Herstellung von OSA-Stärke – Verbesserte Veresterung durch Ultraschallbehandlung

Die Veresterung von Stärken mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA) ist ein weit verbreitetes Modifikationsverfahren, das insbesondere in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung funktioneller Stärken mit verbesserten Eigenschaften von Bedeutung ist. Die herkömmliche Modifikation von OSA-Stärke unter alkalischen Bedingungen ist jedoch zeitaufwendig und kann die Effizienz und Durchführbarkeit des Verfahrens einschränken. Die ultraschallunterstützte Veresterung ist ein wirksamer alternativer Ansatz, um die Veresterung von Stärken mit OSA zu beschleunigen. Durch die Ultraschallbehandlung werden im Vergleich zur konventionellen alkalischen OSA-Veresterung ein höherer Substitutionsgrad (DS) und eine höhere Reaktionseffizienz (RE) erreicht. Dadurch ermöglicht die Ultraschallbehandlung eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten veresterter Stärken in der Lebensmittelindustrie. Die Ergebnisse wissenschaftlicher Studien unterstreichen die ultraschallunterstützte Veresterung als effizienten, umweltfreundlichen Fortschritt bei der Stärkemodifikation.

Ultraschallveresterung von Octenylbernsteinsäureanhydrid-Stärke

Stärken sind wichtige Polysaccharide in der Lebensmittelindustrie und werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften häufig als Verdickungsmittel, Stabilisatoren und Emulgatoren eingesetzt. Die funktionellen Einschränkungen nativer Stärken machen jedoch häufig Modifikationen erforderlich, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die Veresterung mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA) ist ein chemisches Modifikationsverfahren, bei dem hydrophobe Gruppen eingeführt werden, wodurch die emulgierenden und stabilisierenden Eigenschaften der Stärke verbessert werden. Trotz ihrer Wirksamkeit ist die konventionelle 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 und den Zeit- und Ressourceneinsatz optimieren kann.

Die Ultraschallbehandlung verbessert die Veresterung von OSA-Stärke. Einfluss der Ultraschallintensität auf die Mikrostruktur der mit OSA veresterten Stärke aus Annattosamen.
Studie und Bilder: ©Keven Silva et al. 2022

Fallstudie: Ultraschallveresterung von OSA-Kartoffelstärke

In der Studie von Martínez et al. (2024) wurden native Stärken aus Andenkartoffeln sowohl einer konventionellen alkalischen OSA-Veresterung als auch einer ultraschallunterstützten Veresterung (US-OSA) unterzogen. Die Forschenden analysierten die Kornmorphologie, die molekularen Merkmale, die thermischen Eigenschaften und das rheologische Verhalten der resultierenden Stärken, um die potenziellen Vorteile der ultraschallunterstützten Veresterung zu ermitteln.

Stärkeproben und Veresterungsverfahren

Native Stärken aus Andenkartoffeln wurden mit zwei Methoden verestert:

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

Substitutionsgrad (DS) und Reaktionseffizienz (RE)

Das ultraschallunterstützte Veresterungsverfahren ergab Stärken mit einem deutlich höheren Substitutionsgrad (DS) und einer höheren Reaktionseffizienz (RE) als konventionelle Methoden. Diese Verbesserung ist entscheidend, da der DS das Ausmaß der Substitution durch hydrophobe Gruppen am Stärkemolekül widerspiegelt und dessen emulgierende Eigenschaften unmittelbar beeinflusst.
Die hohe Reaktionseffizienz bei ultraschallmodifizierten OSA-Stärken deutet darauf hin, dass Ultraschallwellen die Häufigkeit molekularer Zusammenstöße und das Eindringen von OSA-Molekülen in die Stärkekörner erhöhen. Dies könnte auf Kavitationseffekte zurückzuführen sein, die den Stofftransport verbessern und eine effizientere Veresterung fördern.

Morphologische Merkmale

Die mikroskopische Untersuchung der Kornmorphologie zeigte bemerkenswerte Unterschiede zwischen OSA-Stärken und ultraschallmodifizierten OSA-Stärken. Während bei beiden modifizierten Stärken die Integrität der Körner erhalten blieb, zeigten die ultraschallmodifizierten OSA-Stärkekörner abgeschälte Oberflächen mit einigen Poren. Dies deutet darauf hin, dass die Ultraschallbehandlung die Oberflächenstruktur geringfügig beeinflusste. Diese strukturelle Modifikation lässt trotz ihres geringen Ausmaßes auf eine verbesserte Zugänglichkeit der Stärkekörner für die Veresterung schließen, ohne deren Integrität zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus wiesen ultraschallmodifizierte OSA-Stärken niedrigere Span-Werte auf, was auf eine engere Größenverteilung und eine einheitlichere Kornpopulation hinweist. Diese Gleichmäßigkeit könnte für bestimmte Lebensmittelanwendungen von Vorteil sein, bei denen eine genau definierte Textur und Stabilität entscheidend sind.

