Inleiding
Eiwitpoeders vormen een belangrijk onderdeel van de voedingswereld en helpen mensen spiermassa op te bouwen, gewicht te verliezen of simpelweg tekorten in hun voeding aan te vullen. De meest voorkomende eiwitbron in de sector is wei, een bijproduct van de zuivelproductie. Vanwege voedingsbeperkingen (lactose-intolerantie), ethische overwegingen en onderzoek naar het maximaliseren van de voedingswaarde zijn echter ook tal van andere bronnen voor eiwitpoeder onderzocht.
Er zijn talrijke commerciële eiwitpoeders die volledig afkomstig zijn van plantaardige bronnen of zelfs van insecten. NETZSCH Grinding & Dispersing biedt op maat gemaakte systemen met een hoge doorvoercapaciteit en een laag energieverbruik voor de verwerking van hele insecten, gedroogde larven of tussenproducten. Zowel uit planten als uit insecten afkomstige eiwitpoeders kampen echter traditioneel met een probleem van slechte oplosbaarheid in vergelijking met traditionele wei. Eiwitpoeders op basis van planten bestaan doorgaans uit meer hydrofobe aminozuren en missen de natuurlijke chemische emulgatoren die in wei aanwezig zijn, terwijl eiwitpoeder op basis van insecten vaak natuurlijke vezels uit het exoskelet (chitine) bevat, die van nature slecht in water oplosbaar zijn. Om deze oplosbaarheidsproblemen te verhelpen, is het mengen van verschillende bronnen met uiteenlopende aminozuur- en emulgatorprofielen een gangbare strategie.
In dit onderzoek wilden wij de eigenschappen van droog poeder van eiwitpoeders uit verschillende bronnen vergelijken, hun oplossingsprofielen meten en zelfs hun mondgevoel onderzoeken. Hiertoe hebben wij gebruikgemaakt van de Kinexus Prime-reeks reometers van NETZSCH, waarmee een breed scala aan complexe vloeistoffen en halfvaste stoffen kan worden gekarakteriseerd dankzij hun gevoeligheid, lage volumebehoefte, modulaire geometrieën en mogelijkheden voor advanced software. Met name dankzij het modulaire karakter van het instrument konden wij snel en eenvoudig aanpassingen doorvoeren om de monsters te meten als poeders, tijdens het oplossen en voor tribologische metingen.
Er werden vier verschillende monsters gekarakteriseerd: een wei-eiwit dat verder was verrijkt met extra aminozuren, een wei-eiwitisolaat (wei dat verder is verwerkt om lactose en vet te filteren), een plantaardig mengsel (erwten-, pompoen- en chia-eiwit) en een mengsel op basis van insecten (krekels- en erwten-eiwit).
Eigenschappen van droog poeder
Voor het meten van de droge poeders zelf werd een vergelijkbare werkwijze gevolgd als eerder beschreven voor het meten van droge lactose [1]. De meetparameters worden in tabel 1 nader toegelicht.
Tabel 1: Meetopstelling
| Instrument | Kinexus Prime Ultra+ |
|---|---|
| Monsters | Droog eiwitpoeder (elk 15 g) |
| Cilinder | Cilindrische beker (Φ 34 mm) |
| Roerblad | Zetmeelroer met twee bladen |
| Temperatuurbereik | Kamertemperatuur |
| Afschuifviscositeit | 10 tot 1000 1/s |
Elk monster werd onderworpen aan een fluidisatiestap bestaande uit een stijging van de afschuifviscositeit van 10 tot 1000 1/s, gevolgd door een rustperiode van 5 minuten. Tijdens deze stap worden de interacties tussen de deeltjes verminderd [2] en wordt de invloed van de voorgeschiedenis van het monster tenietgedaan (compressie door hantering, enz.). De viscositeit als functie van de afschuifsnelheid voor elk poeder wordt weergegeven in figuur 1.
Zelfs tijdens de fluidisatiestap, bedoeld om de verwerkingsgeschiedenis van de monsters te wissen, is er een duidelijk verschil in viscositeit tussen de monsters: de met wei verrijkte variant heeft de hoogste viscositeit en het insectenmengsel de laagste. Talrijke parameters, zoals de deeltjesgrootte en de lading, zijn bepalend voor de viscositeit van de droge poeders onder afschuifkracht.
