Indledning
Proteinpulver er en fast bestanddel i ernæringsverdenen, hvor det hjælper folk med at opbygge muskelmasse, tabe sig eller blot udfylde huller i deres kost. Den mest almindelige proteinkilde i branchen er valle, et biprodukt fra mejeriproduktion. Men på grund af kostbegrænsninger (laktoseintolerance), etiske hensyn og forskning i, hvordan man kan maksimere den ernæringsmæssige værdi, er mange andre kilder til proteinpulver også blevet undersøgt.
Der findes mange kommercielle proteinpulvere, der udelukkende stammer fra plantekilder eller endda fra insekter. NETZSCH Grinding & Dispersing tilbyder skræddersyede systemer med høj kapacitet og lavt energiforbrug til forarbejdning af hele insekter, tørrede larver eller mellemprodukter. Både plante- og insektbaserede proteinpulvere har dog traditionelt et problem med dårlig opløselighed sammenlignet med traditionel valle. Plantebaserede proteinpulvere består typisk af flere hydrofobe aminosyrer og mangler de naturlige kemiske emulgatorer, der findes i valle, mens insektbaserede proteinpulvere ofte indeholder naturlige fibre fra eksoskelettet (chitin), som naturligt er dårligt vandopløselige. For at overvinde disse opløselighedsproblemer er det en almindelig strategi at blande forskellige kilder med forskellige aminosyre- og emulgatorprofiler.
I denne undersøgelse søgte vi at sammenligne tørpulveregenskaberne for proteinpulver fra forskellige kilder samt at måle deres opløsningsprofiler og endda undersøge deres mundfølelse. For at opnå dette anvendte vi Kinexus Prime-serien af reometre fra NETZSCH, som kan karakterisere et bredt spektrum af komplekse væsker og halvfaste stoffer takket være deres følsomhed, lave volumenbehov, modulære geometrier og muligheder for advanced software. Især instrumentets modulære opbygning gjorde det muligt hurtigt og nemt at tilpasse det til måling af prøverne som pulver, under opløsning og i forbindelse med tribologi.
Der blev karakteriseret fire forskellige prøver: et valleprotein, der var yderligere forstærket med ekstra aminosyrer, et valleproteinisolat (valle, der er yderligere forarbejdet for at filtrere laktose og fedt), en plantebaseret blanding (ærte-, græskar- og chiaprotein) samt en insektbaseret blanding (kricket- og ærteprotein).
Egenskaber ved tørt pulver
Til måling af selve de tørre pulvere blev der anvendt en fremgangsmåde svarende til den, der tidligere er beskrevet i forbindelse med måling af tør laktose [1]. Måleparametrene er angivet i tabel 1.
Tabel 1: Måleopsætning
| Instrument | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Prøver | Tørt proteinpulver (15 g hver) |
| Cylinder | Cylindrisk kop (Φ 34 mm) |
| Omrører | 2-bladet stivelsespade |
| Temperaturområde | RT |
| Skjærviskositet | 10 til 1000 1/s |
Hver prøve blev underkastet et fluidiseringstrin bestående af en stigning i forskydningsviskositeten fra 10 til 1000 1/s efterfulgt af en 5-minutters hvileperiode. Under dette trin reduceres interaktionerne mellem partiklerne [2], og indflydelsen fra prøvens forhistorie fjernes (kompression ved håndtering osv.). Viskositeten som en funktion af forskydningshastigheden for hvert pulver er vist i figur 1.
Selv under fluidiseringstrinnet, der har til formål at slette prøvernes forarbejdningshistorik, ses der en tydelig forskel i prøvernes viskositet, hvor den forstærkede valle har den højeste viskositet og insektblandingen den laveste. Talrige parametre, såsom partikelstørrelse og ladning, vil bestemme de tørre pulverers viskositet under forskydning.
Efter at prøvernes forarbejdningshistorik var blevet slettet ved fluidisering, blev der udført et amplitudesvejs på prøverne for at bestemme pulverenes viskoelastiske egenskaber (G’, der beskriver den elastiske adfærd, og G”, der beskriver den viskose adfærd). Målingen blev udført ved hjælp af stivelsespaddlen ved stuetemperatur og 1 Hz fra 0,01 Pa til 50 Pa. Resultaterne af amplitudesvejsningerne er vist i figur 2.
De målte viskoelastiske egenskaber ved de tørre pulvere giver os indsigt i de netværk, der dannes gennem partikel-partikel-interaktion (elektrostatik, friktion osv.). At forstå disse egenskaber er ikke kun vigtigt i forbindelse med forarbejdning og flydeevne, men også for at forstå, hvor stærke disse netværk er, når det kommer til opløsning. Valleproteinisolatet har de højeste indledende modulværdier, hvilket tyder på, at det danner det stiveste pulvernetværk, men det udviser også det mindste område med lineær viskoelasticitet (det område, hvor G’ og G” udviser en lineær respons ved stigende deformation), hvilket viser, at selvom netværket er stift, kræves der kun en lille forskydningsdeformation for at adskille partiklerne. Derimod har det forstærkede valleprotein det største område med lineær viskoelasticitet, hvilket tyder på, at det netværk, der skabes af partiklerne, er robust over for forskydning eller VibrationerEn mekanisk svingningsproces kaldes vibration. Vibrationer er et mekanisk fænomen, hvor der opstår svingninger omkring et ligevægtspunkt. I mange tilfælde er vibrationer uønskede, da de spilder energi og skaber uønsket lyd. For eksempel er vibrationsbevægelserne i motorer, elektriske motorer eller andre mekaniske enheder i drift typisk uønskede. Sådanne vibrationer kan være forårsaget af ubalancer i de roterende dele, ujævn friktion eller indgreb i tandhjul. Omhyggeligt design minimerer normalt uønskede vibrationer.vibrationer under forarbejdningen.
