Ultraschallmodifikation von Stärkekornsuspensionen
Stärke lässt sich leicht aus natürlichen Quellen wie Kartoffeln oder Mais gewinnen. Die Modifikation von Stärke ist notwendig, um ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu verbessern. Ultraschallreaktoren von Hielscher fördern die physikalische, chemische und enzymatische Modifikation von Stärke, wodurch sich ihre funktionellen Eigenschaften für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie und in anderen Industriezweigen verbessern.
Für die meisten kommerziellen Anwendungen müssen Stärken chemisch oder physikalisch modifiziert werden, um ihre positiven Eigenschaften zu verstärken oder ihre Nachteile zu minimieren. Die Ultraschallbehandlung ist ein hochwirksames Verfahren zur physikalischen, chemischen und enzymatischen Modifikation von Stärken. Ultraschallgeräte von Hielscher übertragen Ultraschallwellen hoher Intensität in Stärkesuspensionen. Die dabei entstehende Ultraschallkavitation fördert:
- Deagglomeration und Dispergierung
- mechanischen Abbau und Aufschluss
- Eindringen in die Stärkekörner und deren Quellung
- Stofftransport
- Radikalbildung
- chemische Reaktivität
- Erwärmung
Chemische Modifikation von Stärke
Der Aufschluss der Stärkekörner durch Ultraschallkavitation und das dadurch erleichterte Eindringen von Flüssigkeit in die Stärkekörner verbessern die Reaktionskinetik bei der Veresterung, Veretherung, Hydroxypropylierung oder Oxidation sowie bei der Säuremodifikation von Stärkepolymeren. Ultraschallreaktoren von Hielscher sind für eine kontinuierliche Inline-Verarbeitung ausgelegt. Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten steigern die Produktionskapazität der Reaktionskessel.
Alkalische Stärkemodifikation
Zur Herstellung vieler kommerzieller Stärkederivate werden wässrigen Stärkesuspensionen reaktive organische Reagenzien zugesetzt, wobei Alkalität und Temperatur kontrolliert werden. Die Veresterung von Stärken erfolgt in der Regel bei einem pH-Wert von 7 bis 9. Für die Veretherung von Stärken wird üblicherweise ein pH-Wert von 11 bis 12 verwendet. Typische Prozesstemperaturen liegen bei etwa 60°C. Ohne Beschallung beträgt der Substitutionsgrad kommerzieller Stärken häufig weniger als 0,2. Die Ultraschallbehandlung unterstützt die Substitution und führt dadurch zu einer besser kaltwasserlöslichen Stärke.
Saure Stärkemodifikation
Die Reaktion einer Stärkekornsuspension mit verdünnter Salz- oder Schwefelsäure bei 40 bis 60°C führt zu dünnkochenden beziehungsweise säureabgebauten Stärken. Diese teilweise depolymerisierten Stärken ergeben Produkte, die eine geringere Viskosität entwickeln. Stärkeoctenylsuccinate werden teilweise depolymerisiert, damit bei der Sprühtrocknung verkapselter Produkte ein höherer Feststoffgehalt eingesetzt werden kann. Eine Ultraschallbehandlung während einer milden sauren Hydrolyse kann die Nanopartikelaggregate auftrennen, die sich während der Hydrolyse bilden. Dadurch steigt die Ausbeute an Stärkenanopartikeln.
Amylopektinmolekül
Neutralisation der Suspension
Nach dem Prozess wird die Reaktionssuspension neutralisiert, beispielsweise durch Zugabe von Salz- oder Schwefelsäure nach einer alkalischen Behandlung.
Waschen der Stärke
Auf die Neutralisation der modifizierten Stärkesuspensionen folgt eine Wäsche mit Wasser, beispielsweise eine Gegenstromwäsche in Hydrozyklonen. In diesem Schritt unterstützt die Ultraschallbehandlung das Waschen und Spülen der einzelnen Stärkepartikel. Die Ultraschallkavitation dispergiert Stärkekornagglomerate und erhöht den Stofftransport an der Grenzschicht zwischen den Stärkekörnern und der wässrigen Phase.
Filtration und Trocknung der Stärke
Ultraschallgeräte von Hielscher werden bei Ultrafiltrations- oder Nanofiltrationsprozessen sowie bei der anschließenden Sprühtrocknung eingesetzt.
Physikalische Modifikation von Stärke (mechanisch)
Die physikalische Modifikation von Stärken erfolgt ohne den Einsatz von Chemikalien. Dennoch führt die Ultraschallbehandlung zu Veränderungen der molekularen Struktur der Stärke, die mit Veränderungen ihrer physikochemischen Eigenschaften und Funktionalität einhergehen. Die starken kavitationsbedingten Scherkräfte verformen die kristallinen Bereiche in den Stärkekörnern. Polymerketten in der Nähe kollabierender Mikrobläschen geraten in ein Scherfeld mit hohen Gradienten, das zur Spaltung makromolekularer C-C-Bindungen und zur Bildung langkettiger Radikale führt. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen beschallter Stärkekörner zeigen mechanische Schäden wie Risse, Vertiefungen und grubenartige Strukturen. Daraus ergeben sich eine höhere Wasseraufnahmekapazität, ein größeres Quellvermögen und eine erhöhte Löslichkeit. Dieser Effekt ist bei höheren Beschallungsamplituden stärker ausgeprägt. Daher ist die Beschallung mit einer Sonotrode für die Stärkemodifikation wesentlich wirksamer als die Beschallung in einem Ultraschallbad. Nach intensiver Ultraschallbehandlung weisen die Stärkekörner im Vergleich zu nativer oder wärmebehandelter Stärke stärkere Aufschlusserscheinungen auf.
Mit Ultraschall OSA-veresterte Stärken
Mit Ultraschall OSA-veresterte Stärken zeigten einen höheren Substitutionsgrad (DS) und eine höhere Reaktionseffizienz (RE), verbunden mit geringfügigen, jedoch vorteilhaften morphologischen Veränderungen, die ihre Funktionalität in Lebensmittelsystemen erweitern können. Die Beschallung steigert die Reaktionsgeschwindigkeit und -effizienz, ohne die molekulare Struktur der Stärke zu verändern, und erhält dadurch deren erwünschte Eigenschaften für Lebensmittelanwendungen.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ultraschallunterstützte Veresterung eine umweltfreundliche Technologie darstellen könnte, die einen energieeffizienten und zeitsparenden Ansatz zur Stärkemodifikation bietet. Die Möglichkeit einer Maßstabsvergrößerung der ultraschallunterstützten Veresterung könnte das Verfahren zur Modifikation von Stärken in der Lebensmittelwissenschaft revolutionieren, nachhaltige Produktionsziele unterstützen und die industriellen Anwendungsmöglichkeiten veresterter Stärken erweitern.
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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Weizenstärkekörnern: (a) unbeschallt, (b) 20 min beschallt, (c) 40 min beschallt, (d) 60 min beschallt.
Studie und Bilder: ©Majzoobi et al., 2015
Die Ultraschallbehandlung kann die Temperatur, bei der die Verkleisterung beginnt, deutlich senken. Stärkegele aus beschallten Stärkekörnern weisen im Vergleich zu Gelen aus nativer Stärke eine höhere Härte sowie höhere Werte für Adhäsivität und Kohäsivität auf. Adhäsivität, Kohäsivität, Elastizität und Gummiartigkeit nehmen durch die Ultraschallmodifikation der Stärke deutlich zu.
Die Ultraschallbehandlung erfordert einen wesentlich geringeren Energieeintrag und weniger belastende Prozessbedingungen als herkömmliche Verfahren zur Stärkemodifikation. Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungsultraschallreaktoren für die kommerzielle Verarbeitung.
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Ob Sie als Wissenschaftler zur Stärkemodifikation forschen, als Verfahrenstechniker bestehende Stärkeprozesse verbessern möchten, als Produktentwickler bessere oder neue Produkte formulieren oder sich aus anderen Gründen für die Stärkemodifikation interessieren: Kontaktieren Sie uns! Gerne besprechen wir mit Ihnen das Potenzial und die Vorteile der Ultraschallbehandlung für die Modifikation und Anwendung von Stärke. Bitte füllen Sie das folgende Formular aus!
