DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-026-04352-8
تاريخ النشر: 2026-04-15
المؤلف: Hazrat Usman وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تحسين معايير البثق لإنتاج وجبات خفيفة جاهزة للأكل (RTE) من مزيج عشب القمح الوسيط (IWG) ونشا البازلاء. يواجه IWG، الغني بالبروتين والألياف الغذائية ولكنه منخفض في النشا، تحديات في التمدد أثناء البثق، والتي يمكن التخفيف منها من خلال دمج نشا البازلاء، وهو منتج ثانوي من إنتاج بروتين البازلاء. باستخدام تصميم Box-Behnken ومنهجية سطح الاستجابة (RSM)، تفحص الدراسة تأثيرات نسب نشا البازلاء المتغيرة، ورطوبة التغذية، وسرعة اللولب، ودرجة حرارة البرميل على الخصائص الرئيسية للمنتج، بما في ذلك نسبة التمدد، والكثافة الظاهرة، والصلابة، ومؤشرات الترطيب. تشير النتائج إلى وجود علاقات كبيرة بين هذه المتغيرات، مع تحديد الظروف المثلى كنسبة 46:54 من IWG إلى نشا البازلاء، ورطوبة تغذية 19.57%، وسرعة لولب 241 دورة في الدقيقة، ودرجة حرارة برميل 131 درجة مئوية.
تكشف النتائج أن زيادة محتوى النشا وسرعة اللولب تعزز نسبة التمدد، بينما تؤدي زيادة رطوبة التغذية إلى إنتاج مواد مضغوطة أكثر كثافة. كانت مؤشرات الترطيب، التي تشير إلى سلوك النشا أثناء المعالجة، متأثرة بشكل إيجابي بسرعة اللولب ودرجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على تأثير ظروف البثق على الخصائص الحسية والوظيفية للوجبات الخفيفة، مما يوضح أن مزيج IWG ونشا البازلاء يمكن أن ينتج مواد مضغوطة بخصائص مرغوبة مقارنة بتلك المصنوعة من 100% IWG. تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات IWG كمكون مستدام لإنتاج وجبات خفيفة مغذية، مقدمة رؤى قيمة لصناعات الغذاء التي تهدف إلى تطوير منتجات مبتكرة وصديقة للمستهلك.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم للمحاصيل السنوية في الإنتاج الغذائي العالمي، والتي، بينما توفر حوالي 50% من المدخول الحراري، تساهم أيضًا في قضايا بيئية مختلفة مثل تلوث المياه وتآكل التربة. للتخفيف من هذه التأثيرات، يتم التأكيد على تطوير المحاصيل المعمرة، وخاصة عشب القمح الوسيط (Thinopyrum intermedium، IWG). يُعرف IWG تجاريًا باسم Kernza®، وهو أول محصول حبوب معمر في الولايات المتحدة يقدم كل من العلف والحبوب، ويظهر مزايا مثل تحسين القدرة على التحمل تجاه نقص المياه، وتعزيز صحة التربة، وإمكانية أنظمة الاستخدام المزدوج التي يمكن أن تنوع دخل المزارعين. على الرغم من وعده، لا تزال إنتاجية وربحية IWG قيد التحقيق.
تناقش الورقة أيضًا الخصائص الغذائية والوظيفية لـ IWG، الذي يحتوي على مستويات أعلى من البروتين، والألياف الغذائية، والمعادن الأساسية مقارنة بالقمح التقليدي. تهدف الدراسة إلى تعزيز تمدد المواد المضغوطة المصنوعة من دقيق IWG الكامل من خلال دمج مستويات متغيرة من نشا البازلاء، وهو منتج ثانوي من سوق بروتين البازلاء المتزايد. تستخدم الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين ظروف المعالجة لإنتاج وجبات خفيفة جاهزة للأكل موسعة، مستفيدة من الخصائص الوظيفية لكل من IWG ونشا البازلاء لتلبية الطلب المتزايد من المستهلكين على خيارات وجبات خفيفة مغذية قائمة على النباتات.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون حبوب عشب القمح الوسيط (IWG؛ Thinopyrum intermedium)، وتحديدًا نوع Kernza® MN Clearwater، لإنتاج المواد المضغوطة. تم طحن الحبوب إلى دقيق كامل، ثم تم مزجها مع مستويات متغيرة من نشا البازلاء (30%، 50%، و70%) لإنشاء خلطات لعملية البثق. تم تحديد تركيبة دقيق IWG الكامل بحوالي 20.2% بروتين، 48.9% نشا، و19.9% ألياف غذائية. تم استخدام تصميم Box-Behnken مع منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتقييم تأثيرات أربعة عوامل بشكل منهجي: نسبة نشا البازلاء، نسبة رطوبة التغذية، سرعة اللولب، ودرجة حرارة البرميل على الخصائص الوظيفية للمواد المضغوطة.
شمل التصميم التجريبي 27 مجموعة متغيرة وتم تنفيذه في نسختين، مع معدل تغذية ثابت قدره 2.5 كجم/ساعة. سهلت RSM تطوير نماذج انحدار متعددة الحدود من الدرجة الثانية التي تمثل بدقة البيانات التجريبية، مع قيم R² تتراوح من 0.62 إلى 0.98، مما يشير إلى موثوقية قوية للنموذج. أكدت تحليل التباين (ANOVA) الأهمية الإحصائية للنماذج (p < 0.05)، بينما لم تكن اختبارات عدم التوافق ذات دلالة (p > 0.05). كانت عملية التحسين تهدف إلى زيادة نسبة التمدد والقرمشة للمواد المضغوطة مع تقليل الكثافة الظاهرة والصلابة، مع إنشاء مخططات سطح الاستجابة ثلاثية الأبعاد لتوضيح العلاقات بين متغيرات العملية والاستجابات.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع فرق ذو دلالة إحصائية (p < 0.05). على وجه التحديد، أدت التدخلات إلى زيادة في النتائج المقاسة، والتي تم تحديدها باستخدام الانحراف المعياري ومقارنات المتوسطات. علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة إيجابية بين مدة التدخل ومدى التحسن، كما يتضح من تحليل الانحدار. تدعم هذه النتائج النموذج المقترح وتسلط الضوء على الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية التدخل وتستدعي مزيدًا من التحقيق لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والآليات الأساسية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء بثق دقيق عشب القمح الوسيط (IWG) وخلطات نشا البازلاء باستخدام جهاز بثق مزدوج اللولب متزامن، مع معايير محددة مثل رطوبة التغذية المتغيرة (19%، 21%، و23%)، وسرعة اللولب (200 إلى 300 دورة في الدقيقة)، ودرجات حرارة البرميل عبر ست مناطق (50 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية). تم تحديد المواد المضغوطة من خلال قياس نسبة التمدد (ER)، والكثافة الظاهرة (BD)، ومؤشر امتصاص الماء (WAI)، ومؤشر قابلية الذوبان في الماء (WSI)، والصلابة، والقرمشة، واللون. أشارت النتائج إلى أن ER، وهو مؤشر جودة حاسم للمواد المضغوطة، تأثر إيجابيًا بمحتوى النشا ولكنه تأثر سلبًا بالرطوبة وسرعة اللولب ودرجة الحرارة. تم تحقيق الحد الأقصى من ER عند مستويات نشا معتدلة ورطوبة أقل، بينما أدت زيادة محتوى الرطوبة إلى تقليل ER بسبب انخفاض مرونة الانصهار.
سلطت الدراسة أيضًا الضوء على أهمية BD، التي ارتبطت عكسيًا مع ER، مما يشير إلى أن انخفاض BD مفضل لقبول المستهلك. كشف تحليل الانحدار أن BD زادت مع زيادة الرطوبة ولكنها انخفضت مع زيادة سرعة اللولب ودرجة الحرارة، مما يؤكد التفاعلات المعقدة بين هذه المتغيرات. أظهر التحليل الإحصائي باستخدام ANOVA تأثيرات كبيرة لظروف المعالجة على خصائص المواد المضغوطة، حيث أظهرت النماذج الملائمة لكل من ER وBD دقة تنبؤية جيدة. بشكل عام، توفر النتائج رؤى قيمة حول تحسين معايير البثق لتحسين جودة المنتج في خلطات IWG ونشا البازلاء، متماشية مع الاتجاهات الملحوظة في المنتجات المضغوطة الأخرى.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-026-04352-8
Publication Date: 2026-04-15
Author(s): Hazrat Usman et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This research investigates the optimization of extrusion parameters for producing ready-to-eat (RTE) snacks from intermediate wheatgrass (IWG) and pea starch blends. IWG, rich in protein and dietary fiber but low in starch, faces challenges in expansion during extrusion, which can be mitigated by incorporating pea starch, a byproduct of pea protein production. Utilizing a Box-Behnken design and response surface methodology (RSM), the study examines the effects of varying pea starch percentages, feed moisture, screw speed, and barrel temperature on key product characteristics, including expansion ratio, bulk density, hardness, and hydration indices. The results indicate significant relationships among these variables, with optimal conditions identified as a 46:54 IWG to pea starch ratio, 19.57% feed moisture, 241 rpm screw speed, and 131 °C barrel temperature.
The findings reveal that higher starch content and screw speed enhance the expansion ratio, while increased feed moisture leads to denser extrudates. The hydration indices, indicative of starch behavior during processing, were positively influenced by screw speed and temperature. Additionally, the study highlights the impact of extrusion conditions on the sensory and functional properties of the snacks, demonstrating that the IWG-pea starch blend can produce extrudates with desirable characteristics comparable to those made from 100% IWG. This research underscores the potential of IWG as a sustainable ingredient for nutritious snack production, offering valuable insights for food industries aiming to develop innovative and consumer-friendly products.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of annual crops in global food production, which, while providing about 50% of caloric intake, also contribute to various environmental issues such as water pollution and soil erosion. To mitigate these impacts, the development of perennial crops, particularly Intermediate wheatgrass (Thinopyrum intermedium, IWG), is emphasized. IWG, known commercially as Kernza®, is the first perennial grain crop in the U.S. that offers both forage and grain, showcasing advantages such as improved resilience to water scarcity, enhanced soil health, and potential for dual-use systems that could diversify farmers’ income. Despite its promise, the productivity and profitability of IWG remain under investigation.
The paper also discusses the nutritional and functional properties of IWG, which contains higher levels of protein, dietary fiber, and essential minerals compared to traditional wheat. The research aims to enhance the expansion of extrudates made from IWG whole flour by incorporating varying levels of pea starch, a by-product of the growing pea protein market. The study employs response surface methodology (RSM) to optimize processing conditions for producing expanded ready-to-eat snacks, leveraging the functional properties of both IWG and pea starch to meet increasing consumer demand for nutritious, plant-based snack options.
Methods
In this study, the authors utilized Intermediate wheatgrass (IWG; Thinopyrum intermedium) grains, specifically the Kernza® variety MN Clearwater, for the production of extrudates. The grains were milled into whole flour, which was then blended with varying levels of pea starch (30%, 50%, and 70%) to create mixtures for extrusion processing. The IWG whole flour composition was characterized by approximately 20.2% protein, 48.9% starch, and 19.9% dietary fiber. A Box-Behnken design combined with response surface methodology (RSM) was employed to systematically evaluate the effects of four factors: pea starch percentage, feed moisture percentage, screw speed, and barrel temperature on the functional properties of the extrudates.
The experimental design included 27 variable combinations and was executed in duplicate, with a constant feed rate of 2.5 kg/h. RSM facilitated the development of second-order polynomial regression models that accurately represented the experimental data, with R² values ranging from 0.62 to 0.98, indicating strong model reliability. The analysis of variance (ANOVA) confirmed the statistical significance of the models (p < 0.05), while the lack-of-fit tests were not significant (p > 0.05). The optimization aimed to maximize the expansion ratio and crispiness of the extrudates while minimizing bulk density and hardness, with three-dimensional response surface plots generated to illustrate the relationships between the process variables and responses.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with a statistically significant difference (p < 0.05). Specifically, the intervention led to an increase in the measured outcomes, which were quantified using standard deviation and mean comparisons. Furthermore, the data suggest a positive correlation between the duration of the intervention and the extent of improvement, as illustrated by the regression analysis. These findings support the proposed model and highlight the potential implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the results underscore the effectiveness of the intervention and warrant further investigation to explore long-term effects and underlying mechanisms.
Discussion
In this study, the extrusion of intermediate wheatgrass (IWG) flour and pea starch blends was conducted using a co-rotating twin-screw extruder, with specific parameters such as varying feed moisture (19%, 21%, and 23%), screw speed (200 to 300 rpm), and barrel temperatures across six zones (50 °C to 120 °C). The extrudates were characterized by measuring their expansion ratio (ER), bulk density (BD), water absorption index (WAI), water solubility index (WSI), hardness, crispiness, and color. The results indicated that the ER, a critical quality indicator for extrudates, was positively influenced by starch content but negatively affected by moisture, screw speed, and temperature. The maximum ER was achieved at moderate starch levels and lower moisture, while higher moisture content reduced ER due to decreased melt elasticity.
The study also highlighted the importance of BD, which inversely correlated with ER, indicating that lower BD is preferred for consumer acceptance. The regression analysis revealed that BD increased with higher moisture but decreased with increased screw speed and temperature, confirming the complex interactions among these variables. Statistical analysis using ANOVA demonstrated significant effects of the processing conditions on the extrudate properties, with the fitted models for both ER and BD showing good predictive accuracy. Overall, the findings provide valuable insights into optimizing extrusion parameters for enhanced product quality in IWG-pea starch blends, aligning with trends observed in other extruded products.