Ултразвукова модификация на суспензии от нишестени гранули
Нишестето се извлича лесно от естествени източници, като картофи, царевица или царевица. Модификацията на нишестето е необходима за подобряване на физичните и химичните му свойства. Ултразвуковите реактори на Hielscher подпомагат физичната, химичната и ензимната модификация на нишестето, което води до по-добри функционални свойства за употреба в хранителната и нехранителната промишленост.
За повечето търговски приложения нишестетата трябва да бъдат модифицирани химично или физично, за да се подобрят положителните им характеристики или да се сведат до минимум недостатъците им. Ултразвуковата обработка е високоефективно средство за физична, химична и ензимна модификация на нишестетата. Ултразвуковите устройства на Hielscher предават ултразвукови вълни с много висок интензитет в нишестените суспензии. Получената ултразвукова кавитация подпомага:
- деагломерацията и диспергирането
- механичното разграждане и разрушаване
- проникването в гранулите и набъбването им
- масопреноса
- образуването на радикали
- химичната реактивоспособност
- нагряването
Химична модификация на нишестето
Разрушаването на гранулата чрез ултразвукова кавитация, съчетано с по-лесното проникване на течност в нишестената гранула, води до подобряване на кинетиката на реакциите на естерификация, етерификация, хидроксипропилиране или окисление и киселинна модификация на нишестените полимери. Ултразвуковите реактори на Hielscher са проектирани за непрекъсната обработка в поточна линия. По-високите скорости на реакциите водят до повишена производителност на реакционния съд.
Алкална модификация на нишестето
За производството на много търговски производни на нишестето към водни нишестени суспензии се добавят реактивоспособни органични реагенти, като се контролират алкалността и температурата. Естерификацията на нишестетата обикновено се извършва при pH от 7 до 9. За етерификацията на нишестетата обичайно се използва pH от 11 до 12. Типичните температури на процеса са приблизително 60°C. Без ултразвукова обработка степента на заместване на търговските нишестета често е по-малка от 0,2. Ултразвуковата обработка подпомага заместването, което води до получаване на нишесте с по-висока разтворимост в студена вода.
Киселинна модификация на нишестето
Реакцията на суспензия от нишестени гранули с разредена солна или сярна киселина при 40 до 60°C води до получаване на нишестета с повишена течливост или нишестета с понижен вискозитет. Тези частично деполимеризирани нишестета дават продукти с по-нисък вискозитет. Нишестените октенилсукцинати се деполимеризират частично, за да може да се използва по-високо съдържание на сухо вещество при сушенето чрез разпръскване на капсулирани продукти. Ултразвуковата обработка по време на мека киселинна хидролиза може да разедини агрегатите от наночастици, които се образуват при хидролизата. Това увеличава добива на нишестени наночастици.
Молекула на амилопектина
Неутрализация на суспензията
След процеса реакционната суспензия се неутрализира, например чрез добавяне на солна или сярна киселина след алкална обработка.
Промиване на нишестето
След неутрализацията на суспензиите от модифицирано нишесте следва промиване с вода, например противоточно промиване в хидроциклони. На този етап ултразвуковата обработка подпомага промиването и изплакването на отделните нишестени частици. Ултразвуковата кавитация диспергира агломератите от нишестени гранули и увеличава масопреноса в граничния слой между нишестените гранули и водната фаза.
Филтриране и сушене на нишестето
Ултразвуковите устройства на Hielscher се използват в процеси на ултрафилтрация или нанофилтрация, както и при последващо сушене чрез разпръскване.
Физична модификация на нишестето (механична)
Физичната модификация на нишестетата не включва използване на химикали. Въпреки това ултразвуковата обработка води до промени в молекулната структура на нишестето, последвани от изменения във физикохимичните свойства и функционалността. Силните кавитационни сили на срязване деформират кристалната област в нишестените гранули. Полимерните вериги в близост до колабиращите микромехурчета попадат в поле на срязване с висок градиент, което води до разкъсване на макромолекулни C-C връзки и образуване на дълговерижни радикали. Изображенията от сканираща електронна микроскопия (SEM) на ултразвуково обработени нишестени гранули показват механични увреждания, като пукнатини, вдлъбнатини и ямки. Това води до по-висока способност за поглъщане на вода, по-висока способност за набъбване и повишена разтворимост. Този ефект е по-силен при по-високи амплитуди на ултразвуковата обработка. Поради това ултразвуковата обработка със сонда е много по-ефективна за модификация на нишестето от обработката в ултразвукова вана. Интензивната ултразвукова обработка води до повече разрушени гранули в сравнение с нативното или термично обработеното нишесте.
Нишестета, естерифицирани с OSA чрез ултразвук
Нишестетата, естерифицирани с OSA чрез ултразвук, показват по-висока степен на заместване (DS) и ефективност на реакцията (RE), съчетани с незначителни, но полезни морфологични промени, които могат да разширят функционалността им в хранителни системи. Ултразвуковата обработка увеличава скоростта и ефективността на реакцията, без да променя молекулната структура на нишестето, като по този начин запазва желаните му свойства за хранителни приложения.
Тези резултати предполагат, че естерификацията, подпомагана от ултразвук, би могла да представлява екологична технология, предлагаща енергийно ефективен и спестяващ време подход за модификация на нишестето. Потенциалът за увеличаване на мащаба на естерификацията, подпомагана от ултразвукова обработка, би могъл да революционизира процеса на модификация на нишестетата в науката за храните, като съответства на целите за устойчиво производство и разширява приложенията на естерифицираните нишестета в промишлеността.
Прочетете повече за OSA-нишестето, естерифицирано чрез ултразвук!
SEM микрографии на гранули от пшенично нишесте: (a) без ултразвукова обработка, (b) с ултразвукова обработка за 20min, (c) с ултразвукова обработка за 40min., (d) с ултразвукова обработка за 60min.
Изследване и изображения: ©Majzoobi et al., 2015
Ултразвуковата обработка може значително да понижи началната температура на клейстеризация. Нишестените гелове, приготвени от ултразвуково обработени нишестени гранули, показват по-висока твърдост и по-високи стойности на адхезивност и кохезивност в сравнение с нативното нишесте. Адхезивността, кохезивността, еластичността и гумоподобната консистенция се увеличават значително при ултразвукова модификация на нишестето.
Ултразвуковата обработка изисква много по-малко вложена енергия и много по-малко натоварващи условия на обработка в сравнение с конвенционалните процедури за модификация на нишестето. Hielscher Ultrasonics доставя ултразвукови реактори с висока мощност за промишлена обработка.
Поискайте повече информация!
Ако сте учен, който изследва модификацията на нишестето, технологичен инженер, който се опитва да подобри съществуващите процеси за обработка на нишесте, инженер по разработване на продукти, който създава по-добри или нови продукти, или ако имате друг интерес към модификацията на нишестето: свържете се с нас! Ще се радваме да обсъдим с Вас потенциала и ползите от ултразвуковата обработка за модификацията и приложението на нишестето. Моля, попълнете формуляра по-долу!
Употреба на нишестето
Модифицираното нишесте се използва в широк спектър от хранителни и нехранителни приложения. Нишестените октенилсукцинати са важен стабилизатор на емулсии от типа масло във вода. При производството на хартия катионните нишестета подобряват якостта във влажно и сухо състояние, стабилизират емулсии и действат като агенти за повърхностно проклейване. Много системи от добавки за мократа част на хартиеното производство включват неорганични микрочастици (колоиден силициев диоксид, бентонит) и синтетични полимери с модифицирано нишесте. Други приложения включват нишестено-латексови дисперсии или гранулирано нишесте като пълнител за полимери.
Научни статии за модификацията на нишестето, подпомагана от ултразвук
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat и P.Sriamornsak (2012): Влияние на ултразвуковата обработка върху физичните свойства на нишестето от тапиока, в: Advanced Materials Research, том 506 (2012), стр. 294–297. [PDF]
- Anet Rezek Jambrak, Zoran Herceg, Drago Šubaric, Jurislav Babic, Mladen Brncic, Suzana Rimac Brncic, Tomislav Bosiljkov, Domagoj Cvek, Branko Tripalo, Jurica Gelo (2010): Влияние на ултразвука върху физичните свойства на царевичното нишесте, в: Carbohydrate Polymers 79 (2010) 91–100.
- Herceg I.L., Jambrak A.R., Šubarić D., Brnčić M., Brnčić S.R., Badanjak M., Tripalo B., Ježek D., Novotni D., Herceg Z. (2010): Текстура и свойства при клейстеризация на ултразвуково обработено царевично нишесте, в: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye и V. Heinz (2002): Подобряване на хранителната стойност на растителните храни чрез нетермична обработка, в: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Често задавани въпроси
Кои са естествените източници на нишесте?
Нишестето се получава от различни естествени източници, като: царевица, восъчна царевица, царевица с високо съдържание на амилоза, тапиока, картофи, пшеница, ориз, восъчен ориз, грах (гладкосеменен грах, набръчкан грах), саго, овес, ечемик, ръж, амарант, сладки картофи, овес, зърнени култури, вакария, киноа, леща, дребен бял фасул, сорго, арарут или маниока.
Какво е модифицирано нишесте?
Модифицираното нишесте е нишесте, което е променено физично, ензимно или химично, за да се подобрят свойствата му при употреба в хранителни и промишлени приложения. Тези модификации подобряват свойства като разтворимост, вискозитет, гелообразуване и стабилност при различни условия, като нагряване или кисела среда. Модифицираните нишестета, обикновено получени от естествени източници като царевица, картофи и тапиока, се използват като сгъстители, стабилизатори и емулгатори за подобряване на текстурата и срока на годност на преработени храни, фармацевтични и други продукти.
Каква е разликата между модифицираното нишесте и OSA-нишестето?
Модифицирано нишесте означава нишесте, което е променено по различни начини – физично, ензимно или химично – за подобряване на функционалните му свойства, като сгъстяване, гелообразуване или стабилизиране при различни условия. Тези модификации го правят подходящо за разнообразни приложения в храни, фармацевтични и промишлени продукти.
OSA-нишестето, или нишестето с октенилянтарен анхидрид, е специфичен вид химично модифицирано нишесте, получено чрез присъединяване на групи на октенилянтарен анхидрид към молекулата на нишестето. Тази модификация придава уникални емулгиращи свойства, което прави OSA-нишестето особено ефективно за стабилизиране на емулсии от типа масло във вода. Докато модифицираното нишесте като цяло подобрява основни свойства като вискозитет или стабилност, OSA-нишестето е специално разработено да осигурява емулгираща способност, което го прави популярно в продукти като дресинги за салати, сосове и напитки, при които стабилните емулсии са от съществено значение. Прочетете повече за OSA-нишестето, естерифицирано чрез ултразвук!