Výroba OSA škrobu – zlepšená esterifikace pomocí sonikace

Esterifikace škrobů oktenyljantarovým anhydridem (OSA) je široce používaná modifikační technika, zvláště významná v potravinářském průmyslu pro výrobu funkčních škrobů se zlepšenými vlastnostmi. Tradiční modifikace škrobu pomocí OSA v alkalických podmínkách je však časově náročná a může omezovat účinnost a proveditelnost procesu. Ultrazvukem podporovaná esterifikace je účinným alternativním přístupem k urychlení esterifikace škrobů pomocí OSA. Při použití sonikace se ve srovnání s konvenční alkalickou esterifikací OSA dosahuje vyššího stupně substituce (DS) a vyšší reakční účinnosti (RE). To znamená, že sonikace umožňuje rozšířit uplatnění esterifikovaných škrobů v potravinářském průmyslu. Výsledky vědeckých studií zdůrazňují, že sonikací podporovaná esterifikace představuje účinný a ekologický pokrok v modifikaci škrobu.

Ultrazvuková esterifikace škrobu oktenyljantarovým anhydridem

Škroby jsou v potravinářském průmyslu nezbytné polysacharidy, které se díky svým jedinečným vlastnostem široce používají jako zahušťovadla, stabilizátory a emulgátory. Funkční omezení nativních škrobů však často vyžadují modifikace, které zlepšují jejich vlastnosti. Esterifikace oktenyljantarovým anhydridem (OSA) je chemický modifikační proces, který zavádí hydrofobní skupiny, a zlepšuje tak emulgační a stabilizační schopnosti škrobu. Navzdory své účinnosti je konvenční esterifikace OSA v alkalických podmínkách zdlouhavým procesem. Ultrazvukem podporovaná esterifikace je zelená technologie, která může potenciálně zvýšit stupeň substituce (DS) a reakční účinnost (RE) OSA škrobů a zlepšit tak využití času a zdrojů.

Sonikace zlepšuje esterifikaci OSA škrobu. Vliv intenzity ultrazvuku na mikrostrukturu škrobu ze semen annatto esterifikovaného OSA.
Studie a snímky: ©Keven Silva et al. 2022

Případová studie: Ultrazvuková esterifikace bramborového OSA škrobu

Ve studii Martínez et al. (2024) byly andské nativní bramborové škroby podrobeny jak konvenční alkalické esterifikaci OSA, tak ultrazvukem podporované esterifikaci (US-OSA). Autoři analyzovali morfologii granulí, molekulární charakteristiky, tepelné vlastnosti a reologické chování výsledných škrobů, aby určili potenciální výhody ultrazvukem podporované esterifikace.

Vzorky škrobu a postup esterifikace

Andské nativní bramborové škroby byly esterifikovány dvěma metodami:

• Konvenční esterifikace OSA (OSA) – prováděná v alkalických podmínkách s oktenyljantarovým anhydridem.
• Ultrazvukem podporovaná esterifikace OSA (US-OSA) – při níž byly během esterifikace aplikovány ultrazvukové vlny ke zvýšení reakční rychlosti a účinnosti.

Stupeň substituce (DS) a reakční účinnost (RE)

Ultrazvukem podporovaný proces esterifikace poskytl škroby s výrazně vyšším stupněm substituce (DS) a reakční účinností (RE) ve srovnání s konvenčními metodami. Toto zlepšení je zásadní, protože DS vyjadřuje rozsah substituce hydrofobními skupinami na molekule škrobu, což přímo ovlivňuje jeho emulgační vlastnosti.
Vysoká reakční účinnost u ultrazvukem modifikovaných OSA škrobů naznačuje, že ultrazvukové vlny zesilují molekulární srážky a pronikání molekul OSA do škrobových granulí, potenciálně v důsledku kavitačních efektů, které zlepšují přenos hmoty a podporují účinnější esterifikaci.

Morfologické charakteristiky

Mikroskopické zkoumání morfologie granulí odhalilo pozoruhodné rozdíly mezi OSA škroby a ultrazvukem modifikovanými OSA škroby. Zatímco oba modifikované škroby si zachovaly integritu granulí, ultrazvukem modifikované OSA granule vykazovaly olupané povrchy s několika póry, což ukazuje, že ultrazvukové ošetření mělo mírný vliv na povrchovou strukturu. Tato strukturní modifikace, byť nepatrná, naznačuje lepší přístupnost škrobových granulí pro esterifikaci bez narušení integrity granulí.
Ultrazvukem modifikované OSA škroby navíc vykazovaly nižší hodnoty span, což ukazuje na užší distribuci velikostí a jednotnější populaci granulí. Tato konzistence by mohla být přínosem pro specifické potravinářské aplikace, kde je zásadní přesná textura a stabilita.

Molekulární vlastnosti

IR spektroskopie a analýza XRD ukázaly minimální strukturní rozdíly mezi OSA škroby a ultrazvukem modifikovanými OSA škroby. Oba typy škrobu si zachovaly charakteristickou strukturu škrobu bez zjistitelných změn v obrazcích krystalinity, což potvrzuje, že ultrazvukem podporované ošetření významně nenarušilo nativní strukturu škrobu.
Tato molekulární stabilita je výhodná, protože zajišťuje, že ultrazvukem podporovaná esterifikace zlepšuje funkčnost, aniž by měnila základní molekulární rámec škrobu, což je zásadní pro zachování žádoucích texturních vlastností v potravinářských aplikacích.

Tepelné vlastnosti

Tepelné chování, konkrétně entalpie želatinace, se lišilo mezi konvenčními OSA škroby a ultrazvukem modifikovanými OSA škroby. Ultrazvukem modifikované OSA škroby vykazovaly ve srovnání s konvenčními OSA škroby nižší entalpii želatinace, což naznačuje nižší energetickou náročnost želatinace. Z tohoto zjištění vyplývá, že ultrazvukové ošetření může usnadnit hydrataci a želatinaci, což potenciálně zlepšuje zpracovatelnost modifikovaného škrobu v potravinářských aplikacích zahrnujících tepelné zpracování.

Reologické vlastnosti

Ultrazvukem esterifikované OSA škroby vykazovaly příznivé reologické vlastnosti s viskozitními profily podobnými nebo mírně zlepšenými ve srovnání s konvenčními OSA škroby. Takové vlastnosti mohou zlepšit jejich funkčnost v aplikacích vyžadujících stabilní emulze nebo konzistentní viskozitu při měnících se podmínkách zpracování.

Případová studie: Ultrazvukem esterifikovaný OSA škrob ze semen annatto

Studie Silva et al. (2013) zkoumala vliv intenzity sonikace na esterifikaci škrobu ze semen annatto oktenyljantarovým anhydridem (OSA) s cílem vytvořit nový emulgátor pro koloidní systémy. Ultrazvuk byl aplikován s různými intenzitami (0, 5, 10 a 20 W/cm²) po krátkou dobu zpracování (5 minut). Mezi klíčová zjištění patřilo zvýšení stupně substituce (DS) s vyšší intenzitou sonikace, přičemž maximální stupeň substituce 0,139 ± 0,031 byl dosažen při 20 W/cm². Sonikace rovněž zvýšila obsah amylózy 1,24–1,36krát ve srovnání se vzorky bez sonikace.
Morfologie granulí ukázala při vyšších intenzitách sonikace hladké povrchy a dobře definované eliptické částice, což snížilo agregaci granulí. Rentgenové difrakční obrazce nevykazovaly žádné významné kvalitativní rozdíly, což ukazuje, že ultrazvuk nezměnil krystalickou strukturu škrobu. Modifikované škroby účinně stabilizovaly emulze typu olej ve vodě s olejem ze semen annatto, přičemž dosahovaly větších Sauterových středních průměrů (14 ± 2 μm), ale ve srovnání s komerčně modifikovanými škroby vykazovaly vyšší kinetickou stabilitu v čase. Celkově se ultrazvukem podporovaná modifikace OSA ukázala jako rychlý a účinný přístup ke zlepšení funkčních vlastností škrobu ze semen annatto jako emulgátoru.

Sonikátory pro esterifikaci OSA škrobu

Průmyslové sonikátory Hielscher jsou vysoce výkonná ultrazvuková zařízení používaná ke zlepšení OSA esterifikace škrobů, což je proces, který do molekul škrobu zavádí hydrofobní skupiny oktenyljantarového anhydridu (OSA). Prostřednictvím ultrazvukové kavitace vytvářejí tyto sonikátory ve škrobové suspenzi mikroproudy a intenzivní smykové síly, které zlepšují difuzi OSA do škrobových granulí a reakční účinnost. Výsledkem je vyšší stupeň substituce (DS) a zlepšená reakční účinnost, často dosažené za výrazně kratší dobu ve srovnání s konvenčními metodami. Sonikátory Hielscher jsou ideální pro aplikace v průmyslovém měřítku a nabízejí přesné řízení parametrů, jako je intenzita, frekvence a doba trvání, pro optimalizaci procesu esterifikace, čímž zajišťují konzistentní kvalitu modifikovaných škrobových produktů se zlepšenými emulgačními a stabilizačními vlastnostmi.

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají drsné podmínky a náročná prostředí.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě splňují požadavky CE a vyhovují požadavkům UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: