مقدمة
مع تزايد عدد سكان العالم والطلب المتزايد باستمرار على البروتينات، جذبت بعض مصادر البروتين البديلة اهتمامًا متزايدًا في الآونة الأخيرة، مثل البروتينات النباتية، وبروتينات اللحوم المستزرعة أو المزروعة، والبروتينات المشتقة من التخمير، وبروتينات الحشرات الصالحة للأكل والطحالب [1]. وتُعد خاصية التبلور من بين أهم وظائف البروتينات البديلة، حيث تساهم في تحسين قوام المنتجات الغذائية ومذاقها. يحدث التبلور أثناء معالجة وتصنيع المنتجات الغذائية. ويُعد التسخين أحد أكثر الطرق استخدامًا لتكوين المواد الهلامية بالبروتينات البديلة. بعد تمسخ جزيئات البروتين وتفكيكها عن طريق التسخين وتغليفها بالماء، تتجمع هذه الجزيئات لتكوين بنية شبكية ثلاثية الأبعاد، أي بنية الهلام.
من الناحية العملية، يعد مقياس الانسيابية الدورانية مناسبًا لدراسة خصائص التبلور المستحثة بالحرارة للبروتينات البديلة، مثل درجة حرارة التبلور وثبات الهلام وقوة الهلام.
المواد وشروط القياس
تم تشتيت مساحيق البروتين في ماء منزوع المعادن بتركيزات بروتينية محددة (مركز بروتين البازلاء: 10 بالوزن و7 بالوزن، وبروتينات الحشرات: 10 بالوزن). تم تحريك معلقات البروتين باستخدام أداة تقليب مغناطيسية في درجة حرارة الغرفة لمدة ساعتين. وبجانب عينة البيض الكاملة، تم تحضير عينة من بياض البيض عن طريق إزالة صفار البيض والخفق بقوة في درجة حرارة الغرفة لبضع دقائق للحصول على محلول متجانس.
استُخدم مقياس ريومتر NETZSCH Kinexus Prime pro+ مزود بنظام صفيحة-لوح (القطر: 40 مم، والفجوة: 0.5 مم) لإجراء القياسات على عينات بروتين البازلاء المركزة، وعينات البيض الكامل وبياض البيض. تم إجراء عملية مسح لدرجة الحرارة عن طريق زيادة درجة الحرارة من 25 درجة مئوية إلى 95 درجة مئوية بمعدل 5 درجات مئوية/الدقيقة. بعد الوصول إلى أعلى درجة حرارة، تم الاحتفاظ بالمواد الهلامية الناتجة عن الحرارة لمدة 10 دقائق لدراسة ثبات الهلام. تم تسجيل معامل التخزين (G') ومعامل الفقد (G') أثناء التجربة. تمت مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها للبروتينات النباتية وبروتينات البيض مع تلك الخاصة ببروتينات الحشرات [2].
الأوسط: البيض الطازج (المستخدم كبروتينات حيوانية للمقارنة): تم تحليل كل من البيض الكامل وبياض البيض، على التوالي.
اليمين: البروتينات الجديدة غير النباتية: بروتينات الحشرات (محتوى البروتين الخام 68.7 جم/100 جم) المستخلصة من حشرات عذارى الذبابة الجندي الأسود (BSF) في دراسة سابقة [2]
نتائج القياس والمناقشة
تمت دراسة خواص التبلور للبروتينات البديلة المختلفة ومصدر البروتين الحيواني النموذجي (البيض) أثناء وبعد التسخين باستخدام قياس الانسيابية الدورانية.
يعرض الشكل 2 معامل التخزين، G' ومعامل الفقد، G''، للمادة الهلامية المتكونة من بروتين البازلاء المركز أثناء المعالجة الحرارية. تحدث زيادة في G' وG'' عند زيادة درجة الحرارة حتى 55 درجة مئوية تقريبًا. وينتج ذلك عن تمسخ البروتين. بعد المعالجة الحرارية بزيادة درجة الحرارة، يكون G' أعلى من G'' عند تركيز البروتين بنسبة 10٪ بالوزن، مما يدل على سلوك هلامي شبيه بالصلب.
بالإضافة إلى ذلك، تشير تجربة على بروتين البازلاء المركّز بتركيز بروتين أقل من 7% بالوزن إلى أن G' أعلى من G' مع زيادة درجة حرارة التسخين، مما يشير إلى سلوك هلامي ضعيف يشبه السائل.
ومع ذلك، لم يُلاحظ التقاطع G' = G'' في هذه الدراسة على بروتين البازلاء المركز.
في دراسة سابقة عن الهلام المستحث بالحرارة مع بروتينات حشرة شرانق البازلاء [2]، وجد أنه مع زيادة درجة الحرارة فوق 50 درجة مئوية، زاد كل من G'' و G''، بسبب تمسخ البروتين. بدأت العينة التي خضعت للدراسة في تكوين الهلام، وهو ما أشار إليه التقاطع G' = G'' عند درجة حرارة 60 درجة مئوية، وهي درجة حرارة نقطة التبلور.
ويختلف تطور المنحنى على درجة الحرارة بالنسبة لبروتينات الحشرات عن ذلك الخاص بتركيز بروتين البازلاء. يمكن أن يُعزى سلوك التبلور المختلف هذا إلى اختلاف تركيبات المواد وخصائص البروتين الفردية مثل الأحماض الأمينية المختلفة المحتملة المحبة للماء والكارهة للماء ونسبها بين مختلف البروتينات البديلة.
تُظهر منحنيات الهلام لكل من عينات البيض الكامل وبياض البيض الانتقال النموذجي للذوبان والجل أثناء مسح درجة الحرارة. اعتبارًا من 60 درجة مئوية تقريبًا، يمكن ملاحظة زيادة كبيرة في G' و G"، وهو ما يمكن تفسيره، على سبيل المثال، بالتغيرات الهيكلية أو تمسخ البروتينات. يوضح الشكل 3 G' و G'' للمادة الهلامية المتكونة من محلول البيض الكامل أثناء المعالجة الحرارية. يُظهر G' زيادة واضحة عند درجة حرارة 62 درجة مئوية تقريبًا وزيادة حادة عند درجة حرارة 75 درجة مئوية تقريبًا، بينما يُظهر G'' زيادة كبيرة عند درجة حرارة 75 درجة مئوية تقريبًا. تحدث نقطة التقاطع عند حوالي 74 درجة مئوية. بالنسبة إلى عينة بياض البيض (الشكل 4)، يُظهر كل من G' و G'' زيادتين ظاهرتين عند حوالي 64 درجة مئوية و75 درجة مئوية على التوالي. وتحدث نقطة التقاطع عند حوالي 62.5 درجة مئوية. يمكن أن تكون ظواهر التمسخ الملاحظة مرتبطة بالتركيب الكيميائي لعينة البيض الكاملة (بياض وصفار البيض) وعينة بياض البيض.
ويوضح الشكل 5 قوة الهلام، G'، وثباته خلال 10 دقائق من زمن الثبات بعد الوصول إلى أعلى درجة حرارة. تُظهر المواد الهلامية المستحثة بالحرارة من بروتينات البيض أعلى قوة وثبات شديد. وقد لوحظت هذه الخاصية الهلامية المستقرة أيضًا عند درجة حرارة أعلى من 85 درجة مئوية في الشكل 3 والشكل 4. بالنسبة لعينة مركز بروتين البازلاء عند نسبة 10 بالوزن، يستغرق الأمر حوالي 4 دقائق للوصول إلى أعلى قوة هلامية ثم تكون الهلامية المتكونة مستقرة، في حين تنخفض قوة الهلامية قليلًا بالنسبة لعينة مركز بروتين البازلاء عند نسبة 7 بالوزن. وقد يرجع ذلك إلى تشوه (تدمير) البنية الهلامية الضعيفة المتكونة أثناء القياس. ومقارنةً بقوة الهلام المتكون من بروتينات الحشرات [2]، تُظهر هذه المواد الهلامية قوة هلامية مختلفة، G' بالترتيب التالي
قد يشير هذا إلى أن البروتينات البديلة المختلفة لها تطبيقات محتملة مختلفة. على سبيل المثال، قد تكون المواد الهلامية المستحثة بالحرارة ذات قيمة G' أقل أو شبكة هلامية ضعيفة مثيرة للاهتمام ومناسبة للتركيبات الغذائية السائلة مثل المشروبات النباتية أو الحليب البديل، في حين أن المواد الهلامية ذات قيمة G' أعلى أو شبكة هلامية قوية ستكون مثيرة للاهتمام لنظائرها من الألبان واللحوم وما إلى ذلك.
تجدر الإشارة إلى أن خصائص التبلور للبروتينات البديلة تتأثر بعوامل مختلفة، مثل نوع البروتين ومحتوى البروتين ودرجة الحرارة وقيمة الأس الهيدروجيني وقوة Ionic ومكونات أخرى.
الخاتمة
تمت دراسة خواص التبلور المستحث بالحرارة لاثنين من مصادر البروتين البديلة (بروتينات نباتية وبروتينات جديدة غير نباتية) من خلال تطبيق قياس الانسيابية الدورانية. تم تسجيل وتفسير منحنيات التبلور لمعامل التخزين G' ومعامل الفقد G'' أثناء مسح درجة الحرارة. كما تم تحليل درجة حرارة التبلور وثبات الهلام وقوة الهلام للبروتينات البديلة ومقارنتها مع البروتينات الحيوانية (البيض). هذه القياسات سريعة وتتطلب كمية small نسبيًا من العينة التمثيلية.