DOI: https://doi.org/10.3390/gels10010051
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38247774
تاريخ النشر: 2024-01-10
المؤلف: Bolanle Otegbayo وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تدرس الدراسة الخصائص الريولوجية والحرارية لنشويات اليام من ستة عشر نوعًا من أنواع Dioscorea، بما في ذلك Dioscorea rotundata وDioscorea alata وDioscorea bulbifera وDioscorea dumetorum، المستمدة من نيجيريا. تهدف الأبحاث إلى تقييم التطبيقات الصناعية المحتملة لهذه النشويات غير المستغلة بشكل كافٍ. تشير النتائج الرئيسية إلى أن جميع هلامات نشا اليام أظهرت سلوكًا مرنًا، يتميز بمعامل تخزين ($G’$) أكبر من معامل الفقد ($G”$) وعامل تخفيف ($\tan \delta < 1$)، مما يشير إلى هيمنة الخصائص المرنة على اللزجة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الهلامات سلوكًا يتسم بتخفيف القص واستقلالية التردد، وهو أمر نموذجي للهلامات الضعيفة. تمت ملاحظة اختلافات في الخصائص اللزجة المرنة سواء داخل الأنواع (اختلافات داخل الأنواع) أو بين الأنواع المختلفة (اختلافات بين الأنواع)، على الأرجح تأثرت بالأصول النباتية وخصائص الحبيبات للنشويات. ومن الجدير بالذكر أن أنواع Dioscorea rotundata أظهرت أقل حرارة جيلاتينية ($\Delta H_{gel}$)، بينما كانت أنواع Dioscorea bulbifera هي الأعلى. تؤكد الدراسة على أهمية فهم الخصائص الريولوجية لنشويات اليام، حيث إنها حاسمة لتطوير المنتجات والمعالجة في كل من الصناعات الغذائية وغير الغذائية، مما يبرز الإمكانية لاستخدام أوسع لنشويات اليام.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية اليام، خاصة في نيجيريا، حيث يعد منتجًا زراعيًا رئيسيًا. على الرغم من محتواها العالي من النشا (حوالي 80% من الوزن الجاف)، إلا أن الإمكانات الصناعية لنشا اليام لا تزال غير مستغلة إلى حد كبير بسبب نقص الأبحاث ذات القيمة المضافة. النشا هو مادة خام حيوية عبر مختلف الصناعات، حيث يؤدي وظائف متعددة مثل الروابط والمكثفات في الغذاء، وكمواد لاصقة في صناعة الورق والنسيج. الخصائص الفيزيائية والكيميائية والوظيفية للنشا، وخاصة خصائصه الريولوجية والجيلاتينية، ضرورية لتحديد تطبيقاته.
تلعب الخصائص الريولوجية، التي تشمل خصائص اللصق، اللزوجة، وسلوك هلامات النشا، دورًا حيويًا في تطوير المنتجات ومراقبة الجودة. توفر مقاييس رئيسية مثل معامل التخزين ($G’$)، معامل الفقد ($G”$)، وزاوية الفقد ($\tan \delta$) رؤى حول السلوكيات المرنة واللزجة لمواد النشا. تهدف الدراسة إلى التحقيق في الخصائص الريولوجية والحرارية للنشا من أنواع اليام المختلفة، بما في ذلك *Dioscorea rotundata* و*D. alata* و*D. bulbifera*، لتقييم إمكانياتها للتطبيقات الغذائية وغير الغذائية. تتناول هذه الأبحاث الفجوة المعرفية الحالية بشأن الخصائص الوظيفية لهلامات نشا اليام من نيجيريا، مما يساهم في فهم جدواها الصناعية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام ما مجموعه ستة عشر نوعًا من ثلاثة أنواع من اليام—Dioscorea rotundata وDioscorea alata وDioscorea bulbifera—بالإضافة إلى نوع واحد من Dioscorea dumetorum. الأنواع المحددة شملت D. rotundata (TDr 93-31، TDr 99-15، TDr 89/02665، Amula، Baidza)، D. alata (TDa 291، TDa 297، TDa 93-36، TDa 01/00012)، وD. bulbifera (TDb 3059، TDb 3069، TDb 3048، TDb 3884، TDb 3084). تم الحصول على جميع العينات من مجموعة جينات اليام في المعهد الدولي للزراعة الاستوائية (IITA) الواقع في إبادان، نيجيريا.
يستعرض قسم الطرق جمع وتصنيف هذه الأنواع من اليام، والتي تشكل أساسًا للتحليلات اللاحقة التي تهدف إلى فهم التنوع الجيني والخصائص الزراعية لهذه الأنواع. يضمن الاختيار الدقيق للأنواع من بنك جينات موثوق به موثوقية وملاءمة النتائج في سياق زراعة اليام وبرامج التربية.
النتائج
تشير النتائج إلى أن جميع هلامات النشا أظهرت خصائص تخفيف القص، حيث أظهرت أنواع D. bulbifera أعلى قيم لزوجة معقدة. وهذا يشير إلى أن نشا D. bulbifera أقل عرضة لتخفيف القص أثناء المعالجة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب لزوجة عالية. على النقيض من ذلك، أظهرت هلامات النشا من D. rotundata وD. dumetorum وD. alata خصائص تعتمد على التردد، مما يشير إلى خصائص هلام أضعف. تشير القيم المنخفضة لـ tan δ لهلامات نشا D. bulbifera إلى أنها أكثر مرونة وصلابة، مما قد يعقد المعالجة مقارنة بالهلامات الأكثر مرونة من الأنواع الأخرى.
علاوة على ذلك، كشفت الخصائص الحرارية أن هلامات نشا D. bulbifera وD. dumetorum وD. alata لديها درجات حرارة انتقال جيلاتينية أعلى من تلك الخاصة بـ D. rotundata، مما يشير إلى حاجة أكبر للطاقة للجيلاتينية. يبرز التنوع في الخصائص اللزجة المرنة والحرارية بين هلامات نشا اليام من أنواع مختلفة إمكانياتها للتطبيقات المخصصة في كل من الصناعات الغذائية وغير الغذائية، مثل المكثفات والروابط والمواد الصلبة. توفر هذه المتغيرات مزايا كبيرة لتحسين استخدام نشا اليام في سياقات صناعية متنوعة.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للتكوين الكيميائي، الخصائص الريولوجية، والخصائص الحرارية لنشويات اليام من أنواع مختلفة، مع التركيز بشكل خاص على ستة عشر نوعًا من أربعة أنواع من Dioscorea: *D. rotundata* و*D. alata* و*D. bulbifera* و*D. dumetorum*. تشير الدراسة إلى مستويات منخفضة من البروتين الخام والدهون والرماد في عينات النشا، متوافقة مع النتائج السابقة، مما يدل على كفاءة عمليات استخراج النشا. ومن الجدير بالذكر أن اختلافات في محتوى الأميلوز لوحظت، حيث أظهرت *D. dumetorum* مستويات أقل بكثير مقارنة بالأنواع الأخرى، على الأرجح بسبب العوامل الجينية والإنزيمية التي تؤثر على تخليق النشا.
كشفت التحليلات الريولوجية أن هلامات نشا اليام أظهرت بشكل أساسي سلوكًا مرنًا، يتميز بمعامل تخزين ($G’$) أكبر من معامل الفقد ($G”$). أظهرت الهلامات من *D. bulbifera* أعلى مرونة ومقاومة للتشوه، بينما كانت تلك من *D. rotundata* أكثر مرونة، مما يشير إلى تطبيقات معالجة مختلفة. كما أبرزت الدراسة سلوك الهلامات المعتمد على التردد، حيث أظهرت نشا *D. bulbifera* اعتمادًا أقل على التردد، مما يدل على هيكل أكثر صلابة. أشارت الخصائص الحرارية، التي تم تقييمها عبر قياس المسح التفاضلي (DSC)، إلى درجات حرارة جيلاتينية وحرارات كبيرة، والتي تعتبر حاسمة لفهم الاستقرار الحراري والإمكانات الصناعية لهذه النشويات. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية ريولوجيا نشا اليام وسلوكه الحراري في تحديد ملاءمته لمختلف التطبيقات الغذائية وغير الغذائية.
DOI: https://doi.org/10.3390/gels10010051
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38247774
Publication Date: 2024-01-10
Author(s): Bolanle Otegbayo et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
The study investigates the rheological and thermal properties of yam starches from sixteen varieties of Dioscorea species, including Dioscorea rotundata, Dioscorea alata, Dioscorea bulbifera, and Dioscorea dumetorum, sourced from Nigeria. The research aims to assess the potential industrial applications of these underutilized starches. Key findings indicate that all yam starch gels exhibited elastic behavior, characterized by a storage modulus ($G’$) greater than the loss modulus ($G”$) and a damping factor ($\tan \delta < 1$), suggesting a predominance of elastic properties over viscous ones. Additionally, the gels displayed shear-thinning behavior and frequency independence, typical of weak gels. Variations in viscoelastic properties were noted both within species (intraspecies variation) and among different species (interspecies variation), likely influenced by the botanical origins and granule characteristics of the starches. Notably, Dioscorea rotundata varieties exhibited the lowest gelatinization enthalpy ($\Delta H_{gel}$), while Dioscorea bulbifera varieties had the highest. The study emphasizes the importance of understanding the rheological characteristics of yam starches, as they are crucial for product development and processing in both food and non-food industries, thereby highlighting the potential for broader utilization of yam starches.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of yams, particularly in Nigeria, where they are a major agricultural product. Despite their high starch content (approximately 80% dry weight), the industrial potential of yam starch remains largely untapped due to insufficient value-added research. Starch is a crucial raw material across various industries, serving multiple functions such as binders and thickeners in food, and as adhesives in paper and textile manufacturing. The physicochemical and functional properties of starch, particularly its rheological and gelatinization characteristics, are essential for determining its applications.
Rheological properties, which include pasting characteristics, viscosity, and the behavior of starch gels, play a vital role in product development and quality control. Key metrics such as storage modulus ($G’$), loss modulus ($G”$), and loss tangent ($\tan \delta$) provide insights into the elastic and viscous behaviors of starch materials. The study aims to investigate the rheological and thermal properties of starch from various yam species, including *Dioscorea rotundata*, *D. alata*, and *D. bulbifera*, to assess their potential for food and non-food applications. This research addresses the existing knowledge gap regarding the functional characteristics of yam starch gels from Nigeria, thereby contributing to the understanding of their industrial viability.
Methods
In this study, a total of sixteen varieties from three species of yam—Dioscorea rotundata, Dioscorea alata, and Dioscorea bulbifera—were utilized, alongside one variety of Dioscorea dumetorum. The specific varieties included D. rotundata (TDr 93-31, TDr 99-15, TDr 89/02665, Amula, Baidza), D. alata (TDa 291, TDa 297, TDa 93-36, TDa 01/00012), and D. bulbifera (TDb 3059, TDb 3069, TDb 3048, TDb 3884, TDb 3084). All samples were sourced from the yam germplasm collection at the International Institute of Tropical Agriculture (IITA) located in Ibadan, Nigeria.
The methods section outlines the collection and categorization of these yam varieties, which serves as a foundation for subsequent analyses aimed at understanding the genetic diversity and agronomic traits of these species. The careful selection of varieties from a reputable germplasm bank ensures the reliability and relevance of the findings in the context of yam cultivation and breeding programs.
Results
The results indicate that all starch gels exhibited shear thinning characteristics, with the D. bulbifera varieties demonstrating the highest complex viscosity values. This suggests that D. bulbifera starches are less prone to shear thinning during processing, making them suitable for applications requiring high viscosity. In contrast, starch gels from D. rotundata, D. dumetorum, and D. alata displayed increased frequency-dependent characteristics, indicating weaker gel properties. The lower tan δ values of D. bulbifera starch gels suggest they are more elastic and stiffer, potentially complicating processing compared to the more malleable gels from the other species.
Furthermore, the thermal properties revealed that D. bulbifera, D. dumetorum, and D. alata starch gels have higher gelatinization transition temperatures than those from D. rotundata, indicating a greater energy requirement for gelatinization. The diversity in viscoelastic and thermal properties among the yam starch gels from different varieties highlights their potential for tailored applications in both food and non-food industries, such as thickeners, binders, and stiffeners. This variability offers significant advantages for optimizing the use of yam starches in various industrial contexts.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive analysis of the chemical composition, rheological properties, and thermal characteristics of yam starches from various species, specifically focusing on sixteen varieties of four Dioscorea species: *D. rotundata*, *D. alata*, *D. bulbifera*, and *D. dumetorum*. The study reports low levels of crude protein, fat, and ash in the starch samples, consistent with previous findings, indicating efficient starch extraction processes. Notably, variations in amylose content were observed, with *D. dumetorum* exhibiting significantly lower levels compared to other species, likely due to genetic and enzymatic factors influencing starch biosynthesis.
The rheological analysis revealed that the yam starch gels predominantly exhibited elastic behavior, characterized by a storage modulus ($G’$) greater than the loss modulus ($G”$). The gels from *D. bulbifera* demonstrated the highest elasticity and resistance to deformation, while those from *D. rotundata* were more malleable, suggesting different processing applications. The study also highlighted the frequency-dependent behavior of the gels, with *D. bulbifera* starches showing less frequency dependence, indicative of a more rigid structure. Thermal properties, assessed via differential scanning calorimetry (DSC), indicated significant gelatinization temperatures and enthalpies, which are crucial for understanding the thermal stability and potential industrial applications of these starches. Overall, the findings underscore the importance of yam starch rheology and thermal behavior in determining their suitability for various food and non-food applications.