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Traducido
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aplicación: Efecto sobre la estructura, propiedades y funcionalidad del trigo y almidones de yuca
Resumen.
Este trabajo evaluó el impacto del PEF en la estructura, propiedades y funcionalidad del trigo y la
yuca. almidones centrándose en la aplicación de impresión 3D. Las suspensiones acuosas de
almidón se trataron con PEF utilizando tres combinaciones de intensidad de campo y entrada de
energía específica total (T1: 15 kV/cm; 25 kJ/kg; T2: 25 kV/cm; 25 kJ/kg; y T3: 25 kV/cm; 50 kJ/kg).
Las tres condiciones tuvieron el mismo efecto sobre el almidón de yuca (sin daño sobre los
gránulos superficie, reducción del pico de viscosidad aparente, geles más firmes), mientras que T3
promovió un mayor efecto sobre el almidón de trigo (fracturas en la superficie de los gránulos,
reducción de la viscosidad aparente máxima y geles más firmes). Se seleccionó la condición T3
para una evaluación adicional, que revela la despolimerización, la reducción de la cristalinidad
relativa y la gelatinización, entalpía, pero sin cambios en los grupos funcionales. El almidón de
trigo tratado con PEF dio como resultado una impresión 3D con una textura más suave superficie y
diferente textura, mientras que el almidón de yuca tratado con PEF mostró el mismo desempeño
del almidón nativo.
Por lo tanto, el PEF afecta de manera diferente a cada fuente, mejorando potencialmente las
aplicaciones de impresión 3D.
Materiales y métodos.
material y métodos
El almidón nativo de yuca (Amilogill 1500) fue suministrado por Cargill Agrícola – Brasil (contenido
de humedad de 13,2 g/ 100 g). Trigo nativo almidón (CAS 9005-25-8) se obtuvo de Merck KGaA
(Alemania) (contenido de humedad de 10,1 g/ 100 g). Todos los productos químicos eran de
análisis grado. Antes del procesamiento, las suspensiones de almidón de trigo o de mandioca se se
prepara añadiendo el polvo de almidón al agua destilada hasta una final concentración del 8%
(p/v). La conductividad eléctrica inicial del almidón. suspensiones (0.089 ± 0.003 Ms./cm a 25 ◦C,
en promedio) (Conductividad-medidor HI 9033, Hanna Instrument, Milán, Italia) se ajustó
agregando una cantidad dada de KCl hasta un valor final de aproximadamente 1 Ms./cm a 25 ◦C, lo
que aseguró un mejor desempeño del sistema PEF utilizado para los experimentos.
Los tratamientos con PEF se realizaron en un PEF de flujo continuo a escala de banco unidad (Fig.
1) previamente descrita en detalle por Postma et al. (2016) y Carullo et al. (2018), con algunas
modificaciones. Brevemente, consistía en una bomba peristáltica utilizada para transferir las
suspensiones de almidón a través de un tubo en espiral de acero inoxidable sumergido en un baño
de calentamiento de agua utilizado para controlar la temperatura de entrada a la cámara de
tratamiento. Este último consistía en dos módulos, cada uno hecho de dos cilíndricos colineales
cámaras de tratamiento, conectadas hidráulicamente en serie, con un interior radio de 1,25 mm y
una distancia de separación de 4 mm. Las cámaras de tratamiento se conectaron a la salida de una
potencia pulsada de alto voltaje (20 kV–100 A) generador (Diversified Technology Inc., Bedford,
WA, EE. UU.) capaz de entregar pulsos cuadrados monopolares (1–10 μs, 1–1000 Hz). El máximo
intensidad del campo eléctrico (E, en kV/cm) y entrada de energía específica total (WT, en kJ/kg
suspensión) se calcularon según lo informado por Postma et al. (2016). Se utilizaron termopares T
para medir la temperatura del producto. en la entrada y salida de cada módulo de la cámara PEF.
Durante el tratamiento con PEF, la suspensión de almidón se bombeó desde un tanque de
alimentación bajo agitación, a través de la cámara de tratamiento a una constante caudal de 2 L/h.
