Introducción
Las proteínas en polvo son un elemento fundamental en el mundo de la nutrición, ya que ayudan a las personas a ganar masa muscular, perder peso o, simplemente, a cubrir las carencias de su dieta. La fuente de proteínas más habitual en el sector es el suero de leche, un subproducto de la industria láctea. Sin embargo, debido a las restricciones dietéticas (intolerancia a la lactosa), a cuestiones éticas y a la investigación destinada a maximizar los beneficios nutricionales, también se han estudiado muchas otras fuentes de proteínas en polvo.
Existen numerosas proteínas en polvo comerciales que proceden íntegramente de fuentes vegetales o incluso de insectos. NETZSCH Grinding & Dispersing ofrece sistemas a medida con un alto rendimiento y un bajo consumo energético para el procesamiento de insectos enteros, larvas secas o productos intermedios. No obstante, tanto las proteínas en polvo de origen vegetal como las derivadas de insectos suelen presentar un problema de escasa solubilidad en comparación con el suero tradicional. Las proteínas en polvo de origen vegetal suelen estar compuestas por aminoácidos más hidrofóbicos y carecen de los emulsionantes químicos naturales presentes en el suero, mientras que las proteínas en polvo de origen entomológico suelen contener fibras naturales procedentes del exoesqueleto (quitina), que son, por naturaleza, poco solubles en agua. Para superar estos problemas de solubilidad, una estrategia habitual consiste en mezclar diferentes fuentes con distintos perfiles de aminoácidos y emulsionantes.
En este estudio nos propusimos comparar las propiedades en estado seco de las proteínas en polvo de distintos orígenes, así como medir sus perfiles de disolución e incluso explorar su textura en boca. Para lograrlo, utilizamos los reómetros de la serie Kinexus Prime de NETZSCH, capaces de caracterizar una amplia gama de fluidos complejos y semisólidos gracias a su sensibilidad, a que requieren un volumen reducido, a sus geometrías modulares y a sus capacidades de advanced software. En concreto, la naturaleza modular del instrumento permitió un ajuste rápido y sencillo para medir las muestras en forma de polvos, durante su disolución y para el análisis tribológico.
Se caracterizaron cuatro muestras diferentes: una proteína de suero reforzada con aminoácidos adicionales, un aislado de proteína de suero (suero sometido a un procesamiento adicional para filtrar la lactosa y la grasa), una mezcla de origen vegetal (proteínas de guisante, calabaza y chía) y una mezcla de origen entomológico (proteínas de grillo y guisante).
Propiedades del polvo seco
Para la medición de los propios polvos secos, se utilizó un protocolo similar al descrito anteriormente para la medición de la lactosa seca [1]. Los parámetros de medición se detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Configuración de la medición
| Instrumento | Kinexus Prime Ultra+ |
|---|---|
| Muestras | Proteína en polvo seco (15 g cada una) |
| Cilindro | Vaso cilíndrico (Φ 34 mm) |
| Paleta | Paleta de almidón de dos palas |
| Rango de temperatura | Temperatura ambiente |
| Viscosidad de cizallamiento | De 10 a 1000 1/s |
Cada muestra se sometió a una etapa de fluidización que consistió en una rampa de viscosidad de cizallamiento entre 10 y 1000 1/s, seguida de un reposo de 5 minutos. Durante esta etapa, se reducen las interacciones entre las partículas [2] y se elimina la influencia del historial de la muestra (compresión debida a la manipulación, etc.). En la figura 1 se muestra la viscosidad en función de la velocidad de cizallamiento para cada polvo.
Incluso durante la etapa de fluidización para borrar el historial de las muestras, se observa una clara distinción en la viscosidad de las mismas: el suero reforzado presenta la viscosidad más alta y la mezcla de insectos, la más baja. Numerosos parámetros, como el tamaño de las partículas y la carga, determinarán la viscosidad de los polvos secos sometidos a cizallamiento.
Una vez borrado el historial de procesamiento de las muestras mediante la fluidización, se llevó a cabo un barrido de amplitud en las mismas para determinar las propiedades viscoelásticas (G’, que describe el comportamiento elástico, y G”, que describe el comportamiento viscoso) de los polvos. La medición se llevó a cabo utilizando la paleta de almidón a temperatura ambiente y a 1 Hz, en un rango de 0,01 Pa a 50 Pa. Los resultados de los barridos de amplitud se muestran en la figura 2.
Las propiedades viscoelásticas medidas de los polvos secos nos permiten conocer las redes formadas por la interacción entre partículas (electrostática, fricción, etc.). Comprender estas propiedades no solo es importante para el procesamiento y la fluidez, sino también para entender la resistencia de dichas redes en lo que respecta a la disolución. El aislado de proteína de suero presenta los valores de módulo iniciales más elevados, lo que sugiere que forma la red de polvo más rígida; sin embargo, también muestra la región más reducida de viscoelasticidad lineal (la región en la que G’ y G” presentan una respuesta lineal al aumentar la deformación), lo que demuestra que, aunque la red es rígida, se requiere una deformación por cizallamiento mínima para separar las partículas. Por el contrario, la proteína de suero reforzada presenta la región más amplia de viscoelasticidad lineal, lo que sugiere que la red creada por las partículas es resistente al cizallamiento o a las vibraciones del proceso.
Es importante señalar que, además de las diferencias físicas y mecánicas observadas entre los polvos proteicos de distintos orígenes, también cabría esperar que presentaran propiedades térmicas diferentes [2].
Propiedades viscoelásticas de los polvos proteicos: a) suero reforzado, b) aislado de proteína de suero, c) mezcla de insectos y d) mezcla vegetal, medidas mediante un barrido de amplitud a 1 Hz desde una deformación de cizallamiento del 0,001 % hasta el 1 %.
Disolución
Una receta habitual para preparar batidos con proteína en polvo consiste en añadir una cucharada (25-35 g) a entre 1 y 1,5 tazas de agua. Nuestro objetivo en este estudio no solo era medir el tiempo que tardaban en disolverse las distintas proteínas en polvo, sino también evaluar en qué medida permanecían disueltas frente a la sedimentación. Asimismo, queríamos determinar la disolución y la viscosidad, ya que estas muestras se mezclarían, ya sea a escala industrial o en el hogar con una batidora. A tal fin, se comprobó que las velocidades de cizallamiento en una mezcladora modelo oscilaban entre 0 y 400 1/s (en función del tamaño, la hélice, etc.) [3]. Para la medición, se añadieron 35 g de agua a un vaso de 34 mm de diámetro. A continuación, se vertieron 4,4 g de cada proteína en polvo sobre el agua antes de bajar la paleta de almidón hasta una distancia fija de 5 mm. Posteriormente, cada muestra se mezcló a 300 1/s durante 5 minutos. Tras la mezcla inicial, se dejó que la muestra sedimentara durante 5 minutos antes de volver a mezclarla a 300 1/s durante 5 minutos. Este patrón de pausa y mezcla se repitió en un ciclo adicional para cada muestra (tiempo total de medición de 25 minutos).
Los resultados del estudio de disolución se muestran en la figura 3. Al observar la figura 3a), que muestra la viscosidad en función de la agitación a 300 1/s durante 5 minutos, resulta evidente que el aislado de proteína de suero se disuelve más rápidamente y presenta la viscosidad más baja de todas las mezclas. El suero reforzado tarda algo menos de dos minutos en alcanzar un valor estable, mientras que la mezcla de insectos tarda más de 4 minutos. Es importante destacar que la mezcla de origen vegetal nunca alcanza una viscosidad estable, sino que sigue aumentando, lo que sugiere que una mayor cantidad de proteína se está hidratando y pasando a la solución. En la figura 3b) se observa que, a lo largo de todo el periodo de prueba de 25 minutos y tras tres etapas de agitación distintas, la mezcla de origen vegetal sigue aumentando su viscosidad y no ha alcanzado un valor estable. En comparación, las otras tres proteínas en polvo alcanzaron un valor estable tras la primera mezcla. La mezcla de origen vegetal no solo continúa hidratándose incluso tras 25 minutos en solución, sino que su viscosidad final es casi el doble que la del solato de proteína de suero a la misma concentración.
Mediciones tribológicas
Anteriormente hemos demostrado cómo la industria de la ciencia alimentaria puede utilizar la evaluación tribológica (el estudio de la fricción y la lubricación) con el sistema Kinexus Prime ultra+ para establecer una correlación entre la estructura de los alimentos y las percepciones sensoriales, como la sensación en boca [4]. Tomamos los batidos de proteínas obtenidos durante los estudios de disolución y los analizamos utilizando una célula tribológica de «bola sobre tres pasadores». La geometría superior utilizaba una bola de vidrio de borosilicato (12,7 mm de diámetro), y la geometría inferior, tres pines elastoméricos (Sylgard 184) para simular de la mejor manera posible el par tribológico blando formado por la lengua y el paladar. Se ha descrito que la velocidad media del movimiento de la lengua sobre el paladar durante las cinco fases de la deglución de líquidos es de 10,3 mm/s [5]. Las muestras se midieron por triplicado a temperatura ambiente, en un rango de velocidades de deslizamiento comprendido entre 5e-7 y 1,3 m/s.
En la figura 4 se muestran las curvas de Stribeck extendidas de los cuatro batidos proteicos. Tradicionalmente, se define un coeficiente de fricción bajo como < 0,3, mientras que un coeficiente de fricción alto es > 0,6. Se ha resaltado la región comprendida entre 1 mm/s y 100 mm/s para abarcar el rango de velocidades a las que se desplaza la lengua sobre el paladar al beber. Tanto el suero reforzado como el aislado de proteína de suero presentan perfiles similares, mientras que la mezcla de insectos y la mezcla vegetal tienen coeficientes de fricción iniciales que aumentan en función de la velocidad de deslizamiento. Esto sugeriría que, durante el acto de tragar, tanto la mezcla de insectos como la mezcla vegetal presentarían una textura cada vez más granulosa debido a la aglomeración de partículas, lo que daría lugar a un mayor coeficiente de fricción. Estos datos son fundamentales para comprender la eterna pregunta: «¿Qué tan cremoso es su batido?».
Resumen
En este estudio, hemos analizado las propiedades de polvos proteicos procedentes de diferentes fuentes, desde sueros procesados de diversas formas hasta mezclas totalmente vegetales o a base de insectos. Gracias al sistema de análisis de proteínas en polvo Kinexus Prime ultra+, hemos podido evaluar las propiedades del polvo seco y sus características de disolución, e incluso comprender cómo podrían percibirse en boca las soluciones finales al beberlas. El desarrollo de productos proteicos de origen vegetal y a base de insectos constituye un área de investigación fundamental en la industria de la alimentación y las bebidas. Comprender variables como la fluidez y la disolución resulta fundamental tanto para la fabricación como para el disfrute del usuario final.