Introduzione
Le proteine in polvere rappresentano un pilastro fondamentale nel mondo della nutrizione, aiutando le persone ad aumentare la massa muscolare, a perdere peso o semplicemente a colmare le carenze nella propria dieta. La fonte proteica più diffusa nel settore è il siero di latte, un sottoprodotto della lavorazione dei latticini. Tuttavia, a causa delle restrizioni alimentari (intolleranza al lattosio), delle considerazioni etiche e della ricerca volta a massimizzare i benefici nutrizionali, sono state prese in esame anche molte altre fonti per le proteine in polvere.
Esistono numerose proteine in polvere in commercio che derivano interamente da fonti vegetali o persino da insetti. NETZSCH Grinding & Dispersing offre sistemi su misura con elevata produttività e basso consumo energetico per la lavorazione di insetti interi, larve essiccate o prodotti intermedi. Tuttavia, sia le proteine in polvere di origine vegetale che quelle di origine insettiva presentano tradizionalmente un problema di scarsa solubilità rispetto al siero di latte tradizionale. Le proteine in polvere di origine vegetale tendono a essere composte da aminoacidi più idrofobici e sono prive degli emulsionanti chimici naturali presenti nel siero di latte, mentre quelle di origine insettiva tendono a contenere fibre naturali provenienti dall’esoscheletro (chitina), che sono per loro natura scarsamente solubili in acqua. Per superare questi problemi di solubilità, una strategia comune consiste nel miscelare fonti diverse con profili aminoacidici ed emulsionanti differenti.
Nel presente studio ci siamo proposti di confrontare le proprietà delle polveri secche di proteine provenienti da fonti diverse, nonché di misurarne i profili di dissoluzione e persino di analizzarne la sensazione in bocca. A tal fine, abbiamo utilizzato i reometri della serie Kinexus Prime di NETZSCH, in grado di caratterizzare un’ampia gamma di fluidi complessi e semisolidi grazie alla loro sensibilità, al basso fabbisogno di volume, alle geometrie modulari e alle funzionalità di analisi del flusso advanced software. In particolare, la natura modulare dello strumento ha consentito una regolazione rapida e semplice per misurare i campioni allo stato di polveri, durante la dissoluzione e ai fini della tribologia.
Sono stati caratterizzati quattro diversi campioni: una proteina del siero di latte ulteriormente arricchita con aminoacidi aggiuntivi, un isolato di proteine del siero di latte (siero di latte sottoposto a ulteriore lavorazione per filtrare lattosio e grassi), una miscela di origine vegetale (proteine di piselli, zucca e chia) e una miscela a base di insetti (proteine di grilli e piselli).
Proprietà della polvere secca
Per la misurazione delle polveri secche stesse, è stato utilizzato un protocollo simile a quello descritto in precedenza per la misurazione del lattosio secco [1]. I parametri di misurazione sono riportati in dettaglio nella tabella 1.
Tabella 1: Configurazione di misura
| Strumento | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Campioni | Polvere proteica secca (15 g ciascuno) |
| Cilindro | Coppa cilindrica (Φ 34 mm) |
| Paletta | Paletta per amido a due pale |
| Intervallo di temperatura | Temperatura ambiente |
| Viscosità di taglio | da 10 a 1000 1/s |
Ciascun campione è stato sottoposto a una fase di fluidizzazione consistente in una rampa di viscosità di taglio compresa tra 10 e 1000 1/s, seguita da un periodo di riposo di 5 minuti. Durante questa fase, le interazioni tra le particelle vengono ridotte [2] e l’influenza della storia del campione viene eliminata (compressione dovuta alla manipolazione, ecc.). La viscosità in funzione della velocità di taglio per ciascuna polvere è illustrata nella Figura 1.
Anche durante la fase di fluidizzazione volta a cancellare la storia del campione, si osserva una netta distinzione nella viscosità dei campioni: il siero di latte rinforzato presenta la viscosità più elevata, mentre la miscela a base di insetti quella più bassa. Numerosi parametri, quali la dimensione delle particelle e la carica, determineranno la viscosità delle polveri secche sotto l’azione del taglio.
Una volta cancellata la storia di lavorazione dei campioni tramite fluidizzazione, è stata condotta una scansione di ampiezza sui campioni per determinare le proprietà viscoelastiche (G’ che descrive il comportamento elastico e G” il comportamento viscoso) delle polveri. La misurazione è stata effettuata utilizzando la paletta per amido a temperatura ambiente e a 1 Hz, in un intervallo compreso tra 0,01 Pa e 50 Pa. I risultati delle scansioni di ampiezza sono riportati nella Figura 2.
Le proprietà viscoelastiche misurate delle polveri secche ci forniscono informazioni sulle reti formate dall’interazione tra le particelle (elettrostatica, attrito, ecc.). Comprendere tali proprietà è importante non solo ai fini della lavorazione e della scorrevolezza, ma anche per valutare la resistenza di tali reti in fase di dissoluzione. L’isolato di proteine del siero di latte presenta i valori iniziali di modulo più elevati, il che suggerisce che formi la rete di polvere più rigida; tuttavia, mostra anche la regione di viscoelasticità lineare più ridotta (la regione in cui G’ e G” presentano una risposta lineare all’aumentare della deformazione), dimostrando che, sebbene la rete sia rigida, è sufficiente una deformazione di taglio minima per separare le particelle. Al contrario, la proteina del siero di latte rinforzata presenta la regione di viscoelasticità lineare più ampia, il che suggerisce che la rete creata dalle particelle sia resistente al taglio o alle VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazioni di lavorazione.
È importante notare che, oltre alle differenze fisiche/meccaniche osservate tra le polveri proteiche di diversa provenienza, ci si aspetterebbe che esse presentino anche proprietà termiche diverse [2].
Proprietà viscoelastiche delle proteine in polvere: a) siero di latte rinforzato, b) isolato di proteine del siero di latte, c) miscela a base di insetti e d) miscela a base vegetale, misurate mediante una scansione di ampiezza a 1 Hz da una deformazione di taglio compresa tra 0,001 e l’1%.
Scioglimento
Una ricetta standard per i frullati a base di proteine in polvere prevede l’aggiunta di un misurino (25-35 g) a 1-1,5 tazze d’acqua. Il nostro obiettivo in questo studio non era solo misurare il tempo impiegato dalle varie proteine in polvere per dissolversi, ma anche valutare in che misura rimanessero disciolte rispetto alla formazione di sedimenti. Desideravamo inoltre determinare la dissoluzione e la viscosità, poiché tali campioni sarebbero stati miscelati, sia a livello industriale che a casa con un frullatore. A tal fine, è stato riscontrato che le velocità di taglio in un miscelatore modello variavano da 0 a 400 1/s (a seconda delle dimensioni, dell’elica, ecc.) [3]. Per la misurazione, sono stati versati 35 g di acqua in un bicchiere del diametro di 34 mm. Successivamente, sono stati versati 4,4 g di ciascuna polvere proteica sull’acqua, prima che la paletta in amido venisse abbassata fino a una distanza prestabilita di 5 mm. Ciascun campione è stato quindi miscelato a 300 1/s per 5 minuti. Dopo la miscelazione iniziale, il campione è stato lasciato sedimentare per 5 minuti prima di essere nuovamente miscelato a 300 1/s per 5 minuti. Questo ciclo di pausa e miscelazione è stato ripetuto una volta in più per ciascun campione (tempo totale di misurazione pari a 25 minuti).
I risultati dello studio di dissoluzione sono riportati nella Figura 3. Osservando la Figura 3a), che mostra la viscosità in funzione della miscelazione a 300 1/s per 5 minuti, è evidente che l’isolato proteico del siero di latte si dissolve più rapidamente e presenta la viscosità più bassa tra tutte le miscele. Il siero di latte rinforzato impiega poco meno di due minuti per raggiungere un valore stabile, mentre la miscela a base di insetti impiega oltre 4 minuti. È importante sottolineare che la miscela a base vegetale non raggiunge mai una viscosità stabile, ma continua ad aumentare, il che suggerisce che una quantità maggiore di proteine venga idratata e passi in soluzione. Dalla Figura 3b) si osserva che, nell’arco dell’intero periodo di prova di 25 minuti e con tre fasi di miscelazione distinte, la miscela a base vegetale continua ad aumentare di viscosità e non ha raggiunto un valore stabile. In confronto, le altre tre polveri proteiche hanno raggiunto un valore stabile già dopo la prima miscelazione. Non solo la miscela a base vegetale continua a idratarsi anche dopo 25 minuti in soluzione, ma la sua viscosità finale è quasi il doppio di quella del solato di proteine del siero di latte alla stessa concentrazione.
Misurazioni tribologiche
Abbiamo già illustrato in precedenza come la valutazione tribologica (lo studio dell’attrito e della lubrificazione) mediante l’ Kinexus Prime ultra+ possa essere utilizzata dall’industria alimentare per stabilire una correlazione tra la struttura degli alimenti e le percezioni sensoriali, quali la sensazione in bocca [4]. Abbiamo prelevato i frullati proteici ottenuti durante gli studi di dissoluzione e li abbiamo testati utilizzando una cella tribologica del tipo “sfera su tre perni”. La geometria superiore prevedeva una sfera in vetro borosilicato (diametro 12,7 mm), mentre quella inferiore era costituita da tre perni elastomerici (Sylgard 184) per simulare al meglio la coppia tribologica morbida costituita da lingua e palato. È stato riportato che la velocità media del movimento della lingua sul palato durante le cinque fasi della deglutizione di un liquido è pari a 10,3 mm/s [5]. I campioni sono stati misurati in triplicato a temperatura ambiente, con una velocità di scorrimento compresa tra 5e-7 e 1,3 m/s.
Le curve di Stribeck estese dei quattro frullati proteici sono illustrate nella Figura 4. Tradizionalmente, un basso coefficiente di attrito è definito come < 0,3, mentre un alto coefficiente di attrito è > 0,6. L’intervallo compreso tra 1 mm/s e 100 mm/s è evidenziato per includere la gamma di velocità con cui la lingua si muove sul palato durante la bevuta. Sia il siero di latte arricchito che l’isolato proteico del siero di latte presentano profili simili, mentre la miscela a base di insetti e quella a base di piante hanno entrambe coefficienti di attrito iniziali che aumentano in funzione della velocità di scorrimento. Ciò suggerirebbe che, durante l’azione della deglutizione, sia la miscela a base di insetti che quella a base di piante presenterebbero una consistenza sempre più granulosa causata dall’agglomerazione delle particelle, determinando così un coefficiente di attrito più elevato. Questi dati sono fondamentali per comprendere l’annosa domanda: «Quanto è cremoso il Suo frullato?»
Sintesi
In questo studio abbiamo analizzato le proprietà di proteine in polvere provenienti da diverse fonti: dal siero di latte sottoposto a diversi processi di lavorazione, alle miscele interamente vegetali, fino alle miscele a base di insetti. Utilizzando l’ Kinexus Prime ultra+, siamo stati in grado di valutare le proprietà della polvere secca in relazione alle caratteristiche di dissoluzione e persino di comprendere come le soluzioni finali potrebbero risultare in bocca durante il consumo. Lo sviluppo di prodotti proteici a base vegetale e a base di insetti rappresenta un’area di ricerca di grande rilevanza nell’industria alimentare e delle bevande. Comprendere variabili quali la scorrevolezza e la dissoluzione è fondamentale sia per la produzione che per il piacere dell’utente finale.