OSA-tärklise tootmine – täiustatud esterdamine ultraheli töötlusega

Tärklise esterdamine oktenüülmeresuktsiinanhüdriidiga (OSA) on laialdaselt kasutatav modifitseerimismeetod, mis on eriti oluline toidutööstuses funktsionaalsete, paremate omadustega tärklise valmistamisel. Traditsiooniline OSA-tärklise modifitseerimine aluselistes tingimustes on siiski aeganõudev ning võib piirata protsessi tõhusust ja teostatavust. Ultraheli abil toetatud esterdamine on tõhus alternatiivne lähenemine tärklise esterdamise kiirendamiseks OSA-ga. Ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) saavutatakse konventsionaalse aluselise OSA-esterdamisega võrreldes kõrgem asendusaste (DS) ja reaktsiooni tõhusus (RE). See tähendab, et ultraheli töötlus võimaldab laiendada esterdatud tärklise kasutusala toidutööstuses. Teadusuuringute tulemused rõhutavad ultraheli abil toetatud esterdamist kui tõhusat ja keskkonnasõbralikku edasiminekut tärklise modifitseerimisel.

Oktenüülmeresuktsiinanhüdriidtärklise esterdamine ultrahelis

Tärklis on toidutööstuses olulised polüsahhariidid, mida kasutatakse oma ainulaadsete omaduste tõttu laialdaselt paksendajate, stabilisaatorite ja emulgaatoritena. Natiivse tärklise funktsionaalsed piirangud muudavad aga sageli vajalikuks modifitseerimise, et parandada selle toimivust. Esterdamine oktenüülmeresuktsiinanhüdriidiga (OSA) on keemiline modifitseerimisprotsess, mis viib tärklisesse hüdrofoobseid rühmi, parandades tärklise emulgeerimis- ja stabiliseerimisvõimet. Vaatamata oma tõhususele on tavapärane OSA-esterdamine aluselistes tingimustes pikk protsess. Ultraheli abil toetatud esterdamine on roheline tehnoloogia, mis võib potentsiaalselt suurendada OSA-tärklise asendusastet (DS) ja reaktsiooni tõhusust (RE), parandades aja ja ressursside kasutamist.

Ultraheli töötlus parandab OSA-tärklise esterdamist. Ultraheli intensiivsuse mõju OSA-ga esterdatud anattoseemnetärklise mikrostruktuurile.
Uuring ja pildid: ©Keven Silva et al. 2022

Juhtumiuuring: OSA-kartulitärklise esterdamine ultrahelis

Martínez et al. (2024) uuringus allutati Andide natiivsed kartulitärklised nii tavapärasele aluselisele OSA-esterdamisele kui ka ultraheli abil toetatud (US-OSA) esterdamisele. Nad analüüsisid saadud tärklise graanulite morfoloogiat, molekulaarseid omadusi, termilisi omadusi ja reoloogilist käitumist, et selgitada välja ultraheli abil toetatud esterdamise võimalikud eelised.

Tärklisenäidised ja esterdamise protseduur

Andide natiivsed kartulitärklised esterdati kahe meetodiga:

• Tavapärane OSA-esterdamine (OSA) – tehti aluselistes tingimustes oktenüülmeresuktsiinanhüdriidiga.
• Ultraheli abil toetatud OSA-esterdamine (US-OSA) – esterdamise ajal rakendati ultrahelilaineid, et kiirendada reaktsiooni ja parandada selle tõhusust.

Asendusaste (DS) ja reaktsiooni tõhusus (RE)

Ultraheli abil toetatud esterdamisprotsess andis tavapäraste meetoditega võrreldes tärklised, mille asendusaste (DS) ja reaktsiooni tõhusus (RE) olid oluliselt kõrgemad. See paranemine on oluline, sest DS näitab hüdrofoobsete rühmade asendumise ulatust tärklise molekulil, mõjutades otseselt selle emulgeerivaid omadusi.
Ultraheli abil modifitseeritud OSA-tärklise kõrge reaktsiooni tõhusus viitab sellele, et ultrahelilained tugevdavad molekulaarseid kokkupõrkeid ja OSA molekulide tungimist tärklise graanulitesse, tõenäoliselt kavitatsiooniefektide tõttu, mis parandavad massiülekannet ja soodustavad tõhusamat esterdamist.

Morfoloogilised omadused

Granuli morfoloogia mikroskoopiline uurimine näitas olulisi erinevusi OSA ja ultraheliga modifitseeritud OSA tärklise vahel. Kuigi mõlemad modifitseeritud tärklised säilitasid granulite terviklikkuse, olid ultraheliga modifitseeritud OSA granulite pinnad koorunud ja neil esines mõningaid poore, mis viitab sellele, et ultraheli töötlus mõjutas pinnastruktuuri vähesel määral. See struktuurimuutus, ehkki kerge, viitab tärklisegranulite paremale ligipääsetavusele esterdamiseks ilma granulite terviklikkust kahjustamata.
Lisaks oli ultraheliga modifitseeritud OSA tärklistel madalamad span-väärtused, mis viitab kitsamale suurusjaotusele ja ühtlasemale granulipopulatsioonile. See ühtlus võib olla kasulik teatud toidurakendustes, kus täpne tekstuur ja stabiilsus on olulised.

