はじめに
プロテインパウダーは、筋肉増強や減量、あるいは単に食事の栄養バランスを整えるために、栄養学の世界において欠かせない存在となっています。 この業界で最も一般的なタンパク質源は、乳製品製造の副産物であるホエイです。しかし、食事制限（乳糖不耐症）や倫理的な懸念、そして栄養効果を最大化するための研究が進むにつれ、プロテインパウダーの原料として、他にも多くの素材が検討されるようになりました。
植物由来、さらには昆虫由来の原料を100％使用した市販のプロテインパウダーも数多く存在します。NETZSCH Grinding & Dispersing社は、昆虫の丸ごと、乾燥幼虫、あるいは中間製品の加工向けに、高処理能力かつ低エネルギー消費を実現するオーダーメイドのシステムを提供しています。しかし、植物由来および昆虫由来のプロテインパウダーは、従来のホエイと比較して、溶解性が低いという課題を抱えてきました。 植物由来のプロテインパウダーは、疎水性のアミノ酸を多く含み、ホエイに含まれる天然の化学乳化剤を欠いている傾向があります。一方、昆虫由来のプロテインパウダーには、外骨格由来の天然繊維（キチン）が含まれており、これらは本来、水への溶解性が低い傾向があります。 こうした溶解性の問題を克服するため、アミノ酸組成や乳化剤の特性が異なる原料をブレンドすることが一般的な戦略となっています。
本研究では、異なる原料由来のプロテインパウダーの乾燥粉末特性を比較するとともに、その溶解プロファイルを測定し、さらには口当たりについても調査することを目的としました。 この目的のために、NETZSCH 社のKinexus Primeシリーズレオメーターを利用しました。この装置は、その高感度、少量の試料で測定が可能であること、モジュール式の構造、および advanced software 機能により、幅広い複雑な流体や半固体の特性を評価することができます。 特に、この装置のモジュール式構造により、粉末状態での試料の測定、溶解過程の測定、およびトライボロジー測定への迅速かつ容易な切り替えが可能でした。
4種類の試料の特性評価が行われました。アミノ酸をさらに添加して強化されたホエイプロテイン、ホエイプロテインアイソレート（乳糖と脂肪をろ過してさらに加工したホエイ）、植物由来のブレンド（エンドウ豆、カボチャ、チアのプロテイン）、および昆虫由来のブレンド（コオロギとエンドウ豆のプロテイン）です。
乾燥粉末の特性
乾燥粉末自体の測定については、乾燥乳糖の測定に関して以前に報告されたものと同様の手順を採用しました[1]。測定パラメータの詳細は表1に示されています。
表1：測定セットアップ
| 装置 | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| 試料 | 乾燥タンパク質粉末（各15 g） |
| シリンダー | 円筒形カップ（Φ 34 mm） |
| パドル | 2枚羽根の澱粉用パドル |
| 温度範囲 | 室温 |
| せん断粘度 | 10～1000 1/s |
各試料について、10～1000 1/sの範囲でせん断粘度を段階的に変化させる流動化工程を行い、その後5分間の静置を行いました。 この工程により、粒子間の相互作用が低減され [2]、試料の履歴（取り扱いによる圧縮など）の影響が除去されます。各粉末のせん断速度に対する粘度の変化を図 1 に示します。
試料の処理履歴を消去するための流動化工程中であっても、試料の粘度には明らかな違いが見られ、強化ホエイが最も高い粘度を示し、昆虫ブレンドが最も低い粘度を示しています。粒子径や電荷など、数多くのパラメータが、せん断下における乾燥粉末の粘度を決定づけます。
流動化によって試料の加工履歴が消去された後、粉末の粘弾性特性（弾性挙動を表すG’および粘性挙動を表すG”）を測定するために、試料に対して振幅掃引試験が実施されました。 測定は、室温、1 Hzの条件下で、デンプンパドルを用いて0.01 Paから50 Paの範囲で行われました。振幅スイープの結果を図2に示します。
乾燥粉末の粘弾性特性を測定することで、粒子間の相互作用（静電力、摩擦など）によって形成されるネットワークについて知見を得ることができます。これらの特性を理解することは、加工性や流動性を考慮する上で重要なだけでなく、溶解の際、こうしたネットワークがどれほど強固であるかを把握する上でも重要です。 ホエイプロテインアイソレートは、初期弾性率が最も高く、最も剛性の高い粉末ネットワークを形成していることを示唆していますが、一方で線形粘弾性領域（ひずみの増加に伴いG’およびG”が線形応答を示す領域）が最も狭いことも示しており、ネットワークは剛性が高いものの、粒子を分離させるのに必要なせん断ひずみはわずかであることを示しています。 対照的に、強化ホエイプロテインは線形粘弾性領域が最も広く、粒子によって形成されたネットワークがせん断や加工時の振動に対して頑強であることを示唆しています。
なお、原料源の異なるタンパク質粉末間で観察された物理的・機械的差異に加え、これらが異なる熱的特性を示すことも予想される点に留意することが重要です [2]。
a) 強化ホエイ、b) ホエイプロテインアイソレート、c) 昆虫ブレンド、および d) 植物ブレンドの各プロテインパウダーの粘弾性特性（せん断ひずみ 0.001～1% の範囲で 1 Hz の振幅掃引により測定）。
解散
プロテインパウダーを使ったスムージーの一般的な作り方は、1スクープ（25～35 g）を水1～1.5カップに溶かすというものです。本研究では、さまざまなプロテインパウダーが溶解するまでの時間を測定するだけでなく、溶解状態がどの程度維持されるか、あるいは沈殿が生じるかについても調査することを目的としました。 また、これらの試料は工業的に、あるいは家庭のブレンダーで混合されることを想定し、溶解状態と粘度を明らかにしたいと考えました。そのために、モデルミキサーにおけるせん断速度は（サイズやプロペラなどによって異なりますが）0～400 1/sの範囲であることが判明しました[3]。 測定にあたっては、直径34 mmのカップに35 gの水を加えました。その後、各プロテインパウダー4.4 gを水の上に注ぎ、澱粉用パドルを5 mmの所定の隙間に下ろしました。続いて、各試料を300 1/sで5分間撹拌しました。 初期混合後、試料を5分間静置して沈殿させた後、再び300 1/sで5分間混合しました。この静置と混合を繰り返すパターンを、各試料につきさらに1サイクル実施しました（測定総時間は25分間です）。
溶解試験の結果を図3に示します。図3a）は、300 1/sで5分間撹拌した際の粘度変化を示していますが、ホエイプロテインアイソレートが最も速く溶解し、すべての混合物の中で最も低い粘度を示していることが明らかです。 強化ホエイは安定した測定値に達するまで2分弱かかりますが、昆虫由来ブレンドは4分以上かかります。重要な点として、植物由来ブレンドは安定した粘度に達することなく、粘度が上昇し続けており、これはタンパク質のより多くの部分が水和して溶液中に入っていることを示唆しています。 図3b）から、25分間の試験期間全体を通じて、3回の別々の撹拌工程を経ても、植物由来ブレンドの粘度は依然として上昇し続けており、安定した値に達していないことがわかります。 これに対し、他の3種類のタンパク質粉末は、最初の混合後に安定した測定値に達しました。植物由来のブレンドは、溶液中で25分経過した後も水和が継続しているだけでなく、その最終的な粘度は、同濃度のホエイプロテインソレートに比べてほぼ2倍となっています。
トライボロジー測定
我々は以前、Kinexus Prime ultra+ を用いたトライボロジー（摩擦と潤滑の研究）評価が、食品科学業界において、食品の構造と口当たりなどの官能評価との相関関係を明らかにするためにどのように活用できるかを示しました[4]。我々は、溶解試験中に得られたプロテインシェイクを採取し、3本ピン式ボールトライボロジーセルを用いて試験を行いました。 上部構造にはホウケイ酸ガラス球（直径12.7 mm）を、下部構造には3本のエラストマー製ピン（Sylgard 184）を採用し、口腔内の舌と口蓋という柔らかいトライボペアを可能な限り忠実に再現しました。 液体の嚥下における5つの段階において、舌が口蓋上を移動する平均速度は10.3 mm/sであることが報告されています[5]。試料は、室温で、滑動速度5e-7～1.3 m/sの範囲において、3回ずつ測定されました。
4種類のプロテインスムージーの拡張ストリベック曲線を、図4に示します。従来、摩擦係数が0.3未満の場合は「低」、0.6を超える場合は「高」と定義されています。 図4では、飲用時に舌が口蓋上を移動する速度範囲を網羅するよう、1 mm/sから100 mm/sの領域が強調表示されています。強化ホエイとホエイプロテインアイソレートは類似したプロファイルを示していますが、昆虫ブレンドと植物ブレンドはいずれも、初期の摩擦係数が滑走速度の関数として増加する傾向にあります。 このことから、嚥下動作の過程において、昆虫ブレンドと植物ブレンドの両方とも、粒子の凝集によって食感が次第にざらざらとしたものとなり、その結果、摩擦係数が高くなることが示唆されます。このデータは、「スムージーはどれほど滑らかか？」という古くからの疑問を理解する上で極めて重要です。
概要
本研究では、加工方法が異なるホエイ由来のものから、完全な植物由来のブレンド、さらには昆虫由来のブレンドに至るまで、さまざまな原料由来のタンパク質粉末の特性を調査しました。「Kinexus Prime ultra+ 」を活用することで、乾燥粉末の特性から溶解特性に至るまでを分析し、さらには最終的な溶液を口に含んだ際の口当たりについても把握することができました。 植物由来および昆虫由来のプロテイン製品の開発は、食品・飲料業界における主要な研究分野の一つです。流動性や溶解性といった変数を理解することは、製造面だけでなく、エンドユーザーによる製品の楽しみ方にとっても極めて重要です。