Ultralydsmodifikation af suspensioner af stivelsesgranuler
Stivelse kan nemt udvindes fra naturlige kilder som kartofler, majs eller majs. Modifikation af stivelse er nødvendig for at forbedre de fysiske og kemiske egenskaber. Hielschers ultralydsreaktorer fremmer fysisk, kemisk og enzymatisk modifikation af stivelse, hvilket fører til bedre funktionelle egenskaber til anvendelse i fødevareindustrien og andre industrier.
Til de fleste kommercielle anvendelser skal stivelser modificeres kemisk eller fysisk for at forbedre deres positive egenskaber eller minimere deres mangler. Ultralydsbehandling er en yderst effektiv metode til fysisk, kemisk og enzymatisk modifikation af stivelser. Hielschers ultralydsapparater overfører ultralydsbølger med meget høj intensitet til stivelsessuspensioner. Den resulterende ultralydskavitation fremmer:
- deagglomerering og dispergering
- mekanisk nedbrydning og sønderdeling
- indtrængning i og kvældning af granuler
- masseoverførsel
- radikaldannelse
- kemisk reaktivitet
- opvarmning
Kemisk modifikation af stivelse
Sønderdeling af granulen ved ultralydskavitation kombineret med lettere indtrængning af væske i stivelsesgranulen fører til forbedret reaktionskinetik ved esterificering, etherificering, hydroxypropylering eller oxidation og syremodifikation af stivelsespolymerer. Hielschers ultralydsreaktorer er konstrueret til kontinuerlig inlinebehandling. Højere reaktionshastigheder fører til øget kapacitet i reaktionsbeholderen.
Alkalisk modifikation af stivelse
Ved fremstilling af mange kommercielle stivelsesderivater tilsættes reaktive, organiske reagenser til vandige stivelsessuspensioner, mens alkalinitet og temperatur kontrolleres. Esterificering af stivelser udføres generelt ved pH 7 til 9. En pH på 11 til 12 anvendes almindeligvis til etherificering af stivelser. Typiske procestemperaturer er cirka 60°C. Uden sonikering er substitutionsgraden for kommercielle stivelser ofte mindre end 0,2. Ultralydsbehandling fremmer substitutionen, hvilket resulterer i en stivelse, der er mere opløselig i koldt vand.
Sur modifikation af stivelse
Reaktionen mellem en suspension af stivelsesgranuler og fortyndet saltsyre eller svovlsyre ved 40 til 60°C fører til letflydende stivelser eller tyndtkogende stivelser. Disse delvist depolymeriserede stivelser giver produkter, der udvikler lavere viskositet. Stivelsesoctenylsuccinater depolymeriseres delvist, så der kan anvendes et højere tørstofindhold ved spraytørring af indkapslede produkter. Ultralydsbehandling under mild syrehydrolyse kan adskille de nanopartikelaggregater, der dannes under hydrolysen. Dette øger udbyttet af stivelsesnanopartikler.
Amylopektinmolekyle
Neutralisering af suspensionen
Efter processen neutraliseres reaktionssuspensionen, f.eks. ved tilsætning af saltsyre eller svovlsyre efter alkalisk behandling.
Vask af stivelse
Vask med vand, såsom modstrømsvask i hydrocykloner, følger efter neutraliseringen af de modificerede stivelsessuspensioner. På dette trin understøtter ultralydsbehandling vask og skylning af de enkelte stivelsespartikler. Ultralydskavitationen dispergerer agglomerater af stivelsesgranuler og øger masseoverførslen i grænselaget mellem stivelsesgranulerne og den vandige fase.
Filtrering og tørring af stivelse
Hielschers ultralydsapparater anvendes i ultrafiltrerings- eller nanofiltreringsprocesser samt ved efterfølgende spraytørring.
Fysisk modifikation af stivelse (mekanisk)
Fysisk modifikation af stivelser indebærer ikke brug af kemikalier. Alligevel medfører ultralydsbehandling ændringer i stivelsens molekylære struktur efterfulgt af ændringer i fysisk-kemiske egenskaber og funktionalitet. De voldsomme forskydningskræfter fra kavitation forvrænger det krystallinske område i stivelsesgranulerne. Polymerkæder nær de kollapsende mikrobobler indfanges i et forskydningsfelt med høj gradient, hvilket fører til brud på makromolekylære C-C-bindinger og dannelse af langkædede radikaler. SEM-billeder af sonikerede stivelsesgranuler viser mekaniske skader såsom revner, fordybninger og grubedannelse. Dette resulterer i en højere vandabsorptionskapacitet, større kvældningsevne og øget opløselighed. Denne effekt er bedre ved højere sonikeringsamplituder. Derfor er sonikering med sonde langt mere effektiv til modifikation af stivelse end sonikering i et bad. Intensiv ultralydsbehandling viser flere sønderdelte granuler sammenlignet med nativ eller varmebehandlet stivelse.
Stivelser OSA-esterificeret med ultralyd
Stivelser OSA-esterificeret med ultralyd udviste højere substitutionsgrad (DS) og reaktionseffektivitet (RE) kombineret med mindre, men gavnlige morfologiske ændringer, der kan udvide deres funktionalitet i fødevaresystemer. Sonikering øger reaktionshastigheden og effektiviteten uden at ændre stivelsens molekylære struktur og bevarer dermed dens ønskelige egenskaber til fødevareanvendelser.
Disse resultater tyder på, at ultralydsassisteret esterificering kunne udgøre en grøn teknologi, der tilbyder en energieffektiv, tidsbesparende tilgang til modifikation af stivelse. Potentialet for opskalering af sonikeringsassisteret esterificering kunne revolutionere modifikationsprocessen for stivelser inden for fødevarevidenskab, være i overensstemmelse med mål for bæredygtig produktion og udvide anvendelserne af esterificerede stivelser i industrien.
Læs mere om OSA-stivelse esterificeret med ultralyd!
SEM-mikrografier af hvedestivelsesgranuler: (a) uden sonikering, (b) sonikeret i 20min, (c) sonikeret i 40min., (d) sonikeret i 60min.
Undersøgelse og billeder: ©Majzoobi et al., 2015
Ultralydsbehandling kan sænke starttemperaturen for forklistring betydeligt. Stivelsesgeler fremstillet af sonikerede stivelsesgranuler udviser højere hårdhed og højere værdier for adhæsivitet og kohæsivitet sammenlignet med nativ stivelse. Adhæsivitet, kohæsivitet, elasticitet og gummiagtighed øges betydeligt ved ultralydsmodifikation af stivelse.
Ultralydsbehandling kræver langt mindre energitilførsel og langt mindre belastende procesbetingelser end konventionelle metoder til modifikation af stivelse. Hielscher Ultrasonics leverer ultralydsreaktorer med høj effekt til kommerciel behandling.
Anmod om flere oplysninger!
Hvis du er forsker, der undersøger modifikation af stivelse, procesingeniør, der forsøger at forbedre eksisterende stivelsesprocesser, produktingeniør, der formulerer bedre eller nye produkter, eller hvis du har en anden interesse i modifikation af stivelse: Kontakt os! Vi vil med glæde drøfte potentialet og fordelene ved ultralydsbehandling til modifikation og anvendelse af stivelse med dig. Udfyld venligst formularen nedenfor!
Anvendelse af stivelse
Modificeret stivelse anvendes i en lang række fødevareanvendelser og anvendelser uden for fødevareområdet. Stivelsesoctenylsuccinater er en vigtig stabilisator for olie-i-vand-emulsioner. Ved papirfremstilling forbedrer kationiske stivelser våd- og tørstyrken, stabiliserer emulsioner og fungerer som overfladelimningsmidler. Mange tilsætningssystemer til vådpartiet kombinerer uorganiske mikropartikler (kolloid silica, bentonit) og syntetiske polymerer med modificeret stivelse. Andre anvendelser omfatter stivelses-latex-dispersioner eller granulær stivelse som fyldstof til polymerer.
Videnskabelige artikler om ultralydsassisteret modifikation af stivelse
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat og P.Sriamornsak (2012): Effekt af ultralydsbehandling på tapiokastivelses fysiske egenskaber, i: Advanced Materials Research bind 506 (2012) s. 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): Ultralyds effekt på majsstivelses fysiske egenskaber, i: 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): Tekstur- og forklistringsegenskaber for ultralydsbehandlet majsstivelse, i: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye og V. Heinz (2002): Ernæringsmæssig forbedring af vegetabilske fødevarer ved ikke-termisk behandling, i: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er naturlige kilder til stivelse?
Stivelse kommer fra forskellige naturlige kilder, såsom: majs, voksmajs, majs med højt amyloseindhold, tapioka, kartoffel, hvede, ris, voksris, ært (glat ært, rynket ært) sago, havre, byg, rug, amarant, sød kartoffel, havre, korn, ko-urt, quinoa, linse, hvid bønne, sorghum, arrowroot eller kassava.
Hvad er modificeret stivelse?
Modificeret stivelse er stivelse, der er blevet ændret fysisk, enzymatisk eller kemisk for at forbedre dens ydeevne i fødevarer og industrielle anvendelser. Disse modifikationer forbedrer egenskaber som opløselighed, viskositet, geldannelse og stabilitet under forskellige forhold, såsom varme eller sure miljøer. Modificerede stivelser, der almindeligvis udvindes fra naturlige kilder som majs, kartoffel og tapioka, anvendes som fortykningsmidler, stabilisatorer og emulgatorer til at forbedre tekstur og holdbarhed i forarbejdede fødevarer, lægemidler og andre produkter.
Hvad er forskellen mellem modificeret stivelse og OSA-stivelse?
Modificeret stivelse betegner stivelse, der er blevet ændret på forskellige måder – fysisk, enzymatisk eller kemisk – for at forbedre dens funktionelle egenskaber, såsom fortykkelse, geldannelse eller stabilisering under forskellige forhold. Disse modifikationer gør den egnet til forskellige anvendelser i fødevarer, lægemidler og industriprodukter.
OSA-stivelse, eller octenylravsyreanhydridstivelse, er en bestemt type kemisk modificeret stivelse, der fremstilles ved at binde octenylravsyreanhydridgrupper til stivelsesmolekylet. Denne modifikation giver unikke emulgerende egenskaber, hvilket gør OSA-stivelse særligt effektiv til at stabilisere olie-i-vand-emulsioner. Mens modificeret stivelse generelt forbedrer grundlæggende egenskaber som viskositet eller stabilitet, er OSA-stivelse særligt tilpasset til at give emulgerende egenskaber, hvilket gør den populær i produkter som salatdressinger, saucer og drikkevarer, hvor stabile emulsioner er afgørende. Læs mere om OSA-stivelse esterificeret med ultralyd!