Molekulare Merkmale

IR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie (XRD) zeigten minimale strukturelle Unterschiede zwischen OSA-Stärken und ultraschallmodifizierten OSA-Stärken. Beide Stärketypen behielten die charakteristische Stärkestruktur bei, ohne nachweisbare Veränderungen der Kristallinitätsmuster. Dies bestätigt, dass die ultraschallunterstützte Behandlung die native Struktur der Stärke nicht wesentlich beeinträchtigte.
Diese molekulare Stabilität ist vorteilhaft, da sie sicherstellt, dass die ultraschallunterstützte Veresterung die Funktionalität verbessert, ohne das grundlegende molekulare Gerüst der Stärke zu verändern. Dies ist entscheidend, um die gewünschten Textureigenschaften in Lebensmittelanwendungen zu erhalten.

Thermische Eigenschaften

Das thermische Verhalten, insbesondere die Verkleisterungsenthalpie, unterschied sich zwischen konventionellen OSA-Stärken und ultraschallmodifizierten OSA-Stärken. Die ultraschallmodifizierten OSA-Stärken wiesen eine niedrigere Verkleisterungsenthalpie als konventionelle OSA-Stärken auf, was auf einen geringeren Energiebedarf für die Verkleisterung hindeutet. Dieses Ergebnis legt nahe, dass die Ultraschallbehandlung die Hydratation und Verkleisterung erleichtern kann. Dadurch könnte sich die Verarbeitbarkeit der modifizierten Stärke in Lebensmittelanwendungen verbessern, die eine thermische Verarbeitung beinhalten.

Rheologische Eigenschaften

Ultraschallveresterte OSA-Stärken zeigten günstige rheologische Eigenschaften mit Viskositätsprofilen, die denen konventioneller OSA-Stärken ähnelten oder im Vergleich dazu leicht verbessert waren. Solche Eigenschaften können ihre Leistungsfähigkeit in Anwendungen verbessern, die stabile Emulsionen oder eine gleichbleibende Viskosität unter wechselnden Verarbeitungsbedingungen erfordern.

Fallstudie: Ultraschallveresterte OSA-Stärke aus Annattosamen

Die Studie von Silva et al. (2013) untersuchte den Einfluss der Beschallungsintensität auf die Veresterung von Stärke aus Annattosamen mit Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA), 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 Behandlungsdauer (5 Minuten) eingesetzt. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehörte ein Anstieg des Substitutionsgrads (DS) mit zunehmender Beschallungsintensität, wobei bei 20 W/cm² ein maximaler Substitutionsgrad von 0,139 ± 0,031 erreicht wurde. Die Ultraschallbehandlung erhöhte außerdem den Amylosegehalt auf das 1,24–1,36-Fache gegenüber Proben ohne Ultraschallbehandlung.
Die Kornmorphologie zeigte bei höheren Beschallungsintensitäten glatte Oberflächen und klar definierte elliptische Partikel, wodurch die Kornaggregation verringert wurde. Die Röntgendiffraktogramme zeigten keine signifikanten qualitativen Unterschiede, was darauf hindeutet, dass Ultraschall die kristalline Struktur der Stärke nicht veränderte. Die modifizierten Stärken stabilisierten Öl-in-Wasser-Emulsionen mit Annattosamenöl wirksam. Dabei wurden größere mittlere Sauter-Durchmesser (14 ± 2 μm) erreicht, jedoch zeigte sich im Vergleich zu kommerziell modifizierten Stärken eine höhere kinetische Stabilität im Zeitverlauf. Insgesamt erwies sich die ultraschallunterstützte OSA-Modifikation als schneller und wirksamer Ansatz zur Verbesserung der funktionellen Eigenschaften von Stärke aus Annattosamen als Emulgator.

Ultraschallgeräte für die Veresterung von OSA-Stärke

Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher sind Hochleistungsultraschallgeräte zur Verbesserung der OSA-Veresterung von Stärken. Bei diesem Verfahren werden hydrophobe Octenylbernsteinsäureanhydrid-Gruppen (OSA) in Stärkemoleküle eingeführt. Durch Ultraschallkavitation erzeugen diese Geräte Mikrostrahlen und intensive Scherkräfte in der Stärkesuspension. Dadurch verbessern sie die Diffusion von OSA in die Stärkekörner und die Reaktionseffizienz. Dies führt zu einem höheren Substitutionsgrad (DS) und einer verbesserten Reaktionseffizienz, die im Vergleich zu konventionellen Methoden häufig in deutlich kürzerer Zeit erreicht werden. Ultraschallgeräte von Hielscher eignen sich ideal für Anwendungen im industriellen Maßstab und ermöglichen eine präzise Steuerung von Parametern wie Intensität, Frequenz und Dauer zur Optimierung des Veresterungsprozesses. Dadurch wird eine gleichbleibende Qualität modifizierter Stärkeprodukte mit verbesserten emulgierenden und stabilisierenden Eigenschaften gewährleistet.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen bewältigen die Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: