DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1691522
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41211216
تاريخ النشر: 2025-10-23
المؤلف: Ranjeet Ranjan Kumar وآخرون
الموضوع الرئيسي: جودة الزيوت الصالحة للأكل والتحليل
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة آليات فساد دقيق الدخن اللؤلؤي، مع التركيز على نوعين: بوسا-1201 (هجين) وتشادي باجري (نوع محلي). باستخدام نهج ميتابولوميكي وكيميائي حيوي، قام الباحثون بإجراء تحليل LC-MS غير المستهدف، مما كشف عن تغييرات استقلابية كبيرة في الدقيق المخزن من بوسا-1201، والذي يتميز بزيادة مستويات منتجات تحلل الدهون (مثل 3-أوكستترايدكانويل-كوا)، والأصباغ (مثل الكلوروفيليد ب)، والأحماض الدهنية الحرة. بالمقابل، أظهر تشادي باجري مستقبِلات فريدة مرتبطة بمضادات الأكسدة وحماية الإجهاد، مما يشير إلى مقاومته الأكبر للتدهور الأكسيدي. أظهرت الفحوصات الإنزيمية زيادة تعتمد على التخزين في أنشطة الليباز، والليبوكسجيناز، والبيروكسيداز، وأكسيد الفينول المتعدد في بوسا-1201، مما يتوافق مع مؤشرات الفساد مثل قيمة الحموضة (AV) وقيمة البيروكسيد (PV).
تسلط النتائج الضوء على أن فساد دقيق الدخن اللؤلؤي يتأثر بالاستجابات الاستقلابية والإنزيمية الخاصة بالنوع، حيث أظهر بوسا-1201 زيادة ملحوظة في المستقلبات المرتبطة باضطراب استقلاب الكربوهيدرات والطاقة، بالإضافة إلى أكسدة الدهون. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة حددت 25 مستقلبًا رئيسيًا، بما في ذلك الفيتول والإيثانولامين، كعلامات حيوية محتملة للفساد. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من توصيف الأنواع المتنوعة لإنشاء مجموعة بيانات شاملة وتقترح أن دمج التحليلات الميتابولومية والإنزيمية يمكن أن يساعد في الكشف المبكر عن الفساد، مما يوجه في النهاية اختيار الأنماط الجينية ذات الفساد المنخفض لتحسين استقرار الدقيق واستخدامه في المنتجات الغذائية المعالجة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الدخن اللؤلؤي (Pennisetum glaucum) كحبوب قمح مرنة معروفة بكثافتها الغذائية العالية وقدرتها على التكيف مع الظروف البيئية القاسية، مثل الجفاف ورداءة جودة التربة. إنه غني بالبروتين (9-13%)، والألياف الغذائية (8-11.5%)، والميكروغذيات الأساسية، مما يساهم في فوائد صحية متنوعة، بما في ذلك تحسين التحكم في نسبة السكر في الدم وصحة القلب والأوعية الدموية. ومع ذلك، فإن استخدام الدخن اللؤلؤي يعوقه التدهور السريع لدقيقه المطحون بسبب الفساد الإنزيمي والأكسيدي، الذي يقوده بشكل أساسي أنشطة الليباز والليبوكسجيناز، مما يؤدي إلى تطوير نكهات وروائح غير مرغوب فيها.
لمعالجة هذه التحديات، تؤكد الورقة على أهمية تحليل الميتابولوم كنهج تحليلي متقدم لفهم العمليات الكيميائية الحيوية المعنية في الفساد. تستخدم هذه التقنية طرقًا متقدمة مثل مطيافية الكتلة ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي لتحليل المستقلبات في الدخن اللؤلؤي، مما يوفر رؤى حول جودة الحبوب، والتركيب الغذائي، والاستجابات للضغوط البيئية. تهدف النتائج إلى إبلاغ الاستراتيجيات لتمديد عمر تخزين دقيق الدخن اللؤلؤي، وتعزيز قابليته للتسويق وسلامة المستهلك، بينما تسهل أيضًا تربية الأنواع ذات الاستقرار المحسن في التخزين. في النهاية، تسعى الدراسة إلى تطوير علامات تشخيصية للفساد، مما يدعم معايير الصناعة واستخدام المنتجات الدخنية في المنازل.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام حبوب الدخن اللؤلؤي المحصودة حديثًا من خلفيتين وراثيتين – نوع محلي (تشادي باجري) وهجين عالي الإنتاج (بوسا 1201) – للتحقيق في تطور الفساد أثناء التخزين. تم تنظيف الحبوب وطحنها تحت ظروف محكومة لإنتاج دقيق موحد، والذي تم تخزينه بعد ذلك في زجاجات بولي بروبيلين شبه شفافة مع أغطية مثقوبة للسماح بتهوية محكومة. كانت هذه الإعدادات تهدف إلى محاكاة ظروف التخزين الطبيعية بعد الطحن وتحفيز الفساد التلقائي من خلال تعريض الدقيق لدرجات حرارة مرتفعة (35 ± 1 °م) وضوء محيط، مما يسرع أكسدة الدهون والنشاط الإنزيمي.
سهل التصميم التجريبي تنشيط الإنزيمات الأصلية مثل الليباز، والليبوكسجيناز (LOX)، والبيروكسيداز (POX)، وأكسيد الفينول المتعدد (PPO)، مما يعزز أكسدة الأحماض الدهنية غير المشبعة. تم جمع عينات الدقيق في ثلاث نقاط زمنية: M0 (على الفور بعد الطحن)، M1 (30 يومًا بعد الطحن، تم تصنيفه كفاسد)، وM2 (60 يومًا بعد الطحن، تم تصنيفه كفاسد بشدة). تم اختيار هذه النقاط الزمنية بناءً على بيانات أولية تشير إلى بداية أعراض الفساد خلال 10 أيام. تم إجراء تحليل ميتابولومي على كل من عينات الدقيق الطازج والفاسد لتوضيح التغيرات الكيميائية الحيوية المرتبطة بالفساد، مما يوفر رؤى حول المسارات الاستقلابية المتأثرة أثناء التخزين.
النتائج
تسلط نتائج الدراسة الضوء على أن عمر التخزين المنخفض يعيق بشكل كبير معالجة وتطوير المنتجات واستهلاكها وتجارة الدخن اللؤلؤي. على الرغم من التقدم التكنولوجي المتنوع والمبادرات البحثية التي تهدف إلى معالجة هذه المشكلة، إلا أن التقدم قد تم تقييده بفهم محدود للآليات التي تحرك أكسدة الدهون، فضلاً عن أدوار الإنزيمات والمستقلبات المحددة في تكوين الروائح غير المرغوب فيها والفساد في دقيق الدخن اللؤلؤي.
كان الهدف الرئيسي من البحث الحالي هو تحديد المستقلبات الرئيسية التي يمكن أن تعمل كأساس كيميائي حيوي لفهم تطور الفساد في الدخن اللؤلؤي الهجين. هذا الفهم ضروري لتعزيز عمر التخزين والجودة العامة لمنتجات الدخن اللؤلؤي، مما يسهل الاستخدام الأفضل وقابلية التسويق.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجيات والنتائج من تحليل الميتابولوم باستخدام كروماتوغرافيا السائل-مطيافية الكتلة (LC-MS) لدقيق الدخن اللؤلؤي الطازج والفاسد. استخدمت الدراسة عملية تحضير عينات صارمة، باستخدام مزيج من الميثانول والكلوروفورم لاستخراج المستقلبات، تلاها تحليل باستخدام نظام Vanquish Flex UHPLC متصل بمطياف الكتلة Orbitrap. تم تحديد المستقلبات وقياسها من خلال المقارنات مع قواعد البيانات العامة والمكتبات الخاصة، مع تحليلات إحصائية تشمل ANOVA أحادي الاتجاه وتحليل التمييز الجزئي المتعامد (OPLS-DA) لتسليط الضوء على التغيرات الاستقلابية الكبيرة المرتبطة بالفساد.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الدقيق الطازج من نوع تشادي باجري أظهر ملف مستقبِلات متنوع، غني بالأحماض الأمينية الحرة والمركبات المشتقة من الدهون، مما قد يساهم في استقراره الأكسيدي. بالمقابل، أظهر الدقيق الفاسد من الهجين بوسا-1201 تحولات كيميائية حيوية كبيرة، تتميز بزيادة مستويات الجلسرين ومنتجات التحلل التي تشير إلى تحلل الدهون والأحماض النووية. كشفت التحليلات عن مجموعة أساسية من 669 مستقبِلًا مشتركًا بين العينات، مع مستقبِلات فريدة في كل نوع دقيق تشير إلى سمات خاصة بالنوع تؤثر على الاستقرار الأكسيدي. تؤكد الدراسة على الفروق الاستقلابية بين النوعين، مما يبرز الإمكانية لاستراتيجيات التربية التي تهدف إلى تعزيز عمر التخزين وجودة دقيق الدخن اللؤلؤي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2025.1691522
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41211216
Publication Date: 2025-10-23
Author(s): Ranjeet Ranjan Kumar et al.
Primary Topic: Edible Oils Quality and Analysis
Overview
This study investigates the mechanisms of rancidity in pearl millet flour, focusing on two cultivars: Pusa-1201 (a hybrid) and Chadhi Bajri (a landrace). Utilizing a metabolomic and biochemical approach, the researchers conducted untargeted LC-MS profiling, revealing significant metabolic changes in stored flour of Pusa-1201, characterized by increased levels of lipid degradation products (e.g., 3-oxotetradecanoyl-CoA), pigments (e.g., chlorophyllide b), and free fatty acids. In contrast, Chadhi Bajri displayed unique metabolites associated with antioxidant and stress protection, indicating its greater resistance to oxidative degradation. Enzymatic assays demonstrated a storage-dependent rise in the activities of lipase, lipoxygenase, peroxidase, and polyphenol oxidase in Pusa-1201, correlating with rancidity indices such as acid value (AV) and peroxide value (PV).
