Tärklisegranulaatide suspensioonide ultraheli modifitseerimine
Tärklist on lihtne ekstraheerida looduslikest allikatest, näiteks kartulist, maisist või mais(iterad)ist. Tärklise modifitseerimine on vajalik selle füüsikaliste ja keemiliste omaduste parandamiseks. Hielscheri ultraheli reaktorid soodustavad tärklise füüsikalist, keemilist ja ensümaatilist modifitseerimist, mis annab paremad funktsionaalsed omadused kasutamiseks toiduaine- ja mittetoiduainetööstuses.
Suurema osa tööstuslike rakenduste jaoks tuleb tärklist keemiliselt või füüsikaliselt modifitseerida, et tugevdada selle positiivseid omadusi või minimeerida selle puudusi. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väga tõhus vahend tärklise füüsikaliseks, keemiliseks ja ensümaatiliseks modifitseerimiseks. Hielscheri ultraheli seadmed kannavad väga intensiivseid ultraheli laineid tärklisesuspensioonidesse. Tekkiv ultraheli kavitatsioon soodustab järgmist:
- deagregeerumine ja dispergeerumine
- mehaaniline lagunemine ja purunemine
- graanulitesse tungimine ja nende paisumine
- massiülekanne
- radikaalide teke
- keemiline reaktsioonivõime
- kuumenemine
Tärklise keemiline modifitseerimine
Graanuli kavitatsioonist tingitud ultraheli purunemine, millega kaasneb vedeliku parem sissepääs tärklisegraanulisse, parandab tärklisepolümeeride esterdamise, eeterdamise, hüdroksüpropüülimise või oksüdeerimise ning happelise modifitseerimise reaktsioonikineetikat. Hielscheri ultraheli reaktorid on mõeldud pidevaks in-line töötluseks. Suuremad reaktsioonikiirused suurendavad reaktsioonikatla mahutavust.
Aluseline tärklise modifitseerimine
Paljude tööstuslike tärklisederivaatide tootmiseks lisatakse veepõhistele tärklisesuspensioonidele reaktiivseid orgaanilisi reagente, kontrollides samal ajal leeliselisust ja temperatuuri. Tärklise esterdamist tehakse üldjuhul pH 7 kuni 9 juures. Tärklise eeterdamiseks kasutatakse tavaliselt pH-d 11 kuni 12. Tüüpilised protsessitemperatuurid on ligikaudu 60°C. Ilma ultraheli töötluseta on tööstuslike tärklistes asendusaste sageli väiksem kui 0,2. Ultraheli töötlus soodustab asendumist, mille tulemusel saadakse külmas vees paremini lahustuv tärklis.
Happeline tärklise modifitseerimine
Granuleeritud tärklisesuspensiooni reaktsioon lahjendatud vesinikkloriid- või väävelhappega temperatuuril 40 kuni 60°C annab vedeldatud tärklisi ehk lagundatud tärklisi. Need osaliselt depolümeriseeritud tärklised annavad tooteid, mis tekitavad väiksemat viskoossust. Tärklise oktenüülsuktsinaadid depolümeriseeritakse osaliselt, et kapseldatud toodete pihustuskuivatamisel oleks võimalik kasutada suuremat kuivainesisaldust. Ultraheli töötlus kerge happelise hüdrolüüsi ajal võib lahutada hüdrolüüsi käigus tekkivad nanoosakeste agregaadid. See suurendab tärklise nanoosakeste saagist.
Amülopektiini molekul
Suspensiooni neutraliseerimine
Pärast protsessi neutraliseeritakse reaktsioonisuspensioon, nt lisades pärast aluselist töötlust vesinikkloriid- või väävelhapet.
Tärklise pesemine
Modifitseeritud tärklisesuspensioonide neutraliseerimisele järgneb veega pesemine, näiteks vastuvoolupesu hüdrotsüklonites. Selles etapis soodustab ultraheli töötlus üksikute tärkliseosakeste pesemist ja loputamist. Ultraheli kavitatsioon dispergeerib tärklisegraanulite aglomeraate ning suurendab massiülekannet tärklisegraanulite ja vesifaasi vahelises piirikihis.
