売されるこの高価値タンパク質のトンあたりのコストが、商品の市場価値を決定するための最も現実的なベンチマークを確立します。

しかし、主要な焦点であるタンパク質は、パルス構造全体のわずか 20 ～ 25% を占めます。 豆類の残りの 75 ～ 80% は、デンプン、繊維、可溶物などの副産物として最終的に生成されます。 これらの施設が直面する課題は、タンパク質、デンプン、繊維、可溶物を分離するための最適なプロセスを特定して評価することと、これらの製品を最大限の収益性のために利用する方法を特定して評価することです。

原料の処理はほとんどの場合、規模に依存しており、低い利益を補うために大量生産に依存しています。 新しいタンパク質粉、分離物、濃縮物の需要が急速に高まっているにもかかわらず、加工施設の建設にかかるコストと複雑さにより、原料生産能力の実現が遅れる可能性があります。 植物ベースのタンパク質製造における最優先事項の 1 つは、高生産量、機能性の利点、および効率を提供する加工方法を特定することです。

タンパク質、繊維、デンプン、可溶物を高純度に分離するための豆類の調製は、最終処理に乾燥と蒸発を組み込んだ湿式分別プロセスに依存しています。 これらの分画プロセスには以下が含まれます。 a) タンパク質の精製。 b) 繊維とデンプンの分離。 c) 可溶物の回収。

タンパク質の抽出と精製:タンパク質抽出プロセスでは、豆類がタンパク質、繊維、デンプン、可溶分に分離されます。 最初の分離後、タンパク質画分は特定の特性と最終用途の特性を得るために修飾されます。 最も広く使用されているプロセスは、タンパク質画分の抽出を促進するために豆類の pH を調整することによって行われる活性沈殿法です。

次に、機能的なタンパク質修飾酵素を利用して、乳化、ゲル化、溶解度などの栄養特性や機能特性など、メーカーが望むタンパク質の特性を実現します。 得られたタンパク質の流れをスプレードライヤーで乾燥させて粉末にし、80 ～ 95% のタンパク質単離物を得ることができます。

繊維/デンプンの分離:繊維とデンプン画分は複合ストリームとして保持し、リング乾燥機で乾燥することも、構成繊維とデンプン製品にさらに分離することもできます。 人間の栄養やその他の食品成分として価値の高い食物繊維として、繊維はリング乾燥機で乾燥させることができます。

デンプン画分はフラッシュ乾燥機で乾燥させ、その後焼き菓子、インスタント食品、その他の食品または工業目的に使用できます。

可溶物の回収:タンパク質精製ステップからの排水ストリームには、付加価値のある製品として回収できる追加の栄養素が含まれています。 多くの回収プロセスが考えられますが、蒸発器を簡単に導入することで、廃水流の環境への影響を改善しながら、栄養豊富な液体製品を濃縮することができます。 この濃縮製品は液体肥料として使用したり、繊維とブレンドして飼料として使用することができます。 さらに、有機物濃度が低下した凝縮流は、熱源として回収したり、プロセス水回収のためにさらに処理して淡水の消費量を削減したりすることができます。

植物ベースのタンパク質市場の発展に伴い、プロセスメーカーは特殊なニーズを満たすために新しいソリューションを革新し続けています。 多くのサプライヤーと同様、Dedert Corporation は原料メーカーと提携してカスタム設計のプロセス技術を開発しました。 以下にいくつかの例を見ていきます。

植物ベースのタンパク質などの多くの粉末原料の製造における重要なプロセスとして、噴霧乾燥は、食品の安全性、製品の品質、機能性、持続可能性のバランスをとる必要がある重要な製品乾燥機能を実行します。

アトマイザーを通過すると、水滴が熱風と接触して蒸発し、タンパク質が粉末として放出され、スプレー ドライヤーの底に落ちます。 乾燥プロテインパウダーは空気圧で製品収集サイクロンに運ばれ、その後プロテインパウダー輸送ラインに排出され、サイロに保管したり、バッグやトートバッグに詰めたりします。

スプレードライヤーは、メーカーが乳タンパク質の用途に精通しており、狭い粒度分布範囲を指定しているため、植物ベースのタンパク質に対してノズル噴霧を使用して主に適用されています。 ノズル噴霧には、かなりの飼料保持能力を備えた高圧ポンプの使用が必要なため、メンテナンスと衛生面に十分な配慮が必要になる場合があります。 用途によっては、ノズル噴霧が必須の場合もありますが、回転噴霧などの代替手段が利点をもたらす可能性があります。

植物由来タンパク質のスプレー乾燥機は、FDA ガイドラインに従って高い食品グレードの基準を満たす必要がありますが、3-A 衛生基準や欧州衛生工学設計グループ (EHEDG) の推奨設計ガイドラインなどのより高い乳製品レベルの基準は、まだ標準ではありません。 一部のサプライヤーは、厳しい EHEDG 衛生設計基準を満たすスプレー ドライヤーをすでに製造しており、顧客の要件に応じて実装できます。 これらのシステムには、新しい設計が組み込まれていることがよくあります。たとえば、簡単に検査にアクセスできるように、ヒンジ付きの外側被覆ドアを備えた取り外し可能なパネルのエアギャップ断熱材が採用されており、ボルトオン式パネルに比べてほんのわずかな時間で開閉できます。 名前が示すように、グラスファイバーやミネラルウールは使用されておらず、代わりに空気が容器の内外皮間の断熱に使用されます。

従来のボルトオン式パネルに比べ、パネルが取り外し可能で簡単に開閉ができる乾燥機です。 写真提供：Dedert Corporation

熱に敏感なため、でんぷんには気流乾燥機が使用されます。 デンプンを高温にさらすと、構造的および化学的特性が変化し、変性、糊化、またはその他の機能変化が生じる可能性があります。 フラッシュ乾燥は滞留時間が短く、湿度が低く、温度が低いため、でんぷん用途に最適です。

気流乾燥機は空気搬送と乾燥を同時に組み合わせた空気圧システムで、デンプン固形分が供給点に導入され、製品収集システムに完全に排出される前にシングルパス構成で乾燥されます。

滞留時間がわずか数秒と短いため、デンプン固体は短期間、比較的低い熱環境に接触します。 その結果、気流乾燥機は、全体にわたって均一な水分含有量と一貫した粒度分布を備えた高品質の最終デンプン製品を生産します。

開放回路構成の気流乾燥機は、特定の用途に対して最低温度で動作し、均一な乾燥とでんぷん材料の穏やかな処理を保証します。 周囲の新鮮な空気を使用することで、デンプンは常に清潔で混じりけのない低湿度の乾燥媒体と接触した状態に保たれ、汚染や製品の望ましい状態への変化のリスクを防ぎます。

リング乾燥プロセスはフラッシュ乾燥の拡張であり、繊維やデンプンにワンパスフラッシュ乾燥と比較してより長い乾燥時間が必要な場合に適用できます。

リング乾燥では、半乾燥した過大な材料を遠心力で乾燥システムに戻して追加の乾燥を行うマニホールド分級機を組み込むことにより、効率が大幅に向上します。 リング乾燥機は、完全に乾燥するまで半乾燥固体を内部再循環するため、他の点では同じ用途のフラッシュ乾燥機と比較して、より低い温度で動作することができます。 それにもかかわらず、リング乾燥機はわずか数秒という短い滞留時間を維持するため、固体が操作温度に短時間さらされることがなくなります。

リングドライヤーは用途に応じて 3 つの構成が利用可能です。

フィード式リングドライヤー - 乾燥機の効率を最大化するために、マニホールドが固体リサイクルを高温の供給ゾーンに戻すように配置されています。 マニホールドは遠心分級機として機能し、重い半乾燥生成物を選択的にシュートを通って分散機に再循環し、別の乾燥パスに送ります。 このリング ドライヤーの配置は、高温への曝露を制限できる、より弾力性のある製品タイプに適しています。

P型リングドライヤー -マニホールドは、固体リサイクルを温度の影響を受けやすい製品用の低温の排気ゾーンに戻します。 この配置は、特定の乾燥しにくい製品に、望ましくない変性を引き起こすことなく十分な乾燥に達するための追加の滞留時間を提供し、伝統的に加工デンプンの乾燥に使用されています。

フルリングドライヤー - 2 つの機能を提供できる独自のマニホールド設計を備えています。a) 固体は熱ダクトを通って空気吹き込み式解砕機にリサイクルされ、b) 必要に応じてマニホールド内で十分な乾燥に達するまで滞留時間が延長されます。 空気流中で追加の粉砕や動的混合を必要とする困難な乾燥用途には、このタイプの乾燥機が役立ちます。

各リング ドライヤー タイプは、製品の用途や運用要件に合わせて、開回路 (OC) または部分ガス リサイクル (PGR) 構成のいずれかを選択できます。 OC では、周囲空気がワンパス乾燥媒体として使用されます。 PGR では、乾燥機の排気流の大部分を予熱された乾燥媒体としてエア ヒーターに再循環させることで、さらなるエネルギー効率が達成されます。

タンパク質精製ステップで残った液体中の栄養素は、蒸発によって回収できます。 植物ベースのタンパク質の用途では、流下液膜型蒸発器の設計がシンプルな操作コンセプトを提供します。

流下膜蒸発- 流体は管壁に沿って薄い膜を形成し、重力によって蒸発器の底まで下方に（落下して）進み、同時に水が管状の蒸気空間に蒸発します。

機械的蒸気再圧縮 (MVR)- 機械式コンプレッサーまたはファンを追加すると、プロセスで蒸発した蒸気が高圧に圧縮されて蒸発の駆動蒸気として機能し、蒸気消費量が最小限に抑えられます。

熱蒸気再圧縮 (TVR) —中圧から高圧の蒸気が利用できる場合、蒸気加熱システムよりもエネルギー効率が高くなります。 推進蒸気は蒸気圧縮機を通って入り、蒸発した蒸気を吸い込みます。 蒸気は収束セクションで混合され、圧力が上昇して蒸発のための駆動蒸気として機能し、蒸気の消費を最小限に抑えます。

