Повећање хидратације зрна мунг помоћу ултразвучне технологије: опис механизама и утицаја на клијање и главних компоненти | научни извештаји

Повећање хидратације зрна мунг помоћу ултразвучне технологије: опис механизама и утицаја на клијање и главних компоненти | научни извештаји

Anonim

Субјекти

  • Хемијско инжењерство
  • Екологија биљака

Апстрактан

Ултразвучна технологија успешно се користи за побољшање процеса преноса масе на храну. Међутим, проучавање ове технологије о хидратацији зрна и о њеним главним својствима компонената још увек није на одговарајући начин описано. Овај рад је проучавао примену ултразвучне технологије на процесу хидратације мунглема ( Вигна радиата ). Ово зрно је показало сигмоидно понашање хидратације са специфичним улазним путељком воде. Ултразвук је смањио за 25% времена хидратације. Поред тога, ова технологија је узроковала убрзање клијања семена - па су предложене и неке хипотезе за ово побољшање. Штавише, показано је да ултразвук није променио ни структуру и својства лепљења зрна скроба. Најзад, реолошка својства брашна су доказала да је ултразвук повећао своју привидну вискозност, а како скроб није модификован, ова промена је приписана протеинима. Сви ови резултати су веома пожељни за индустрију, јер ултразвучна технологија побољшава процес хидратације без промене својстава шкроба, убрзава процес клијања (што је важно за поступак слања и клијања) и повећава привидну вискозност брашна, што је пожељно за производњу граха производи на бази батерија којима је потребна већа конзистенција.

Увод

Процес хидратације важан је корак пре многих других процеса зрна попут кувања, клијања, екстракције, слања и ферментације. То је неконтинуиран и временски потрошен процес, а ограничава се у индустријској преради. Стога је његово побољшање веома пожељно.

У ствари, многи радови су користили више температуре натапања да би побољшали овај поступак 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 . Међутим, употреба високих температура може променити својства састојака зрна и променити њихов нутритивни састав. Поред тога, температуре могу донети додатну употребу воде за систем грејања, као и количину енергије. Због тога се проучавају и друге технологије за побољшање процеса хидратације, што је ултразвучна технологија једна од најперспективнијих.

Ултразвучна технологија успешно се користи у многим процесима преноса масе у храни, као што су сушење, екстракција, осмотска дехидрација, уклањање соли и хидратација. Појачање преноса масе ултразвуком се приписује његовим директним и / или индиректним ефектима, који зависе од својстава хране (порозност и активност воде) 9 . Директни ефекти су повезани са ултразвучним таласом који путује кроз храну, што изазива ширење и компресију медијума. Ови ефекти се називају „ефект сунђера“ (када се ћелије или храна матрица упоређује са спужвом која се више пута истискује и ослобађа) и инерцијални ток (масни проток услед ширења таласа). Индиректни ефекти су повезани са променама у структури производа проузрокованим акустичком кавитацијом, што резултира поремећајем ћелија и матрикса, а затим стварањем микро шупљина (или микро канала) које побољшавају пренос масе 9, 10, 11 .

У ствари, ултразвучна технологија успешно се користи за побољшање процеса хидратације хране. Међутим, проучавано је само за мали број житарица, као што су зрно сирка 12, морнарски пасуљ 13, сланутак 14, пасуљ и кукурузне зрне 16, као и рехидратацију друге врсте хране, попут морског краставца 17 . Упркос томе, примену ове технологије још увек треба проучавати, посебно за житарице, где је процес хидратације ограничавајући корак током индустријске прераде.

Оно што је најважније, једном када је позитиван утицај ултразвучне технологије на процес хидратације већ показан за неке намирнице, сада је неопходно спровести студије не само за даље производе, већ и за оне са различитим начином понашања и сврхе. Сходно томе, демонстрирати укључене механизме и проценити утицај ове технологије на одабране особине и компоненте производа. На пример, иако хидратација зрна може показати два понашања (конкавни облик према доле (ДЦС) и сигмоидно понашање 18 - видети даљу расправу), неколико зрна са понашањем хидратације конкавног облика према доље и само једно зрно са сигмоидном хидратацијском понашањем проучено је зрно . Стога, истичући важност проучавања ове технологије у житарицама са сигмоидним понашањем.

У овом раду је проучавана хидратација зрна мунг ( вигна радиата ) потпомогнута ултразвучном технологијом. Кориштен је јер има сигмоидно понашање и због значаја као хране за директну конзумацију и због клијања 19, 20 . Стога је овај рад имао за циљ да проучи утицај ултразвучне технологије не само на процес хидратације зрна махуна, већ и на могућа структурна и функционална својства брашна и шкроба.

Резултати и дискусија

Опис понашања хидратације зрна мунг

У зависности од пропустљивости семенке, зрно се може хидрирати на основу два различита понашања: конкавни облик према доље (ДЦС) и сигмоидни облик 21 . На слици 1а је приказано да мунг грах има сигмоидно понашање током хидратације под нормалним (равнотежом са окружењем) почетним садржајем влаге (25 ° Ц, 12, 25% дб), слично као и друге махунарке, попут Андског лупина 4, Адзуки пасуља 3, 21, 22, Цовпеа 8 и италијански грах Лима 23 . Надаље, његово понашање хидратације мијења се на ДЦС када се повећа почетна влага.

Image

Точке су експерименталне вредности; вертикалне траке су стандардна девијација, а криве су вредности добијене из модела. ( а ) Математичко моделирање помоћу Каптсо ет ал . модела (једнаџба 2) при различитим почетним садржајима влаге. ( б ) адсорпциона изотерма зрна мунг (25 ° Ц) (подаци су моделирани помоћу Освиновог модела (једначина 1)). ( ц ) Хидратација (при 25 ° Ц; 12, 25% дб) зрна мунгле под различитим третманима да би се објаснила функција семенске овојнице и хилума на кинетичкој хидратацији. Утицај почетног садржаја влаге на Каптсо и сар . параметри: ( д ) τ (Једнаџба 3) ( е ) к (Једнаџба 4) и ( ф ) М (Једнаџба 5).

Слика пуне величине

Ниска пропусност семенске превлаке зависи од њеног састава и садржаја влаге. Присуство калоза, суберина и фенолних једињења у семенском омотачу може да умањи његову пропустљивост 24, 25 . Поред тога, пропусност семенске превлаке повећава се када се повећа њен садржај влаге, мењајући понашање хидратације из сигмоидног облика у конкавни облик према доле (ДЦС) (Сл. 1а) 21 . Ова промена пропустљивости семенске овојнице има две могуће хипотезе. Прво, када се садржај влаге у зрну смањи, може проузроковати скупљање ћелија, смањујући простор између семенског слоја и слоја и затварања хилума, избегавајући улаз воде 26 . Друго, низак садржај влаге може проузроковати да компоненте семенске превлаке пређу из гуменог у стаклено стање смањујући његову пропусност 27 .

Државни прелазак састојака зрна повезан је са воденом активношћу зрна. На основу недавних радова 21, 27, постоји критичан садржај влаге (услед критичне вредности активности воде) када хидратација мења понашање. Према Реиду и Феннеми 28, однос садржаја влаге и водене активности (сорпциона изотерма; Сл. 1б) показује различите услове које вода има, у зависности од тога како је вода везана у структури хране, делећи кривуљу у три зоне. Штавише, они наводе да водена активност када вода прелази из зоне ИИ у зону ИИИ указује на пластификацију структуре хране, а самим тим и на прелазак државе. Према сорпционој изотерми зрна махуна (Сл. 1б, једнаџба 1) и овој класификацији, промена понашања би се догодила на приближно 0, 83 водене активности, што одговара приближно 23% дб садржаја влаге. Овај се резултат слаже са сликом 1, где се промена понашања хидратације (из сигмоидне у ДЦС) може приметити после ~ 23% дб почетног садржаја влаге. Поред тога, занимљиво је нагласити да су вредности параметара Освиновог модела (А и Б) 29 биле сличне добијеним за Адзуки пасуљ (А = 9, 75 и Б = 0, 46) 21, што значи да би вредности могле бити сличне за алеуро-амиласта зрна.

Image

Водени пут током хидратације мунг боба

Као и сви грах из породице фабацеае , грах мунг има сложену структуру (Сл. 2). Стога вода може имати одређени улазни пут током процеса и феномени преноса масе, као дифузија и капиларност, могу се одвијати заједно. Површина овојнице зрна (Сл. 2ц) нема пукотине или поре који би дозвољавали улазак воде. Поред тога, попречни пресек пресаднице (Сл. 2д) показује присуство макроесклереида ћелија, уобичајених у овој породици зрна. Стога све ове структуре дају одређени степен непропусности за семенски слој 30 . Даље, ћелије остеосклереида представљене су у семенском омотачу, који имају велике међућелијске просторе који вероватно доприносе бочној дистрибуцији воде 25 . На слици 2е приказани су хилум, микропил и рапхе зрна. Хилум је веома порозан, што вероватно омогућава да вода прође кроз њега. Попречни рез хилума (Сл. 2ф) показује да ова структура има директан контакт са честицом. Другим речима, ова структура може проузроковати брзу хидратацију радикуле да би се осигурало активирање процеса клијања. Вода би прешла преко хиларне пукотине у радич, која има порозну структуру (Сл. 2 г) омогућава брзу апсорпцију воде. Слика 2е показује да се котиледон формира великом количином шкроба прекривеном протеинском матрицом која вероватно има високи афинитет према води. Поред тога, котиледонска структура има неке међућелијске просторе који могу омогућити води да прође кроз њу. Стога, кад вода досегне у радич и котиледон, они се брже хидрирају. Међутим, ова хидратација може следити одређени пут, почевши од стране честице до остатка зрна.

Image

( а ) Права фотографија, трака скале и референтне осе. ( б ) Приказ уздужног реза (кз равни) зрна, са одабраним морфолошким структурама. ( ц ) Спољашња површина премаза. ( д ) Попречни рез пресека: мс. Мацросцлереидс, ос. Остеосцлереидс. ( е ) х. Хилум, м. Мицропиле, р. Рапхе ( ф ) Попречни рез хилума: х. Хилум, поново. Простор радикала, кт. Цотиледон. хф. Хиларна фисура. ( г ) Попречни пресек радикуле. ( х ) Котиледон.

Слика пуне величине

Улога сваке структуре зрна у улазу у воду је и даље контроверзна. На пример, хилум је главни улаз воде за брашна 31, док је за Цариоца грах и црни грах улаз воде микропилом, рапхе и хилум 32 упркос томе више је хилум. С друге стране, друго дело је хилум сматрало главним улазом у воду, као за црни пасуљ 33 и за андски лупин 4 . Иако постоји вероватноћа да вода уђе кроз микропил или рапхе, тренутни рад сматра хилум главним улазом у воду. То је засновано на посматраном микроструктури (Сл. 2е и ф), јер хилум има значајно већу површину у поређењу са микропилом и рапхе.

