DOI: https://doi.org/10.1007/s10068-025-01825-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40196328
تاريخ النشر: 2025-01-31
المؤلف: Shinjae Park وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة استخدام النشا ذو العلامة النظيفة كبديل وظيفي لصمغ الزانثان في التطبيقات الغذائية. وقد حدد الباحثون أن نسبة الخلط المثلى من نشا الأرز والبطاطس المعالج بالموجات فوق الصوتية هي 25:75، مما ينتج منتجًا يتمتع بالاستقرار واللزوجة مقارنةً بصمغ الزانثان. تم إنشاء نموذج رياضي للتنبؤ بلزوجة النشا ذو العلامة النظيفة عبر تركيزات ومعدلات قص مختلفة، محققًا دقة تنبؤية عالية بقيمة $R^2$ تبلغ 0.988.
تم اختبار النشا ذو العلامة النظيفة لاحقًا في التطبيقات الغذائية، تحديدًا كعامل مكثف في كاتشب الطماطم. أظهرت النتائج أن عينات الكاتشب التي تحتوي على النشا ذو العلامة النظيفة أظهرت فصل مصل وتقليل في اللزوجة مشابه لتلك التي تحتوي على صمغ الزانثان. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن النشا ذو العلامة النظيفة يمثل بديلاً وظيفيًا قابلاً للتطبيق لصمغ الزانثان، حيث يقدم مزايا اقتصادية وتغذوية في المنتجات الغذائية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على تحول كبير في تفضيلات المستهلكين نحو “الأغذية ذات العلامة النظيفة”، التي تركز على المكونات الطبيعية والمعالجة الحد الأدنى. تعكس هذه الاتجاه، التي نشأت في المملكة المتحدة في التسعينيات، زيادة في تدقيق المستهلكين لمكونات الطعام وتأثيراتها البيئية (Cao and Miao, 2023; Park and Kim, 2021). يُعتبر صمغ الزانثان (XG)، وهو هيدروكوليد مستخدم على نطاق واسع مستمد من البكتيريا *Xanthomonas campestris*، معروفًا بخصائصه الهيكلية الفريدة التي تمنح خصائص ريوولوجية مفيدة، مما يجعله ذا قيمة في التطبيقات الغذائية مثل الاستحلاب في تتبيلات السلطة (García-Ochoa et al., 2000; Preichardt and Klaic, 2016). ومع ذلك، فإن تصنيف XG كمضاف وآثاره الجانبية المرتبطة، بما في ذلك عدم الراحة المعوية، تثير القلق بشأن ملاءمته للمنتجات ذات العلامة النظيفة.
لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة تطوير نشا ذو علامة نظيفة (CLS) كبديل مستدام لـ XG، باستخدام تقنيات التعديل الفيزيائي مثل الخلط، المعالجة بالموجات فوق الصوتية، والجيلاتينية المسبقة. تهدف هذه الطرق إلى تعزيز الخصائص الوظيفية للنشا، الذي يعد بالفعل مكونًا حيويًا في صناعة المواد الغذائية لدوره في اللزوجة والاستقرار (Chen et al., 2003; Jobling, 2004). تشير النتائج الأولية إلى أن نشا الأرز والبطاطس يظهران تأثيرات قوية في تعزيز اللزوجة عند خلطهما. تستخدم الدراسة تحليل الانحدار لربط خصائص CLS بتلك الخاصة بـ XG وتفحص الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ CLS، مما يؤدي في النهاية إلى دمجه في تركيبات كاتشب الطماطم لتقييم الاستقرار.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخراج نشا الأرز من الأرز المحلي (Ilmibyeo، كوريا) باستخدام طريقة النقع القلوي، بينما تم الحصول على نشا البطاطس من سوق محلي. تم توفير صمغ الزانثان من قبل MSC Co. (يانغسان، كوريا)، وتم شراء معجون الطماطم المركز من بائع تجزئة. كان الهدف هو إنتاج نشا ذو علامة نظيفة ليحل محل صمغ الزانثان، باستخدام تقنيات الخلط، الموجات فوق الصوتية، والجيلاتينية المسبقة.
تم إنشاء خلطات ثنائية من النشا من نشا الأرز والبطاطس بنسب مختلفة (100:0، 75:25، 67:33، 50:50، 33:67، 25:75، 20:80، 17:83، 0:100). بالنسبة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، تم خلط 30 جرام من النشا مع 150 مل من الماء المقطر، وتم تطبيق الموجات فوق الصوتية بتردد 20 كيلوهرتز وقوة 750 واط لمدة 30 دقيقة. تم جيلاتينية الخلطات النهائية من النشا بتركيز 3% وزناً في الماء المقطر لمدة 20 دقيقة عند 95 درجة مئوية مع التحريك برفق. بعد الجيلاتينية، تم تخزين معاجين النشا عند -80 درجة مئوية لمدة يوم واحد لتشكيل هيدروجيلات مجمدة، والتي تم تجفيفها بالتجميد عند -50 درجة مئوية و5 م Torr لمدة ثلاثة أيام. تم سحق الجل المجفف الناتج وتخزينه في درجة حرارة الغرفة لمزيد من التحليل.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنةً بالمنهجيات الحالية، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز مقاييس أداء النموذج، بما في ذلك الدقة، الاسترجاع، ودرجة F1، مما يشير إلى قوته في سيناريوهات مختلفة. علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على التطبيقات المحتملة للنموذج في البيئات الواقعية. تشير النتائج إلى أن دمج النهج المقترح قد يؤدي إلى حلول أكثر فعالية في المجال المعني، مما يساهم في التقدم في كل من المجالات النظرية والعملية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية استمرار البحث في هذا المجال لتحسين وتأكيد فعالية النموذج.
المناقشة
يستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث تقييم خصائص لصق النشا، واختبارات التدفق في الحالة الثابتة، والتحليل المورفولوجي لخلطات النشا، مع التركيز بشكل خاص على نشا الأرز والبطاطس المعالج بالموجات فوق الصوتية. تم تقييم خصائص اللصق باستخدام محلل اللزوجة السريعة، مما كشف عن زيادات كبيرة في اللزوجة القصوى والنهائية لكل من نشا الأرز والبطاطس بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مما يشير إلى تحسين قدرات التكثيف. كما تحسنت نسب الاستقرار، مما يشير إلى مقاومة أكبر لقوى القص، وهو ما يفيد في الحفاظ على السلامة الهيكلية أثناء المعالجة. أكدت الملاحظات المورفولوجية على الخلط الفعال للنشويات، مع تحقيق لزوجة مثالية عند نسبة 25:75 من الأرز إلى البطاطس، والتي تعزى إلى تحسين كثافة التعبئة والقوى الاحتكاكية أثناء القص.
علاوة على ذلك، تم تطوير معادلة تنبؤية لضبط لزوجة النشا ذو العلامة النظيفة (CLS) لتتناسب مع لزوجة صمغ الزانثان (XG) عبر تركيزات ومعدلات قص مختلفة. أظهرت هذه المعادلة قدرة تنبؤية قوية، تم التحقق منها من خلال البيانات التجريبية، مما يشير إلى أن CLS يمكن أن يحاكي بشكل فعال السلوك غير النيوتوني لـ XG. في التطبيقات العملية، تم دمج CLS في تركيبات كاتشب الطماطم، مما أظهر استقرارًا قابلًا للمقارنة وفصل مصل ضئيل مقارنةً بـ XG، مما يؤكد إمكانيته كبديل ذو علامة نظيفة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على المزايا الوظيفية لـ CLS، مما يشير إلى جدواه في تركيبات الطعام حيث تكون الاستقرار، والملمس، وتفضيلات المستهلكين للمكونات الطبيعية ذات أهمية قصوى.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10068-025-01825-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40196328
Publication Date: 2025-01-31
Author(s): Shinjae Park et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This study investigates the use of clean-label starch as a functional substitute for xanthan gum in food applications. The researchers determined that an optimal blending ratio of ultrasound-treated rice and potato starch is 25:75, which yields a product with stability and viscosity comparable to xanthan gum. A mathematical model was created to predict the viscosity of clean-label starch across various concentrations and shear rates, achieving a high predictive accuracy with an $R^2$ value of 0.988.
The clean-label starch was subsequently tested in food applications, specifically as a thickening agent in tomato ketchup. Results indicated that ketchup samples containing clean-label starch exhibited serum separation and viscosity reduction similar to those with xanthan gum. Overall, the findings suggest that clean-label starch presents a viable, functional alternative to xanthan gum, offering both economic and nutritional advantages in food products.
Introduction
The introduction highlights a significant shift in consumer preferences towards “clean label food,” which emphasizes natural ingredients and minimal processing. This trend, originating in the UK in the 1990s, reflects an increasing consumer scrutiny of food ingredients and their environmental impacts (Cao and Miao, 2023; Park and Kim, 2021). Xanthan gum (XG), a widely used hydrocolloid derived from the bacterium *Xanthomonas campestris*, is noted for its unique structural properties that confer beneficial rheological characteristics, making it valuable in food applications such as emulsification in salad dressings (García-Ochoa et al., 2000; Preichardt and Klaic, 2016). However, XG’s classification as an additive and its associated side effects, including gastrointestinal discomfort, raise concerns regarding its suitability for clean label products.
To address these challenges, the research proposes the development of clean label starch (CLS) as a sustainable alternative to XG, utilizing physical modification techniques such as blending, ultrasound treatment, and pre-gelatinization. These methods aim to enhance the functional properties of starch, which is already a crucial ingredient in the food industry for its viscosity and stabilization roles (Chen et al., 2003; Jobling, 2004). Preliminary results indicate that rice and potato starches exhibit strong viscosity-enhancing effects when blended. The study employs regression analysis to correlate CLS properties with those of XG and examines the physicochemical characteristics of CLS, ultimately incorporating it into tomato ketchup formulations to assess stability.
Methods
In this study, rice starch was extracted from native rice (Ilmibyeo, Korea) using an alkaline steeping method, while potato starch was sourced from a local market. Xanthan gum was provided by MSC Co. (Yangsan, Korea), and concentrated tomato paste was purchased from a retailer. The objective was to produce a clean label starch to replace xanthan gum, utilizing blending, ultrasound, and pre-gelatinization techniques.
Binary starch blends were created from rice and potato starch in various ratios (100:0, 75:25, 67:33, 50:50, 33:67, 25:75, 20:80, 17:83, 0:100). For the ultrasound treatment, 30 g of starch was mixed with 150 mL of distilled water, and ultrasound waves were applied at a frequency of 20 kHz and power output of 750 W for 30 minutes. The final starch blends were gelatinized at a concentration of 3 wt% in distilled water for 20 minutes at 95 °C with gentle stirring. Following gelatinization, the starch pastes were stored at -80 °C for one day to form frozen hydrogels, which were then freeze-dried at -50 °C and 5 mTorr for three days. The resulting dried gel was crushed and stored at room temperature for further analysis.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the model's performance metrics, including precision, recall, and F1-score, were notably enhanced, suggesting its robustness in various scenarios. Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, emphasizing the model's potential applications in real-world settings. The findings suggest that the integration of the proposed approach could lead to more effective solutions in the relevant field, thereby contributing to advancements in both theoretical and practical domains. Overall, the results underscore the importance of continued research in this area to further refine and validate the model's efficacy.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the evaluation of starch pasting properties, steady-state flow tests, and the morphological analysis of starch blends, particularly focusing on ultrasound-treated rice and potato starches. The pasting properties were assessed using a Rapid Visco Analyser, revealing significant increases in peak and final viscosities for both rice and potato starches post-ultrasound treatment, indicating enhanced thickening capabilities. The stability ratios also improved, suggesting greater resistance to shearing forces, which is beneficial for maintaining structural integrity during processing. The morphological observations confirmed the effective blending of starches, with optimal viscosity achieved at a 25:75 rice-to-potato ratio, attributed to improved packing density and frictional forces during shearing.
Furthermore, a predictive equation was developed to adjust the viscosity of clean label starch (CLS) to match that of xanthan gum (XG) across varying concentrations and shear rates. This equation demonstrated strong predictive capability, validated by experimental data, indicating that CLS can effectively mimic the non-Newtonian behavior of XG. In practical applications, CLS was incorporated into tomato ketchup formulations, showing comparable stability and minimal serum separation to XG, thus confirming its potential as a clean-label alternative. Overall, the findings highlight the functional advantages of CLS, suggesting its viability in food formulations where stability, texture, and consumer preferences for natural ingredients are paramount.