Въведение
С нарастването на световното население и постоянно увеличаващото се търсене на протеини, някои алтернативни източници на протеини напоследък привличат все по-голям интерес, като например протеини на растителна основа, култивирани или отгледани месни протеини, протеини, получени чрез ферментация, протеини от ядливи насекоми и водорасли [1]. Желиращото свойство е сред най-важните функции на алтернативните протеини, които допринасят за текстурата и вкуса на хранителните продукти. Желирането се получава по време на преработката и производството на хранителни продукти. Нагряването е един от най-често използваните методи за образуване на гелове с алтернативни протеини. След денатурация и разгъване на белтъчните молекули чрез нагряване и обгръщане с вода, те се агрегират и образуват триизмерна мрежова структура, т.е. структурата на гела.
На практика ротационният реометър е подходящ за изследване на топлинно индуцираните желиращи свойства на алтернативните протеини, като температура на желиране, стабилност на гела и здравина на гела.
Материали и условия за измерване
Протеиновите прахове са диспергирани в деминерализирана вода при определени концентрации на протеини (грахов протеин концентрат: 10 тегловни % и 7 тегловни %, протеини от насекоми: 10 тегловни %). Протеиновите суспензии се разбъркват с магнитна бъркалка при стайна температура в продължение на 2 часа. Освен пробата от цяло яйце, беше приготвена и проба от яйчен белтък чрез отстраняване на жълтъка и енергично разбиване при стайна температура за няколко минути, за да се получи хомогенен разтвор.
За извършване на измерванията на пробите от грахов белтъчен концентрат, цялото яйце и пробите от яйчен белтък е използван реометър NETZSCH Kinexus Prime pro+ , оборудван със система плоча-плоча (диаметър: 40 mm, разстояние: 0,5 mm). Извършена е температурна промяна чрез увеличаване на температурата от 25°C до 95°C със скорост 5°C/min. След достигане на най-високата температура топлинно индуцираните гелове бяха задържани в продължение на 10 min, за да се изследва стабилността на гела. По време на експеримента се записва модулът на съхранение (G') и модулът на загуба (G''). Получените резултати за протеини на растителна основа и яйчни протеини бяха сравнени с тези за протеини на насекоми [2].
В средата: Пресни яйца (използвани като животински протеини за сравнение): анализирани са съответно цялото яйце и яйчният белтък.
Вдясно: Нови белтъчини, които не са на растителна основа: белтъчини от насекоми (съдържание на суров белтък 68,7 g/100 g), извлечени от кученца на черна муха войник (BSF), насекоми в предишно проучване [2]
Резултати от измерванията и обсъждане
Желиращите свойства на различни алтернативни протеини и типичен животински протеинов източник (яйце) са изследвани по време и след нагряване с ротационна реометрия.
На фигура 2 са показани модулът на съхранение, G', и модулът на загуба, G'', на гела, образуван от грахов протеинов концентрат по време на термичната обработка. Увеличаване на G' и G'' се наблюдава при повишаване на температурата до около 55 °C. Това се дължи на денатурацията на протеина. След термична обработка чрез по-нататъшно повишаване на температурата G' е по-високо от G'' при концентрация на протеина от 10 тегловни %, което показва поведение на гел, подобен на твърдо вещество.
Освен това експериментът с граховия протеинов концентрат при по-ниска концентрация на протеина от 7 тегловни % показва, че G'' е по-високо от G' с увеличаване на температурата на нагряване, което предполага слабо течно поведение на гела.
Въпреки това при това изследване на граховия протеинов концентрат не се наблюдава кръстосване G' = G''.
В предишно изследване на топлинно индуцираната гелизация с протеини от насекоми от кученца на BSF [2] е установено, че с повишаване на температурата над 50 °C се увеличават както G', така и G'', което се дължи на денатурация на протеините. Изследваната проба започва да образува гел, което се вижда от прехода G' = G'' при 60°C, температурата на желиране.
Прогресирането на кривата в зависимост от температурата за протеините на насекомите е различно от това за граховия протеинов концентрат. Такова различно поведение на желиране може да се дължи на различните състави на материалите и индивидуалните характеристики на протеините, като например възможните различни хидрофилни и хидрофобни аминокиселини и техните съотношения сред различните алтернативни протеини.
Кривите на желиране на пробите от цяло яйце и яйчен белтък показват типичния зол-гел преход по време на температурната промяна. Приблизително от 60 °C се наблюдава значително увеличение на G' и G", което може да се обясни например със структурни промени или денатурация на протеините. Фигура 3 илюстрира G' и G'' на гела, образуван от разтвора на цялото яйце по време на термичната обработка. G' показва видимо увеличение при около 62 °C и рязко увеличение при около 75 °C, докато G'' показва драстично увеличение при около 75 °C. Точката на пресичане настъпва при около 74°C. За пробата от яйчен белтък (фигура 4) G' и G'' показват две видими увеличения съответно при около 64°C и 75°C. Точката на пресичане настъпва при около 62,5°C. Наблюдаваните явления на денатурация могат да бъдат свързани с химичния състав на пробата от цяло яйце (белтък и жълтък) и пробата от яйчен белтък.
Фигура 5 илюстрира якостта на гела, G', и стабилността в рамките на 10-минутното време на задържане след достигане на най-високата температура. Индуцираните с топлина гелове от яйчни протеини показват най-висока якост и са много стабилни. Такова стабилно свойство на гела се наблюдава и при температура, по-висока от 85 °C, на фигура 3 и фигура 4. За пробата от грахов белтъчен концентрат при 10 тегловни процента са необходими около 4 минути, за да се достигне най-високата якост на гела, след което образуваният гел е стабилен, докато якостта на гела леко намалява за пробата от грахов белтъчен концентрат при 7 тегловни процента. Това може да се дължи на деформацията (разрушаването) на образуваната слаба структура на гела по време на измерването. В сравнение със здравината на гела, образуван от протеини на насекоми [2], тези гелове показват различна здравина на гела, G', следвайки реда
Това може да подскаже, че различните алтернативни протеини имат различни потенциални приложения. Например топлинно индуцираните гелове с по-ниска стойност на G' или слаба мрежа от гелове могат да бъдат интересни и подходящи за течни хранителни формулировки като напитки на растителна основа или алтернативни млека, докато геловете с по-висока стойност на G' или силна мрежа от гелове биха били интересни за млечни и месни аналози и т.н.
Струва си да се отбележи, че желиращите свойства на алтернативните протеини се влияят от различни фактори, като например вида на протеина, съдържанието на протеин, температурата, стойността на pH, силата на Ionic и други компоненти.
Заключение
Индуцираните от топлина желиращи свойства на два алтернативни източника на протеини (протеини на растителна основа и нови протеини на нерастителна основа) бяха изследвани чрез прилагане на ротационна реометрия. Кривите на желиране на модула на съхранение, G', и модула на загуба, G'', бяха записани и интерпретирани по време на температурната промяна. Температурата на желиране, стабилността на гела и якостта на гела на алтернативните протеини бяха анализирани и сравнени с тези на животинските протеини (яйце). Такива измервания са бързи и изискват относително small количество представителна проба.