Giriş
Protein tozları, bireylerin kas kazanmasına, kilo vermesine ya da sadece beslenme düzenlerindeki eksiklikleri gidermesine yardımcı olan beslenme dünyasının vazgeçilmez unsurlarından biridir. Sektördeki en yaygın protein kaynağı, süt ürünleri üretiminin bir yan ürünü olan peynir altı suyudur. Ancak, beslenme kısıtlamaları (laktoz intoleransı), etik kaygılar ve besin değerini en üst düzeye çıkarma yönündeki araştırmalar nedeniyle, protein tozu için birçok başka kaynak da incelenmiştir.
Tamamen bitkisel kaynaklardan veya hatta böcek kaynaklarından elde edilen birçok ticari protein tozu bulunmaktadır. NETZSCH Grinding & Dispersing, bütün böcekleri, kurutulmuş larvaları veya ara ürünleri işlemek için yüksek verim ve düşük enerji tüketimi sunan özel sistemler sunmaktadır. Bununla birlikte, hem bitki hem de böcek kaynaklı protein tozları, geleneksel peynir altı suyuna kıyasla genellikle çözünürlük sorunu yaşamaktadır. Bitki bazlı protein tozları genellikle daha hidrofobik amino asitlerden oluşur ve peynir altı suyunda bulunan doğal kimyasal emülgatörlerden yoksundur; böcek bazlı protein tozları ise doğal olarak suda zor çözünen dış iskeletten (kitin) elde edilen doğal lifler içerir. Bu çözünürlük sorunlarını aşmak için, farklı amino asit ve emülgatör profillerine sahip kaynakları karıştırmak yaygın bir stratejidir.
Bu çalışmada, farklı kaynaklardan elde edilen protein tozlarının kuru toz özelliklerini karşılaştırmanın yanı sıra çözünme profillerini ölçmeyi ve hatta ağız hissini incelemeyi amaçladık. Bunu başarmak için, hassasiyetleri, düşük hacim gereksinimleri, modüler geometrileri ve advanced software yetenekleri sayesinde çok çeşitli karmaşık sıvıları ve yarı katıları karakterize edebilen NETZSCH Kinexus Prime serisi reometrelerini kullandık. Özellikle, cihazın modüler yapısı, numunelerin toz halinde, çözünme sırasında ve triboloji açısından ölçülmesi için hızlı ve kolay ayarlamalara olanak sağlamıştır.
Dört farklı numune karakterize edildi: ek amino asitlerle daha da güçlendirilmiş bir peynir altı suyu proteini, bir peynir altı suyu proteini izolatı (laktoz ve yağı filtrelemek için daha ileri işleme tabi tutulmuş peynir altı suyu), bitki bazlı bir karışım (bezelye, kabak ve chia proteini) ve böcek bazlı bir karışım (cırcır böceği ve bezelye proteini).
Kuru Tozun Özellikleri
Kuru tozların kendilerinin ölçümü için, daha önce kuru laktozun ölçümüyle ilgili olarak bildirilen [1] protokole benzer bir protokol kullanılmıştır. Ölçüm parametreleri Tablo 1’de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm düzeneği
| Cihaz | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| Numuneler | Kuru protein tozu (her biri 15 g) |
| Silindir | Silindirik kap (Φ 34 mm) |
| Karıştırıcı | 2 kanatlı nişasta karıştırıcı |
| Sıcaklık aralığı | Oda sıcaklığı |
| Kesme viskozitesi | 10 ila 1000 1/s |
Her numune, 10 ila 1000 1/s arasındaki bir kesme viskozitesi rampasından oluşan bir akışkanlaştırma aşamasına tabi tutuldu ve ardından 5 dakikalık bir dinlenme süresi uygulandı. Bu aşama sırasında, parçacıklar arasındaki etkileşimler azalır [2] ve numunenin geçmişinden kaynaklanan etkiler (işleme sırasında meydana gelen sıkıştırma vb.) ortadan kaldırılır. Her bir toz için kesme hızının bir fonksiyonu olarak viskozite Şekil 1'de gösterilmiştir.
Örnek geçmişini silmek amacıyla yapılan akışkanlaştırma aşamasında bile, örneklerin viskozitesi arasında belirgin bir fark görülmektedir; takviyeli peynir altı suyu en yüksek viskoziteye sahipken, böcek karışımı en düşük viskoziteye sahiptir. Parçacık boyutu ve yük gibi sayısız parametre, kesme kuvveti altındaki kuru tozların viskozitesini belirleyecektir.
Örneklerin işleme geçmişi akışkanlaştırma ile silindikten sonra, tozların viskoelastik özelliklerini (elastik davranışı tanımlayan G’ ve viskoz davranışı tanımlayan G”) belirlemek üzere örnekler üzerinde bir genlik taraması gerçekleştirilmiştir. Ölçüm, oda sıcaklığında ve 1 Hz frekansta, 0,01 Pa ile 50 Pa aralığında nişasta kanadı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Genlik taramalarının sonuçları Şekil 2’de gösterilmiştir.
Kuru tozların ölçülen viskoelastik özellikleri, parçacık-parçacık etkileşimi (elektrostatik, sürtünme vb.) yoluyla oluşan ağlar hakkında bize fikir verir. Bu özellikleri anlamak, sadece işleme ve akışkanlık açısından değil, aynı zamanda çözünme söz konusu olduğunda bu ağların ne kadar güçlü olduğunu kavramak açısından da önemlidir. Peynir altı suyu protein izolatı, en yüksek başlangıç modülü değerlerine sahiptir; bu da en sert toz ağını oluşturduğunu gösterir. Ancak aynı zamanda en düşük doğrusal viskoelastisite bölgesine (G’ ve G” değerlerinin artan gerilime doğrusal tepki verdiği bölge) sahiptir; bu da ağın sert olmasına rağmen parçacıkları ayırmak için çok az kesme gerilimi gerektirdiğini gösterir. Buna karşılık, güçlendirilmiş peynir altı suyu proteini en geniş doğrusal viskoelastisite bölgesine sahiptir; bu da parçacıklar tarafından oluşturulan ağın kesme kuvvetine veya işleme titreşimlerine karşı dayanıklı olduğunu göstermektedir.
Farklı kaynaklardan elde edilen protein tozları arasında gözlemlenen fiziksel/mekanik farklılıkların yanı sıra, bunların farklı termal özellikler sergilemelerinin de bekleneceği unutulmamalıdır [2].
a) güçlendirilmiş peynir altı suyu, b) peynir altı suyu protein izolatı, c) böcek karışımı ve d) bitki karışımı protein tozlarının viskoelastik özellikleri, 0,001 ile %1 arasındaki kesme gerinim aralığında 1 Hz frekansında genlik taraması ile ölçülmüştür.
Çözünme
Protein tozu smoothie’leri için standart bir tarif, 1-1,5 su bardağı suya bir kaşık (25-35 g) eklemektir. Bu çalışmadaki amacımız, yalnızca çeşitli protein tozlarının çözünmesi için geçen süreyi ölçmekle kalmayıp, aynı zamanda çözünmüş halde kalma ve çökelme durumlarını da değerlendirmekti. Ayrıca, bu numunelerin endüstriyel olarak veya evde bir blender ile karıştırılacağı göz önünde bulundurularak, çözünme ve viskoziteyi de belirlemek istedik. Bu amaçla, bir model karıştırıcıdaki kesme hızlarının 0-400 1/s aralığında olduğu tespit edildi (boyut, pervane vb. faktörlere bağlı olarak) [3]. Ölçüm için, 34 mm çaplı bir bardağa 35 g su eklendi. Ardından, nişasta karıştırıcısı 5 mm’lik ayarlanmış bir boşluğa indirilmeden önce her bir protein tozundan 4,4 g suyun üzerine döküldü. Daha sonra her numune 300 1/s hızında 5 dakika boyunca karıştırıldı. İlk karıştırma işleminden sonra, numunenin 5 dakika boyunca çökmesine izin verilmiş, ardından tekrar 300 1/s hızında 5 dakika boyunca karıştırılmıştır. Bu duraklama ve karıştırma döngüsü, her numune için bir döngü daha tekrarlanmıştır (toplam ölçüm süresi 25 dakikadır).
