Kuinka sileä smoothie on? Erilaisista lähteistä peräisin olevien proteiinien jauhe- ja liukenemisominaisuuksien ymmärtäminen

Johdanto

Proteiinijauheet ovat ravitsemusalan vakiintunut osa, joka auttaa ihmisiä kasvattamaan lihasmassaa, laihduttamaan tai yksinkertaisesti täyttämään ravitsemuksellisia puutteita. Alan yleisin proteiininlähde on hera, joka on maitotuotteiden valmistuksen sivutuote. Ruokavaliorajoitusten (laktoosi-intoleranssi), eettisten huolenaiheiden ja ravitsemuksellisten hyötyjen maksimointia koskevan tutkimuksen vuoksi on kuitenkin tutkittu myös monia muita proteiinijauheen lähteitä.

Markkinoilla on monia kaupallisia proteiinijauheita, jotka on valmistettu kokonaan kasviperäisistä tai jopa hyönteisperäisistä raaka-aineista. NETZSCH Grinding & Dispersing tarjoaa räätälöityjä järjestelmiä, joilla on suuri tuotantokapasiteetti ja alhainen energiankulutus kokonaisen hyönteisen, kuivattujen toukkien tai välituotteiden käsittelyyn. Sekä kasvi- että hyönteisperäisillä proteiinijauheilla on kuitenkin perinteisesti ollut ongelmana huono liukoisuus verrattuna perinteiseen heraan. Kasvipohjaiset proteiinijauheet koostuvat yleensä enemmän hydrofobisista aminohapoista, ja niiltä puuttuvat herassa luonnollisesti esiintyvät kemialliset emulgointiaineet, kun taas hyönteispohjaiset proteiinijauheet sisältävät yleensä ulkokuoresta peräisin olevia luonnonkuituja (kitiiniä), jotka ovat luonnostaan huonosti veteen liukenevia. Näiden liukoisuusongelmien ratkaisemiseksi yleisenä strategiana on sekoittaa eri lähteistä peräisin olevia proteiineja, joilla on erilaiset aminohappo- ja emulgointiaineprofiilit.

Tässä tutkimuksessa pyrimme vertailemaan eri lähteistä peräisin olevien proteiinijauheiden kuivajauheominaisuuksia sekä mittaamaan niiden liukenemisprofiileja ja jopa tutkimaan niiden suutuntumaa. Tämän saavuttamiseksi käytimme NETZSCH Kinexus Prime -sarjan reometrejä, joilla voidaan karakterisoida laaja valikoima monimutkaisia nesteitä ja puolikiinteitä aineita niiden herkkyyden, pienen tilavuusvaatimuksen, modulaarisen rakenteen ja advanced software -ominaisuuksien ansiosta. Erityisesti laitteen modulaarinen rakenne mahdollisti nopean ja helpon säätämisen näytteiden mittaamiseksi jauheina, liukenemisen aikana sekä tribologian tutkimusta varten.

Tutkittavina oli neljä erilaista näytettä: heraproteiini, jota oli vahvistettu lisäämällä aminohappoja, heraproteiini-isolaatti (heraa, josta on suodatettu pois laktoosi ja rasva), kasvipohjainen seos (herne-, kurpitsa- ja chiaproteiini) sekä hyönteispohjainen seos (sirppiproteiini ja herneproteiini).

Kuivajauheen ominaisuudet

Itse kuivajauheiden mittauksessa käytettiin samanlaista menetelmää kuin aiemmin on raportoitu kuivan laktoosin mittauksessa [1]. Mittausparametrit on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.

Taulukko 1: Mittausjärjestely

Jokaiselle näytteelle suoritettiin fluidisointivaihe, joka koostui leikkausviskositeetin noususta välillä 10–1000 1/s, jota seurasi 5 minuutin lepoaika. Tämän vaiheen aikana hiukkasten väliset vuorovaikutukset vähenevät [2] ja näytteen aiemman käsittelyn vaikutukset (käsittelystä johtuva tiivistyminen jne.) poistuvat. Kunkin jauheen viskositeetti leikkausnopeuden funktiona on esitetty kuvassa 1.

Jopa fluidisointivaiheessa, jonka tarkoituksena on poistaa näytteiden aiemmat käsittelyt, näytteiden viskositeetissa on selvä ero: vahvistetulla heralla on suurin viskositeetti ja hyönteisseoksella pienin. Lukuisat parametrit, kuten hiukkaskoko ja varaus, määräävät kuivajauheiden viskositeetin leikkausvoiman alaisena.