Det er vigtigt at bemærke, at ud over de fysiske/mekaniske forskelle, der er observeret mellem proteinpulverne fra forskellige kilder, kan man også forvente, at de udviser forskellige termiske egenskaber [2].
Viskoelastiske egenskaber for a) det forstærkede valleprotein, b) valleproteinisolatet, c) insektblandingen og d) planteblandingen, målt ved en amplitudesvejsning ved 1 Hz fra en forskydningsdeformation på 0,001 til 1 %.
Opløsning
En standardopskrift på smoothies med proteinpulver er at tilsætte en skefuld (25–35 g) til 1–1,5 kopper vand. Vores mål med denne undersøgelse var ikke blot at måle, hvor lang tid det tog for de forskellige proteinpulvere at opløse sig, men også hvor godt de forblev opløste i forhold til at bundfælde sig. Vi ønskede også at bestemme opløsning og viskositet, da disse prøver ville blive blandet, enten industrielt eller derhjemme med en blender. Til det formål blev det konstateret, at forskydningshastighederne i en modelblander varierede fra 0 til 400 1/s (afhængigt af størrelse, propel osv.) [3]. Til målingen blev der tilsat 35 g vand til et bæger med en diameter på 34 mm. Derefter blev der hældt 4,4 g af hvert proteinpulver oven på vandet, inden stivelsespadlen blev sænket ned til en indstillet afstand på 5 mm. Hver prøve blev derefter blandet ved 300 1/s i 5 minutter. Efter den indledende blanding fik prøven lov til at bundfælde sig i 5 minutter, før den blev blandet igen ved 300 1/s i 5 minutter. Dette mønster med pause og blanding blev gentaget i endnu en cyklus for hver prøve (samlet måletid på 25 minutter).
Resultaterne af opløsningsundersøgelsen er vist i figur 3. Ser man på figur 3a), der viser viskositeten som en funktion af omrøring ved 300 1/s i 5 minutter, er det tydeligt, at valleproteinisolatet opløses hurtigst og har den laveste viskositet af alle blandingerne. Det forstærkede valleprotein tager knap to minutter at nå en stabil viskositet, mens insektblandingen tager over 4 minutter. Det er vigtigt at bemærke, at den plantebaserede blanding aldrig når en stabil viskositet, men fortsætter med at stige, hvilket tyder på, at en større del af proteinet hydreres og går i opløsning. Af figur 3b) fremgår det, at den plantebaserede blanding stadig stiger i viskositet og ikke har nået en stabil værdi i løbet af hele testperioden på 25 minutter og med tre separate omrøringstrin. Til sammenligning nåede de tre andre proteinpulvere en stabil måleværdi allerede efter den første blanding. Den plantebaserede blanding fortsætter ikke blot med at hydrere selv efter 25 minutter i opløsning, men dens endelige viskositet er næsten dobbelt så høj som for valleproteinsolatet ved samme koncentration.
Tribologiske målinger
Vi har tidligere vist, hvordan tribologiske (lære om friktion og smøring) målinger med » Kinexus Prime ultra+ « kan anvendes i fødevareindustrien til at sammenholde fødevarers struktur med sensoriske oplevelser såsom mundfølelse [4]. Vi tog de proteinshakes, der blev fremstillet under opløsningsundersøgelserne, og testede dem ved hjælp af en tribologisk celle med en kugle på tre stifter. Den øverste geometri bestod af en kugle af borosilikatglas (12,7 mm i diameter), og den nederste geometri af tre elastomere stifter (Sylgard 184) for bedst muligt at simulere det bløde tribopar mellem tunge og gane i munden. Det er rapporteret, at den gennemsnitlige hastighed for tungens bevægelse over ganen i de fem faser af væskeslugning er 10,3 mm/s [5]. Prøverne blev målt i tre gentagelser ved stuetemperatur over en glidehastighed på 5e-7 til 1,3 m/s.
De udvidede Stribeck-kurver for de fire proteinsmoothies er vist i figur 4. Traditionelt defineres en lav friktionskoefficient som < 0,3, mens en høj friktionskoefficient er > 0,6. Området fra 1 mm/s til 100 mm/s er fremhævet for at omfatte det hastighedsinterval, hvor tungen bevæger sig over ganen under indtagelse. Både den forstærkede valle og valleproteinisolatet har lignende profiler, mens insektblandingen og planteblandingen begge har friktionskoefficienter, der i starten stiger som en funktion af glidehastigheden. Dette tyder på, at både insektblandingen og planteblandingen under synkeprocessen vil få en stadig mere kornet konsistens som følge af partikelagglomerering, hvilket dermed resulterer i en højere friktionskoefficient. Disse data er afgørende for at forstå det evigt aktuelle spørgsmål: »Hvor glat er din smoothie?«
Resumé
I denne undersøgelse har vi undersøgt egenskaberne ved proteinpulvere fra forskellige kilder – lige fra valle, der er forarbejdet på forskellige måder, til blandinger udelukkende baseret på planter og til blandinger baseret på insekter. Ved hjælp af » Kinexus Prime ultra+ « kunne vi undersøge alt fra det tørre pulvers egenskaber til opløsningsegenskaberne og endda få indsigt i, hvordan de færdige opløsninger vil føles i munden, når man drikker dem. Udviklingen af plantebaserede og insektbaserede proteinprodukter er et vigtigt forskningsområde inden for føde- og drikkevareindustrien. At forstå variabler som flydeevne og opløsning er afgørende både for fremstillingen og for slutbrugerens oplevelse.