Optimization of passive modified atmosphere packaging to preserve physical and nutritional quality of ready‑to‑eat immature faba bean seeds

الأغذية الطازجة هي سباق ضد الزمن. فبمجرد حصاد النبات، تظل خلاياه حية، تتنفس الأكسجين وتخرج ثاني أكسيد الكربون، وتستهلك ببطء احتياطيات طاقتها الخاصة. هذه العملية الطبيعية، التي تسمى التنفس، هي ما يحول في النهاية الخضروات المقرمشة إلى طرية، واللون الأخضر الزاهي إلى باهت، والمذاق الحلو إلى حامض. وبالنسبة للأطعمة الحساسة التي تُؤكل نيئة، مثل الفاصوليا الصغيرة، يكون هذا السباق أصعب لأنها غالباً ما تُعامل بطرق تسرع من عملية التحلل. ولإبطاء ذلك، استخدم العلماء منذ فترة طويلة تقنية تسمى التغليف بتجوية معدلة. يتضمن ذلك ختم الطعام في كيس يكون فيه الهواء بالداخل مختلفاً عن الهواء بالخارج. ومن خلال ضبط مستويات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بعناية، يمكن إبقاء الطعام في حالة من السكون، مما يؤخر التغيرات التي تؤدي إلى التلف. ويكمن التحدي في إيجاد التوازن المثالي: فالأكسجين الزائد يسرع التعفن، لكن القليل جداً منه قد يؤدي إلى تخمر الطعام وظهور روائح كريهة.

وضع فريق من الباحثين في إيطاليا هدفاً لحل هذا اللغز لمنتج غذائي محدد ومحبوب: الفول الأخضر (غير الناضج). وهي بذور نبات الفول الصغيرة والخضراء، التي تُحصد قبل أن تصبح صلبة وجافة. وهي من الأطعمة التقليدية في منطقة البحر الأبيض المتوسط، وتُقدر لقوامها الطري، ولونها الأخضر الزاهي، ومذاقها الحلو. وعلى عكس العديد من الخضروات الطازجة الأخرى، يتم تقشير هذه الفول يدوياً دون قطع البذرة نفسها، مما يعني أنها لا تحتوي على جروح مفتوحة عادة ما تحفز التحلل السريع. وقد جعل هذا منها مرشحاً مثالياً لاختبار طريقة تغليف دقيقة للغاية. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم إطالة مدة صلاحية هذه الفول الجاهزة للأكل ببساطة عن طريق تغيير عدد الثقوب الصغيرة في الغشاء البلاستيكي المستخدم لتغليفها. ومن خلال التحكم في كمية الهواء التي يمكن أن تدخل وتخرج، أملوا في إيجاد "النقطة المثالية" التي ستحافظ على طراوة الفول لأطول فترة ممكنة دون الحاجة إلى ضخ غازات خاصة أو استخدام مواد كيميائية.

بدأت الدراسة بمسح واسع لسبعة خيارات مختلفة من التغليف. بعض الأكياس لم تكن تحتوي على أي ثقوب، وبعضها كان يحتوي على ثقب واحد كبير، بينما احتوت أخرى على ما بين خمسة إلى ثمانية وعشرين ثقباً صغيراً، يتراوح عرض كل منها بحجم شعرة الإنسان. تم تعبئة الفول وتخزينه في غرفة باردة عند درجة حرارة 5 درجات مئوية، وهي درجة حرارة نموذجية للمنتجات المبردة. تحقق الباحثون من الهواء داخل الأكياس على مدار تسعة أيام، حيث قاسوا مقدار تراكم الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. كما وزنوا الفول لمعرفة مقدار فقدان الماء، واختبروا قوامه لمعرفة ما إذا كان سيصبح صلباً، وطلبوا من لجنة من المتذوقين تقييم النكهة والمظهر. كانت النتائج واضحة: الأكياس التي لم تكن تحتوي على ثقوب أو التي بها ثقب واحد كبير فشلت في حماية الفول؛ إذ نفد الأكسجين بسرعة من الفول في الكيس المغلق وبدأ يتخمر، بينما جف الفول في الكيس ذي الثقب الكبير وتحول لونه إلى البني. ومع ذلك، فإن الأكياس ذات العدد المحدد من الثقوب الصغيرة خلقت بيئة داخلية مثالية.

كان الحل الفائز عبارة عن غشاء يحتوي على خمسة ثقوب صغيرة فقط. سمح هذا التصميم البسيط للفول بالتنفس بما يكفي ليبقى صحياً، ولكن ليس كثيراً بحيث يفسد. داخل هذه الأكياس، انخفض مستوى الأكسجين إلى نطاق منخفض ولكنه آمن، بينما ارتفع مستوى ثاني أكسيد الكربون إلى مستوى أدى طبيعياً إلى إبطاء تنفس الفول. عمل هذا الجو بمثابة "مكبح لطيف" على عملية التمثيل الغذائي للفول. وبالمقارنة مع الفول في الكيس المعرض للهواء، انخفض معدل تنفس الفول في أكياس الثقوب الخمسة بنسبة 42 بالمائة في اليوم الأول. ولم يكن هذا التباطؤ تأثيراً مؤقتاً فحسب، بل ظل ثابتاً طوال فترة التسعة أيام. ولأن الفول لم يكن يبذل جهداً كبيراً في التنفس، فإنه لم ينتج الكثير من الإجهاد. وبلغة البيولوجيا، لم يضطر الفول لتنشيط أنظمة الدفاع الداخلية لديه بكثافة، مما يعني أنه لم يحرق عناصر غذائية قيمة بسرعة.