Поред тога, изведени су и неки третмани који описују допринос семенске превлаке и хилума у ​​процесу хидратације (слика 1ц), покривајући (хидроизолацијом) посебне структуре да би се знало њихово учешће у процесу. Када је прекривена једна од грађе (хилум или семенски слој), стопа хидратације је нагло смањена. Када је прекривен хилум, хидратација се одвијала само преко семенске превлаке; међутим, због његове мале пропустљивости, процес је био веома спор. Надаље, када је семенски омотач прекривен, хидратација је одржана хилумом. Процес хидратације био је врло спор, упркос порозности ове структуре. Због мале површине ове структуре, масни пренос кроз њу је врло низак. Поред тога, јасно се види да обе структуре имају синергијски ефекат на глобални процес хидратације (непокривени грах) с обзиром да збир обе кинетичке хидратације није достигао непокривену кривуљу хидратације граха. То значи да обе структуре раде заједно да хидрирају цело зрно. Вода која улази кроз хилум помаже убрзати хидратацију сјеменске пресвлаке, узрокујући промјену његове пропустљивости, посљедично убрзавајући процес хидратације.

Слично као у претходним радовима са сојом 34, андским лупином 4 и адзуки бобима 21, игле могу да имају сличан улазни пут за воду. Вода вероватно улази кроз хилум капиларношћу и пресвлаком семена дифузијом у зависности од садржаја влаге.

Уз све горе објашњене информације, пут хидратације овог зрна би био следећи: Прво, вода углавном улази кроз хилум (због порозности), хидратизирајући радич полако (због малог подручја) како би се спречило утапање и осигурало метаболичка активација Поред тога, ћелије остеосклереида изазивају бочну хидратацију зрна (између котиледона и семенског омотача) и хомогену дистрибуцију воде у зрну 25 . Овај први део је везан за почетну фазу кашњења процеса. Једном када зрно достигне око 23% дб садржаја влаге, пропусност семенке драстично се мења кад достигне садржај влаге у стакленом прелазу, убрзавајући процес хидратације. Коначно, вода се дистрибуира на цео котиледон до постизања равнотежне влаге.

Математичко моделирање процеса хидратације

Кинетика хидратације и утицај почетног садржаја влаге на понашање хидратације су математички моделирани. С обзиром да мунг грах има сигмоидно понашање, Каптсо ет ал . модел (једнаџба 2; реф. 8) коришћен је за сваки садржај влаге да би се постигао успешан (табела 1). Овај модел има објашњене параметре са физичким значењем. Стога су били корисни за објашњење промене понашања процеса хидратације.

Табела пуне величине

Image

где је М т садржај влаге у узорку (% дб) у сваком тренутку т ; М је равнотежни садржај влаге; τ описује потребно време да се достигне тачка савијања криве, што је повезано са фазом кашњења; и к је параметар кинетике брзине апсорпције воде.

Параметар τ представља трајање фазе кашњења. Како се почетни садржај влаге у зрну повећава, вредност овог параметра експоненцијално опада (Сл. 1д). Овај параметар тежи нули када је почетни садржај влаге у зрну већи од ~ 23% дб, што значи да се фаза кашњења одустаје, а понашање сигмоидне хидратације претвара у понашање ДЦС. Овај резултат био је сличан Адзуки пасуљу 21 . Сходно томе, коришћена је експоненцијална једнаџба за моделирање утицаја почетног садржаја влаге на ове параметре добијајући једнаџбу 3 (Р2 од 0, 99; слика 1д).

Image

Параметар к представља брзину апсорпције воде процеса. Што је виши почетни садржај влаге у зрну, то је већа вредност овог параметра; међутим, у сложенијем обрасцу. Има константну вредност при нижем почетном удјелу влаге у зрну, јер је главни улаз воде хилум, ограничавајући брзину хидратације. Међутим, када грах достигне ~ 23% дб, вредност к нагло расте. Из овог садржаја влаге, семенски слој је веома пропусан за воду, омогућавајући да вода уђе не само у хилум, већ и у семенски омотач, што укључује пораст вредности овог параметра. Надаље, када је почетни садржај влаге у зрну близу равнотежног садржаја влаге (веома висок), вриједност параметра к се смањује до константне брзине. То се дешава вероватно због смањене покретачке силе масе (разлика у воденој активности), смањујући брзину хидратације. У овом случају, за објашњавање понашања овог параметра коришћен је сигмоидни модел (једнаџба 4; Р2 од 0, 97; слика 1е).

Image

Коначно, вредност равнотежног параметра влаге ( М ) смањивала се како се почетни садржај влаге повећавао. Међутим, овај резултат није представљен за Адзуки пасуљ 21 нити лећу 26 . То се може објаснити следећом хипотезом. Махунарку карактерише брза клијавост 35, а с обзиром на то да су ензими клијања активнији при релативно високом почетном удјелу влаге (до 20% дб садржаја влаге ензим се активира 36 ), раст радикала могао би почети раније. Стога, ако радикула почне брже да расте, додатна вода ће се апсорбирати, а фаза коју ћу завршити раније смањујући равнотежни садржај влаге у овој фази (видети одељак 2.4; Сл. 3а). Пасуљ са високим почетним садржајем влаге влага је хомогено распоређена у зрну. Дакле, ензими су активнији у цијелом зрну, што покреће процес клијања (раст честица). Супротно томе, пасуљ, који током хидратације сувог пасуља (12, 25% дб садржаја влаге) достиже висок садржај влаге, има хетерогену дистрибуцију влаге, има виши садржај влаге у спољашњим деловима и нижи садржај влаге у унутрашњи делови пасуља. Самим тим, ензими унутрашњег слоја ембриона се не активирају, што одлаже процес клијања до потпуне хидратације зрна. Због уоченог узорка, равнотежни садржај влаге је уклопљен у састављену експоненцијалну једнаџбу (једнаџба 5; Р 2 од 0, 99; слика 1ф).

