Hur krämig är din smoothie? En genomgång av pulver- och upplösningsegenskaperna hos proteiner från olika källor

Inledning

Proteinpulver är en viktig del av näringsvärlden och hjälper människor att bygga muskler, gå ner i vikt eller helt enkelt fylla luckor i kosten. Den vanligaste proteinkällan inom branschen är vassle, en biprodukt från mejeriproduktion. Men på grund av kostrestriktioner (laktosintolerans), etiska överväganden och forskning om hur man kan maximera näringsvärdet har även många andra källor till proteinpulver undersökts.

Det finns många kommersiella proteinpulver som helt och hållet härrör från växtkällor eller till och med från insekter. NETZSCH Grinding & Dispersing erbjuder skräddarsydda system med hög genomströmning och låg energiförbrukning för bearbetning av hela insekter, torkade larver eller mellanprodukter. Både växt- och insektsbaserade proteinpulver har dock traditionellt sett problem med dålig löslighet jämfört med traditionellt vassleprotein. Växtbaserade proteinpulver består ofta av mer hydrofoba aminosyror och saknar de naturliga kemiska emulgeringsmedlen som finns i vassle, medan insektsbaserade proteinpulver ofta innehåller naturliga fibrer från exoskelettet (kitin) som av naturen är svårlösliga i vatten. För att övervinna dessa löslighetsproblem är det en vanlig strategi att blanda olika källor med olika aminosyra- och emulgeringsmedelsprofiler.

I denna studie ville vi jämföra egenskaperna hos torrpulver från olika proteinkällor, mäta deras upplösningsprofiler och även undersöka deras konsistens i munnen. För att uppnå detta använde vi reometrarna i Kinexus Prime-serien från NETZSCH, som kan karakterisera ett brett spektrum av komplexa vätskor och halvfasta ämnen tack vare sin känslighet, låga volymkrav, modulära geometrier och förmåga till advanced software. I synnerhet gjorde instrumentets modulära utformning det möjligt att snabbt och enkelt anpassa mätningarna för att analysera proverna som pulver, under upplösning och för tribologiska undersökningar.

Fyra olika prover karakteriserades: ett vassleprotein som ytterligare förstärkts med extra aminosyror, ett vassleproteinisolat (vassle som bearbetats ytterligare för att filtrera bort laktos och fett), en växtbaserad blandning (ärt-, pumpa- och chiaprotein) samt en insektsbaserad blandning (syrsa- och ärtprotein).

Egenskaper hos torrt pulver

För mätningen av själva de torra pulvren användes ett liknande förfarande som tidigare beskrivits för mätning av torr laktos [1]. Mätparametrarna redovisas i tabell 1.

Tabell 1: Mätuppställning

Varje prov genomgick ett fluidiseringssteg bestående av en skjuvviskositetsramp mellan 10 och 1000 1/s följt av en 5-minuters vila. Under detta steg minskas växelverkan mellan partiklarna [2] och påverkan från provets tidigare hantering elimineras (kompression vid hantering m.m.). Viskositeten som en funktion av skjuvhastigheten för varje pulver visas i figur 1.

Även under fluidiseringssteget, som syftar till att radera provens bearbetningshistorik, finns en tydlig skillnad i viskositeten hos proverna, där den förstärkta vasslen har den högsta viskositeten och insektsblandningen den lägsta. Ett flertal parametrar, såsom partikelstorlek och laddning, avgör viskositeten hos de torra pulvren under skjuvning.

Efter att provens bearbetningshistorik raderats genom fluidisering genomfördes en amplitudsvepning på proverna för att bestämma pulvrenas viskoelastiska egenskaper (G’ beskriver det elastiska beteendet och G” det viskösa beteendet). Mätningen utfördes med hjälp av stärkelsepaddeln vid rumstemperatur och 1 Hz från 0,01 Pa till 50 Pa. Resultaten av amplitudsvepen visas i figur 2.

De uppmätta viskoelastiska egenskaperna hos de torra pulvren ger oss insikt i de nätverk som bildas genom växelverkan mellan partiklarna (elektrostatik, friktion m.m.). Att förstå dessa egenskaper är inte bara viktigt för bearbetning och flödesförmåga, utan också för att förstå hur starka dessa nätverk är när det gäller upplösning. Vassleproteinisolatet har de högsta initiala modulvärdena, vilket tyder på att det bildar det styvaste pulvernätverket, men det uppvisar också det minsta området med linjär viskoelasticitet (det område där G’ och G” uppvisar linjärt svar vid ökande töjning), vilket visar att även om nätverket är styvt krävs det endast liten skjuvtöjning för att bryta isär partiklarna. Däremot har det förstärkta vassleproteinet det största området med linjär viskoelasticitet, vilket tyder på att det nätverk som skapas av partiklarna är robust mot skjuvning eller VibrationerEn mekanisk process av svängning kallas vibration. Vibration är ett mekaniskt fenomen som innebär att svängningar uppstår kring en jämviktspunkt. I många fall är vibrationer oönskade, slösar energi och skapar oönskat ljud. Till exempel är vibrationsrörelserna hos motorer, elmotorer eller andra mekaniska anordningar som är i drift vanligtvis oönskade. Sådana vibrationer kan orsakas av obalanser i de roterande delarna, ojämn friktion eller att kugghjulen griper in i varandra. Noggrann design minimerar vanligtvis oönskade vibrationer.vibrationer under bearbetningen.

Det är viktigt att notera att förutom de fysikaliska/mekaniska skillnader som observerats mellan proteinpulvren från olika källor, kan man också förvänta sig att de uppvisar olika termiska egenskaper [2].

Viskoelastiska egenskaper hos proteinpulvren a) förstärkt vassle, b) vassleproteinisolat, c) insektsblandning och d) växtblandning, uppmätta genom en amplitudsvepning vid 1 Hz från en skjuvtöjning på 0,001 till 1 %.

Upplösning

Ett vanligt recept på smoothies med proteinpulver är att blanda en skopa (25–35 g) med 1–1,5 koppar vatten. Vårt mål med denna studie var inte bara att mäta hur lång tid det tog för de olika proteinpulvren att lösas upp, utan också hur väl de förblev upplösta jämfört med hur mycket de sedimenterade. Vi ville också fastställa upplösning och viskositet, eftersom dessa prover skulle blandas, antingen industriellt eller hemma med en mixer. För detta ändamål konstaterades att skjuvhastigheterna i en modellmixer varierade mellan 0–400 1/s (beroende på storlek, propeller etc.) [3]. För mätningen tillsattes 35 g vatten i en kopp med en diameter på 34 mm. Därefter hälldes 4,4 g av varje proteinpulver ovanpå vattnet innan stärkelsepaddeln sänktes ned till ett fastställt avstånd på 5 mm. Varje prov blandades sedan vid 300 1/s i 5 minuter. Efter den inledande blandningen fick provet sedimentera i 5 minuter innan det blandades igen vid 300 1/s i 5 minuter. Detta mönster av paus och blandning upprepades under ytterligare en cykel för varje prov (total mättid på 25 minuter).

Resultaten av upplösningsstudien visas i figur 3. Om man betraktar figur 3a), som visar viskositeten som en funktion av omrörning vid 300 1/s i 5 minuter, framgår det tydligt att vassleproteinisolatet löses upp snabbast och har den lägsta viskositeten av alla blandningarna. Det förstärkta vassleproteinet tar knappt två minuter att nå en stabil viskositet, medan insektsblandningen tar över 4 minuter. Det är viktigt att notera att den växtbaserade blandningen aldrig når en stabil viskositet utan fortsätter att öka, vilket tyder på att mer av proteinet hydratiseras och övergår i lösning. Av figur 3b) framgår att den växtbaserade blandningen, under hela testperioden på 25 minuter och med tre separata omrörningssteg, fortfarande ökar i viskositet och inte har nått ett stabilt värde. Som jämförelse nådde de övriga tre proteinpulvren ett stabilt värde redan efter den första omrörningen. Den växtbaserade blandningen fortsätter inte bara att hydratisera sig även efter 25 minuter i lösningen, utan dess slutliga viskositet är dessutom nästan dubbelt så hög som vassleproteinsolatets vid samma koncentration.

Tribologiska mätningar

Vi har tidigare visat hur tribologiska (läran om friktion och smörjning) mätningar med hjälp av ” Kinexus Prime ultra+ ” kan användas inom livsmedelsindustrin för att koppla samman livsmedelsstruktur med sensoriska intryck såsom munkänsla [4]. Vi tog de proteinshakes som framställts under upplösningsstudierna och testade dem med hjälp av en tribologisk cell av typen ”kula på tre stift”. Den övre geometrin bestod av en kula av borosilikatglas (12,7 mm i diameter), och den undre geometrin av tre stift av elastomer (Sylgard 184) för att på bästa sätt simulera det mjuka triboparet mellan tungan och gommen i munnen. Det har rapporterats att den genomsnittliga hastigheten för tungans rörelse över gommen under de fem stadierna av vätskesväljning är 10,3 mm/s [5]. Proverna mättes i tre replikat vid rumstemperatur över en glidhastighet på 5e-7 till 1,3 m/s.

De utsträckta Stribeck-kurvorna för de fyra proteinsmoothierna visas i figur 4. Traditionellt definieras en låg friktionskoefficient som < 0,3, medan en hög friktionskoefficient är > 0,6. Området mellan 1 mm/s och 100 mm/s är markerat för att omfatta det hastighetsintervall inom vilket tungan rör sig över gommen under drickandet. Både det förstärkta vassleproteinet och vassleproteinisolatet har liknande profiler, medan insektsblandningen och växtblandningen båda har friktionskoefficienter som inledningsvis ökar som en funktion av glidhastigheten. Detta tyder på att både insektsblandningen och växtblandningen under sväljningen skulle få en allt mer kornig konsistens till följd av partikelagglomerering, vilket därmed resulterar i en högre friktionskoefficient. Dessa data är avgörande för att förstå den urgamla frågan ”hur slät är din smoothie?”

Sammanfattning

I denna studie undersökte vi egenskaperna hos proteinpulver från olika källor – allt från vassle som bearbetats på olika sätt till helt växtbaserade blandningar och insektsbaserade blandningar. Med hjälp av systemet ” Kinexus Prime ultra+ ” kunde vi utvärdera egenskaperna hos det torra pulvret och dess upplösningsegenskaper, och till och med få en uppfattning om hur de färdiga lösningarna skulle kännas i munnen när man dricker dem. Utvecklingen av växtbaserade och insektsbaserade proteinprodukter är ett viktigt forskningsområde inom livsmedels- och dryckesindustrin. Att förstå variabler som flödesegenskaper och upplösning är avgörande både för tillverkningen och för slutanvändarens upplevelse.