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

चिपचिपे जालों और उछलने वाले जेली का विज्ञान

कल्पना कीजिए कि आप जेलो (Jell-O) से एक घर बनाने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप केवल सादा जेलो उपयोग करते हैं, तो यह डगमगा सकता है, पिघलने पर पानी छोड़ सकता है, या यदि आप इसे फ्रिज में बहुत देर तक छोड़ देते हैं तो ढह सकता है। अब, कल्पना करें कि आप इसमें एक विशेष, चिपचिपा धागा मिला सकते हैं जो सब कुछ एक साथ पकड़ने में मदद करता है। यह खाद्य विज्ञान की दुनिया है, विशेष रूप से जेल (gels) का अध्ययन। जेल विशाल अणुओं (जैसे प्रोटीन और शर्करा) से बने अदृश्य, त्रि-आयामी जालों की तरह होते हैं जो उनके भीतर पानी को फंसा लेते हैं। यही कारण है कि आपका दही मलाईदार होता है, आपके मार्शमैलोो फूले हुए होते हैं, और आपके फलों के मुरब्बे पानी के ढेर में नहीं बदलते।

वैज्ञानिक हमेशा इन जेलों को मजबूत, अधिक स्थिर और पानी को थामे रखने में बेहतर बनाने के तरीके खोजते रहते हैं, खासकर जब उन्हें जमने, पिघलने या लंबे समय तक शेल्फ पर रहने जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। इस क्षेत्र में एक बड़ा सवाल यह है: हम दो अलग-अलग सामग्रियों—एक प्रोटीन (जैसे अंडे की सफेदी) और एक प्राकृतिक शर्करा (एक पॉलीसैकराइड)—को कैसे मिलाएं ताकि वे एक-दूसरे से लड़ने के बजाय एक साथ मिलकर काम करें? यह दो अलग-अलग डांस पार्टनर्स को बिल्कुल तालमेल में नाचने के लिए तैयार करने जैसा है; यदि संगीत (वातावरण) बहुत तेज़ या बहुत धीमा है, या यदि एक पार्टनर बहुत भारी है, तो नृत्य बिखर जाता है। यह शोध पत्र ठीक उसी नृत्य की गहराई में जाता है, यह पता लगाता है कि प्रकृति में मिलने वाली सामग्रियों का उपयोग करके परम "सुपर-जेल" कैसे बनाया जाए।

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प्रयोग: अंजीर और अंडे का मिश्रण

इस अध्ययन में, लिंगनान नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने दो बहुत विशिष्ट सामग्रियां मिलाने का निर्णय लिया: फिकस प्यूमिला पॉलीसैकराइड (FPP) और अंडे की सफेदी का प्रोटीन (EWP)।

FPP को एक चढ़ती हुई अंजीर के पौधे के बीजों से निकाला गया प्राकृतिक, चिपचिपा धागा समझें। यह पानी को रोकने में बहुत अच्छा है लेकिन अपने आप में थोड़ा कमजोर है, जैसे गीले स्पैगेटी का एक अकेला धागा। EWP अंडे की सफेदी में मौजूद प्रोटीन है। जब आप इसे गर्म करते हैं, तो यह एक ठोस जेल में बदल जाता है, जैसे उबले हुए अंडे का सफेद हिस्सा। हालांकि, अपने आप में, अंडे की सफेदी का जेल थोड़ा अस्थिर हो सकता है; यह आसानी से टूट सकता है या जमने और पिघलने के दौरान पानी छोड़ सकता है।

वैज्ञानिकों ने देखना चाहा कि इन दोनों को मिलाने पर क्या होता है। उन्होंने इस मिश्रण को दो मुख्य "नॉब्स" (नियंत्रण बटनों) के साथ एक विज्ञान प्रयोग की तरह माना:

1. pH नॉब: उन्होंने मिश्रण की अम्लता (acidity) या क्षारीयता (alkalinity) को समायोजित किया, 5.0 (खट्टा) से 9.0 (साबुन जैसा) तक के स्तरों का परीक्षण किया।
2. सांद्रता (Concentration) नॉब: उन्होंने अंजीर के बीज के धागे (FPP) की मात्रा बदली, जो 0% (केवल अंडे) से लेकर 0.4% तक थी।

इसके बाद उन्होंने मिश्रण को जेल बनाने के लिए गर्म किया, उन्हें ठंडा किया, और उन्हें कई कठिन परीक्षणों से गुजारा: उनकी कठोरता देखने के लिए उन्हें दबाना, जमने और पिघलने के चक्रों के दौरान यह देखने के लिए कि क्या वे पानी छोड़ते हैं, और उनकी सूक्ष्म संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करना।

उन्होंने क्या पाया: गोल्डिलॉक्स ज़ोन (संतुलन की स्थिति)

परिणामों से पता चला कि एक आदर्श जेल खोजने के लिए संतुलन ही सब कुछ है। यह केवल अधिक सामग्री जोड़ने के बारे में नहीं है; यह उन "गोल्डिलॉक्स" स्थितियों को खोजने के बारे में है जहाँ सब कुछ बिल्कुल सही बैठता है।

pH का सटीक बिंदु
जब वैज्ञानिकों ने देखा कि अम्लता ने जेल को कैसे बदला, तो उन्होंने पाया कि तटस्थ स्थितियां (pH 7) समग्र प्रदर्शन के लिए विजेता थीं।

• pH 7 पर: जेल सबसे संतुलित था। इसमें एक समान संरचना थी जो पानी को अविश्वसनीय रूप से अच्छी तरह से थामे रखती थी, यहाँ तक कि जमने और पिघलने के बाद भी। इसकी जल धारण क्षमता (water-holding capacity) 40.01% के उच्च स्तर पर पहुँच गई।
• pH 5 (अम्लीय) पर: जेल बहुत कठोर और सघन हो गया, लगभग एक ईंट की तरह। हालांकि यह मजबूत था, लेकिन जमने के चक्रों के दौरान पानी को रोकने में यह बहुत अच्छा नहीं था। अणु कुछ स्थानों पर बहुत कसकर आपस में जुड़ गए, जिससे एक अव्यवस्थित और असमान संरचना बन गई।
• pH 9 (क्षारीय) पर: जेल ढीला और खिंचाव वाला हो गया। अणु एक-दूसरे को दूर धकेल रहे थे क्योंकि वे सभी एक ही विद्युत आवेश (electrical charge) ले रहे थे, जिससे नेटवर्क कमजोर और पानी जैसा हो गया।

दिलचस्प बात यह है कि जबकि pH 7 सभी कार्यों के लिए सबसे अच्छा था, फ्रिज में लंबे समय तक भंडारण के लिए थोड़ा क्षारीय pH 8 वास्तव में सबसे अच्छा था। 80 घंटों के दौरान, pH 8 वाला जेल बिना अलग हुए सबसे लंबे समय तक स्थिर रहा, जबकि अन्य टूटने लगे थे।

सांद्रता वक्र: कम ही अधिक है
जब अंजीर के बीज के धागे (FPP) की मात्रा जोड़ने की बात आई, तो वैज्ञानिकों ने एक "बाइफेसिक" (biphasic) प्रभाव की खोज की, जिसका एक फैंसी तरीका यह कहना है कि "यह बेहतर होता है, फिर खराब हो जाता है।"

• जादुई संख्या (0.2%): थोड़ा सा FPP, विशेष रूप से 0.2% जोड़ना, सबसे सटीक बिंदु था। इस स्तर पर, अंजीर के धागे अतिरिक्त गोंद की तरह काम करते हैं, हाइड्रोजन बॉन्ड के माध्यम से अंडे के प्रोटीन को आपस में जोड़ते हैं। इसने जेल को कठोर बनाया (कठोरता 0.678 N तक पहुँची) और जमने से बचने की इसकी क्षमता में काफी सुधार किया। पानी के अलग होने की दर घटकर मात्र 7.49% रह गई, जिसका अर्थ है कि लगभग कोई पानी बाहर नहीं निकला।
• बहुत अधिक (0.3% - 0.4%): एक बार जब उन्होंने 0.2% से अधिक FPP जोड़ा, तो जेल टूटने लगा। अतिरिक्त धागे बाधा डालने लगे, जिससे मिश्रण अलग-अलग परतों में बंट गया (एक प्रक्रिया जिसे 'फेज़ सेपरेशन' कहा जाता है)। जेल नरम, च्युई (chewy) हो गया और फिर से पानी छोड़ने लगा।

सूक्ष्मदर्शी रहस्य: यह कैसे काम करता है

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे जेलों को देखा और विशेष प्रकाश स्कैनर्स (FTIR और XRD) का उपयोग किया।

उन्होंने पाया कि अंजीर के धागे और अंडे के प्रोटीन मिलकर कोई नया, अजीब रासायनिक राक्षस नहीं बनाते हैं। इसके बजाय, वे हाइड्रोजन बॉन्ड और विद्युत आकर्षण के माध्यम से एक-दूसरे का हाथ थामे रखते हैं।

• संरचना: सूक्ष्मदर्शी के नीचे, आदर्श जेल (0.2% FPP के साथ pH 7) एक चिकने, निरंतर जाल की तरह दिखता था जिसमें छोटे, समान छेद थे।
• पतन: जब उन्होंने बहुत अधिक FPP जोड़ा या pH को बहुत अधिक बदल दिया, तो जाल पैची (धब्बेदार) हो गया। कुछ छेद बहुत बड़े हो गए, और जाल की दीवारें असमान हो गईं।
• कोई क्रिस्टल नहीं: वैज्ञानिकों ने जांच की कि क्या इस मिश्रण ने कोई नई क्रिस्टल संरचना (जैसे बर्फ या चीनी के क्रिस्टल) बनाई, लेकिन उन्हें कुछ नहीं मिला। जेल एक नरम, अमोर्फस (गैर-क्रिस्टलीय) रूप में बना रहा, जो केवल उन कोमल, गैर-सहसंयोजक (non-covalent) बंधों द्वारा जुड़ा हुआ था।

यह क्यों मायने रखता है

यह अध्ययन दर्शाता है कि अम्लता और प्राकृतिक पौधों के रेशों की मात्रा को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, हम ऐसे जेल डिजाइन कर सकते हैं जो अविश्वसनीय रूप से स्थिर और मजबूत होते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह प्राकृतिक संयोजन खाद्य उद्योग के लिए गेम-चेंजर हो सकता है।

कल्पना कीजिए कि इस जेल का उपयोग निम्न कार्यों के लिए किया जा सकता है:

• भोजन को ताजा रखने के लिए उसके चारों ओर खाद्य फिल्म (edible films) बनाने के लिए।
• फलों और सब्जियों पर कोटिंग (लेप) बनाने के लिए जो उन्हें सड़ने से रोकती है।
• प्रोबायोटिक्स (दही में मौजूद अच्छे बैक्टीरिया) के लिए सुरक्षात्मक वाहक बनाने के लिए ताकि वे आपके पेट के सफर के दौरान जीवित रह सकें।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह प्रणाली जटिल है, लेकिन यह अत्यधिक "डिज़ाइन करने योग्य" है। नियमों का पालन करके—विशेष रूप से जमने की स्थिरता के लिए 0.2% FPP और pH 7 का उपयोग करना, या फ्रिज में लंबे भंडारण के लिए pH 8 का उपयोग करना—हम भविष्य के भोजन के लिए प्राकृतिक, सुरक्षित और प्रभावी सामग्री बना सकते हैं। यह एक याद दिलाता है कि कभी-कभी, सबसे अच्छे समाधान प्रकृति के अवयवों को सही अनुपात में मिलाकर ही मिलते हैं।