Molekulaarsed omadused

IR-spektroskoopia ja XRD-analüüs näitasid minimaalseid struktuurilisi erinevusi OSA ja ultraheliga modifitseeritud OSA tärklise vahel. Mõlemad tärklisetüübid säilitasid tärklisele iseloomuliku struktuuri ning kristallilisuse mustrites ei tuvastatud muutusi, mis kinnitab, et ultraheliga toetatud töötlus ei lõhkunud tärklise natiivset struktuuri oluliselt.
See molekulaarne stabiilsus on eeliseks, sest see tagab, et ultraheliga toetatud esterdamine parandab funktsionaalsust, muutmata tärklise põhilist molekulaarset raamistikku, mis on toidurakendustes soovitud tekstuuriomaduste säilitamisel ülioluline.

Termilised omadused

Termiline käitumine, täpsemalt geelistumise entalpia, erines tavapärase OSA ja ultraheliga modifitseeritud OSA tärklise puhul. Ultraheliga modifitseeritud OSA tärklistel oli tavapärase OSA tärklisega võrreldes madalam geelistumise entalpia, mis viitab geelistumiseks vajaliku energia vähenemisele. See tulemus viitab sellele, et ultraheli töötlus võib hõlbustada hüdratatsiooni ja geelistumist, parandades potentsiaalselt modifitseeritud tärklise töödeldavust toidurakendustes, mis hõlmavad termilist töötlemist.

Reoloogilised omadused

Ultraheliga esterdatud OSA tärklised näitasid soodsaid reoloogilisi omadusi, mille viskoossusprofiilid olid tavapärase OSA tärklisega sarnased või veidi paremad. Sellised omadused võivad parandada nende toimivust rakendustes, mis nõuavad stabiilseid emulsioone või ühtlast viskoossust muutuvates töötlemistingimustes.

Juhtumiuuring: ultraheliga esterdatud OSA-tärklis annatoseemnetest

Silva et al. (2013) uuring käsitles ultraheli töötluse intensiivsuse mõju annatoseemnete tärklise esterdamisele oktenüülmeresuktsiinanhüdriidiga (OSA), eesmärgiga luua uudne emulgaator kolloidsüsteemidele. Ultraheli rakendati erineva intensiivsusega (0, 5, 10 ja 20 W/cm²) lühikese töötlusaja (5 minutit) jooksul. Peamised tulemused hõlmasid asendusastme (DS) suurenemist ultraheli töötluse intensiivsuse kasvades, jõudes maksimaalse asendusastmeni 0,139 ± 0,031 intensiivsusel 20 W/cm². Ultraheli töötlus suurendas ka amüloosi sisaldust 1,24–1,36 korda võrreldes ultraheli töötluseta proovidega.
Granuli morfoloogia näitas suuremate ultraheli töötluse intensiivsuste juures siledaid pindu ja selgepiirilisi elliptilisi osakesi, mis vähendas granulite agregeerumist. Röntgendifraktsioonimustrid ei näidanud olulisi kvalitatiivseid erinevusi, mis viitab sellele, et ultraheli ei muutnud tärklise kristallilist struktuuri. Modifitseeritud tärklised stabiliseerisid tõhusalt annatoseemneõli vees emulsioone, saavutades suuremad Sauteri keskmised läbimõõdud (14 ± 2 μm), kuid näidates võrreldes kaubanduslikult modifitseeritud tärklistega suuremat kineetilist stabiilsust aja jooksul. Kokkuvõttes osutus ultraheliga toetatud OSA modifitseerimine kiireks ja tõhusaks lähenemisviisiks annatoseemnete tärklise funktsionaalsete omaduste parandamisel emulgaatorina.

Sonikaatorid OSA-tärklise esterdamiseks

Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid on suure jõudlusega ultraheliseadmed, mida kasutatakse tärklise OSA-esterdamise tõhustamiseks – protsessi, mille käigus viiakse tärklisemolekulidesse hüdrofoobsed oktenüülmeresuktsiinanhüdriidi (OSA) rühmad. Ultraheli kavitatsiooni kaudu tekitavad need sonikaatorid tärklise suspensioonis mikrojoasid ja intensiivseid nihkejõude, mis parandavad OSA difusiooni tärklisegraanulitesse ja reaktsiooni efektiivsust. Selle tulemusel saavutatakse kõrgem asendusaste (DS) ja parem reaktsiooni efektiivsus, sageli oluliselt lühema ajaga võrreldes tavapäraste meetoditega. Hielscheri sonikaatorid sobivad ideaalselt tööstusliku mastaabi rakendusteks, pakkudes täpset kontrolli selliste parameetrite üle nagu intensiivsus, sagedus ja kestus, et optimeerida esterdamisprotsessi ning tagada modifitseeritud tärklisetoodete ühtlane kvaliteet paremate emulgeerivate ja stabiliseerivate omaduste saavutamiseks.

Disain, tootmine ja konsulteerimine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultrahelitöötlejaid tuntakse nende kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne käsitsemine võimaldavad meie ultrahelitöötlejate sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrahelitöötlejad toimivad hõlpsasti ka rasketes tingimustes ja nõudlikus keskkonnas.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelitöötlejatele, mis ühendavad tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkuse. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrahelitöötlejad CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs nõuetele.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlejate ligikaudsest töötlemismahust: