Jak krémový je váš smoothie? Porozumění vlastnostem prášku a rozpustnosti bílkovin z různých zdrojů

Úvod

Proteinové prášky představují základní pilíř ve světě výživy a pomáhají lidem budovat svalovou hmotu, hubnout nebo jednoduše doplnit mezery ve stravě. Nejběžnějším zdrojem bílkovin v tomto odvětví je syrovátka, vedlejší produkt výroby mléčných výrobků. Vzhledem k dietním omezením (nesnášenlivost laktózy), etickým otázkám a výzkumu zaměřenému na maximalizaci nutričních přínosů se však zkoumají i mnohé další zdroje pro výrobu proteinových prášků.

Na trhu je k dispozici mnoho komerčních proteinových prášků, které jsou zcela získávány z rostlinných zdrojů nebo dokonce z hmyzu. NETZSCH Společnost Grinding & Dispersing nabízí systémy na míru s vysokou průchodností a nízkou spotřebou energie pro zpracování celých hmyzích jedinců, sušených larev nebo meziproduktů. Proteinové prášky rostlinného i hmyzího původu však tradičně trpí problémem špatné rozpustnosti ve srovnání s tradiční syrovátkou. Proteinové prášky na rostlinné bázi se obvykle skládají z více hydrofobních aminokyselin a postrádají přírodní chemické emulgátory obsažené ve syrovátce, zatímco proteinové prášky na bázi hmyzu obvykle obsahují přírodní vlákna z exoskeletu (chitin), která jsou přirozeně špatně rozpustná ve vodě. K překonání těchto problémů s rozpustností je běžnou strategií míchání různých zdrojů s odlišnými profily aminokyselin a emulgátorů.

V této studii jsme se snažili porovnat vlastnosti suchých prášků z různých zdrojů, změřit jejich profily rozpouštění a dokonce prozkoumat jejich chuťový vjem. K tomu jsme využili reometry řady Kinexus Prime od společnosti NETZSCH, které díky své citlivosti, nízkým požadavkům na objem, modulární geometrii a schopnosti měřit v reálném čase advanced software dokážou charakterizovat širokou škálu komplexních tekutin a polotuhých látek. Zejména modulární povaha přístroje umožnila rychlé a snadné přizpůsobení pro měření vzorků ve formě prášků, během rozpouštění a pro tribologické analýzy.

Byly charakterizovány čtyři různé vzorky: syrovátková bílkovina, která byla dále obohacena o další aminokyseliny, izolát syrovátkové bílkoviny (syrovátka, která je dále zpracována za účelem odfiltrování laktózy a tuku), rostlinná směs (hrachová, dýňová a chia bílkovina) a směs na bázi hmyzu (cvrččí a hrachová bílkovina).

Vlastnosti suchého prášku

Pro měření samotných suchých prášků byl použit podobný postup, jaký byl již dříve popsán pro měření suché laktózy [1]. Parametry měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Nastavení měření

Každý vzorek byl podroben fluidizačnímu kroku spočívajícímu v postupném zvyšování smykové viskozity v rozmezí 10 až 1000 1/s, po kterém následovala 5minutová pauza. Během tohoto kroku dochází ke snížení interakcí mezi částicemi [2] a k odstranění vlivu předchozího stavu vzorku (stlačení při manipulaci atd.). Viskozita v závislosti na smykové rychlosti pro každý prášek je znázorněna na obrázku 1.

I během fáze fluidizace, jejímž cílem je vymazat historii vzorků, je patrný jasný rozdíl ve viskozitě vzorků, přičemž nejvyšší viskozitu má syrovátka obohacená o výplňové látky a nejnižší směs hmyzu. Viskozitu suchých prášků při smykovém namáhání určují četné parametry, jako je velikost částic a náboj.

Po vymazání zpracovatelské historie vzorků fluidizací bylo na vzorcích provedeno amplitudové měření za účelem stanovení viskoelastických vlastností (G’ popisující elastické chování a G” viskózní chování) prášků. Měření bylo provedeno pomocí škrobového lopatkového měřidla při pokojové teplotě a frekvenci 1 Hz v rozsahu od 0,01 Pa do 50 Pa. Výsledky amplitudových průchodů jsou znázorněny na obrázku 2.

Naměřené viskoelastické vlastnosti suchých prášků nám poskytují vhled do sítí tvořených interakcemi mezi částicemi (elektrostatika, tření atd.). Porozumění těmto vlastnostem je důležité nejen z hlediska zpracování a sypnosti, ale také pro pochopení toho, jak pevné jsou tyto sítě při rozpouštění. Izolát syrovátkové bílkoviny má nejvyšší počáteční hodnoty modulu pružnosti, což naznačuje, že tvoří nejtužší síť prášku, ale vykazuje také nejmenší oblast lineární viskoelasticity (oblast, ve které G’ a G” vykazují lineární odezvu s rostoucím namáháním), což dokazuje, že ačkoli je síť tuhá, k rozlomení částic je zapotřebí jen malé smykové namáhání. Naproti tomu zesílený syrovátkový protein má nejširší oblast lineární viskoelasticity, což naznačuje, že síť vytvořená částicemi je odolná vůči smykovému namáhání nebo vibracím vznikajícím při zpracování.

Je důležité poznamenat, že kromě fyzikálních/mechanických rozdílů pozorovaných mezi proteinovými prášky z různých zdrojů lze očekávat, že se budou lišit i svými tepelnými vlastnostmi [2].