Image

( а ) Фазе клијања семена као функција садржаја влаге. Прилагођено од Бевлеи и Блацк 30 и реф. 18. ( б ) Процесом хидратације потпомогнут ултразвуком повећава се брзина хидратације и клијања зрна мунг. Точкице су експерименталне вредности, а вертикалне траке су стандардна девијација.

Слика пуне величине

Image

Ултразвуком је помогла хидратација пасуља мунгле и утицај на његово клијање

Мунг пасуљ се може користити као зрно или као семе, зависно од његове коначности. Када је укључен процес клијања, махуна се може сматрати семеном; када клијање није укључено, то је обичан пулс и зрно 37 .

Током процеса клијања, хидратација семена следи образац уноса воде у стаблу (Сл. 3а). Прва фаза састоји се од самог процеса хидратације (како је описано у одељцима 2.1), када семе апсорбује потребну воду за активирање метаболизма. У овој фази, семе настаје први знакови реактивације метаболизма 37 . Друга фаза се састоји од варења резерви и синтезе нових молекула. У овој фази хидратација семена је занемарљива (може се сматрати равнотежним садржајем влаге у процесу хидратације зрна, тј. М ступња И - као што је горе описано). ИИИ стадиј одвија се када радикула почне да расте и синтетизују се многе структурне компоненте; стога је вода потребна у многим метаболичким процесима, што резултира већом апсорпцијом воде 37 . Стога је процес хидратације у трећем стадијуму углавном последица биолошких појава.

У случају житарица, која се користе као храна, за њихову прерадбу важан је само корак И. На тај начин, током истраживања хидратације зрна, процењује се само И фаза (што се у литератури може широко применити). Међутим, у овом раду, иако је моделирање хидратације (одељак 2.5) спроведено само у фази И, поступак је оцењен до фазе ИИИ, када мала, али видљива радичка докаже почетак клијања. Даље, као што је претходно описано, хидратација хране нема само ДЦС понашање, већ у неким случајевима показује и сигмоидно понашање. Стога је слика 3а допуњена, истичући два могућа понашања хидратације у фази И. Како махуна има кратку фазу ИИ, отприлике 2 х 35, процес клијања је веома брз. Ово може објаснити смањење равнотежног садржаја влаге када је грах са високим почетним садржајем влаге хидриран. При високом почетном садржају влаге, пасуљ је метаболички активнији, смањујући минимални садржај влаге да клија и дужину стадијума И и фазе ИИ.

Слика 3б приказује утицај ултразвучне технологије (41 В / Л, фреквенције 25 кХз) на процес хидратације мунг граха. Јасно се може видети да је ултразвук појачао процес хидратације, смањујући отприлике 25% времена да би се постигла равнотежна влага (тј. Трајање И фазе, достизање ИИ фазе). Поред овог успешног резултата, ултразвук је такође убрзао процес клијања овог зрна смањујући дужину стадија И и скоро нестајући фазу ИИ.

У ствари, ултразвук је побољшао процес хидратације осталих житарица као што су сланутак 14, 38, морнарски пасуљ 13, зрно сирка 12, пасуљ обично и кукурузне зрно 16 . Већина ових радова приписује побољшање директним и индиректним ефектима ултразвука на процесе преноса масе 9 - строго физички механизми побољшања преноса масе.

Међутим, показано је да технологија ултразвука појачава живахност семенки, вероватно побољшавајући његов метаболизам39. Сходно томе, процес хидратације такође може бити појачан не само физичким појавама, већ и због метаболичких / биолошких појава (такође убрзавајући клијање). У ствари, иако још увек није описано, постоји могућност која може да објасни уочено понашање. У ствари, ову могућност се мора додатно проценити; нажалост, то се не може доказати у овом раду.

У фази И, садржај влаге у пасуљу је низак, а самим тим и активност воде. Стога је активност ензима у зрну такође ниска и повећава се када се повећава садржај влаге. У овом дијелу процеса, главно побољшање ултразвучне технологије може бити физичко, због његових директних и индиректних ефеката. Директни ефекти су инерцијални ток и ефект сунђера, који искориштавајући порозност зрна повећава унос воде пумпањем воде у ткива и деблокадом пора 9, 16 . Поред тога, путовање ултразвучних таласа вероватно је проузроковало промену величине или облика пора пасуља. Како се повећава садржај влаге у зрну, вероватно индиректни ефекти добијају на снази, јер се водена пара повећава, олакшавајући акустичку кавитацију и стварање микро шупљина и микро канала 9 . Самим тим, и ултразвучни директни (инерцијални проток и ефект сунђера) и индиректни ефекти (формирање микро-канала) могли би се десити у завршном делу фазе И, побољшавајући процес хидратације.

На слици 4 приказана је микроструктура зрна мунгле хидрирана са и без ултразвука. Није било неке значајне разлике између структура граха (семенски премаз, хилум и котиледон) хидрираног са и без ултразвука. Поред тога, слике 4г и х показале су да структура скроба није модификована (утицај ултразвука на скроб мунг грахова расправља се у следећем одељку). Закључно, као и остали претходни радови 9, 16, показано је да технологија ултразвука (у коришћеним условима снаге и фреквенције) није узроковала значајне промене у структури зрна. Иако је формирање микро-канала за зрно сирка 9, скенирајућа електронска микроскопија вероватно није погодна анализа за откривање формираних микро-канала. Вероватно је да су микро-канали премали или их је тешко препознати. Поред тога, припрема ове технике (јер се зрно мора осушити, што дефинитивно утиче на његову структуру) може имати више утицаја на микроструктуру него процес, што омета могуће промене које би ултразвук могао изазвати. Због тога би се у будућим истраживањима могле проучавати и друге технике. Међутим, СЕМ анализа дала нам је идеју да ултразвук не мења целокупну структуру и да су модификације незнатне.

