>

استخلاص السيللوز النانوي والبروتين من قشور السمسم وتطبيقاتهما في الصناعات الغذائية

الملخَّص

هدف البحث إلى دراسة خصائص قشور السمسم المحمصة وغير المحمصة، واستخلاص جزيئات السيللوز النانوية ومعزولي البروتين ودراسة خصائصهما، وتحضير أغلفة بروتين السمسم وأغلفة كربوكسي ميثيل السيللوز القابلة للأكل ودراسة تأثير إضافة جزيئات السيللوز النانوية بنسبة (0، 5، 10، 15%) في صفات الجودة للأغلفة المحضرة، كما تم استخدام مستحلبات محضرة من السيللوز النانوي، والبروتين، ومزيجهما كبدائل للدهن في البسكويت بنسبة استبدال (0، 25، 50، 75%). أظهرت النتائج فروقاً معنوية بين القشور غير المحمصة والمحمصة في كافة المؤشرات المدروسة، حيث بلغت نسبة البروتين، 9.63، 22.81%، والألياف 35.97، 23.72%، وحمض الفايتيك 1.70، 2.53%، والنشاط المضاد للأكسدة ((IC50 39.39، 85.11 μg/ml على التوالي. وكان مردود البروتين من القشور المحمصة أعلى 5.32%، مقارنة بغير المحمصة 2.73%، كما سُجلت فروق معنوية في التركيب الكيميائي بين معزولي البروتين، وتبين أن حجم جسيمات بروتين القشور المحمصة كان أكبر مقارنة بغير المحمصة، إذ بلغ 381.50، 268.90 nm على التوالي، وكانت الشحنة السطحية للمعزولين قريبة من بعضهما حيث بلغتا 30.1- و34.6- mVعلى التوالي. كشفت نتائج الرحلان الكهربائي وصور الـ  FE-SEM عن وجود تأثير لعملية التحميص في بنية البروتينات. كما تفوق معزول بروتين القشور المحمصة على غير المحمصة في القدرة على ربط الزيت وتشكيل الهلام. وسُجل تأثيراً معنوياً لكلُّ من عملية التحميص وقيمة الـpH  في الخصائص الوظيفية للمعزولين، وتبيَّن أن كلا المعزولين يظهران حساسية متشابهة اتجاه تغيُّر قيمة الـpH ، مع تسجيل أعلى القيم للذوبانية 74.14 و79.41%، الاستحلاب 82.74 و84.52%، والرغوة 101 و128.86% في المجال القلوي (pH= 10) لمعزولي بروتين قشور السمسم المحمصة وغير المحمصة على التوالي. بلغ مردود السيللوز والسيللوز النانوي 25.16 و9.17% على التوالي، في حين بلغت الشحنة السطحية لهما 15.5- و27.2- mV على التوالي، كما أظهرت نتائج التحليل العنصري EDX نسبة نقاء عالية للسيللوز النانوي بلغت 99.32%، وبيّنت نتائج تشتت الضوء الديناميكي أن متوسط قطر جزيئات السيللوز والسيللوز النانوي بلغ 2235 و108.10 nm على التوالي، كما بيّنت نتائج الـ FTIR النطاقات المميزة للسيللوز. أما الدراسة المورفولوجية فقد أظهرت جزيئات السيللوز النانوي بشكل كروي وبعضها بيضوي وكانت ضمن المقياس النانوي إذ بلغ متوسط القطر 78.41 و74.30 nm باستخدام AFM وFE-SEM على التوالي. وكانت نسبة التبلور للسيللوز أقل من السيللوز النانوي 41.02 و67.74% على التوالي، كما أظهرت النتائج ثباتاً حرارياً أعلى للسيللوز مقارنة بالسيللوز النانوي إذ بلغت الـ TMax 317 و287 °C على التوالي. سُجلت فروق معنوية في جميع المؤشرات المدروسة بين أغلفة كربوكسي ميثيل السيللوز وأغلفة بروتين السمسم، كما تبين أن استجابة كلا النوعين من الأغلفة لإضافة جزيئات السيللوز النانوية كانت متشابهة، حيث أدت زيادة نسبة الإضافة إلى انخفاض نسبة الرطوبة، والذوبانية، والنفاذية لبخار الماء، والاستطالة حتى القطع، والنفاذية الضوئية، وفي المقابل زادت السماكة، وقوة الشد، والعتامة لكلا النوعين من الأغلفة. أظهرت النتائج تأثيراً معنوياً لكل من نوع المستحلب ونسبة استبدال الزبدة في خصائص البسكويت المدروسة. وأشارت نتائج التقييم الحسي إلى أن عينة الشاهد والعينات التي استُبدلت فيها الزبدة بنسبة 25% بالمستحلبات المدروسة قد حققت أعلى درجات القبول الحسي دون فروق معنوية. تشير النتائج إلى إمكانية استبدال الزبدة بمستحلب السيللوز النانوي أو مزيجه مع البروتين بنسبة تصل إلى 50%، وكذلك بمستحلب البروتين بنسبة 25% دون التأثير سلباً في الصفات الحسية للبسكويت.

الكلمات المفتاحية: قشور السمسم، معزول البروتين، السيللوز النانوي، أغلفة قابلة للآكل، مستحلبات بديلة للدهن

Extraction of Nanocellulose and Protein from Sesame Husks and their Applications in Food Industry

Abstract

The research aimed to study the characteristics of roasted and unroasted sesame husks, extract nanocellulose particles and protein isolates and investigate their characteristics. It also involved the preparation of edible films from sesame protein and carboxymethyl cellulose, and the evaluation of the effect of incorporating nanocellulose particles at levels of (0, 5, 10, 15%) on the quality attributes of the prepared films. Furthermore, emulsions prepared from nanocellulose, protein, and their mixture were used as fat replacers in biscuits at substitution levels of (0, 25, 50, 75%). Significant differences were observed between roasted and unroasted husks in all studied parameters. Protein content was 9.63% and 22.81%, fiber content was 35.97% and 23.72%, phytic acid was 1.70% and 2.53%, and antioxidant activity (IC50) was 39.39 and 85.11 μg/ml, respectively. The protein yield from roasted husks was higher (5.32%) compared to that from unroasted husks (2.73%). Significant differences were also found in the chemical composition of the protein isolates. The particle size of the protein from roasted husks was larger (381.50 nm) than that from unroasted husks (268.90 nm), while their zeta potentials were similar, measured at –30.1 mV and –34.6 mV, respectively. Results of electrophoresis and FE-SEM images revealed that roasting affected the protein structure.The protein isolate from roasted husks outperformed that from unroasted husks in oil binding and gel formation capabilities. Roasting and pH significantly influenced the functional properties of both protein isolates. Both proteins showed similar sensitivity to pH changes, with the highest solubility (74.14% and 79.41%), emulsification (82.74% and 84.52%), and foaming capacity (101% and 128.86%) recorded at alkaline (pH = 10) for roasted and unroasted sesame husks protein isolates, respectively. The yields of cellulose and nanocellulose were 25.16% and 9.17%, respectively. Their zeta potentials were –15.5 and –27.2 mV, and EDX elemental analysis showed a high purity for nanocellulose at 99.32%. Dynamic light scattering results indicated average particle sizes of 2235 nm and 108.1 nm for cellulose and nanocellulose, respectively. FTIR analysis revealed the characteristic cellulose bands. Morphological studies showed that nano-cellulose particles were spherical or oval, with diameters averaging 78.41 nm and 74.30 nm based on AFM and FE-SEM, respectively. The crystallinity index of cellulose was lower than that of nanocellulose 41.02% and 67.74%, respectively, while cellulose exhibited higher thermal stability with a TMax of 317 °C compared to 287 °C for nanocellulose. Significant differences were observed between carboxymethyl cellulose films and sesame protein films in all studied parameters. Both types of films responded similarly to the addition of nanocellulose, which led to reductions in moisture content, solubility, water vapor permeability, elongation at break, and light transmittance, while increasing thickness, tensile strength, and opacity. The type of emulsion and the percentage of butter replacement significantly affected the properties of the biscuits. Sensory evaluation indicated that the control sample and those in which 25% of the butter was replaced with the studied emulsions received the highest acceptability scores without significant differences. The findings suggest that butter can be replaced by nanocellulose or its mixture with protein emulsions up to 50%, and by protein emulsion up to 25%, without adversely affecting the sensory attributes of biscuits.

Keywords: Sesame husks, protein isolate, nanocellulose, edible films, fat-replacement emulsions.