Early and mid Holocene tool-use and processing of taro (Colocasia esculenta), yam (Dioscorea sp.) and other plants at Kuk Swamp in the highlands of Papua New Guinea

Recent multidisciplinary investigations document an independent emergence of agriculture at Kuk Swamp in the highlands of Papua New Guinea. In this paper we report preliminary usewear analysis and details of prehistoric use of stone tools for processing starchy food and other plants at Kuk Swamp. Morphological diagnostics for starch granules are reported for two potentially significant economic species, taro (Colocasia esculenta) and yam (Dioscorea sp.), following comparisons between prehistoric and botanical reference specimens. Usewear and residue analyses of starch granules indicate that both these species were processed on the wetland margin during the early and mid Holocene. We argue that processing of taro and yam commences by at least 10,200 calibrated years before present (cal BP), although the taro and yam starch granules do not permit us to distinguish between wild or cultivated forms. From at least 6950 to 6440 cal BP the processing of taro, yam and other plants indicates that they are likely to have been integrated into cultivation practices on the wetland edge.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

An investigation of the influence of process and formulation variables on mechanical properties of high shear granules using design of experiment

Being able to predict the properties of granules from the knowledge of the process and formulation variables is what most industries are striving for. This research uses experimental design to investigate the effect of process variables and formulation variables on mechanical properties of pharmaceutical granules manufactured from a classical blend of lactose and starch using hydroxypropyl cellulose (HPC) as the binder. The process parameters investigated were granulation time and impeller speed whilst the formulation variables were starch-to-lactose ratio and HPC concentration. The granule properties investigated include granule packing coefficient and granule strength. The effect of some components of the formulation on mechanical properties would also depend on the process variables used in granulation process. This implies that by subjecting the same formulation to different process conditions results in products with different properties. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

A biochemical predictor of performance during mesophilic anaerobic fermentation of starch wastewater

The aim of this study was to determine the potential of biochemical parameters, such as enzyme activity and adenosine triphosphate (ATP) levels, as monitors of process performance in the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor utilizing a starch wastewater. The acid and alkaline phosphatase activity and the ATP content of the UASB sludge were measured in response to changes in flow rate and nutrient loading. Conventional parameters of process performance, such as gas production, acetic acid production, COD, phosphorus, nitrogen and suspended solids loadings and % COD removal were also monitored. The response of both biochemical and conventional parameters to changing process conditions was then compared. Alkaline phosphatase activity exhibited the highest activity over the entire study perioda A high suspended solids loading was observed to upset the system in terms of gas production, acetic acid production and % COD removala The initial rate of increase in alkaline phosphatase activity following an increase in loading was four times as great during process upset than under conditions of good performance. The change in enzyme actiVity was also more sensitive to process upset than changes in acetic acid production. The change in ATP content of the sludge with time suggested that enzyme actiVity was changing independently of the actual viable biomass present. The bacterial composition of the anaerobic sludge granules was similar to that of other sludge bed systems, at the light and scanning electron microscope level. Isolated serum bottle cultures produced several acids involved in anaerobic carbohydrate metabolism. The overall performance of the UASB system indicated that higher loadings of soluble nutrients could have been tolerated by the system.

Structural Characterization of Peruvian Carrot (Arracacia xanthorrhiza) Starch and the Effect of Annealing on Its Semicrystalline Structure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Thermoanalytical study of cassava starch native and treated with hydrogen peroxide

Starch is one of the most important sources of reserve of carbohydrate in plants and the main source in the human diet due to its abundance in the nature. There no other food ingredient that can be compared with starch in terms of sheer versatility of application in the food industry. Unprocessed native starches are structurally too weak and functionally too restricted for application in today’s advanced food and industrial technologies. The main objective of this study was to compare the thermal behavior of native cassava starch and those treated with hydrogen peroxide, as well as those treated with hydrogen peroxide and ferrous sulfate. The cassava starch was extracted from cassava roots (Manihot esculenta, Crantz) and treated by standardized hydrogen peroxide (H2 O2 ) solutions at 1, 2 and 3% (with or without FeSO4 ). Investigated by using they are thermoanalytical techniques: thermogravimetry - TG, differential thermal analysis – DTA and differential scanning calorimetry - DSC, as well as optical microscopy and X-ray powder diffractometry. The results showed the steps of thermal decomposition, changes in temperatures and in gelatinization enthalpy and small changes in crystallinity of the granules.

Investigation of the starch gelatinisation phenomena in water-glycerol systems: application of modulated temperature differential scanning calorimetry

The use of modulated temperature differential scanning calorimetry (MTDSC) has provided further insight into the gelatinisation process since it allows the detection of glass transition during gelatinisation process. It was found in this work that the glass transition overlapped with the gelatinisation peak temperature for all maize starch formulations studied. Systematic investigation on maize starch gelatinisation over a range of water-glycerol concentrations with MTDSC revealed that the addition of glycerol increased the gelatinisation onset temperature with an extent that depended on the water content in the system. Furthermore, the addition of glycerol promoted starch gelatinisation at low water content (0.4 g water/g dry starch) and the enthalpy of gelatinisation varied with glycerol concentration (0.73-19.61 J/g dry starch) depending on the water content and starch type. The validities of published gelatinisation models were explored. These models failed to explain the glass transition phenomena observed during the course of gelatinisation and failed to describe the gelatinisation behaviour observed over the water-glycerol concentrations range investigated. A hypothesis for the mechanisms involved during gelatinisation was proposed based on the side chain liquid crystalline polymer model for starch structure and the concept that the order-disorder transition in starch requires that the hydrogen bonds (the major structural element in the granule packing) to be broken before the collapse of order (helix-coil transition) can take place. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Scaffold development using 3D printing with a starch-based polymer

Rapid prototyping (RP) techniques have been utilised by tissue engineers to produce three-dimensional (3D) porous scaffolds. RP technologies allow the design and fabrication of complex scaffold geometries with a fully interconnected pore network. Three-dimensional printing (3DP) technique was used to fabricate scaffolds with a novel micro- and macro-architecture. In this study, a unique blend of starch-based polymer powders (cornstarch, dextran and gelatin) was developed for the 3DP process. Cylindrical scaffolds of five different designs were fabricated and post-processed to enhance the mechanical and chemical properties. The scaffold properties were characterised by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), porosity analysis and compression tests

Preparation and characterisation of composites from starch and sugar cane fibre

The aim of this study was to prepare and characterise composites of Soluble potato starch or hydroxypropylated maize starch with milled sugar cane fibre (i.e., bagasse). Prior to the preparation of the starch-fibre composites, the ‘cast’ and the ‘hot-pressed’ methods were investigated for the preparation of starch films in order to select the preferred preparation method. The physicochemical and mechanical properties of films conditioned at different relative humidities (RHs) were determined through moisture uptake, crystallinity, glass transition temperature (Tg), thermal properties, molecular structure and tensile tests. Hot-pressed starch films have ~5.5% less moisture, twice the crystallinity (~59%), higher Tg and Young’s modulus than cast starch films. The VH-type starch polymorph was observed to be present in the hot-pressed films. The addition of bagasse fibre to both starch types, prepared by hot-pressing, reduced the moisture uptake by up to 30% (cf., cast film) at 58% RH. The addition of 5 wt% fibre increased the tensile strength and Young’s modulus by 16% and 24% respectively. It significantly decreased the tensile strain by ~53%. Fourier Transform infrared (FT-IR) spectroscopy revealed differences in hydrogen bonding capacity between the films with fibre and those without fibre. The results have been explained on the basis of the intrinsic properties of starch and bagasse fibres.

Moisture uptake and tensile properties of starch-sugar cane fibre films

THERE is an increasing need for biodegradable plastics because they are environmentally friendly and can replace petroleum-based non-degradable plastics which pollute the environment. Starch-derived films reinforced with sugar cane bagasse fibre, which are biodegradable, have been prepared and characterised by gravimetric analysis for moisture uptake, X-ray powder diffraction for crystallinity, and tensile testing for mechanical properties. Results have shown that the addition of bagasse fibre (5 wt%, 10 wt% or 20 wt%) to either (modified) potato starch (Soluble starch) or hydroxypropylated maize starch reduced moisture uptake by up to 30% at 58% relative humidity (RH). Also, the tensile strength and the Young’s Modulus increased up to 63% and 80% respectively, with the maximum value obtained with 5 wt% fibre at 58% RH. However, the tensile strain of the films significantly decreased by up to 84%. The results have been explained based on the crystallinity of the films and the intrinsic properties of starch and bagasse fibres.