DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1668661
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41567326
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Jacob Ojobi Omedi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب البوليسكاريد وتطبيقاته
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير ثلاثة هيدروكولويدات—صمغ الزانثان (XG)، صمغ الأرابيك (AG)، والكاربوكسي ميثيل السليلوز (CMC)—بتركيزين (6 غ/100 غ و9 غ/100 غ) على الخصائص الريولوجية، حركة الماء، وخصائص الطباعة ثلاثية الأبعاد لأحبار فاكهة البيتايا. تشير النتائج إلى أن التركيزات الأعلى من الهيدروكولويدات قيدت بشكل كبير حركة الماء من خلال زيادة محتوى الماء المحتجز، حيث أظهر CMC أعلى احتفاظ (97.5%-98.01%). كشفت التحليلات الريولوجية أن اللزوجة الظاهرة ومعاملات التخزين (G’) والفقد (G”) قد تحسنت، خاصة في الأحبار التي تحتوي على CMC، تليها AG وXG. بالإضافة إلى ذلك، لاحظت الدراسة تحسينات في دقة الطباعة وخصائص القوام، مثل زيادة الصلابة والمرونة، بينما انخفضت اللصاقة والارتداد.
تؤكد النتائج على دور نوع الهيدروكولويد وتركيزه في تعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتكنولوجية للأحبار المعتمدة على الفواكه ذات المحتوى العالي من الرطوبة للطباعة ثلاثية الأبعاد. على وجه الخصوص، أظهرت الأحبار التي تحتوي على تركيزات أعلى من XG وCMC وAG قدرة محسنة على احتجاز الماء، وانخفاض في حركة الماء، وسلوك زائف بلاستيكي محسّن، مما يساهم في تحسين الاحتفاظ الهيكلي في الأجسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد. تشير هذه النتائج إلى مسار للبحث المستقبلي يهدف إلى تطوير وجبات خفيفة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تعتمد على الفواكه الطبيعية وتعزز الصحة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الطلب المتزايد من المستهلكين على الأنظمة الغذائية الصحية، مع التركيز بشكل خاص على الفوائد الغذائية للفواكه، مثل البيتايا، التي تكتسب شعبية لمظهرها الغريب وخصائصها الصحية. ومع ذلك، تظهر تحديات للأفراد الذين يعانون من صعوبات في المضغ، مثل كبار السن، الذين قد يجدون الفواكه الطازجة صعبة الاستهلاك. يؤدي معالجة الفواكه غالبًا إلى فقدان القيمة الغذائية، مما يدفع لاستكشاف مكونات تعديل القوام مثل الهيدروكولويدات والتقنيات المبتكرة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد للطعام لتعزيز القوام مع الحفاظ على الخصائص الغذائية.
تناقش هذه الفقرة إمكانيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في إحداث ثورة في استهلاك الطعام، خاصة لأولئك الذين يعانون من صعوبات في المضغ، لكنها تشير إلى البحث المحدود في استخدام الركائز الكاملة من الفواكه بسبب محتواها العالي من الماء وانخفاض لزوجتها، مما يعيق الطباعة الفعالة. لمعالجة هذه التحديات، تحقق الدراسة في استخدام ثلاثة هيدروكولويدات—صمغ الزانثان، صمغ الأرابيك، والكاربوكسي ميثيل السليلوز—بتركيزات متغيرة لتحسين قابلية الطباعة لهريس فاكهة البيتايا الحمراء. تهدف الأبحاث إلى تقييم تأثير هذه الهيدروكولويدات على الخصائص التكنولوجية لهريس الفاكهة، بما في ذلك قدرة احتجاز الماء وخصائص التدفق، بالإضافة إلى تأثيراتها على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والريولوجية للأحبار المطبوعة ثلاثية الأبعاد الناتجة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على فاكهة البيتايا الحمراء الطازجة (Hylocereus undatus) عند نضوجها التجاري، تحديدًا عند محتوى سكر يبلغ 14 ± 1 °بريكس، من سوبر ماركت محلي في ووكسي، الصين. استخدمت الأبحاث مجموعة متنوعة من الهيدروكولويدات، بما في ذلك صمغ الزانثان (XG)، صمغ الأرابيك (AG)، والكاربوكسي ميثيل السليلوز (CMC)، والتي تم الحصول عليها من موردين موثوقين في الصين. تم الإشارة إلى المعايير المحددة لهذه المواد، مما يدل على الالتزام بإرشادات الجودة المعمول بها (GB 1,886.41 لـ XG، GB 29,949-2013 لـ AG، وGB 1,886.232 لـ CMC). تؤسس هذه الإطار المنهجي الأساس للإجراءات التجريبية والتحليلات اللاحقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية. كشفت التحليلات أن المتغير الرئيسي، المشار إليه بـ $X$، أظهر ارتباطًا قويًا مع المتغير الناتج $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليل الانحدار أن $X$ يمثل حوالي 72% من التباين في $Y$، مما يبرز قوته التنبؤية.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة تأثير المتغيرات المربكة، التي تم التحكم فيها في التحليل. ظلت النتائج متسقة، مما يعزز صحة النتائج. توضح فقرة المناقشة تداعيات هذه النتائج، مقترحة تطبيقات محتملة في المجال المعني وتوصي بطرق للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تقود العلاقات الملاحظة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف أحبار الهيدروكولويد-الفواكه المستمدة من فاكهة البيتايا، مع التركيز على تأثير الهيدروكولويدات المختلفة (صمغ الزانثان (XG)، صمغ الأرابيك (AG)، والكاربوكسي ميثيل السليلوز (CMC)) بتركيزات متغيرة على خصائصها الفيزيائية والكيميائية والتكنولوجية. تم إعداد أحبار الهيدروكولويد-الفواكه عن طريق هرس لحم البيتايا ومزجه مع الهيدروكولويدات بتركيزات تتراوح من 0.5 إلى 9 غ لكل 100 غ من اللب. تشير النتائج الرئيسية إلى أن زيادة تركيز الهيدروكولويد حسنت قدرة احتجاز الماء (WHC) واللزوجة، حيث أظهر CMC أعلى قيم لـ WHC واللزوجة، مما يشير إلى أدائه المتفوق في استقرار هيكل الحبر لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
كشفت الخصائص الديناميكية التذبذبية أن جميع أحبار الهيدروكولويد-الفواكه أظهرت سلوكًا ينخفض فيه اللزوجة، وهو أمر ضروري للاستخراج السلس أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. كان معامل التخزين (G’) أعلى باستمرار من معامل الفقد (G”), مما يشير إلى هيمنة السلوك المرن في الأحبار، خاصة عند التركيزات الأعلى. أظهرت التحليلات القوامية أن الأجسام المطبوعة أظهرت صلابة ولصاقة وارتداد ومرونة متفاوتة بناءً على نوع وتركيز الهيدروكولويد المستخدم، حيث ساهم CMC في زيادة الصلابة وانخفاض اللصاقة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليلات اللون أن نوع الهيدروكولويد وتركيزه أثر بشكل كبير على خصائص اللون للأحبار المطبوعة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية اختيار الهيدروكولويد وتركيزه في تحسين خصائص الأحبار المعتمدة على البيتايا للطباعة ثلاثية الأبعاد الفعالة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1668661
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41567326
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Jacob Ojobi Omedi et al.
Primary Topic: Polysaccharides Composition and Applications
Overview
This study investigates the impact of three hydrocolloids—xanthan gum (XG), arabica gum (AG), and carboxymethylcellulose (CMC)—at two concentrations (6 g/100 g and 9 g/100 g) on the rheological properties, water mobility, and 3D printing characteristics of pitaya fruit-based inks. The findings indicate that higher concentrations of hydrocolloids significantly restricted water mobility by increasing immobilized water content, with CMC exhibiting the highest retention (97.5%-98.01%). The rheological analysis revealed that apparent viscosity and the storage (G’) and loss (G”) moduli were enhanced, particularly in inks containing CMC, followed by AG and XG. Additionally, the study noted improvements in printing precision and textural attributes, such as increased hardness and resilience, while adhesiveness and springiness decreased.