كانت فوائد هذا التنفس الأبطأ مرئية في كل ما قاسه الباحثون تقرياً. فقد حافظ الفول في أكياس الثقوب الخمسة على لونه الأخضر الزاهي، بينما بهت الآخرون إلى اللون الأخضر المصفر. كما احتفظ بقوامه المقرمم والطري، في حين أصبح الفول غير المحمي قاسياً وجلدياً. ولعل الأمر الأكثر أهمية للمستهلك هو أن النكهة ظلت حلوة؛ فقد حافظ الفول في أفضل تغليف على السكريات الطبيعية، بينما فقد الفول في الأكياس الأخرى نصف حلاوته بنهاية الدراسة. كما نظر الباحثون في العالم المجهري داخل الأكياس، ووجدوا أن عدد بكتيريا التحلل والعفن كان أقل بكوثر في أكياس الثقوب الخمسة مقارنة بالأخرى. وهذا يشير إلى أن مزيج الغازات النوعي الذي أحدثته الثقوب الصغيرة لم يحافظ على طراوة الفول فحسب، بل ساعد أيضاً في حمايته من الميكروبات الضارة.

بعيداً عن التغيرات الفيزيائية، تعمقت الدراسة في كيمياء الفول لفهم سبب حدوث ذلك. فقد قاسوا مستويات الفيتامينات، ومضادات الأكسدة، والإنزيمات المحددة التي تستخدمها النباتات لمقاومة الضرر. في الأكياس التي تحتوي على الكثير من الأكسجين، ظهرت على الفول علامات الإجهاد العالي: انخفضت مستويات مضادات الأكسدة لديه، ودخلت إنزيمات الدفاع في حالة استنفار قصوى لمحاولة إصلاح الضرر الذي كان يحدث بسرعة كبيرة. أما في أكياس الثقوب الخمسة، فبالكاد تم تحفيز استجابة الإجهاد هذه. حافظ الفول على مستويات عالية من فيتامين C والمركبات الواقية الأخرى. كما تتبع الباحثون مركبين محددين هما "الفيسين" و"الكونفيسين"، واللذان يمكن أن يسببا مشاكل صحية لبعض الأشخاص الذين يعانون من حالة وراثية نادرة. ووجدوا أن التغليف لم يغير مستويات هذه المركبات، مما يعني أن الملف الصحي للفول ظل كما هو عند حصاده. وتعد هذه نتيجة حاسمة، لأنها تظهر أن التغليف حسن الجودة دون تغيير الطبيعة الأساسية للغذاء.

خلصت الدراسة إلى أن عدد الثقوب في الغشاء كان العامل الأهم على الإطلاق. فمن خلال تغيير كثافة هذه الثقوب المجهرية ببساطة، استطاع الباحثون التحكم في البيئة بأكملها داخل العبوة. ووجدوا أن إجمالي كمية الأكسجين التي تعرض لها الفول بمرور الوقت، وليس مجرد مستوى الأكسجين في لحظة واحدة، كان المحرك الرئيسي لفقدان الجودة. لقد خلق غشاء الثقوب الخمسة تعرضاً تراكمياً كان منخفضاً بما يكفي للحفاظ على الفول، ومرتفعاً بما يكفي لمنع التخمر. وفر هذا النهج طريقة لإطالة عمر الفول إلى تسعة أيام على الأقل، وهو تحسن كبير مقارنة بالأيام القليلة التي قد يستغرقها في كيس عادي. وأشار الباحثون إلى أن هذه الطريقة عملت بنفس كفاءة، أو حتى أفضل من، التقنيات الأكثر تعقيداً التي تتضمن تعريض الطعام لحزم إلكترونية، ولكنها فعلت ذلك دون أي معدات أو مواد كيميائية إضافية.

يسلط هذا العمل الضوء على مبدأ بسيط ولكنه قوي: أحياناً تكون أفضل طريقة للحفاظ على شيء حساس ليست في عزله تماماً، بل في السماح له بالتنفس بطريقة محكومة بدقة. لقد كان الفول الأخضر نموذجاً مثالياً لهذا الاكتشاف لأن سطحه الأملس وغير المقطوع يعني أن النتائج كانت مدفوعة بالهواء المحيط به فقط، وليس بالضرر الناتج عن القطع. ويعتقد الباحثون أن هذا المنطق نفسه يمكن تطبيقه على العديد من الأطعمة الطازجة والمقطعة أو المصنعة التي تتأثر بالأكسدة. ومن خلال تصميم تغليف بالعدد الصحيح من الثقوب الصغيرة، يمكن لمنتجي الأغذية تقنياً الحفاظ على مجموعة واسعة من الأطعمة الطازجة مقرمشة وملونة ومغذية لفترة أطول، وكل ذلك دون الحاجة إلى آلات ضخ غازات مكلفة. وتشير الدراسة إلى أن مستقبل حفظ الأغذية قد لا يكمن في الحلول عالية التقنية، بل في الهندسة الدقيقة لبضعة ثقوب صغيرة في قطعة من البلاستيك.