Tärklise filtreerimine ja kuivatamine
Hielscheri ultraheli seadmeid kasutatakse ultrafiltreerimise või nanofiltreerimise protsessides ning sellele järgnevas pihustuskuivatamises.
Tärklise füüsikaline modifitseerimine (mehaaniline)
Tärklise füüsikaline modifitseerimine ei hõlma kemikaalide kasutamist. Siiski toob ultraheli töötlus kaasa muutusi tärklise molekulaarstruktuuris, millele järgnevad muutused füüsikalis-keemilistes omadustes ja funktsionaalsuses. Kavitatsioonist tingitud tugevad nihkejõud moonutavad tärklisetera kristallilist piirkonda. Kollabeeruvate mikromullide läheduses olevad polümeeriahelad satuvad suure gradiendiga nihkevälja, mis põhjustab makromolekulaarsete C-C sidemete katkemist ja pikaahelaliste radikaalide teket. Sonikeeritud tärkliseterade SEM-pildid näitavad mehaanilisi kahjustusi, näiteks pragusid, lohke ja süvendeid. Selle tulemuseks on suurem veeimavus, suurem paisumisvõime ja suurenenud lahustuvus. See mõju on parem suuremate sonikeerimisamplituudide korral. Seetõttu on sondiga sonikeerimine tärklise modifitseerimiseks palju tõhusam kui vannitüüpi sonikeerimine. Intensiivne ultraheli töötlus näitab rohkem lõhutud terakesi võrreldes natiivse või kuumtöödeldud tärklisega.
Ultrahelil OSA-ga esterdatud tärklised
Ultrahelil OSA-ga esterdatud tärklised näitasid suuremat asendusastet (DS) ja reaktsiooni efektiivsust (RE), millega kaasnesid väikesed, kuid kasulikud morfoloogilised muutused, mis võivad laiendada nende funktsionaalsust toidusüsteemides. Sonikeerimine suurendab reaktsioonikiirust ja efektiivsust, muutmata tärklise molekulaarstruktuuri, säilitades seeläbi selle soovitavad omadused toiduainetes kasutamiseks.
Need tulemused viitavad sellele, et ultraheli abil toimuv esterdamine võib olla roheline tehnoloogia, mis pakub energiasäästlikku ja aega säästvat lähenemist tärklise modifitseerimisele. Sonikeerimise abil toimuva esterdamise suurendamise potentsiaal võiks muuta revolutsiooniliselt tärklise modifitseerimisprotsessi toiduteaduses, olles kooskõlas jätkusuutliku tootmise eesmärkidega ja laiendades esterdatud tärklise rakendusi tööstuses.
Loe lähemalt ultrahelil esterdatud OSA-tärklise kohta!
SEM-mikrofotod: (a) sonikeerimata, (b) 20 min sonikeeritud, (c) 40 min sonikeeritud, (d) 60 min sonikeeritud nisutärklise terad.
Uuring ja pildid: ©Majzoobi et al., 2015
Ultraheli töötlus võib oluliselt alandada želatiniseerumistemperatuuri algust. Sonikeeritud tärkliseteradest valmistatud tärklisegeelid on natiivse tärklisega võrreldes kõvemad ning nende nakkuvus ja koheesioon on suurem. Nakkuvus, koheesioon, elastsus ja kummisus suurenevad tärklise ultraheli modifitseerimisel oluliselt.
Ultraheli töötlus kasutab palju vähem energiat ja vähem koormavaid töötlustingimusi kui tavapärased tärklise modifitseerimismeetodid. Hielscher Ultrasonics pakub suure võimsusega ultraheli reaktoreid tööstuslikuks töötluseks.
Küsi lisateavet!
Kui olete tärklise modifitseerimist uuriv teadlane, protsessiinsener, kes püüab parandada olemasolevaid tärklise protsesse, tooteinsener, kes koostab paremaid või uusi tooteid, või kui teil on mis tahes muu huvi tärklise modifitseerimise vastu: võtke meiega ühendust! Arutame hea meelega teiega ultraheli töötluse potentsiaali ja eeliseid tärklise modifitseerimisel ja tärklise rakendamisel. Palun täitke allolev vorm!
Tärklise kasutus
Modifitseeritud tärklist kasutatakse laias valikus toidu- ja mittetoidurakendustes. Tärklise oktenüülsuktsinaadid on olulised õli-vees emulsioonide stabilisaatorid. Paberitööstuses parandavad katioonsed tärklised märg- ja kuivtugevust, stabiliseerivad emulsioone ja toimivad pinnaliimimisainetena. Paljud märgosa lisandisüsteemid sisaldavad modifitseeritud tärklisega anorgaanilisi mikroosakesi (kolloidne ränidioksiid, bentoniit) ja sünteetilisi polümeere. Muud kasutusalad hõlmavad tärklise lateksdispersioone või granuleeritud tärklist polümeeride täiteainena.
Teaduslikud artiklid ultraheli abil toimuva tärklise modifitseerimise kohta
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat ja P.Sriamornsak (2012): Ultraheliravi mõju tapiokitärklise füüsikalistele omadustele, in: Advanced Materials Research Vol. 506 (2012) lk 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, väljaandes: 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, väljaandes: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye ja V. Heinz (2002): Nutritional improvement of plant foods by non-thermal processing, väljaandes: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Korduma kippuvad küsimused
Millised on looduslikud tärklise allikad?
Tärklis pärineb mitmesugustest looduslikest allikatest, näiteks: mais, vahamais, kõrge amüloosisisaldusega mais, tapioka, kartul, nisu, riis, vahariis, hernes (sile hernes, kortsuline hernes) sago, kaer, oder, rukis, amarant, bataat, kaer, teravili, seebilill (Vaccaria hispanica; ingl cow cockle), kinoa, lääts, harilik oa (navy bean), sorgo, maranta või kassaava.
Mis on modifitseeritud tärklis?
Modifitseeritud tärklis on tärklis, mida on füüsikaliselt, ensümaatiliselt või keemiliselt muudetud, et parandada selle toimivust toidu- ja tööstusrakendustes. Need modifikatsioonid parandavad selliseid omadusi nagu lahustuvus, viskoossus, geelistumine ja stabiilsus erinevates tingimustes, näiteks kuumuse või happeliste keskkondade korral. Modifitseeritud tärklisi, mida saadakse tavaliselt looduslikest allikatest nagu mais, kartul ja tapioka, kasutatakse paksendajate, stabilisaatorite ja emulgaatoritena, et parandada tekstuuri ja säilivusaega töödeldud toiduainetes, ravimites ja muudes toodetes.
Mis vahe on modifitseeritud tärklisel ja OSA-tärklisel?
Modifitseeritud tärklis tähendab tärklist, mida on muudetud mitmel viisil – füüsikaliselt, ensümaatiliselt või keemiliselt –, et parandada selle funktsionaalseid omadusi, näiteks paksendamist, geelistamist või stabiliseerimist erinevates tingimustes. Need modifikatsioonid muudavad selle sobivaks mitmekesisteks rakendusteks toidus, ravimites ja tööstustoodetes.
OSA-tärklis ehk oktenüülmeripiimhappe anhüdriidiga tärklis on spetsiifiline keemiliselt modifitseeritud tärklise tüüp, mis valmistatakse oktenüülmeripiimhappe anhüdriidi rühmade kinnitamisega tärklise molekulile. See modifikatsioon annab tärklisele ainulaadsed emulgeerivad omadused, tänu millele on OSA-tärklis eriti tõhus õli vees emulsioonide stabiliseerimisel. Kui modifitseeritud tärklis parandab üldiselt põhiomadusi, nagu viskoossus või stabiilsus, siis OSA-tärklis on spetsiaalselt kohandatud tagama emulgeerimisvõimet, mistõttu on see populaarne sellistes toodetes nagu salatikastmed, kastmed ja joogid, kus stabiilsed emulsioonid on hädavajalikud. Loe lähemalt ultraheli abil esterdatud OSA-tärklise kohta!