Nadat de verwerkingsgeschiedenis van de monsters door fluidisatie was gewist, werd een amplitudevariatie uitgevoerd op de monsters om de visco-elastische eigenschappen (G’ beschrijft het elastische gedrag en G” het viskeuze gedrag) van de poeders te bepalen. De meting werd uitgevoerd met behulp van de zetmeelpaddle bij kamertemperatuur en 1 Hz, in het bereik van 0,01 Pa tot 50 Pa. De resultaten van de amplitudevariaties worden weergegeven in figuur 2.
De gemeten visco-elastische eigenschappen van de droge poeders bieden ons inzicht in de netwerken die worden gevormd door interacties tussen de deeltjes onderling (elektrostatica, wrijving, enz.). Inzicht in deze eigenschappen is niet alleen van belang voor de verwerking en de strooibaarheid, maar ook om te begrijpen hoe sterk deze netwerken zijn bij het oplossen. Het wei-eiwitisolaat vertoont de hoogste initiële moduluswaarden, wat erop wijst dat het het stijfste poedernetwerk vormt, maar het vertoont tevens het kleinste gebied van lineaire visco-elasticiteit (het gebied waarin G’ en G” een lineaire respons vertonen bij toenemende rek), waaruit blijkt dat het netwerk weliswaar stijf is, maar dat er slechts weinig afschuifspanning nodig is om de deeltjes uit elkaar te halen. Daarentegen heeft het versterkte wei-eiwit het grootste gebied van lineaire visco-elasticiteit, wat suggereert dat het door de deeltjes gevormde netwerk robuust is tegen afschuiving of trillingen tijdens het verwerkingsproces.
Het is belangrijk op te merken dat, naast de fysische/mechanische verschillen die zijn waargenomen tussen de eiwitpoeders van verschillende herkomst, ook verwacht mag worden dat zij verschillende thermische eigenschappen vertonen [2].
Visco-elastische eigenschappen van de a) versterkte wei, b) wei-eiwitisolaat, c) insectenmengsel en d) plantenmengsel-eiwitpoeders, gemeten door middel van een amplitudevariatie bij 1 Hz bij een afschuifvervorming van 0,001 tot 1%.
Ontbinding
Een standaardrecept voor smoothies met eiwitpoeder is om één schep (25-35 g) toe te voegen aan 1-1,5 kopjes water. Ons doel in dit onderzoek was niet alleen om te meten hoe lang het duurde voordat de verschillende eiwitpoeders waren opgelost, maar ook om te bepalen in hoeverre zij opgelost bleven in plaats van te bezinken. Daarnaast wilden wij de oplosbaarheid en viscositeit bepalen, aangezien deze monsters zouden worden gemengd, hetzij industrieel, hetzij thuis met een blender. Daartoe werd vastgesteld dat de afschuifsnelheden in een modelmixer varieerden van 0 tot 400 1/s (afhankelijk van de grootte, de propeller, enz.) [3]. Voor de meting werd 35 g water toegevoegd aan een beker met een diameter van 34 mm. Vervolgens werd 4,4 g van elk eiwitpoeder bovenop het water gegoten, waarna de zetmeelroerarm werd neergelaten tot een ingestelde afstand van 5 mm. Elk monster werd vervolgens gedurende 5 minuten gemengd bij 300 1/s. Na het eerste mengen liet men het monster 5 minuten bezinken, waarna het opnieuw gedurende 5 minuten bij 300 1/s werd gemengd. Dit patroon van pauzeren en mengen werd voor elk monster nog een cyclus herhaald (totale meettijd van 25 minuten).
