Въведение
Протеиновите прахове са основен елемент в света на храненето, като помагат на хората да натрупат мускулна маса, да отслабнат или просто да попълнят пропуските в диетата си. Най-разпространеният източник на протеини в индустрията е суроватката – страничен продукт от производството на млечни продукти. Въпреки това, поради диетични ограничения (непоносимост към лактоза), етични съображения и изследвания за постигане на максимална хранителна полза, са проучени и много други източници за протеинови прахове.
На пазара се предлагат много протеинови прахове, които са изцяло произведени от растителни източници или дори от насекоми. NETZSCH Grinding & Dispersing предлага персонализирани системи с висока производителност и ниска консумация на енергия за преработка на цели насекоми, изсушени ларви или междинни продукти. Въпреки това, както протеиновите прахове от растителен произход, така и тези от насекоми традиционно страдат от проблем с лошата разтворимост в сравнение с традиционната суроватка. Протеиновите прахове на растителна основа обикновено се състоят от повече хидрофобни аминокиселини и не съдържат естествените химически емулгатори, присъщи на суроватката, докато протеиновите прахове на насекомна основа обикновено съдържат естествени влакна от екзоскелета (хитин), които по природа са слабо разтворими във вода. За да се преодолеят тези проблеми с разтворимостта, често използвана стратегия е смесването на различни източници с различни профили на аминокиселини и емулгатори.
В настоящото проучване се опитахме да сравним свойствата на сухите прахове от протеини с различен произход, както и да измерим профилите им на разтваряне и дори да проучим усещането им в устата. За да постигнем това, използвахме реометрите от серията Kinexus Prime на NETZSCH, които могат да характеризират широк спектър от сложни течности и полутвърди вещества благодарение на тяхната чувствителност, изискването за малък обем, модулната геометрия и възможностите за измерване на трибологичните свойства advanced software. По-конкретно, модулната структура на уреда позволи бързо и лесно настройване за измерване на пробите като прахове, по време на разтваряне и за трибологични изследвания.
Бяха характеризирани четири различни проби: суроватъчен протеин, допълнително обогатен с аминокиселини; суроватъчен протеинов изолат (суроватка, преработена за отстраняване на лактозата и мазнините); растителна смес (протеини от грах, тиква и чиа); и смес на базата на насекоми (протеини от щурци и грах).
Свойства на сухия прах
За измерването на самите сухи прахове беше използван протокол, подобен на описания по-рано за измерването на суха лактоза [1]. Параметрите на измерването са подробно описани в таблица 1.
Таблица 1: Конфигурация на измерването
| Уред | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Проби | Сух протеинов прах (по 15 g всяка) |
| Цилиндър | Цилиндрична чаша (Φ 34 mm) |
| Лопатка | Лопатка с 2 лопатки за нишесте |
| Температурен диапазон | Стайва |
| Срязваща вискозитет | от 10 до 1000 1/s |
Всяка проба беше подложена на етап на флуидизация, състоящ се от нарастване на срязващата вискозитет от 10 до 1000 1/s, последвано от 5-минутна пауза. По време на този етап взаимодействията между частиците се намаляват [2] и влиянието на предишните състояния на пробата се елиминира (сгъстяване при манипулиране и др.). Вискозитетът като функция на скоростта на срязване за всеки прах е показан на фигура 1.
Дори по време на етапа на флуидизация, целящ изтриване на историята на пробите, се наблюдава ясно разграничение във вискозитета на пробите, като подсилената суроватка има най-висока вискозитет, а сместа от насекоми – най-ниска. Многобройни параметри, като размер на частиците и заряд, определят вискозитета на сухите прахове при срязване.
След като историята на обработката на пробите беше изтрита чрез флуидизация, върху пробите беше проведено амплитудно сканиране, за да се определят вискоеластичните свойства (G’, описващо еластичното поведение, и G”, описващо вискозното поведение) на праховете. Измерването беше извършено с помощта на нишестена лопатка при стайна температура и честота 1 Hz в диапазона от 0,01 Pa до 50 Pa. Резултатите от амплитудните сканирания са показани на фигура 2.
Измерените вискоеластични свойства на сухите прахове ни дават представа за мрежите, образувани чрез взаимодействието между частиците (електростатика, триене и др.). Разбирането на тези свойства е важно не само за преработката и течливостта, но и за оценката на здравината на тези мрежи при разтваряне. Изолатът от суроватъчен протеин има най-високите начални стойности на модула, което предполага, че той образува най-твърдата мрежа от прах, но също така показва най-малката област на линейна вискоеластичност (областта, в която G’ и G” показват линейна реакция при нарастващо напрежение), което доказва, че макар мрежата да е твърда, е необходимо малко срязващо напрежение, за да се разделят частиците. За разлика от това, подсиленият суроватъчен протеин има най-голямата област на линейна вискоеластичност, което предполага, че мрежата, създадена от частиците, е устойчива на срязване или вибрации при преработката.
Важно е да се отбележи, че освен физическите/механичните разлики, наблюдавани между протеиновите прахове с различен произход, би могло да се очаква те да проявяват и различни термични свойства [2].
