Εισαγωγή
Οι σκόνες πρωτεΐνης αποτελούν βασικό στοιχείο στον κόσμο της διατροφής, βοηθώντας τα άτομα να αυξήσουν τη μυϊκή τους μάζα, να χάσουν βάρος ή απλώς να καλύψουν κενά στη διατροφή τους. Η πιο συνηθισμένη πηγή πρωτεΐνης στον κλάδο είναι ο ορός γάλακτος, ένα υποπροϊόν της γαλακτοκομικής βιομηχανίας. Ωστόσο, λόγω διατροφικών περιορισμών (δυσανεξία στη λακτόζη), ηθικών ανησυχιών και της έρευνας για τη μεγιστοποίηση των διατροφικών οφελών, έχουν διερευνηθεί και πολλές άλλες πηγές για την παραγωγή πρωτεϊνικής σκόνης.
Υπάρχουν πολλές εμπορικές πρωτεϊνικές σκόνες που προέρχονται εξ ολοκλήρου από φυτικές πηγές ή ακόμη και από έντομα. NETZSCH Η Grinding & Dispersing προσφέρει εξατομικευμένα συστήματα με υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας για την επεξεργασία ολόκληρων εντόμων, αποξηραμένων προνυμφών ή ενδιάμεσων προϊόντων. Ωστόσο, τόσο οι σκόνες πρωτεΐνης φυτικής προέλευσης όσο και εκείνες που προέρχονται από έντομα αντιμετωπίζουν παραδοσιακά το πρόβλημα της χαμηλής διαλυτότητας σε σύγκριση με τον παραδοσιακό ορό γάλακτος. Οι σκόνες πρωτεΐνης φυτικής προέλευσης τείνουν να αποτελούνται από περισσότερα υδρόφοβα αμινοξέα και στερούνται των φυσικών χημικών γαλακτωματοποιητών που περιέχει ο ορός γάλακτος, ενώ οι σκόνες πρωτεΐνης από έντομα τείνουν να περιέχουν φυσικές ίνες από το εξωσκελετό (χιτίνη), οι οποίες είναι φυσικά ελάχιστα υδατοδιαλυτές. Για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα διαλυτότητας, μια συνήθης στρατηγική είναι η ανάμειξη διαφορετικών πηγών με διαφορετικά προφίλ αμινοξέων και γαλακτωματοποιητών.
Στην παρούσα μελέτη επιδιώξαμε να συγκρίνουμε τις ιδιότητες της ξηρής σκόνης πρωτεϊνικών σκευασμάτων διαφορετικής προέλευσης, καθώς και να μετρήσουμε τα προφίλ διάλυσης τους και να διερευνήσουμε ακόμη και την αίσθηση στο στόμα που προσφέρουν. Για να το επιτύχουμε αυτό, χρησιμοποιήσαμε τη σειρά ρεομέτρων Kinexus Prime της εταιρείας NETZSCH, τα οποία μπορούν να χαρακτηρίσουν ένα ευρύ φάσμα σύνθετων υγρών και ημιστερεών χάρη στην ευαισθησία τους, τις χαμηλές απαιτήσεις όγκου, τις αρθρωτές γεωμετρίες και τις δυνατότητες advanced software. Ειδικότερα, η αρθρωτή φύση του οργάνου επέτρεψε τη γρήγορη και εύκολη προσαρμογή για τη μέτρηση των δειγμάτων ως σκόνες, κατά τη διάρκεια της διάλυσης, καθώς και για τριβολογικές αναλύσεις.
Χαρακτηρίστηκαν τέσσερα διαφορετικά δείγματα: μια πρωτεΐνη ορού γάλακτος που ενισχύθηκε περαιτέρω με πρόσθετα αμινοξέα, ένα απομονωμένο πρωτεϊνικό ορό γάλακτος (ορός γάλακτος που υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία για τη διήθηση της λακτόζης και του λίπους), ένα φυτικό μείγμα (πρωτεΐνες μπιζελιού, κολοκύθας και τσία) και ένα μείγμα με βάση έντομα (πρωτεΐνες γρύλου και μπιζελιού).
Ιδιότητες της ξηρής σκόνης
Για τη μέτρηση των ίδιων των ξηρών σκονών, χρησιμοποιήθηκε ένα πρωτόκολλο παρόμοιο με αυτό που έχει αναφερθεί προηγουμένως για τη μέτρηση της ξηρής λακτόζης [1]. Οι παράμετροι μέτρησης αναλύονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Διάταξη μέτρησης
| Όργανο | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Δείγματα | Ξηρή πρωτεΐνη σε σκόνη (15 g το καθένα) |
| Κύλινδρος | Κυλινδρικό κύπελλο (Φ 34 mm) |
| Κουτάλι | Κουτάλα αμύλου με 2 πτερύγια |
| Εύρος θερμοκρασίας | RT |
| Ιξώδες διάτμησης | 10 έως 1000 1/s |
Κάθε δείγμα υποβλήθηκε σε στάδιο ρευστοποίησης που συνίστατο σε κλιμάκωση του ιξώδους διάτμησης από 10 έως 1000 1/s, ακολουθούμενη από ανάπαυση 5 λεπτών. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων μειώνονται [2] και εξαλείφεται η επίδραση του ιστορικού του δείγματος (συμπίεση λόγω χειρισμού κ.λπ.). Το ιξώδες ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης για κάθε σκόνη παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.
Ακόμη και κατά τη διάρκεια του σταδίου ρευστοποίησης για τη διαγραφή του ιστορικού των δειγμάτων, παρατηρείται σαφής διαφορά στο ιξώδες των δειγμάτων, με τον ενισχυμένο ορό γάλακτος να παρουσιάζει το υψηλότερο ιξώδες και το μείγμα εντόμων το χαμηλότερο. Πολυάριθμες παράμετροι, όπως το μέγεθος των σωματιδίων και το ηλεκτρικό φορτίο, καθορίζουν το ιξώδες των ξηρών σκονών υπό διάτμηση.
Αφού διαγράφηκε το ιστορικό επεξεργασίας των δειγμάτων μέσω της ρευστοποίησης, πραγματοποιήθηκε σάρωση πλάτους στα δείγματα για τον προσδιορισμό των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων (το G’ περιγράφει την ελαστική συμπεριφορά και το G” την ιξώδη συμπεριφορά) των σκονών. Η μέτρηση ολοκληρώθηκε χρησιμοποιώντας την πτερωτή αμύλου σε θερμοκρασία δωματίου και συχνότητα 1 Hz, από 0,01 Pa έως 50 Pa. Τα αποτελέσματα των σαρώσεων πλάτους παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.
Οι μετρηθείσες ιξωδοελαστικές ιδιότητες των ξηρών σκονών μας παρέχουν πληροφορίες για τα δίκτυα που σχηματίζονται μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων (ηλεκτροστατική, τριβή κ.λπ.). Η κατανόηση αυτών των ιδιοτήτων είναι σημαντική όχι μόνο για την επεξεργασία και τη ροητικότητα, αλλά και για την κατανόηση του πόσο ισχυρά είναι αυτά τα δίκτυα κατά τη διάλυση. Το απομονωμένο πρωτεΐνη ορού γάλακτος παρουσιάζει τις υψηλότερες αρχικές τιμές μέτρου ελαστικότητας, γεγονός που υποδηλώνει ότι σχηματίζει το πιο άκαμπτο δίκτυο σκόνης, αλλά παρουσιάζει επίσης τη μικρότερη περιοχή γραμμικής ιξωδοελαστικότητας (την περιοχή στην οποία τα G’ και G” εμφανίζουν γραμμική απόκριση με την αύξηση της παραμόρφωσης), αποδεικνύοντας ότι, αν και το δίκτυο είναι άκαμπτο, απαιτείται μικρή διατμητική παραμόρφωση για να διαχωριστούν τα σωματίδια. Αντίθετα, η ενισχυμένη πρωτεΐνη ορού γάλακτος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη περιοχή γραμμικής ιξωδοελαστικότητας, γεγονός που υποδηλώνει ότι το δίκτυο που δημιουργείται από τα σωματίδια είναι ανθεκτικό στη διάτμηση ή στους κραδασμούς της επεξεργασίας.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι, εκτός από τις φυσικές/μηχανικές διαφορές που παρατηρήθηκαν μεταξύ των σκόνων πρωτεΐνης διαφορετικής προέλευσης, θα ήταν επίσης αναμενόμενο να παρουσιάζουν και διαφορετικές θερμικές ιδιότητες [2].
Ιξωδοελαστικές ιδιότητες των σκόνων πρωτεΐνης α) ενισχυμένου ορού γάλακτος, β) απομονωμένης πρωτεΐνης ορού γάλακτος, γ) μείγματος εντόμων και δ) φυτικού μείγματος, όπως μετρήθηκαν με σάρωση πλάτους συχνότητας 1 Hz από διατμητική παραμόρφωση 0,001 έως 1%.
Διάλυση
Μια τυπική συνταγή για smoothies με πρωτεΐνη σε σκόνη είναι η προσθήκη μιας μεζούρας (25-35 g) σε 1-1,5 φλιτζάνια νερό. Στόχος μας σε αυτή τη μελέτη ήταν όχι μόνο να μετρήσουμε το χρόνο που χρειάστηκαν οι διάφορες πρωτεΐνες σε σκόνη για να διαλυθούν, αλλά και να αξιολογήσουμε πόσο καλά παρέμειναν διαλυμένες σε σχέση με την καθίζηση. Θέλαμε επίσης να προσδιορίσουμε τη διάλυση και το ιξώδες, καθώς αυτά τα δείγματα θα αναμειγνύονταν είτε βιομηχανικά είτε στο σπίτι με μπλέντερ. Για τον σκοπό αυτό, διαπιστώθηκε ότι οι ρυθμοί διάτμησης σε έναν προσομοιωτή αναμικτήρα κυμαίνονταν από 0 έως 400 1/s (ανάλογα με το μέγεθος, την έλικα κ.λπ.) [3]. Για τη μέτρηση, προστέθηκαν 35 g νερού σε ένα κύπελλο διαμέτρου 34 mm. Στη συνέχεια, 4,4 g από κάθε σκόνη πρωτεΐνης χύθηκαν πάνω στο νερό, πριν η λεπίδα αμύλου κατεβεί σε καθορισμένη απόσταση 5 mm. Κατόπιν, κάθε δείγμα αναμίχθηκε με ρυθμό 300 1/s για 5 λεπτά. Μετά την αρχική ανάμιξη, το δείγμα αφέθηκε να καθιζάνει για 5 λεπτά πριν αναμιχθεί εκ νέου με ταχύτητα 300 1/s για 5 λεπτά. Αυτή η διαδικασία παύσης και ανάμιξης ολοκληρώθηκε για έναν επιπλέον κύκλο για κάθε δείγμα (συνολικός χρόνος μέτρησης 25 λεπτών).
Τα αποτελέσματα της μελέτης διάλυσης παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Παρατηρώντας το Σχήμα 3α), το οποίο απεικονίζει το ιξώδες ως συνάρτηση της ανάδευσης στα 300 1/s για 5 λεπτά, είναι προφανές ότι το απομονωμένο πρωτεϊνικό ορό γάλακτος διαλύεται ταχύτερα και παρουσιάζει το χαμηλότερο ιξώδες από όλα τα μείγματα. Η ενισχυμένη πρωτεΐνη ορού γάλακτος χρειάζεται λίγο λιγότερο από δύο λεπτά για να φτάσει σε σταθερό ιξώδες, ενώ το μείγμα εντόμων χρειάζεται πάνω από 4 λεπτά. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το φυτικό μείγμα δεν φτάνει ποτέ σε σταθερό ιξώδες, αλλά συνεχίζει να αυξάνεται, υποδηλώνοντας ότι μεγαλύτερη ποσότητα της πρωτεΐνης ενυδατώνεται και μεταφέρεται στο διάλυμα. Από το Σχήμα 3β) παρατηρούμε ότι καθ’ όλη τη διάρκεια της δοκιμής των 25 λεπτών και με τρία ξεχωριστά στάδια ανάδευσης, το φυτικό μείγμα εξακολουθεί να αυξάνει το ιξώδες του και δεν έχει φτάσει σε σταθερή τιμή. Σε σύγκριση, οι άλλες τρεις σκόνες πρωτεΐνης έφτασαν σε σταθερή τιμή μετά την πρώτη ανάμιξη. Το φυτικό μείγμα όχι μόνο συνεχίζει να ενυδατώνεται ακόμη και μετά από 25 λεπτά στο διάλυμα, αλλά το τελικό ιξώδες του είναι σχεδόν διπλάσιο από αυτό του διαλύματος πρωτεΐνης ορού γάλακτος στην ίδια συγκέντρωση.
Μετρήσεις τριβολογίας
Έχουμε δείξει προηγουμένως πώς η αξιολόγηση της τριβολογίας (η μελέτη της τριβής και της λίπανσης) με τη συσκευή Kinexus Prime ultra+ μπορεί να αξιοποιηθεί από τη βιομηχανία τροφίμων για να συσχετιστεί η δομή των τροφίμων με αισθητηριακές αντιλήψεις, όπως η αίσθηση στο στόμα [4]. Πήραμε τα πρωτεϊνικά ροφήματα που παρασκευάστηκαν κατά τη διάρκεια των μελετών διάλυσης και τα εξετάσαμε χρησιμοποιώντας ένα τριβολογικό κύτταρο τύπου «σφαίρα επί τριών ακίδων». Η άνω γεωμετρία χρησιμοποιούσε μια σφαίρα από βοριοπυριτικό γυαλί (διαμέτρου 12,7 mm), ενώ η κάτω γεωμετρία τρεις ακίδες από ελαστομερές (Sylgard 184), προκειμένου να προσομοιωθεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο το μαλακό τριβικό ζεύγος γλώσσας-ουρανίσκου. Έχει αναφερθεί ότι η μέση ταχύτητα κίνησης της γλώσσας πάνω στον ουρανίσκο κατά τη διάρκεια των πέντε σταδίων της κατάποσης υγρών είναι 10,3 mm/s [5]. Τα δείγματα μετρήθηκαν σε τριπλό αντίγραφο σε θερμοκρασία δωματίου σε ταχύτητες ολίσθησης από 5e-7 έως 1,3 m/s.
Οι εκτεταμένες καμπύλες Stribeck των τεσσάρων πρωτεϊνικών smoothies παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Παραδοσιακά, ένας χαμηλός συντελεστής τριβής ορίζεται ως < 0,3, ενώ ένας υψηλός συντελεστής τριβής είναι > 0,6. Η περιοχή από 1 mm/s έως 100 mm/s επισημαίνεται ώστε να καλύπτει το εύρος των ταχυτήτων με τις οποίες κινείται η γλώσσα πάνω στον ουρανίσκο κατά την κατανάλωση. Τόσο ο ενισχυμένος ορός γάλακτος όσο και το απομονωμένο πρωτεϊνικό ορό γάλακτος παρουσιάζουν παρόμοια προφίλ, ενώ το μείγμα εντόμων και το φυτικό μείγμα έχουν αρχικά συντελεστές τριβής που αυξάνονται ανάλογα με την ταχύτητα ολίσθησης. Αυτό υποδηλώνει ότι κατά τη διάρκεια της κατάποσης, τόσο το μείγμα εντόμων όσο και το φυτικό μείγμα θα αποκτούν μια ολοένα και πιο κοκκώδη υφή λόγω της συσσωμάτωσης των σωματιδίων, με αποτέλεσμα έναν υψηλότερο συντελεστή τριβής. Τα δεδομένα αυτά είναι καθοριστικά για την κατανόηση του διαχρονικού ερωτήματος «πόσο απαλό είναι το smoothie σου;»
Περίληψη
Στη μελέτη αυτή, διερευνήσαμε τις ιδιότητες σκόνης πρωτεΐνης διαφορετικής προέλευσης — από ορούς γάλακτος που έχουν υποστεί διαφορετικές επεξεργασίες, έως μείγματα αποκλειστικά φυτικής προέλευσης και μείγματα με βάση έντομα. Χρησιμοποιώντας το σύστημα αξιολόγησης αίσθησης στο στόμα Kinexus Prime ultra+, καταφέραμε να αναλύσουμε τις ιδιότητες της ξηρής σκόνης σε σχέση με τα χαρακτηριστικά διάλυσης και μάλιστα να κατανοήσουμε πώς θα αισθάνεται κανείς τα τελικά διαλύματα στο στόμα κατά την κατανάλωσή τους. Η ανάπτυξη προϊόντων πρωτεΐνης φυτικής και εντόμου προέλευσης αποτελεί σημαντικό τομέα έρευνας στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών. Η κατανόηση μεταβλητών όπως η ροητικότητα και η διάλυση είναι κρίσιμη τόσο για την παραγωγή όσο και για την απόλαυση του τελικού χρήστη.