De resultaten van het oplosbaarheidsonderzoek worden weergegeven in figuur 3. Uit figuur 3a), waarin de viscositeit wordt weergegeven als functie van het mengen bij 300 1/s gedurende 5 minuten, blijkt duidelijk dat het wei-eiwitisolaat het snelst oplost en de laagste viscositeit van alle mengsels heeft. Het verrijkte wei-eiwit heeft iets minder dan twee minuten nodig om een stabiele waarde te bereiken, terwijl het insectenmengsel er meer dan 4 minuten over doet. Belangrijk is dat het plantaardige mengsel nooit een stabiele viscositeit bereikt, maar blijft toenemen, wat erop wijst dat er steeds meer eiwit wordt gehydrateerd en in oplossing gaat. Uit figuur 3b) blijkt dat gedurende de gehele testperiode van 25 minuten en met drie afzonderlijke mengstappen de viscositeit van het plantaardige mengsel nog steeds toeneemt en geen stabiele waarde heeft bereikt. Ter vergelijking: de andere drie eiwitpoeders bereikten al na de eerste mengstap een stabiele waarde. Niet alleen blijft het plantaardige mengsel zelfs na 25 minuten in oplossing nog steeds hydrateren, maar de uiteindelijke viscositeit ervan is bijna het dubbele van die van het wei-eiwitsolaat bij dezelfde concentratie.
Tribologische metingen
Wij hebben eerder aangetoond hoe tribologische (de studie van wrijving en smering) metingen met het Kinexus Prime ultra+ door de voedingsmiddelenindustrie kunnen worden ingezet om een verband te leggen tussen de structuur van voedingsmiddelen en sensorische waarnemingen, zoals het mondgevoel [4]. Wij hebben de eiwitshakes die tijdens de oplosbaarheidsonderzoeken werden geproduceerd, getest met behulp van een tribologische cel met een kogel op drie pennen. De bovenste geometrie bestond uit een bol van borosilicaatglas (met een diameter van 12,7 mm) en de onderste geometrie uit drie elastomere pinnen (Sylgard 184) om het tribopaar van de zachte tong en het gehemelte zo goed mogelijk te simuleren. Er is gemeld dat de gemiddelde snelheid van de tongbeweging over het gehemelte tijdens de vijf fasen van het doorslikken van vloeistoffen 10,3 mm/s bedraagt [5]. De monsters werden driemaal gemeten bij kamertemperatuur bij een glijsnelheid van 5e-7 tot 1,3 m/s.
De uitgebreide Stribeck-curves van de vier eiwitsmoothies worden weergegeven in figuur 4. Traditioneel wordt een lage wrijvingscoëfficiënt gedefinieerd als < 0,3, terwijl een hoge wrijvingscoëfficiënt > 0,6 is. Het bereik van 1 mm/s tot 100 mm/s is gemarkeerd om het snelheidsbereik weer te geven waarin de tong tijdens het drinken over het gehemelte beweegt. Zowel de verrijkte wei als het wei-eiwitisolaat vertonen vergelijkbare profielen, terwijl het insectenmengsel en het plantenmengsel beide aanvankelijk wrijvingscoëfficiënten hebben die toenemen naarmate de glijsnelheid stijgt. Dit zou erop wijzen dat tijdens het slikken zowel het insectenmengsel als het plantenmengsel een steeds korreliger textuur zouden krijgen als gevolg van de agglomeratie van de deeltjes, wat zou leiden tot een hogere wrijvingscoëfficiënt. Deze gegevens zijn van cruciaal belang voor het begrijpen van de eeuwenoude vraag: ‘Hoe glad is uw smoothie?’
Samenvatting
In dit onderzoek hebben wij de eigenschappen onderzocht van eiwitpoeders met verschillende herkomst, variërend van op verschillende manieren verwerkte wei tot volledig plantaardige mengsels en mengsels op basis van insecten. Met behulp van de Kinexus Prime ultra+ konden wij de eigenschappen van het droge poeder in verband brengen met de oplosbaarheidskenmerken en zelfs inzicht krijgen in hoe de uiteindelijke oplossingen in de mond zouden aanvoelen bij het drinken ervan. De ontwikkeling van plantaardige en op insecten gebaseerde eiwitproducten vormt een belangrijk onderzoeksgebied binnen de voedingsmiddelen- en drankenindustrie. Inzicht in variabelen zoals strooibaarheid en oplosbaarheid is van cruciaal belang voor zowel de productie als het drinkgenot van de eindgebruiker.