Kun näytteiden käsittelyhistoria oli poistettu fluidisoinnilla, näytteille suoritettiin amplitudipyyhkäisy jauheiden viskoelastisten ominaisuuksien (G’, joka kuvaa elastista käyttäytymistä, ja G”, joka kuvaa viskoosia käyttäytymistä) määrittämiseksi. Mittaus suoritettiin tärkkelyspaddle-laitteella huoneenlämpötilassa ja 1 Hz:n taajuudella painealueella 0,01–50 Pa. Amplitudipyyhkäisyn tulokset on esitetty kuvassa 2.

Kuivajauheiden mitatut viskoelastiset ominaisuudet antavat meille käsityksen hiukkasten välisen vuorovaikutuksen (sähköstaattiset voimat, kitka jne.) muodostamista verkostoista. Näiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää paitsi jalostuksen ja virtaavuuden kannalta myös sen ymmärtämiseksi, kuinka vahvoja nämä verkostot ovat liukenemisen yhteydessä. Heraproteiini-isolaatilla on korkeimmat alkumoduuliarvot, mikä viittaa siihen, että se muodostaa jäykimmän jauheverkoston, mutta sillä on myös pienin lineaarisen viskoelastisuuden alue (alue, jolla G’ ja G” osoittavat lineaarista vastetta venymän kasvaessa), mikä osoittaa, että vaikka verkosto on jäykkä, hiukkasten hajottamiseen tarvitaan vain vähän leikkausjännitystä. Sitä vastoin vahvistetulla heraproteiinilla on laajin lineaarisen viskoelastisuuden alue, mikä viittaa siihen, että hiukkasten muodostama verkosto kestää hyvin leikkausvoimia tai prosessin aikana syntyviä tärinöitä.

On tärkeää huomata, että eri lähteistä peräisin olevien proteiinijauheiden välillä havaittujen fysikaalisten ja mekaanisten erojen lisäksi niiden voidaan odottaa osoittavan myös erilaisia lämpöominaisuuksia [2].

a) vahvistetun heraproteiinin, b) heraproteiini-isolaatin, c) hyönteisseoksen ja d) kasviseoksen proteiinijauheiden viskoelastiset ominaisuudet mitattuna amplitudipyörityksellä taajuudella 1 Hz leikkausvenymän ollessa 0,001–1 %.

Hajottaminen

Proteiinijauhesmoothieiden vakiintunut resepti on lisätä yksi mittalusikallinen (25–35 g) 1–1,5 kupilliseen vettä. Tavoitteenamme tässä tutkimuksessa oli paitsi mitata, kuinka kauan eri proteiinijauheiden liukeneminen kesti, myös selvittää, kuinka hyvin ne pysyivät liuenneina sen sijaan, että olisivat laskeutuneet pohjalle. Halusimme myös selvittää liukenemista ja viskositeettia, sillä näitä näytteitä sekoitettaisiin joko teollisesti tai kotona tehosekoittimella. Tätä varten mallisekoittimessa mitatut leikkausnopeudet vaihtelivat välillä 0–400 1/s (riippuen koosta, potkurista jne.) [3]. Mittausta varten 35 g vettä lisättiin halkaisijaltaan 34 mm:n kuppiin. Sen jälkeen kunkin proteiinijauheen 4,4 g kaadettiin veden päälle, ennen kuin tärkkelyspatula laskettiin 5 mm:n etäisyydelle. Kukin näyte sekoitettiin sitten nopeudella 300 1/s viiden minuutin ajan. Alustavan sekoituksen jälkeen näytettä annettiin laskeutua 5 minuuttia, minkä jälkeen sitä sekoitettiin uudelleen nopeudella 300 1/s viiden minuutin ajan. Tämä tauko- ja sekoitusjakso toistettiin vielä yhden kierroksen verran jokaiselle näytteelle (mittauksen kokonaiskesto 25 minuuttia).

Liuennutkimuksen tulokset on esitetty kuvassa 3. Kuvasta 3a), joka esittää viskositeetin sekoituksen funktiona nopeudella 300 1/s viiden minuutin ajan, käy selvästi ilmi, että heraproteiini-isolaatti liukenee nopeimmin ja sillä on alhaisin viskositeetti kaikista seoksista. Vahvistetun heraproteiinin viskositeetti vakiintuu vajaan kahden minuutin kuluessa, kun taas hyönteisseoksen vakiintuminen kestää yli 4 minuuttia. On tärkeää huomata, että kasvipohjainen seos ei saavuta koskaan vakiintunutta viskositeettia, vaan se jatkaa kasvuaan, mikä viittaa siihen, että yhä suurempi osa proteiinista imeytyy veteen ja siirtyy liuokseen. Kuvasta 3b) nähdään, että koko 25 minuutin testijakson ajan ja kolmen erillisen sekoitusvaiheen jälkeen kasvipohjaisen seoksen viskositeetti kasvaa edelleen eikä ole saavuttanut vakaata arvoa. Vertailun vuoksi muut kolme proteiinijauhetta saavuttivat vakaat mittausarvot jo ensimmäisen sekoituksen jälkeen. Kasvipohjainen seos ei ainoastaan jatka hydratoitumistaan vielä 25 minuutin liuoksessa olon jälkeen, vaan sen lopullinen viskositeetti on lähes kaksinkertainen verrattuna heraproteiinisolaattiin samassa pitoisuudessa.

Tribologiset mittaukset

Olemme aiemmin osoittaneet, kuinka elintarviketeollisuus voi hyödyntää tribologian (kitkan ja voitelun tutkimuksen) arviointia ” Kinexus Prime ultra+ ” -laitteella yhdistääkseen elintarvikkeen rakenteen aistinvaraisiin havaintoihin, kuten suutuntumaan [4]. Otimme liukenemistutkimusten aikana valmistetut proteiinipirtelöt ja testasimme niitä käyttämällä kolmen tapin pallotribologiasolua. Yläosassa käytettiin borosilikaattilasipalloa (halkaisija 12,7 mm) ja alaosassa kolmea elastomeerista tappia (Sylgard 184), jotta pehmeää kielen ja kitalaen välistä triboparia voitiin simuloida mahdollisimman hyvin. On raportoitu, että kielen keskimääräinen liikkumisnopeus kitalaen yli nesteen nielemisen viiden vaiheen aikana on 10,3 mm/s [5]. Näytteet mitattiin kolmena toistona huoneenlämpötilassa liukunopeusalueella 5e-7 – 1,3 m/s.

Neljän proteiinismoothien laajennetut Stribeck-käyrät on esitetty kuvassa 4. Perinteisesti alhainen kitkakerroin määritellään arvoksi < 0,3, kun taas korkea kitkakerroin on > 0,6. Alue 1 mm/s – 100 mm/s on korostettu, jotta se kattaisi nopeusalueen, jolla kieli liikkuu kitalaen yli juomisen aikana. Sekä vahvistetulla heralla että heraproteiini-isolaatilla on samankaltaiset profiilit, kun taas hyönteisseoksella ja kasviseoksella on molemmilla aluksi kitkakertoimet, jotka kasvavat liukunopeuden funktiona. Tämä viittaa siihen, että nielemisen aikana sekä hyönteisseoksella että kasvisseoksella olisi hiukkasten agglomeroitumisen vuoksi yhä rakeisempi rakenne, mikä johtaisi suurempaan kitkakertoimeen. Nämä tiedot ovat keskeisiä, kun pyritään ymmärtämään ikuista kysymystä: ”Kuinka sileä smoothie on?”

Yhteenveto

Tässä tutkimuksessa selvitimme eri lähteistä peräisin olevien proteiinijauheiden ominaisuuksia – erilaisilla menetelmillä jalostetuista herajauheista täysin kasviperäisiin sekoituksiin ja hyönteissekoituksiin. Käyttämällä Kinexus Prime ultra+ -sivustoa pystyimme tarkastelemaan kuivajauheen ominaisuuksia ja liukenemisominaisuuksia sekä jopa ymmärtämään, miltä lopulliset liuokset saattavat tuntua suussa juotaessa. Kasvi- ja hyönteispohjaisten proteiinituotteiden kehittäminen on merkittävä tutkimusalue elintarvike- ja juomateollisuudessa. Muuttujien, kuten virtaavuuden ja liukenemisen, ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää sekä valmistuksen kannalta että loppukäyttäjän nautinnon kannalta.