대체 단백질 산업은 소비자 수요의 변화로 인해 최근 몇 년 동안 상당한 성장을 이루었습니다. 이에 따라 식품 제조업체는 지속 가능한 식품을 만드는 새로운 방법을 모색하게 되었습니다. 비교적 새로운 이 산업에서 종사하는, 스타트업 회사부터 기존 업계 선도 기업에 이르는 기업들은 다양한 기술과 장비를 활용하여 대체 단백질 제품을 제공하고 있습니다.
발효는 대체 단백질과 성분을 생산하기 위해 이 업계 전반에서 활용되는 유연한 공정입니다. 식품 제조에서 발효가 제대로 이루어지기 위해서는 발효 원료와 제품을 오염으로부터 보호하는 특정 오염 제어 및 예방 조치가 필요합니다.
공정 변경 시 제어 조정의 중요성
대체 단백질 공정이 변경되면 이를 보호하는 데 필요한 오염 제어도 변경됩니다. 예를 들어, 실험실 환경에서 발효에 도움이 되는 환경을 유지하는 것과 산업 환경에서 이러한 환경을 유지하는 방법은 매우 다릅니다.
공정을 변경할 때 오염물 제어를 조정하지 못하면 장비 손상, 제품 품질 저하, 자재 및 자원 낭비, 제품 오염 및 공정 비효율을 비롯한 원치 않는 결과가 발생할 수 있습니다. 다행히 식품 및 음료 산업에는 발효 원료 및 공정 유틸리티에 사용할 수 있는 여러 가지 오염 제어 방법이 있습니다.
발효 및 원료 이해
발효 공정은 여러 세기 동안 존재해 왔지만, 대체 단백질 생산에 사용되는 제어된 정밀 발효는 식품 및 음료 산업에서 비교적 새로운 방식입니다. 정밀 발효는 '기존 식품'과 유사한 향, 식감, 맛을 내는 데 도움이 되므로, 대체 단백질 생산에 적합합니다.
기존 발효 방식과 정밀 발효 방식 모두에 사용되는 발효 원료는 발효 과정에 '연료를 공급'해 주는 일종의 혼합물(일반적으로 액체 혼합물 형태)이라고 할 수 있습니다.
사용 가능한 발효 원료 혼합물은 많지만, 많은 대체 단백질 제조업체는 비용을 절감하고 공정에 적합한 혼합물을 찾기 위해 자체 발효 원료를 사내에서 생산합니다. 이러한 혼합물에는 대개 물, 설탕 및 기타 영양소가 혼합되어 있습니다. 흥미롭게도, 이러한 혼합물은 탄산음료, 주스, 와인, 맥주 및 기타 음료 산업에서 사용되는 액상 설탕 용액과 유사합니다.
대체 단백질 제조업체는 오염 제어를 위해 이러한 기존 산업이 보유한 광범위한 경험과 전문 지식을 활용할 수도 있습니다. 제조업체는 이러한 검증된 산업으로부터 배운 지식을 활용하여 대체 단백질 발효 원료와 제조 공정을 보호하는 효과적인 오염 제어를 구현할 수 있습니다.
오염 제어 조치: 오염물 제거와 불활성화/파괴 비교
오염 제어는 파티클 오염물과 미생물학적 오염물과 모두 관련이 있습니다. 파티클은 부유 고형물인 반면, 미생물학적 오염물에는 박테리아와 미생물이 포함됩니다. 이를 염두에 두고 효과적인 발효 원료 오염 제어 방법은 다음과 같은 과정을 통해 두 가지 유형의 오염물을 모두 해결합니다.
1. 오염물 제거: 파티클 및 멤브레인 필트레이션 방법을 사용합니다. 이는 일반적으로 가열 방법으로 제거할 수 없는 모래와 같은 파티클이 원수에 존재할 때 필요합니다. 제조업체는 열에 의해 변성될 수 있는 단백질과 같이 열에 민감한 물질을 처리할 때도 이 방법을 활용할 수도 있습니다.
2. 오염물 파괴 또는 불활성화: 가열, 냉각 또는 UV 방사선과 같은 기타 방법을 사용합니다. 여기서는 식음료 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 방법인 오토클레이브 또는 스팀 주입 기술을 활용한 가열 방법을 살펴봅니다. 불활성화 또는 파괴 방법은 일반적으로 재료가 열에 민감하지 않을 때, 그리고 필트레이션만 수행 시 견딜 수 있는 미생물 오염물을 처리하는 데 사용됩니다.
적절한 경우 제조업체는 추가 보호를 위해, 그리고 파티클 및 미생물 오염물을 모두 처리하기 위해 위의 방법을 함께 사용할 수 있습니다.
가장 일반적인 3가지 방법 이해: 필트레이션, 오토클레이브 및 스팀 주입
분명한 점은, 원하는 오염 제어 방법과 해당 방법이 제조 제품 및 공정에 어떤 영향을 미치는지에 따라 적용되는 방법이 다르다는 것입니다. 방법을 선택할 때는 사용되는 발효 원료, 제품, 비용, 안전성, 확장성, 수행되는 공정 유형, 사용 용이성 및 전반적인 효율성을 포함하여 많은 공정 및 운영 사항을 고려해야 합니다. 가장 일반적인 방법과 최상의 사용 사례를 각각 살펴보겠습니다.
방법 1 – 필트레이션
원하는 작업이 오염물의 제거인 경우, 리퀴드 필트레이션 방법을 실행합니다. 발효 원료 필터링에 대한 광범위한 역사적 경험은 없지만, 대체 단백질 제조업체는 주스, 육수, 탄산음료 등 식음료 산업의 다른 설탕 용액의 필터링과 관련한 전문 지식을 활용할 수 있습니다. 리퀴드 필트레이션의 모범 사례는 3단계 프로세스를 따릅니다.
1단계: 공칭 등급 파티클 필터 적용: 이 필터는 큰 파티클을 제거하며 다운스트림 필터 및 장비를 보호하는 데 도움이 됩니다. 전반적으로 이 단계에서는 파티클 부하와 부유 고형물의 수를 줄입니다.
2단계: 절대 등급 파티클 필터 적용: 이 필터는 필터 잔류 등급을 기준으로 필터 미크론 크기보다 큰 모든 파티클(최대 99.9999999%의 파티클)을 제거합니다.
3단계: 멤브레인 필터 적용: 이 필터는 정의된 필터 잔류율에 따라 미생물 오염물을 해결합니다. 멤브레인 필터는 항상 무결성 테스트를 거쳐 정기적으로 제균 처리되어야 합니다.
Common Best-Use Case:
고용량, 저점도, 산업 규모, 연속 공정, 유연한 예산, 파티클 존재.
방법 2 - 오토클레이브
오토클레이브는 비활성화 또는 파괴 방식의 가열 작업을 수행하며 궁극적으로는 스팀을 사용하여 내부의 내용물을 가열하는 압력 용기입니다. 이 방법은 매우 유연하고 배치 공정을 따르는 실험실 환경에서 일반적입니다.
장비의 물리적 특성과 배치 공정을 고려할 때, 오토클레이브는 소규모 공정에 가장 적합하며 산업 규모에서는 실용적이지 않은 경우가 많습니다.
Common Best-Use Case:
저용량, 고점도, 실험실 규모, 배치 공정, 제약 품질 표준.
방법 3 – 스팀 주입
스팀 주입은 비활성화 또는 파괴 작업을 수행하는 또 다른 가열 방법입니다. 발효기 또는 배관 시스템 내에서 원료와 스팀을 직접 혼합하는 공정입니다. 스팀 주입 방법에는 두 가지 유형이 있습니다.
1. 배치 공정 방법: 여기에는 원료가 들어 있는 발효기에 스팀을 주입하는 작업이 이루어집니다. 이 공정은 깨끗한 스팀 공급원만 있으면 되므로, 제조업체에서 쉽게 이용할 수 있습니다.
배치 공정 스팀 주입 방법은 쉽게 확장 가능하지만, 더 큰 규모로 수행하려면 더 긴 냉각 시간이 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 또한 스팀은 발효기에 남아 냉각되기 때문에 원료가 희석됩니다. 이것은 꼭 장점이나 단점은 아니지만 공정에서 핵심적으로 고려해야 합니다.
Common Best-Use Case:
실험실 규모, 다양한 제품 유형 생산, 시간 제약 없음, 유연한 솔루션 필요.
2. 연속 공정 방법: 이 방법은 산업 장비 및 인프라가 필요하기 때문에 대규모 또는 상업적 규모의 공정에 적합합니다.
연속 공정 방법에서는 원료가 발효기를 향해 흘러갈 때 사용되는 홀딩 루프 배관 시스템에 스팀이 지속적으로 주입됩니다. 배관 끝에는 순간 냉각을 촉진하는 '급속 팽창' 공정 단계가 있어 원료가 몇 분 내에 냉각될 수 있습니다. 전반적으로 이 공정은 배치 방식보다 훨씬 빠르며 더 높은 스팀 온도를 사용합니다.
Common Best-Use Case:
대량 생산, 산업 규모, 유연한 솔루션 필요, 다양한 제품 생산, 연속 시스템.
그렇다면 어떤 방법을 선택해야 할까요?
분명한 점은, 이 질문에는 흑백 논리로 답할 수 없습니다. 대체 단백질 산업이 전반적으로 '새로운' 분야이며, 발전을 거듭하고 있다는 점은 대체 단백질 제조업체가 가장 효과적인 공정을 따르고 진화하는 규제 표준을 충족하려고 노력하는 과정에서 복잡성을 가중시킵니다.
다양한 옵션이 있으므로 제조업체는 앞서 언급한 공정 고려 사항을 참조하여 어떤 '최적 사용' 사례가 적합한지 결정해야 합니다.
이러한 요소가 결정되면 제조업체는 필트레이션을 통해 실행되는 오염 제거 전략, 오토클레이브 또는 스팀 주입 가열 방법에 의해 실행되는 불활성화 또는 파괴 전략 등 어떤 오염물 제어 방법을 추구해야 하는지 더 효과적으로 이해할 수 있습니다. 일부 제조업체는 적절한 경우 모두를 조합한 방법을 선택할 수도 있습니다.
Donaldson의 필트레이션 전문가는 대체 단백질 제조업체가 원료 오염 제어 솔루션에 적합한 제품을 찾도록 지원해 드립니다. 식물 기반 식품 협회(PBFA)의 회원인 Donaldson은 식물 기반 및 대체 단백질 산업의 제조 요구사항을 지원하는 데 최선을 다하고 있습니다. Donaldson은 Donaldson 브랜드인 Solaris Biotech 팀과 긴밀히 협력하여 엔드투엔드 발효 솔루션을 제공합니다.
