DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1697672
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601883
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Sebotse Dolly Kgoale وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخمير والتحليل الحسي
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التغيرات الميتابولوميه التي تحدث أثناء إنتاج الأماهو، وهو مشروب تقليدي مخمر من الذرة في جنوب إفريقيا، مع التركيز على التحولات الديناميكية في الأحماض الأمينية والمركبات الفينولية. باستخدام الميتابولوميات المستهدفة وكروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS/MS)، قامت الدراسة بتحليل عينات من أصناف الذرة البيضاء والصفراء عبر أربع مراحل إنتاج. كشفت التحليلات الكيميائية، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التمييز بالحد الأدنى الجزئي العمودي (OPLS-DA)، عن أنماط تجميع مميزة بناءً على نوع الذرة ومرحلة الإنتاج، مع تأكيد صحة النموذج مما يدل على نتائج قوية (Q² > 0.5؛ CV-ANOVA، p < 0.05). تضمنت النتائج الرئيسية تحديد الفالين والألانين كعلامات فريدة للذرة البيضاء والصفراء، على التوالي، وتغيرات كبيرة في تركيزات المستقلبات، مثل انخفاض البرولين وزيادات في الثريونين والفالين أثناء التخمير. تؤكد الخاتمة على أن مراحل المعالجة، وخاصة الطهي والتخمير، تغير بشكل كبير التركيب الكيميائي الحيوي للأماهو، مما يعزز قيمته الغذائية. أظهرت الذرة البيضاء إعادة تشكيل أيضية أكثر اتساقًا مقارنة بالذرة الصفراء، التي أظهرت تقلبات وكفاءة تخمير أقل. تم تحديد المستقلبات البارزة، بما في ذلك الفالين والألانين والأبيجينين، كمؤشرات موثوقة لتقدم التخمير. كما أبرزت الدراسة وجود علاقات قوية بين الأحماض الأمينية والتحولات الفينولية، مع تحديد تحليلات إثراء المسارات لتخليق القلويات الإيزوكينولينية في الذرة البيضاء وعمليات الأيض للألانين/الأسبارتات/الجلوتامات في الذرة الصفراء كمسارات حاسمة تؤثر على النتائج الأيضية. تشير هذه الرؤى إلى أن البحث المستقبلي يمكن أن يحسن إنتاج الأماهو، مما يؤدي إلى تحسين الجودة والاتساق في المنتج النهائي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الذرة (Zea mays) كمحصول عالمي حيوي، حيث توفر حوالي 30% من السعرات الحرارية الغذائية في العالم لـ 4.5 مليار شخص. من بين مختلف منتجات الذرة، يُلاحظ الأماهو، وهو مشروب مخمر غير كحولي شائع في جنوب إفريقيا، بشكل خاص لمذاقه المنعش وفوائده الغذائية. على الرغم من أهميته الثقافية واستهلاكه الواسع، لا يزال إنتاج الأماهو يعتمد إلى حد كبير على الحرفية، مما يؤدي إلى تباين في الجودة والسلامة بسبب عمليات التخمير غير المعيارية. يبرز هذا التباين الحاجة إلى ملف تعريف كيميائي حيوي شامل لتعزيز الاتساق وتحسين القيمة الغذائية.
لمعالجة هذه التحديات، تستخدم الدراسة الميتابولوميات المستهدفة، مع التركيز على المستقلبات المحددة المرتبطة بتخمير الأماهو. باستخدام تقنيات متقدمة مثل مطياف الكتلة وكروماتوغرافيا السائل، تهدف الدراسة إلى توضيح التحولات الجزيئية أثناء التخمير وتحديد المركبات الغذائية والبيولوجية النشطة الرئيسية. ستساعد تطبيقات الأساليب الكيميائية، بما في ذلك تحليل التمييز بالحد الأدنى الجزئي العمودي (OPLS-DA) وتحليل المكونات الرئيسية (PCA)، في تحليل بيانات الميتابولوم المعقدة، مما يمكّن من فهم تفصيلي للأحماض الأمينية والمركبات الفينولية التي تؤثر على النكهة والقيمة الغذائية والجودة العامة للأماهو. تسعى هذه الدراسة في النهاية إلى تحديد هذه المستقلبات طوال عملية الإنتاج، مع مراعاة الخصائص المميزة لكل من أصناف الذرة البيضاء والصفراء.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجارب محكومة لجمع البيانات حول المتغيرات المحددة. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام أدوات البرمجيات لضمان موثوقية وصلاحية النتائج، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. شملت جمع البيانات أخذ عينات منهجية وتطبيق بروتوكولات موحدة لتقليل التحيز. كما دمجت الدراسة نماذج رياضية متنوعة لتفسير النتائج، بما في ذلك تحليل الانحدار لتقييم العلاقات بين المتغيرات. بشكل عام، تم تصميم الطرق لاختبار الفرضيات بدقة وتقديم أدلة قوية للاستنتاجات المستخلصة من الدراسة.