Viskoelastické vlastnosti proteinových prášků: a) zesílené syrovátky, b) izolátu syrovátkové bílkoviny, c) směsi z hmyzu a d) směsi rostlinných bílkovin, měřené pomocí amplitudového průchodu při 1 Hz v rozsahu smykové deformace od 0,001 do 1 %.

Rozpuštění

Standardní recept na smoothie z proteinového prášku spočívá v přidání jedné odměrky (25–35 g) do 1–1,5 šálku vody. Naším cílem v této studii bylo nejen změřit dobu, za kterou se různé proteinové prášky rozpustily, ale také posoudit, do jaké míry zůstaly rozpuštěné, respektive do jaké míry se usazovaly. Chtěli jsme také určit rychlost rozpouštění a viskozitu, protože tyto vzorky by se míchaly buď průmyslově, nebo doma pomocí mixéru. Za tímto účelem bylo zjištěno, že smykové rychlosti v modelovém mixéru se pohybují v rozmezí 0–400 1/s (v závislosti na velikosti, vrtuli atd.) [3]. Pro měření bylo do kelímku o průměru 34 mm přidáno 35 g vody. Následně bylo na vodu nasypáno 4,4 g každého proteinového prášku, poté byla škrobová lopatka spuštěna do nastavené mezery 5 mm. Každý vzorek byl poté míchán při rychlosti 300 1/s po dobu 5 minut. Po počátečním míchání se vzorek nechal 5 minut usadit, než byl znovu míchán při 300 1/s po dobu 5 minut. Tento cyklus zastavení a míchání byl u každého vzorku opakován ještě jednou (celková doba měření 25 minut).

Výsledky studie rozpouštění jsou znázorněny na obrázku 3. Z obrázku 3a), který znázorňuje viskozitu v závislosti na míchání při rychlosti 300 1/s po dobu 5 minut, je zřejmé, že izolát syrovátkové bílkoviny se rozpouští nejrychleji a má nejnižší viskozitu ze všech směsí. Obohacená syrovátka dosáhne stabilní hodnoty za necelé dvě minuty, zatímco směs s hmyzem za více než 4 minuty. Důležité je, že rostlinná směs nikdy nedosáhne stabilní viskozity, ale ta stále stoupá, což naznačuje, že se hydratuje další část bílkovin a přechází do roztoku. Z obrázku 3b) je patrné, že během celého 25minutového testovacího období a při třech samostatných krocích míchání viskozita rostlinné směsi stále stoupá a nedosáhla ustálené hodnoty. Naproti tomu ostatní tři proteinové prášky dosáhly stabilní hodnoty již po prvním promíchání. Rostlinná směs se nejen nadále hydratuje i po 25 minutách v roztoku, ale její konečná viskozita je téměř dvojnásobná oproti viskozitě syrovátkového proteinového solátu při stejné koncentraci.

Tribologická měření

Již dříve jsme ukázali, jak lze v potravinářském průmyslu využít tribologické (věda zabývající se třením a mazáním) hodnocení pomocí systému Kinexus Prime ultra+ k určení souvislosti mezi strukturou potravin a senzorickými vjemy, jako je například pocit v ústech [4]. Vzali jsme proteinové koktejly vyrobené v rámci studií rozpouštění a otestovali jsme je pomocí tribologické komory typu „koule na třech čepech“. V horní části geometrie byla použita kulička z borosilikátového skla (průměr 12,7 mm) a ve spodní části tři elastomerové kolíky (Sylgard 184), aby se co nejlépe simulovala měkká tribologická dvojice tvořená jazykem a patrem v ústech. Bylo uvedeno, že průměrná rychlost pohybu jazyka po patře během pěti fází polykání tekutin činí 10,3 mm/s [5]. Vzorky byly měřeny ve třech opakováních při pokojové teplotě v rozsahu kluzné rychlosti od 5e-7 do 1,3 m/s.

Rozšířené Stribeckovy křivky čtyř proteinových smoothie jsou znázorněny na obrázku 4. Tradičně se nízký koeficient tření definuje jako < 0,3, zatímco vysoký koeficient tření jako > 0,6. Oblast od 1 mm/s do 100 mm/s je zvýrazněna, aby zahrnovala rozsah rychlostí, při nichž se jazyk při pití pohybuje po patře. Jak obohacená syrovátka, tak izolát syrovátkové bílkoviny mají podobné profily, zatímco směs z hmyzu i rostlinná směs mají zpočátku koeficienty tření, které se zvyšují v závislosti na rychlosti klouzání. To by naznačovalo, že během polykání by směs z hmyzu i rostlinná směs měly stále zrnitější texturu způsobenou shlukováním částic, což by vedlo k vyššímu koeficientu tření. Tyto údaje jsou klíčové pro pochopení odvěké otázky: „Jak hladký je váš smoothie?“

Shrnutí

V této studii jsme zkoumali vlastnosti proteinových prášků z různých zdrojů – od syrovátky zpracované různými způsoby přes čistě rostlinné směsi až po směsi na bázi hmyzu. Pomocí systému pro hodnocení textury a chuti Kinexus Prime ultra+ jsme mohli posoudit vlastnosti suchého prášku i charakteristiky rozpouštění a dokonce pochopit, jaký pocit by mohly konečné roztoky vyvolávat v ústech při jejich pití. Vývoj proteinových produktů na rostlinné a hmyzí bázi představuje významnou oblast výzkumu v potravinářském a nápojovém průmyslu. Porozumění proměnným, jako je sypkost a rozpustnost, je klíčové jak pro výrobu, tak pro požitek konečného spotřebitele.