Modifizierte Stärke mittels Power-Ultraschall
Stärke lässt sich leicht aus nativen Quellen wie Kartoffeln, Mais oder Mais gewinnen. Die Modifikation der Stärke ist notwendig, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften zu verbessern. Hielscher Ultraschallreaktoren fördern die physikalische, chemische und enzymatische Modifikation von Stärke, die zu besseren funktionellen Eigenschaften für den Einsatz in der Food- und Non-Food-Industrie führt.
Für die meisten kommerziellen Anwendungen wird Stärke chemisch oder physikalisch modifiziert, um dadurch die gewünschten Eigenschaften zu verbessern oder um Mängel zu minimieren. Ultraschall ist eine hochwirksame Technik der physikalischen, chemischen und enzymatischen Modifikation von Stärke. Hielscher Ultraschallgeräte übertragen sehr intensive Ultraschallwellen auf Stärke-Slurries. Die dabei entstehende Ultraschallkavitation fördert:
- Desagglomeration und Dispersion
- mechanischen Abrieb und Aufschluss
- Durchdringung und Aufquellen des Granulats
- Stoffaustausch
- Bildung von Radikalen
- chemische Reaktivität
- Erwärmung
UIP1000hdT für das Beschallen von Slurries
Chemische Stärke-Modifikation
Ultraschallkavitation schließt Stärkekörner auf, so dass Flüssigkeit leichter in die Stärkekörner eindringen kann und dadurch die Reaktionskinetik für Veresterung, Veretherung, Hydroxypropylation oder Oxidation und Säurebehandlung der Stärkepolymere verbessert wird. Hielscher Ultraschallreaktoren sind für eine kontinuierliche Inline-Verarbeitung ausgelegt. Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten führen zu einer effizienteren Auslastung des Reaktors.
Alkalisch modifizierte Stärke
Für die Herstellung zahlreicher kommerziell produzierter Stärkederivate werden der wässrigen Stärke-Slurry reaktive, organische Reagenzien zugesetzt, wobei Alkalität und Temperatur genau kontrolliert werden. Die Veresterung der Stärke erfolgt in der Regel bei einem pH-Wert von 7 bis 9. Für die Verteuerung der Stärke wird ein pH-Wert von 11 bis 12 angesetzt. Die typischen Prozesstemperaturen liegen bei ca. 60°C. Ohne Ultraschall liegt der Substitutionsgrad kommerzieller Stärke oft unter 0,2. Ultraschall fördert die Stärkesubstitution, so dass mehr kaltwasserlösliche Stärke gewonnen wird.
Säure-modifizierte Stärke
Durch die Reaktion der Stärke-Slurry mit verdünnter Salzsäure oder Schwefelsäure bei 40 bis 60°C wird fließfähige oder verdünnende Stärke produziert. Diese teilweise depolymerisierte Stärke wird als Zusatz verwendet, um die Viskosität eines Produktes abzusenken. Bei Octenyl Succinate handelt es sich um teilweise depolymerisierte Stärkeester, die eingesetzt werden, um beim Sprühtrocknen von verkapselten Produkten einen höheren Feststoffgehalt zu erreichen. Wird Ultraschall während einer milden sauren Hydrolyse eingesetzt, werden die Nanopartikelaggregate, die sich während der Hydrolyse bilden, zerschlagen. Dadurch wird der Ertrag an Stärke-Nanopartikeln deutlich erhöht.
Amylopektin-Molekül
Stärke-Slurries neutralisieren
Nach dem Prozess muss die Reaktionslösung neutralisiert werden, z.B. indem nach dem Alkalisieren der Stärke Salzsäure oder Schwefelsäure hinzugefügt wird.
Stärkewaschung
Nach dem Neutralisieren der modifizierten Stärke wird die Stärke-Slurry mit Wasser, z.B. mittels Gegenstromwaschung im Hydrocyclon, gewaschen. Der Einsatz von Power-Ultraschall unterstützt hierbei das Waschen und Spülen der individuellen Stärkepartikel. Durch die Ultraschallkavitation werden die Stärke-Agglomerate dispergiert und der Stoffaustausch an der Grenzschicht zwischen dem Stärkegranulat und der wässrigen Phase wird verbessert.
Stärke-Filtration und -Trocknung
Hielscher Ultraschallgeräte werden für Ultrafiltrations und Nanofiltrations-Prozesse sowie für die anschließende Sprühtrocknung eingesetzt.