النتائج
استخدمت نتائج الدراسة تحليل البيانات المتعددة المتغيرات، وبشكل خاص تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، لتوضيح الملفات الأيضية للأحماض الأمينية والمركبات الفينولية في الأماهو المنتج من الذرة البيضاء والصفراء الملقحة بالشعير المنقوع. نجح نموذج PCA في تمييز مجموعات العينات بناءً على نوع الذرة (الصفراء مقابل البيضاء)، والمعالجة (المخمرة مقابل غير المخمرة)، ومراحل الإنتاج. من الجدير بالذكر أن مجموعات متميزة تشكلت من العينات الملقحة (IS، CYM، RYM) مقارنة بالمجموعات المركزية المتداخلة (CWM، FWM، FYM، IWM، IYM، RWM)، مما يشير إلى اختلافات كيميائية حيوية كبيرة. كشفت التحليلات أن عملية التخمير غيرت بشكل ملحوظ تركيب المستقلبات، حيث أظهرت المنتجات النهائية زيادة في تخليق الأحماض الأمينية، خاصة في العينات المرتبطة بالفالين والثريونين والبرولين.
أظهر الفحص الإضافي من خلال مخططات تحميل PCA التغيرات الكيميائية الحيوية خلال مراحل إنتاج الأماهو. تم وضع المنتجات النهائية والملقحات على المحور الإيجابي لـ PC1، بينما تجمعت العجائن الخام والمطبوخة سلبًا، مما يشير إلى تحولات مرتبطة بالتخمير تدريجية. أبرزت الدراسة أن الذرة الخام، الغنية بالنشا المقاوم، تتطلب نشاطًا إنزيميًا إضافيًا للتخمير، وهو ما يسهل نشاط الشعير المنقوع العالي. يشير التجمع الوثيق للعينات المتوسطة إلى انتقال كيميائي حيوي منسق يشمل تحلل النشا، وتفكك البروتين، وإطلاق المركبات الفينولية، مما يبرز التأثير التحويلي للتخمير على الميتابولوم للذرة المطبوخة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في إعداد وتحليل الأماهو، وهو مشروب مخمر من الذرة، باستخدام حبوب الذرة البيضاء والصفراء والشعير المنقوع. تم معالجة الحبوب بدقة من خلال الغسيل، والتجفيف، والطحن، والطهي، تلاها التخمير مع الشعير المنقوع لإنتاج الأماهو. خضعت العينات الناتجة لتحليلات فيزيائية كيميائية وميتابولومية لتقييم تأثير مراحل الإنتاج المختلفة على ملفات المستقلبات. تم استخدام كروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS) لتحديد كميات الأحماض الأمينية والمركبات الفينولية، مما كشف عن اختلافات كبيرة بين الأماهو من الذرة البيضاء والصفراء، خاصة في تركيزات مستقلبات محددة مثل الفالين والألانين.
أظهرت التحليلات الإحصائية المتعددة المتغيرات، بما في ذلك تحليل التمييز بالحد الأدنى الجزئي العمودي (OPLS-DA)، تمييزات واضحة في ملفات المستقلبات عبر مراحل الإنتاج، مع تحديد مستقلبات مميزة ملحوظة. على سبيل المثال، كان البرولين هو الحمض الأميني السائد، بينما ظهر الأبيجينين كأكثر المركبات الفينولية وفرة طوال عملية التخمير. أبرزت الدراسة التفاعل الديناميكي بين النشاط الميكروبي وإنتاج المستقلبات، مما يشير إلى أن ظروف التخمير تؤثر بشكل كبير على الخصائص الغذائية والحسية للأماهو. علاوة على ذلك، أشارت تحليلات المسارات إلى أن تخليق القلويات الإيزوكينولينية ومسارات الفينيل بروبان كانت متأثرة بشكل ملحوظ خلال إنتاج الذرة البيضاء، مما يبرز التعقيد الكيميائي الحيوي والفوائد الصحية المحتملة المرتبطة بهذا المشروب التقليدي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1697672
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601883
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Sebotse Dolly Kgoale et al.
Primary Topic: Fermentation and Sensory Analysis
Overview
This study investigates the metabolomic changes occurring during the production of amahewu, a traditional Southern African fermented maize beverage, focusing on the dynamic shifts in amino acids and phenolic compounds. Utilizing targeted metabolomics and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), the research analyzed samples from both white and yellow Zea mays L. varieties across four production stages. The chemometric analyses, including Principal Component Analysis (PCA) and Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis (OPLS-DA), revealed distinct clustering patterns based on maize type and production stage, with model validation indicating robust results (Q² > 0.5; CV-ANOVA, p < 0.05). Key findings included the identification of valine and alanine as unique markers for white and yellow maize, respectively, and significant changes in metabolite concentrations, such as a decline in proline and increases in threonine and valine during fermentation. The conclusion emphasizes that the processing stages, particularly cooking and fermentation, significantly alter the biochemical composition of amahewu, enhancing its nutritional value. White maize demonstrated more consistent metabolic remodeling compared to yellow maize, which exhibited fluctuations and lower fermentation efficiency. Notable metabolites, including valine, alanine, and apigenin, were identified as reliable indicators of fermentation progress. The study also highlighted strong correlations between amino acids and phenolic transformations, with pathway enrichment analyses pinpointing isoquinoline alkaloid biosynthesis in white maize and alanine/aspartate/glutamate metabolism in yellow maize as critical pathways influencing the metabolic outcomes. These insights suggest that further research could optimize amahewu production, leading to improved quality and consistency in the final product.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of maize (Zea mays) as a vital global crop, providing approximately 30% of the world’s food calories to 4.5 billion people. Among various maize products, amahewu, a non-alcoholic fermented beverage prevalent in Southern Africa, is particularly noted for its refreshing taste and nutritional benefits. Despite its cultural importance and widespread consumption, amahewu production remains largely artisanal, resulting in variability in quality and safety due to unstandardized fermentation processes. This variability underscores the need for comprehensive biochemical profiling to enhance consistency and nutritional optimization.
To address these challenges, the study employs targeted metabolomics, focusing on specific metabolites associated with the fermentation of amahewu. Utilizing advanced techniques such as mass spectrometry and liquid chromatography, the research aims to elucidate the molecular transformations during fermentation and identify key nutritional and bioactive compounds. The application of chemometric approaches, including orthogonal partial least square discriminant analysis (OPLS-DA) and principal component analysis (PCA), will facilitate the analysis of complex metabolomic data, enabling a detailed understanding of the amino acids and phenolic compounds that influence the flavor, nutritional value, and overall quality of amahewu. This study ultimately seeks to profile these metabolites throughout the production process, considering the distinct characteristics of both white and yellow maize varieties.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing controlled experiments to gather data on the specified variables. Statistical analyses were conducted using software tools to ensure the reliability and validity of the results, with significance levels set at p < 0.05. Data collection involved systematic sampling and the application of standardized protocols to minimize bias. The study also incorporated various mathematical models to interpret the findings, including regression analysis to assess relationships between variables. Overall, the methods were designed to rigorously test the hypotheses and provide robust evidence for the conclusions drawn in the study.
Results
The results of the study employed multivariate data analysis, specifically Principal Component Analysis (PCA), to elucidate the metabolic profiles of amino acids and phenolics in amahewu produced from white and yellow maize inoculated with malted sorghum. The PCA model successfully distinguished sample groups based on maize type (yellow vs. white), treatment (fermented vs. non-fermented), and production stages. Notably, distinct clusters were formed by the inoculated samples (IS, CYM, RYM) compared to the central overlapping groups (CWM, FWM, FYM, IWM, IYM, RWM), indicating significant biochemical differences. The analysis revealed that the fermentation process notably altered the metabolite composition, with the final products showing increased amino acid synthesis, particularly in samples associated with valine, threonine, and proline.
Further examination through PCA loading plots illustrated the biochemical changes throughout the production stages of amahewu. The final products and inoculum were positioned along the positive axis of PC1, while raw and cooked pastes clustered negatively, indicating progressive fermentation-related transformations. The study highlighted that raw maize, rich in resistant starch, requires additional enzymatic activity for fermentation, which is facilitated by the malted sorghum’s high enzymatic activity. The close clustering of intermediate samples suggests a coordinated biochemical transition involving starch hydrolysis, protein breakdown, and phenolic release, emphasizing the transformative impact of fermentation on the metabolome of cooked maize.
Discussion
In this study, the preparation and analysis of amahewu, a fermented maize beverage, were investigated using white and yellow maize grains and malted sorghum. The grains were meticulously processed through washing, drying, milling, and cooking, followed by fermentation with malted sorghum to produce amahewu. The resulting samples underwent physicochemical and metabolomic analyses to assess the impact of different production stages on metabolite profiles. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) was employed to quantify amino acids and phenolic compounds, revealing significant differences between white and yellow maize amahewu, particularly in the concentrations of specific metabolites such as valine and alanine.
Multivariate statistical analyses, including orthogonal partial least square discriminant analysis (OPLS-DA), demonstrated clear distinctions in metabolite profiles across production stages, with notable discriminating metabolites identified. For instance, proline was the predominant amino acid, while apigenin emerged as the most abundant phenolic compound throughout the fermentation process. The study highlighted the dynamic interplay between microbial activity and metabolite production, suggesting that fermentation conditions significantly influence the nutritional and sensory qualities of amahewu. Furthermore, pathway analysis indicated that isoquinoline alkaloid biosynthesis and phenylpropanoid pathways were notably impacted during white maize production, underscoring the biochemical complexity and potential health benefits associated with this traditional beverage.