اصلاح فراصوتی دوغاب‌های گرانول نشاسته
نشاسته به‌آسانی از منابع طبیعی مانند سیب‌زمینی، ذرت یا ذرت استخراج می‌شود. اصلاح نشاسته برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن ضروری است. راکتورهای فراصوتی Hielscher اصلاح فیزیکی، شیمیایی و آنزیمی نشاسته را تقویت می‌کنند و به بهبود خواص عملکردی آن برای استفاده در صنایع غذایی و غیرغذایی می‌انجامند.
برای بیشتر کاربردهای تجاری، نشاسته‌ها باید به‌صورت شیمیایی یا فیزیکی اصلاح شوند تا ویژگی‌های مطلوب آن‌ها تقویت یا کاستی‌هایشان به حداقل برسد. فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر برای اصلاح فیزیکی، شیمیایی و آنزیمی نشاسته‌هاست. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher امواج فراصوت با شدت بسیار بالا را به دوغاب‌های نشاسته منتقل می‌کنند. کاویتاسیون فراصوتی حاصل، موارد زیر را تقویت می‌کند:
- کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی
- تخریب و گسیختگی مکانیکی
- نفوذ به گرانول و تورم آن
- انتقال جرم
- تشکیل رادیکال
- واکنش‌پذیری شیمیایی
- گرمایش
اصلاح شیمیایی نشاسته
گسیختگی گرانول بر اثر کاویتاسیون فراصوتی، همراه با تسهیل ورود مایع به گرانول نشاسته، سینتیک واکنش‌های استریفیکاسیون، اتریفیکاسیون، هیدروکسی‌پروپیلاسیون یا اکسیداسیون و اصلاح اسیدی پلیمرهای نشاسته را بهبود می‌بخشد. راکتورهای فراصوتی Hielscher برای فرآوری پیوسته درون‌خطی طراحی شده‌اند. افزایش سرعت واکنش به افزایش ظرفیت مخزن واکنش می‌انجامد.
اصلاح قلیایی نشاسته
برای تولید بسیاری از مشتقات تجاری نشاسته، معرف‌های آلی واکنش‌پذیر به دوغاب‌های آبی نشاسته افزوده می‌شوند و هم‌زمان قلیائیت و دما کنترل می‌شود. استریفیکاسیون نشاسته‌ها معمولاً در pH برابر با 7 تا 9 انجام می‌شود. برای اتریفیکاسیون نشاسته‌ها معمولاً از pH برابر با 11 تا 12 استفاده می‌شود. دمای معمول فرآیند تقریباً 60°C است. بدون فراصوت‌دهی، درجه جانشینی نشاسته‌های تجاری اغلب کمتر از 0٫2 است. فراصوت‌دهی به جانشینی کمک می‌کند و نشاسته‌ای با انحلال‌پذیری بیشتر در آب سرد به دست می‌دهد.
اصلاح اسیدی نشاسته
واکنش دوغاب نشاسته گرانولی با اسید هیدروکلریک یا سولفوریک رقیق در دمای 40 تا 60°C به تولید نشاسته‌های روان یا نشاسته‌های رقیق‌شده می‌انجامد. این نشاسته‌ها که تا حدی دپلیمریزه شده‌اند، محصولاتی ایجاد می‌کنند که گرانروی کمتری به وجود می‌آورند. اکتنیل‌سوکسینات‌های نشاسته تا حدی دپلیمریزه می‌شوند تا بتوان هنگام خشک‌کردن پاششی محصولات کپسوله‌شده از محتوای جامد بالاتری استفاده کرد. فراصوت‌دهی در حین هیدرولیز اسیدی ملایم می‌تواند تجمعات نانوذرات تشکیل‌شده در طول هیدرولیز را از هم جدا کند. این کار بازده تولید نانوذرات نشاسته را افزایش می‌دهد.
مولکول آمیلوپکتین
خنثی‌سازی دوغاب
پس از فرآیند، دوغاب واکنش خنثی می‌شود؛ برای مثال، با افزودن اسید هیدروکلریک یا سولفوریک پس از فرآوری قلیایی.
شست‌وشوی نشاسته
پس از خنثی‌سازی دوغاب‌های نشاسته اصلاح‌شده، شست‌وشو با آب، مانند شست‌وشوی جریان مخالف در هیدروسیکلون‌ها، انجام می‌شود. در این مرحله، فراصوت‌دهی به شست‌وشو و آبکشی تک‌تک ذرات نشاسته کمک می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی کلوخه‌های گرانول نشاسته را پراکنده می‌کند و انتقال جرم را در لایه مرزی میان گرانول‌های نشاسته و فاز آبی افزایش می‌دهد.
فیلتراسیون و خشک‌کردن نشاسته
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher در فرآیندهای اولترافیلتراسیون یا نانوفیلتراسیون و همچنین در خشک‌کردن پاششی پس از آن‌ها به کار می‌روند.
اصلاح فیزیکی نشاسته (مکانیکی)
اصلاح فیزیکی نشاسته‌ها شامل استفاده از مواد شیمیایی نمی‌شود. بااین‌حال، فراصوت‌دهی موجب تغییراتی در ساختار مولکولی نشاسته می‌شود که به‌دنبال آن خواص فیزیکوشیمیایی و عملکرد آن تغییر می‌کند. نیروهای برشی شدید ناشی از کاویتاسیون، ناحیه بلوری گرانول‌های نشاسته را تغییر شکل می‌دهند. زنجیره‌های پلیمری در نزدیکی ریزحباب‌های در حال فروپاشی در میدان برشی با گرادیان بالا گرفتار می‌شوند که به شکستن پیوندهای C-C درشت‌مولکولی و تشکیل رادیکال‌های زنجیربلند می‌انجامد. تصاویر SEM از گرانول‌های نشاسته فراصوت‌دهی‌شده، آسیب‌های مکانیکی مانند شکاف، فرورفتگی و حفره‌دارشدگی را نشان می‌دهند. این امر موجب افزایش ظرفیت جذب آب، قدرت تورم و انحلال‌پذیری می‌شود. این اثر در دامنه‌های بالاتر فراصوت‌دهی بیشتر است. بنابراین، فراصوت‌دهی با پروب برای اصلاح نشاسته بسیار مؤثرتر از فراصوت‌دهی با حمام است. فرآوری فراصوتی شدید، در مقایسه با نشاسته طبیعی یا تیمارشده با حرارت، گرانول‌های بیشتری با ساختار گسیخته ایجاد می‌کند.
نشاسته‌های استری‌شده با OSA به کمک فراصوت
نشاسته‌های استری‌شده با OSA به کمک فراصوت، درجه جانشینی (DS) و کارایی واکنش (RE) بالاتری نشان دادند؛ این بهبود با تغییرات ریخت‌شناختی جزئی اما سودمندی همراه بود که ممکن است دامنه عملکرد آن‌ها را در سامانه‌های غذایی گسترش دهد. فراصوت‌دهی سرعت و کارایی واکنش را بدون تغییر ساختار مولکولی نشاسته افزایش می‌دهد و در نتیجه خواص مطلوب آن را برای کاربردهای غذایی حفظ می‌کند.
این نتایج نشان می‌دهند که استریفیکاسیون به کمک فراصوت می‌تواند فناوری سبزی باشد که روشی با بهره‌وری انرژی بالا و صرفه‌جویی در زمان برای اصلاح نشاسته فراهم می‌کند. امکان افزایش مقیاس استریفیکاسیون به کمک فراصوت‌دهی می‌تواند فرآیند اصلاح نشاسته‌ها را در علوم غذایی متحول کند، با اهداف تولید پایدار همسو شود و کاربردهای نشاسته‌های استری‌شده را در صنعت گسترش دهد.
درباره نشاسته OSA استری‌شده به کمک فراصوت بیشتر بخوانید!
ریزنگاره‌های SEM از گرانول‌های نشاسته گندم: (a) بدون فراصوت‌دهی، (b) فراصوت‌دهی‌شده به مدت 20min، (c) فراصوت‌دهی‌شده به مدت 40min.، (d) فراصوت‌دهی‌شده به مدت 60min.
پژوهش و تصاویر: ©Majzoobi et al., 2015
فراصوت‌دهی می‌تواند دمای آغاز ژلاتینه‌شدن را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. ژل‌های نشاسته تهیه‌شده از گرانول‌های نشاسته فراصوت‌دهی‌شده، در مقایسه با نشاسته طبیعی، سختی بیشتر و مقادیر بالاتری از چسبندگی و انسجام دارند. چسبندگی، انسجام، برگشت‌پذیری فنری و صمغی‌بودن با اصلاح فراصوتی نشاسته به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابند.
فراصوت‌دهی در مقایسه با روش‌های متداول اصلاح نشاسته، به انرژی ورودی بسیار کمتری نیاز دارد و در شرایط فرآوری بسیار کم‌تنش‌تری انجام می‌شود. Hielscher Ultrasonics راکتورهای فراصوتی پرتوان برای فرآوری تجاری عرضه می‌کند.
اطلاعات بیشتری درخواست کنید!
اگر پژوهشگری هستید که درباره اصلاح نشاسته تحقیق می‌کنید، مهندس فرآیندی هستید که می‌کوشید فرآیندهای موجود نشاسته را بهبود دهید، مهندس محصولی هستید که محصولات بهتر یا جدیدی فرمول‌بندی می‌کنید، یا به هر دلیل دیگری به اصلاح نشاسته علاقه‌مندید، با ما تماس بگیرید! خوشحال می‌شویم درباره ظرفیت‌ها و مزایای فراصوت‌دهی برای اصلاح و کاربرد نشاسته با شما گفت‌وگو کنیم. لطفاً فرم زیر را تکمیل کنید!
کاربرد نشاسته
نشاسته اصلاح‌شده در طیف گسترده‌ای از کاربردهای غذایی و غیرغذایی استفاده می‌شود. اکتنیل‌سوکسینات‌های نشاسته از پایدارکننده‌های مهم امولسیون‌های روغن در آب هستند. در کاغذسازی، نشاسته‌های کاتیونی استحکام تر و خشک را بهبود می‌بخشند، امولسیون‌ها را پایدار می‌کنند و به‌عنوان مواد آهارزنی سطحی عمل می‌کنند. بسیاری از سامانه‌های افزودنی بخش تر کاغذسازی، ریزذرات معدنی (سیلیس کلوئیدی، بنتونیت) و پلیمرهای سنتزی را همراه با نشاسته اصلاح‌شده به کار می‌گیرند. کاربردهای دیگر شامل دیسپرسیون‌های لاتکس نشاسته یا استفاده از نشاسته گرانولی به‌عنوان پرکننده پلیمرهاست.
مقالات علمی درباره اصلاح نشاسته به کمک فراصوت
-
- S. Manchun، J. Nunthanid، S. Limmatvapirat و P.Sriamornsak (2012): اثر درمان اولتراسونیک بر خواص فیزیکی نشاسته تاپیوکا، در: تحقیقات مواد پیشرفته جلد 506 (2012) صص 294-297. [PDF]
- آنت رزک جامبراک، زوران هرسگ، دراگو شوباریک، جوریسلاو بابیچ، ملادن برنچیچ، سوزانا ریماک برنچیچ، تومیسلاو بوسیلیکوف، دوماگوی چوک، برانکو تریپالو، جوریکا جلو (2010): اثر سونوگرافی بر خواص فیزیکی نشاسته ذرت، در: پلیمرهای کربوهیدرات 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): بافت و خواص چسباندن نشاسته ذرت تحت درمان با التراسون, در: چک J. علوم غذایی, 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr، B. I. O. Ade-Omowaye and V. Heinz (2002): بهبود تغذیه ای غذاهای گیاهی با پردازش غیر حرارتی ، در: مجموعه مقالات انجمن تغذیه (2002) ، 61 ، 311-318. [PDF]
پرسش‌های متداول
منابع طبیعی نشاسته کدام‌اند؟
نشاسته از منابع طبیعی گوناگونی به دست می‌آید، مانند: ذرت، ذرت مومی، ذرت پرآمیلوز، تاپیوکا، سیب‌زمینی، گندم، برنج، برنج مومی، نخودفرنگی (نخودفرنگی صاف، نخودفرنگی چروکیده)، ساگو، جو دوسر، جو، چاودار، تاج‌خروس، سیب‌زمینی شیرین، جو دوسر، غلات، صابونک گاوی، کینوا، عدس، لوبیای سفید ریز، سورگوم، آروروت یا کاساوا.
نشاسته اصلاح‌شده چیست؟
نشاسته اصلاح‌شده نشاسته‌ای است که به‌صورت فیزیکی، آنزیمی یا شیمیایی تغییر یافته است تا عملکرد آن در کاربردهای غذایی و صنعتی بهبود یابد. این اصلاحات خواصی مانند انحلال‌پذیری، گرانروی، ژل‌شدن و پایداری در شرایط گوناگون، مانند گرما یا محیط‌های اسیدی، را بهبود می‌بخشند. نشاسته‌های اصلاح‌شده که معمولاً از منابع طبیعی مانند ذرت، سیب‌زمینی و تاپیوکا به دست می‌آیند، به‌عنوان غلیظ‌کننده، پایدارکننده و امولسیون‌کننده برای بهبود بافت و ماندگاری در غذاهای فرآوری‌شده، فرآورده‌های دارویی و سایر محصولات به کار می‌روند.
تفاوت نشاسته اصلاح‌شده و نشاسته OSA چیست؟
نشاسته اصلاح‌شده به نشاسته‌ای گفته می‌شود که به روش‌های گوناگون – فیزیکی، آنزیمی یا شیمیایی – تغییر یافته است تا خواص عملکردی آن، مانند غلیظ‌کنندگی، ژل‌سازی یا پایدارسازی در شرایط مختلف، بهبود یابد. این اصلاحات آن را برای کاربردهای متنوع در مواد غذایی، فرآورده‌های دارویی و محصولات صنعتی مناسب می‌کنند.
نشاسته OSA، یا نشاسته اکتنیل سوکسینیک انیدرید، نوع خاصی از نشاسته اصلاح‌شده شیمیایی است که با اتصال گروه‌های اکتنیل سوکسینیک انیدرید به مولکول نشاسته تولید می‌شود. این اصلاح، خواص امولسیون‌کنندگی منحصربه‌فردی ایجاد می‌کند و نشاسته OSA را به‌ویژه در پایدارسازی امولسیون‌های روغن در آب مؤثر می‌سازد. درحالی‌که نشاسته اصلاح‌شده عموماً خواص پایه‌ای مانند گرانروی یا پایداری را بهبود می‌بخشد، نشاسته OSA به‌طور ویژه برای ایجاد قابلیت امولسیون‌کنندگی طراحی شده است؛ به همین دلیل، در محصولاتی مانند سس‌های سالاد، سس‌ها و نوشیدنی‌ها که وجود امولسیون‌های پایدار در آن‌ها ضروری است، کاربرد فراوانی دارد. درباره نشاسته OSA استری‌شده به کمک فراصوت بیشتر بخوانید!