Как межфазная реология помогает понять изменения свойств сывороточного протеина в процессе его переработки

15 октября 2020

Кроме питательной ценности протеины обладают другими свойствами, которые делают их ценными компонентами для создания пищевых продуктов. Благодаря своей структуре протеины способны стабилизировать пены, эмульсии и гели.В процессе изолирования протеинов и дальнейшего изготовления пищевых продуктов с их содержанием протеины подвергаются влиянию давления или перепада температур, что может вызвать изменения в их структуре и функциональных свойствах. Таким образом, важно понимать, что именно происходит с протеином в процессе переработки, и как это влияет на его свойства.

Стабильность пены чаще всего связывают с модулем эластичности E’, который рассчитывается из эксперимента методом осциллирующей висящей капли. В процессе этого эксперимента капля жидкости, содержащая ПАВ или белок, осциллирует – её объём периодически уменьшается и увеличивается на заданный объём с заданной частотой. Это ведёт за собой периодическое изменение площади поверхности капли. В зависимости от свойств, находящегося в растворе ПАВ или белка, поверхностное натяжение раствора меняется. Исходя из этого могут быть рассчитаны модули эластичности E’и вязкости E’’.

Baier et al. изучили влияние высокого давления и низкой температуры (HPLT) на функциональность сывороточного протеина. Предыдущие исследования показали, что HPTL вызывают структурные изменения в молочных протеинах.Тем не менее, как именно структурные изменения влияют на функциональные свойства белка, до конца не выяснено. Таким образом, для прояснения этой зависимости был выбран метод поверхностной реологии для измерения межфазного натяжения и последующего расчёта модулей эластичности и вязкости для 2-ого % (w/w) раствора изолята сывороточного протеина (WPI) после его обработки высоким давлением при комнатной температуре (RT) и при -35°C (PAF, Pressure Assisted Freezing), соответственно. По сравнению с раствором WPI, который не подвергался воздействию давления, значения межфазного натяжения и значения модуля вязкости E’’ существенно не изменились, а значения модуля эластичности E’ существенно выросли (Рис. 1). Как и ожидалось, стабильность и плотность пен, полученных с использованием обработанного WPI были выше пен с необработанным WPI.

Рис. 1. Среднее значение межфазного натяжения, модулей эластичности и вязкости, а также результирующей стабильности пены для растворов сывороточного протеина WPI(2 % w/w) после обработки высоким давлением при комнатной температуре (RT) и при -35 °C (PAF) соответственно.

Итак, метод осциллирующей висящей капли даёт возможность прогнозировать изменения технологических и функциональных свойств сывороточного протеина в процессе изготовления того или иного продукта питания.

Осциллирующая висящая капля: вязкоэластичный модуль E*

Вязкоэластичный модуль E* показывает, насколько быстро молекулы ПАВ реагируют на изменение площади межфазной поверхности. В ходе эксперимента капля жидкости с ПАВ дозируется во внешнюю жидкую фазу или на воздух, и объём капли периодически увеличивается и уменьшается. Вследствие этого, периодически меняется и площадь поверхности капли, что ведёт к изменению значения межфазного натяжения во времени. Скорость изменения значения межфазного натяжения зависит от того, как быстро молекулы ПАВ выходят на свободную сформированную межфазную границу. Эта способность молекул ПАВ определяет значение вязкоэластичного модуля E*, который состоит из модуля эластичности E′ и модуля вязкости E″.

E*= E′+iE″

В данном эксперименте применялся анализатор краевого угла смачивания OCA, оснащенный генератором осциллирующей капли ODG 20.

Полный текст статьи:

1. Changes in functionality of whey protein and micellar casein after high pressure - Low temperature treatments; D. Baier, C. Schmitt, D. Knorr; Food Hydrocolloids 2015, 44, 416-423; https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.10.010