Производство на OSA-нишесте – подобрена естерификация чрез ултразвукова обработка

Естерификацията на нишестета с октенилсукцинов анхидрид (OSA) е широко прилаган метод за модификация, особено важен в хранително-вкусовата промишленост за създаване на функционални нишестета с подобрени свойства. Традиционната модификация на нишесте с OSA в алкална среда обаче отнема много време и може да ограничи ефективността и практическата осъществимост на процеса. Естерификацията с помощта на ултразвук е ефективен алтернативен подход за ускоряване на естерификацията на нишестета с OSA. При прилагане на ултразвукова обработка се постигат по-висока степен на заместване (DS) и по-висока ефективност на реакцията (RE) в сравнение с конвенционалната естерификация с OSA в алкална среда. Това означава, че ултразвуковата обработка позволява разширяване на приложението на естерифицираните нишестета в хранително-вкусовата промишленост. Резултатите от научни изследвания подчертават естерификацията с помощта на ултразвукова обработка като ефективно и екологично постижение в модификацията на нишесте.

Ултразвукова естерификация на нишесте с октенилсукцинов анхидрид

Нишестетата са основни полизахариди в хранително-вкусовата промишленост, широко използвани като сгъстители, стабилизатори и емулгатори поради уникалните си свойства. Функционалните ограничения на нативните нишестета обаче често налагат модификации за подобряване на техните характеристики. Естерификацията с октенилсукцинов анхидрид (OSA) е процес на химична модификация, при който се въвеждат хидрофобни групи, подобряващи емулгиращите и стабилизиращите способности на нишестето. Въпреки своята ефективност конвенционалната естерификация с OSA в алкална среда е продължителен процес. Естерификацията с помощта на ултразвук е екологична технология, която потенциално може да увеличи степента на заместване (DS) и ефективността на реакцията (RE) при OSA-нишестетата, като подобри използването на времето и ресурсите.

Ултразвуковата обработка подобрява естерификацията на OSA-нишесте. Влияние на интензитета на ултразвука върху микроструктурата на естерифицираното с OSA нишесте от семена на анато.
Изследване и изображения: ©Keven Silva et al. 2022

Примерно изследване: ултразвукова естерификация на картофено нишесте с OSA

В изследването на Martínez et al. (2024) нативни нишестета от андски картофи са подложени както на конвенционална естерификация с OSA в алкална среда, така и на естерификация с помощта на ултразвук (US-OSA). Изследователите анализират морфологията на гранулите, молекулните характеристики, термичните свойства и реологичното поведение на получените нишестета, за да определят потенциалните предимства на естерификацията с помощта на ултразвук.

Проби от нишесте и процедура за естерификация

Нативни нишестета от андски картофи са естерифицирани по два метода:

• Конвенционална естерификация с OSA (OSA) – извършена в алкална среда с октенилсукцинов анхидрид.
• Естерификация с OSA с помощта на ултразвук (US-OSA) – при която по време на естерификацията се прилагат ултразвукови вълни за повишаване на скоростта и ефективността на реакцията.

Степен на заместване (DS) и ефективност на реакцията (RE)

Процесът на естерификация с помощта на ултразвук води до получаване на нишестета със значително по-висока степен на заместване (DS) и ефективност на реакцията (RE) в сравнение с конвенционалните методи. Това подобрение е от решаващо значение, тъй като DS отразява степента на заместване с хидрофобни групи в молекулата на нишестето и пряко влияе върху неговите емулгиращи свойства.
Високата ефективност на реакцията при ултразвуково модифицираните OSA-нишестета предполага, че ултразвуковите вълни засилват молекулните сблъсъци и проникването на молекулите на OSA в нишестените гранули, потенциално поради кавитационни ефекти, които подобряват масопреноса и подпомагат по-ефективната естерификация.

Морфологични характеристики

Микроскопското изследване на морфологията на гранулите разкрива забележими разлики между OSA-нишестетата и ултразвуково модифицираните OSA-нишестета. Докато и двата вида модифицирани нишестета запазват целостта на гранулите, ултразвуково модифицираните OSA-гранули показват повърхности с обелен слой и отделни пори, което показва, че ултразвуковата обработка е оказала слабо въздействие върху повърхностната структура. Тази структурна модификация, макар и незначителна, предполага подобрена достъпност на нишестените гранули за естерификация, без да се нарушава тяхната цялост.
Освен това ултразвуково модифицираните OSA-нишестета показват по-ниски стойности на показателя за ширина на разпределението по размер, което показва по-тясно разпределение по размер и по-еднородна популация от гранули. Тази еднородност би могла да бъде полезна за определени приложения в храните, при които прецизно определената текстура и стабилността са от съществено значение.

