Introducere
Pudrele proteice reprezintă un element esențial în lumea nutriției, ajutând persoanele să-și dezvolte masa musculară, să slăbească sau pur și simplu să completeze lipsurile din dieta lor. Cea mai comună sursă de proteine din industrie este zerul, un produs secundar al procesului de fabricare a produselor lactate. Cu toate acestea, având în vedere restricțiile alimentare (intoleranța la lactoză), preocupările de natură etică și cercetările privind maximizarea beneficiilor nutriționale, au fost studiate și multe alte surse de proteine sub formă de pulbere.
Există numeroase pulberi proteice comerciale care sunt obținute în totalitate din surse vegetale sau chiar din insecte. NETZSCH Grinding & Dispersing oferă sisteme personalizate, cu randament ridicat și consum redus de energie, pentru prelucrarea insectelor întregi, a larvelor uscate sau a produselor intermediare. Cu toate acestea, atât pudrele proteice de origine vegetală, cât și cele derivate din insecte se confruntă, în mod tradițional, cu o problemă de solubilitate redusă în comparație cu zerul tradițional. Proteinele pulverulente pe bază de plante tind să fie compuse din mai mulți aminoacizi hidrofobi și nu conțin emulgatorii chimici naturali prezenți în zer, iar proteinele pulverulente pe bază de insecte tind să conțină fibre naturale din exoschelet (chitină), care sunt, în mod natural, slab solubile în apă. Pentru a depăși aceste probleme de solubilitate, o strategie obișnuită este amestecarea unor surse diferite, cu profiluri diferite de aminoacizi și emulgatori.
În acest studiu, ne-am propus să comparăm proprietățile pulberilor uscate provenite din surse diferite, precum și să măsurăm profilurile lor de dizolvare și chiar să explorăm senzația lor în gură. Pentru a realiza acest lucru, am utilizat reometrele din seria Kinexus Prime de la NETZSCH, care pot caracteriza o gamă largă de fluide complexe și semisolide datorită sensibilității lor, cerințelor reduse de volum, geometriilor modulare și capacităților de advanced software. În special, natura modulară a instrumentului a permis o ajustare rapidă și ușoară pentru a măsura probele sub formă de pulberi, în timpul dizolvării și pentru tribologie.
Au fost caracterizate patru probe diferite: o proteină din zer, îmbogățită cu aminoacizi suplimentari, un izolat de proteină din zer (zer prelucrat ulterior pentru a elimina lactoza și grăsimile), un amestec pe bază de plante (proteine din mazăre, dovleac și chia) și un amestec pe bază de insecte (proteine din greieri și mazăre).
Proprietățile pulberii uscate
Pentru măsurarea pulberilor uscate în sine, s-a utilizat un protocol similar celui descris anterior pentru măsurarea lactozei uscate [1]. Parametrii de măsurare sunt detaliați în tabelul 1.
Tabelul 1: Configurația de măsurare
| Instrument | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Eșantioane | Pulbere proteică uscată (15 g fiecare) |
| Cilindru | Cupă cilindrică (Φ 34 mm) |
| Paletă | Paletă cu 2 lame pentru amidon |
| Interval de temperatură | Temperatura camerei |
| Vâscozitate la forfecare | 10 până la 1000 1/s |
Fiecare probă a fost supusă unei etape de fluidizare constând într-o rampă de vâscozitate de forfecare cuprinsă între 10 și 1000 1/s, urmată de o pauză de 5 minute. În timpul acestei etape, interacțiunile dintre particule sunt reduse [2], iar influența istoricului probei este eliminată (compresia cauzată de manipulare etc.). Vâscozitatea în funcție de viteza de forfecare pentru fiecare pulbere este prezentată în Figura 1.
Chiar și în timpul etapei de fluidizare, menită să șteargă istoricul probelor, se observă o diferență clară în ceea ce privește vâscozitatea probelor, zerul îmbogățit având cea mai mare vâscozitate, iar amestecul de insecte cea mai mică. Numeroși parametri, precum dimensiunea particulelor și sarcina electrică, vor determina vâscozitatea pulberilor uscate sub acțiunea forței de forfecare.
Odată ce istoricul de procesare al probelor a fost șters prin fluidizare, s-a efectuat o scanare de amplitudine asupra probelor pentru a determina proprietățile viscoelastice (G’ care descrie comportamentul elastic și G” comportamentul vâscos) ale pulberilor. Măsurarea a fost efectuată folosind paleta pentru amidon la temperatura camerei și la o frecvență de 1 Hz, în intervalul de la 0,01 Pa la 50 Pa. Rezultatele măsurătorilor cu variație de amplitudine sunt prezentate în Figura 2.
Proprietățile viscoelastice măsurate ale pulberilor uscate ne oferă informații despre rețelele formate prin interacțiunea dintre particule (electrostatică, frecare etc.). Înțelegerea acestor proprietăți este importantă nu doar pentru procesare și fluiditate, ci și pentru a înțelege cât de puternice sunt aceste rețele în ceea ce privește dizolvarea. Izolatul de proteine din zer prezintă cele mai mari valori ale modulului inițial, ceea ce sugerează că formează cea mai rigidă rețea de pulbere, dar prezintă, de asemenea, cea mai mică regiune de viscoelasticitate liniară (regiunea în care G’ și G” prezintă un răspuns liniar odată cu creșterea deformației), demonstrând că, deși rețeaua este rigidă, este necesară o deformație de forfecare redusă pentru a separa particulele. În schimb, proteina din zer întărită prezintă cea mai extinsă regiune de viscoelasticitate liniară, ceea ce sugerează că rețeaua creată de particule este robustă la forfecare sau la vibrațiile din timpul procesării.
Este important de menționat că, pe lângă diferențele fizice/mecanice observate între pulberile proteice provenite din surse diferite, ar fi de așteptat ca acestea să prezinte și proprietăți termice diferite [2].
Proprietățile viscoelastice ale pulberilor proteice: a) zer întărit, b) izolat de proteine din zer, c) amestec pe bază de insecte și d) amestec pe bază de plante, măsurate printr-o baleiaj de amplitudine la 1 Hz, de la o deformație de forfecare de 0,001 până la 1%.
Dizolvare
O rețetă standard pentru smoothie-urile cu proteine în pudră constă în adăugarea unei linguri (25-35 g) la 1-1,5 căni de apă. Obiectivul nostru în acest studiu a fost nu numai să măsurăm timpul necesar pentru dizolvarea diferitelor tipuri de proteine în pudră, ci și să evaluăm cât de bine rămân dizolvate, în comparație cu tendința de sedimentare. De asemenea, am dorit să determinăm gradul de dizolvare și vâscozitatea, având în vedere că aceste probe ar fi amestecate, fie industrial, fie acasă, cu ajutorul unui blender. În acest scop, s-a constatat că vitezele de forfecare într-un mixer model variază între 0 și 400 1/s (în funcție de dimensiune, elice etc.) [3]. Pentru măsurare, s-au adăugat 35 g de apă într-un pahar cu diametrul de 34 mm. Apoi, s-au turnat 4,4 g din fiecare pulbere proteică peste apă, înainte ca paleta de amestecare să fie coborâtă la o distanță prestabilită de 5 mm. Fiecare probă a fost apoi amestecată la 300 1/s timp de 5 minute. După amestecarea inițială, proba a fost lăsată să se sedimenteze timp de 5 minute, înainte de a fi amestecată din nou la 300 1/s timp de 5 minute. Acest ciclu de pauză și amestecare a fost repetat încă o dată pentru fiecare probă (durata totală a măsurătorilor fiind de 25 de minute).