Image

( а, ц, е и г ) су површина семенске превлаке, хилум, котиледон и скроб, од конвенционално хидрираног пасуља. ( б, д, ф и х ) су површина семенске превлаке, хилум, котиледон и скроб, од хидрираног пасуља са помоћним ултразвуком.

Слика пуне величине

Даље, ултразвук је смањио фазу ИИ (Сл. 3а и б), узрокујући клијање зрна, што је довело до ИИИ фазе. У ствари, ултразвучна технологија побољшала је процес клијања осталих семенки, као што су јечам 39, 40, травната трава 41, грашак 42 и семе траве 43 . Већина тих радова дала је могући ефекат ултразвука на клијавост, повећање покретљивости хранљивих материја, брзину дисања и / или доступност воде за метаболичке реакције. Током фазе ИИ одвија се варење резервних састојака, као и транспорт хранљивих материја и синтеза неких компоненти 37 . Стога би ултразвук могао да побољша те процесе за зрно мунга, помажући катаболизам резервних молекула и транспорт молекула до радикуле (побољшање преноса масе), смањујући време трајања ИИ фазе. У ствари, Лиу и др . 43, показали су да ултразвучна технологија повећава метаболичку активност остарелог семена траве, повећавајући проценат клијања, приписујући ово побољшање наведеним разлозима и повећању порозности семена акустичном кавитацијом. Поред тога, вибрација изазвана ултразвуком је могла да проузрокује пораст активности метаболизма, убрзавајући процес клијања, јер је показано да синусоидна вибрација појачава процес клијања 44 .

Занимљиво је истаћи да је убрзање клијања зрна мунгле пожељан резултат, јер се ово зрно широко користи као клице. Сходно томе, ултразвучна технологија може бити корисна за производњу клија махуна (званог и Моиасхи) убрзавањем хидратације и клијања.

Ултразвучна хидратација мунг граха: утицај на пренос и моделирање масе

Коначно, поступак хидратације са и без ултразвука је моделиран користећи Каптсо ет ал . Модел 8 и његови параметри су процењени (Сл. 5). Треба напоменути да се за хидратацију потпомогнуту ултразвуком подаци фазе ИИИ нису узимали у обзир, користећи податке све до почетка фазе ИИ, јер овај модел описује само процес хидратације (стадиј И). Због тога је вредност равнотежног садржаја влаге ( М ) фиксирана и сматрана је једнаком за контролни третман. Упркос овом разматрању, Каптсо и сар . модел је успешно уклопио експерименталне податке (Р 2 од 0, 99 за оба третмана). Параметри к и τ имали су значајну разлику (п <0, 05) када је за процес хидратације примењен ултразвук.

Image

( а ) Математичко моделирање процеса хидратације са и без ултразвучне технологије. Точке су експерименталне вредности; шипке су стандардно одступање, а криве су вредности модела. ( б ) Утицај ултразвучне технологије на к параметар Каптсо ет ал . модел (једначина 2). ( ц ) Утицај ултразвучне технологије на τ параметар Каптсо ет ал . модел (једначина 2).

Слика пуне величине

Параметар к , који је повезан са стопом хидратације, повећан је када је зрно хидрирано ултразвуком, од 0, 0104 ± 0, 0004 мин -1 до 0, 0150 ± 0, 0016 мин -1 (пораст од ~ 44%). То значи да ултразвук смањује унутрашњи отпор протока воде кроз зрно. Као што је описано, ово повећање би могло бити вероватно узроковано директним ефектима у првом делу процеса (због малог садржаја влаге у пасуљу), и вероватно директним и индиректним ефектима на завршни део процеса хидратације (због до високог садржаја влаге у пасуљу), повећавајући укупну брзину хидратације.

Параметар τ , који је повезан са фазом кашњења процеса хидратације, смањио се за готово 28% када је примењена ултразвучна технологија, са 243, 7 ± 9, 6 мин на 174, 5 ± 14, 2 мин. Фаза кашњења процеса хидратације завршава када је семенски омотач довољно хидриран да повећа своју пропусност 21, 26 . Стога је ултразвучна технологија узроковала брзи улазак воде у првом дијелу поступка, хидрирајући брже пресвлачење сјемена, повећавајући његову пропусност и убрзавајући процес хидратације. Веома је вероватно да је ово побољшање последица директних ефеката, помажући бочној хидратацији пасуља кроз простор између семенске овојнице и котиледона и кроз остеосклереиде ћелије семенске превлаке.

У литератури не постоји ниједан рад који се односи на хидратацију ултразвучно потпомогнуте хидратације грана сигмоидалног понашања. Дакле, ово је прво дело које је показало да ултразвук смањује заосталу фазу процеса хидратације. Међутим, треба спровести даље студије како би се утврдило да ли ултразвук веће снаге може додатно смањити фазу заостајања.

Сви ови резултати показују да је ултразвук обећавајућа технологија која се може применити у индустријама јер смањује време хидратације и, у неким случајевима, може убрзати процес клијања семенки, што је веома пожељно за клијање и слање. .

Утицај хидратације потпомогнуте ултразвуком на својства брашна и скроба из зрна граха

На слици 4г и х приказане су СЕМ микрофотографије изолованих скроба из зрна хидрираног без и са ултразвуком, респективно. Обоје приказује овални до сферни облик са глатком површином без пукотина, како су потврдили Руполло ет ал . 45 . Због тога, ултразвук није променио структуру зрна шкроба. У неким радовима је показано да је ултразвук променио микроструктуру скроба модификујући његова технолошка својства 46, 47 . Поред тога, профил брзе вискозности (РВА) профила суспензија скроба (Сл. 6) такође је показао да ултразвучна технологија није променила својства лепљења шкроба изолованог од хидрираног пасуља (за све процењене параметре: врх, корито, распад, поврат и крајња наизглед вискозност), ојачавајући резултате СЕМ. Овај резултат је био другачији у поређењу са онима који су изведени коришћењем изолованих гранула скроба у суспензији, као што је рад Зуо ет ал . 48 . Они су показали да ултразвучна технологија смањује привидни вискозитет шкробних суспензија. Међутим, потребно је појаснити да су у поменутим радовима резултати добијени анализом СЕМ и РВА стечени изолованим шкробом третираним ултразвуком, за разлику од садашњег дела где је скроб још увек био у зрну (котиледон), Фискално заштићен, када је примењена ултразвучна технологија. Овај резултат је такође у складу са радом Миано 16 .

Image

( а ) РВА профил. ( б ) Текстура гела за скроб. ( ц ) Хроматограми пермеације гела Сепхаросе ЦЛ 2Б: Континуиране црвене криве представљају одговор ЦХО, а тачкасте криве представљају одговор плаве вредности. Поред тога, тамније боје представљају регију веће молекуларне тежине (амилопектин), а светлије боје представљају нижу молекуларну регију (амилозу).

Слика пуне величине

Слика 6 такође приказује графички приказ померања силе који је добијен проценом гел текстуре. Снага гела повезана је са састојцима скроба (амилоза и амилопектин) и међусобном интеракцијом 49 . Стога би било какве промене текстуре скробног гела (одржавање константних свих осталих параметара, попут температуре, концентрације итд.) Настале услед молекуларне деполимеризације и смањења величине молекуле амилозе, који су директно повезани са ретроградношћу шкроба и његовом способношћу да обликују гелове 50, 51 . Није било значајне промене (п <0, 05) између снаге гела шкроба изолованог из зрна мунгле хидрираног без и са ултразвуком. То значи, дакле, да није дошло до значајних промена у молекуларној структури шкроба када је зрно хидрирано коришћењем ултразвучне технологије.

Коначно, кроматограми пермеационог хроматограмовог скроба Сефаросе ЦЛ 2Б су приказани на слици 6. Први врх одговара амилопектину, а други (одређен плавом вредности јода) одговара амилози 52, 53 . Ови резултати сугерисали су сваку важну промену молекуларне тежине и структуре скроба изолованих из мунг граха хидрираног са и без ултразвука - ојачавајући претходне резултате.

Добивени резултати показују да ултразвучна технологија није утицала на структуру скроба и на технолошка својства током процеса хидратације зрна мунг, што је веома релевантно за индустрију шкроба.

Са друге стране, РВА профил зрна брашна (Сл. 7) показао је да ултразвук изазива привидни вискозитет. Већа привидна вискозност могла би бити корисна за неке прехрамбене индустрије, имајући у виду производе на бази пасуља који захтевају већу конзистенцију. Слични резултати су добијени од Гхафоор ет ал . 13 који су показали да је привидна вискозност брашна из морнарског пасуља хидрираног ултразвуком већа од хидрираног без ултразвука. Међутим, они су ову промену приписали модификацији шкроба ултразвуком, иако је тај рад проценио само брашно. Ипак, како су у овом раду изведени РВА профили шкроба и брашна, а како није било разлике у структури и својствима скроба (Сл. 6), може се показати да је ултразвук променио својства протеина уместо својства скроба (Сл. 7). Ултразвучна технологија можда је променила структуру протеина пасуља, модификујући доступност молекула воде до места везивања протеинских ланаца. О'Сулливан ет ал . 54 уочено је да ултразвук смањује агрегатну количину протеина махунарки повећавајући растворљивост 55, 56 . Стога, растворљивост растворљивих протеина може објаснити повећање вискозности граха са брашном.

Image

Слика пуне величине

Закључци

Процес хидратације мунг граха има сигмоидно понашање, а слично као код осталих импулса, то понашање се променило према конкавном облику према доле када је почетна влага зрна приближно 23% дб. Пут воде овог пасуља је утврђен према семену пропусност длаке и учешће хилума и семенског слоја у апсорпцији воде. Даље, показано је да је ултразвучна технологија побољшала процес хидратације зрна зрна, смањујући укупно време процеса за готово 25% (смањење времена фазе заостајања - 28% и повећање брзине апсорпције воде ~ 44%). Поред тога, показано је да ова технологија убрзава клијање овог зрна, што је врло пожељан резултат за клијање или слање. Најзад, закључено је да технологија ултразвука није променила својства скроба (структурни и реолошки). Међутим, ова технологија повећала је привидни вискозитет целог зрна брашна, што се приписује променама протеина. С обзиром на све, ултразвучна технологија може се користити за убрзавање процеса хидратације овог зрна без да се промени његов скроб. Поред тога, у зависности од сврхе, ултразвук се може користити за убрзавање процеса клијања, будући да су ови резултати веома пожељни за индустрију импулса.

Материјали и методе

Сировина

Мунг пасуљ ( Вигна радиата; 12, 25 ± 0, 53% дб (г воде / 100 г суве материје) влаге; 5, 12 ± 0, 24 мм дужине, 3, 81 ± 0, 22 мм ширине и 3, 62 ± 0, 16 мм дебљине) добијен на локалном тржишту у Цампинасу - Бразил је коришћен.

Опис конвенционалног процеса хидратације

За процес хидратације, 10 г претходно изабраних зрна (без оштећења) стави се у мрежасте врећице и намочи у 4 Л дестиловане воде (да се избегне да вода у томе ограничава) на 25 ± 1 ° Ц током свих врста третмана. Током процеса хидратације, зрна су се периодично исушивала, површно сушила и њихов садржај влаге је добијен масеном равнотежом користећи почетни садржај влаге (утврђен коришћењем Анализатора влаге МКС-50 АНД, Јапан) (након верификације могућности занемаривања чврстог губитка у воду). Затим су зрна поново намочена да наставе поступак. Зрно се вагало сваких 15 мин током првог сата, сваких 30 мин током последња два сата, а од тада па надаље сваких сат времена. Процес хидратације је изведен на константној температури коришћењем водене купељи (Дубнофф МА 095 МАРЦОНИ, Бразил) и у дупликату.

Утицај почетног садржаја влаге на понашање хидратације

Да би се проучио утицај почетног садржаја влаге на понашање хидратације, стварајући субвенције за боље разумевање механизама хидратације, припремљени су узорци са различитим почетним садржајем влаге. Да би се добили узорци са већим почетним удјелом влаге (15, 83, 18, 95, 23, 63, 35, 29 и 41, 95% дб), зрно је хидрирано током одређеног времена на 25 ± 1 ° Ц. Затим су та зрна стављена у затворене посуде недељу дана на 5 ± 1 ° Ц како би се хомогенизовала влага у зрно. Нижи иницијални узорак влаге (3, 88% дб) припремљен је стављањем зрна у ексикатор са силикагелом у трајању од 2 недеље до добијања потребног садржаја влаге. Почетни садржај влаге у узорцима је затим добијен масеном равнотежом користећи садржај влаге у оригиналном узорку 21 .

Поред тога, разрађена је и сорпциона изотерма. Пасуљ са различитим садржајем влаге (припремљен коришћењем горе описаног поступка) млевен је помоћу млина за резање пре одређивања њихове водене активности на 25 ° Ц помоћу мерача водене активности (АкуаЛаб 4ТЕ, Децагон Девицес, Инц, УСА). Садржај влаге у узорку (% дб) је затим приказан као функција водене активности. Добијена крива је моделирана помоћу Освинове једначине (једнаџба 6), јер се препоручује за скробну храну 29 . У овој једначини, М је садржај влаге производа (% дб), а в је водена активност производа, а А и Б су параметри модела који се односе на облик криве.

Image

Студија руте улаза у воду

У овом случају, процес хидратације је изведен са неким покривеним структурама. Поред тога, микроструктура зрна је проучавана како би се посматрале различите структуре зрна (према слици 2).

Да би се проверило улазак воде, слој семена или хилум прекривен је лаком (лак за нокте; Рискуе - Цосмед Индустри Бразил) као заптивком, слично као Рамос ет ал . 57 . Овај третман омогућио је утврђивање доприноса ових структура у процесу хидратације.

За микроструктурну анализу, узорци су исечени сечивом скалпелом да би се видела различита ткива (семенски премаз, котиледон и спољна површина) и дехидрирали у затвореном контејнеру користећи силика гел током 3 дана. Затим су их прскали златним слојем од 30 нм. Коначно, узорци су примећени у скенирајућем електронском микроскопу који ради на напону убрзања од 20 кВ (ЛЕО 435 ВП, Лео Елецтрон Мицросцопи Лтд., Цамбридге, Енглеска).

Ултразвучна хидратација

Током експеримената, коришћена је ултразвучна купка са фреквенцијом од 25 кХз и волуметријском снагом од 41 В / Л (К13 / 25, Ултроникуе Бразил; одређена по методи коју су описали Тивари ет ал . 58 ). Ова купка има своје пиезоелектричне елементе распоређене испод каде. Ствара механичке таласе који се кроз воду преносе на производ. Расподјела ултразвучних таласа у воденој купељи је одређена методом алуминијумске фолије 59, 60 . Даље, верификоване су и друге добре праксе описане са 59, 60 . Тако су узорци смештени у деловима где су таласи имали највећи и хомогени интензитет.

Хидратација потпомогнута ултразвуком изведена је у ултразвучној воденој купељи са 4 Л воде при 25 ± 1 ° Ц. Зрно је смештено у мрежасте врећице и постављено на дно ултразвучне водене купељи. Подаци су прикупљени током горе описаног поступка контролне хидратације.

Моделирање процеса хидратације

Кинетика хидратације Мунг граха моделирана је употребом сигмоидне једначине Каптсо и сур . (Једначина 2; реф. 8). У ту сврху, садржај влаге у зрну на сувој основи (М% дб) у односу на време хидратације (мин) је табилан за сваку почетну влагу. Подаци су прилагођени математичком моделу са нивоом поузданости од 95% користећи алгоритам Левенберг-Маркуардт у програму Статистица 12.0 (СтатСофт, САД).

