Wprowadzenie
Proszki białkowe stanowią podstawowy element świata żywienia, pomagając osobom w budowaniu masy mięśniowej, odchudzaniu się lub po prostu w uzupełnianiu niedoborów w diecie. Najpopularniejszym źródłem białka w branży jest serwatka, produkt uboczny powstający podczas produkcji wyrobów mlecznych. Jednak ze względu na ograniczenia dietetyczne (nietolerancja laktozy), kwestie etyczne oraz badania mające na celu maksymalizację korzyści odżywczych, badano również wiele innych źródeł białka w proszku.
Na rynku dostępnych jest wiele proszków białkowych pochodzących w całości ze źródeł roślinnych, a nawet z owadów. NETZSCH Firma Grinding & Dispersing oferuje dostosowane do indywidualnych potrzeb systemy o wysokiej wydajności i niskim zużyciu energii, przeznaczone do przetwarzania całych owadów, suszonych larw lub produktów pośrednich. Jednak zarówno proszki białkowe pochodzenia roślinnego, jak i owadzie borykają się tradycyjnie z problemem słabej rozpuszczalności w porównaniu z tradycyjną serwatką. Proszki białkowe pochodzenia roślinnego zawierają zazwyczaj więcej aminokwasów hydrofobowych i nie zawierają naturalnych emulgatorów chemicznych występujących w serwatce, natomiast proszki białkowe pochodzenia owadziego zawierają zazwyczaj naturalne włókna pochodzące z egzoszkieletu (chityna), które z natury charakteryzują się słabą rozpuszczalnością w wodzie. Aby przezwyciężyć te problemy z rozpuszczalnością, powszechną strategią jest mieszanie różnych źródeł o odmiennych profilach aminokwasowych i emulgatorowych.
W niniejszym badaniu postawiliśmy sobie za cel porównanie właściwości suchych proszków białkowych pochodzących z różnych źródeł, a także pomiar ich profili rozpuszczania oraz zbadanie ich odczucia w ustach. W tym celu wykorzystaliśmy reometry z serii Kinexus Prime firmy NETZSCH, które dzięki swojej czułości, niewielkim wymaganiom objętościowym, modułowej geometrii oraz możliwościom pomiaru w trybie „ advanced software ” (w trakcie rozpuszczania) pozwalają scharakteryzować szeroki zakres złożonych płynów i substancji półstałych. W szczególności modułowa budowa urządzenia umożliwiła szybkie i łatwe dostosowanie do pomiarów próbek w postaci proszków, w trakcie rozpuszczania oraz w zakresie tribologii.
Zcharakteryzowano cztery różne próbki: białko serwatkowe wzbogacone dodatkowymi aminokwasami, izolat białka serwatkowego (serwatka poddana dalszej obróbce w celu odfiltrowania laktozy i tłuszczu), mieszankę pochodzenia roślinnego (białko grochu, dyni i chia) oraz mieszankę pochodzenia owadziego (białko świerszczy i grochu).
Właściwości proszku suchego
W przypadku pomiaru samych suchych proszków zastosowano protokół podobny do opisanego wcześniej w odniesieniu do pomiaru suchej laktozy [1]. Parametry pomiarowe przedstawiono szczegółowo w tabeli 1.
Tabela 1: Konfiguracja pomiarowa
| Urządzenie | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Próbki | Suchy proszek białkowy (po 15 g) |
| Cylinder | Kubek cylindryczny (Φ 34 mm) |
| Łopatka | 2-łopatkowe mieszadło do skrobi |
| Zakres temperatur | Temperatura otoczenia |
| Lepkość ścinająca | od 10 do 1000 1/s |
Każdą próbkę poddano etapowi fluidyzacji polegającemu na stopniowym zwiększaniu lepkości ścinającej w zakresie od 10 do 1000 1/s, po czym pozostawiono ją na 5 minut w stanie spoczynku. Podczas tego etapu zmniejsza się oddziaływanie między cząstkami [2] oraz eliminuje się wpływ historii próbki (zgniecenie spowodowane manipulacją itp.). Lepkość w funkcji szybkości ścinania dla każdego proszku przedstawiono na rysunku 1.