En todos los experimentos, la duración del pulso se fijó en 5 μs, mientras que la intensidad del
campo eléctrico y la entrada de energía específica total fueron se ajusta variando la tensión
aplicada y la frecuencia de repetición de impulsos, respectivamente. Primero, tres combinaciones
diferentes de intensidad de campo y entrada de energía (T1: 15 kV/cm - 25 kJ/kg; T2: 25 kV/cm -
25 kJ/kg; y T3: 25 kV/cm - 50 kJ/kg) fueron seleccionados para tratar trigo (W) y
almidones de yuca (C), como se muestra en la Fig. 1 y la Tabla 1. Todos los experimentos se
llevaron a cabo a una temperatura de entrada de cada módulo de cámara PEF de 25 ± 2 ◦C,
mientras que el incremento máximo de temperatura de las muestras, detectadas a la salida de la
cámara de tratamiento, nunca superó los 10 ◦C. En aras de la comparación, las muestras no
tratadas (control) del almidón suspensiones fueron bombeadas a través de la planta PEF con el
baño de calentamiento ajustado a 25 ◦C, pero con el generador de PEF apagado. A la salida de la
cámara de tratamiento, sin tratar (control) y PEF Las suspensiones tratadas se recogieron en tubos
de plástico y se colocaron en un recipiente con hielo. baño de agua para ser enfriado rápidamente
hasta una temperatura final de 25 ◦C antes someterse al proceso de extracción acuosa. Después
del procesamiento, la suspensión de almidón se recogió y se mantuvo en reposo para decantar.
Después de 18 h, se descartó el sobrenadante y se el almidón se recuperó y se secó en un horno
de circulación de aire (Heraeus, Alemania) a 35 ◦C hasta alcanzar un contenido de humedad de
aproximadamente 12%. A continuación, el almidón seco se maceró, se tamizó (250 μm) y se
almacenó en recipientes de vidrio hasta su posterior análisis. Las muestras no tratadas y tratadas
con PEF se nombraron como se indica en Tabla 1.
La morfología de los gránulos de almidón del almidón no tratado y tratado con PEF las muestras se
observaron utilizando un microscopio óptico Nikon Eclipse TE2000-U (Nikon, Reino Unido) con un
aumento de 20x y una cámara digital de 5,1 megapíxeles (MT9P001, Aptina, Colorado, EE. UU.).
Los gránulos de almidón se dispersaron en agua destilada (1,1, v/v). Luego, se colocaron sobre
unos portaobjetos de vidrio, cubierto por un cubreobjetos de vidrio y analizado. para la
determinación de birrefringencia, las muestras se examinaron con el mismo microscopio, pero
equipado con un filtro polarizador cruzado.
3.1. Determinación de los parámetros de procesamiento de PEF para obtener almidones con
capacidad para formar hidrogeles más fuertes
En esta primera parte, tres condiciones diferentes de tratamiento de PEF (T1, T2, y T3)
establecidos mediante la combinación de la intensidad de campo (E) y la entrada de energía (WT)
fueron evaluados para obtener almidón modificado con capacidad para formar hidrogeles más
fuertes, ya que esto se asoció anteriormente con un mejor rendimiento de impresión (Maniglia et
al., 2019). La Fig. 2 muestra los resultados del análisis de microscopía en no tratados y Gránulos de
almidones de trigo y mandioca tratados con PEF. almidón de mandioca mostró gránulos más
pequeños con mayor variación que el almidón de trigo. Además, los gránulos de almidón de trigo
mostraron una forma casi esférica, mientras que los almidones de yuca aparecían constituidos por
gránulos redondos con forma truncada (Maniglia et al., 2020; Maniglia, Lima, da Matta Júnior, et
al., 2020). El PEF no provocó cambios ni degradación en el almidón de yuca superficie y morfología
de los gránulos. Por otro lado, el almidón de trigo tratados por PEF (principalmente condiciones T2
y T3) mostraron algunos daños y fracturas en las superficies de los gránulos. Esto es consistente
con los hallazgos de Zeng, Gao, Han, Zeng y Yu (2016), quienes observaron que el tratamiento con
PEF puede promover el daño en la parte exterior de los gránulos de almidón de arroz ceroso.
Además, los tratamientos con PEF promovieron una ligera reducción en la franja de almidón de
yuca, lo que sugiere posibles efectos en la microestructura interna del gránulo. No se observaron
efectos similares para almidón de trigo. Según Li et al. (2019), PEF puede desintegrar el cadenas
compactas de almidón, que afectan la superficie y las estructuras internas de gránulos de almidón
en diferente medida, dependiendo del tipo cristalino del almidón La Fig. 3 muestra el perfil de
pegado de los almidones de yuca y trigo, cuyos parámetros se muestran en la Tabla 2. En general,
en comparación con el trigo almidón, el almidón de yuca mostró mayor pico de viscosidad
aparente (PAV) y temperatura de pegado (PT), pero menor viscosidad aparente (TAV) y viscosidad
aparente final (FAV). De esta manera, un comportamiento diferente en los procesos de
gelatinización y retrogradación deben esperarse para estas dos fuentes de almidón. La aplicación
del tratamiento con PEF redujo significativamente (p < 0,05) PAV, independiente de las
condiciones de procesamiento y la fuente de almidón. Sin embargo, vale la pena señalar que, PEF
indujo una mayor reducción significativa en parámetro PAV cuando se cumplieron las condiciones
extremas de tratamiento (T3). aplicado al almidón de trigo. PAV representa la pasta máxima
aparente viscosidad alcanzada en la etapa de calentamiento, e indica el punto exacto.
entre el máximo hinchamiento y la ruptura del gránulo (Balet, Guelpa, Fox y Manley, 2019). Por lo
tanto, a partir de nuestros resultados, parece que el PEF tratamiento redujo ligeramente la
capacidad de retención de agua de ambos almidones, que, en consecuencia, logró una menor
capacidad de hinchamiento antes de la ruptura. Este comportamiento se puede atribuir al hecho
de que el PEF puede escindir los enlaces glucosídicos, debilitando los gránulos de almidón y, en
consecuencia, en consecuencia, reduciendo la capacidad para mantener su integridad (Chung,
Min, Kim y Lim, 2007). Esto es consistente con los hallazgos de Duque et al. (2020), quienes
observaron que el tratamiento con PEF reducía el PAV de los almidones de avena y que el efecto
fue más pronunciado con el aumento específico energía.
cambios en el caso de las muestras de yuca. TAV representa el mínimo Viscosidad aparente de la
pasta alcanzada después del período de mantenimiento al máximo temperatura; según Zou, Xu,
Tian y Li (2019), la reducción de este parámetro indica la degradación de las estructuras cristalinas
y despolimerización (escisión de enlaces glucosídicos) promovida por PEF. Además, el
procesamiento de PEF significativamente (p < 0.05) redujo la parámetro de retroceso relativo
(RSB) para el almidón de yuca, mientras que aumentó el valor de este parámetro para el almidón
de trigo. RSB es un parámetro que indica la tendencia a la retrogradación, que consiste en la
reasociación o reordenamiento de las moléculas de almidón (Cozzolino, 2016). Por lo tanto,
nuestro los resultados indicaron que el tratamiento con PEF resultó en yuca modificada almidones
con menor capacidad de retrogradación, mientras que el trigo modificado los almidones
aumentaron su capacidad de retrógrado, especialmente en la parte superior intensidad del
tratamiento investigada. Según Wu et al. (2019), el Las variaciones en los valores de RSB de los
almidones pueden atribuirse a su cambios en la estructura molecular promovidos por el
tratamiento con PEF. Sin embargo, vale la pena mencionar que solo una retrogradación parcial
tiene lugar durante la evaluación del pegado, siendo necesarios períodos más prolongados en
temperaturas más bajas para la gelificación y la evaluación del gel.
La Fig. 4 muestra la firmeza del hidrogel de no tratados (control) y PEF- almidones tratados de yuca
y trigo. Los resultados muestran que los hidrogeles basados en almidón de trigo tratado con PEF
mostró significativamente (p < 0.05) mayor firmeza que la lograda con almidón nativo, mientras
que estadísticamente no se detectó una diferencia significativa entre hidrogel basado en almidón
de yuca tratado y tratado con PEF. Entre las muestras tratadas con PEF, solo la condición PEF T3
(50 kV/cm y 50 kJ/kg) dio como resultado almidón de trigo con una firmeza de gel
significativamente mayor (p < 0,05), mientras que no Se detectaron cambios significativos para los
hidrogeles de almidón de yuca con respecto a menos las condiciones de tratamiento de PEF
aplicadas. Además, vale la pena señalar.
que los hidrogeles a base de almidón de trigo mostraron mayor firmeza que hidrogeles a base de
almidón de yuca. Según Zhu (2018), las diferencias entre las fuentes de almidón (patrón cristalino,
tamaño de gránulo y peso molecular). estructura) puede contribuir a la diferencia local en el con
conductividad durante el tratamiento con PEF. Además, la formación de gel se produce por el
proceso de retrogradación que favorece la formación de cadenas enredos y el reordenamiento de
las moléculas de almidón (BeMiller & Silbador, 2009). Además, una mejor formación de gel o un
gel superior La fuerza en los almidones modificados se puede relacionar con una mejor
reasociación de las moléculas de almidón (amilosa y amilopectina)(Lima et al., 2020). En así, indica
que el tratamiento con PEF promovió la formación de almidón moléculas con mejor capacidad de
reasociación. La firmeza del gel fue fundamental para los próximos pasos de este trabajo.
Residencia en estos resultados, seleccionamos almidones modificados por PEF con capacidad para
formar hidrogeles más fuertes. Este análisis es una buena indicación de la imprimibilidad del
hidrogel y tiene una buena correlación con su comportamiento cuando se usa en impresión 3D
real (Maniglia et al., 2019). Por lo tanto, en el próximos pasos, se trabajó con almidones de yuca y
trigo tratados por PEF en la condición T3 (50 kV/cm; 50 kJ/kg), ya que esta condición resultó en
almidones modificados con mayor firmeza de hidrogel, al menos para uno de los fuentes de
almidón investigadas. A partir de ahora, las muestras C_T3 y W_T3 se nombran como C_PEF y
W_PEF, respectivamente.
Una banda ancha extrema a 3300 cm − 1 se puede asociar con O–H vibraciones de estiramiento
(Barroso & del Mastro, 2019). La banda a las 2930 cm− 1 pertenece a las vibraciones de
estiramiento del enlace C–H (Xiong, Li, Shi, & Ye, 2017). La banda de 1650 cm-1 se atribuyó a la
vibración de flexión del H2O, y surge de las vibraciones de las moléculas de agua adsorbidas en el
noregión cristalina (Hong, Chen, Zeng y Han, 2016; Kizil, Irudayaraj y Seetharaman, 2002). La
banda a 1350 cm− 1 se puede atribuir a O–H flexión debido a los alcoholes primarios o secundarios
(Muscat, Adhikari, Adhikari y Chaudhary, 2012). Las muestras de almidón muestran una región de
huellas dactilares basada en bandas en 1200–900 cm− 1 (Fig. 5(B)) y esta región proporcionó
información sobre cambios en la estructura polimérica y la conformación del almidón (Dankar,
Haddarah, Omar, Sepulcre, & Pujola, 2018). Las bandas en la región de la huella digital son
sensibles a los cambios en el almidón. estructura (Warren, Gidley, & Flanagan, 2016). La banda
alrededor de 1040 cm− 1 se ha relacionado con estructuras ordenadas, la banda alrededor de
1020 cm− 1 a estructuras amorfas (López-Silva, Bello-Perez, Agama-Acevedo, & Álvarez-Ramírez,
2019). La relación entre las intensidades de la banda a 1040 y 1020 cm− 1 (R1040/1020) se pueden
utilizar como medidas de corto alcance estructura molecular ordenada del almidón (Flores-
Morales, Jim ́enez-Estrada, & Mora-Escobedo, 2012; Warren et al., 2016). La Fig. 5(C) muestra la
relaciones estimadas R1040/1020 entre las intensidades de banda de los diferentes muestras de
almidón (control de yuca y trigo y tratadas por PEF).los almidones modificados mostraron una
relación R1040/1020 ligeramente más baja cuando en comparación con sus respectivos controles.
Indica que el tratamiento con PEF afectado el grado de orden de corto alcance porque
probablemente este tratamiento promovió una reducción en la porción de estructuras cristalinas.
Aun así, los resultados indican que el PEF no promovió la modificación en los grupos funcionales
del almidón, aunque alguna alteración en el cristalino porción de gránulos. De hecho, el
tratamiento con PEF no cambió la suspensión pH (control de almidón de yuca: 4,90 ± 0,12,
almidón de yuca modificado: 4,76 ± 0,15, control de almidón de trigo: 5,68 ± 0,10, almidón de trigo
modificado: 5,47 ± 0,14).
El almidón de trigo tratado por PEF mostró una ligera reducción de la moléculas de tamaño
intermedio, mientras que el tratamiento con PEF redujo las más grandes y moléculas de tamaño
intermedio de almidón de yuca. De esta forma, en ambos fuentes de almidón, la
despolimerización fue promovida por PEF. Duque et al. (2020) también observaron este
comportamiento en almidones de avena y los autores explicó que era la razón de la reducción en
el pico aparente viscosidad (PAV), ya que la escisión de los enlaces glucosídicos da como resultado
debilitamiento de los gránulos de almidón y, en consecuencia, en menor capacidad para mantener
la integridad de los gránulos. El mismo comportamiento se observó en nuestro resultados (Fig. 3),
lo que indica que la despolimerización condujo a un gránulo más fácil ruptura.
Asimismo, la despolimerización promovida por PEF fue determinante factor para la formación de
geles más fuertes: los almidones modificados mostraron distribución del tamaño molecular que
resultó en una mejor reasociación y embalaje, formando una estructura de red tridimensional más
fuerte para los hidrogeles (Maniglia, Lima, da Matta Júnior, et al., 2020).
Dados los cambios promovidos por PEF en los almidones, en el siguiente ítem, mostrará por qué
estos cambios mejoraron la capacidad de impresión de los hidrogeles a base de estos almidones.
La Fig. 8 muestra las muestras impresas (en forma de estrella, corazón y cilindro) estructuras) a
base de hidrogeles producidos con trigo y mandioca almidón (control y modificado por PEF –
tratamiento T3). considerando el trigo almidón, PEF dio como resultado muestras impresas con
una superficie más lisa, sin deformaciones, en comparación con el control. Asimismo, notamos la
muestra impresa con almidón de trigo de control mostró un proceso de sinéresis, que
compromete la integridad del material impreso, mientras que PEF el tratamiento lo evitó. Cabe
mencionar que estos resultados son muy interesante teniendo en cuenta la aplicación. Por otro
lado, el tratamiento con PEF ment no mostró diferencias visibles para el almidón de yuca –
destacando la particularidad de cada fuente y la necesidad de evaluarlas.
Finalmente, en comparación con otros tratamientos verdes explorados por nuestro grupo de
investigación como tratamientos de calor seco y ozono para la modificación del almidón catión
centrándose en la aplicación de impresión 3D, el tratamiento PEF emergente mostró un efecto
más ligero sobre las propiedades del almidón y consecuentemente en su potencial para la
impresión 3D. Sin embargo, dadas las ventajas del PEF técnica como tiempo relativamente corto,
bajo consumo de energía, baja temperatura naturaleza, y sin producción de residuos,
consideramos relevante explorar más esta técnica. Por ejemplo, una investigación más amplia
sobre el efecto de las variables del proceso PEF puede tener un efecto más significativo de este
tratamiento sobre las propiedades del almidón, considerando también otras fuentes de almidón y
combinaciones con otras tecnologías.
Conclusión
Este trabajo evaluó por primera vez el potencial de energía eléctrica pulsada tratamiento de
campo (PEF) para mejorar el rendimiento del almidón durante la impresión 3D.
Dos fuentes de almidón, trigo y mandioca, y tres condiciones diferentes de PEF ciones, variando la
intensidad del campo eléctrico (E) y la entrada de energía específica total (WT), fueron evaluados.
Las tres condiciones tuvieron el mismo efecto sobre el almidón de yuca (no daños en la superficie
de los gránulos, reducción de la viscosidad aparente máxima, mayor firmeza geles), mientras que
T3 promovió un mayor efecto sobre el almidón de trigo (fracturas en superficie de los gránulos,
reducción de la viscosidad aparente máxima y geles más firmes).