ما مدى نعومة عصيرك؟ فهم خصائص المسحوق والذوبان للبروتينات من مصادر مختلفة

مقدمة

تُعد مساحيق البروتين عنصراً أساسياً في عالم التغذية، حيث تساعد الأفراد على بناء العضلات، أو إنقاص الوزن، أو ببساطة سد الثغرات في نظامهم الغذائي. يُعد مصل اللبن، وهو منتج ثانوي لتصنيع الألبان، المصدر الأكثر شيوعًا للبروتين في هذه الصناعة. ومع ذلك، وبسبب القيود الغذائية (عدم تحمل اللاكتوز)، والمخاوف الأخلاقية، والأبحاث الرامية إلى تعظيم الفوائد الغذائية، تم أيضًا دراسة العديد من المصادر الأخرى لمساحيق البروتين.

هناك العديد من أنواع مسحوق البروتين المتوفرة تجاريًا والمشتقة بالكامل من مصادر نباتية أو حتى من مصادر حشرية. NETZSCH تقدم شركة Grinding & Dispersing أنظمة مصممة خصيصًا تتميز بإنتاجية عالية واستهلاك منخفض للطاقة لمعالجة الحشرات الكاملة، أو اليرقات المجففة، أو المنتجات الوسيطة. ومع ذلك، تعاني مساحيق البروتين المشتقة من النباتات والحشرات تقليديًا من مشكلة ضعف القابلية للذوبان مقارنةً بمصل اللبن التقليدي. تميل مساحيق البروتين النباتية إلى أن تتكون من أحماض أمينية أكثر كرهًا للماء وتفتقر إلى المستحلبات الكيميائية الطبيعية الموجودة في مصل اللبن، بينما تميل مساحيق البروتين المستمدة من الحشرات إلى احتواء ألياف طبيعية من الهيكل الخارجي (الكيتين) التي تكون بطبيعتها ضعيفة الذوبان في الماء. وللتغلب على مشاكل القابلية للذوبان هذه، يُعد مزج مصادر مختلفة ذات ملامح مختلفة من الأحماض الأمينية والمستحلبات استراتيجية شائعة.

في هذه الدراسة، سعينا إلى مقارنة خصائص المساحيق الجافة لمساحيق البروتين من مصادر مختلفة، بالإضافة إلى قياس ملامح ذوبانها، بل واستكشاف ملمسها في الفم. ولتحقيق ذلك، استخدمنا سلسلة أجهزة قياس اللزوجة Kinexus Prime من شركة NETZSCH ، والتي يمكنها تحديد خصائص مجموعة واسعة من السوائل المعقدة والمواد شبه الصلبة بفضل حساسيتها، ومتطلباتها المنخفضة من حيث الحجم، وهندستها المعيارية، وقدراتها على التحكم في السوائل advanced software. وعلى وجه الخصوص، سمحت الطبيعة المعيارية للجهاز بالتعديل السريع والسهل لقياس العينات كمساحيق، وأثناء الذوبان، ولأغراض علم الاحتكاك.

تم تحديد خصائص أربع عينات مختلفة؛ بروتين مصل اللبن الذي تم تعزيزه بمزيد من الأحماض الأمينية، ومستخلص بروتين مصل اللبن (مصل اللبن الذي يتم معالجته بشكل إضافي لتصفية اللاكتوز والدهون)، ومزيج نباتي (بروتين البازلاء واليقطين والشيا)، ومزيج قائم على الحشرات (بروتين الصرصور والبازلاء).

خصائص المسحوق الجاف

بالنسبة لقياس المساحيق الجافة نفسها، تم استخدام بروتوكول مشابه لما تم الإبلاغ عنه سابقًا لقياس اللاكتوز الجاف [1]. وترد تفاصيل معايير القياس في الجدول 1.

الجدول 1: إعدادات القياس

خضعت كل عينة لخطوة تسييل تتألف من منحدر لزوجة القص يتراوح بين 10 و1000 1/ثانية، تليها فترة راحة مدتها 5 دقائق. خلال هذه الخطوة، يتم تقليل التفاعلات بين الجسيمات [2] وإزالة تأثير تاريخ العينة (الضغط الناتج عن المناولة، وما إلى ذلك). يوضح الشكل 1 اللزوجة كدالة لمعدل القص لكل مسحوق.

