DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110416
تاريخ النشر: 2024-07-24
المؤلف: Navneet وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
الدراسة بحثت في تأثيرات علاجين حراريين متميزين – الحرارة الجافة (DH) والبثق – على الهيكل والوظائف التقنية لدقيق الفاصوليا، مع التركيز على مكوناته من النشا والبروتين. بينما ظل المحتوى الإجمالي للنشا (35-47% أساس جاف) والبروتين (24-25% أساس جاف) دون تغيير، لوحظت تغييرات كبيرة في الميكروهيكل والهندسة الجزيئية لهذه المكونات. أثر معالجة DH بشكل أساسي على تشكيل البروتين مع تأثير ضئيل على هيكل النشا، بينما أدى البثق إلى تعديلات واسعة على كل من النشا والبروتين. من الجدير بالذكر أن كلا العلاجين قللا من الهيكل الثانوي β-sheet داخل الجزيئات لبروتين الفاصوليا.
كما قامت الأبحاث بتوصيف الخصائص التقنية والوظيفية لكل من دقيق الفاصوليا غير المعالج والمعالج حرارياً، كاشفة أن العلاجات الحرارية أدت إلى تغييرات في اللون، وتوزيع حجم الجسيمات، وملفات اللصق، والخصائص الريولوجية، ومؤشرات امتصاص الماء والذوبان. تشير النتائج إلى أن التغييرات الهيكلية في مصفوفة البروتين/النشا بسبب المعالجة الحرارية تؤثر بشكل كبير على وظيفة دقيق الفاصوليا. من المهم أن التعديلات المتميزة التي أحدثتها علاجات DH والبثق تشير إلى فرص متنوعة لتفعيل دقيق الفاصوليا، مما يجعله بديلاً واعداً لدقيق القمح في تطوير المنتجات الغذائية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الطلب المتزايد من المستهلكين على المنتجات عالية البروتين وخالية من الغلوتين، مع تسليط الضوء على إمكانيات الفاصوليا الجافة كبديل وظيفي لدقيق القمح. على الرغم من فوائدها الغذائية – التي تتكون من 20-30% بروتين ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية النباتية الأساسية – إلا أن استهلاك الفاصوليا في كندا لا يزال منخفضاً بسبب عوامل مثل طرق الطهي غير المريحة وقلة تنوع المنتجات. يقترح المؤلفون أن معالجة الفاصوليا الكاملة إلى دقيق يمكن أن تعزز استهلاكها من خلال تحسين خصائصها التقنية والوظيفية، التي تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بدقيق القمح.
تناقش الورقة طرق المعالجة الحرارية المختلفة، بما في ذلك العلاجات ذات الرطوبة العالية والمنخفضة، والتي يمكن أن تعدل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لدقيق الفاصوليا، مثل قدرة الاحتفاظ بالماء والنشاط المستحلب. بينما أظهرت الدراسات السابقة أن معالجة الحرارة الجافة المباشرة (DH) يمكن أن تعزز بعض الخصائص الوظيفية لدقيق البقوليات، لا تزال الأبحاث المتعلقة بدقيق الفاصوليا محدودة. يهدف المؤلفون إلى دراسة علاقات الهيكل-الوظيفة للنشا والبروتين في دقيق الفاصوليا المعرضة لمعالجة DH والبثق. يفترضون أن هذه العلاجات الحرارية ستغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لدقيق الفاصوليا، مما يحسن وظيفته كمكون في منتجات المخابز الخالية من الغلوتين.
الطرق
تحدد قسم المنهجية المواد المستخدمة في البحث. تم الحصول على الفاصوليا البحرية من Hensall Co-op الواقعة في إكستر، كندا. لتحليل النشا المقاوم، استخدم الباحثون مجموعة K-RSTAR، ملتزمين بطريقة AACC الدولية 32-40.01، التي تم الحصول عليها من Megazyme Cedarlane في برلنغتون، كندا. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمذيبات الأخرى اللازمة للتجارب من Fisher Scientific Inc. في أوتاوا، كندا. يضمن هذا الاختيار الدقيق للمواد موثوقية وإعادة إنتاج النتائج التجريبية.
النتائج
في هذا القسم، تركز الدراسة على نتائج دقيق الفاصوليا غير المعالج وعينات الدقيق المعالجة المختلفة، تحديداً تلك التي تعرضت لعلاجات حرارية مختلفة وظروف البثق. تشمل الدقيق المعالج الذي تم مناقشته تلك المشتقة من علاجات الحرارة الجافة (DH) عند 120°C و190°C، بالإضافة إلى دقيق البثق المنتج بمحتويات رطوبة تبلغ 22% و30%، وسرعات برغي تبلغ 250 أو 500 دورة في الدقيقة.
من الجدير بالذكر أن النتائج تشير إلى أن عينات الدقيق DH المعالجة عند درجات حرارة تتراوح من 130°C إلى 180°C لم تظهر تغييرات كبيرة في خصائص الدقيق مقارنة بالعلاج عند 120°C. وهذا يشير إلى أن العلاج عند درجة الحرارة المنخفضة قد يكون الأمثل للحفاظ على خصائص الدقيق المرغوبة، بينما لا توفر درجات الحرارة الأعلى فوائد إضافية في هذا السياق.
المناقشة
في هذه الدراسة، خضعت دقيق الفاصوليا البحرية لطرق معالجة متنوعة، بما في ذلك الحرارة الجافة (DH) والبثق، لتقييم تأثيراتها على خصائص النشا والبروتين، فضلاً عن الخصائص التقنية والوظيفية للدقيق. تم طحن دقيق الفاصوليا وتعرض لعلاجات حرارية عند درجات حرارة تتراوح من 120 إلى 190 °C، تلاها البثق عند محتويات رطوبة مختلفة وسرعات برغي. أشارت النتائج إلى أن المحتوى الإجمالي للنشا في الدقيق المعالج حرارياً تراوح بين 35.6% إلى 47.7% (أساس جاف)، مع ملاحظات كبيرة على انخفاض محتوى النشا المقاوم، خاصة في العينات البثق. كشفت التحليلات المجهرية أنه بينما حافظت معالجة DH على سلامة حبيبات النشا، أدى البثق إلى تفككها الكامل، مما يؤكد التعديلات الهيكلية الكبيرة.
ظل محتوى البروتين مستقراً نسبياً عبر العلاجات، مع تغييرات طفيفة اعتبرت غير مهمة للتطبيقات العملية. ومع ذلك، أشارت طيفية FT-IR إلى تغييرات في الهيكل الثانوي للبروتينات، لا سيما انخفاض في β-sheets داخل الجزيئات وزيادة في β-sheets بين الجزيئات، مما يشير إلى ت denaturation وتجمع البروتين بسبب المعالجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليل توزيع حجم الجسيمات أن دقيق البثق أظهر ملفاً مختلفاً بشكل ملحوظ مقارنة بالدقيق غير المعالج ودقيق DH، مما يعكس التغييرات الهيكلية الواسعة التي أحدثها البثق. كشفت تحليل اللون أن كلا طريقتي المعالجة غيرت بشكل كبير خصائص لون الدقيق، مما زاد بشكل أساسي من السطوع والصفرة بينما قلل من الاحمرار. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج تأثير المعالجة الحرارية على الخصائص الوظيفية لدقيق الفاصوليا البحرية، مما يبرز إمكانيته كبديل خالٍ من الغلوتين في التطبيقات الغذائية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110416
Publication Date: 2024-07-24
Author(s): Navneet et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
The study investigated the effects of two distinct thermal treatments—dry heat (DH) and extrusion—on the structure and techno-functionality of bean flour, focusing on its starch and protein components. While the total content of starch (35-47% dry basis) and protein (24-25% dry basis) remained unchanged, significant alterations were observed in the microstructure and molecular architecture of these components. DH processing primarily influenced protein conformation with minimal impact on starch structure, whereas extrusion resulted in extensive modifications to both starch and protein. Notably, both treatments reduced the intramolecular β-sheet secondary structure of bean protein.
The research further characterized the techno-functional properties of both unprocessed and thermally processed bean flours, revealing that heat treatments led to variations in color, particle size distribution, pasting profiles, rheological properties, and water absorption and solubility indices. The findings indicate that the structural changes in the protein/starch matrix due to thermal processing significantly affect the functionality of the bean flour. Importantly, the distinct modifications induced by DH and extrusion treatments suggest diverse opportunities for functionalizing bean flour, positioning it as a promising alternative to wheat flour in food product development.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the growing consumer demand for high-protein and gluten-free products, highlighting the potential of dry beans as a functional substitute for wheat flour. Despite their nutritional benefits—comprising 20-30% protein and various essential phytochemicals—bean consumption in Canada remains low due to factors such as inconvenient cooking methods and limited product variety. The authors propose that processing whole beans into flour could enhance their consumption by improving their techno-functional properties, which differ significantly from those of wheat flour.
The paper discusses various thermal processing methods, including high and low moisture treatments, which can modify the physicochemical properties of bean flour, such as water holding capacity and emulsifying activity. While previous studies have shown that direct dry heat (DH) treatment can enhance certain functional properties of pulse flours, research specifically on bean flour remains limited. The authors aim to investigate the structure-function relationships of starch and protein in bean flour subjected to DH and extrusion processing. They hypothesize that these thermal treatments will alter the physicochemical properties of bean flour, thereby improving its functionality as an ingredient in gluten-free bakery products.
Methods
The methodology section outlines the materials utilized in the research. Navy beans were sourced from Hensall Co-op located in Exeter, Canada. For the analysis of resistant starch, the researchers employed the K-RSTAR kit, adhering to the AACC International method 32-40.01, which was procured from Megazyme Cedarlane in Burlington, Canada. Additionally, all other chemicals and solvents necessary for the experiments were obtained from Fisher Scientific Inc. in Ottawa, Canada. This careful selection of materials ensures the reliability and reproducibility of the experimental results.
Results
In this section, the study focuses on the results of unprocessed bean flour and various processed flour samples, specifically those subjected to different temperature treatments and extrusion conditions. The processed flours discussed include those derived from dry heat (DH) treatments at 120°C and 190°C, as well as extruded flour produced at moisture contents of 22% and 30%, and screw speeds of 250 or 500 rpm.
Notably, the findings indicate that the DH flour samples processed at temperatures ranging from 130°C to 180°C did not exhibit significant alterations in flour properties compared to the treatment at 120°C. This suggests that the lower temperature treatment may be optimal for maintaining desirable flour characteristics, while higher temperatures do not confer additional benefits in this context.
Discussion
In this study, Navy bean flours underwent various processing methods, including dry heat (DH) and extrusion, to evaluate their effects on starch and protein properties, as well as the techno-functional characteristics of the flour. The bean flour was milled and subjected to thermal treatments at temperatures ranging from 120 to 190 °C, followed by extrusion at different moisture contents and screw speeds. The results indicated that the total starch content in thermally processed flour ranged from 35.6% to 47.7% (dry basis), with significant reductions in resistant starch content observed particularly in extruded samples. Microscopic analyses revealed that while DH processing maintained the integrity of starch granules, extrusion led to their complete disintegration, confirming substantial structural modifications.
The protein content remained relatively stable across treatments, with minimal changes deemed insignificant for practical applications. However, FT-IR spectroscopy indicated alterations in the secondary structure of proteins, notably a decrease in intramolecular β-sheets and an increase in intermolecular β-sheets, suggesting protein denaturation and aggregation due to thermal processing. Additionally, particle size distribution analysis showed that extruded flour exhibited a markedly different profile compared to unprocessed and DH flours, reflecting the extensive structural changes induced by extrusion. Color analysis revealed that both processing methods significantly altered the flour’s color characteristics, primarily increasing lightness and yellowness while decreasing redness. Overall, these findings underscore the impact of thermal processing on the functional properties of Navy bean flour, highlighting its potential as a gluten-free alternative in food applications.