Introduction
Les poudres de protéines constituent un pilier du monde de la nutrition, aidant les personnes à se muscler, à perdre du poids ou simplement à combler les carences de leur alimentation. La source de protéines la plus courante dans ce secteur est le lactosérum, un sous-produit de la fabrication des produits laitiers. Cependant, en raison des restrictions alimentaires (intolérance au lactose), des préoccupations éthiques et des recherches visant à optimiser les bienfaits nutritionnels, de nombreuses autres sources de protéines en poudre ont également été étudiées.
Il existe de nombreuses poudres de protéines disponibles dans le commerce qui sont entièrement issues de sources végétales, voire d’insectes. NETZSCH Grinding & Dispersing propose des systèmes sur mesure à haut débit et à faible consommation d’énergie pour le traitement d’insectes entiers, de larves séchées ou de produits intermédiaires. Cependant, les poudres de protéines d’origine végétale et d’origine entomologique souffrent traditionnellement d’un problème de faible solubilité par rapport au lactosérum classique. Les poudres de protéines d’origine végétale ont tendance à être composées d’acides aminés plus hydrophobes et ne contiennent pas les émulsifiants chimiques naturels présents dans le lactosérum, tandis que les poudres de protéines d’origine entomologique contiennent souvent des fibres naturelles issues de l’exosquelette (chitine), qui sont par nature peu solubles dans l’eau. Pour surmonter ces problèmes de solubilité, le mélange de différentes sources présentant des profils d’acides aminés et d’émulsifiants variés constitue une stratégie courante.
Dans cette étude, nous avons cherché à comparer les propriétés à l’état sec de poudres protéinées issues de différentes sources, à mesurer leurs profils de dissolution et même à explorer leur sensation en bouche. Pour ce faire, nous avons utilisé les rhéomètres de la série Kinexus Prime d’ NETZSCH, capables de caractériser une large gamme de fluides complexes et de semi-solides grâce à leur sensibilité, leur faible volume requis, leurs géométries modulaires et leurs capacités d’ advanced software. En particulier, la nature modulaire de l’instrument a permis un réglage rapide et aisé pour mesurer les échantillons sous forme de poudres, pendant leur dissolution et dans le cadre d’analyses tribologiques.
Quatre échantillons différents ont été caractérisés : une protéine de lactosérum enrichie en acides aminés supplémentaires, un isolat de protéine de lactosérum (lactosérum ayant subi un traitement supplémentaire pour éliminer le lactose et les matières grasses), un mélange d’origine végétale (protéines de pois, de potiron et de chia) et un mélange d’origine entomologique (protéines de grillon et de pois).
Propriétés de la poudre sèche
Pour la mesure des poudres sèches elles-mêmes, un protocole similaire à celui décrit précédemment pour la mesure du lactose sec [1] a été utilisé. Les paramètres de mesure sont détaillés dans le tableau 1.
Tableau 1 : Configuration de mesure
| Appareil | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Échantillons | Poudre de protéines sèches (15 g chacun) |
| Cylindre | Coupelle cylindrique (Φ 34 mm) |
| Pale | Pale à amidon à deux pales |
| Plage de température | Température ambiante |
| Viscosité de cisaillement | 10 à 1 000 1/s |
Chaque échantillon a été soumis à une étape de fluidisation consistant en une rampe de viscosité de cisaillement comprise entre 10 et 1 000 1/s, suivie d’un temps de repos de 5 minutes. Au cours de cette étape, les interactions entre les particules sont réduites [2] et l’influence de l’historique de l’échantillon est éliminée (compression due à la ManipulationL'adhésivité décrit l'interaction entre deux couches de matériaux identiques (auto-adhésion) ou différents (cohésion) en termes d'adhérence de surface.manipulation, etc.). La viscosité en fonction du taux de cisaillement pour chaque poudre est représentée sur la figure 1.
Même au cours de l’étape de fluidisation visant à effacer l’historique des échantillons, on observe une nette distinction dans la viscosité des échantillons : le lactosérum renforcé présente la viscosité la plus élevée, tandis que le mélange à base d’insectes présente la plus faible. De nombreux paramètres, tels que la taille des particules et leur charge, déterminent la viscosité des poudres sèches soumises à un cisaillement.
Une fois l’historique de traitement des échantillons effacé par fluidisation, un balayage d’amplitude a été réalisé sur les échantillons afin de déterminer les propriétés viscoélastiques (G’ décrivant le comportement élastique et G” le comportement visqueux) des poudres. La mesure a été réalisée à l’aide d’une palette en amidon, à température ambiante et à une fréquence de 1 Hz, dans une plage de 0,01 Pa à 50 Pa. Les résultats des balayages d’amplitude sont présentés à la figure 2.
Les propriétés viscoélastiques mesurées des poudres sèches nous renseignent sur les réseaux formés par les interactions entre particules (électrostatique, frottement, etc.). La compréhension de ces propriétés est importante non seulement pour la mise en œuvre et la fluidité, mais aussi pour évaluer la résistance de ces réseaux lors de la dissolution. L’isolat de protéines de lactosérum présente les valeurs de module initial les plus élevées, ce qui suggère qu’il forme le réseau de poudre le plus rigide ; toutefois, il présente également la zone de viscoélasticité linéaire la plus étroite (la zone dans laquelle G’ et G” affichent une réponse linéaire à l’augmentation de la déformation), ce qui démontre que, bien que le réseau soit rigide, une faible déformation de cisaillement suffit à séparer les particules. À l’inverse, la protéine de lactosérum renforcée présente la plus grande plage de viscoélasticité linéaire, ce qui suggère que le réseau créé par les particules est résistant au cisaillement ou aux VibrationsUn processus mécanique d'oscillation est appelé vibration. La vibration est un phénomène mécanique par lequel des oscillations se produisent autour d'un point d'équilibre. Dans de nombreux cas, la vibration est indésirable, car elle gaspille de l'énergie et crée des sons indésirables. Par exemple, les mouvements vibratoires des moteurs, des moteurs électriques ou de tout autre dispositif mécanique en fonctionnement sont généralement indésirables. Ces vibrations peuvent être causées par des déséquilibres dans les pièces rotatives, des frottements inégaux ou l'engrènement des dents d'un engrenage. Une conception soignée permet généralement de minimiser les vibrations indésirables.vibrations liées au traitement.
Il est important de noter qu’outre les différences physiques et mécaniques observées entre les poudres de protéines issues de sources différentes, on peut également s’attendre à ce qu’elles présentent des propriétés thermiques différentes [2].
Propriétés viscoélastiques des poudres de protéines : a) de lactosérum renforcé, b) d’isolat de protéines de lactosérum, c) de mélange à base d’insectes et d) de mélange à base de plantes, mesurées par balayage d’amplitude à 1 Hz pour une déformation de cisaillement comprise entre 0,001 et 1 %.
Dissolution
Une recette classique pour les smoothies à base de protéines en poudre consiste à ajouter une cuillère-mesure (25 à 35 g) à 1 à 1,5 tasse d’eau. Notre objectif dans cette étude était non seulement de mesurer le temps nécessaire à la dissolution des différentes poudres de protéines, mais aussi d’évaluer leur capacité à rester en suspension par rapport à leur tendance à se déposer. Nous souhaitions également déterminer la dissolution et la viscosité, car ces échantillons seraient mélangés, soit industriellement, soit à domicile à l’aide d’un mixeur. À cette fin, les vitesses de cisaillement dans un mélangeur modèle se sont avérées comprises entre 0 et 400 1/s (en fonction de la taille, de l’hélice, etc.) [3]. Pour la mesure, 35 g d’eau ont été versés dans un gobelet de 34 mm de diamètre. 4,4 g de chaque poudre protéinée ont ensuite été versés sur l’eau avant que la pale en amidon ne soit abaissée à une distance prédéfinie de 5 mm. Chaque échantillon a ensuite été mélangé à 300 1/s pendant 5 minutes. Après le mélange initial, l’échantillon a été laissé à décanter pendant 5 minutes avant d’être mélangé à nouveau à 300 1/s pendant 5 minutes. Ce cycle de pause et de mélange a été répété une fois supplémentaire pour chaque échantillon (durée totale de la mesure : 25 minutes).
Les résultats de l’étude de dissolution sont présentés à la figure 3. En observant la figure 3a), qui représente la viscosité en fonction d’un mélange à 300 1/s pendant 5 minutes, il apparaît clairement que l’isolat de protéines de lactosérum se dissout le plus rapidement et présente la viscosité la plus faible de tous les mélanges. Le lactosérum enrichi met un peu moins de deux minutes pour atteindre une viscosité stable, tandis que le mélange à base d’insectes met plus de 4 minutes. Il est important de noter que le mélange d’origine végétale n’atteint jamais une viscosité stable, mais continue d’augmenter, ce qui suggère qu’une plus grande quantité de protéines s’hydrate et passe en solution. La figure 3b) montre que, sur l’ensemble de la période d’essai de 25 minutes et après trois étapes de mélange distinctes, la viscosité du mélange à base de plantes continue d’augmenter et n’a pas atteint de valeur stable. En comparaison, les trois autres poudres protéinées ont atteint une valeur stable dès le premier mélange. Non seulement le mélange à base de plantes continue de s’hydrater même après 25 minutes en solution, mais sa viscosité finale est près du double de celle du solate de protéines de lactosérum à la même concentration.
Mesures tribologiques
Nous avons déjà montré comment l’évaluation tribologique (l’étude du frottement et de la lubrification) à l’aide de l’ Kinexus Prime ultra+ e peut être mise à profit par l’industrie agroalimentaire pour établir une corrélation entre la structure des aliments et les perceptions sensorielles telles que la sensation en bouche [4]. Nous avons prélevé les boissons protéinées obtenues lors des études de dissolution et les avons testées à l’aide d’une cellule tribologique de type « bille sur trois broches ». La géométrie supérieure comprenait une bille en verre borosilicaté (12,7 mm de diamètre), tandis que la géométrie inférieure comportait trois broches en élastomère (Sylgard 184) afin de simuler au mieux le couple tribologique « langue-palais » de la cavité buccale. Il a été rapporté que la vitesse moyenne de déplacement de la langue sur le palais au cours des cinq phases de la déglutition d’un liquide est de 10,3 mm/s [5]. Les échantillons ont été mesurés en trois exemplaires à température ambiante, sur une plage de vitesses de glissement comprise entre 5e-7 et 1,3 m/s.
Les courbes de Stribeck étendues des quatre smoothies protéinés sont présentées à la figure 4. Traditionnellement, un faible coefficient de frottement est défini comme étant inférieur à 0,3, tandis qu’un coefficient de frottement élevé est supérieur à 0,6. La plage comprise entre 1 mm/s et 100 mm/s est mise en évidence afin de couvrir l’éventail des vitesses auxquelles la langue se déplace sur le palais pendant la déglutition. Le lactosérum enrichi et l’isolat de protéines de lactosérum présentent tous deux des profils similaires, tandis que le mélange à base d’insectes et le mélange à base de plantes ont tous deux des coefficients de frottement initiaux qui augmentent en fonction de la vitesse de glissement. Cela suggère que, pendant le processus de déglutition, le mélange à base d’insectes et le mélange à base de plantes présenteraient tous deux une texture de plus en plus granuleuse due à l’agglomération des particules, ce qui se traduirait par un coefficient de frottement plus élevé. Ces données sont essentielles pour répondre à la question séculaire : « À quel point votre smoothie est-il onctueux ? »
Résumé
Dans cette étude, nous avons exploré les propriétés de poudres protéinées issues de différentes sources, allant des lactosérums traités de diverses manières aux mélanges entièrement végétaux, en passant par les mélanges à base d’insectes. Grâce à l’ Kinexus Prime ultra+, nous avons pu analyser les propriétés de la poudre sèche ainsi que ses caractéristiques de dissolution, et même comprendre la sensation en bouche que pourraient procurer les solutions finales lors de leur consommation. Le développement de produits protéinés d’origine végétale et à base d’insectes constitue un axe de recherche majeur dans l’industrie agroalimentaire. La compréhension de variables telles que la fluidité et la dissolution est essentielle tant pour la fabrication que pour le plaisir de l’utilisateur final.