DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2026.1804879
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41971386
تاريخ النشر: 2026-03-26
المؤلف: Clinton Emeka Okonkwo وآخرون
الموضوع الرئيسي: البوليسكاريدات وجدران خلايا النباتات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص الهيكلية والفيزيائية الكيميائية والحرارية للهيميسليلوز المستخرج من صنفين من ثمار التمر: بارهي الناعم ونجال الصلب. أظهر عملية الاستخراج أن القلويات ذوبت كمية أكبر بكثير من الهيميسليلوز (45%-47.5%) مقارنة بـ DMSO (6%-7%)، على الرغم من أن DMSO حافظ على سلامة روابط الإستر الفيرولية. كانت تركيبة الهيميسليلوز تتكون بشكل أساسي من الأرابينوكسيلان، مع نسب متغيرة من السكريات الأحادية بما في ذلك الزيلوز (33.1%-70.6%)، الجلوكوز (6.7%-17.2%)، الأحماض اليورونية (5.5%-13.3%)، الأرابينوز (3.2%-10.1%)، الجالاكتوز (4.8%-6.8%)، المانوز (1.6%-3.6%)، والرامنوز (0%-3.1%). من الجدير بالذكر أن هيميسليلوز نجال أظهر هيكلًا أبسط مع أوزان جزيئية أقل (27.5-35 كيلودالتون) وأرابينوكسيلان أقل تفرعًا، بينما كان هيميسليلوز بارهي يتميز بأوزان جزيئية أعلى (29.5-223.9 كيلودالتون) ووجود أكبر من بروتين الأرابينوغالكتان (AGP) ورامنوجالكتورونان-I (RG-I).
ترتبط الاختلافات في هيكل الهيميسليلوز بين الصنفين بخصائصهما النسيجية، حيث يظهر بارهي شبكة هيميسليلوز-بكتين أكثر تفرعًا ورطوبة وأقل تماسكًا، مما يساهم في نسيجه الأكثر نعومة. في المقابل، يكون هيميسليلوز نجال أكثر ترتيبًا ويهيمن عليه الأرابينوكسيلان، مما يتوافق مع صلابته الأكبر. تؤكد النتائج على التنوع الهيكلي للبوليسكاريدات الهيميسليلوزية في ثمار التمر وتقترح الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الخصائص الميكانيكية والبيوكيميائية للهيميسليلوز عبر أصناف مختلفة. يمكن أن يعزز ذلك فهم التفاعلات بين مكونات الهيميسليلوز والألياف الغذائية الأخرى، مما يوفر رؤى أعمق حول أدوارها الوظيفية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية وتعقيد الهيميسليلوز، وهو مكون رئيسي في جدران خلايا النباتات، يأتي في المرتبة الثانية بعد السليلوز. يتميز الهيميسليلوز بهيكله البوليمري المتفرع، الذي يتكون من سكريات أحادية وأحماض يورونية متنوعة، ويصنف إلى عدة أنواع، بما في ذلك الزيلان والزيلوجلوكان. يرتبط هيكليًا بالسليلوز واللجنين، مما يعقد دراسته واستخدامه. تسلط الورقة الضوء على الاهتمام المتزايد في تطبيقات الهيميسليلوز عبر مختلف الصناعات، لا سيما في الغذاء والتغليف ومستحضرات التجميل والأدوية.
تركز الدراسة على الهيميسليلوز المستخرج من ثمار التمر (Phoenix dactylifera L.)، التي تحتوي على نسبة عالية من الألياف الغذائية، وخاصة الألياف غير القابلة للذوبان. على الرغم من الأبحاث الموجودة حول البوليسكاريدات الهيميسليلوزية من ثمار النخيل الأخرى، إلا أن المعرفة حول هيميسليلوز ثمار التمر محدودة. تهدف الدراسة إلى استخراج الهيميسليلوز من صنفين من ثمار التمر—بارهي الناعم ونجال الصلب—باستخدام طرق الاستخراج القلوية، التي تُفضل لكفاءتها وفعاليتها من حيث التكلفة. ستقوم الدراسة أيضًا بالتحقيق في الوزن الجزيئي والهياكل الكيميائية والميكروهيكل والخصائص الحرارية للهيميسليلوز المستخرج لتعزيز تطبيقاته المحتملة.
طرق
في هذا القسم، استخدم المؤلفون منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين استخراج الهيميسليلوز من الكتلة الحيوية من خلال تحليل تأثيرات ثلاثة متغيرات مستقلة: تركيز القلويات، وقت التسخين، ودرجة الحرارة. أبلغت التجارب الأولية ذات العامل الواحد عن اختيار نطاقات المتغيرات، والتي تم تحسينها لاحقًا لتحديد ظروف الاستخراج المثلى باستخدام تصميم بوكس-بينكن. تم ترميز المتغيرات المستقلة وفقًا للمعادلة (2)، مما يسمح بتغيير منهجي ضمن النطاقات المحددة: تركيز القلويات (5%-20%)، وقت التسخين (4-8 ساعات)، ودرجة الحرارة (25 °م-60 °م). أسفر هذا التصميم عن إجمالي 15 تجربة.
تم تحليل بيانات هذه التجارب باستخدام الانحدار المتعدد لتناسب نموذج متعدد الحدود من الدرجة الثانية، كما هو موضح في المعادلة (3). هنا، يمثل \( Y \) عائد الهيميسليلوز، بينما تأخذ معاملات \( \beta \) في الاعتبار تأثيرات متنوعة، بما في ذلك الحدودية، والتفاعل، والحدود التربيعية. تم إجراء اختيار النموذج بدقة من خلال اختبارات F، واختبارات عدم الملاءمة، وتقييم معامل التحديد (\( R^2 \))، مما يضمن قوة النتائج وموثوقية ظروف الاستخراج المحسنة.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. يكشف التحليل عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مما يوضح أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. تشير الاختبارات الإحصائية إلى أن النتائج قوية، مع قيم p باستمرار تحت عتبة الدلالة (على سبيل المثال، p < 0.05). علاوة على ذلك، توضح المناقشة أهمية هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تؤكد كيف تتماشى النتائج مع النظريات الموجودة أو تتحدى، مما يقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. كما تؤخذ الآثار على التطبيقات العملية في الاعتبار، مما يشير إلى كيف يمكن أن تؤثر هذه النتائج على السياسات أو الممارسات في المجالات ذات الصلة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم في مجال الدراسة.
مناقشة
في هذا القسم، تحقق الدراسة في استخراج وتوصيف الهيميسليلوز من صنفين من التمر، بارهي ونجال، اللذان يظهران خصائص نسيجية مميزة. كشفت تحليل النسيج أن تمر بارهي أكثر نعومة بشكل ملحوظ من تمر نجال، مع قيم أقل من الصلابة واللزاجة والتمضغ. تم استخراج الهيميسليلوز باستخدام كل من الطرق القلوية وDMSO، حيث أسفرت الطريقة القلوية عن محتوى هيميسليلوز أعلى بكثير (45%-47.5%) مقارنة بـ DMSO (6%-7%). يُعزى هذا الاختلاف إلى قدرة هيدروكسيد الصوديوم على قطع روابط الإستر بين الهيميسليلوز واللجنين، مما يسهل عملية الاستخراج. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على تأثير ظروف الاستخراج، مثل تركيز القلويات ودرجة الحرارة، على عائد الهيميسليلوز وتركيبه، مما يشير إلى أن تركيزات القلويات الأعلى تعزز كفاءة الاستخراج.
كشفت مزيد من التحليلات لتركيبة السكريات الأحادية للهيميسليلوز أن صنف نجال يحتوي على مستويات أعلى من الزيلوز والأحماض اليورونية، بينما أظهر بارهي تفرعًا أكبر في هيكله الهيميسليلوزي، كما يتضح من نسبة الأرابينوز/الزيلوز الأعلى. ترتبط هذه الاختلافات التركيبية بالخصائص النسيجية للثمار، حيث يساهم الهيميسليلوز الأكثر تفرعًا في بارهي في نسيجه الأكثر نعومة. أكدت تحليل المكونات الرئيسية (PCA) على الملفات المميزة للهيميسليلوز من كلا الصنفين، موضحة جزءًا كبيرًا من التباين في تركيبة السكريات الأحادية. بشكل عام، تؤكد النتائج على العلاقة بين طرق الاستخراج وخصائص الهيميسليلوز وخصائص النسيج لثمار التمر، مما يوفر رؤى حول تطبيقاتها المحتملة في علوم الغذاء والتغذية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2026.1804879
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41971386
Publication Date: 2026-03-26
Author(s): Clinton Emeka Okonkwo et al.
Primary Topic: Polysaccharides and Plant Cell Walls
Overview
This study investigates the structural, physicochemical, and thermal properties of hemicellulose extracted from two date fruit cultivars: the soft Barhi and the hard Neghal. The extraction process revealed that alkali solubilized significantly more hemicellulose (45%-47.5%) compared to DMSO (6%-7%), although DMSO maintained the integrity of feruloyl ester linkages. The hemicellulose composition was predominantly arabinoxylan, with varying proportions of monosaccharides including xylose (33.1%-70.6%), glucose (6.7%-17.2%), uronic acids (5.5%-13.3%), arabinose (3.2%-10.1%), galactose (4.8%-6.8%), mannose (1.6%-3.6%), and rhamnose (0%-3.1%). Notably, Neghal hemicellulose exhibited a simpler structure with lower molecular weights (27.5-35 kDa) and less branched arabinoxylan, while Barhi hemicellulose was characterized by higher molecular weights (29.5-223.9 kDa) and a greater presence of arabinogalactan-protein (AGP) and rhamnogalacturonan-I (RG-I).
The differences in hemicellulose structure between the two cultivars are linked to their textural properties, with Barhi displaying a more branched, hydrated, and less tightly packed hemicellulose-pectin matrix, contributing to its softer texture. In contrast, Neghal’s hemicellulose is more ordered and dominated by arabinoxylan, correlating with its greater hardness. The findings underscore the structural diversity of hemicellulosic polysaccharides in date fruits and suggest that further research is needed to explore the mechanical and biochemical properties of hemicellulose across various cultivars. This could enhance understanding of the interactions between hemicellulosic components and other dietary fibers, providing deeper insights into their functional roles.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance and complexity of hemicellulose, a major component of plant cell walls, second only to cellulose. Hemicellulose is characterized by its branched polymer structure, comprising various monomeric sugars and uronic acids, and is classified into several types, including xylan and xyloglucan. It is structurally linked to cellulose and lignin, which complicates its study and utilization. The paper highlights the increasing interest in hemicellulose applications across various industries, particularly in food, packaging, cosmetics, and pharmaceuticals.
The focus of the study is on the hemicellulose extracted from date fruits (Phoenix dactylifera L.), which are rich in dietary fiber, primarily insoluble fiber. Despite existing research on hemicellulosic polysaccharides from other palm fruits, there is limited knowledge regarding date fruit hemicellulose. The study aims to extract hemicellulose from two cultivars of date fruits—soft Barhi and hard Neghal—using alkaline extraction methods, which are favored for their efficiency and cost-effectiveness. The research will also investigate the molecular weight, chemical structures, microstructure, and thermal properties of the extracted hemicellulose to enhance its potential applications.
Methods
In this section, the authors employed response surface methodology (RSM) to optimize the extraction of hemicellulose from biomass by analyzing the effects of three independent variables: alkali concentration, heating time, and temperature. Preliminary single factor experiments informed the selection of variable ranges, which were subsequently refined to establish optimal extraction conditions using a Box-Behnken design. The independent variables were coded according to Equation (2), allowing for systematic variation within the established ranges: alkali concentration (5%-20%), heating time (4-8 hours), and temperature (25 °C-60 °C). This design resulted in a total of 15 experimental runs.
Data from these experiments were analyzed using multiple regression to fit a second-order polynomial model, as described in Equation (3). Here, \( Y \) represents the hemicellulose yield, while \( \beta \) coefficients account for various effects, including linear, interaction, and quadratic terms. Model selection was rigorously conducted through F-tests, lack-of-fit tests, and evaluation of the coefficient of determination (\( R^2 \)), ensuring the robustness of the findings and the reliability of the optimized extraction conditions.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Statistical tests indicate that the results are robust, with p-values consistently below the threshold of significance (e.g., p < 0.05). Furthermore, the discussion elaborates on the relevance of these findings within the broader context of the field. It emphasizes how the results align with or challenge existing theories, suggesting potential avenues for future research. The implications for practical applications are also considered, indicating how these findings could influence policy or practice in relevant domains. Overall, the results contribute valuable insights that advance understanding in the area of study.
Discussion
In this section, the study investigates the extraction and characterization of hemicellulose from two date cultivars, Barhi and Neghal, which exhibit distinct textural properties. The texture analysis revealed that Barhi dates are significantly softer than Neghal dates, with lower hardness, gumminess, and chewiness values. The extraction of hemicellulose was performed using both alkaline and DMSO methods, with the alkaline method yielding significantly higher hemicellulose content (45%-47.5%) compared to DMSO (6%-7%). This difference is attributed to the ability of sodium hydroxide to cleave ester linkages between hemicellulose and lignin, facilitating the extraction process. The study also highlights the impact of extraction conditions, such as alkali concentration and temperature, on hemicellulose yield and composition, indicating that higher alkali concentrations enhance extraction efficiency.
Further analysis of the monosaccharide composition of hemicellulose revealed that the Neghal cultivar contained higher levels of xylose and uronic acids, while Barhi exhibited greater branching in its hemicellulose structure, as indicated by a higher arabinose/xylose ratio. These compositional differences are linked to the textural characteristics of the fruits, with the more branched hemicellulose in Barhi contributing to its softer texture. Principal component analysis (PCA) confirmed the distinct profiles of hemicellulose from both cultivars, explaining a significant portion of the variance in monosaccharide composition. Overall, the findings underscore the relationship between extraction methods, hemicellulose characteristics, and the textural properties of date fruits, providing insights into their potential applications in food science and nutrition.