Produktion af OSA-stivelse – forbedret esterificering ved sonikering

Esterificering af stivelse med octenylravsyreanhydrid (OSA) er en udbredt modifikationsteknik, der især er relevant i fødevareindustrien til fremstilling af funktionelle stivelsestyper med forbedrede egenskaber. Traditionel modifikation af OSA-stivelse under alkaliske betingelser er imidlertid tidskrævende og kan begrænse processens effektivitet og gennemførlighed. Ultralydsassisteret esterificering er en effektiv alternativ metode til at fremskynde esterificering af stivelse med OSA. Ved anvendelse af sonikering opnås en højere substitutionsgrad (DS) og reaktionseffektivitet (RE) sammenlignet med konventionel alkalisk OSA-esterificering. Det betyder, at sonikering gør det muligt at udvide anvendelsesområdet for esterificeret stivelse i fødevareindustrien. Resultaterne af videnskabelige undersøgelser understreger, at sonikeringsassisteret esterificering er et effektivt og miljøvenligt fremskridt inden for stivelsesmodifikation.

Ultralydsesterificering af stivelse med octenylravsyreanhydrid

Stivelsestyper er essentielle polysaccharider i fødevareindustrien og anvendes i vid udstrækning som fortykningsmidler, stabilisatorer og emulgatorer på grund af deres unikke egenskaber. De funktionelle begrænsninger ved nativ stivelse nødvendiggør dog ofte modifikationer for at forbedre dens ydeevne. Esterificering med octenylravsyreanhydrid (OSA) er en kemisk modifikationsproces, som indfører hydrofobe grupper og forbedrer stivelsens emulgerende og stabiliserende evne. Trods sin effektivitet er konventionel OSA-esterificering under alkaliske betingelser en langvarig proces. Ultralydsassisteret esterificering er en grøn teknologi, som potentielt kan øge substitutionsgraden (DS) og reaktionseffektiviteten (RE) for OSA-stivelse og forbedre udnyttelsen af tid og ressourcer.

Sonikering forbedrer esterificeringen af OSA-stivelse. Ultralydsintensitetens virkning på mikrostrukturen i OSA-esterificeret stivelse fra annattofrø.
Undersøgelse og billeder: ©Keven Silva et al. 2022

Casestudie: Ultralydsesterificering af OSA-kartoffelstivelse

I undersøgelsen af Martínez et al. (2024) blev nativ kartoffelstivelse fra Andesregionen udsat for både konventionel alkalisk OSA-esterificering og ultralydsassisteret esterificering (US-OSA). Forskerne analyserede de resulterende stivelsestypers granulatmorfologi, molekylære karakteristika, termiske egenskaber og reologiske adfærd for at bestemme de potentielle fordele ved ultralydsassisteret esterificering.

Stivelsesprøver og esterificeringsprocedure

Nativ kartoffelstivelse fra Andesregionen blev esterificeret ved hjælp af to metoder:

• Konventionel OSA-esterificering (OSA) – udført under alkaliske betingelser med octenylravsyreanhydrid.
• Ultralydsassisteret OSA-esterificering (US-OSA) – hvor ultralydsbølger blev anvendt under esterificeringen for at øge reaktionshastigheden og effektiviteten.

Substitutionsgrad (DS) og reaktionseffektivitet (RE)

Den ultralydsassisterede esterificeringsproces gav stivelsestyper med en signifikant højere substitutionsgrad (DS) og reaktionseffektivitet (RE) sammenlignet med konventionelle metoder. Denne forbedring er afgørende, da DS afspejler omfanget af substitution med hydrofobe grupper på stivelsesmolekylet, hvilket direkte påvirker dets emulgerende egenskaber.
Den høje reaktionseffektivitet i ultralydsmodificeret OSA-stivelse tyder på, at ultralydsbølger øger antallet af molekylære kollisioner og OSA-molekylernes indtrængning i stivelsesgranulaterne, potentielt på grund af kavitationseffekter, som forbedrer masseoverførslen og fremmer en mere effektiv esterificering.

Morfologiske karakteristika

Mikroskopisk undersøgelse af granulatmorfologien afslørede bemærkelsesværdige forskelle mellem OSA-stivelse og ultralydsmodificeret OSA-stivelse. Selvom begge modificerede stivelsestyper bevarede granulaternes integritet, havde de ultralydsmodificerede OSA-granulater afskallede overflader med enkelte porer, hvilket indikerer, at ultralydsbehandlingen havde en mild indvirkning på overfladestrukturen. Denne strukturelle modifikation, om end beskeden, tyder på, at stivelsesgranulaterne blev mere tilgængelige for esterificering uden at kompromittere deres integritet.
Desuden havde ultralydsmodificeret OSA-stivelse lavere span-værdier, hvilket indikerer en snævrere størrelsesfordeling og en mere ensartet granulatpopulation. Denne ensartethed kan være til gavn for specifikke fødevareanvendelser, hvor præcis tekstur og stabilitet er afgørende.

Molekylære egenskaber

IR-spektroskopi og XRD-analyse viste minimale strukturelle forskelle mellem OSA-stivelse og ultralydsmodificeret OSA-stivelse. Begge stivelsestyper bevarede den karakteristiske stivelsesstruktur uden påviselige ændringer i krystallinitetsmønstrene, hvilket bekræfter, at den ultralydsassisterede behandling ikke forstyrrede stivelsens native struktur væsentligt.
Denne molekylære stabilitet er fordelagtig, da den sikrer, at ultralydsassisteret esterificering forbedrer funktionaliteten uden at ændre stivelsens grundlæggende molekylære opbygning, hvilket er afgørende for at bevare ønskelige teksturegenskaber i fødevareanvendelser.

Termiske egenskaber

Den termiske adfærd, specifikt forklistringsentalpien, var forskellig for konventionel OSA-stivelse og ultralydsmodificeret OSA-stivelse. Den ultralydsmodificerede OSA-stivelse havde en lavere forklistringsentalpi end konventionel OSA-stivelse, hvilket tyder på et reduceret energibehov ved forklistring. Dette resultat indikerer, at ultralydsbehandlingen kan lette hydrering og forklistring og potentielt forbedre den modificerede stivelses forarbejdningsegenskaber i fødevareanvendelser, der omfatter termisk behandling.

Reologiske egenskaber

Ultralydsesterificerede OSA-stivelsestyper udviste fordelagtige reologiske egenskaber med viskositetsprofiler, der lignede eller var en smule forbedrede i forhold til konventionelle OSA-stivelsestyper. Sådanne egenskaber kan forbedre deres ydeevne i anvendelser, der kræver stabile emulsioner eller ensartet viskositet under varierende forarbejdningsbetingelser.

Casestudie: Ultralydsesterificeret OSA-stivelse fra annattofrø

Undersøgelsen af Silva et al. (2013) undersøgte sonikeringsintensitetens virkning på esterificeringen af stivelse fra annattofrø med octenylravsyreanhydrid (OSA) med det formål at udvikle en ny emulgator til kolloide systemer. Ultralyd blev anvendt ved varierende intensiteter (0, 5, 10 og 20 W/cm²) i en kort behandlingstid (5 minutter). De vigtigste resultater omfattede en stigning i substitutionsgraden (DS) ved højere sonikeringsintensitet, som nåede en maksimal substitutionsgrad på 0,139 ± 0,031 ved 20 W/cm². Sonikeringsbehandlingen øgede også amyloseindholdet til 1,24–1,36 gange indholdet i prøver uden sonikering.
Granulatmorfologien viste glatte overflader og veldefinerede elliptiske partikler ved højere sonikeringsintensiteter, hvilket reducerede granulataggregeringen. Røntgendiffraktionsmønstrene viste ingen signifikante kvalitative forskelle, hvilket indikerer, at ultralyd ikke ændrede stivelsens krystallinske struktur. De modificerede stivelsestyper var effektive til at stabilisere olie-i-vand-emulsioner med olie fra annattofrø og opnåede større Sauter-middeldiametre (14 ± 2 μm), men udviste større kinetisk stabilitet over tid sammenlignet med kommercielt modificerede stivelsestyper. Samlet set viste ultralydsassisteret OSA-modifikation sig at være en hurtig og effektiv metode til at forbedre de funktionelle egenskaber ved stivelse fra annattofrø som emulgator.

Sonikatorer til esterificering af OSA-stivelse

Industrielle sonikatorer fra Hielscher er højtydende ultralydsapparater, der bruges til at forbedre OSA-esterificeringen af stivelse, en proces, som indfører hydrofobe octenylravsyreanhydridgrupper (OSA) på stivelsesmolekylerne. Gennem ultralydskavitation skaber disse sonikatorer mikrostråler og intense forskydningskræfter i stivelsessuspensionen, hvilket forbedrer diffusionen af OSA ind i stivelsesgranulaterne og reaktionseffektiviteten. Dette resulterer i en højere substitutionsgrad (DS) og forbedret reaktionseffektivitet, som ofte opnås på væsentligt kortere tid end med konventionelle metoder. Sonikatorer fra Hielscher er ideelle til anvendelser i industriel skala og tilbyder præcis styring af parametre som intensitet, frekvens og varighed for at optimere esterificeringsprocessen og sikre ensartet kvalitet af modificerede stivelsesprodukter med forbedrede emulgerende og stabiliserende egenskaber.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Sonikatorer fra Hielscher er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores sonikatorer i industrielle anlæg. Sonikatorer fra Hielscher håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende sonikatorer med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Sonikatorer fra Hielscher overholder naturligvis CE-kravene og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores sonikatorers omtrentlige behandlingskapacitet: