البسترة
البسترة هي عملية حفظ محكومة وغير معقمة مصممة في المقام الأول لتقليل الحمل الميكروبي والنشاط الأنزيمي على الغذاء، وبالتالي تقليل مخاطر الأمراض المنقولة بالأغذية وإطالة العمر الافتراضي للمنتجات الغذائية. ويمكن أن تتم البسترة باستخدام تقنيات البسترة غير الحرارية، مثل المعالجة بالضغط العالي (HPP) والمجال الكهربائي النبضي (PEF). وقد تم تطوير هذه التقنيات في الآونة الأخيرة لتلبية الطلب المتزايد على الأغذية الطازجة الطازجة قليلة المعالجة [1].
ومع ذلك، تتضمن طرق البسترة التقليدية تطبيق حرارة معتدلة على الطعام لفترة زمنية معينة. يجب أن تكون الحرارة المطبقة كافية لتعطيل نشاط الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض وعوامل التلف، مع الاحتفاظ بمعظم الخصائص الحسية والتغذوية والوظيفية للمنتجات. Classic تشمل طرق البسترة الحرارية ما يلي [2]:
- البسترة الحرارية على دفعات (Vat) أو على درجة حرارة منخفضة ووقت طويل (LTLT): التسخين عند درجة حرارة 65 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
- درجة الحرارة العالية والوقت القصير (HTST): التسخين عند 72 درجة مئوية لمدة 15 ثانية.
- البسترة الفائقة: التسخين عند 89 إلى 100 درجة مئوية لمدة ثانية واحدة.
- بسترة عالية جداً: التسخين عند 138 درجة مئوية لمدة ثانيتين.
يمكن أن يكون للمعالجة الحرارية تأثير ضار على المنتج الغذائي، على سبيل المثال: تغير اللون بسبب تبخر الماء أو تفاعل مايلارد1، أو فقدان جزئي للقيمة الغذائية، أو تمسخ البروتين. وهذا الأخير مهم للغاية إذا كان المنتج المبستر له استخدامات كمكون وظيفي في منتج غذائي. يمكن أن يؤثر تمسخ البروتين على قابلية الذوبان، والقدرة على الاستحلاب، وخصائص الهلام. ولذلك، يجب أن يوازن اختيار تقنية البسترة بين السلامة الميكروبية والجودة الحسية والتغذوية والوظيفية المرغوبة للمنتج الغذائي.
Kinetics Neo هي أداة برمجية متخصصة في التحليل الحركي للعمليات الكيميائية المعتمدة على درجة الحرارة. قد تنطوي هذه العمليات على تغيرات في الكتلة والحرارة الحرارية والتحلل والتبلور، من بين ظواهر أخرى. يدعم البرنامج كلاً من التحليلات الحركية الخالية من النماذج والقائمة على النماذج.
في النهج القائم على النموذج، يتيح Kinetics Neo توصيفًا تفصيليًا لخطوات التفاعل الفردية، مما يوفر معلمات حركية حرجة مثل طاقة التنشيط وترتيب التفاعل والمساهمة الكمية لكل خطوة في العملية الكلية. يسهّل هذا التحليل الشامل التنبؤات الدقيقة لسلوك التفاعل في ظل درجات الحرارة غير المقيسة أو التي لا يمكن الوصول إليها تجريبيًا. ويتضمن التنبؤ بدرجة تمسخ البروتين، والتي تسمى هنا بالتحويل، نتيجة لوقت معين من التعرض لدرجات حرارة مختلفة كما هو موضح فيما يلي.
1تفاعلميلارد هو تفاعل تحمير غير إنزيمي تتفاعل فيه المجموعات الأمينية الحرة مع المركبات المختزلة مثل السكريات. وتفاعل مايلارد هو المسؤول عن التحمير وتطوير النكهة في عمليات الطهي المختلفة.
التنبؤ بتمسخ البروتين
تم فحص تأثير البسترة على استخلاص بروتين الخميرة باستخدام جهاز DSC 300 Caliris® وبرنامج NETZSCH Kinetics Neo .
تم تشتيت بروتين الخميرة في الماء المقطر بتركيز نهائي يبلغ 15% (وزن/وزن/فوق V)2. تم تحليل كتلة عينة مكونة من 25 مجم من البروتين المشتت، وهو ما يقابل 3.75 مجم بروتين، في بوتقات ألومنيوم منخفضة الضغط3 تحت جو من غاز النيتروجين بمعدل تسخين 5 كلفن/الدقيقة بين 0 درجة مئوية و140 درجة مئوية. يحدث تمسخ بروتين الخميرة في نطاق 44 درجة مئوية و78 درجة مئوية، كما هو موضح في منحنى التسخين الأول (الأخضر) في الشكل 1. يكون التأثير الماص للحرارة واسع النطاق ويُظهر حدين أقصيين، مما يشير إلى أن العينة تحتوي على خليط من البروتينات، كما هو متوقع لاستخلاص البروتين. يُظهر منحنى التسخين الثاني (باللون الأسود) عدم وجود تأثيرات حرارية، مما يشير إلى أن المسخ لا رجعة فيه.
يسمح اعتماد المسخ على معدل التسخين بتقييم العملية بمساعدة برنامج NETZSCH Kinetics Neo . وتحقيقًا لهذه الغاية، تم الحصول على منحنيات DSC بمعدلات تسخين مختلفة، 5 كلفن/دقيقة، و20 كلفن/دقيقة، و50 كلفن/دقيقة. تمت تجربة العديد من النماذج الحركية والنماذج المختلفة من أجل العثور على أفضل ملاءمة. وكانت أفضل نتيجتين هما تحليل فريدمان والنموذج الحركي ثلاثي الخطوات، مع معاملات ارتباط بلغت 0.9988 و0.9989 على التوالي؛ انظر الشكل 2.
2 الوزنلكل حجم
3بوتقة منخفضة الضغط تتكون من الألومنيوم، وتتحمل ضغطًا زائدًا طفيفًا قد يحدث أثناء القياس.
استُخدمت نتائج DSC التي تم الحصول عليها للتنبؤ بتمسخ البروتين في ظل أربعة مخططات مختلفة لدرجات حرارة البسترة الموضحة في الأدبيات [2]. ووفقًا للتنبؤ، وتحليل فريدمان، غير الموضح، والنموذج الحركي ثلاثي الخطوات، الموضح في الشكل 2 أدناه، فإن ثلاث من طرق البسترة الأربعة التي تم اختبارها لن تكون قابلة للتطبيق على هذا المنتج؛ انظر الشكل 3.
ستؤدي طريقة الدُفعات (الحوض المائي) إلى تحويل 90% بعد 3 دقائق من التسخين، وهو ما يمثل 10% فقط من كامل الفترة الزمنية الموصى بها. ستكون طريقة المعالجة بالحرارة الفائقة (UHT) قاسية جدًا أيضًا؛ فبعد 1 ثانية عند درجة حرارة 138 درجة مئوية، سيكون المحتوى الكلي للبروتين الأصلي 10% فقط. ستظل طريقة البسترة الفائقة المعالجة بالحرارة الفائقة (HTST) تُفسد 27% من محتوى البروتين الكلي.
لن ينتج عن البسترة الفائقة فقط معدلات تحويل مقبولة: تحويل 7% بعد 1 ثانية عند درجة حرارة 95 درجة مئوية.
التحقق من صحة النتائج
من أجل التحقق من صحة النموذج الحركي المحسوب بواسطة Kinetics Neo للتنبؤ بسلوك التمسخ في ظل ظروف متساوية الحرارة، تم تسخين عينة بروتين خميرة مكونة من 25 مجم، 3.75 مجم من البروتين إلى 65 درجة مئوية ثم تُركت متساوية الحرارة لمدة 20 دقيقة. يقارن الشكل 4 بين التأثير الماص للحرارة الذي تم تحديده عن طريق القياس وتلك التي تم تحديدها عن طريق التنبؤ (Kinetics Neo). توضح المقارنة الاتفاق الجيد بين المنحنيين، وبالتالي موثوقية الحساب.
الخاتمة
واستنادًا إلى هذه النتائج، تم العثور على نافذة معالجة لبسترة المنتجات البروتينية لصناعة الأغذية. Kinetics Neo يوفر فرصة لتطوير نموذج رياضي يمثل بدقة السلوك التجريبي للعينات أثناء المعالجة الحرارية. يبسّط هذا النهج عملية تحديد المظهر الجانبي لدرجات الحرارة الواعدة، مما يلغي الحاجة إلى طرق التجربة والخطأ التي تستغرق وقتًا طويلًا.