Nawet na etapie fluidyzacji, mającym na celu usunięcie historii przetwarzania próbek, obserwuje się wyraźną różnicę w lepkości próbek – najwyższą lepkość wykazuje serwatka wzbogacona, a najniższą – mieszanka owadów. Liczne parametry, takie jak wielkość cząstek i ładunek, determinują lepkość suchych proszków pod wpływem ścinania.
Po usunięciu historii przetwarzania próbek poprzez fluidyzację przeprowadzono badanie amplitudowe próbek w celu określenia właściwości lepkosprężystych proszków (G’ opisujące zachowanie sprężyste oraz G” opisujące zachowanie lepkie). Pomiar przeprowadzono przy użyciu łopatki skrobiowej w temperaturze pokojowej i częstotliwości 1 Hz w zakresie od 0,01 Pa do 50 Pa. Wyniki pomiarów amplitudowych przedstawiono na rysunku 2.
Zmierzone właściwości lepkosprężyste suchych proszków pozwalają nam zrozumieć strukturę sieci tworzonych w wyniku oddziaływań między cząstkami (elektrostatycznych, tarcia itp.). Zrozumienie tych właściwości ma znaczenie nie tylko w kontekście przetwarzania i sypkości, ale także dla oceny wytrzymałości tych sieci w procesie rozpuszczania. Izolat białka serwatkowego charakteryzuje się najwyższymi wartościami modułu początkowego, co sugeruje, że tworzy on najsztywniejszą sieć proszkową, jednak wykazuje również najwęższy obszar liniowej lepkosprężystości (obszar, w którym G’ i G” wykazują liniową zależność wraz ze wzrostem odkształcenia), co wskazuje, że mimo sztywności sieci wystarczy niewielkie odkształcenie ścinające, aby rozdzielić cząstki. Natomiast wzbogacone białko serwatkowe charakteryzuje się największym obszarem liniowej lepkosprężystości, co sugeruje, że sieć utworzona przez cząstki jest odporna na ścinanie lub drgania procesowe.
Należy zauważyć, że oprócz różnic fizycznych i mechanicznych zaobserwowanych między proszkami białkowymi pochodzącymi z różnych źródeł, można również oczekiwać, że będą one wykazywać różne właściwości termiczne [2].
Właściwości lepkosprężyste proszków białkowych: a) wzmocnionego białka serwatkowego, b) izolatu białka serwatkowego, c) mieszanki owadziej oraz d) mieszanki roślinnej, zmierzone metodą przemiatania amplitudy przy częstotliwości 1 Hz w zakresie odkształcenia ścinającego od 0,001 do 1%.
Rozpad
Standardowa receptura koktajli z proszkiem białkowym polega na dodaniu jednej miarki (25–35 g) do 1–1,5 filiżanki wody. Celem niniejszego badania było nie tylko zmierzenie czasu potrzebnego do rozpuszczenia różnych proszków białkowych, ale także ocena, w jakim stopniu pozostawały one w stanie rozpuszczonym, a w jakim osiadały na dnie. Chcieliśmy również określić proces rozpuszczania i lepkość, ponieważ próbki te będą mieszane zarówno na skalę przemysłową, jak i w warunkach domowych za pomocą blendera. W tym celu ustalono, że prędkości ścinania w modelowym mieszalniku wynoszą od 0 do 400 1/s (w zależności od rozmiaru, śmigła itp.) [3]. W celu przeprowadzenia pomiaru do kubka o średnicy 34 mm dodano 35 g wody. Następnie na powierzchnię wody wsypano po 4,4 g każdego proszku białkowego, po czym łopatkę skrobiową opuszczono do ustalonej odległości 5 mm. Każdą próbkę mieszano następnie z prędkością 300 1/s przez 5 minut. Po wstępnym mieszaniu próbkę pozostawiono do osiadania na 5 minut, a następnie ponownie mieszano z prędkością 300 1/s przez 5 minut. Ten schemat przerwy i mieszania powtórzono dla każdej próbki w kolejnym cyklu (całkowity czas pomiaru wyniósł 25 minut).
Wyniki badania rozpuszczalności przedstawiono na rysunku 3. Analizując rysunek 3a), który przedstawia lepkość w funkcji mieszania z prędkością 300 1/s przez 5 minut, można wyraźnie zauważyć, że izolat białka serwatkowego rozpuszcza się najszybciej i charakteryzuje się najniższą lepkością spośród wszystkich mieszanek. W przypadku serwatki wzbogaconej osiągnięcie stabilnej wartości lepkości zajmuje nieco poniżej dwóch minut, podczas gdy w przypadku mieszanki owadziej – ponad 4 minuty. Co istotne, mieszanka pochodzenia roślinnego nigdy nie osiąga stabilnej lepkości, lecz jej wartość nadal rośnie, co sugeruje, że coraz większa ilość białka ulega hydratacji i przechodzi do roztworu. Na rysunku 3b) widać, że w całym 25-minutowym okresie badania i po trzech oddzielnych etapach mieszania mieszanka pochodzenia roślinnego nadal wykazuje wzrost lepkości i nie osiągnęła wartości stałej. Dla porównania pozostałe trzy proszki białkowe osiągnęły stabilną wartość już po pierwszym wymieszaniu. Mieszanka pochodzenia roślinnego nie tylko nadal ulega hydratacji nawet po 25 minutach przebywania w roztworze, ale jej końcowa lepkość jest niemal dwukrotnie wyższa niż w przypadku solatu białka serwatkowego o tym samym stężeniu.
Pomiary tribologiczne
Wcześniej wykazaliśmy, w jaki sposób ocena tribologiczna (nauka zajmująca się tarciem i smarowaniem) przeprowadzona przy użyciu systemu Kinexus Prime ultra+ może być wykorzystana w przemyśle spożywczym do ustalenia zależności między strukturą żywności a odczuciami sensorycznymi, takimi jak wrażenie w ustach [4]. Pobrano koktajle białkowe powstałe w trakcie badań rozpuszczalności i poddano je badaniom przy użyciu komory tribologicznej typu „kulka na trzech sworzniach”. W górnej części komory zastosowano kulkę ze szkła borokrzemowego (o średnicy 12,7 mm), a w dolnej – trzy kołki z elastomeru (Sylgard 184), aby jak najlepiej symulować miękką parę tribologiczną język–podniebienie w jamie ustnej. Stwierdzono, że średnia prędkość ruchu języka po podniebieniu podczas pięciu etapów połykania płynów wynosi 10,3 mm/s [5]. Próbki badano trzykrotnie w temperaturze pokojowej w zakresie prędkości ślizgania od 5e-7 do 1,3 m/s.
Rozszerzone krzywe Stribecka dla czterech koktajli białkowych przedstawiono na rysunku 4. Tradycyjnie niski współczynnik tarcia definiuje się jako < 0,3, natomiast wysoki współczynnik tarcia jako > 0,6. Zaznaczono obszar od 1 mm/s do 100 mm/s, aby uwzględnić zakres prędkości, z jakimi język porusza się po podniebieniu podczas picia. Zarówno serwatka wzbogacona, jak i izolat białka serwatkowego mają podobne profile, podczas gdy mieszanka owadowa i mieszanka roślinna charakteryzują się początkowymi współczynnikami tarcia, które rosną w zależności od prędkości poślizgu. Sugeruje to, że podczas procesu połykania zarówno mieszanka owadowa, jak i mieszanka roślinna nabierają coraz bardziej ziarnistej konsystencji spowodowanej aglomeracją cząstek, co skutkuje wyższym współczynnikiem tarcia. Dane te mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia odwiecznego pytania: „jak gładki jest Państwa koktajl?”.
Podsumowanie
W niniejszym badaniu przeanalizowaliśmy właściwości proszków białkowych pochodzących z różnych źródeł – od serwatki poddanej różnym procesom przetwórczym, poprzez mieszanki wyłącznie roślinne, aż po mieszanki na bazie owadów. Korzystając z systemu analizy tekstury i rozpuszczalności Kinexus Prime ultra+, byliśmy w stanie zbadać właściwości suchego proszku pod kątem charakterystyki rozpuszczania, a nawet zrozumieć, jakie wrażenia w ustach mogą wywoływać gotowe roztwory podczas ich spożywania. Opracowywanie produktów białkowych pochodzenia roślinnego i owadziego stanowi jeden z głównych obszarów badań w przemyśle spożywczym i napojowym. Zrozumienie takich zmiennych, jak sypkość i rozpuszczalność, ma kluczowe znaczenie zarówno dla procesu produkcji, jak i dla zadowolenia użytkownika końcowego.