Ultralydsmodifikation af stivelsesgranulatopslæmninger
Stivelse kan let ekstraheres fra indfødte kilder, såsom kartoffel, majs eller majs. Ændring af stivelse er nødvendig for at forbedre de fysiske og kemiske egenskaber. Hielscher ultralydsreaktorer fremmer fysisk, kemisk og enzymatisk modifikation af stivelse, der fører til bedre funktionelle egenskaber til brug i fødevare- og non-food industrier.
Stivelse skal modificeres kemisk eller fysisk for at forbedre deres positive egenskaber eller for at minimere deres defekter. Ultralydbehandling er et yderst effektivt middel til fysisk, kemisk og enzymatisk modifikation af stivelse. Hielscher ultralydsenheder overfører meget intense ultralydsbølger til stivelsesopslæmninger. Den resulterende ultralydskavitation fremmer:
- Deagglomerering og dispersion
- mekanisk nedbrydning og afbrydelse
- granulatindtrængning og hævelse
- Masseoverførsel
- radikal dannelse
- kemisk reaktivitet
- opvarmning
Kemisk modifikation af stivelse
Ultralyd kavitationel forstyrrelse af granulatet forbundet med højere facilitet for væskeindgang i stivelsesgranulatet fører til forbedringer i reaktionskinetik til esterificering, etherificering, hydroxypropylering eller oxidation og syremodifikation af stivelsespolymerer. Hielscher ultralydsreaktorer er designet til en kontinuerlig inline-behandling. Højere reaktionshastigheder fører til øget reaktionskedelkapacitet.
Modifikation af alkalisk stivelse
Til produktion af mange kommercielle stivelsesderivater tilsættes reaktive, organiske reagenser til vandige stivelsesopslæmninger, mens alkalinitet og temperatur kontrolleres. Esterificeringen af stivelse udføres normalt ved pH 7 til 9. En pH-værdi på 11 til 12 bruges almindeligvis til etherificering af stivelse. Typiske procestemperaturer er ca. 60 °C. Uden sonikering er graden af substitution af kommerciel stivelse ofte mindre end 0,2. Ultralydbehandling hjælper substitutionen, hvilket resulterer i en mere koldtvandsopløselig stivelse.
Modifikation af sur stivelse
Reaktionen af en granulær stivelsesopslæmning med fortyndet saltsyre eller svovlsyre ved 40 til 60 °C fører til fluiditetsstivelse eller fortyndet stivelse. Disse delvist depolymeriserede stivelser producerer produkter, der genererer mindre viskositet. Stivelsesoctenylsuccinater depolymeriseres delvist for at tillade et højere tørstofindhold under spraytørring af indkapslede produkter. Ultralydbehandling under mild sur hydrolyse kan dissociere nanopartikelaggregaterne, der dannes under hydrolysen. Dette øger udbyttet af stivelsesnanopartikler.
Amylopectin-molekyle
Neutralisering af gylle
Efter processen neutraliseres reaktionsgyllen, f.eks. ved tilsætning af saltsyre eller svovlsyre efter alkalisk behandling.
Stivelse vask
Vandvask, såsom modstrømsvask i hydrocykloner, følger neutraliseringen af de modificerede stivelsesopslæmninger. På dette stadium hjælper ultralydbehandling med vask og skylning af de enkelte stivelsespartikler. Ultralydskavitationen dispergerer stivelsesgranulatagglomerater og øger masseoverførslen ved grænselaget mellem stivelsesgranulat og den vandige fase.
Stivelsesfiltrering og tørring
Hielscher ultralydsenheder anvendes ultrafiltrerings- eller nanofiltreringsprocesser samt efterfølgende spraytørring.
Fysisk modifikation af stivelse (mekanisk)
Fysisk modifikation af stivelse involverer ikke brug af kemikalier. Alligevel resulterer ultralydbehandling i ændringer i stivelsens molekylære struktur efterfulgt af variationer i fysisk-kemiske egenskaber og funktionalitet. De voldsomme kavitationelle forskydningskræfter forvrænger det krystallinske område i stivelsesgranulat. Polymerkæder nær de kollapsende mikrobobler er fanget i et forskydningsfelt med høj gradient, der fører til brud på makromolekylære CC-bindinger og dannelse af langkæderadikaler. SEM-billeder af sonikerede stivelsesgranulater viser mekaniske skader, såsom sprækker, fordybninger og gruber. Dette resulterer i en højere vandabsorptionskapacitet, højere hævelsesevne og øget opløselighed. Denne effekt er bedre for højere sonikeringsamplituder. Derfor er sondesonikering meget mere effektiv til stivelsesmodifikation end sonikering af badetypen. Intens ultralydsbehandling viser mere forstyrrede granulater sammenlignet med naturlig eller varmebehandlet stivelse.
Ultralyd OSA-esterificeret stivelse
Ultrasonisk OSA-esterificeret stivelse viste højere grad af substitution (DS) og reaktionseffektivitet (RE) kombineret med mindre, men gavnlige morfologiske ændringer, der kan udvide deres funktionalitet i fødevaresystemer. Sonikering forbedrer reaktionshastigheden og effektiviteten uden at ændre stivelsens molekylære struktur og bevarer dermed dens ønskelige egenskaber til fødevareapplikationer.
Disse resultater tyder på, at ultralydassisteret esterificering kan repræsentere en grøn teknologi, der tilbyder en energieffektiv, tidsbesparende tilgang til stivelsesmodifikation. Potentialet for skalering af sonciationsassisteret esterificering kan revolutionere modifikationsprocessen for stivelse inden for fødevarevidenskab, tilpasse sig bæredygtige produktionsmål og udvide anvendelserne af esterificeret stivelse i industrien.
Læs mere om ultralydsesterificeret OSA-stivelse!
SEM-mikrobilleder til: (a) unsonicated, (b) 20min sonicated, (c) 40min. sonicated, (d) 60min sonicated hvedestivelsesgranulat.
Studie og billeder: ©Majzoobi et al., 2015
Ultralydbehandling kan sænke begyndelsen af gelatiniseringstemperaturen betydeligt. Stivelsesgeler fremstillet af sonikeret stivelsesgranulat præsenterer en højere hårdhed og højere værdier for klæbeevne og sammenhængskraft sammenlignet med naturlig stivelse. Klæbeevne, sammenhængskraft, fjedring og gumminess øges markant med ultralydsmodifikation af stivelse.
Ultralydbehandling bruger meget mindre energitilførsel og stressende behandlingsforhold end konventionelle stivelsesmodifikationsprocedurer. Hielscher ultralyd leverer ultralydsreaktorer med høj effekt til kommerciel behandling.
Anmod om mere information!
Hvis du er en videnskabsmand, der forsker i stivelsesmodifikation, en procesingeniør, der forsøger at forbedre eksisterende stivelsesprocesser, en produktingeniør, der formulerer bedre eller nye produkter, eller hvis du har anden interesse i stivelsesmodifikation: Kontakt os! Vi vil med glæde diskutere med dig potentialet og fordelene ved ultralydbehandling til stivelsesmodifikation og stivelsesanvendelse. Udfyld venligst formularen nedenfor!
Brug af stivelse
Modificeret stivelse bruges i en lang række fødevare- og nonfoodapplikationer. Stivelse octenylsuccinater er en vigtig stabilisator af olie-i-vand-emulsioner. Ved papirfremstilling forbedrer kationisk stivelse våd og tør styrke, stabiliserer emulsioner og fungerer som overfladestørrelsesmidler. Mange wet-end additivsystemer inkorporerer uorganiske mikropartikler (kolloid silica, bentonit) og syntetiske polymerer med modificeret stivelse. Andre anvendelser omfatter stivelseslatexdispersioner eller granulær stivelse som fyldstof til polymerer.
Videnskabelige artikler om ultralydassisteret stivelsesmodifikation
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat og P.Sriamornsak (2012): Effekt af ultralydsbehandling på fysiske egenskaber af tapiokastivelse, i: Advanced Materials Research Vol. 506 (2012) pp 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): Ultralydseffekt på majsstivelses fysiske egenskaber, i: Carb 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 indsætningsegenskaber af ultralydbehandlet 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 forarbejdning, i: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er indfødte stivelseskilder?
Stivelse kommer fra forskellige indfødte kilder, såsom: majs, voksmajs, majs med højt amyloseindhold, tapioka, kartoffel, hvede, ris, voksagtige ris, ærter (glat ært, rynket ært) sago, havre, byg, rug, amarant, sød kartoffel, havre, korn, ko-hjertemusling, quinoa, linser, marinebønne, sorghum, arrowroot eller kassava.
Hvad er modificeret stivelse?
Modificeret stivelse er en stivelse, der er blevet fysisk, enzymatisk eller kemisk ændret for at forbedre dens ydeevne i fødevarer og industrielle applikationer. Disse ændringer forbedrer egenskaber som opløselighed, viskositet, gelering og stabilitet under forskellige forhold, såsom varme eller sure miljøer. Modificeret stivelse, der almindeligvis stammer fra naturlige kilder som majs, kartoffel og tapioka, bruges som fortykningsmidler, stabilisatorer og emulgatorer for at forbedre tekstur og holdbarhed i forarbejdede fødevarer, lægemidler og andre produkter.
Hvad er forskellen mellem modificeret stivelse og OSA-stivelse?
Modificeret stivelse refererer til stivelse, der er blevet ændret på forskellige måder - fysisk, enzymatisk eller kemisk - for at forbedre dens funktionelle egenskaber, såsom fortykning, gelering eller stabilisering under forskellige forhold. Disse ændringer gør den velegnet til forskellige anvendelser inden for fødevarer, lægemidler og industriprodukter.
OSA-stivelse eller octenyl ravsyreanhydridstivelse er en specifik type kemisk modificeret stivelse skabt ved at binde octenyl ravsyreanhydridgrupper til stivelsesmolekylet. Denne modifikation giver unikke emulgerende egenskaber, hvilket gør OSA-stivelse særligt effektiv til stabilisering af olie-i-vand-emulsioner. Mens modificeret stivelse generelt forbedrer grundlæggende egenskaber som viskositet eller stabilitet, er OSA-stivelse specielt skræddersyet til at give emulgeringsevner, hvilket gør den populær i produkter som salatdressinger, saucer og drikkevarer, hvor stabile emulsioner er afgørende. Læs mere om ultralydsesterificeret OSA-stivelse!