Physikalische Stärke-Modifikation (mechanisch)
Die physikalische Stärkemodifikation verzichtet auf den Einsatz von Chemikalien. Ultraschall erzielt jedoch Veränderungen der Molekülstruktur der Stärke, wodurch die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Funktionalität der Stärke beeinflusst wird. Die hochintensiven Scherkräfte der Ultraschallkavitation verändern die kristalline Struktur des Stärkegranulats. Polymerketten, die sich nahe der implodierenden Kavitationsmikrobläschen befinden, werden von den hohen Scherkräften erfasst, wodurch die makromolekularen C-C-Bindungen aufgebrochen und langkettige Radikale gebildet werden. Die unten abgebildeten SEM-Aufnahmen von ultraschallbehandelten Stärkekörnern zeigen die mechanische Beschädigungen, z.B Risse, Verformungen und Lochfraß. Dies führt zu einer höheren Wasseraufnahmefähigkeit, höhere Quellfähigkeit und verbesserte Löslichkeit. Dieser Effekt wird vor allem bei höheren Ultraschallamplituden erreicht. Deshalb ist eine Beschallung mit einer Ultraschallsonotrode (Stabschwinger) wesentlich effektiver als mit einem Ultraschallbad. Im Vergleich zu nativer oder wärmebehandelter Stärke, wird durch die intensive Beschallung mit Power-Ultraschall eine deutlich höhere Deformierung und Vermählung des Stärkegranulats erreicht.
SEM-Bilder: (a) ohne Ultraschall, (b) 20 Min. beschalltes, (c) 40 Min. beschalltes, (d) 60 Min. beschalltes Weizenstärke-Granulat. Quelle: Changes in the physicochemical properties of wheat starch as affected by power ultrasound, Mahsa Majzoobi, Sara Hedayati
Ultraschall kann die Temperatur für die einsetzende Verkleisterung deutlich senken. Stärkegele, die aus ultraschall-behandelter Stärke hergestellt wurden, weisen einen höheren Härtegrad und höhere Haft- und Klebfähigkeit als Stärkegele, die aus herkömmlicher Stärke hergestellt wurden. Haftfähigkeit, Festigkeit, Elastizität und Gummiartigkeit steigen durch die Verwendung von Ultraschall-modifizierter Stärke deutlich.
Ultraschall benötigt deutlich weniger Energieeintrag und weniger intensive Verarbeitungsbedingungen als konventionelle Stärkemodifikationsprozesse. Hielscher Ultraschall liefert Hochleistungs-Ultraschallreaktoren für die kommerzielle Verarbeitung von Stärkegranulaten - auch für sehr hohe Durchflussraten.
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Verwendung von Stärke
Modifizierte Stärke wird in zahlreichen Food- und Non- Food-Anwendungen eingesetzt. So ist stärke-basiertes Octenylsuccinat ein wichtiger Stabilisator für Öl-in-Wasser-Emulsionen. In Papierherstellung wird kationische Stärke genutzt, die Nass- und Trockenfestigkeit zu verbessern, Emulsionen zu stabilisieren und um Oberflächenleimung zu erzielen. Viele Wet-End-Additive beinhalten anorganische Mikropartikel (kolloidales Silica, Bentonit) sowie synthetische Polymere mit modifizierter Stärke. Andere Einsatzgebiete von modifizierter Stärke finden sich in Latexdispersionen oder als Füllstoff für Kunststoffe.
Wissenschaftliche Artikel über die ultraschall-gestützte Stärke-Modifikation
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- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat and P.Sriamornsak (2012): Effect of Ultrasonic Treatment on Physical Properties of Tapioca Starch, in: 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): Ultrasound effect on physical properties of corn starch, in: 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): Texture and pasting properties of ultrasonically treated corn starch, in: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye und V. Heinz (2002): Nutritional Verbesserung der Pflanzenkost von nicht-thermische Verarbeitung, in: Proceedings of Nutrition Society (2002), 61, 311 – 318. [PDF]
Stärkelieferanten
Stärke kann aus verschiedenen nativen Quellen gewonnen werden, z.B.: Mais, Wachsmais, hochamylosem Mais, Tapioka, Kartoffeln, Weizen, Reis, Wachsreis, Erbsen (Markerbsen, Schalerbsen), Sago, Hafer, Gerste, Roggen, Amaranth, Süßkartoffeln, Hafer, Getreide, Kuhnelken, Quinoa, Linsen, Weiße Bohnen, Sorghum, Pfeilwurz oder Maniok.