The findings highlight that rancidity in pearl millet flour is influenced by cultivar-specific metabolic and enzymatic responses, with Pusa-1201 showing a marked increase in metabolites linked to carbohydrate and energy metabolism disruption, as well as lipid oxidation. Notably, the study identified 25 key metabolites, including phytol and ethanolamine, as potential biomarkers for rancidity. The results underscore the need for further characterization of diverse cultivars to establish a comprehensive dataset and suggest that integrating metabolomic and enzymatic analyses can aid in the early detection of rancidity, ultimately guiding the selection of low-rancidity genotypes for improved flour stability and utilization in processed food products.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of pearl millet (Pennisetum glaucum) as a resilient cereal grain known for its high nutritional density and adaptability to adverse environmental conditions, such as drought and poor soil quality. It is rich in protein (9-13%), dietary fiber (8-11.5%), and essential micronutrients, contributing to various health benefits, including improved glycemic control and cardiovascular health. However, the utilization of pearl millet is hampered by the rapid degradation of its milled flour due to enzymatic and oxidative rancidity, primarily driven by lipase and lipoxygenase activities, which lead to the development of off-flavors and odors.
To address these challenges, the paper emphasizes the importance of metabolome profiling as a cutting-edge analytical approach to understand the biochemical processes involved in rancidity. This technique utilizes advanced methods such as mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy to analyze the metabolites in pearl millet, providing insights into grain quality, nutritional composition, and responses to environmental stresses. The findings aim to inform strategies for extending the shelf-life of pearl millet flour, enhancing its marketability and consumer safety, while also facilitating the breeding of cultivars with improved storage stability. Ultimately, the research seeks to develop diagnostic markers for rancidity, thereby supporting both industry standards and household use of pearl millet products.
Methods
In this study, freshly harvested grains of pearl millet from two genetic backgrounds—a landrace (Chadhi Bajri) and a high-yielding hybrid (Pusa 1201)—were utilized to investigate rancidity development during storage. The grains were cleaned and milled under controlled conditions to produce uniform flour, which was then stored in translucent polypropylene bottles with perforated caps to allow for controlled aeration. This setup aimed to simulate natural post-milling storage conditions and induce spontaneous rancidity by exposing the flour to elevated temperature (35 ± 1 °C) and ambient light, thereby accelerating lipid oxidation and enzymatic activity.
The experimental design facilitated the activation of native enzymes such as lipase, lipoxygenase (LOX), peroxidase (POX), and polyphenol oxidase (PPO), promoting the oxidation of polyunsaturated fatty acids. Flour samples were collected at three time points: M0 (immediately after milling), M1 (30 days post-milling, designated as rancid), and M2 (60 days post-milling, designated as severely rancid). These time points were chosen based on preliminary data indicating the onset of rancidity symptoms within 10 days. Metabolomic profiling was conducted on both fresh and rancid flour samples to elucidate the biochemical changes associated with rancidity, thereby providing insights into the metabolic pathways affected during storage.
Results
The results of the study highlight that low shelf-life significantly hampers the processing, product development, consumption, and commercialization of pearl millet. Despite various technological advancements and research initiatives aimed at addressing this issue, progress has been constrained by a limited understanding of the mechanisms driving lipid oxidation, as well as the roles of specific enzymes and metabolites in the formation of off-odours and rancidity in pearl millet flour.
The primary objective of the current research was to identify key metabolites that could serve as a biochemical foundation for comprehending the development of rancidity in hybrid pearl millet. This understanding is crucial for enhancing the shelf-life and overall quality of pearl millet products, thereby facilitating better utilization and marketability.
Discussion
The discussion section of the research paper details the methodologies and findings from the liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) metabolome profiling of fresh and rancid pearl millet flour. The study employed a rigorous sample preparation process, utilizing a combination of methanol and chloroform for metabolite extraction, followed by analysis using a Vanquish Flex UHPLC system coupled to an Orbitrap mass spectrometer. Metabolites were identified and quantified through comparisons with public databases and proprietary libraries, with statistical analyses including one-way ANOVA and Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis (OPLS-DA) to highlight significant metabolic changes associated with rancidity.
Key findings indicate that fresh flour from the Chadhi Bajri landrace exhibited a diverse metabolite profile, rich in free amino acids and lipid-derived compounds, which may contribute to its oxidative stability. In contrast, the rancid flour of the Pusa-1201 hybrid displayed significant biochemical shifts, characterized by elevated levels of glycerol and degradation products indicative of lipid and nucleic acid breakdown. The analysis revealed a core set of 669 shared metabolites among the samples, with unique metabolites in each flour type suggesting cultivar-specific traits that influence oxidative stability. The study underscores the metabolic distinctions between the two cultivars, highlighting the potential for breeding strategies aimed at enhancing the shelf life and quality of pearl millet flour.