حتى أثناء خطوة التميع الرامية إلى محو تاريخ المعالجة، يظهر تباين واضح في لزوجة العينات، حيث تتمتع مصل اللبن المُعزَّز بأعلى لزوجة، بينما يتمتع مزيج الحشرات بأدنى لزوجة. وهناك العديد من المعلمات، مثل حجم الجسيمات وشحنتها، التي تحدد لزوجة المساحيق الجافة تحت تأثير القص.

وبعد محو سجل معالجة العينات عن طريق التميع، تم إجراء مسح للسعة على العينات لتحديد الخصائص اللزجة المرنة (حيث يصف G’ السلوك المرن وG” السلوك اللزج) للمساحيق. وأُجري القياس باستخدام مجاذيف النشا في درجة حرارة الغرفة وبمعدل تردد 1 هرتز في نطاق يتراوح من 0.01 باسكال إلى 50 باسكال. وتظهر نتائج مسح السعة في الشكل 2.

تمنحنا الخصائص اللزجة المرنة المقاسة للمساحيق الجافة نظرة ثاقبة على الشبكات التي تتشكل نتيجة التفاعل بين الجسيمات (الكهروستاتيكية، الاحتكاك، إلخ). ولا يقتصر أهمية فهم هذه الخصائص على المعالجة وقابلية التدفق فحسب، بل يمتد أيضًا إلى فهم مدى قوة هذه الشبكات عند عملية الذوبان. يتمتع بروتين مصل اللبن المعزول بأعلى قيم لمعامل المرونة الأولي، مما يشير إلى أنه يشكل شبكة المسحوق الأكثر صلابة، ولكنه يُظهر أيضًا أدنى منطقة للزوجة المرنة الخطية (المنطقة التي يُظهر فيها كل من G’ و G” استجابة خطية مع زيادة الإجهاد)، مما يدل على أنه على الرغم من صلابة الشبكة، إلا أنها تتطلب القليل من إجهاد القص لفصل الجسيمات عن بعضها. في المقابل، يتمتع بروتين مصل اللبن المعزز بأكبر منطقة من اللزوجة المرنة الخطية، مما يشير إلى أن الشبكة التي تشكلها الجسيمات قوية في مواجهة القص أو اهتزازات المعالجة.

من المهم ملاحظة أنه، إلى جانب الاختلافات الفيزيائية/الميكانيكية التي لوحظت بين مساحيق البروتين ذات المصادر المختلفة، من المتوقع أيضًا أن تُظهر خصائص حرارية مختلفة أيضًا [2].

الخصائص اللزجة المرنة لمساحيق البروتين التالية: أ) مصل اللبن المعزز، ب) بروتين مصل اللبن المعزول، ج) مزيج الحشرات، د) مزيج النباتات، كما تم قياسها بواسطة مسح السعة عند 1 هرتز من إجهاد قص يبدأ من 0.001 إلى 1%.

الحل

تتمثل الوصفة القياسية لعصائر مسحوق البروتين في إضافة مغرفة واحدة (25-35 غرامًا) إلى 1-1.5 كوب من الماء. لم يكن هدفنا في هذه الدراسة يقتصر على قياس الوقت الذي يستغرقه ذوبان أنواع مسحوق البروتين المختلفة فحسب، بل شمل أيضًا مدى بقاءها مذابة مقابل ترسبها. كما أردنا تحديد درجة الذوبان واللزوجة، حيث سيتم خلط هذه العينات إما صناعيًا أو في المنزل باستخدام الخلاط. ولهذا الغرض، وجد أن معدلات القص في خلاط نموذجي تتراوح بين 0 و400 1/ثانية (حسب الحجم والمروحة، إلخ) [3]. لإجراء القياس، أُضيفت 35 غرامًا من الماء إلى كوب قطره 34 ملم. ثم سُكب 4.4 غرام من كل مسحوق بروتين فوق الماء قبل خفض المضرب النشاوي إلى فجوة محددة تبلغ 5 ملم. بعد ذلك، خُلطت كل عينة بمعدل 300 1/ثانية لمدة 5 دقائق. بعد الخلط الأولي، تُركت العينة لترسب لمدة 5 دقائق قبل خلطها مرة أخرى بمعدل 300 1/s لمدة 5 دقائق. وتكرر هذا النمط من التوقف والخلط لدورة إضافية لكل عينة (إجمالي وقت القياس 25 دقيقة).