Молекулни характеристики

Инфрачервената спектроскопия и рентгенодифракционният анализ (XRD) показват минимални структурни разлики между OSA-нишестетата и ултразвуково модифицираните OSA-нишестета. И двата вида нишесте запазват характерната структура на нишестето, без откриваеми промени в картината на кристалинността, което потвърждава, че обработката с помощта на ултразвук не нарушава значително нативната структура на нишестето.
Тази молекулна стабилност е предимство, тъй като гарантира, че естерификацията с помощта на ултразвук подобрява функционалността, без да променя основния молекулен скелет на нишестето, което е от решаващо значение за запазване на желаните текстурни свойства при приложения в храните.

Термични свойства

Термичното поведение, по-конкретно енталпията на желатинизация, се различава между конвенционалните OSA-нишестета и ултразвуково модифицираните OSA-нишестета. Ултразвуково модифицираните OSA-нишестета показват по-ниска енталпия на желатинизация в сравнение с конвенционалните OSA-нишестета, което предполага намалена потребност от енергия за желатинизация. Тази констатация предполага, че ултразвуковата обработка може да улесни хидратацията и желатинизацията, като потенциално подобри технологичната обработваемост на модифицираното нишесте при приложения в храните, включващи термична обработка.

Реологични свойства

Ултразвуково естерифицираните OSA-нишестета показват благоприятни реологични свойства, с вискозитетни профили, сходни или леко подобрени в сравнение с конвенционалните OSA-нишестета. Такива свойства могат да подобрят техните характеристики при приложения, изискващи стабилни емулсии или постоянен вискозитет при променливи условия на обработка.

Примерно изследване: ултразвуково естерифицирано OSA-нишесте от семена на анато

Изследването на Silva et al. (2013) проучва влиянието на интензитета на ултразвуковата обработка върху естерификацията на нишесте от семена на анато с октенилсукцинов анхидрид (OSA), с цел създаване на нов емулгатор за колоидни системи. Ултразвукът е приложен при различни интензитети (0, 5, 10 и 20 W/cm²) за кратко време на обработка (5 минути). Основните констатации включват повишаване на степента на заместване (DS) с увеличаване на интензитета на ултразвуковата обработка, като максималната степен на заместване достига 0,139 ± 0,031 при 20 W/cm². Ултразвуковата обработка също увеличава съдържанието на амилоза 1,24–1,36 пъти в сравнение с пробите без ултразвукова обработка.
Морфологията на гранулите разкрива гладки повърхности и добре оформени елиптични частици при по-високи интензитети на ултразвуковата обработка, които намаляват агрегацията на гранулите. Рентгенодифракционните картини не показват значителни качествени разлики, което показва, че ултразвукът не променя кристалната структура на нишестето. Модифицираните нишестета ефективно стабилизират емулсии масло във вода с масло от семена на анато, като постигат по-големи средни диаметри по Заутер (14 ± 2 μm), но показват по-висока кинетична стабилност с течение на времето в сравнение с предлаганите на пазара модифицирани нишестета. Като цяло модификацията с OSA с помощта на ултразвук се оказва бърз и ефективен подход за подобряване на функционалните свойства на нишестето от семена на анато като емулгатор.

Ултразвукови процесори за естерификация на OSA-нишесте

Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher са високопроизводителни ултразвукови устройства, използвани за подобряване на естерификацията на нишестета с OSA – процес, който въвежда хидрофобни групи на октенилсукцинов анхидрид (OSA) в молекулите на нишестето. Чрез ултразвукова кавитация тези процесори създават микроструи и интензивни сили на срязване в нишестената суспензия, подобрявайки дифузията на OSA в нишестените гранули и ефективността на реакцията. Това води до по-висока степен на заместване (DS) и подобрена ефективност на реакцията, често постигнати за значително по-кратко време в сравнение с конвенционалните методи. Ултразвуковите процесори на Hielscher са идеални за приложения в промишлен мащаб и предлагат прецизно управление на параметри като интензитет, честота и продължителност за оптимизиране на процеса на естерификация, осигурявайки постоянно качество на продуктите от модифицирано нишесте с подобрени емулгиращи и стабилизиращи свойства.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите процесори на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови процесори в промишлени съоръжения. Ултразвуковите процесори на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови процесори, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите процесори на Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови процесори: