DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110256
تاريخ النشر: 2024-06-05
المؤلف: Jiashu Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تقدم هذه القسم تحقيقًا منهجيًا في تأثيرات تغيير نسبة البروتين إلى الألياف الغذائية (DF) على الخصائص الريولوجية القصية، حركة الماء، والخصائص الهيكلية للمنتجات الطازجة عالية الرطوبة المصنوعة من عزل بروتين الصويا (SPI) وألياف الصويا الغذائية (SDF). وجدت الدراسة أن زيادة محتوى الألياف الغذائية من 6% إلى 25% انتقلت بالهيكل المنتج من تكوين طبقي مع لاميلات غنية بالبروتين إلى ترتيب ليفي مع خيوط غنية بالألياف الغذائية موزعة داخل شبكة بروتين رقيقة. أدت زيادة أخرى إلى 52% من الألياف الغذائية إلى منتجات تفتقر إلى طبقات أو ألياف محددة جيدًا، مما ارتبط بتغيرات كبيرة في القوام، بما في ذلك انخفاض قوة القطع وتغير اللزوجة الظاهرة (AI).
أشارت التحليلات الريولوجية إلى أن مستويات الألياف الغذائية الأعلى أدت إلى سلوك أكثر لزوجة في العينات المائية، يتميز بنطاق لزج خطي أقصر وزيادة في المعاملات الريولوجية في المنطقة الخطية، إلى جانب سلوك أكثر سائلة في المنطقة غير الخطية. كشفت قياسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) عن انخفاض في حركة بروتونات الماء ذات التفاعل الضعيف، مما يشير إلى أن إضافة الألياف الغذائية تؤثر على خصائص احتباس الماء. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن تكوين الروابط ثنائية الكبريتيد كان أكثر وضوحًا في المنتجات الغنية بالألياف الغذائية، مما يساهم في استقرار شبكة البروتين. بشكل عام، تؤكد النتائج التأثير الكبير لنسبة البروتين إلى الألياف الغذائية على الخصائص الشكلية، القوامية، والريولوجية للمنتجات الطازجة عالية الرطوبة، مما يبرز العلاقة المعقدة بين التركيب والخصائص الوظيفية في تركيبات الأغذية النباتية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحول المتزايد للمستهلكين نحو الأنظمة الغذائية النباتية، مدفوعًا بالقلق بشأن القضايا البيئية والصحية ورفاهية الحيوانات المرتبطة بإنتاج اللحوم. تُعتبر فول الصويا (Glycine max) المصدر الرئيسي للبروتين النباتي للبدائل اللحمية، حيث يتكون تركيبها البروتيني بشكل أساسي من كسور 7S (β-conglycinin) و11S (glycinin). تفصل الورقة معالجة فول الصويا إلى عزل بروتين الصويا (SPI) وتركيزات بروتين الصويا (SPC)، مع التركيز على دور البثق عالي الرطوبة (HME) في إنشاء هياكل ليفية في البدائل اللحمية.
تشمل عملية HME تطبيق الحرارة والقص لتعطيل هياكل البروتين، مما يؤدي إلى تشكيل شبكة بروتينية عابرة. تعتبر مرحلة التبريد حاسمة لتصلب هذه الشبكة، متأثرة بتركيب المواد الخام، وخاصة وجود الألياف الغذائية (DF). أظهر إدخال الألياف الغذائية، سواء القابلة للذوبان أو غير القابلة للذوبان، أنه يعزز الخصائص الريولوجية والهيكل الليفي للمنتجات. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الإفراط في الألياف الغذائية إلى هياكل غير مرغوب فيها تشبه العجين. تهدف الدراسة إلى استكشاف العلاقات بين الخصائص الريولوجية، حركة الماء، والقوام والهيكل الناتج للمنتجات الطازجة عالية الرطوبة، مع التركيز بشكل خاص على تغيير نسب البروتين إلى الألياف الغذائية في عزل بروتين الصويا وكسور الألياف الغذائية الغنية بالصويا.
طرق
في هذه الدراسة، تم زراعة فول الصويا من الصنف Lenka في فلاندرز وتم حصاده في عام 2020. بعد إزالة القشرة، تم إنتاج دقيق فول الصويا كامل الدسم عن طريق طحن فول الصويا باستخدام مطحنة الطرد المركزي الفائقة ZM 200، باستخدام منخل بحجم مسام 500 ميكرومتر. تم تخزين الدقيق الناتج في أكياس بلاستيكية محكمة الإغلاق عند 4.0 ℃ للتجارب اللاحقة.
تضمنت المواد المستخدمة في البحث مواد كيميائية ومركبات متنوعة تم الحصول عليها من موردين موثوقين. تم الحصول على N-hexane (نقاء 99%)، الميثانول، الكلوروفورم، هيدروكسيد الصوديوم (98.5% صلب)، وفوسفات الصوديوم ثنائي القاعدة دوديهايدرات من Thermo Fisher Scientific. تم الحصول على مواد كيميائية إضافية، مثل فوسفات الصوديوم ثنائي الهيدروجين ثنائي الهيدرات، سلفات الصوديوم دوديلا، واليوريا، من VWR International. تم الحصول على البروتينات والإنزيمات، بما في ذلك الأبرتينين، مثبط التربسين، الألبومين، ألبومين مصل البقر (BSA)، فوسفاتاز B، 1،4-ثنائي ثيول (DTT)، ورودامين B الفلوري من Merck.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، كشف التحليل أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التفاعل بين المتغيرات A وB يؤدي إلى زيادة ملحوظة في المتغير الاستجابي Z، مع حجم تأثير محسوب يشير إلى أهمية عملية قوية. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن الآليات الكامنة وراء هذه العلاقات تستحق المزيد من الاستكشاف في الأبحاث المستقبلية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل إعداد وتوصيف خلطات عزل بروتين الصويا (SPI) والكسور الغنية بالألياف الغذائية (SDF). تضمنت العملية إزالة الدهون من دقيق فول الصويا، وضبط الرقم الهيدروجيني، واستخدام تقنيات استخراج وتجفيف متنوعة للحصول على SPI وSDF. تم إنشاء الخلطات بنسب كتلة محددة، مما أدى إلى عينات متميزة تم التعرف عليها بمحتواها من البروتين والألياف الغذائية (DF). أظهرت تحليلات التركيب الكيميائي أن SPI يحتوي على 85% بروتين، بينما يحتوي SDF على 35%، مع اختلافات كبيرة في محتويات الرماد والدهون بين الاثنين. تم تقييم تركيب وحدات البروتين باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء بفصل الحجم (SE-HPLC)، مما يشير إلى أن SPI يحتوي على نسبة أعلى من كروتينات 7S و11S مقارنة بـ SDF.
تم تقييم الخصائص الريولوجية عند درجات حرارة مختلفة، حيث أظهرت الخلطات ذات محتوى الألياف الغذائية الأعلى سلوكًا أكثر صلابة، كما يتضح من زيادة معامل التخزين (G’) وانخفاض زاوية الطور (δ). كانت اللزوجة المعقدة مرتبطة إيجابيًا بمستويات الألياف الغذائية، مما يشير إلى أن الألياف الغذائية تعزز لزوجة المادة. كشفت تحليل حركة البروتونات عبر NMR عن تجمعات متميزة من البروتونات، حيث أدى زيادة محتوى الألياف الغذائية إلى تقليل حركة بروتونات الماء ذات التفاعل الضعيف، مما يشير إلى ارتباط أقوى للماء بواسطة الألياف الغذائية مقارنة بالبروتينات. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على التأثير الكبير لنسب البروتين والألياف الغذائية على الخصائص الفيزيائية للمواد القائمة على الصويا، مما قد يوجه تطبيقاتها في تكنولوجيا الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110256
Publication Date: 2024-06-05
Author(s): Jiashu Li et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This section presents a systematic investigation into the effects of varying the protein-to-dietary fiber (DF) ratio on the shear rheological properties, water mobility, and structural characteristics of high moisture extrudates made from soy protein isolate (SPI) and soy dietary fiber (SDF). The study found that increasing the DF content from 6% to 25% transitioned the extrudate structure from a layered configuration with thick, protein-rich lamellae to a fibrous arrangement with DF-rich filaments dispersed within a thin protein network. A further increase to 52% DF resulted in extrudates lacking well-defined layers or fibers, which correlated with significant changes in texture, including reduced cutting strengths and altered apparent viscosity (AI).
The rheological analysis indicated that higher DF levels led to a more viscous behavior in hydrated samples, characterized by a shorter linear viscoelastic (LVE) range and increased rheological moduli in the linear region, alongside a more liquid-like behavior in the non-linear region. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurements revealed a decrease in the mobility of weakly interacting water protons, suggesting that the addition of DF influences water retention properties. Additionally, the formation of disulfide bonds was found to be more pronounced in DF-rich extrudates, contributing to the stability of the protein network. Overall, the findings underscore the significant impact of the protein-DF ratio on the morphological, textural, and rheological properties of high moisture extrudates, highlighting the intricate relationship between composition and functional characteristics in plant-based food formulations.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing consumer shift towards plant-based diets, driven by concerns over environmental, health, and animal welfare issues associated with meat production. Soybeans (Glycine max) are identified as the primary source of plant protein for meat analogues, with their protein composition primarily consisting of 7S (β-conglycinin) and 11S (glycinin) fractions. The paper details the processing of soybeans into soy protein isolates (SPI) and soy protein concentrates (SPC), emphasizing the role of high moisture extrusion (HME) in creating fibrous structures in meat analogues.
The HME process involves the application of heat and shear to disrupt protein structures, leading to the formation of a transient protein network. The cooling phase is critical for solidifying this network, influenced by the composition of the raw materials, particularly the presence of dietary fibers (DF). The introduction of DFs, both soluble and insoluble, is shown to enhance the rheological properties and fibrous structure of extrudates. However, excessive DF can lead to undesirable dough-like structures. The study aims to explore the relationships between the rheological properties, water mobility, and the resulting texture and structure of high moisture extrudates, particularly focusing on varying protein-DF ratios in SPI and soy DF-enriched fractions.
Methods
In this study, soybeans of the cultivar Lenka were cultivated in Flanders and harvested in 2020. Following dehulling, full-fat soy flour was produced by milling the soybeans with an Ultra Centrifugal Mill ZM 200, utilizing a 500 μm pore size sieve. The resulting flour was stored in airtight plastic bags at 4.0 ℃ for subsequent experiments.
The materials used in the research included various chemicals and reagents sourced from reputable suppliers. N-hexane (99% purity), methanol, chloroform, sodium hydroxide (98.5% solid), and sodium phosphate dibasic dodecahydrate were procured from Thermo Fisher Scientific. Additional reagents, such as sodium dihydrogen phosphate dihydrate, sodium dodecyl sulfate (SDS), and urea, were obtained from VWR International. Proteins and enzymes, including aprotinin, trypsin inhibitor, albumin, bovine serum albumin (BSA), phosphorylase B, 1,4-dithiothreitol (DTT), and fluorescent rhodamine B isothiocyanate, were sourced from Merck.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the analysis revealed that variable X positively influences variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely to be due to chance.
Additionally, the results demonstrate that the interaction between variables A and B leads to a notable increase in the response variable Z, with a calculated effect size indicating a strong practical significance. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the mechanisms underlying these relationships warrant further exploration in future research.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of soy protein isolate (SPI) and soy dietary fiber-enriched fraction (SDF) blends are detailed. The process involved defatting soy flour, adjusting pH, and employing various extraction and drying techniques to yield SPI and SDF. The blends were created in specific mass ratios, leading to distinct samples identified by their protein and dietary fiber (DF) content. Chemical composition analyses revealed that SPI contained 85% protein, while SDF had 35%, with significant differences in ash and lipid contents between the two. The protein subunit composition was assessed using size-exclusion high-performance liquid chromatography (SE-HPLC), indicating that SPI had a higher proportion of 7S and 11S globulins compared to SDF.
Rheological properties were evaluated at different temperatures, showing that blends with higher DF content exhibited more solid-like behavior, as indicated by increased storage modulus (G’) and decreased phase angle (δ). The complex viscosity was positively correlated with DF levels, suggesting that dietary fibers enhance the material’s viscosity. Proton mobility analysis via NMR revealed distinct populations of protons, with increased DF content leading to reduced mobility of weakly interacting water protons, indicating stronger water binding by dietary fibers compared to proteins. Overall, the findings highlight the significant impact of protein and DF ratios on the physical properties of soy-based materials, which could inform their application in food technology.