植物タンパク質、デンプン、繊維を抽出するための湿式分別は、溶媒と強力な乾燥に依存します。 これらのプロセスはエネルギーと水を大量に消費します。

乾燥は湿式分別に関わるプロセスの中で最もエネルギーを大量に消費するため、乾燥が必要な水の量が減少すると、プロセス全体のエネルギー要件が大幅に削減されます。 持続可能性とエネルギー効率の向上のためのプロセス革新は現在、サプライヤーや他の同様の考えを持つプロセスパートナーによって開発中です。

エネルギーの観点から見ると、熱乾燥では、約 970 BTU/lb の水の蒸発潜熱により、燃料の必要量やその他の加熱源に関連するコストが当然発生します。 (2256 kJ/kg)。 水分削減を他のプロセスに移すことでプロセス効率を高めることができます。 一般に、可能であれば、最初に機械的脱水を実施し、次に濃縮し、次に熱乾燥を実施して、総合的なプロセス効率を最大化する必要があります。 この取り決めにより、ユニット操作のコストとエネルギー効率が向上した代替乾燥技術を検討する機会も生まれます。 この取り決めが成功するかどうかは、プロセス設計への総合的なアプローチにかかっており、シームレスに統合されたプロセス ソリューションを保証するには、プロセス サプライヤー間の協力的なパートナーシップが必要です。

エネルギー効率に加えて、真水の消費も革新的な設計調査のもう 1 つの分野です。 上流の水利用者と下流の蒸発および乾燥技術の間のプロセス統合により、プロセス水として使用するための水の回収やその他の持続可能性の向上がもたらされる可能性があります。

詳細については、Dedert の Web サイト (www.dedert.com) をご覧ください。

植物性タンパク質市場

PBFAとグッド・フード・インスティテュート（GFI）によると、2020年の米国の植物性タンパク質小売市場は27.1％成長し、食品小売市場全体のほぼ2倍の70億ドル強となった。 成長を牽引したのは植物由来の肉で、小売売上高は2019年比45％増の14億ドルとなった。 植物ベースの肉カテゴリーは従来の肉の 2 倍の速さで成長し、現在では小売用加工肉売上高の 2.7% を占めています。

肉を食べる人にとって魅力的な植物ベースの肉は、比較的最近の革新です。 豆腐、テンペ、セイタンは何世紀にもわたって存在していましたが、従来のハンバーガーやチキンナゲットとほとんど区別がつかない感覚体験を提供する植物ベースの肉を製造する方法を発見したのはつい最近です。

GFIによると、「企業が従来の肉と事実上見分けがつかない植物ベースのハンバーガーやその他の製品を生産するため、植物ベースの肉市場はここ数年で大幅に拡大した。このアプローチは2012年にビヨンド・ミートのチキンの発売から始まった」それは2016年のインポッシブル・バーガーとビヨンド・バーガーの発売で本格的に始まり、どちらも主流のファストフード店で成功しました。」

PBFA の報告によると、2020 年に米国の世帯の 17.6% が植物由来の肉を購入しました。 しかし、植物性ミルクは引き続きこの分野の市場リーダーであり、2020年には世帯の39.0％が植物性ミルクを購入し、小売売上高で24億ドルを占め、年間売上高は20.4％増加した。 これら 2 つのカテゴリーを合計すると、2020 年の米国における植物由来食品の小売総額の 55.7 パーセント (39 億ドル) を占めました。

2020 年の米国のプラントベース食品小売売上高の残り 31 億ドルは、次のカテゴリーからのものです。冷凍食品 5 億 2,000 万ドル。 アイスクリーム/冷凍ノベルティ 4 億 3,500 万ドル。 クリーマーは3億9,400万ドル。 ヨーグルトは3億4,300万ドル。 プロテインパウダーは2億9,200万ドル。 バター2億7500万ドル。 チーズは2億7000万ドル。 豆腐/テンペ 1億7,500万ドル。 焼き菓子は1億5,200万ドル。 インスタント飲料は1億3,700万ドル。 調味料は8,100万ドル。 乳製品スプレッド/ソースは8,100万ドル。 そして卵は2,700万ドル。

この植物由来の小売売上高の拡大により、投資機会の扉が開かれました。実際、2020 年は米国における植物由来の投資にとって記録的な年となりました。GFI によると、米国の植物由来の分野への新たなユニークな投資家が増加しました。 2020年には、1980年以来の業界の歴史のどの単年よりも多くの資本が調達され、植物ベースの分野に合計22億ドルが投資されました。

Gregory See Hoye は、乾燥および蒸発技術ソリューション プロバイダーである Dedert Corporation の業界マネージャーです。 彼の現在の役割は、植物ベースの食品原料の製造開発のサポートに焦点を当てています。 Hoye は食品および農産物分野で 17 年の経験があり、そのうち 12 年間は蒸発および乾燥ソリューションを専門としています。