تظهر نتائج دراسة الذوبان في الشكل 3. بالنظر إلى الشكل 3أ) الذي يوضح اللزوجة كدالة للخلط بمعدل 300 1/ثانية لمدة 5 دقائق، يتضح أن بروتين مصل اللبن المعزول يذوب أسرع من غيره ويتمتع بأقل لزوجة بين جميع الخلطات. يستغرق مصل اللبن المعزز أقل من دقيقتين بقليل للوصول إلى قيمة ثابتة، بينما يستغرق المزيج الحشري أكثر من 4 دقائق. والأهم من ذلك، أن المزيج النباتي لا يصل أبدًا إلى لزوجة مستقرة بل يستمر في الزيادة، مما يشير إلى أن المزيد من البروتين يتم ترطيبه ويدخل في المحلول. من الشكل 3ب)، نلاحظ أنه على مدار فترة الاختبار البالغة 25 دقيقة وبمراحل خلط ثلاث منفصلة، لا يزال المزيج النباتي يزداد لزوجة ولم يصل إلى قيمة ثابتة. وبالمقارنة، وصلت مساحيق البروتين الثلاثة الأخرى إلى قياس مستقر بعد عملية الخلط الأولى. ولا يقتصر الأمر على استمرار المزيج النباتي في امتصاص الماء حتى بعد مرور 25 دقيقة في المحلول، بل إن لزوجته النهائية تبلغ تقريبًا ضعف لزوجة محلول بروتين مصل اللبن عند نفس التركيز.

قياسات علم الاحتكاك

لقد أوضحنا سابقًا كيف يمكن لصناعة علوم الأغذية الاستفادة من تقييم علم الاحتكاك والتشحيم ( Kinexus Prime ultra+ ) باستخدام جهاز قياس الاحتكاك، لربط بنية الأغذية بالإدراكات الحسية مثل الملمس في الفم [4]. وقد أخذنا مشروبات البروتين التي تم إنتاجها خلال دراسات الذوبان واختبرناها باستخدام خلية احتكاك مكونة من كرة على ثلاثة دبابيس. استخدمت الهندسة العلوية كرة زجاجية من البورسليكات (قطرها 12.7 مم)، بينما استخدمت الهندسة السفلية ثلاثة دبابيس مرنة (Sylgard 184) لمحاكاة أفضل لزوج الاحتكاك الناعم بين اللسان والحنك في الفم. وقد أفادت التقارير أن متوسط سرعة حركة اللسان فوق الحنك خلال المراحل الخمس لبلع السوائل يبلغ 10.3 مم/ثانية [5]. تم قياس العينات ثلاث مرات في درجة حرارة الغرفة على نطاق سرعة انزلاق يتراوح من 5e-7 إلى 1.3 م/ث.

تظهر منحنيات ستريبيك الموسعة لأربعة أنواع من عصائر البروتين في الشكل 4. تقليديًا، يُعرَّف معامل الاحتكاك المنخفض بأنه < 0.3 بينما يُعرَّف معامل الاحتكاك المرتفع بأنه > 0.6. تم تمييز المنطقة التي تتراوح فيها السرعة من 1 مم/ثانية إلى 100 مم/ثانية لتشمل نطاق السرعات التي يتحرك بها اللسان فوق الحنك أثناء الشرب. ويظهر كل من مصل اللبن المعزز ومصل اللبن المعزول ملامح مماثلة، في حين أن مزيج الحشرات ومزيج النباتات لهما في البداية معاملات احتكاك تزداد كدالة لسرعة الانزلاق. ويشير ذلك إلى أنه أثناء عملية البلع، سيكتسب كل من مزيج الحشرات والمزيج النباتي قوامًا حبيبيًّا متزايدًا ناتجًا عن تكتل الجسيمات، مما يؤدي إلى ارتفاع معامل الاحتكاك. وتعد هذه البيانات محورية في فهم السؤال القديم: «ما مدى نعومة عصيرك؟»

ملخص

في هذه الدراسة، استكشفنا خصائص مساحيق البروتين المستمدة من مصادر متنوعة، بدءًا من مصل اللبن المعالج بطرق مختلفة، مرورًا بالمخاليط النباتية الكاملة، وصولًا إلى المخاليط المستمدة من الحشرات. وباستخدام جهاز قياس ملمس البروتينات Kinexus Prime ultra+، تمكنا من تحليل خصائص المسحوق الجاف وخصائص الذوبان، بل وفهمنا أيضًا الملمس الذي قد تتركه المحاليل النهائية في الفم عند شربها. يُعد تطوير منتجات البروتين النباتية والمشتقة من الحشرات مجالًا رئيسيًّا للبحث في صناعة الأغذية والمشروبات. ويُعد فهم المتغيرات مثل قابلية التدفق والذوبان أمرًا بالغ الأهمية لكل من عملية التصنيع ومتعة المستخدم النهائي.