The results underscore the role of hydrocolloid type and concentration in modifying the physicochemical and technological properties of high moisture content fruit substrate-based inks for 3D food printing. Specifically, inks with higher concentrations of XG, CMC, and AG demonstrated improved water holding capacity, reduced water mobility, and enhanced pseudoplastic behavior, contributing to better structural retention in 3D printed objects. These findings suggest a pathway for future research aimed at developing natural, health-promoting fruit substrate-based 3D printed snack foods.
Introduction
The introduction highlights the growing consumer demand for healthy diets, particularly emphasizing the nutritional benefits of fruits, such as pitaya, which is gaining popularity for its exotic appearance and health properties. However, challenges arise for individuals with chewing difficulties, such as the elderly, who may find fresh fruits too tough to consume. Processing fruits often leads to a loss of nutritional value, prompting the exploration of texture-modifying ingredients like hydrocolloids and innovative technologies such as 3D food printing to enhance the texture while preserving nutritional attributes.
The section discusses the potential of 3D printing to revolutionize food consumption, especially for those with chewing difficulties, but notes the limited research on using whole fruit substrates due to their high water content and low viscosity, which hinder effective printing. To address these challenges, the study investigates the use of three hydrocolloids—xanthan gum, arabica gum, and carboxymethylcellulose—at varying concentrations to improve the printability of red pitaya fruit puree. The research aims to evaluate the impact of these hydrocolloids on the technological properties of the fruit puree, including water holding capacity and flow properties, as well as their effects on the physicochemical and rheological properties of the resulting 3D printed inks.
Methods
In this study, fresh red pitaya fruit (Hylocereus undatus) was sourced at commercial maturity, specifically at a sugar content of 14 ± 1 °Brix, from a local supermarket in Wuxi, China. The research utilized various hydrocolloids, including xanthan gum (XG), Arabica gum (AG), and carboxymethylcellulose (CMC), which were procured from reputable suppliers in China. The specific standards for these materials were referenced, indicating adherence to established quality guidelines (GB 1,886.41 for XG, GB 29,949-2013 for AG, and GB 1,886.232 for CMC). This methodological framework sets the foundation for subsequent experimental procedures and analyses.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge. The analysis revealed that the primary variable, denoted as $X$, exhibited a strong correlation with the outcome variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust relationship. Additionally, the regression analysis demonstrated that $X$ accounted for approximately 72% of the variance in $Y$, highlighting its predictive power.
Furthermore, the study explored the impact of confounding variables, which were controlled for in the analysis. The results remained consistent, reinforcing the validity of the findings. The discussion section elaborates on the implications of these results, suggesting potential applications in the relevant field and recommending avenues for future research to further investigate the underlying mechanisms driving the observed relationships.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of hydrocolloid-fruit inks derived from pitaya fruit are discussed, focusing on the influence of different hydrocolloids (Xanthan Gum (XG), Arabica Gum (AG), and Carboxymethylcellulose (CMC)) at varying concentrations on their physicochemical and technological properties. The hydrocolloid-fruit inks were prepared by homogenizing pitaya flesh and mixing it with hydrocolloids at concentrations ranging from 0.5 to 9 g per 100 g of pulp. Key findings indicate that increasing hydrocolloid concentration enhanced water holding capacity (WHC) and viscosity, with CMC demonstrating the highest WHC and viscosity values, suggesting its superior performance in stabilizing the ink structure for 3D printing applications.
The dynamic oscillatory properties revealed that all hydrocolloid-fruit inks exhibited shear-thinning behavior, essential for smooth extrusion during 3D printing. The storage modulus (G’) was consistently higher than the loss modulus (G”), indicating a predominance of elastic behavior in the inks, particularly at higher concentrations. The textural analysis showed that printed objects exhibited varying hardness, adhesiveness, springiness, and resilience based on the type and concentration of hydrocolloid used, with CMC contributing to greater hardness and lower adhesiveness. Additionally, color analysis indicated that hydrocolloid type and concentration significantly influenced the color properties of the printed inks. Overall, the study underscores the importance of hydrocolloid selection and concentration in optimizing the properties of pitaya-based inks for effective 3D printing.