Введение
Протеиновые порошки являются одним из основных элементов в сфере питания, помогая людям наращивать мышечную массу, снижать вес или просто восполнять недостатки в рационе. Наиболее распространённым источником белка в этой отрасли является сыворотка — побочный продукт молочной промышленности. Однако в связи с диетическими ограничениями (непереносимость лактозы), этическими соображениями и исследованиями, направленными на максимальное повышение питательной ценности, изучаются также многие другие источники для производства протеиновых порошков.
На рынке представлено множество коммерческих протеиновых порошков, полностью полученных из растительных источников или даже из насекомых. NETZSCH Компания «Grinding & Dispersing» предлагает индивидуально разработанные системы с высокой пропускной способностью и низким энергопотреблением для переработки целых насекомых, сушеных личинок или промежуточных продуктов. Однако как белковые порошки растительного, так и насекомопроисхождения традиционно страдают от проблемы низкой растворимости по сравнению с традиционной сывороткой. Белковые порошки растительного происхождения, как правило, состоят из более гидрофобных аминокислот и не содержат природных химических эмульгаторов, присутствующих в сыворотке, а белковые порошки на основе насекомых часто содержат природные волокна из экзоскелета (хитин), которые по своей природе плохо растворимы в воде. Для преодоления этих проблем с растворимостью широко применяется стратегия смешивания различных источников с разными профилями аминокислот и эмульгаторов.
В данном исследовании мы поставили перед собой задачу сравнить свойства сухих порошков, полученных из различных источников, а также измерить их профили растворения и даже изучить их вкусовые ощущения. Для достижения этой цели мы использовали реометры серии Kinexus Prime компании NETZSCH, которые позволяют проводить анализ широкого спектра сложных жидкостей и полутвердых веществ благодаря своей чувствительности, низким требованиям к объему пробы, модульной конструкции и возможностям автоматического управления advanced software. В частности, модульная конструкция прибора позволила быстро и легко настроить его для измерения образцов в виде порошков, в процессе растворения, а также для трибологических исследований.
Были исследованы четыре различных образца: сывороточный белок, дополнительно обогащённый аминокислотами; изолят сывороточного белка (сыворотка, прошедшая дополнительную обработку для удаления лактозы и жира); растительная смесь (белки гороха, тыквы и чиа); а также смесь на основе насекомых (белки сверчков и гороха).
Свойства сухого порошка
Для измерения самих сухих порошков использовался протокол, аналогичный описанному ранее для измерения сухой лактозы [1]. Параметры измерения приведены в таблице 1.
Таблица 1: Конфигурация измерительной установки
| Прибор | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Образцы | Сухой белковый порошок (по 15 г каждый) |
| Цилиндр | Цилиндрическая чашка (Φ 34 мм) |
| Лопатка | 2-лопастная лопатка для крахмала |
| Диапазон температур | Комнатная температура |
| Сдвиговая вязкость | от 10 до 1000 1/с |
Каждый образец подвергался этапу флюидизации, состоящему из плавного изменения сдвиговой вязкости в диапазоне от 10 до 1000 1/с с последующим 5-минутным отдыхом. В ходе этого этапа взаимодействия между частицами ослабляются [2], а влияние предыдущих воздействий на образец (сжатие при манипуляциях и т. п.) устраняется. Зависимость вязкости от скорости сдвига для каждого порошка представлена на рисунке 1.
Даже на этапе флюидизации, предназначенном для удаления «истории» образцов, наблюдается четкое различие в вязкости образцов: самая высокая вязкость отмечается у обогащенной сыворотки, а самая низкая — у смеси на основе насекомых. Множество параметров, таких как размер частиц и заряд, определяют вязкость сухих порошков при сдвиговом напряжении.
После удаления истории обработки образцов посредством флюидизации было проведено измерение с переменной амплитудой для определения вязкоупругих свойств (G’, характеризующего упругое поведение, и G”, характеризующего вязкое поведение) порошков. Измерение проводилось с использованием крахмальной лопатки при комнатной температуре и частоте 1 Гц в диапазоне от 0,01 Па до 50 Па. Результаты измерений с изменением амплитуды представлены на рисунке 2.
Измеренные вязкоупругие свойства сухих порошков позволяют получить представление о сетках, образующихся в результате взаимодействия частиц (электростатическое взаимодействие, трение и т. д.). Понимание этих свойств важно не только с точки зрения технологической переработки и сыпучести, но и для оценки прочности этих сеток при растворении. Изолят сывороточного белка обладает наибольшими значениями начального модуля, что свидетельствует о формировании им наиболее жесткой порошковой сети, однако он также демонстрирует наименьшую область линейной вязкоупругости (область, в которой G’ и G” демонстрируют линейную зависимость при увеличении деформации), что показывает: несмотря на жесткость сети, для разъединения частиц требуется незначительная сдвиговая деформация. Напротив, укреплённый сывороточный белок обладает самой обширной областью линейной вязкоупругости, что свидетельствует о том, что сеть, создаваемая частицами, устойчива к сдвиговым нагрузкам и вибрациям, возникающим в процессе переработки.
Важно отметить, что помимо физических и механических различий, наблюдаемых между протеиновыми порошками различного происхождения, следует также ожидать, что они будут демонстрировать и различные термические свойства [2].
