Ultrazvučna modifikacija suspenzija granula škroba
Škrob se lako ekstrahuje iz prirodnih izvora, kao što su krompir, kukuruz ili kukuruz. Modifikacija škroba je neophodna radi poboljšanja fizičkih i hemijskih svojstava. Hielscher ultrazvučni reaktori potiču fizičku, hemijsku i enzimsku modifikaciju škroba, što dovodi do boljih funkcionalnih svojstava za upotrebu u prehrambenoj i neprehrambenoj industriji.
Za većinu komercijalnih primjena škrobovi se moraju hemijski ili fizički modificirati kako bi se poboljšala njihova pozitivna svojstva ili smanjili nedostaci. Ultrazvučna obrada je vrlo djelotvorno sredstvo za fizičku, hemijsku i enzimsku modifikaciju škrobova. Hielscher ultrazvučni uređaji prenose ultrazvučne valove vrlo visokog intenziteta u suspenzije škroba. Nastala ultrazvučna kavitacija potiče:
- deaglomeraciju i disperziju
- mehaničku razgradnju i razaranje
- prodiranje u granule i bubrenje
- prijenos mase
- stvaranje radikala
- hemijsku reaktivnost
- zagrijavanje
Hemijska modifikacija škroba
Ultrazvučno kavitacijsko razaranje granula, povezano s lakšim ulaskom tekućine u granulu škroba, dovodi do poboljšanja kinetike reakcija esterifikacije, eterifikacije, hidroksipropilacije ili oksidacije te kisele modifikacije polimera škroba. Hielscher ultrazvučni reaktori projektirani su za kontinuiranu inline obradu. Veće brzine reakcije dovode do povećanja kapaciteta reakcijskog kotla.
Alkalna modifikacija škroba
Za proizvodnju mnogih komercijalnih derivata škroba, reaktivni organski reagensi dodaju se u vodene suspenzije škroba uz kontrolu alkalnosti i temperature. Esterifikacija škrobova općenito se provodi pri pH od 7 do 9. Za eterifikaciju škrobova obično se koristi pH od 11 do 12. Tipične procesne temperature iznose približno 60°C. Bez ultrazvučne obrade, stepen supstitucije komercijalnih škrobova često je manji od 0,2. Ultrazvučna obrada potpomaže supstituciju, što rezultira škrobom koji se bolje rastvara u hladnoj vodi.
Kisela modifikacija škroba
Reakcija suspenzije granuliranog škroba s razrijeđenom hlorovodoničnom ili sumpornom kiselinom na 40 do 60°C dovodi do škrobova povećane fluidnosti, odnosno škrobova smanjene viskoznosti (thinned starches). Ovi djelimično depolimerizirani škrobovi daju proizvode koji stvaraju manju viskoznost. Škrobni oktenilsukcinati djelimično se depolimeriziraju kako bi se omogućio veći udio čvrstih tvari pri sprej sušenju inkapsuliranih proizvoda. Ultrazvučna obrada tokom blage kisele hidrolize može razdvojiti agregate nanočestica koji se stvaraju tokom hidrolize. To povećava prinos nanočestica škroba.
Molekula amilopektina
Neutralizacija suspenzije
Nakon procesa reakcijska suspenzija se neutralizira, npr. dodavanjem hlorovodonične ili sumporne kiseline nakon alkalne obrade.
Pranje škroba
Pranje vodom, kao što je protustrujno pranje u hidrociklonima, slijedi nakon neutralizacije suspenzija modificiranog škroba. U ovoj fazi ultrazvučna obrada potpomaže pranje i ispiranje pojedinačnih čestica škroba. Ultrazvučna kavitacija raspršuje aglomerate granula škroba i povećava prijenos mase na graničnom sloju između granula škroba i vodene faze.
Filtracija i sušenje škroba
Hielscher ultrazvučni uređaji koriste se u procesima ultrafiltracije ili nanofiltracije, kao i u naknadnom sprej sušenju.
Fizička modifikacija škroba (mehanička)
Fizička modifikacija škrobova ne uključuje upotrebu hemikalija. Ipak, ultrazvučna obrada dovodi do promjena molekularne strukture škroba, nakon kojih slijede promjene fizičkohemijskih svojstava i funkcionalnosti. Snažne kavitacijske smične sile deformiraju kristalno područje u granulama škroba. Polimerni lanci u blizini kolabirajućih mikromjehurića zahvaćeni su smičnim poljem visokog gradijenta, što dovodi do pucanja makromolekularnih C-C veza i stvaranja radikala dugih lanaca. SEM snimci ultrazvučno obrađenih granula škroba pokazuju mehanička oštećenja, kao što su pukotine, udubljenja i rupičasta oštećenja. To rezultira većim kapacitetom upijanja vode, većom moći bubrenja i povećanom rastvorljivošću. Ovaj efekat je bolji pri većim amplitudama ultrazvučne obrade. Zbog toga je ultrazvučna obrada sondom mnogo djelotvornija za modifikaciju škroba od ultrazvučne obrade u kupelji. Intenzivna ultrazvučna obrada pokazuje više razorenih granula u poređenju s nativnim ili toplinski obrađenim škrobom.
Ultrazvučno OSA-esterificirani škrobovi
Ultrazvučno OSA-esterificirani škrobovi pokazali su viši stepen supstitucije (DS) i veću efikasnost reakcije (RE), uz manje, ali korisne morfološke promjene koje mogu proširiti njihovu funkcionalnost u prehrambenim sistemima. Ultrazvučna obrada povećava brzinu i efikasnost reakcije bez promjene molekularne strukture škroba, čime se čuvaju njegova poželjna svojstva za primjenu u prehrani.
Ovi rezultati sugeriraju da bi ultrazvučno potpomognuta esterifikacija mogla predstavljati zelenu tehnologiju koja nudi energetski efikasan pristup modifikaciji škroba uz uštedu vremena. Mogućnost skaliranja esterifikacije potpomognute ultrazvučnom obradom mogla bi revolucionirati proces modifikacije škrobova u prehrambenoj nauci, u skladu s ciljevima održive proizvodnje i uz proširenje primjene esterificiranih škrobova u industriji.
Saznajte više o ultrazvučno esterificiranom OSA-škrobu!
SEM mikrografije: (a) ultrazvučno neobrađene, (b) 20 min ultrazvučno obrađene, (c) 40 min ultrazvučno obrađene, (d) 60 min ultrazvučno obrađene granule pšeničnog škroba.
Studija i slike: ©Majzoobi et al., 2015
Ultrazvučna obrada može znatno sniziti početnu temperaturu želatinizacije. Gelovi škroba pripremljeni od ultrazvučno obrađenih granula škroba imaju veću tvrdoću te veće vrijednosti adhezivnosti i kohezivnosti u poređenju s nativnim škrobom. Adhezivnost, kohezivnost, elastičnost i gumenost značajno rastu ultrazvučnom modifikacijom škroba.
Ultrazvučna obrada koristi mnogo manje energije i manje agresivne procesne uvjete od konvencionalnih postupaka modifikacije škroba. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne reaktore velike snage za komercijalnu obradu.
Zatražite dodatne informacije!
Ako ste naučnik koji se bavi istraživanjem modifikacije škroba, procesni inženjer koji nastoji poboljšati postojeće procese s škrobom, inženjer proizvoda koji formulira bolje ili nove proizvode, ili imate bilo koji drugi interes za modifikaciju škroba: kontaktirajte nas! Rado ćemo s vama razgovarati o potencijalu i prednostima ultrazvučne obrade za modifikaciju škroba i primjenu škroba. Molimo popunite obrazac ispod!
Upotreba škroba
Modificirani škrob koristi se u širokom rasponu prehrambenih i neprehrambenih primjena. Škrobni oktenilsukcinati važni su stabilizatori emulzija ulje u vodi. U proizvodnji papira kationski škrobovi poboljšavaju čvrstoću u mokrom i suhom stanju, stabiliziraju emulzije i djeluju kao sredstva za površinsko klijenje (površinsko provlačenje). Mnogi aditivni sistemi za mokri dio uključuju anorganske mikročestice (koloidni silicijum-dioksid, bentonit) i sintetičke polimere s modificiranim škrobom. Ostale upotrebe uključuju disperzije škrobnog lateksa ili granulirani škrob kao punilo za polimere.
Naučni članci o ultrazvučno potpomognutoj modifikaciji škroba
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat i P.Sriamornsak (2012): Efekat ultrazvučnog tretmana na fizička svojstva škroba tapioke, u: Advanced Materials Research Vol. 506 (2012) str. 294-297. [PDF]
- Anet Rezek Jambrak, Zoran Herceg, Drago Šubarić, Jurislav Babić, Mladen Brnčić, Suzana Rimac Brnčić, Tomislav Bosiljkov, Domagoj Cvek, Branko Tripalo, Jurica Gelo (2010): Ultrazvučni efekat na fizička svojstva kukuruznog škroba, u: Polimeri ugljikohidrata 79 ( 2010) 91–100.
- Herceg IL, Jambrak AR, Šubarić D., Brnčić M., Brnčić SR, Badanjak M., Tripalo B., Ježek D., Novotni D., Herceg Z. (2010): Tekstura i svojstva paste ultrazvučno tretiranog kukuruznog škroba, u: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, BIO Ade-Omowaye i V. Heinz (2002): Nutritivno poboljšanje biljne hrane netermalnom obradom, u: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Često postavljana pitanja
Koji su prirodni izvori škroba?
Škrob potiče iz različitih prirodnih izvora, kao što su: kukuruz, voštani kukuruz, kukuruz s visokim udjelom amiloze, tapioka, krompir, pšenica, riža, voštana riža, grašak (glatki grašak, naborani grašak) sago, zob, ječam, raž, amarant, batat, zob, žitarice, vakarija (Vaccaria hispanica, engl. cow cockle), kinoa, leća, mali bijeli grah (navy bean), sirak, maranta ili manioka.
Šta je modificirani škrob?
Modificirani škrob je škrob koji je fizički, enzimski ili hemijski izmijenjen kako bi se poboljšala njegova učinkovitost u prehrambenim i industrijskim primjenama. Ove modifikacije poboljšavaju svojstva kao što su rastvorljivost, viskoznost, geliranje i stabilnost u različitim uvjetima, poput toplote ili kiselih sredina. Najčešće se dobivaju iz prirodnih izvora kao što su kukuruz, krompir i tapioka, a modificirani škrobovi koriste se kao zgušnjivači, stabilizatori i emulgatori za poboljšanje teksture i roka trajanja u prerađenoj hrani, farmaceutskim proizvodima i drugim proizvodima.
Koja je razlika između modificiranog škroba i OSA-škroba?
Modificirani škrob odnosi se na škrob koji je izmijenjen na različite načine – fizički, enzimski ili hemijski – kako bi se poboljšala njegova funkcionalna svojstva, kao što su zgušnjavanje, geliranje ili stabilizacija u različitim uvjetima. Zahvaljujući tim modifikacijama pogodan je za raznovrsne primjene u prehrani, farmaceutskim i industrijskim proizvodima.
OSA-škrob, odnosno škrob s oktenil-jantarnim anhidridom, specifična je vrsta hemijski modificiranog škroba nastala vezanjem grupa oktenil-jantarnog anhidrida na molekulu škroba. Ova modifikacija daje jedinstvena emulgirajuća svojstva, zbog čega je OSA-škrob posebno djelotvoran u stabilizaciji emulzija ulje u vodi. Dok modificirani škrob općenito poboljšava osnovna svojstva poput viskoznosti ili stabilnosti, OSA-škrob je posebno prilagođen za pružanje sposobnosti emulgiranja, zbog čega je popularan u proizvodima kao što su dresinzi za salatu, umaci i napici gdje su stabilne emulzije ključne. Saznajte više o ultrazvučno esterificiranom OSA-škrobu!