Çözünme çalışmasının sonuçları Şekil 3’te gösterilmiştir. 300 1/s hızında 5 dakika boyunca karıştırma işleminin bir fonksiyonu olarak viskoziteyi gösteren Şekil 3a’ya bakıldığında, peynir altı suyu protein izolatının tüm karışımlar arasında en hızlı çözündüğü ve en düşük viskoziteye sahip olduğu açıkça görülmektedir. Güçlendirilmiş peynir altı suyu, kararlı bir viskoziteye ulaşmak için iki dakikadan biraz daha az süreye ihtiyaç duyarken, böcek karışımı 4 dakikadan fazla süre gerektirir. Önemli bir nokta olarak, bitki bazlı karışım hiçbir zaman kararlı bir viskoziteye ulaşmaz ve artmaya devam eder; bu da proteinin daha büyük bir kısmının su ile birleşerek çözeltiye geçtiğini gösterir. Şekil 3b’den, 25 dakikalık test süresinin tamamı boyunca ve üç ayrı karıştırma aşamasında bile bitki bazlı karışımın viskozluğunun artmaya devam ettiği ve sabit bir değere ulaşmadığı görülmektedir. Buna karşılık, diğer üç protein tozu ilk karıştırma işleminden sonra sabit bir viskozite değerine ulaşmıştır. Bitki bazlı karışım, çözeltide 25 dakika geçtikten sonra bile hidrasyona devam etmekle kalmaz, aynı konsantrasyondaki peynir altı suyu proteini çözeltisinin nihai viskozitesinin neredeyse iki katına ulaşır.
Triboloji Ölçümleri
Daha önce, gıda bilimi endüstrisinin, gıda yapısını ağız hissi gibi duyusal algılarla ilişkilendirmek amacıyla Kinexus Prime ultra+ ile yapılan triboloji (sürtünme ve yağlama bilimi) değerlendirmelerinden nasıl yararlanabileceğini göstermiştik [4]. Çözünme çalışmaları sırasında üretilen protein içeceklerini aldık ve bunları “üç pimli bilye” triboloji hücresi kullanarak test ettik. Üst geometride, yumuşak ağız içi dil-damak triboçiftini en iyi şekilde simüle etmek amacıyla borosilikat cam top (çapı 12,7 mm) kullanılırken, alt geometride üç adet elastomerik pim (Sylgard 184) kullanılmıştır. Sıvı yutmanın beş aşaması boyunca dilin damak üzerinde hareket etmesinin ortalama hızının 10,3 mm/s olduğu bildirilmiştir [5]. Numuneler, oda sıcaklığında 5e-7 ile 1,3 m/s arasındaki kayma hızlarında üçer kez ölçülmüştür.
Dört proteinli smoothie’nin genişletilmiş Stribeck eğrileri Şekil 4’te gösterilmiştir. Geleneksel olarak, düşük sürtünme katsayısı < 0,3, yüksek sürtünme katsayısı ise > 0,6 olarak tanımlanır. 1 mm/s ile 100 mm/s arasındaki bölge, içme sırasında dilin damak üzerinde hareket ettiği hız aralığını kapsayacak şekilde vurgulanmıştır. Hem güçlendirilmiş peynir altı suyu hem de peynir altı suyu protein izolatı benzer profillere sahipken, böcek karışımı ve bitki karışımının her ikisi de başlangıçta kayma hızının bir fonksiyonu olarak artan sürtünme katsayılarına sahiptir. Bu durum, yutma eylemi sırasında hem böcek karışımının hem de bitki karışımının, parçacıkların bir araya gelmesi nedeniyle giderek daha taneli bir dokuya sahip olacağını ve dolayısıyla daha yüksek bir sürtünme katsayısına yol açacağını göstermektedir. Bu veriler, “smoothie’niz ne kadar pürüzsüz?” şeklindeki asırlık soruyu anlamak açısından hayati öneme sahiptir.
Özet
Bu çalışmada, farklı işleme yöntemleriyle elde edilen peynir altı sularından, tamamen bitkisel karışımlara ve böcek karışımlarına kadar çeşitli kaynaklardan elde edilen protein tozlarının özelliklerini inceledik. Kinexus Prime ultra+ ’ı kullanarak, kuru toz özelliklerinden çözünme karakteristiklerine kadar çeşitli unsurları ele alabildik ve hatta nihai çözeltilerin içilirken ağızda nasıl bir his uyandırabileceğini de anlayabildik. Bitki ve böcek bazlı protein ürünlerinin geliştirilmesi, gıda ve içecek endüstrisinde önemli bir araştırma alanıdır. Akışkanlık ve çözünme gibi değişkenleri anlamak, hem üretim hem de son kullanıcının ürünlerden keyif alması açısından hayati önem taşır.