Вязкоупругие свойства белковых порошков: а) усиленной сыворотки, б) изолята сывороточного белка, в) смеси на основе насекомых и г) смеси на растительной основе, измеренные методом амплитудного сканирования при частоте 1 Гц в диапазоне сдвиговой деформации от 0,001 до 1 %.
Растворение
Стандартный рецепт приготовления коктейлей с протеиновым порошком предполагает добавление одной мерной ложки (25–35 г) на 1–1,5 стакана воды. Целью нашего исследования было не только измерить время, необходимое для растворения различных протеиновых порошков, но и оценить, насколько хорошо они остаются растворенными, а не оседают на дно. Кроме того, мы стремились определить характеристики растворения и вязкости, поскольку эти образцы будут перемешиваться как в промышленных условиях, так и в домашних условиях с помощью блендера. С этой целью было установлено, что скорости сдвига в модельном смесителе варьируются в диапазоне от 0 до 400 1/с (в зависимости от размера, пропеллера и т. д.) [3]. Для проведения измерений в чашку диаметром 34 мм добавляли 35 г воды. Затем на поверхность воды высыпали по 4,4 г каждого протеинового порошка, после чего крахмальную лопатку опускали на заданное расстояние 5 мм. Затем каждый образец перемешивали со скоростью 300 1/с в течение 5 минут. После первоначального перемешивания пробе давали отстояться в течение 5 минут, после чего её снова перемешивали со скоростью 300 1/с в течение 5 минут. Такая последовательность пауз и перемешивания повторялась ещё один цикл для каждой пробы (общая продолжительность измерения составила 25 минут).
Результаты исследования растворимости представлены на рисунке 3. Если взглянуть на рисунок 3а), где показана вязкость в зависимости от перемешивания со скоростью 300 1/с в течение 5 минут, становится очевидным, что изолят сывороточного белка растворяется быстрее всего и обладает самой низкой вязкостью среди всех смесей. Усиленная сыворотка достигает стабильного значения вязкости чуть менее чем за две минуты, тогда как смесь на основе насекомых — более чем за 4 минуты. Важно отметить, что растительная смесь так и не достигает стабильной вязкости, а продолжает увеличиваться, что свидетельствует о том, что всё больше белка гидратируется и переходит в раствор. Из рисунка 3b) видно, что в течение всего 25-минутного периода испытания и после трёх отдельных этапов перемешивания вязкость растительной смеси по-прежнему увеличивается и не достигает стабильного значения. Для сравнения: остальные три белковых порошка достигли стабильного показателя уже после первого перемешивания. Растительная смесь не только продолжает гидратироваться даже после 25 минут пребывания в растворе, но и её конечная вязкость почти вдвое превышает вязкость солята сывороточного белка при той же концентрации.
Измерения в области трибологии
Ранее мы показали, как результаты трибологической оценки (изучение трения и смазки) с использованием системы Kinexus Prime ultra+ могут применяться в пищевой промышленности для установления взаимосвязи между структурой пищевых продуктов и сенсорными восприятиями, такими как ощущение во рту [4]. Мы взяли протеиновые коктейли, полученные в ходе исследований растворимости, и провели их испытания с использованием трибологической камеры типа «шарик на трёх штифтах». В верхней части конструкции использовался шарик из боросиликатного стекла (диаметром 12,7 мм), а в нижней — три эластомерных штифта (Sylgard 184) для максимально точного моделирования мягкой трибопары «язык-небо» в полости рта. Сообщалось, что средняя скорость движения языка по нёбу на пяти этапах проглатывания жидкости составляет 10,3 мм/с [5]. Измерения образцов проводились в трёх повторных опытах при комнатной температуре в диапазоне скоростей скольжения от 5e-7 до 1,3 м/с.
Расширенные кривые Стрибека для четырёх протеиновых коктейлей представлены на рисунке 4. Традиционно низкий коэффициент трения определяется как < 0,3, а высокий — как > 0,6. Область от 1 мм/с до 100 мм/с выделена, чтобы охватить диапазон скоростей, с которыми язык перемещается по нёбу во время питья. Как усиленная сыворотка, так и изолят сывороточного белка имеют схожие профили, в то время как смесь на основе насекомых и смесь на растительной основе изначально характеризуются коэффициентами трения, которые увеличиваются в зависимости от скорости скольжения. Это позволяет предположить, что во время глотания как смесь на основе насекомых, так и растительная смесь приобретают всё более зернистую текстуру из-за агломерации частиц, что приводит к увеличению коэффициента трения. Эти данные имеют решающее значение для понимания извечного вопроса: «Насколько гладким является ваш смузи?»
Резюме
В рамках данного исследования мы изучили свойства белковых порошков различного происхождения — от сывороток, прошедших различные виды переработки, до смесей исключительно растительного происхождения и смесей на основе насекомых. С помощью системы Kinexus Prime ultra+ нам удалось проанализировать свойства сухих порошков и их растворимость, а также понять, какое ощущение в ротовой полости могут вызывать конечные растворы при их употреблении. Разработка белковых продуктов на растительной и насекомовой основе является одним из основных направлений исследований в пищевой промышленности и индустрии напитков. Понимание таких переменных, как сыпучесть и растворимость, имеет решающее значение как для производственного процесса, так и для удовлетворения потребностей конечного потребителя.