OSA-Stärkeproduktion – Verbesserte Veresterung durch Sonikation

Die Veresterung von Stärke mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA) ist eine weit verbreitete Modifizierungstechnik, die insbesondere in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung funktioneller Stärken mit verbesserten Eigenschaften eingesetzt wird. Die herkömmliche OSA-Stärkemodifizierung unter alkalischen Bedingungen ist jedoch zeitaufwändig und kann die Effizienz und Durchführbarkeit des Prozesses einschränken. Die ultraschallunterstützte Veresterung ist ein wirksamer alternativer Ansatz zur Beschleunigung der Veresterung von Stärken mit OSA. Durch die Anwendung der Beschallung wird im Vergleich zur herkömmlichen alkalischen OSA-Veresterung ein höherer Substitutionsgrad (DS) und eine höhere Reaktionseffizienz (RE) erreicht. Dies bedeutet, dass die Beschallung eine Ausweitung und die Anwendbarkeit von veresterten Stärken in der Lebensmittelindustrie ermöglicht. Die Ergebnisse wissenschaftlicher Studien unterstreichen die sonikationsgestützte Veresterung als effizienten, umweltfreundlichen Fortschritt in der Stärkemodifikation.

Veresterung von Octenylbernsteinsäureanhydrid-Stärke mit Ultraschall

Stärken sind wichtige Polysaccharide in der Lebensmittelindustrie, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften häufig als Verdickungsmittel, Stabilisatoren und Emulgatoren eingesetzt werden. Die funktionellen Einschränkungen nativer Stärken machen jedoch häufig Modifikationen erforderlich, um ihre Leistung zu verbessern. Die Veresterung mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA) ist ein chemischer Modifizierungsprozess, bei dem hydrophobe Gruppen eingeführt werden, die die emulgierenden und stabilisierenden Eigenschaften der Stärke verbessern. Trotz ihrer Wirksamkeit ist die herkömmliche OSA-Veresterung unter alkalischen Bedingungen ein langwieriger Prozess. Die ultraschallunterstützte Veresterung ist eine umweltfreundliche Technologie, die den Substitutionsgrad (DS) und die Reaktionseffizienz (RE) von OSA-Stärken potenziell erhöhen kann, wodurch Zeit und Ressourcen eingespart werden.

Die Ultraschallbehandlung verbessert die Veresterung von OSA-Stärke. Wirkung der Ultraschallintensität auf die Mikrostruktur der OSA-veresterten Annatto-Samenstärke.
Studie und Bilder: ©Keven Silva et al. 2022

Fallstudie: Veresterung von OSA-Kartoffelstärke mit Ultraschall

In der Studie von Martínez et al. (2024) wurde native Kartoffelstärke aus den Anden sowohl einer herkömmlichen alkalischen OSA-Veresterung als auch einer ultraschallunterstützten (US-OSA) Veresterung unterzogen. Sie analysierten die Granulatmorphologie, die molekularen Eigenschaften, die thermischen Eigenschaften und das rheologische Verhalten der resultierenden Stärken, um die potenziellen Vorteile der ultraschallunterstützten Veresterung zu ermitteln.

Stärkeproben und Veresterungsverfahren

Die in den Anden heimische Kartoffelstärke wurde mit zwei Methoden verestert:

• Konventionelle OSA-Veresterung (OSA) – unter alkalischen Bedingungen mit Octenylbernsteinsäureanhydrid durchgeführt.
• Ultraschallunterstützte OSA-Veresterung (US-OSA) – bei dem während der Veresterung Ultraschallwellen eingesetzt wurden, um die Reaktionsgeschwindigkeit und die Wirksamkeit zu erhöhen.

Substitutionsgrad (DS) und Reaktionswirkungsgrad (RE)

Der ultraschallunterstützte Veresterungsprozess führte zu Stärken mit einem deutlich höheren Substitutionsgrad (DS) und einer höheren Reaktionseffizienz (RE) im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Diese Verbesserung ist von entscheidender Bedeutung, da der DS das Ausmaß der Substitution des Stärkemoleküls durch hydrophobe Gruppen widerspiegelt, was sich direkt auf seine Emulgiereigenschaften auswirkt.
Die hohe Reaktionseffizienz in ultraschallmodifizierter OSA-Stärke deutet darauf hin, dass die Ultraschallwellen die molekularen Kollisionen und das Eindringen der OSA-Moleküle in die Stärkekörner verbessern, möglicherweise aufgrund von Kavitationseffekten, die den Stoffaustausch verbessern und eine effizientere Veresterung fördern.

Morphologische Merkmale

Die mikroskopische Untersuchung der Kornmorphologie ergab deutliche Unterschiede zwischen OSA-Stärke und ultraschallmodifizierter OSA-Stärke. Während bei beiden modifizierten Stärken die Integrität der Körner erhalten blieb, wiesen die ultraschallmodifizierten OSA-Körner eine geschälte Oberfläche mit einigen Poren auf, was darauf hindeutet, dass sich die Ultraschallbehandlung leicht auf die Oberflächenstruktur ausgewirkt hat. Diese strukturelle Veränderung, wenn auch nur geringfügig, deutet auf eine verbesserte Zugänglichkeit der Stärkekörner für die Veresterung hin, ohne die Integrität der Körner zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus wiesen die ultraschallmodifizierten OSA-Stärken geringere Spannenwerte auf, was auf eine engere Größenverteilung und eine einheitlichere Granulatpopulation hindeutet. Diese Konsistenz könnte für bestimmte Lebensmittelanwendungen von Vorteil sein, bei denen es auf eine präzise Textur und Stabilität ankommt.

Molekulare Merkmale

IR-Spektroskopie und XRD-Analyse zeigten minimale strukturelle Unterschiede zwischen OSA-Stärke und ultraschallmodifizierter OSA-Stärke. Beide Stärketypen behielten die charakteristische Stärkestruktur bei, wobei keine Veränderungen in den Kristallinitätsmustern feststellbar waren, was bestätigt, dass die ultraschallunterstützte Behandlung die native Struktur der Stärke nicht wesentlich störte.
Diese molekulare Stabilität ist vorteilhaft, da sie sicherstellt, dass die ultraschallunterstützte Veresterung die Funktionalität erhöht, ohne das grundlegende molekulare Gerüst der Stärke zu verändern, was für die Aufrechterhaltung der gewünschten texturellen Eigenschaften in Lebensmittelanwendungen entscheidend ist.

Thermische Eigenschaften

Das thermische Verhalten, insbesondere die Verkleisterungsenthalpie, unterschied sich zwischen herkömmlicher OSA-Stärke und ultraschallmodifizierter OSA-Stärke. Die ultraschallmodifizierten OSA-Stärken wiesen eine niedrigere Verkleisterungsenthalpie auf als herkömmliche OSA-Stärken, was auf einen geringeren Energiebedarf für die Verkleisterung schließen lässt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Ultraschallbehandlung eine leichtere Hydratation und Gelatinierung ermöglicht, was die Verarbeitbarkeit der modifizierten Stärke in Lebensmittelanwendungen, die eine thermische Verarbeitung beinhalten, verbessern könnte.

Rheologische Eigenschaften

Mit Ultraschall veresterte OSA-Stärken wiesen günstige rheologische Eigenschaften auf, mit Viskositätsprofilen, die mit denen herkömmlicher OSA-Stärken vergleichbar oder leicht verbessert waren. Diese Eigenschaften können ihre Leistung in Anwendungen verbessern, die stabile Emulsionen oder eine gleichbleibende Viskosität unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen erfordern.

Fallstudie: Mit Ultraschall veresterte OSA-Stärke aus Annatto-Samen

In der Studie von Silva et al. (2013) wurde die Auswirkung der Beschallungsintensität auf die Veresterung von Annatto-Samenstärke mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA) untersucht, mit dem Ziel, einen neuartigen Emulgator für kolloidale Systeme herzustellen. Ultraschall wurde bei unterschiedlichen Intensitäten (0, 5, 10 und 20 W/cm²) für eine kurze Verarbeitungszeit (5 Minuten) angewendet. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehörte ein Anstieg des Substitutionsgrads (DS) mit höherer Beschallungsintensität, der bei 20 W/cm² einen maximalen Substitutionsgrad von 0,139 ± 0,031 erreichte. Die Beschallung erhöhte auch den Amylosegehalt um das 1,24- bis 1,36-fache im Vergleich zu Proben ohne Beschallung.
Die Morphologie der Körner zeigte glatte Oberflächen und gut definierte elliptische Partikel bei höheren Beschallungsintensitäten, was die Aggregation der Körner reduzierte. Die Röntgenbeugungsmuster zeigten keine signifikanten qualitativen Unterschiede, was darauf hindeutet, dass der Ultraschall die kristalline Struktur der Stärke nicht verändert hat. Die modifizierten Stärken waren wirksam bei der Stabilisierung von Öl-in-Wasser-Emulsionen aus Annatto-Samen und erreichten größere mittlere Sauter-Durchmesser (14 ± 2 μm), zeigten aber im Vergleich zu kommerziell modifizierten Stärken eine größere kinetische Stabilität im Laufe der Zeit. Insgesamt erwies sich die ultraschallgestützte OSA-Modifikation als schneller und wirksamer Ansatz zur Verbesserung der funktionellen Eigenschaften von Annatto-Samenstärke als Emulgator.

Sonicators für OSA-Stärkeveresterung

Hielscher Industrie-Sonicatoren sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die zur Verbesserung der OSA-Veresterung von Stärke eingesetzt werden, einem Verfahren, bei dem hydrophobe Octenylbernsteinsäureanhydrid-Gruppen (OSA) in Stärkemoleküle eingebracht werden. Durch Ultraschallkavitation erzeugen diese Sonicatoren Mikrodüsen und starke Scherkräfte in der Stärkesuspension, wodurch die Diffusion und Reaktionseffizienz von OSA in die Stärkekörner verbessert werden. Dies führt zu einem höheren Substitutionsgrad (DS) und einer verbesserten Reaktionseffizienz, die oft in deutlich kürzerer Zeit als bei herkömmlichen Methoden erreicht wird. Hielscher-Sonicatoren eignen sich ideal für Anwendungen im industriellen Maßstab. Sie bieten eine präzise Steuerung von Parametern wie Intensität, Frequenz und Dauer, um den Veresterungsprozess zu optimieren und eine gleichbleibende Qualität der modifizierten Stärkeprodukte mit verbesserten Emulgier- und Stabilisierungseigenschaften zu gewährleisten.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: