Inleiding
Met de groeiende wereldbevolking en de almaar toenemende vraag naar eiwitten is er de laatste tijd steeds meer belangstelling voor een aantal alternatieve eiwitbronnen, zoals eiwitten op basis van planten, gekweekte of gekweekte vleeseiwitten, van fermentatie afgeleide eiwitten, eetbare insecteneiwitten en algen [1]. De gelerende eigenschap is een van de belangrijkste functies van alternatieve eiwitten en draagt bij aan de textuur en smaak van voedingsmiddelen. Gelering treedt op tijdens de verwerking en productie van voedingsmiddelen. Verhitting is een van de meest gebruikte methoden om gel te vormen met alternatieve eiwitten. Na denaturatie en ontvouwing van eiwitmoleculen door verhitting en omhulling met water, worden ze samengevoegd tot een driedimensionale netwerkstructuur, de gelstructuur.
In de praktijk is een rotatie reometer geschikt om de warmte-geïnduceerde geleringseigenschappen van alternatieve eiwitten te bestuderen, zoals de geleertemperatuur, gelstabiliteit en gelsterkte.
Materialen en meetomstandigheden
De eiwitpoeders werden gedispergeerd in gedemineraliseerd water met bepaalde eiwitconcentraties (erwteneiwitconcentraat: 10 wt% en 7 wt%, insecteneiwitten: 10 wt%). De eiwitsuspensies werden gedurende 2 uur bij kamertemperatuur geroerd met een magneetroerder. Naast het monster van het hele ei werd een eiwitmonster bereid door het eigeel te verwijderen en een paar minuten krachtig te kloppen bij kamertemperatuur om een homogene oplossing te krijgen.
Een NETZSCH Kinexus Prime pro+ Rheometer, uitgerust met een plaat-plaatsysteem (diameter: 40 mm, spleet: 0,5 mm) werd gebruikt om de metingen uit te voeren op de erwteneiwitconcentraatmonsters, het hele ei en eiwitmonsters. Er werd een temperatuurverschuiving uitgevoerd door de temperatuur te verhogen van 25°C tot 95°C met een snelheid van 5°C/min. Na het bereiken van de hoogste temperatuur werden de warmte-geïnduceerde gels 10 minuten vastgehouden om de gelstabiliteit te bestuderen. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus (G') en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus (G'') werden tijdens het experiment gemeten. De verkregen resultaten voor eiwitten op plantaardige basis en ei-eiwitten werden vergeleken met die voor eiwitten van insecten [2].
Midden: Verse eieren (gebruikt als dierlijke eiwitten ter vergelijking): zowel het hele ei als het eiwit werden geanalyseerd.
Rechts: Niet-plantaardige nieuwe eiwitten: insecteneiwitten (ruw eiwitgehalte 68,7 g/100 g) geëxtraheerd uit poppen van de zwarte soldaatvlieg (BSF) in een eerdere studie [2]
Meetresultaten en discussie
De geleringseigenschappen van verschillende alternatieve eiwitten en een typische dierlijke eiwitbron (ei) werden bestudeerd tijdens en na verhitting met roterende reometrie.
Figuur 2 toont de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, G', en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus, G'', van de gel die gevormd wordt met erwteneiwitconcentraat tijdens thermische behandeling. Een toename in G' en G'' treedt op wanneer de temperatuur stijgt tot ongeveer 55°C. Dit is het gevolg van de denaturatie van het eiwit. Na thermische behandeling door de temperatuur verder te verhogen, is G' hoger dan G'' bij een eiwitconcentratie van 10 wt%, wat een vast-gelachtig gedrag laat zien.
Daarnaast geeft een experiment met het erwteneiwitconcentraat bij een lagere eiwitconcentratie van 7 wt% aan dat G'' hoger is dan G' bij het verhogen van de verhittingstemperatuur, wat duidt op een zwak vloeibaar gelgedrag.
De crossover G' = G'' werd echter niet waargenomen in deze studie van erwteneiwitconcentraat.
In een eerder onderzoek naar de door warmte geïnduceerde gelering met eiwitten van BSF-poppen [2], werd gevonden dat met het verhogen van de temperatuur boven 50°C, zowel G' als G'' toenamen, veroorzaakt door denaturatie van het eiwit. Het onderzochte monster begon gel te vormen, wat werd aangegeven door de overgang G' = G'' bij 60°C, de temperatuur van het geleerpunt.
Het verloop van de curve over de temperatuur voor insecteneiwitten verschilt van die voor erwteneiwitconcentraat. Dergelijk verschillend geleergedrag kan worden toegeschreven aan verschillende materiaalsamenstellingen en individuele eiwitkarakteristieken, zoals mogelijk verschillende hydrofiele en hydrofobe aminozuren en hun verhoudingen tussen verschillende alternatieve eiwitten.
De geleercurves van zowel het hele ei als de eiwitmonsters vertonen de typische sol-gel overgang tijdens het temperatuurverschil. Vanaf ongeveer 60°C kan een significante toename van G' en G" worden waargenomen, wat bijvoorbeeld kan worden verklaard door structuurveranderingen of denaturatie van de eiwitten. Figuur 3 illustreert G' en G'' van de gel die gevormd wordt met de hele ei-oplossing tijdens thermische behandeling. G' vertoont een duidelijke stijging bij ongeveer 62°C en een scherpe stijging bij ongeveer 75°C, terwijl G' een dramatische stijging vertoont bij ongeveer 75°C. Het omslagpunt treedt op bij ongeveer 74°C. Voor het eiwitmonster (Figuur 4) vertonen zowel G' als G'' twee duidelijke toenames bij ongeveer 64°C en 75°C, respectievelijk. Het omslagpunt ligt bij ongeveer 62,5 °C. De waargenomen denaturatiefenomenen kunnen worden gerelateerd aan de chemische samenstelling van het hele eimonster (eiwit en dooier) en het eiwitmonster.
Figuur 5 illustreert de gelsterkte, G', en stabiliteit binnen 10 minuten wachttijd na het bereiken van de hoogste temperatuur. De door warmte geïnduceerde gels van ei-eiwitten vertonen de hoogste sterkte en zijn zeer stabiel. Een dergelijke stabiele gel-eigenschap is ook waargenomen bij een temperatuur hoger dan 85°C in figuur 3 en figuur 4. Voor het erwteneiwitconcentraatmonster met 10 gewichtsprocent duurt het ongeveer 4 minuten om de hoogste gelsterkte te bereiken en daarna is de gevormde gel stabiel, terwijl de gelsterkte licht afneemt voor het erwteneiwitconcentraatmonster met 7 gewichtsprocent. Dit kan het gevolg zijn van de vervorming (vernietiging) van de gevormde zwakke gelstructuur tijdens de meting. Vergeleken met de sterkte van de gel die gevormd is met insecteneiwitten [2], vertonen deze gels verschillende gelsterktes, G', in de volgende volgorde
Dit zou erop kunnen wijzen dat verschillende alternatieve eiwitten verschillende potentiële toepassingen hebben. Zo zouden warmte-geïnduceerde gels met een lagere G'-waarde of een zwak gelnetwerk interessant en geschikt kunnen zijn voor vloeibare voedingsformules zoals plantaardige dranken of alternatieve melk, terwijl gels met een hogere G'-waarde of een sterk gelnetwerk interessant zouden zijn voor zuivel- en vleesanalogen enzovoort.
Het is vermeldenswaard dat de geleringseigenschappen van alternatieve eiwitten beïnvloed worden door verschillende factoren, zoals het type eiwit, eiwitgehalte, temperatuur, pH-waarde, Ionic sterkte en andere componenten.
Conclusie
De warmte-geïnduceerde geleringseigenschappen van twee alternatieve eiwitbronnen (plantaardige eiwitten en niet-plantaardige nieuwe eiwitten) werden bestudeerd met behulp van roterende reometrie. De geleringscurves van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, G', en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus, G'', werden opgenomen en geïnterpreteerd tijdens het temperatuurverloop. De geleertemperatuur, gelstabiliteit en gelsterkte van alternatieve eiwitten werden geanalyseerd en vergeleken met die van dierlijke eiwitten (ei). Dergelijke metingen zijn snel en vereisen een relatief small hoeveelheid representatief monster.