Mennyire sima a smoothie-ja? A különböző eredetű fehérjék por- és oldódási tulajdonságainak megismerése

Bevezetés

A fehérjeporok a táplálkozás világának alapvető elemei, amelyek segítenek az embereknek az izomépítésben, a fogyásban, vagy egyszerűen csak az étrend hiányosságainak pótlásában. Az iparágban a leggyakoribb fehérjeforrás a tejsavó, amely a tejfeldolgozás mellékterméke. Az étrendi korlátozások (laktózérzékenység), az etikai aggályok, valamint a táplálkozási előnyök maximalizálására irányuló kutatások miatt azonban számos más fehérjepor-forrást is vizsgáltak.

Számos kereskedelmi forgalomban kapható fehérjepor létezik, amely teljes egészében növényi vagy akár rovar eredetű. NETZSCH A Grinding & Dispersing nagy áteresztőképességű és alacsony energiafogyasztású, testreszabott rendszereket kínál egész rovarok, szárított lárvák vagy köztes termékek feldolgozásához. Mind a növényi, mind a rovarokból nyert fehérjeporok esetében azonban hagyományosan problémát jelent a gyenge oldhatóság a hagyományos tejsavóhoz képest. A növényi eredetű fehérjeporok általában több hidrofób aminosavból állnak, és hiányoznak belőlük a tejsavóban természetesen jelen lévő kémiai emulgeálószerek, míg a rovarokból nyert fehérjeporok gyakran tartalmaznak a külső vázból származó természetes rostokat (kitint), amelyek természetüknél fogva rosszul oldódnak vízben. Ezen oldhatósági problémák leküzdésére általános stratégia a különböző aminosav- és emulgeálószer-profilú források keverése.

Ebben a tanulmányban arra törekedtünk, hogy összehasonlítsuk a különböző forrásból származó fehérjeporok szárazpor-tulajdonságait, valamint megmérjük oldódási profiljukat, sőt, még a szájérzetüket is vizsgáljuk. Ennek elérése érdekében az NETZSCH Kinexus Prime sorozatú reométereket használtuk, amelyek érzékenységüknek, alacsony térfogatigényüknek, moduláris geometriájuknak és a advanced software funkcióknak köszönhetően komplex folyadékok és félszilárd anyagok széles skáláját képesek jellemezni. Különösen a műszer moduláris felépítése tette lehetővé a gyors és egyszerű beállítást a minták por formájában, oldódás közben, valamint tribológiai vizsgálatokhoz történő méréséhez.

Négy különböző mintát jellemeztünk: egy további aminosavakkal dúsított tejsavófehérjét, egy tejsavófehérje-izolátumot (a tejsavóból a laktóz és a zsír kiszűrésével előállított terméket), egy növényi alapú keveréket (borsó-, tök- és chiafehérje) és egy rovaralapú keveréket (tücsök- és borsófehérje).

A száraz por tulajdonságai

Maga a száraz porok mérése során a korábban a száraz laktóz méréséről közölthez hasonló eljárást alkalmaztunk [1]. A mérési paramétereket az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat: Mérési felállítás

Minden mintát fluidizációs lépésnek vetettek alá, amely egy 10 és 1000 1/s közötti nyíróviszkozitás-emelkedésből, majd egy 5 perces pihenőidőből állt. E lépés során csökkennek a részecskék közötti kölcsönhatások [2], és megszűnik a minta előzményeinek hatása (kezelés során fellépő összenyomódás stb.). Az egyes porok nyírási sebesség függvényében változó viszkozitását az 1. ábra mutatja.

Még a minták előzményeinek törlésére szolgáló fluidizálási lépés során is egyértelmű különbség figyelhető meg a minták viszkozitása között: a megerősített tejsavó viszkozitása a legmagasabb, míg a rovarkeveréké a legalacsonyabb. Számos paraméter, például a részecskeméret és a töltés, meghatározza a száraz porok nyíróerő hatására kialakuló viszkozitását.

Miután a fluidizálással törölték a minták feldolgozási előzményeit, amplitúdó-letapogatást végeztek a mintákon a porok viszkoelasztikus tulajdonságainak (a rugalmasságot leíró G’ és a viszkozitást leíró G”) meghatározása érdekében. A mérést keményítőlapáttal, szobahőmérsékleten és 1 Hz-es frekvencián végezték el 0,01 Pa és 50 Pa közötti tartományban. Az amplitúdó-söpörés eredményeit a 2. ábra mutatja be.

A száraz porok mért viszkoelasztikus tulajdonságai betekintést nyújtanak a részecskék közötti kölcsönhatások (elektrosztatika, súrlódás stb.) által kialakított hálózatokba. Ezen tulajdonságok megértése nem csupán a feldolgozás és az áramlási képesség szempontjából fontos, hanem annak megértéséhez is, hogy ezek a hálózatok mennyire erősek az oldódás során. A tejsavófehérje-izolátumnak vannak a legmagasabb kezdeti modulusértékei, ami arra utal, hogy ez képezi a legmerevebb porhálózatot, ugyanakkor a legkisebb lineáris viszkoelasztikus tartományt is mutatja (azt a tartományt, amelyben a G’ és a G” lineáris választ ad a növekvő alakváltozásra), ami azt bizonyítja, hogy bár a hálózat merev, a részecskék szétválasztásához csekély nyíró alakváltozás szükséges. Ezzel szemben a megerősített tejsavófehérje rendelkezik a legnagyobb lineáris viszkoelaszticitási tartománnyal, ami arra utal, hogy a részecskék által létrehozott hálózat ellenáll a nyíróerőnek és a feldolgozás során fellépő rezgéseknek.

Fontos megjegyezni, hogy a különböző eredetű fehérjeporok között megfigyelt fizikai/mechanikai különbségek mellett várható, hogy hőmérsékleti tulajdonságaik is eltérőek legyenek [2].

Az a) megerősített tejsavó, b) tejsavófehérje-izolátum, c) rovarkeverék és d) növényi keverék fehérjeporok viszkoelasztikus tulajdonságai, 1 Hz-es amplitúdó-letapogatással mérve, 0,001–1% nyírófeszültség-tartományban.

Feloszlatás

A fehérjeporos turmixok elkészítésének általános receptje szerint egy adag (25–35 g) fehérjeport kell 1–1,5 csésze vízhez adni. Jelen tanulmányunk célja nem csupán az volt, hogy megmérjük, mennyi idő alatt oldódnak fel a különböző fehérjeporok, hanem azt is, hogy mennyire maradnak oldott állapotban, illetve mennyire ülepednek le. Azt is meg akartuk határozni, hogy az oldódás és a viszkozitás hogyan alakul, mivel ezeket a mintákat ipari körülmények között vagy otthon turmixgéppel keverik össze. Ennek érdekében megállapítottuk, hogy egy modellkeverőben a nyírási sebesség 0–400 1/s között mozog (a mérettől, a keverőlapát típusától stb. függően) [3]. A méréshez 35 g vizet öntöttünk egy 34 mm átmérőjű pohárba. Ezután minden fehérjeporból 4,4 g-ot öntöttünk a víz tetejére, majd a keményítőlapátot 5 mm-es beállított résre engedtük le. Ezután minden mintát 300 1/s sebességgel 5 percig kevertünk. A kezdeti keverés után a mintát 5 percig ülepíteni hagytuk, majd ismét 300 1/s sebességgel 5 percig kevertük. Ezt a szüneteltetési és keverési mintát minden minta esetében egy további cikluson át megismételtük (a mérés teljes időtartama 25 perc volt).

Az oldódási vizsgálat eredményeit a 3. ábra mutatja be. A 3a) ábrát tekintve, amely a viszkozitást ábrázolja a 300 1/s sebességű, 5 perces keverés függvényében, egyértelműen látható, hogy a tejsavófehérje-izolátum oldódik a leggyorsabban, és viszkozitása a legalacsonyabb az összes keverék közül. A dúsított tejsavó kevesebb mint két perc alatt éri el a stabil viszkozitást, míg a rovaralapú keveréknek ehhez több mint 4 percre van szüksége. Fontos megjegyezni, hogy a növényi alapú keverék soha nem éri el a stabil viszkozitást, hanem az folyamatosan növekszik, ami arra utal, hogy a fehérje egyre nagyobb része hidratálódik és oldódik fel. A 3b) ábrából látható, hogy a teljes 25 perces vizsgálati időtartam alatt és három külön keverési lépés után is a növényi alapú keverék viszkozitása tovább növekszik, és nem érte el a stabil értéket. Ehhez képest a másik három fehérjepor már az első keverés után elérte a stabil értéket. A növényi alapú keverék nemcsak 25 percnyi oldatban való tartózkodás után is folytatja a hidratálódást, hanem végső viszkozitása is majdnem kétszerese az azonos koncentrációjú tejsavófehérje-oldaténak.

Tribológiai mérések

Korábban már bemutattuk, hogy az élelmiszeripar hogyan használhatja fel a „ Kinexus Prime ultra+ ” segítségével végzett tribológiai (a súrlódás és a kenés tudománya) értékelést az élelmiszer szerkezetének és az olyan érzékszervi észleléseknek, mint például a szájérzet, közötti összefüggések feltárására [4]. Az oldódási vizsgálatok során előállított fehérjeturmixokat vettük, és azokat egy „ball-on-three-pins” típusú tribológiai cellával vizsgáltuk. A felső geometriában egy boroszilikátüveg gömböt (12,7 mm átmérőjű) használtunk, az alsóban pedig három elasztomer csapszeget (Sylgard 184), hogy a lehető legjobban szimuláljuk a szájban található nyelv–szájpadlás tribopárt. Beszámoltak arról, hogy a folyadék lenyelésének öt szakaszában a nyelv szájpadláson való átmozgásának átlagos sebessége 10,3 mm/s [5]. A mintákat háromszoros ismétléssel, szobahőmérsékleten, 5e-7 és 1,3 m/s közötti csúszási sebesség tartományban mértük.

A négy fehérjeturmix kiterjesztett Stribeck-görbéit a 4. ábra mutatja. Hagyományosan az alacsony súrlódási együtthatót < 0,3-nak, a magas súrlódási együtthatót pedig > 0,6-nak definiálják. Az 1 mm/s és 100 mm/s közötti tartomány kiemelve van, hogy lefedje azokat a sebességeket, amelyeken a nyelv a szájpadláson mozog ivás közben. Mind a dúsított tejsavó, mind a tejsavófehérje-izolátum hasonló profilokat mutat, míg a rovarkeverék és a növényi keverék kezdeti súrlódási együtthatói a csúszási sebesség függvényében növekednek. Ez arra utal, hogy a nyelés során mind a rovarkeverék, mind a növényi keverék textúrája a részecskék összetapadása miatt egyre szemcsésebbé válik, ami magasabb súrlódási együtthatót eredményez. Ezek az adatok kulcsfontosságúak annak a régóta felmerülő kérdésnek a megértéséhez, hogy „mennyire sima a smoothie-d?”

Összefoglalás

Ebben a tanulmányban különböző forrásból származó fehérjeporok tulajdonságait vizsgáltuk, a különböző módon feldolgozott tejsavóktól kezdve a teljes növényi keverékeken át egészen a rovaralapú keverékekig. A Kinexus Prime ultra+ segítségével megvizsgálhattuk a száraz por tulajdonságait és az oldódási jellemzőket, sőt azt is megérthettük, hogy a kész oldatok milyen érzetet keltenek a szájban fogyasztáskor. A növényi és rovaralapú fehérjetermékek fejlesztése az élelmiszer- és italipar egyik legfontosabb kutatási területe. Az olyan változók megértése, mint a folyékonyság és az oldódás, mind a gyártás, mind a végfelhasználói élmény szempontjából kritikus jelentőségű.