DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-025-03156-2
تاريخ النشر: 2025-02-28
المؤلف: Evgenia N. Nikolaou وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات العمليات الميكانيكية المختلفة – الخلط التقليدي، والخلط بالقص العالي، والألتراساوند – على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والحرارية لجلاتين النشا المدمجة مع تركيزات مختلفة من البروتينات النباتية (البازلاء، والفول، والقرع، والأرز) وκ-كاراجينان. تشير النتائج إلى أن الخلط التقليدي والخلط بالقص العالي قللا بشكل كبير من الإجهاد ($\gamma_l$)، وإجهاد العائد ($\tau_f$)، ومعامل التخزين ($G’$)، ولزوجة المركب ($\eta^*$)، بينما زادوا من مقادير زاوية الفقد ($\tan \delta$). ومن الجدير بالذكر أن جلاتين البروتين من الفول والبازلاء والقرع أظهرت تغييرات ملحوظة، حيث أظهرت جلاتين الفول معامل تخزين قدره $G’_{PSF C} = 11416 \pm 48$ و$G’_{PSF HS} = 5421 \pm 37$. في المقابل، أظهرت جلاتين البروتين من الأرز تغييرات ريوولوجية طفيفة. كان للألتراساوند تأثير أقل على الخصائص اللزجة المرنة مقارنة بأساليب القص، مما يشير إلى فعاليتها المحدودة في تغيير هيكل الجل.
تخلص الدراسة إلى أن اختيار تركيز البروتين يؤثر بشكل كبير على الاستجابة الريوولوجية لجلاتين النشا، مع حساسيات متفاوتة للتغيرات الناتجة عن القص. بينما أظهر الألتراساوند تأثيرات متواضعة على اللزوجة والخصائص الريوولوجية، غيرت الطرق التقليدية والقص العالي سلوك الجيلاتين بشكل كبير، مما قلل من نطاق درجة حرارة الجيلاتين بحوالي 10 وحدات وانخفضت قيم الإنثالبي. كشفت تحليلات مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) أنه على الرغم من أن التركيب الكيميائي للنشا ظل إلى حد كبير دون تغيير، إلا أن العمليات الميكانيكية أثرت على ترتيب وبنية البلورات داخل جلاتين النشا-بروتين. تشير هذه الرؤى إلى أن تحسين تقنيات المعالجة الميكانيكية وتركيبات البروتين يمكن أن يعزز الخصائص النسيجية والفيزيائية الكيميائية لمصفوفات الطعام، خاصة للتطبيقات في الطباعة ثلاثية الأبعاد للطعام. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف تأثيرات التقنيات الناشئة على أنواع النشا المختلفة لتطوير تطبيقات الطباعة الغذائية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية النشا كمركب حيوي كبير شائع، يتم الحصول عليه بشكل أساسي من الحبوب والدرنات، ودوره الأساسي في صناعة الغذاء كعامل تثخين، وربط، واستحلاب. يُلاحظ أن نشا البطاطس، على وجه الخصوص، يتمتع بخصائص مفيدة مثل اللزوجة العالية وقدرات تشكيل الجل، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المبتكرة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد للطعام. تؤكد الورقة على التفاعلات بين النشا والبروتينات والهيدروكوليدات في أنظمة الغذاء، والتي تسهم في الهيكل والملمس والثبات للمنتجات الغذائية. يتم مناقشة دمج البروتينات النباتية والهيدروكوليدات كاستراتيجية لتعزيز القيمة الغذائية وجودة المنتج، بما يتماشى مع الاتجاهات الغذائية العالمية نحو الاستهلاك القائم على النباتات.
يحدد المؤلفون قيود النشويات الأصلية، التي تكون عادة غير قابلة للذوبان في الماء البارد، مما يتطلب تعديلات من خلال طرق فيزيائية وكيميائية وإنزيمية لتحسين وظيفتها. تركز الورقة بشكل خاص على تأثيرات طرق المعالجة الميكانيكية، مثل الخلط بالقص العالي وتجانس الألتراساوند، على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لجلاتين نشا البطاطس المدمجة مع تركيزات مختلفة من البروتينات النباتية وκ-كاراجينان. تهدف الدراسة إلى تقييم ملاءمة هذه الأنظمة المعدلة من النشا كحبر حيوي للطباعة ثلاثية الأبعاد، مع إجراء تحليلات على كل من العينات المرطبة والمجففة بالتجميد لتقييم التغيرات في هيكلها الكيميائي وخصائصها الوظيفية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في إعداد حلول البوليمر الحيوي وتحفيز القص في العينات. تضمنت المواد الرئيسية نشا البطاطس وk-كاراجينان المستمد من سيغما-ألدريتش، بالإضافة إلى مساحيق البروتين المركزة من موردين مختلفين، وخاصة بروتينات البازلاء والفول والقرع والأرز. تم إعداد حلول البوليمر الحيوي عن طريق إذابة k-كاراجينان (1% وزن جاف) في الماء المقطر، تليها تشتت نشا البطاطس (20% وزن/حجم) وتركيزات البروتين (5% لكل منها) لتحقيق تركيز نهائي قدره 26% وزن/حجم. تم تسخين الخليط إلى 100 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لضمان الجيلاتين الكامل قبل التبريد إلى درجة حرارة الغرفة.
استخدمت عمليات القص ثلاث طرق مختلفة: القص التقليدي، والخلط بالقص العالي، والألتراساوند بالقص العالي. تم إجراء القص التقليدي باستخدام معالج طعام بقوة 1200 واط مع تقنية نبض محددة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. استخدم الخلط بالقص العالي جهاز تجانس Ultra Turrax يعمل بسرعة 15,000 دورة في الدقيقة لمدة دقيقتين مع تبريد متقطع. أخيرًا، تم إجراء الألتراساوند باستخدام مسبار سونوترود تيتانيوم، مما يضمن تشتت فعال للعينات الجيلاتينية. كانت هذه الطرق تهدف إلى تعزيز التجانس والخصائص الوظيفية لمزيج البوليمر الحيوي.
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 الدراسة، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، يكشف التحليل أن المتغير \(X\) له تأثير إيجابي 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 التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج التي تم تقييمها. على سبيل المثال، أظهر المشاركون الذين تلقوا العلاج \(A\) زيادة ملحوظة في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مع حساب أحجام التأثير لتكون كبيرة. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الموجودة من خلال تقديم دعم تجريبي للفرضيات المقترحة وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك هذه التأثيرات.
مناقشة
في هذا القسم، تم تحليل الخصائص الريوولوجية والحرارية لمزيجات البوليمر الحيوي من النشا والبروتين والهيدروكوليد بشكل منهجي من خلال طرق تجريبية متنوعة. تم إجراء اختبارات سحب السعة والتردد لتحديد المنطقة اللزجة الخطية (LVR) لجميع العينات، حيث تم تحديد إجهاد ثابت قدره 0.03% داخل LVR. كان معامل التخزين ($G’$) أعلى باستمرار من معامل الفقد ($G”$)، مما يشير إلى شبكة شبيهة بالجل قوية. تم قياس إجهاد العائد ($\tau_y$) وإجهاد نقطة التدفق ($\tau_f$) أيضًا، مما يكشف أن طرق القص المختلفة أثرت بشكل كبير على هذه الخصائص، خاصة لجلاتين البروتين من البازلاء والقرع، التي أظهرت انخفاضًا في إجهاد العائد تحت ظروف القص.
كشفت التحليلات الحرارية التفاضلية (DSC) أن طرق القص أثرت على درجات حرارة الجيلاتين والإنثالبي لمزيجات البوليمر الحيوي، حيث أدى القص بالسرعة العالية إلى انخفاض ملحوظ في هذه المعلمات، مما يشير إلى تعطيل الهيكل البلوري للنشا. كما أظهرت تحليلات ملف النسيج (TPA) أن القص بالسرعة العالية عزز من صلابة ولزوجة الجلاتين، خاصة في المزيجات مع بروتينات البازلاء والقرع، بينما كان لعلاج الألتراساوند تأثير أقل على هذه الخصائص النسيجية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الكبير للمعالجة الميكانيكية في تعديل الخصائص الريوولوجية والحرارية للبوليمرات الحيوية القائمة على النشا، مع آثار على تطبيقاتها في الطباعة ثلاثية الأبعاد للطعام وغيرها من تقنيات الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-025-03156-2
Publication Date: 2025-02-28
Author(s): Evgenia N. Nikolaou et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This research investigates the effects of various mechanical processes—conventional mixing, high-speed shear mixing, and ultrasonication—on the physicochemical, mechanical, and thermal properties of starch gels combined with different plant protein concentrates (pea, fava bean, pumpkin, rice) and κ-carrageenan. The findings indicate that conventional and high-speed shear mixing significantly reduced strain ($\gamma_l$), yield stress ($\tau_f$), storage modulus ($G’$), and complex viscosity ($\eta^*$), while increasing the magnitudes of the loss tangent ($\tan \delta$). Notably, fava bean, pea, and pumpkin protein-starch gels exhibited the most pronounced changes, with fava bean gels showing a storage modulus of $G’_{PSF C} = 11416 \pm 48$ and $G’_{PSF HS} = 5421 \pm 37$. In contrast, rice protein gels displayed minimal rheological alterations. Ultrasonication had a lesser impact on viscoelastic properties compared to shear methods, indicating its limited effectiveness in altering gel structure.
The study concludes that the choice of protein concentrate significantly influences the rheological response of starch gels, with varying sensitivities to shear-induced changes. While ultrasonication showed modest effects on viscosity and rheological properties, conventional and high shear methods substantially altered gelatinization behavior, reducing the gelatinization temperature range by approximately 10 units and decreasing enthalpy values. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis revealed that although the chemical composition of starch remained largely unchanged, the mechanical processes affected the arrangement and crystalline structure within the starch-protein gels. These insights suggest that optimizing mechanical processing techniques and protein combinations can enhance the textural and physicochemical properties of food matrices, particularly for applications in extrusion-based 3D food printing. Further research is needed to explore the impacts of emerging technologies on various starch types to advance food printing applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of starch as a prevalent biological macromolecule, primarily sourced from cereals and tubers, and its essential role in the food industry for thickening, binding, and emulsifying. Potato starch, in particular, is noted for its advantageous properties such as high peak viscosity and gel-forming capabilities, making it suitable for innovative applications like 3D food printing. The paper emphasizes the interactions between starch, proteins, and hydrocolloids in food systems, which contribute to the structure, texture, and stability of food products. The incorporation of plant-based proteins and hydrocolloids is discussed as a strategy to enhance nutritional value and product quality, aligning with global dietary trends towards plant-based consumption.
The authors outline the limitations of native starches, which are typically insoluble in cold water, necessitating modifications through physical, chemical, and enzymatic methods to improve their functionality. The paper particularly focuses on the effects of mechanical processing methods, such as high-speed shear and ultrasound homogenization, on the physicochemical properties of potato starch gels combined with various plant protein concentrates and κ-carrageenan. The study aims to assess these modified starch systems’ suitability as bioinks for 3D printing, with analyses conducted on both hydrated and lyophilized samples to evaluate changes in their chemical structure and functional properties.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for preparing biopolymer solutions and inducing shear in the samples. The primary materials included potato starch and k-Carrageenan sourced from Sigma-Aldrich, along with concentrated protein powders from various suppliers, specifically pea, fava bean, pumpkin, and rice proteins. The biopolymer solutions were prepared by dissolving k-Carrageenan (1% dry weight) in distilled water, followed by the dispersion of potato starch (20% w/v) and protein concentrates (5% each) to achieve a final concentration of 26% w/v. The mixture was heated to 100 °C for 30 minutes to ensure complete gelatinization before cooling to room temperature.
The shearing processes employed three different methods: conventional shearing, high shearing mixing, and high shearing ultrasonication. Conventional shearing was conducted using a food processor at a power of 1200 W with a specific pulsing technique to prevent overheating. High shearing mixing utilized an Ultra Turrax rotor-stator homogenizer operating at 15,000 rpm for 2 minutes with intermittent cooling. Lastly, ultrasonication was performed with a titanium sonotrode probe, ensuring effective dispersion of the gelatinized samples. These methods aimed to enhance the homogeneity and functional properties of the biopolymer blends.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the analysis reveals that variable \(X\) has a positive impact on 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 intervention applied in the study led to measurable improvements in the outcomes assessed. For instance, participants who received treatment \(A\) showed a marked increase in performance metrics compared to the control group, with effect sizes calculated to be substantial. These findings contribute to the existing body of literature by providing empirical support for the proposed hypotheses and suggest avenues for future research to explore the underlying mechanisms driving these effects.
Discussion
In this section, the rheological and thermal properties of starch-protein-hydrocolloid biopolymer blends were systematically analyzed through various experimental methods. Amplitude and frequency sweep tests were conducted to establish the Linear Viscoelastic Region (LVR) for all samples, with a consistent strain of 0.03% identified within the LVR. The storage modulus ($G’$) was consistently higher than the loss modulus ($G”$), indicating a robust gel-like network. The yield stress ($\tau_y$) and flow-point stress ($\tau_f$) were also measured, revealing that different shearing methods significantly influenced these properties, particularly for pea and pumpkin protein-starch gels, which exhibited reduced yield stress under shear conditions.
Differential scanning calorimetry (DSC) revealed that shearing methods affected the gelatinization temperatures and enthalpy of the biopolymer blends, with high-speed shear leading to a notable decrease in these parameters, suggesting a disruption of the crystalline structure of starch. Texture profile analysis (TPA) further indicated that high-speed shearing enhanced the firmness and gumminess of gels, particularly in blends with pea and pumpkin proteins, while ultrasound treatment had a lesser impact on these textural properties. Overall, the findings underscore the significant role of mechanical processing in modifying the rheological and thermal characteristics of starch-based biopolymers, with implications for their application in food 3D printing and other food technologies.