Structural regulation and functional properties of Ficus pumila polysaccharide–egg white protein composite gels: Effects of pH and polysaccharide concentration

علم الخيوط اللزجة والهلاميات المرنة

تخيل أنك تحاول بناء منزل من الجيلاتين (Jell-O). إذا استخدمت الجيلاتين العادي فقط، فقد يكون مهتزاً، أو يسرب الماء عند ذوبانه، أو ينهار إذا تركته في الثلاجة لفترة طويلة. الآن، تخيل أنه يمكنك إضافة خيط لزج خاص إلى المزيج يساعد في تماسك كل شيء معاً. هذا هو عالم علوم الأغذية، وتحديداً دراسة الهلامات (Gels). الهلامات تشبه شبكات ثلاثية الأبعاد غير مرئية مصنوعة من جزيئات ضخمة (مثل البروتينات والسكريات) التي تحبس الماء بداخلها. وهي السبب في أن الزبادي الذي تتناوله كريمي، والمارشميلو هش، ومربى الفاكهة لا يتحول إلى بركة من السوائل.

يبحث العلماء دائماً عن طرق لجعل هذه الهلامات أقوى، وأكثر استقراراً، وأفضل في الاحتفاظ بالماء، خاصة عندما تواجه تحديات مثل التجمد، أو الذوبان، أو البقاء على الرف لفترة طويلة. أحد الأسئلة الكبيرة في هذا المجال هو: كيف نخلط مكونين مختلفين — بروتين (مثل بياض البيض) وسكر طبيعي (متعدد السكريات) — ليعملا معاً بشكل مثالي بدلاً من أن يتصارعا؟ الأمر يشبه محاولة جعل شريكين مختلفين في الرقص يتحركان بتناغم تام؛ فإذا كانت الموسيقى (البيئة) صاخبة جداً أو هادئة جداً، أو إذا كان أحد الشريكين ثقيلاً جداً، فإن الرقصة ستنهار. تغوص هذه الورقة البحثية في ذلك بالضبط، مستكشفة كيفية بناء "الهلام الخارق" المثالي باستخدام مكونات موجودة في الطبيعة.

---

التجربة: خلط التين والبيض

في هذه الدراسة، قرر باحثون من جامعة لينغنان العادية (Lingnan Normal University) خلط مكونين محددين للغاية: العديد السكري من نبات التين المتسلق (Ficus pumila polysaccharide - FPP) وبروتين بياض البيض (EWP).

فكر في FPP كخيط لزج طبيعي مستخلص من بذور نبات التين المتسلق. إنه رائع في حبس الماء ولكنه ضعيف نوعاً ما بمفرده، مثل خيط واحد من المعكرونة المسلوقة (السباغيتي). أما EWP فهو البروتين الموجود في بياض البيض. عندما تسخنه، يتحول إلى هلام صلب، مثل الجزء الأبيض من البيضة المسلوقة. ومع ذلك، يمكن لهلام بياض البيض بمفرده أن يكون متقلب المزاج؛ فقد يتشقق بسهء أو ينضح بالماء عند تجميده وإذابته.

أراد العلماء معرفة ما سيحدث عند دمج هذين المكونين. لقد تعاملوا مع المزيج كتجربة علمية تحتوي على "مقبضين" رئيسيين يمكنهما التحكم بهما:

1. مقبض الرقم الهيدروجيني (pH): قاموا بتعديل حموضة أو قلوية المزيج، واختبروا مستويات تتراوح من 5.0 (حامض) إلى 9.0 (قاعدي/صابوني).
2. مقبض التركيز: قاموا بتغيير كمية خيط بذور التين (FPP) المضافة، في نطاق يتراوح من 0% (بيض فقط) حتى 0.4%.

بعد ذلك، قاموا بتسخين المخاليط لصنع الهلام، ثم تبريدها، وعرضوها لسلسلة من الاختبارات القاسية: ضغطها لمعرفة مدى صلابتها، وتجميدها وإذابتها لمعرفة ما إذا كانت ستسرب الماء، وفحصها تحت مجاهر قوية لرؤية هياكلها الدقيقة.

ما وجدوه: منطقة "غولدي لوكس" (المنطقة المثالية)

كشفت النتائج أن العثด على الهلام المثالي يعتمد كلياً على التوازن. الأمر لا يتعلق فقط بإضافة المزيد من المكونات، بل يتعلق بإيجاد ظروف "غولدي لوكس" (حيث يكون كل شيء مناسباً تماماً) حيث يتناسب كل شيء مع الآخر بدقة.

النقطة المثالية للرقم الهيدروجيني (pH)
عندما نظر العلماء إلى كيفية تأثير الحموضة على الهلام، وجدوا أن الظروف المتعادلة (pH 7) كانت هي الفائزة بالأداء العام.

• عند pH 7: كان الهلام هو الأكثر توازناً. كان له بنية موحدة تحتفظ بالماء بشكل مذهل، حتى بعد التجميد والإذابة. ووصلت قدرة حبس الماء إلى 40.01%.
• عند pH 5 (حمضي): أصبح الهلام صلباً وكثيفاً جداً، مثل الطوبة تقريباً. ورغم أنه كان قوياً، إلا أنه لم يكن جيداً في حبس الماء أثناء دورات التجميد. فقد تجمعت الجزيئات مع بعضها البعض بقوة شديدة في بعض النقاط، مما خلق بنية غير متساوية وفوضوية.
• عند pH 9 (قاعدي): أصبح الهلام رخواً ومطاطياً. كانت الجزيئات تدفع بعضها البعض بعيداً لأنها جميعاً تحمل نفس الشحنة الكهربائية، مما جعل الشبكة ضعيفة ومائية.

ومن المثير للاهتمام، بينما كان pH 7 هو الأفضل كحل شامل، فإن الوسط القاعدي الطفيف عند pH 8 كان في الواقع الأفضل للتخزين طويل الأمد في الثلاجة. فعلى مدار 80 ساعة، ظل الهلام عند pH 8 مستقراً لأطول فترة دون انفصال، بينما بدأت الأنواع الأخرى في التحلل.

منحنى التركيز: القليل هو الكثير
عندما تعلق الأمر بكمية خيط بذور التين (FPP) المضافة، اكتشف العلماء تأثيراً "ثنائي الطور" (biphasic)، وهو تعبير تقني يعني "الأمر يتحسن، ثم يصبح أسوأ".

• الرقم السحري (0.2%): كانت إضافة كمية صغيرة من FPP، وتحديداً 0.2%، هي النقطة المثالية. عند هذا المستوى، عملت خيوط التين كغراء إضافي، حيث ربطت بروتينات البيض معاً عبر روابط هيدروجينية. جعل هذا الهلام أكثر صلابة (وصلت صلابته إلى 0.678 نيوتن) وحسن بشكل كبير من قدرته على النجاة من التجميد. وانخفض معدل انفصال الماء إلى نسبة ضئيلة بلغت 7.49%، مما يعني عدم تسرب الماء تقريباً.
• الكمية الزائدة (0.3% - 0.4%): بمجرد إضافة أكثر من 0.2%، بدأ الهلام في التفكك. كانت الخيوط الزائدة تعيق العمل، مما تسبب في انفصال المزيج إلى طبقات مختلفة (عملية تسمى انفصال الطور). أصبح الهلام أكثر طراوة، ومضغياً، وبدأ يسرب الماء مرة أخرى.

اللغز المجهري: كيف يعمل الأمر؟

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحثون إلى الهلامات تحت المجاهر واستخدموا ماسحات ضوئية خاصة (FTIR و XRD).

وجدوا أن خيوط التين وبروتينات البيض لم يندمجا معاً لتكوين وحش كيميائي غريب جديد، بل تماسكوا عبر الروابط الهيدروجينية والتجاذبات الكهربائية.

• البنية: تحت المجهر، بدا الهلام المثالي (pH 7 مع 0.2% FPP) كشبكة ناعمة ومتصلة ذات ثقوب صغيرة ومنتظمة.
• الانهيار: عندما أضافوا الكثير من FPP أو غيروا الرقم الهيدروجيني بشكل كبير، أصبحت الشبكة غير منتظمة. كبرت بعض الثقوب، وأصبحت جدران الشبكة غير متساوية.
• لا توجد بلورات: تحقق العلماء مما إذا كان المزيج قد شكل أي هياكل بلورية جديدة (مثل بلورات الثلج أو السكر)، لكنهم لم يجدوا أي منها. ظل الهلام عبارة عن كتلة غير متبلورة (amorphous) ناعمة، متماسكة فقط بفضل تلك الروابط غير التساهمية اللطيفة.

لماذا يهم هذا؟

تظهر هذه الدراسة أنه من خلال ضبط الحموضة وكمية الألياف النباتية الطبيعية بعناية، يمكننا تصميم هلامات مستقرة وقوية للغاية. ويشير الباحثون إلى أن هذا المزيج الطبيعي يمكن أن يكون بمثابة تغيير جذري في صناعة الأغذية.

تخيل استخدام هذا الهلام لـ:

• صنع أغلفة صالحة للأكل تغلف الطعام للحفاظ على طزاجته.
• إنشاء طبقات تغليف للفواكه والخضروات تمنع تعفنها.
• بناء حوامل واقية للبروبيوتيك (البكتيريا الجيدة في الزبادي) لضمان بقائها على قيد الحياة أثناء رحلتها عبر معدتك.

تخلص الورقة البحثية إلى أنه على الرغم من تعقيد هذا النظام، إلا أنه "قابل للتصميم" بدرجة عالية. ومن خلال الالتزام بالقواعد التي اكتشفوها — وتحديداً استخدام 0.2% FPP و pH 7 لاستقرار التجميد، أو pH 8 للتخزين الطويل في الثلاجة — يمكننا إنشاء مواد طبيعية وآمنة وفعالة لمستقبل الغذاء. إنها تذكير بأنه في بعض الأحيان، نجد أفضل الحلول ببساطة عن طريق خلط المكونات الطبيعية بالنسب الصحيحة.