Rezultatele studiului de dizolvare sunt prezentate în Figura 3. Analizând Figura 3a), care prezintă vâscozitatea în funcție de amestecarea la 300 1/s timp de 5 minute, este evident că izolatul de proteine din zer se dizolvă cel mai rapid și prezintă cea mai mică vâscozitate dintre toate amestecurile. Zerul îmbogățit are nevoie de puțin sub două minute pentru a atinge o vâscozitate stabilă, în timp ce amestecul pe bază de insecte necesită peste 4 minute. Este important de menționat că amestecul pe bază de plante nu atinge niciodată o vâscozitate stabilă, ci continuă să crească, ceea ce sugerează că o cantitate mai mare de proteine se hidratează și intră în soluție. Din figura 3b) observăm că, pe parcursul întregii perioade de testare de 25 de minute și cu trei etape separate de amestecare, amestecul pe bază de plante continuă să-și crească vâscozitatea și nu a atins o valoare stabilă. În comparație, celelalte trei pulberi proteice au atins o valoare stabilă după prima amestecare. Amestecul pe bază de plante nu numai că continuă să se hidrateze chiar și după 25 de minute în soluție, dar vâscozitatea sa finală este aproape dublă față de cea a solatului de proteine din zer la aceeași concentrație.
Măsurători tribologice
Am arătat anterior cum evaluarea tribologică (studiul frecării și al lubrifierii) realizată cu ajutorul sistemului de evaluare a texturii alimentelor „ Kinexus Prime ultra+ ” poate fi utilizată de industria alimentară pentru a corela structura alimentelor cu percepțiile senzoriale, cum ar fi senzația în gură [4]. Am prelevat shake-urile proteice obținute în cadrul studiilor de dizolvare și le-am testat folosind o celulă tribologică de tip „bilă pe trei pini”. Geometria superioară a utilizat o bilă din sticlă borosilicată (cu diametrul de 12,7 mm), iar geometria inferioară trei pini elastomerici (Sylgard 184) pentru a simula cât mai bine perechea tribologică moale limbă-palat din cavitatea bucală. S-a raportat că viteza medie de deplasare a limbii peste palat în cele cinci etape ale înghițirii lichidelor este de 10,3 mm/s [5]. Probele au fost măsurate în triplicat la temperatura camerei, pentru o viteză de alunecare cuprinsă între 5e-7 și 1,3 m/s.
Curbele Stribeck extinse ale celor patru smoothie-uri proteice sunt prezentate în Figura 4. În mod tradițional, un coeficient de frecare scăzut este definit ca fiind < 0,3, în timp ce un coeficient de frecare ridicat este > 0,6. Intervalul de la 1 mm/s la 100 mm/s este evidențiat pentru a cuprinde gama de viteze la care limba se deplasează peste palat în timpul consumului. Atât zerul îmbogățit, cât și izolatul de proteine din zer prezintă profiluri similare, în timp ce amestecul pe bază de insecte și amestecul pe bază de plante au ambele coeficienți de frecare inițiali care cresc în funcție de viteza de alunecare. Acest lucru ar sugera că, în timpul acțiunii de înghițire, atât amestecul pe bază de insecte, cât și amestecul pe bază de plante ar avea o textură din ce în ce mai granuloasă, cauzată de aglomerarea particulelor, ceea ce ar duce la un coeficient de frecare mai ridicat. Aceste date sunt esențiale pentru înțelegerea vechii întrebări: „cât de cremos este smoothie-ul tău?”
Rezumat
În cadrul acestui studiu, am analizat proprietățile unor pulberi proteice provenite din surse diverse, de la zer prelucrat în moduri diferite, la amestecuri exclusiv vegetale și amestecuri pe bază de insecte. Folosind sistemul de testare a texturii „ Kinexus Prime ultra+ ”, am reușit să evaluăm proprietățile pulberii uscate și caracteristicile de dizolvare și chiar să înțelegem senzația pe care soluțiile finale ar putea-o produce în gură în timpul consumului. Dezvoltarea produselor proteice pe bază de plante și insecte reprezintă un domeniu major de cercetare în industria alimentară și a băuturilor. Înțelegerea variabilelor precum fluiditatea și dizolvarea este esențială atât pentru procesul de fabricație, cât și pentru satisfacția utilizatorului final.