Verwendung von Stärke
Modifizierte Stärke wird in zahlreichen Lebensmittel- und Nichtlebensmittelanwendungen eingesetzt. Stärkeoctenylsuccinate sind wichtige Stabilisatoren für Öl-in-Wasser-Emulsionen. Bei der Papierherstellung verbessern kationische Stärken die Nass- und Trockenfestigkeit, stabilisieren Emulsionen und dienen als Oberflächenleimungsmittel. Viele Additivsysteme für die Nasspartie kombinieren anorganische Mikropartikel (kolloidales Siliciumdioxid, Bentonit) und synthetische Polymere mit modifizierter Stärke. Weitere Anwendungen sind Stärke-Latex-Dispersionen oder körnige Stärke als Füllstoff für Polymere.
Wissenschaftliche Artikel zur ultraschallunterstützten Stärkemodifikation
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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): Textur- und Verkleisterungseigenschaften ultraschallbehandelter Maisstärke, in: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye und V. Heinz (2002): Verbesserung des Nährwerts pflanzlicher Lebensmittel durch nichtthermische Verarbeitung, in: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Häufig gestellte Fragen
Aus welchen natürlichen Quellen wird Stärke gewonnen?
Stärke stammt aus verschiedenen natürlichen Quellen wie Mais, Wachsmais, amylose-reichem Mais, Tapioka, Kartoffeln, Weizen, Reis, Wachsreis, Erbsen (Schalerbsen, Markerbsen), Sago, Hafer, Gerste, Roggen, Amarant, Süßkartoffeln, Hafer, Getreide, Kuhkraut, Quinoa, Linsen, weißen Bohnen, Sorghum, Pfeilwurz oder Maniok.
Was ist modifizierte Stärke?
Modifizierte Stärke ist Stärke, die physikalisch, enzymatisch oder chemisch verändert wurde, um ihre Leistungsfähigkeit in Lebensmitteln und industriellen Anwendungen zu verbessern. Diese Modifikationen verbessern Eigenschaften wie Löslichkeit, Viskosität, Gelbildung und Stabilität unter verschiedenen Bedingungen, etwa bei Hitze oder in saurer Umgebung. Modifizierte Stärken werden üblicherweise aus natürlichen Quellen wie Mais, Kartoffeln und Tapioka gewonnen und als Verdickungsmittel, Stabilisatoren und Emulgatoren eingesetzt, um die Textur und Haltbarkeit verarbeiteter Lebensmittel, pharmazeutischer Erzeugnisse und anderer Produkte zu verbessern.
Was ist der Unterschied zwischen modifizierter Stärke und OSA-Stärke?
Modifizierte Stärke bezeichnet Stärke, die auf unterschiedliche Weise – physikalisch, enzymatisch oder chemisch – verändert wurde, um ihre funktionellen Eigenschaften wie Verdickung, Gelbildung oder Stabilisierung unter verschiedenen Bedingungen zu verbessern. Diese Modifikationen machen sie für vielfältige Anwendungen in Lebensmitteln, pharmazeutischen Erzeugnissen und industriellen Produkten geeignet.
OSA-Stärke, auch Octenylbernsteinsäureanhydrid-Stärke genannt, ist eine spezielle Form chemisch modifizierter Stärke, die durch das Anbringen von Octenylbernsteinsäureanhydridgruppen am Stärkemolekül entsteht. Diese Modifikation verleiht ihr besondere emulgierende Eigenschaften, wodurch OSA-Stärke Öl-in-Wasser-Emulsionen besonders wirksam stabilisiert. Während modifizierte Stärke allgemein grundlegende Eigenschaften wie Viskosität oder Stabilität verbessert, ist OSA-Stärke gezielt auf emulgierende Eigenschaften ausgelegt. Daher wird sie häufig in Produkten wie Salatdressings, Saucen und Getränken eingesetzt, bei denen stabile Emulsionen entscheidend sind. Erfahren Sie mehr über ultraschallveresterte OSA-Stärke!