Утицај хладне атмосферске плазме на технолошки квалитет и безбедност пшеничног брашна

Abstract

Основни задатак ове докторске дисертације је био да се испита утицај третмана хладном атмосферском плазмом на квалитет и безбедност пшеничног брашна. Прва фаза истраживања спроведених у овој докторској дисертацији била је усмерена на поређење SRC методе (Solvent Retention Capacity) са емпиријским методама на узорцима пасажних брашна. Метода је показала изузетно добру моћ описивања врло различитих својстава пасажних брашна. Поређењем параметара SRC методе са реолошким показатељима квалитета уочена је подела SRC параметара у две групе. Прву групу чинили су параметари способност задржавања раствора млечне киселине и индекс перформанси глутена (SRCLa и GPI) осетљиви на снагу теста, а другу групу параметри способност задржавања раствора натријум карбоната, односно, шећера те способност задржавања воде (SRCSo, SRCSu и SRCw) осетљиви на хидртатациона својства брашна. Обрадом резултата кроз мултиваријантну анализу, одређене су корелације, односно, односи између параметара SRC методе и реолошких параметара. На бази параметара SRC методе развијени су модели применом методе парцијалне регресије најмањих квадрта (PLSR) са високим вредностима коефицијента детерминације, R2 = 0,93 за фаринографску моћ упијања воде (FWA) и R2 = 0,92 за енергију те вишеструких одговора R2 = 0,89. Друга фаза истраживања у оквиру дисертације била је усмерена на сагледавање утицаја различитих услова третмана хладном атмосферском плазмом (време, растојање, степен искоришћености заклона) на показатеље квалитета брашна кроз примену SRC методе, садржаја слободних сулфхидрилних група, ултраљубичасте и инфрацрвене спектроскопије, реолошких анализа на реометру и глутопику, те вредности глутен индекса и саджај влажног глутена. Електрична карактеризација извора плазме указала је да је укупна површина електроде хомогено прекривена плазмом при RMS вредности напона и јачине струје од 2400 V и 0,1 A. Коришћењем OES мерења (Optical Emission Spectroscopy) потврђено је постојање реактивних врста хладне плазме. Оптичке емисије су забележене у секундарној позитивној траци N2, првој позитивној траци N2, линије OH (A-X) опсега побуђених OH радикала као и линије из прве негативне траке молекулског јона азота. Мерења су указала и на низак интензитет побуђених стања атомског кисеоника. Сви посматрани показатељи квалитета су се мењали са условима третмана хладном атмосферском плазмом. Дуже време третмана пшеничног брашна довело је до повећање модула еластичности G’, SRCSu и SRCw параметра. Вредности влажног глутена и глутен индекса (WG и GI) варирале су у уском интервалу, док су вредности садржај слободних сулфхидрилних група SRCLa и GPI параметара опадале. Како је SRC методе исказала добру способност да прати промене на брашну узроковане третманом хладном атмосферском на бази параметара SRC методе уз примену методологије одзивне површине спроведен је поступак моделовања и оптимизације третмана. Развијени модели свих SRC параметара су указали на значајне услове третмана и одликовали су се високим вредностима R² SRCLa (0,92), SRCSu (0,84), SRCSo (0,75), SRCw (0,91) и GPI (0,92). Aнализа секундарних структура указала је да третман доводи до увећања удела α-хеликс секундарне структуре те до смањења удела β равни као и β-окрет + β равни. У трећој фази докторске дисертације, посматран је утицај два правца оптимизације третмана хладне атмосферске плазме на показатење квалитета три групе производа (пшенични хлеб, мешани хлеб од целог зрна и хлеб са мекињама). Циљ првог правца је био минимизација SRCLa и максимизација SRCSu параметара а другог максимизација и SRCLa и SRCSu параметара. Утицај третмана хладном атмосферском плазмом, оба правца оптимизације, на показатеље квалитета све три групе производа посматран је кроз анализу физичких и сензорских параметара квалитета хлеба. Одређивањем физичких показатеља квалитета утврђено је да третман брашна хладном атмосферском плазмом доводи до промена пецивних својстава пшеничног брашна. Третмани су утицали на текстуру као и боју узорака хлеба. Краће време третмана имало повољнији ефекат на ток колоидних процеса током замеса, те и запремину готових производа. Сензорска анализа показала је да супститција 10% брашна третираним при овом третману позитивно утиче на запремину, изглед средине, укус и мирис свих врста хлеба. Резултати указују да је у зависности и од услова третамана, начина примене (количине), али и од квалитета брашна које се супституише третираним брашном, пожељно спровођење оптиизације третмана у складу са наменом брашна. У четвртој фази спроведено је испитивања могућег утицаја третмана хладном атмосферском плазмом на безбедност брашна, односно, производе од брашна. Испитивана је могућност редукције Alternaria токсина у матриксу пшеничног брашна и утицај услова третмана (време и растојање). Испитивања су била фокусирана на три Alternaria токсина: алтернариол (AOH), алтернариол монометил етар (AME) и тентоксин (TEN). Одређени су степени редукције три Alternaria токсина, у „спајкованим“ узорцима пшеничног брашна у зависности од услова третмана. Потом је извршено моделовање третмана применом методологије одзивних површина и одређен значај услова третмана на степен редукције испитиваних Alternaria токсина. Оптимизација је извршена прорачуном стандардне оцене, те је спроведено тестирање оптималног третмана на природно контаминираним узорцима млинских производа од пшенице. Резултати су показали да је могуће постићи значајан степен разградље свих испитиваних Alternaria токсина при релативно кратким временима (180 ѕ) третмана како у „спајкованим“ тако и у природно контаминираним узорцима. Најбољи резултати редукције Alternaria токсина добијени су третманом узорка постављеним на растојању од 6 mm од извора хладне атмосферске плазме, са трајањем третмана од 180 ѕ, при чему је остварен степен редукције од 60,6% за AOH, 73,8% за АМЕ и 54,5% за TEN. Степен редукције испитиваних Alternaria токсина у природно контаминираним узорцима зависио је и од почетних концентрација Alternaria токсина. Сва истраживања проведена у изради ове докторске дисертације указују да се третман пшеничног брашна хладном атмосферском плазмом може користити за модификацију технолошког квалитета, али и унапређење безбедности пшеничног брашна те је потребно наставити истраживања у овим правцима.

Osnovni zadatak ove doktorske disertacije je bio da se ispita uticaj tretmana hladnom atmosferskom plazmom na kvalitet i bezbednost pšeničnog brašna. Prva faza istraživanja sprovedenih u ovoj doktorskoj disertaciji bila je usmerena na poređenje SRC metode (Solvent Retention Capacity) sa empirijskim metodama na uzorcima pasažnih brašna. Metoda je pokazala izuzetno dobru moć opisivanja vrlo različitih svojstava pasažnih brašna. Poređenjem parametara SRC metode sa reološkim pokazateljima kvaliteta uočena je podela SRC parametara u dve grupe. Prvu grupu činili su parametari sposobnost zadržavanja rastvora mlečne kiseline i indeks performansi glutena (SRCLa i GPI) osetljivi na snagu testa, a drugu grupu parametri sposobnost zadržavanja rastvora natrijum karbonata, odnosno, šećera te sposobnost zadržavanja vode (SRCSo, SRCSu i SRCw) osetljivi na hidrtataciona svojstva brašna. Obradom rezultata kroz multivarijantnu analizu, određene su korelacije, odnosno, odnosi između parametara SRC metode i reoloških parametara. Na bazi parametara SRC metode razvijeni su modeli primenom metode parcijalne regresije najmanjih kvadrta (PLSR) sa visokim vrednostima koeficijenta determinacije, R2 = 0,93 za farinografsku moć upijanja vode (FWA) i R2 = 0,92 za energiju te višestrukih odgovora R2 = 0,89. Druga faza istraživanja u okviru disertacije bila je usmerena na sagledavanje uticaja različitih uslova tretmana hladnom atmosferskom plazmom (vreme, rastojanje, stepen iskorišćenosti zaklona) na pokazatelje kvaliteta brašna kroz primenu SRC metode, sadržaja slobodnih sulfhidrilnih grupa, ultraljubičaste i infracrvene spektroskopije, reoloških analiza na reometru i glutopiku, te vrednosti gluten indeksa i sadžaj vlažnog glutena. Električna karakterizacija izvora plazme ukazala je da je ukupna površina elektrode homogeno prekrivena plazmom pri RMS vrednosti napona i jačine struje od 2400 V i 0,1 A. Korišćenjem OES merenja (Optical Emission Spectroscopy) potvrđeno je postojanje reaktivnih vrsta hladne plazme. Optičke emisije su zabeležene u sekundarnoj pozitivnoj traci N2, prvoj pozitivnoj traci N2, linije OH (A-X) opsega pobuđenih OH radikala kao i linije iz prve negativne trake molekulskog jona azota. Merenja su ukazala i na nizak intenzitet pobuđenih stanja atomskog kiseonika. Svi posmatrani pokazatelji kvaliteta su se menjali sa uslovima tretmana hladnom atmosferskom plazmom. Duže vreme tretmana pšeničnog brašna dovelo je do povećanje modula elastičnosti G’, SRCSu i SRCw parametra. Vrednosti vlažnog glutena i gluten indeksa (WG i GI) varirale su u uskom intervalu, dok su vrednosti sadržaj slobodnih sulfhidrilnih grupa SRCLa i GPI parametara opadale. Kako je SRC metode iskazala dobru sposobnost da prati promene na brašnu uzrokovane tretmanom hladnom atmosferskom na bazi parametara SRC metode uz primenu metodologije odzivne površine sproveden je postupak modelovanja i optimizacije tretmana. Razvijeni modeli svih SRC parametara su ukazali na značajne uslove tretmana i odlikovali su se visokim vrednostima R² SRCLa (0,92), SRCSu (0,84), SRCSo (0,75), SRCw (0,91) i GPI (0,92). Analiza sekundarnih struktura ukazala je da tretman dovodi do uvećanja udela α-heliks sekundarne strukture te do smanjenja udela β ravni kao i β-okret + β ravni. U trećoj fazi doktorske disertacije, posmatran je uticaj dva pravca optimizacije tretmana hladne atmosferske plazme na pokazatenje kvaliteta tri grupe proizvoda (pšenični hleb, mešani hleb od celog zrna i hleb sa mekinjama). Cilj prvog pravca je bio minimizacija SRCLa i maksimizacija SRCSu parametara a drugog maksimizacija i SRCLa i SRCSu parametara. Uticaj tretmana hladnom atmosferskom plazmom, oba pravca optimizacije, na pokazatelje kvaliteta sve tri grupe proizvoda posmatran je kroz analizu fizičkih i senzorskih parametara kvaliteta hleba. Određivanjem fizičkih pokazatelja kvaliteta utvrđeno je da tretman brašna hladnom atmosferskom plazmom dovodi do promena pecivnih svojstava pšeničnog brašna. Tretmani su uticali na teksturu kao i boju uzoraka hleba. Kraće vreme tretmana imalo povoljniji efekat na tok koloidnih procesa tokom zamesa, te i zapreminu gotovih proizvoda. Senzorska analiza pokazala je da supstitcija 10% brašna tretiranim pri ovom tretmanu pozitivno utiče na zapreminu, izgled sredine, ukus i miris svih vrsta hleba. Rezultati ukazuju da je u zavisnosti i od uslova tretamana, načina primene (količine), ali i od kvaliteta brašna koje se supstituiše tretiranim brašnom, poželjno sprovođenje optiizacije tretmana u skladu sa namenom brašna. U četvrtoj fazi sprovedeno je ispitivanja mogućeg uticaja tretmana hladnom atmosferskom plazmom na bezbednost brašna, odnosno, proizvode od brašna. Ispitivana je mogućnost redukcije Alternaria toksina u matriksu pšeničnog brašna i uticaj uslova tretmana (vreme i rastojanje). Ispitivanja su bila fokusirana na tri Alternaria toksina: alternariol (AOH), alternariol monometil etar (AME) i tentoksin (TEN). Određeni su stepeni redukcije tri Alternaria toksina, u „spajkovanim“ uzorcima pšeničnog brašna u zavisnosti od uslova tretmana. Potom je izvršeno modelovanje tretmana primenom metodologije odzivnih površina i određen značaj uslova tretmana na stepen redukcije ispitivanih Alternaria toksina. Optimizacija je izvršena proračunom standardne ocene, te je sprovedeno testiranje optimalnog tretmana na prirodno kontaminiranim uzorcima mlinskih proizvoda od pšenice. Rezultati su pokazali da je moguće postići značajan stepen razgradlje svih ispitivanih Alternaria toksina pri relativno kratkim vremenima (180 ѕ) tretmana kako u „spajkovanim“ tako i u prirodno kontaminiranim uzorcima. Najbolji rezultati redukcije Alternaria toksina dobijeni su tretmanom uzorka postavljenim na rastojanju od 6 mm od izvora hladne atmosferske plazme, sa trajanjem tretmana od 180 ѕ, pri čemu je ostvaren stepen redukcije od 60,6% za AOH, 73,8% za AME i 54,5% za TEN. Stepen redukcije ispitivanih Alternaria toksina u prirodno kontaminiranim uzorcima zavisio je i od početnih koncentracija Alternaria toksina. Sva istraživanja provedena u izradi ove doktorske disertacije ukazuju da se tretman pšeničnog brašna hladnom atmosferskom plazmom može koristiti za modifikaciju tehnološkog kvaliteta, ali i unapređenje bezbednosti pšeničnog brašna te je potrebno nastaviti istraživanja u ovim pravcima.

The main aim of this doctoral dissertation was to examine the impact of cold atmospheric plasma treatment on the quality and safety of wheat flour. The first phase of research conducted in this doctoral dissertation was aimed at comparing the SRC method with empirical rheological methods on samples of wheat flour mill streams. The method showed good power to describe very different properties of wheat flour mill streams. By comparing the parameters of the Solvent Retention Capacity method (SRC) with empirical rheological parameters, the division of SRC parameters into two groups is noticed. The first group of SRC, lactic acid and glutenin performance index (SRCLa and GPI) is sensitive to the dough strengths, and the second group, SRC of sodium carbonate, sucrose and water (SRCSо, SRCSu and SRCw) is sensitive to flour hydration potential. Through multivariate analysis, the relationships between the parameters of the SRC method and the rheological parameters were determined. Based on the experimental data of the SRC parameters, models were developed with partial least squares regression (PLSR) to predict the most important rheological parameters. PLSR models with high values of coefficient of determination, R2 = 0.93 for farinographic water absorption (FWA) and R2 = 0.92 for energy and model with multiple responses R2 = 0.89 were developed. In the second phase of the research, the influence of different conditions of cold atmospheric plasma treatment (time, distance, degree of cover utilization) on flour quality indicators determined by the SRC method, as well as the content of free sulfhydryl groups, wet gluten, gluten index, rheological properties and ultraviolet and infrared spectra were analyzed. The electrical characterization of the plasma source indicates that the electrodes are homogeneously covered with plasma at the RMS voltage of 2400 V and current of 0.1 A. Optical emission spectroscopy shows the most intense emission lines are in the N2 second positive system band, as expected for the atmospheric air plasma. Relatively lower intensities of peaks associated with atomic oxygen (triplet at 777 nm) are due to the involvement of O in the creation of O3, and quenching by N2 and O2 molecules. All observed parameters changed with the conditions of cold atmospheric plasma treatment. The prolonged treatment time of wheat flour leads to an increase in the modulus of elasticity G’, SRCSu and SRCw parameter. The values of the wet gluten (WG) and gluten index (GI) parameters vary in a narrow interval and the content of free sulfhydryl groups and SRCL and GPI parameters show a decreasing trend. As the SRC method showed a good ability to monitor changes in flour caused by atmospheric cold plasma treatment. Based on the parameters of the SRC method, with the application of the response surface methodology, the procedure of modeling and optimization of the treatment was performed. Developed models of all SRC parameters indicated significant treatment conditions and were characterized by high values of R² SRCL (0.92), SRCSu (0.84), SRCSo (0.75), SRCw (0.91) and GPI (0, 92) respectively. Analysis of secondary structures indicated that the treatment leads to an increase in the proportion of α-helix secondary structure and to a decrease in the proportion of β-plane as well as β-turn + β-sheet. In the third phase, the influence of two directions of optimization of cold atmospheric plasma treatment on the quality indicators of three groups of products (wheat bread, whole grain bread and bread with bran) was observed. The aim of the first optimization was to minimize SRCL and maximize SRCSu parameters and of the second to maximize both SRCLa and SRCSu parameters. The influence of cold atmospheric plasma treatment, of both directions of optimization, on the quality indicators of all three groups of products, was analyzed through the analysis of volume, physical and sensory properties of bread. Results indicate that the treatment of flour with cold atmospheric plasma leads to changes in all baking properties of wheat flour. Treatments affect texture parameters as well as color parameters. Shorter treatment time had a more favorable effect on the course of colloidal processes during mixing and the volume of finished products. Sensory analysis showed that the substitution of 10% flour with flour treated with Shorter treatment time has a positive effect on the volume, appearance of the crumb, taste and smell of bread. The results indicate that the optimization of flour treatment should be carried out according to the appropriate purpose, quantity as well as the quality of the flour which is substituted by the treated flour. In the fourth phase, investigations of the impact of cold atmospheric plasma treatment on the safety of flour were conducted. The possibility of reduction of Alternaria toxins in the wheat flour matrix and the influence of treatment conditions (time and distance) were investigated. The examinations were focused on three Alternaria toxins: alternariol (AOH), alternariol monomethyl ether (AME), and tentoxin (TEN). The extent of reduction of three Alternaria toxins were determined in "spiked" samples of wheat flour depending on the treatment conditions. The modeling of the treatment was performed by applying the response surfaces methodology and the significance of the treatment conditions on the extent of the reduction rate of the Alternaria toxins were determined. The optimization was performed by calculating the standard scores and testing of the optimal treatment was performed on naturally contaminated samples of wheat mill products. The results showed that it is possible to achieve a significant degree of reduction of all tested Alternaria toxins with relatively short treatment times (180 s) in both "spiked" and naturally contaminated samples. The best results of the reduction of all three Alternaria toxins were obtained for treatment with a sample placed at a distance of 6 mm, with a treatment time of 180 s. Under these treatments, a reduction of 60.6%, 73.8% and 54.5%, for AOH, AME and TEN, respectively, was achieved. Results also showed that the extent of the reduction of Alternaria toxins in naturally contaminated samples also depended on the initial Alternaria toxins concentrations. All research indicates that the treatment of wheat flour with cold atmospheric plasma can be successfully used to modify the technological quality but also to improve the safety of wheat flour and it is justified to continue further research.