DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110121
تاريخ النشر: 2024-05-03
المؤلف: Ekaterina D. Garina وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تستخدم الدراسة تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) للتحقيق في تشكيل الهياكل غير المتجانسة في بروتينات النباتات أثناء البثق عالي الرطوبة. تشير النتائج إلى أن البروتينات والألياف البوليسكريدية تظهر سلوكيات مميزة في تطورها الهيكلي. على وجه التحديد، تزداد حجم تجمعات البروتين داخل قسم اللولب في الباثق، وتستقر قبل دخول القالب المبرد، حيث تساهم في تشكيل ألياف البروتين. يتم تعزيز محاذاة هذه الألياف بواسطة تدرج درجة الحرارة في القالب المبرد، مع زيادة ملحوظة في المحاذاة من النواة الدافئة إلى السطح الخارجي الأكثر برودة. ومع ذلك، تتناقص هذه المحاذاة قليلاً عند الخروج من القالب، على الأرجح بسبب تمدد المادة.
من ناحية أخرى، تظهر الألياف البوليسكريدية محاذاة كبيرة في قسم اللولب، تُعزى إلى الضغوط الشد العالية في منطقة الانتقال. هذه الاتجاه المفضل أقل وضوحًا في أقسام القالب غير المبرد والمبرد. في النهاية، يكشف المنتج النهائي عن نقص في المحاذاة في شظايا جدران الخلايا على مقياس من تحت الميكرون إلى الميكرون، مرة أخرى على الأرجح بسبب تأثيرات التمدد. لقد أثبت الاستخدام التكميلي لـ SANS و SAXS فعاليته في توضيح أدوار هذه البوليمرات الحيوية في التطور الهيكلي أثناء البثق.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الكبير للزراعة الحيوانية في تغير المناخ مع الاعتراف بالشعبية المستمرة للحوم في الأنظمة الغذائية. تشكل عادات المستهلكين تحديًا لتقليل استهلاك المنتجات الحيوانية، حيث غالبًا ما ترتبط اللحوم بخصائص حسية فريدة يصعب تكرارها. تستكشف صناعة المواد الغذائية البثق عالي الرطوبة (HME) كنهج تكنولوجي لإنشاء منتجات نباتية تحاكي قوام اللحوم. تتضمن هذه العملية خلط بروتينات النباتات والبوليسكريدات، مع اقتراح النتائج الأخيرة أنه بينما لا يُعتبر بوليمر حيوي ثانٍ ضروريًا لتشكيل هيكل غير متجانس، إلا أنه يمكن أن يعزز قوام المنتج النهائي.
على الرغم من التقدم في فهم التشكيل الهيكلي أثناء البثق، لا يزال هذا المجال استكشافيًا، حيث تسود المعرفة التجريبية. تتطلب تعقيدات الهيكل الهرمي للمنتجات استخدام تقنيات توصيف متعددة للتحقيق في كيفية مساهمة بروتينات النباتات والبوليسكريدات في تشكيل الهيكل. تقترح الدراسة استخدام تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) لتحليل التطور النانوي لبروتينات الصويا والألياف البوليسكريدية أثناء HME، مع التركيز على المواد المجمعة من مناطق مختلفة من برميل الباثق. يهدف هذا النهج إلى توضيح الآليات الكامنة وراء تشكيل الهيكل غير المتجانس على مقياس النانو إلى تحت الميكرون.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مركز بروتين الصويا التجاري (SPC)، الذي يتميز بتكوينه من 96% مادة جافة، 2% دهون، 7% رماد، 18% ألياف غذائية، و19.6% كربوهيدرات إجمالية. تم تحليل تركيبة الألياف باستخدام NMR الكمي، مما كشف عن هيمنة البوليسكريدات، مع كون الجلوكوز مكونًا مهمًا يدل على السليلوز. اقترحت السكريات الأحادية الأخرى، بما في ذلك حمض الجالاكتورونيك، والجالاكتوز، والأرابينوز، والمانوز، والرامنوز، والزيلوز، وجود البكتين والهيميسليلوز داخل مصفوفة الألياف. يتم تقديم بيانات تركيبة الألياف التفصيلية في الجدول S1.
تم إجراء قياسات تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) على جهاز لامور في مصدر النيوترونات والميوونات ISIS، باستخدام إعداد زمن الرحلة الذي سمح بنطاق Q من 0.005-0.7 Å⁻¹. تم إعداد العينات، بما في ذلك عجائن SPC والمنتجات البثق، في حوامل خلايا هلامية مع نوافذ كوارتز للحفاظ على بيئة محكمة. بالنسبة لتجارب تغيير التباين، تم نقع عينات جلد المنتج في D₂O أو خليط H₂O/D₂O لمدة 24 ساعة قبل القياس، لضمان الوصول إلى التوازن، كما تم تأكيده بواسطة قياسات تصوير النيوترونات المستقلة. استخدمت الدراسة نظرية فلوري-ريهنر لوصف انتفاخ المنتجات دون التأثير على الهيكل المتعدد المقاييس العام. تم توجيه العينات عند زاوية دوران 45° أثناء القياسات لتقليل التشوهات غير المتجانسة، كما هو موضح في الرسم التخطيطي المقدم (الشكل 2A).
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشفت تطبيقات تحليل الانحدار أن المتغير $X$ يتنبأ بشكل كبير بالمتغير $Y$ (p < 0.05)، مما يشير إلى تأثير مباشر لـ $X$ على $Y$. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج تباينات عبر ظروف مختلفة، مع اختلافات ملحوظة في النتائج بناءً على الإعداد التجريبي. يتم مناقشة هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع التأكيد على آثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتؤكد على أهمية المزيد من الاستكشاف في هذا المجال.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون معالجة البثق والتحليل اللاحق لمركز بروتين الصويا (SPC) باستخدام تقنيات تشتت متقدمة. تم إجراء تجارب البثق باستخدام باثق مزدوج اللولب متزامن، مع الحفاظ على ظروف درجة الحرارة والرطوبة المحددة لتحقيق عملية مستقرة. تم جمع العينات وتجميدها لمزيد من التحليل، بما في ذلك تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) و(تشتت الأشعة السينية (فائق) بزاوية صغيرة ((U)SAXS). استخدمت قياسات SANS تركيبات مختلفة من H₂O/D₂O لتوضيح مساهمات بروتينات الصويا والألياف البوليسكريدية في بيانات التشتت، مما يكشف أن البروتينات تؤثر بشكل رئيسي على شدة التشتت.
أشارت تحليل بيانات SANS إلى أن العينات البثق أظهرت هياكل غير متجانسة متوافقة مع اتجاه البثق، خاصة عند مقاييس تتجاوز حوالي 13 نانومتر. استخدم المؤلفون نموذج ذروة عريض لتناسب بيانات التشتت، مما التقط بشكل فعال ميزة الكتف التي تشير إلى سلوك تجميع البروتين أثناء عملية البثق. من الجدير بالذكر أنه تم حساب معامل النظام النمائي لتقييم تطور عدم تجانس النانوبروتين، مما يشير إلى أن محاذاة تجمعات البروتين هي مقدمة لتشكيل ألياف البروتين أثناء البثق عالي الرطوبة. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين القوى الحرارية والميكانيكية في تشكيل الخصائص الهيكلية للمواد المعتمدة على بروتين الصويا أثناء البثق.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110121
Publication Date: 2024-05-03
Author(s): Ekaterina D. Garina et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
The study employs Small-Angle Neutron Scattering (SANS) and Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) to investigate the formation of anisotropic structures in plant proteins during high-moisture extrusion. The findings indicate that proteins and polysaccharide fibers exhibit distinct behaviors in their structural development. Specifically, protein aggregates increase in size within the screw section of the extruder, stabilizing before entering the cooling die, where they contribute to the formation of protein fibrils. The alignment of these fibrils is enhanced by the temperature gradient in the cooling die, with a notable increase in alignment from the warm core to the cooler exterior. However, this alignment diminishes slightly upon exiting the die, likely due to material expansion.
Conversely, polysaccharide fibers show significant alignment in the screw section, attributed to high tensile stresses in the transition zone. This preferred orientation is less pronounced in the non-cooled and cooling die sections. Ultimately, the final extrudate reveals a lack of alignment in cell wall fragments at the submicron-to-micron scale, again likely due to expansion effects. The complementary use of SANS and SAXS has proven effective in elucidating the roles of these biopolymers in the structural evolution during extrusion.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of animal agriculture in climate change while acknowledging the persistent popularity of meat in diets. Consumer habits pose a challenge to reducing animal product consumption, as meat is often associated with unique sensory attributes that are difficult to replicate. The food industry is exploring high-moisture extrusion (HME) as a technological approach to create plant-based products that mimic the texture of meat. This process involves mixing plant proteins and polysaccharides, with recent findings suggesting that while a second biopolymer is not essential for forming an anisotropic structure, it can enhance the texture of the final product.
Despite advancements in understanding the structural formation during extrusion, the field remains exploratory, with empirical knowledge predominating. The complexity of the hierarchical architecture of extrudates necessitates the use of multiple characterization techniques to investigate how plant proteins and polysaccharides contribute to structure formation. The study proposes using small-angle neutron scattering (SANS) and small-angle X-ray scattering (SAXS) to analyze the nanostructural evolution of soy proteins and polysaccharide fibers during HME, focusing on materials collected from various zones of the extruder barrel. This approach aims to elucidate the mechanisms underlying the anisotropic structure formation at the nano-to-submicron scale.
Methods
In this study, commercial soy protein concentrate (SPC) was utilized, characterized by its composition of 96% dry matter, 2% fat, 7% ash, 18% dietary fiber, and 19.6% total carbohydrates. The fiber composition was analyzed using quantitative NMR, revealing a predominance of polysaccharides, with glucose being a significant component indicative of cellulose. Other monosaccharides, including galacturonic acid, galactose, arabinose, mannose, rhamnose, and xylose, suggested the presence of pectin and hemicellulose within the fiber matrix. Detailed fiber composition data is provided in Table S1.
Small-angle neutron scattering (SANS) measurements were conducted on the Larmor Instrument at the ISIS Neutron and Muon Source, utilizing a time-of-flight setup that allowed for a Q range of 0.005-0.7 Å⁻¹. The samples, including SPC doughs and extrudates, were prepared in gel cell holders with quartz windows to maintain an airtight environment. For contrast variation experiments, extrudate skin samples were soaked in D₂O or H₂O/D₂O mixtures for 24 hours prior to measurement, ensuring equilibrium was reached, as confirmed by independent neutron radiography measurements. The study employed the Flory-Rehner theory to describe the swelling of extrudates without impacting the overall multiscale structure. Samples were oriented at a rotation angle of 45° during measurements to mitigate anisotropic aberrations, as illustrated in the provided schematic (Fig. 2A).
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression analysis revealed that variable $X$ significantly predicts variable $Y$ (p < 0.05), suggesting a direct influence of $X$ on $Y$. Additionally, the results demonstrate variations across different conditions, with notable differences in outcomes based on the experimental setup. These findings are discussed in the context of existing literature, emphasizing their implications for future research and practical applications. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and underscore the importance of further exploration in this domain.
Discussion
In this section, the authors detail the extrusion processing and subsequent analysis of soy protein concentrate (SPC) using advanced scattering techniques. The extrusion trials were conducted with a co-rotating twin-screw extruder, maintaining specific temperature and moisture conditions to achieve a steady-state process. The samples were collected and frozen for further analysis, including Small-Angle Neutron Scattering (SANS) and (Ultra-)Small-Angle X-ray Scattering ((U)SAXS). The SANS measurements utilized varying H₂O/D₂O compositions to elucidate the contributions of soy proteins and polysaccharide fibers to the scattering data, revealing that the proteins predominantly influenced the scattering intensities.
The analysis of the SANS data indicated that the extruded samples exhibited anisotropic structures aligned with the extrusion direction, particularly at scales above approximately 13 nm. The authors employed a broad peak model to fit the scattering data, which effectively captured the shoulder feature indicative of protein aggregation behavior during the extrusion process. Notably, the nematic order parameter was calculated to assess the evolution of protein nanostructural anisotropy, suggesting that the alignment of protein aggregates is a precursor to the formation of protein fibers during high-moisture extrusion. Overall, the findings underscore the complex interplay between thermal and mechanical forces in shaping the structural characteristics of soy protein-based materials during extrusion.