Вискоеластични свойства на протеиновите прахове: а) подсилена суроватка, б) изолат от суроватъчен протеин, в) смес от насекоми и г) растителна смес, измерени чрез амплитудно сканиране при 1 Hz при срязващо напрежение от 0,001 до 1%.
Разпадане
Стандартната рецепта за шейкове с протеинов прах е да се добави една мерителна лъжица (25–35 г) към 1–1,5 чаши вода. Целта ни в това проучване беше не само да измерим времето, необходимо за разтварянето на различните протеинови прахове, но и да проверим доколко добре те остават разтворени, в сравнение с утаяването им. Искахме също така да определим разтварянето и вискозитета, тъй като тези проби биха се смесвали или промишлено, или у дома с блендер. За тази цел беше установено, че скоростите на срязване в моделен миксер варират от 0 до 400 1/s (в зависимост от размера, перката и др.) [3]. За измерването в чаша с диаметър 34 мм бяха добавени 35 г вода. След това върху водата бяха изсипани по 4,4 г от всеки протеинов прах, преди лопатката за нишесте да бъде спусната до зададено разстояние от 5 мм. Всяка проба беше смесена при 300 1/s в продължение на 5 минути. След първоначалното смесване пробата се оставя да се утаи в продължение на 5 минути, след което се смесва отново при 300 1/s в продължение на 5 минути. Този цикъл от пауза и смесване се повтаря още веднъж за всяка проба (общо време на измерване 25 минути).
Резултатите от изследването на разтварянето са показани на фигура 3. Ако разгледаме фигура 3а), която показва вискозитета като функция на смесването при 300 1/s в продължение на 5 минути, става очевидно, че изолатът от суроватъчен протеин се разтваря най-бързо и има най-ниската вискозитет от всички смеси. На обогатената суроватка ѝ отнема малко под две минути да достигне стабилна вискозитет, докато на сместа с насекоми ѝ отнема над 4 минути. Важно е да се отбележи, че растителната смес никога не достига стабилна вискозитет, а продължава да се увеличава, което предполага, че все повече от протеина се хидратира и преминава в разтвора. От фигура 3б) виждаме, че през целия 25-минутен период на тестване и при три отделни етапа на разбъркване растителната смес все още увеличава вискозитета си и не е достигнала стабилна стойност. За сравнение, другите три протеинови прахове достигнаха стабилна стойност още след първото смесване. Растителната смес не само продължава да се хидратира дори след 25 минути в разтвора, но и нейната крайна вискозитет е почти двойно по-висока от тази на суроватъчния протеин при същата концентрация.
Трибологични измервания
По-рано показахме как трибологичната оценка (науката за триенето и смазването) с помощта на системата „ Kinexus Prime ultra+ “ може да бъде използвана в хранително-вкусовата промишленост, за да се установи връзка между структурата на храната и сензорните възприятия, като например усещането в устата [4]. Взехме протеиновите шейкове, получени по време на изследванията за разтваряне, и ги тествахме, като използвахме трибологична клетка от типа „топка върху три щифта“. В горната част на устройството беше използвана топка от боросиликатно стъкло (с диаметър 12,7 mm), а в долната – три еластомерни щифта (Sylgard 184), за да се симулира възможно най-добре меката трибодвойка „език-небце“ в устната кухина. Съобщава се, че средната скорост на движението на езика по небцето по време на петте етапа на преглъщане на течности е 10,3 mm/s [5]. Пробите бяха измерени в три повторения при стайна температура при скорост на плъзгане от 5e-7 до 1,3 m/s.
Разширените криви на Стрибек за четирите протеинови шейка са показани на фигура 4. Традиционно ниският коефициент на триене се определя като < 0,3, докато високият коефициент на триене е > 0,6. Областта от 1 мм/с до 100 мм/с е подчертана, за да обхване диапазона от скорости, при които езикът се движи по небцето по време на пиене. Както подсилената суроватка, така и изолатът от суроватъчен протеин имат сходни профили, докато сместа от насекоми и растителната смес имат първоначални коефициенти на триене, които се увеличават в зависимост от скоростта на плъзгане. Това би подсказало, че по време на процеса на преглъщане както сместа от насекоми, така и растителната смес биха имали все по-зърнеста текстура, причинена от агломерация на частиците, което води до по-висок коефициент на триене. Тези данни са от ключово значение за разбирането на вечния въпрос „колко гладко е вашето смути?“
Обобщение
В настоящото проучване изследвахме свойствата на протеинови прахове с различен произход – от суроватка, преработена по различни начини, през изцяло растителни смеси, до смеси на базата на насекоми. С помощта на системата за оценка на усещанията при консумация на напитки „ Kinexus Prime ultra+ “ успяхме да проучим свойствата на сухия прах и характеристиките на разтваряне, а дори и да разберем как крайните разтвори биха се усещали в устата при пиене. Разработването на протеинови продукти на растителна и насекомна основа е основна област на изследвания в хранително-вкусовата промишленост. Разбирането на променливи като течливост и разтваряне е от решаващо значение както за производството, така и за удоволствието на крайния потребител.