Obiectives

RO

Obiectiv general

Obiectivul științific general al proiectului constă în identificarea unui model de comportament prin care cele două reacții competitive – reticulare și degradare – câștigă poziția dominantă în funcție de factorii de intrare: parametrii de procesare a plasmei și caracteristicile amidonului nativ.


Principalele obiective măsurabile concrete ale proiectului sunt:

  1. Modificare amidonuri cu diferite  caracteristici (conținut de umiditate, raport amiloză/amilopectină, dimensiuni granule, diferite origini) printr-o tehnică fizică (tratament cu plasmă RF), variind parametrii critici de procesare (geometrie probă, timp de expunere, nivel putere plasmă);
  2. Evaluare efecte induse de plasmă în amidon prin caracterizarea fizico-chimică și funcțională a amidonurilor modificat;
  3. Modelare răspuns amidon modificat cu plasmă și selectarea acelor valori ale parametrilor de procesare și caracteristicilor materialelor la care se modifică dominanța reacției competitive;
  4. Identificare model de comportament care selectează care dintre reacțiile competitive (implicate în procesarea amidonului cu plasmă) devine dominantă: reticulare sau degradare;
  5. Diseminare rezultate proiect prin publicare în reviste de specialitate reviste științifice și prezentarea acestora la evenimente științifice și tehnice din domeniul specific;
  6. Atragere resurse umane prin implicare de masteranzi în activitatea de cercetare-dezvoltare;
  7. Modernizare infrastructură de cercetare disponibilă prin achiziționarea de articole noi și moderne.

Rezumat proiect

Cercetări în derulare în domeniul științei și tehnologiei alimentelor abordează aspecte privind modificarea amidonului nativ prin expunerea la diferite tipuri de plasmă. Modificările induse de plasmă în amidon se produc în general prin două reacții competitive majore, reticulare și depolimerizare, în funcție de condițiile experimentale. Prin urmare, unul dintre principalele puncte constă în capacitatea de a prezice contribuția reacției competitive în corelație cu condițiile experimentale. Proiectul SELECT intenționează să identifice un model de comportament prin care unul dintre cele două reacții competitive câștigă poziția dominantă în funcție de factorii de intrare: parametrii plasmei și caracteristicile amidonului nativ. Noutatea proiectului este de a elucida rolul factorilor de intrare care trebuie luați în considerare în design-ul tehnologic de expunere a amidonului în plasmă, întrucât aceștia pot influența semnificativ modul în care amidonul este modificat. Literatura de specialitate raportează efecte contradictorii pentru care sunt date justificări incomplete deoarece sunt ignorate caracteristicile structurale ale amidonului, dar și unii parametri de tratare în plasmă cum ar fi dimensiunile probelor. Astfel, este de așteptat ca abordarea coerentă și aprofundată a acestei problematici în cadrul proiectului nostru să aducă la lumină acei factori care joacă rol semnificativ în efectul predominant al reacțiilor competitive la modificarea amidonului prin tratare cu plasmă.

ETAPE

Etapa 1: Investigare influență parametrii de procesare asupra reacțiilor competitive pentru amidonul modificat cu plasmă (31.12.2022)

Activităţile proiectului în această etapă au fost dedicate în principal investigării unor parametri critici de procesare (geometrie probă și timp de tratare) la expunerea amidonului în plasmă de radiofrecvență (RF) cu scopul modificării de proprietăți fizico-chimice.  

Activităţile experimentale s-au focalizat pe redimensionarea setup-ului experimental existent de tratare a amidonului în plasmă (RF), pe expunerea amidonului în plasmă în diferite geometrii pentru diferiți timpi de tratament, precum și caracterizarea fizico-chimică a amidonurilor modificate obținute în comparație cu amidonul nativ (netratat). Rezultatele obţinute au condus la selectarea și dimensionarea probelor care au fost procesate în plasmă RF la 13,56 MHz în aer, la presiune joasă, cu timpi diferiţi de expunere. În continuare, au fost evaluate proprietăţile fizico-chimice, structurale şi funcţionale atât ale amidonului nativ, cât și amidonurilor modificate. Rezultatele obţinute au arătat că, în condițiile experimentale selectate pentru această etapă, proprietăți de importanță tehnologică (de ex. caracteristici reologice) ale amidonul pot fi modificate cu succes, cu un efect de reticulare predominant odată cu creșterea cantității și timpului de probă expusă procesării în plasmă, permiţând astfel continuarea studiilor demarate în cadrul acestui proiect.

Etapa 2: Impact caracteristici amidon nativ asupra reacțiilor competitive pentru amidon modificat cu plasmă (31.12.2023)

Activităţile proiectului în această etapă au fost dedicate investigării atât a parametrilor critici de procesare (nivel putere al plasmei), cât și a caracteristicilor de material (conținut de umiditate, raport amiloză/amilopectină, sursă cerealieră de proveniență) la expunerea amidonului în plasmă de radiofrecvență (RF) cu scopul modificării de proprietăți fizico-chimice.  Activităţile experimentale au implicat procesarea de amidon de porumb în plasmă la diferite puteri, expunerea de amidon cu diferite caracteristici (umiditate, compoziție, sursă cerealieră de proveniență) în plasmă menținând constanți parametrii de procesare, precum și investigarea fizico-chimică și structurală a amidonurilor modificate obținute în comparație cu amidonul netratat (nativ) corespunzător. Rezultatele obţinute au arătat că, în condițiile experimentale selectate pentru această etapă, o serie de proprietăți fizico-chimice ale amidonului, precum aciditate, conținut de amiloză, solubilitate, parametri reologici, distribuții de mase moleculare, au fost modificate în mod controlat. Evoluția acestora raportată la caracteristicile formei native a amidonului și parametri de procesare în plasmă a permis identificarea umiditații amidonului ca fiind un factor cheie în controlul proceselor care permit modificarea amidonului prin procesare cu plasmă RF. De asemenea, s-a identificat că timpul de vidare și presiunea din incinta de tratare pot fi pârghii eficiente de manipulare a nivelului de umiditate a amidonului și, deci, și de control al dinamicii reacțiilor datorate plasmei: restructurare (reticulare, reorganizare) și degradare (etching, fragmentare, depolimerizare). În acest mod, proprietăți de importanță tehnologică (de ex. solubilitate, putere de umflare, caracteristici reologice) ale amidonul pot fi modificate cu succes, cu un efect de reticulare predominant odată cu reducerea timpului de vidare și evitarea proceselor de deshidratare a amidonului procesat în plasmă RF.

Etapa 3: Identificare model de comportament general care selectează reacția dominantă pentru modificarea amidonului prin proccesare în plasmă (31.12.2024)

EN

General Objective

The general scientific objective of the project is the identification of a behaviour pattern through which the two competitive reactions – crosslinking and degradation – gain the dominant position depending on the input factors: the plasma processing parameters and the native starch features.

The major concrete measurable objectives of the project are:

  1. Modification of starches with different features (moisture content, amylose/amylopectin ratio, granule sizes, different origins) by a physical technique (RF plasma treatment), varying critical processing parameters (sample geometry, exposure time, plasma power level);
  2. Evaluation of plasma induced effects in starch by physicochemical and functional characterization of the modified starches;
  3. Modeling the response of the plasma modified starch and selection of those values of the processing parameters and material features at which the competitive reaction dominance changes;
  4. Identification of the behaviour pattern that selects which of the competitive reactions (involved in the plasma processing of the starch) becomes dominant: crosslinking or degradation;
  5. Dissemination of the project results by publication in high-rated journals scientific journals and their presentation to scientific and technical events in specific field;
  6. Attracting human resources by involving Master’s students in the research-development activity;
  7. Upgrading the available research infrastructure by purchasing of new and modern items.

Project Summary

On-going research in food science and technology approach aspects regarding the modification of native starches by exposure to various plasmas. Starch is often modified to enhance its functional properties desired in specific technological applications. The plasma induced changes in its macromolecule are generally caused through two major competitive reactions, crosslinking and depolymerization, depending on the experimental conditions. Therefore, one of the main points is to be able to predict the competitive reaction contribution in correlation with the experimental conditions. SELECT project intends to identify a behavior pattern through which the two competitive reactions gain the dominant position depending on the input factors: the plasma processing parameters and the native starch features. The novelty of the project is to elucidate the role of the input factors that must be taken into account in the technological design of starch exposure to plasma since they may significantly influence the manner in which starch is modified. The literature reports contradictory effects for which incomplete justifications are given as the structural starch features and some plasma parameters (i.e., dimensions of the samples) are ignored. Thus, it is expected that the coherent and in-depth approach of this issue within our project will bring to the light the factors playing a significant role in the predominant effect of competitive reactions for starch modification by plasma treatment

STAGES

Stage 1: Investigation of processing parameter influence upon competitive reactions for plasma-modified starch (December 31, 2022)

The project activities during this phase were dedicated to investigating some critical processing parameters, such as sample geometry and treatment time, for exposing starch to radiofrequency (RF) plasma in order to modify its physicochemical properties. The experimental activities focused on resizing the existing setup for starch treatment in RF plasma, exposing starch under various geometries to plasma for different treatment durations, and characterizing the physicochemical properties of the modified starches compared to native (untreated) starch. The results led to the selection and adjustment of sample sizes for processing in RF plasma at 13.56 MHz in low-pressure air, with different exposure times. Following plasma treatment, the physicochemical, structural, and functional properties of both native and modified starches were evaluated. The results showed that, under the selected experimental conditions applied in this stage, key technological properties of starch, such as rheological characteristics, could be successfully modified, with a predominant crosslinking effect observed as the sample quantity and exposure time to plasma increased. These findings support the continuation of the studies initiated under this project, demonstrating the potential for further advancements in starch modification through RF plasma treatment.

Stage 2: Impact of the native starch features on the competitive reactions for starch modified by plasma processing (December 31, 2023)

The project activities during this stage were dedicated to investigating both critical processing parameters (plasma power level) and material characteristics (moisture content, amylose/amylopectin ratio, and cereal source origin) during the exposure of starch to radiofrequency (RF) plasma to modify its physicochemical properties. The experimental activities involved the processing of corn starch in plasma at different power levels, exposing starch with various characteristics (moisture content, composition, and cereal source origin) to plasma while keeping processing parameters constant, and conducting physicochemical and structural analyses of the modified starch compared to its untreated (native) counterpart. The results demonstrated that, under the experimental conditions selected for this stage, several physicochemical properties of starch, such as acidity, amylose content, solubility, rheological parameters, and molecular weight distributions, were modified in a controlled manner. The changes observed relative to the native starch characteristics and plasma processing parameters allowed us to identify moisture content as a key factor in controlling the processes that enable starch modification through RF plasma processing. Additionally, it was found that vacuum time and chamber pressure during treatment can serve as effective levers to manipulate starch moisture levels, thus controlling the dynamics of plasma-induced reactions: restructuring (crosslinking, reorganization) and degradation (etching, fragmentation, and depolymerization). In this way, technologically significant properties of starch (e.g., solubility, swelling power, rheological characteristics) can be successfully modified, with a predominant crosslinking effect observed when vacuum time is reduced, thereby avoiding dehydration processes in RF plasma-treated starch.

Stage 3: Identification of a general behaviour pattern that selects the dominant reaction for starch modification by plasma processing (December 31, 2024)

Posted by November 12th, 2024