Modificación ultrasónica de suspensiones de gránulos de almidón
El almidón se extrae fácilmente de fuentes naturales, como la patata, el maíz o el maíz. La modificación del almidón es necesaria para mejorar sus propiedades físicas y químicas. Los reactores ultrasónicos de Hielscher favorecen la modificación física, química y enzimática del almidón, lo que mejora sus propiedades funcionales para su uso en industrias alimentarias y no alimentarias.
Para la mayoría de las aplicaciones comerciales, los almidones deben modificarse química o físicamente para potenciar sus atributos positivos o minimizar sus defectos. La sonicación es un método muy eficaz para la modificación física, química y enzimática de los almidones. Los equipos ultrasónicos de Hielscher transmiten ondas ultrasónicas de alta intensidad a las suspensiones de almidón. La cavitación ultrasónica resultante favorece:
- desaglomeración y dispersión
- degradación y ruptura mecánicas
- penetración en los gránulos e hinchamiento
- transferencia de masa
- formación de radicales
- reactividad química
- calentamiento
Modificación química del almidón
La ruptura del gránulo por cavitación ultrasónica, junto con una mayor facilidad de entrada del líquido en el gránulo de almidón, mejora la cinética de las reacciones de esterificación, eterificación, hidroxipropilación u oxidación y de modificación ácida de los polímeros de almidón. Los reactores ultrasónicos de Hielscher están diseñados para el procesamiento continuo en línea. Las mayores velocidades de reacción aumentan la capacidad de los reactores.
Modificación alcalina del almidón
Para producir muchos derivados comerciales del almidón, se añaden reactivos orgánicos reactivos a suspensiones acuosas de almidón mientras se controlan la alcalinidad y la temperatura. La esterificación de los almidones suele realizarse a un pH de 7 a 9. Para la eterificación de los almidones se utiliza habitualmente un pH de 11 a 12. Las temperaturas habituales del proceso son de aproximadamente 60 °C. Sin sonicación, el grado de sustitución de los almidones comerciales suele ser inferior a 0,2. La sonicación favorece la sustitución, lo que da lugar a un almidón más soluble en agua fría.
Modificación ácida del almidón
La reacción de una suspensión de almidón granular con ácido clorhídrico o sulfúrico diluido a una temperatura de 40 a 60 °C da lugar a almidones fluidificados o de viscosidad reducida. Estos almidones parcialmente despolimerizados permiten obtener productos que generan una menor viscosidad. Los octenilsuccinatos de almidón se despolimerizan parcialmente para permitir el uso de un mayor contenido de sólidos durante el secado por atomización de productos encapsulados. La sonicación durante una hidrólisis ácida suave puede disociar los agregados de nanopartículas que se forman durante la hidrólisis. Esto aumenta el rendimiento de obtención de nanopartículas de almidón.
Molécula de amilopectina
Neutralización de la suspensión
Tras el proceso, se neutraliza la suspensión de reacción, por ejemplo, añadiendo ácido clorhídrico o sulfúrico después del tratamiento alcalino.
Lavado del almidón
Tras la neutralización de las suspensiones de almidón modificado, se realiza un lavado con agua, como el lavado a contracorriente en hidrociclones. En esta etapa, la sonicación facilita el lavado y el enjuague de las partículas individuales de almidón. La cavitación ultrasónica dispersa los aglomerados de gránulos de almidón y aumenta la transferencia de masa en la capa límite entre los gránulos de almidón y la fase acuosa.
Filtración y secado del almidón
Los equipos ultrasónicos de Hielscher se utilizan en procesos de ultrafiltración o nanofiltración, así como en el posterior secado por atomización.
Modificación física del almidón (mecánica)
La modificación física de los almidones no implica el uso de sustancias químicas. Sin embargo, la sonicación provoca cambios en la estructura molecular del almidón, seguidos de variaciones en sus propiedades fisicoquímicas y su funcionalidad. Las intensas fuerzas de cizallamiento producidas por la cavitación deforman la región cristalina de los gránulos de almidón. Las cadenas poliméricas próximas a las microburbujas que colapsan quedan atrapadas en un campo de cizallamiento de alto gradiente que provoca la ruptura de enlaces macromoleculares C-C y la formación de radicales de cadena larga. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los gránulos de almidón sonicados muestran daños mecánicos, como fisuras, depresiones y picaduras. Esto se traduce en una mayor capacidad de absorción de agua, un mayor poder de hinchamiento y una mayor solubilidad. Este efecto es más pronunciado con amplitudes de sonicación más altas. Por ello, la sonicación con sonda es mucho más eficaz para modificar el almidón que la sonicación en baño. El procesamiento ultrasónico intenso muestra un mayor grado de ruptura de los gránulos en comparación con el almidón nativo o tratado térmicamente.
Almidones esterificados con OSA mediante ultrasonidos
Los almidones esterificados con OSA mediante ultrasonidos mostraron un mayor grado de sustitución (DS) y una mayor eficiencia de reacción (RE), junto con cambios morfológicos menores pero beneficiosos que pueden ampliar su funcionalidad en sistemas alimentarios. La sonicación aumenta la velocidad y la eficiencia de la reacción sin alterar la estructura molecular del almidón, preservando así sus propiedades deseables para aplicaciones alimentarias.
Estos resultados sugieren que la esterificación asistida por ultrasonidos podría constituir una tecnología ecológica que permite modificar el almidón con un uso eficiente de la energía y un ahorro de tiempo. El potencial de escalado de la esterificación asistida por sonicación podría revolucionar el proceso de modificación de los almidones en la ciencia de los alimentos, en consonancia con los objetivos de producción sostenible y ampliando las aplicaciones de los almidones esterificados en la industria.
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Micrografías SEM de gránulos de almidón de trigo: (a) sin sonicar, (b) sonicados durante 20 min, (c) sonicados durante 40 min., (d) sonicados durante 60 min.
Estudio e imágenes: ©Majzoobi et al., 2015
La sonicación puede reducir significativamente la temperatura de inicio de la gelatinización. Los geles de almidón preparados a partir de gránulos de almidón sonicados presentan una mayor dureza y valores más altos de adhesividad y cohesividad en comparación con el almidón nativo. La adhesividad, la cohesividad, la elasticidad y la gomosidad aumentan significativamente con la modificación ultrasónica del almidón.
La sonicación requiere un aporte de energía mucho menor y condiciones de procesamiento menos severas que los procedimientos convencionales de modificación del almidón. Hielscher Ultrasonics suministra reactores ultrasónicos de alta potencia para el procesamiento comercial.
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Usos del almidón
El almidón modificado se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones alimentarias y no alimentarias. Los octenilsuccinatos de almidón son importantes estabilizadores de emulsiones de aceite en agua. En la fabricación de papel, los almidones catiónicos mejoran la resistencia en húmedo y en seco, estabilizan las emulsiones y actúan como agentes de encolado superficial. Muchos sistemas de aditivos para la parte húmeda de la máquina de papel incorporan micropartículas inorgánicas (sílice coloidal, bentonita) y polímeros sintéticos junto con almidón modificado. Otros usos incluyen las dispersiones de látex de almidón o el almidón granular como carga para polímeros.
Artículos científicos sobre la modificación del almidón asistida por ultrasonidos
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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 and V. Heinz (2002): Nutritional improvement of plant foods by non-thermal processing, in: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son las fuentes naturales de almidón?
El almidón procede de diversas fuentes naturales, como: maíz, maíz ceroso, maíz con alto contenido de amilosa, tapioca, patata, trigo, arroz, arroz ceroso, guisante (guisante liso, guisante rugoso), sagú, avena, cebada, centeno, amaranto, batata, avena, cereales, vacaria, quinoa, lenteja, alubia blanca, sorgo, arrurruz o yuca.
¿Qué es el almidón modificado?
El almidón modificado es un almidón que se ha alterado física, enzimática o químicamente para mejorar su rendimiento en aplicaciones alimentarias e industriales. Estas modificaciones mejoran propiedades como la solubilidad, la viscosidad, la gelificación y la estabilidad en diversas condiciones, como el calor o los entornos ácidos. Los almidones modificados, que suelen obtenerse de fuentes naturales como el maíz, la patata y la tapioca, se utilizan como espesantes, estabilizadores y emulsionantes para mejorar la textura y la vida útil de los alimentos procesados, los productos farmacéuticos y otros productos.
¿Cuál es la diferencia entre el almidón modificado y el almidón OSA?
El almidón modificado es un almidón que se ha alterado de diversas formas –física, enzimática o químicamente– para mejorar sus propiedades funcionales, como la capacidad de espesar, gelificar o estabilizar en diferentes condiciones. Estas modificaciones lo hacen adecuado para diversas aplicaciones en alimentos, productos farmacéuticos y productos industriales.
El almidón OSA, o almidón modificado con anhídrido octenilsuccínico, es un tipo específico de almidón modificado químicamente que se obtiene mediante la unión de grupos de anhídrido octenilsuccínico a la molécula de almidón. Esta modificación le confiere propiedades emulsionantes únicas, por lo que el almidón OSA resulta especialmente eficaz para estabilizar emulsiones de aceite en agua. Mientras que el almidón modificado suele mejorar propiedades básicas como la viscosidad o la estabilidad, el almidón OSA está diseñado específicamente para aportar capacidad emulsionante, lo que lo hace habitual en productos como aderezos para ensaladas, salsas y bebidas, en los que las emulsiones estables son esenciales. ¡Más información sobre el almidón OSA esterificado mediante ultrasonidos!