چكيده اين پژوهش به بررسي توليد نانوذرات ايزوله پروتئين كنجد (SPIN) حاصل از كنجاله دانه كنجد، يك فرآورده جانبي كشاورزي، از طريق فرآيند حرارتي و ژل‌زايي القايي با نمك، به منظور فرموله‌سازي امولسيون‌هاي پيكرينگ با فاز داخلي بالا (HIPPE) و سپس مدلسازي پايداري آن به روش سري¬هاي زماني با هدف ارتقاي مديريت پايدار ضايعات غذايي، مي¬پردازد. نانوذرات از نظر ويژگي‌هاي فيزيكوشيميايي، حرارتي، ساختاري و مورفولوژيكي مورد بررسي قرار گرفتند. اندازه نانوذرات SPIN در بازه 172 تا 318 نانومتر بود و سطح آن‌ها نسبت به ايزوله پروتئين كنجد (SPI)، آب‌گريزتر شد. اثر SPI و SPIN بر خواص بين‌سطحي، حلاليت، ظرفيت امولسيفايري، پايداري امولسيون و ويژگي‌هاي كف بررسي شد. نتايج نشان داد كه كشش بين‌سطحي با افزايش غلظت پروتئين كاهش يافته و SPIN نسبت به SPI عملكرد بهتري دارد. حلاليت SPI و SPIN وابسته به غلظت و pH بود و كمترين حلاليت در نزديكي نقطه ايزوالكتريك (5pH) مشاهده شد. ظرفيت امولسيفايري و شاخص پايداري امولسيون با افزايش غلظت پروتئين و دوري از نقطه ايزوالكتريك افزايش يافت. همچنين، ظرفيت و پايداري كف با ويژگي‌هاي بين‌سطحي، آب‌گريزي و بار سطحي پروتئين‌ها مرتبط بود و SPIN به دليل فعاليت سطحي بيشتر و آب‌گريزي بالاتر، كف پايدارتر ايجاد كرد. طيف‌سنجي FTIR نشان داد كه فرآيند تهيه نانوذره منجر به بازچيني ساختاري پروتئين، تشكيل پيوندهاي هيدروژني و تعاملات يوني جديد و تغيير در ساختار سطح نانوذرات شد. آناليز گرماوزني و مشتق آن بيانگر دو مرحله كاهش وزن براي SPI و SPIN بود كه كاهش وزن در SPIN با شروع زودتر و شيب تندتر مشاهده شد، كه ناشي از نسبت سطح به حجم بالاتر و افزايش تماس با محيط حرارتي بود. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشان دادند كه SPIN داراي مورفولوژي نسبتاً كروي و داراي زوايا و فضاي خالي بين ذره‌اي است، در حالي كه SPI ساختاري نامنظم و توده‌اي با سطح زبر از خود نشان داد. امولسيون‌هاي HIPPE با سه غلظت SPIN (5/0، 1 و 2%w/v ) تهيه شدند. نتايج نشان داد كه با افزايش غلظت SPIN، اندازه قطرات كاهش و يكنواختي توزيع افزايش يافت. ميانگين اندازه قطرات مولسيون در روز صفر از 1/4 ± 9/7 ميكرومتر در غلظت 5/0% به 52/2 ± 8/3 ميكرومتر در غلظت 2% كاهش يافت و پس از 28 روز، نمونه 2% با ميانگين قطر 2/1 ± 8/37 ميكرومتر، مورفولوژي يكنواخت خود را حفظ كرد. در حالي كه نمونه 5/0% غير يكنواخت با قطرات 8/1 ± 6/129 ميكرومتر مشاهده شد. شاخص خامه‌اي شدن نشان داد كه با افزايش غلظت SPIN از 5/0% به 2%، پايداري در برابر خامه‌اي شدن به‌طور معني‌داري (05/0 p <‎) افزايش يافت. تمامي نمونه‌هاي HIPPE در هر سه غلظت SPIN رفتار غيرنيوتني رقيق‌شونده داشتند و ويسكوزيته با افزايش غلظت افزايش يافت. تحليل رئولوژيكي نشان داد كه مدول ذخيره‌اي (Gʹ) در تمام نمونه‌ها از مدول افت (Gʺ) پيشي گرفت و بيشترين مقدار Gʹ در نمونه 2% ثبت شد، كه نشان‌دهنده رفتار شبه‌جامد آن¬ها است. تصاوير TEM و CLSM نشان دادند كه قطرات روغن توسط SPIN گرفتار شده و نانوذرات به‌عنوان لايه محافظ دور قطرات عمل كرده و شبكه در شبكه سه‌بعدي تثبيت‌شده ايجاد مي‌كنند. براي بررسي رفتار ديناميكي پايداري، داده‌هاي سري زماني HIPPE در بازه چهار هفته‌اي ثبت شد. آزمون ديكي–فولر مقدار آماره98130/1- و 295/0 p=را گزارش كرد كه حاكي از نايستايي سري اوليه بود. پس از يك مرتبه تفاضل‌گيري، داده‌ها ايستا شدند (آماره آزمون ديكي فولر 82586/7-، 001/0p<‎) و بر اساس تحليل نمودارهاي ACF ، PACF و برازش چندين مدل،ARIMA(0,1,2) به‌عنوان مدل بهينه انتخاب گرديد. ضرايب مؤلفه‌هاي ميانگين متحرك در اين مدل معنادار بودند (05/0 p <‎). تحليل باقيمانده‌ها از طريق نمودار پراكندگي، احتمال نرمال و آزمون Ljung-Box نشان داد كه خطاها داراي توزيع نرمال، مستقل و فاقد خودهمبستگي معنادار هستند. همچنين، داده‌هاي واقعي در محدوده باندهاي پيش‌بيني با سطح اطمينان 95% قرار گرفتند كه بيانگر دقت بالاي مدل در برازش داده‌ها و پيش‌بيني رفتار پايداري امولسيون‌ها است.

This study investigates the production of sesame protein isolate nanoparticles (SPIN) from sesame cake, an agricultural by-product, through thermal processing an‎d salt-induced gelation, aiming to formulate high internal phase Pickering emulsions (HIPPEs) an‎d model their stability using time-series analysis to promote sustainable food waste management. The nanoparticles were characterized in terms of physicochemical, thermal, structural, an‎d morphological properties. SPIN particle sizes ranged from 172 to 318 nm, an‎d their surfaces were more hydro‎phobic than those of sesame protein isolate (SPI). The effects of SPI an‎d SPIN on interfacial properties, solubility, emulsifying capacity, emulsion stability, an‎d foaming properties were eva‎luated. Surface tension decreased with increasing protein concentration, an‎d SPIN showed superior performance compared to SPI. Protein solubility was dependent on concentration an‎d pH, with the lowest solubility observed near the isoelectric point (pH 5). Emulsifying capacity an‎d emulsion stability increased with higher protein concentration an‎d deviation from the isoelectric point. Foam capacity an‎d stability were related to interfacial properties, hydro‎phobicity, an‎d surface charge, with SPIN producing more stable foams due to higher surface activity an‎d hydro‎phobicity. FTIR spectroscopy indicated structural rearrangements in SPIN, formation of new hydrogen bonds an‎d ionic interactions, an‎d changes in surface structure. Thermogravimetric analysis (TGA) an‎d derivative thermogravimetry (DTG) showed two weight-loss stages for SPI an‎d SPIN, with SPIN exhibiting earlier an‎d steeper weight loss due to higher surface-to-volume ratio an‎d greater thermal exposure. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that SPIN had relatively spherical morphology with interparticle spaces, whereas SPI appeared irregular an‎d aggregated with rough surfaces. HIPPEs were prepared with SPIN at 0.5%, 1%, an‎d 2% (w/v). Increasing SPIN concentration reduced dro‎plet size an‎d improved uniformity; mean dro‎plet diameter decreased from 7.9 ± 1.4 μm at 0.5% to 3.8 ± 2.52 μm at 2%. After 28 days, the 2% sample maintained uniform morphology (37.8 ± 1.2 μm), while the 0.5% sample exhibited heterogeneous dro‎plets (129.6 ± 8.1 μm). Creaming index results indicated significantly improved resistance to creaming with increasing SPIN concentration (p <‎ 0.05). All HIPPE samples exhibited shear-thinning non-Newtonian behavior, with viscosity increasing as SPIN concentration increased. Rheological analysis showed that the storage modulus (Gʹ) exceeded the loss modulus (Gʺ) in all samples, with the highest Gʹ observed for the 2% sample, indicating semi-solid-like behavior. TEM an‎d CLSM imaging confirmed that oil dro‎plets were trapped within a three-dimensional network stabilized by SPIN, with nanoparticles forming protective layers around dro‎plets. Time-series analysis over four weeks revealed that the original HIPPE data were non-stationary (Dickey–Fuller statistic = -1.98130, p = 0.295), but first differencing achieved stationarity (statistic = -7.82586, p <‎ 0.001). Based on ACF, PACF, an‎d multiple model fittings, ARIMA (0, 1, 2) was selec‎ted as the optimal model, with significant moving average coefficients (p <‎ 0.05). Residual analysis confirmed normally distributed, independent, an‎d non-autocorrelated errors. Observed data fell within the 95% confidence prediction ban‎ds, indicating high accuracy of the model for predicting emulsion stability. Keywords: Sesame protein nanoparticles, high internal phase Pickering emulsions, emulsion stability, time-series

ميلاد فتحي

اميرحسين گلي

ژاله ورشوساز , هاجر شكرچي زاده , مرتضي صادقي