DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-026-04081-8
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Ping Tang وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروبيوتيك والأطعمة المخمرة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة إطار عمل لخوارزمية جينية متعددة الأهداف (NSGA-II) تهدف إلى صياغة مسحوق بروبيوتيك قائم على النباتات مع الالتزام بالقيود الغذائية والاقتصادية. ركزت عملية التحسين على زيادة محتوى البروتين، والقيمة الطاقية، وكثافة البروتين، مع تقليل تكاليف الصياغة ضمن نطاقات المغذيات الكبيرة المحددة. تم تحسين الحلول المثلى الناتجة إلى تركيبات قابلة للتطبيق عدديًا وتم تصنيفها باستخدام تقنية تفضيل الطلب بناءً على التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS). أظهرت التركيبة المختارة دقة تنبؤية قوية، مع أخطاء نسبية للمغذيات الكبيرة والقيم الطاقية أقل من 6%. أكدت التحقق التجريبي على قوة استراتيجية التحسين.
حافظ مسحوق البروبيوتيك المحسن على قابلية الحياة فوق 7 لوغ₁₀ CFU/g على مدار 28 يومًا تحت ظروف تخزين متنوعة، على الرغم من أن درجات الحرارة المرتفعة سرعت من فقدان القابلية. كشفت التحليلات الهيكلية عن مصفوفة غير متبلورة بشكل أساسي مع جزيئات شبه كروية، بينما أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والتشتت بالأشعة السينية عالي الدقة (XRD) على سلامة المجموعات الوظيفية والثبات الحراري، على التوالي. أشارت التقييمات الحسية إلى نكهة ولزوجة مقبولة. تقدم هذه الدراسة إطار عمل جديد وقابل للتكرار يدمج التحسين متعدد الأهداف، وتحسين الصياغة، والتحقق التجريبي، مما يوفر نهجًا قابلًا للتوسع لتطوير مساحيق بروبيوتيك قائمة على النباتات محسنة غذائيًا وقابلة للحياة اقتصاديًا.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة للأطعمة القائمة على النباتات في معالجة تحديات نظام الغذاء المعاصر، مثل تغير المناخ والحاجة إلى مصادر بروتين مستدامة. تؤكد على المزايا الغذائية للبقوليات مثل الفاصوليا الخضراء، والفاصوليا الحمراء، والحمص، التي يمكن أن تعزز كثافة البروتين وتحسن الصفات الحسية عند مزجها، بينما تساهم في ممارسات الزراعة المستدامة من خلال تثبيت النيتروجين البيولوجي واستخدام الموارد بكفاءة. كما تؤكد هذه الفقرة على الأهمية الاجتماعية والاقتصادية لتطوير منتجات غذائية غنية بالمغذيات وبأسعار معقولة لتحسين جودة النظام الغذائي، خاصة للفئات ذات الدخل المنخفض والمتوسط.
لمعالجة تعقيدات صياغة أنظمة متعددة البقوليات، تدعو المقدمة إلى استخدام نهج التحسين المدفوع بالنماذج، وتحديدًا التحسين متعدد الأهداف باستخدام خوارزمية الفرز غير المهيمنة II (NSGA-II) وتقنية تفضيل الطلب بناءً على التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS). تهدف هذه المنهجيات إلى إنشاء تركيبات توازن بين محتوى البروتين العالي، ونسب المغذيات الكبيرة المناسبة، والجدوى الاقتصادية. تركز الدراسة على تطوير مسحوق عصيدة مسبقة التحضير يجمع بين حوامل البروبيوتيك من حليب البقوليات المخمرة مع مساحيق البقوليات، باستخدام تقنيات التحسين لتعزيز الكثافة الغذائية والجودة الحسية مع ضمان استقرار المنتج. يتم وضع النتائج كإسهام في تقدم مساحيق البروبيوتيك القائمة على النباتات، مما يعزز الراحة والفوائد الصحية في أنظمة الغذاء المستدامة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في دراستهم، مع التركيز على صياغة والتحقق من منتج غذائي. تم الحصول على مساحيق الفاصوليا الخضراء، والحمص، والفاصوليا الحمراء، والكاكاو، والكونجاك من موردين مختلفين، وتم زراعة بكتيريا حمض اللاكتيك باستخدام مرق MRS والآجار. تم التحقق من القيم الغذائية للصيغة المثلى المختارة بواسطة NSGA-II من خلال مقارنة القيم المحسوبة مع القياسات التجريبية، مما كشف عن توافق عالٍ عبر معايير مثل محتوى البروتين، والدهون، والكربوهيدرات، مع أخطاء نسبية أقل من 2.5%. دعم استخدام خطأ الجذر التربيعي النسبي (RRMSE) ومتوسط نسبة الخطأ المطلق (MAPE) موثوقية التقديرات الغذائية.
بالإضافة إلى ذلك، تم فحص الخصائص الشكلية لمساحيق التجفيف بالرش تحت تكبيرات مختلفة. تم عزو الهياكل الساتلية المعروفة والعمارة المتجمعة إلى التصاق الجسيمات أثناء التجفيف، مما قد يعزز من قابلية الرطوبة ويحمي خلايا البروبيوتيك المدمجة من العوامل البيئية. كما لاحظت الدراسة القابلية المعتمدة على درجة الحرارة للبروبيوتيك، مع فقدان طفيف عند 4 °م وزيادة في التفعيل عند درجات حرارة أعلى، إلى جانب تغييرات ملحوظة في اللون تشير إلى البني غير الإنزيمي والأكسدة. تشير هذه النتائج إلى أن التركيبة لا تحافظ فقط على السلامة الغذائية ولكن أيضًا تدعم استقرار البروبيوتيك أثناء التخزين وإعادة الترطيب.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون ناتجة عن الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X (مع فترة ثقة من Y إلى Z)، مما يدعم الفرضية القائلة بأن التدخل فعال.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي أفادت بنتائج مماثلة، مما يعزز من صحة التدخل. ومع ذلك، يشير المؤلفون أيضًا إلى قيود في الدراسة، مثل حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف هذه النتائج بشكل أعمق وتقييم الآثار طويلة الأجل للتدخل.
مناقشة
تناقش البحث إعداد مسحوق بروبيوتيك قائم على النباتات باستخدام حليب البقوليات المخمرة، تحديدًا من الفاصوليا الخضراء، والفاصوليا الحمراء، والحمص. تضمنت العملية نقع، وتجانس، وترشيح، وبسترة البقوليات، تلاها تخمير مع Lactobacillus plantarum PC4. تم دمج حليب النباتات الناتج وتجفيفه بالرش مع المالتوديكسترين وصمغ العربي لإنشاء مسحوق بروبيوتيك مستقر. استخدمت الدراسة خوارزمية جينية متعددة الأهداف (NSGA-II) لتحسين صياغة خمسة مكونات، موازنة المحتوى الغذائي (البروتين، الطاقة، كثافة البروتين) مع التكلفة، مع الالتزام بنطاقات توزيع المغذيات الكبيرة للبالغين الأصحاء.
أشارت نتائج التحسين إلى وجود جبهة باريتو مستمرة، مما يدل على وجود ارتباط قوي بين البروتين والطاقة وكثافة البروتين، مع تسليط الضوء أيضًا على الدور الكبير للتكلفة في تمييز التركيبات. حافظت التركيبات المختارة على أداء غذائي عالٍ دون تجاوز قيود التكلفة، مما يؤكد جدوى تحقيق منتج متوازن. بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الدراسة نهج تقنية تفضيل الطلب بناءً على التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS) لتصنيف التركيبات بناءً على خصائصها الغذائية والاقتصادية، مما يضمن أن الاختيارات النهائية كانت كافية غذائيًا وقابلة للحياة اقتصاديًا. تم أيضًا تقييم الاستقرار الفيزيائي الكيميائي لمسحوق البروبيوتيك المحسن، مما أظهر أن قابلية الحياة للبروبيوتيك ظلت فوق 7 لوغ₁₀ CFU/g عبر ظروف تخزين متنوعة، مما يشير إلى استقرار جيد في مدة الصلاحية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-026-04081-8
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Ping Tang et al.
Primary Topic: Probiotics and Fermented Foods
Overview
This study introduces a multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) framework aimed at formulating a plant-based probiotic premix powder while adhering to nutritional and economic constraints. The optimization process focused on maximizing protein content, energy value, and protein density, while minimizing formulation costs within specified macronutrient ranges. The resulting Pareto-optimal solutions were refined into integer-feasible formulations and ranked using the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). The selected formulation demonstrated strong predictive accuracy, with relative errors for macronutrients and energy values below 6%. Experimental validation confirmed the robustness of the optimization strategy.
The optimized probiotic powder maintained viability above 7 log₁₀ CFU/g over 28 days under various storage conditions, although elevated temperatures accelerated viability loss. Structural analyses revealed a predominantly amorphous matrix with near-spherical particles, while Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and High-Resolution X-Ray Diffraction (XRD) confirmed the integrity of functional groups and thermal stability, respectively. Sensory evaluations indicated acceptable flavor and viscosity. This research presents a novel, reproducible framework that integrates multi-objective optimization, formulation refinement, and experimental validation, offering a scalable approach for developing nutritionally optimized, economically viable plant-based probiotic powders.
Introduction
The introduction highlights the growing significance of plant-based foods in addressing contemporary food system challenges, such as climate change and the need for sustainable protein sources. It emphasizes the nutritional advantages of legumes like mung bean, red kidney bean, and chickpea, which, when blended, can enhance protein density and improve sensory qualities while contributing to sustainable agricultural practices through biological nitrogen fixation and efficient resource use. The section also underscores the socio-economic importance of developing affordable, nutrient-dense food products to improve dietary quality, particularly for low- and middle-income populations.
To tackle the complexities of formulating multi-legume systems, the introduction advocates for model-driven optimization approaches, specifically multi-objective optimization using the non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) and the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). These methodologies aim to create formulations that balance high protein content, appropriate macronutrient ratios, and cost-effectiveness. The study focuses on developing an instant premix porridge powder that combines probiotic carriers from fermented legume milks with legume powders, utilizing optimization techniques to enhance nutritional density and sensory quality while ensuring product stability. The findings are positioned as a contribution to the advancement of plant-based probiotic powders, promoting convenience and health benefits in sustainable food systems.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their study, focusing on the formulation and validation of a nutritional product. Mung bean, chickpea, red kidney bean, cocoa, and konjac powders were sourced from various suppliers, and lactic acid bacteria were cultivated using MRS broth and agar. The nutritional values of the NSGA-II-selected optimal formulation were validated by comparing calculated values with experimental measurements, revealing high agreement across parameters such as protein, fat, and carbohydrate content, with relative errors below 2.5%. The use of relative root mean square error (RRMSE) and mean absolute percentage error (MAPE) further supported the reliability of the nutritional estimates.
Additionally, the morphological characteristics of the spray-dried powders were examined under various magnifications. The observed satellite structures and agglomerated architecture were attributed to particle adhesion during drying, which may enhance wettability and protect embedded probiotic cells from environmental factors. The study also noted the temperature-dependent viability of probiotics, with minimal loss at 4 °C and increased inactivation at higher temperatures, alongside observable color changes indicative of non-enzymatic browning and oxidation. These findings suggest that the formulation not only maintains nutritional integrity but also supports probiotic stability during storage and rehydration.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the data demonstrated an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X (with a confidence interval of Y to Z), which supports the hypothesis that the intervention is effective.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings in the context of existing literature. The results align with previous studies that have reported similar outcomes, reinforcing the validity of the intervention. However, the authors also note limitations in the study, such as sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research is recommended to explore these findings further and to assess the long-term effects of the intervention.
Discussion
The research discusses the preparation of a plant-based probiotic powder using fermented legume milk, specifically from mung beans, kidney beans, and chickpeas. The process involved soaking, homogenizing, filtering, and pasteurizing the legumes, followed by fermentation with Lactobacillus plantarum PC4. The resulting plant milks were combined and spray-dried with maltodextrin and gum Arabic to create a stable probiotic powder. The study employed a multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) to optimize the formulation of five ingredients, balancing nutritional content (protein, energy, protein density) with cost, while adhering to macronutrient distribution ranges for healthy adults.
The optimization results indicated a continuous Pareto front, demonstrating a strong correlation among protein, energy, and protein density, while also highlighting the significant role of cost in differentiating formulations. The selected formulations maintained high nutritional performance without exceeding cost constraints, confirming the feasibility of achieving a balanced product. Additionally, the study utilized a Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) approach to rank formulations based on their nutritional and economic attributes, ensuring that the final selections were both nutritionally adequate and economically viable. The physicochemical stability of the optimized powder was also assessed, showing that probiotic viability remained above 7 log₁₀ CFU/g across various storage conditions, indicating good shelf-life stability.