Коначно, добро се уклапају у моделе процењивали су регресијска вредност Р2, вредности девијације корена-средњег квадрата (РМСД, једнаџба 7), нормализовани РМСД (НРМСД, једнаџба 8) и цртање добијених вредности садржаја влаге по моделу (М модел ) као функцији експерименталних вредности (М експериментални ). Регресија тих података на линеарну функцију (једнаџба 9) резултира у три параметра која се могу користити за процену описа експерименталних вредности по моделу, тј. Линеарни нагиб (а који мора бити што је могуће ближи једном), пресретање (б, који мора бити што је могуће ближи нули) и коефицијент одређивања (Р2; који мора бити што је могуће ближи једном).

Image

Image

Image

Процена шкроба и брашна

Шкроб мунг граха (хидриран са и без ултразвука) је екстрахован на следећи начин: Хидратизовани пасуљ (са и без ултразвука) је млевен (са дестилованом водом) коришћењем миксера и просијано (60 и 325 месх). Супернатант је испран два пута дестилованом водом. Филтрат је центрифугиран на 3200 г током 5 минута, раздвајајући скроб од осталих компоненти (воде, протеина и липида). Коначно, шкроб се суши на 35 ° Ц током 12 х у равном лежишту и меша се млеко користећи малтер и петељке.

Брашно мунг граха (хидрирано са и без ултразвука) добивено је мљевењем након процеса хидратације млином за резање.

Да би се проценило да ли је ултразвук утицао на добијени скроб или брашно, изведена је следећа евалуација.

Брашно од мунг граха (тј. Целокупно млевено зрно) и својства лепљења скроба процењена су у Рапид Висцо Анализеру (РВА-С4А; Невпорт Сциентифиц, Варриевоод, НСВ, Аустралија) користећи 3 г узорка (кориговано на 14% влаге) у 25 г воде. Суспензија је прво одржавана на 50 ° Ц током 1 минута, а затим је загревана на 95 ° Ц брзином 6 ° Ц · мин -1 . Узорак је затим држан на 95 ° Ц током 5 минута, затим хлађењем на 50 ° Ц брзином 6 ° Ц · мин -1, и коначно држање на 50 ° Ц 2 мин. Како се шкроб процењивао одвојено од брашна, разлике између њихових реолошких профила могу бити повезане са променама протеина производа (две главне компоненте зрна: 31, 1% шкроба 61 и 23, 8% протеина 20 у просеку).

Микроструктура шкроба процењена је коришћењем скенирајуће електронске микроскопије на сличан начин као и анализа зрна. Скроб је постављен на штапове сувом четком и директно прелазио на поступак прскања.

Механичка својства скробног гела такође су анализирана инструменталном текстуром. Јачина гела је одређена помоћу анализатора текстуре (ТА.КСТ Плус, Стабле Мицро Системс Лтд., Сурреи, Велика Британија) са ћелијом оптерећења од 5 кг-ф (49, 03 Н). Гел добијен након одређивања РВА-е чуван је у пластичној шољи величине 40 × 20 мм (пречник × висина) током 24 сата на собној температури да би се остао чврст пре процене. Да би се осигурала једнолика влага узорака, држани су у ексикатору са водом на дну. За компримовање узорака до растојања од 5 мм на 1 мм с −1 коришћена је цилиндрична сонда од 0, 5 цм (П / 0, 5 Р). Сила измерена од стране опреме као функција дубине продирања коришћена је за процену чврстоће гела.

Профили расподјеле молекуларне масе узорка скроба одређени су гел пропусном хроматографијом, користећи колону ГЕ КСК 26/70 (пречник 2, 6 цм и висина 70 цм), упаковану са Сепхаросе ЦЛ-2Б гелом (Сигма, Шведска). 10 мл диметилсулфоксида (ДМСО; 90%, Лабсинтх, Бразил) је додато у 0, 1 г шкроба и загревано у врелој воденој купељи 1 сат, а затим је остало током 24 сата на 25 ° Ц уз стално мешање. Аликвота од 3 мл (30 мг шкроба) је затим помешана са 10 мл апсолутног етанола да се исталожи шкроб, суспензија је центрифугирана током 30 мин на 3000 г. Исталожени скроб је растворен у 9 мл вреле дестиловане воде и стављен у врелу водену купељ током 30 минута 52 . Аликвота од 4 мл је затим елуирана у хроматографској колони према горе. Раствор који садржи 25 ммол · Л -1 НаЦл и НаОХ 1 ммол · Л -1 је коришћен као елуент са брзином од 60 мл · х -1 . Фракције од 4 мЛ су сакупљене (Гилсон модел ФЦ203Б, Миддлетон, Енглеска) и анализиране на укупни садржај угљених хидрата на 490 нм фенол сумпорном методом (Дубоис ет ал ., 1956) и плаву вредност на 620 нм (Јулиано, 1971), користећи читач микроплоча (Асис Екперт плус, Биоцхрон, Енглеска).

Статистичка процена

Када је то релевантно, статистичка анализа изведена је за третмане анализом варијанце (АНОВА) и Тукеи-јевим тестом (П ≤ 0, 05), користећи софтвер Статистица 12.0 (СтатСофт, САД).

Додатне Информације

Како цитирати овај чланак : Миано, АЦ ет ал . Појачавање хидратације зрна мунг помоћу ултразвучне технологије: опис механизама и утицаја на његово клијање и главних компоненти. Сци. Реп. 6, 38996; дои: 10.1038 / среп38996 (2016).

Напомена издавача: Спрингер Натуре остаје неутралан с обзиром на тврдње о надлежности у објављеним мапама и институционалној припадности.

Додатне информације

ПДФ датотеке

  1. 1.

    Додатне информације

Коментари

Подношењем коментара пристајете да се придржавате наших Услова и Смерница заједнице. Ако нађете нешто злоупотребно или то није у складу са нашим условима или смерницама, означите то као непримерено.