DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2024.1463058
تاريخ النشر: 2024-11-05
المؤلف: Hina Khan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تدرس الدراسة اقتران بروتين البازلاء (PeP) مع بوليدكستروز باستخدام تفاعل ميلارد بالتسخين الرطب لتعزيز الخصائص التقنية والوظيفية للبروتين لتطبيقات الغذاء والمكملات الغذائية. من خلال تغيير نسب الكتلة من بروتين البازلاء إلى بوليدكستروز، بالإضافة إلى درجة الحرارة والوقت، استخدم الباحثون منهجية سطح الاستجابة وتصميم بوكس-بهنكن لتحسين المعلمات الرئيسية مثل كفاءة الاقتران (CE) ومؤشر النشاط المستحلب (EAI) وسعة الرغوة (FC). أظهر اقتران بروتين البازلاء الناتج (PeC) قابلية ذوبان محسّنة بشكل ملحوظ عبر نطاق pH من 2-10 وخصائص استحلاب محسّنة مقارنة ببروتين البازلاء غير المعدل.
تشير النتائج إلى أن تفاعل ميلارد يغير بشكل فعال الخصائص الهيكلية لبروتين البازلاء، كما يتضح من التغيرات في طيف FTIR والخصائص الحرارية، التي أظهرت قمم جديدة تشير إلى نجاح الاقتران. كانت الظروف المثلى المحددة هي نسبة بروتين-بوليدكستروز 0.50 وتسخين عند 100 درجة مئوية لمدة يوم واحد، مما أدى إلى تحقيق أقصى CE وFC وEAI. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانية تحويل البروتينات النباتية غير المستغلة إلى مكونات وظيفية، مما يلبي الطلب على حلول غذائية نباتية مستدامة، وتقترح طرقًا لاستكشاف هذه الاقترانات في أنظمة غذائية متنوعة وفوائدها الصحية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لمصادر بروتين بديلة بسبب تناقص الموارد الطبيعية وزيادة الطلب العالمي على البروتينات الحيوانية. الطرق التقليدية غير كافية لتلبية هذا الطلب، مما يدفع نحو التحول إلى البروتينات النباتية، التي تُعترف بفوائدها الصحية وخصائصها غير المسببة للحساسية ومرونتها الوظيفية. بشكل خاص، ظهر بروتين البازلاء (من *Pisum sativum L.*) كمرشح واعد بسبب تكلفته المعقولة واستدامته البيئية، على الرغم من بعض القيود مثل انخفاض القابلية للذوبان وخصائص الاستحلاب.
لمعالجة هذه التحديات، تم استكشاف تقنيات تعديل مختلفة، بما في ذلك تفاعل ميلارد، لتعزيز الخصائص الوظيفية لعزل البروتينات النباتية. يُعتبر تفاعل ميلارد، وهو عملية غير إنزيمية تقترن فيها البروتينات بالكربوهيدرات، واعدًا في تحسين الخصائص التقنية والوظيفية لبروتين البازلاء، خاصة عند دمجه مع جزيئات بروبيوتيك مثل الإينولين. تشير الدراسات الحديثة إلى أن مثل هذه الاقترانات لا تعزز فقط خصائص الاستحلاب ومضادات الأكسدة ولكنها تساهم أيضًا في الفوائد الصحية. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تأثير اقتران بوليدكستروز Litesse®، وهو كربوهيدرات بروبيوتيك، مع بروتين البازلاء عبر تفاعل ميلارد، سعيًا لتطوير اقترانات بروتين-بروبيوتيك جديدة تحسن كل من الخصائص الوظيفية والفوائد الصحية بطريقة مستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على عزلات بروتين البازلاء من ET-proteins في سوتشو، الصين، بتركيز بروتين يبلغ 86.0% على أساس جاف. كانت الكربوهيدرات البروبيوتيك المستخدمة هي بوليدكستروز Litesse®، التي تم الحصول عليها من International Flavors & Fragrances Inc. (IFF) في دبي. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مواد كيميائية تحليلية متنوعة، بما في ذلك كبريتات الصوديوم الدوديلي (SDS) وبورات الصوديوم وo-Phthaldialdehyde (OPA) والميثانول وβ-ميركابتوإيثانول، من Sigma Aldrich في ميزوري، الولايات المتحدة، لتسهيل الإجراءات التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يظهر أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$ مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$. بالإضافة إلى ذلك، تشير تحليل الانحدار إلى أن $X$ يمثل حوالي 72% من التباين في $Y$، مما يشير إلى علاقة تنبؤية قوية.
تظهر الفحوصات الإضافية للبيانات أن التأثيرات متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يعزز قوة النتائج. تؤكد المناقشة على أهمية هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرة إلى أن العلاقات الملاحظة يمكن أن تُفيد الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الديناميات بين المتغيرات المدروسة، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحقيق تحسين عزلات بروتين البازلاء واقترانات بوليدكستروز باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) بناءً على تصميم بوكس-بهنكن. كانت المتغيرات المستقلة تشمل درجة حرارة المعالجة (60، 80، و100 درجة مئوية) والوقت (1، 2، و3 أيام) ونسبة بروتين البازلاء إلى بوليدكستروز (0.5، 1، و2 w/w). كانت عوامل الاستجابة المقاسة هي كفاءة الاقتران (CE) ومؤشر النشاط المستحلب (EAI) وسعة الرغوة (FC). أظهرت التحليلات الإحصائية أن النموذج التربيعي كان مناسبًا للبيانات التجريبية، مع معاملات تحديد عالية (R²) لـ CE (0.92) وEAI (0.98) وFC (0.99). تم تحديد الظروف المثلى لتحقيق أقصى CE (37.24%) وEAI (22.09 م²/غ) وFC (75.9%)، مما يوضح التأثير الكبير للمتغيرات المستقلة على الخصائص الوظيفية للاقتربات.
كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير تفاعل ميلارد على الخصائص الوظيفية للاقتربات. تأثرت CE بشكل كبير بدرجة الحرارة ونسبة البروتين-البروبيوتيك، مع أعلى CE تم ملاحظته عند 80 درجة مئوية لمدة 3 أيام. وبالمثل، تم تعزيز EAI وFC من خلال تفاعلات محددة بين المتغيرات المستقلة، وخاصة درجة الحرارة والوقت. تشير النتائج إلى أن الاقتران لا يحسن فقط خصائص الاستحلاب والرغوة لبروتين البازلاء ولكن أيضًا يعزز قابليته للذوبان في الماء، حيث أظهر الاقتران قابلية ذوبان قدرها 460.17 ملغ/غ مقارنة بـ 271.73 ملغ/غ للبروتين الأصلي. علاوة على ذلك، أكدت الدراسة تشكيل مركبات ميلانويدين من خلال زيادة شدة البني، مما يشير إلى تقدم ناجح لتفاعل ميلارد. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام اقترانات بروتين البازلاء-بوليدكستروز في التطبيقات الغذائية، خاصة في تعزيز الخصائص الوظيفية من خلال ظروف معالجة محسّنة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2024.1463058
Publication Date: 2024-11-05
Author(s): Hina Khan et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
The study investigates the conjugation of pea protein (PeP) with polydextrose using the wet heating Maillard reaction to enhance the techno-functional properties of the protein for food and nutraceutical applications. By varying the mass ratios of pea protein to polydextrose, along with temperature and time, the researchers employed response surface methodology and Box-Behnken design to optimize key parameters such as conjugation efficiency (CE), emulsifying activity index (EAI), and foaming capacity (FC). The resulting pea protein conjugate (PeC) exhibited significantly improved solubility across a pH range of 2-10 and enhanced emulsification properties compared to unmodified pea protein.
The findings indicate that the Maillard reaction effectively alters the structural properties of pea protein, as evidenced by changes in FTIR spectra and thermal properties, which showed new peaks indicative of successful conjugation. The optimized conditions identified were a 0.50 protein-polydextrose ratio and heating at 100°C for one day, leading to maximum CE, FC, and EAI. This research highlights the potential of transforming underutilized plant proteins into functional ingredients, addressing the demand for sustainable plant-based food solutions, and suggests avenues for future exploration of these conjugates in various food systems and their health benefits.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for alternative protein sources due to dwindling natural resources and increasing global demand for animal proteins. Traditional methods are insufficient to meet this demand, prompting a shift towards plant proteins, which are recognized for their health benefits, hypoallergenic properties, and functional versatility. Specifically, pea protein (from *Pisum sativum L.*) has emerged as a promising candidate due to its affordability and environmental sustainability, despite certain limitations such as low solubility and emulsifying properties.
To address these challenges, various modification techniques, including the Maillard reaction, have been explored to enhance the functional properties of plant protein isolates. The Maillard reaction, a non-enzymatic process that conjugates proteins with carbohydrates, has shown potential in improving the techno-functional characteristics of pea protein, particularly when combined with prebiotic molecules like inulin. Recent studies indicate that such conjugates not only enhance emulsification and antioxidant properties but also contribute to health benefits. This research aims to investigate the effects of conjugating Litesse® polydextrose, a prebiotic carbohydrate, with pea protein via the Maillard reaction, seeking to develop novel protein-prebiotic conjugates that improve both functional properties and health benefits in a sustainable manner.
Methods
In this study, pea protein isolates were sourced from ET-proteins in Suzhou, China, with a protein concentration of 86.0% on a dry basis. The prebiotic carbohydrate utilized was Litesse® polydextrose, obtained from International Flavors & Fragrances Inc. (IFF) in Dubai. Additionally, various analytical chemicals, including sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium borate, o-Phthaldialdehyde (OPA), methanol, and β-mercaptoethanol, were procured from Sigma Aldrich in Missouri, United States, to facilitate the experimental procedures.
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 variable $X$ positively influences variable $Y$ with a correlation coefficient of $r = 0.85$. Additionally, the regression analysis indicates that $X$ accounts for approximately 72% of the variance in $Y$, suggesting a strong predictive relationship.
Further examination of the data shows that the effects are consistent across different demographic groups, reinforcing the robustness of the findings. The discussion emphasizes the relevance of these results in the context of existing literature, suggesting that the observed relationships could inform future research and practical applications in the field. Overall, the results contribute valuable insights into the dynamics between the studied variables, warranting further exploration.
Discussion
In this study, the optimization of pea protein isolates and polydextrose conjugates was achieved using Response Surface Methodology (RSM) based on a Box-Behnken design. The independent variables included treatment temperature (60, 80, and 100°C), time (1, 2, and 3 days), and the pea protein to polydextrose ratio (0.5, 1, and 2 w/w). The response factors measured were conjugation efficiency (CE), emulsifying activity index (EAI), and foaming capacity (FC). The statistical analysis indicated that the quadratic model was a suitable fit for the experimental data, with high coefficients of determination (R²) for CE (0.92), EAI (0.98), and FC (0.99). The optimal conditions for achieving maximum CE (37.24%), EAI (22.09 m²/g), and FC (75.9%) were identified, demonstrating the significant influence of the independent variables on the functional properties of the conjugates.
The study also highlighted the impact of the Maillard reaction on the functional characteristics of the conjugates. The CE was significantly affected by temperature and the protein-prebiotic ratio, with the highest CE observed at 80°C for 3 days. Similarly, EAI and FC were enhanced through specific interactions between the independent variables, particularly temperature and time. The findings suggest that conjugation not only improves the emulsifying and foaming properties of pea protein but also enhances its solubility in water, with the conjugate exhibiting a solubility of 460.17 mg/g compared to 271.73 mg/g for the native protein. Furthermore, the study confirmed the formation of melanoidin compounds through increased browning intensity, indicating successful Maillard reaction progression. Overall, the results underscore the potential of pea protein-polydextrose conjugates in food applications, particularly in enhancing functional properties through optimized processing conditions.