Tärkkelysjyvässuspensioiden muokkaus ultraäänellä
Tärkkelystä on helppo uuttaa luontaisista lähteistä, kuten perunasta, maissista tai maissista. Tärkkelyksen muokkaus on tarpeen sen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien parantamiseksi. Hielscher ultraäänireaktorit edistävät tärkkelyksen fysikaalista, kemiallista ja entsymaattista muokkausta, joka parantaa sen toiminnallisia ominaisuuksia elintarviketeollisuuden ja muiden teollisuudenalojen käyttötarkoituksiin.
Useimmissa kaupallisissa käyttötarkoituksissa tärkkelyksiä on muokattava kemiallisesti tai fysikaalisesti niiden myönteisten ominaisuuksien vahvistamiseksi tai puutteiden minimoimiseksi. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas keino tärkkelysten fysikaaliseen, kemialliseen ja entsymaattiseen muokkaukseen. Hielscher ultraäänilaitteet siirtävät erittäin voimakkaita ultraääniaaltoja tärkkelyssuspensioihin. Syntyvä ultraäänikavitaatio edistää seuraavia:
- agglomeraattien hajottaminen ja dispergointi
- mekaaninen hajoaminen ja hajotus
- nesteen tunkeutuminen jyväsiin ja jyvästen turpoaminen
- aineensiirto
- radikaalien muodostuminen
- kemiallinen reaktiivisuus
- lämpeneminen
Tärkkelyksen kemiallinen muokkaus
Ultraäänikavitaation aiheuttama jyväsen hajotus yhdessä nesteen helpomman tärkkelysjyväseen tunkeutumisen kanssa parantaa reaktiokinetiikkaa tärkkelyspolymeerien esteröinnissä, eetteröinnissä, hydroksipropyloinnissa tai hapetuksessa ja happomuokkauksessa. Hielscher ultraäänireaktorit on suunniteltu jatkuvaan käsittelyyn prosessilinjassa. Suuremmat reaktionopeudet lisäävät reaktioastian kapasiteettia.
Tärkkelyksen emäsmuokkaus
Monien kaupallisten tärkkelysjohdannaisten valmistuksessa vesipohjaisiin tärkkelyssuspensioihin lisätään reaktiivisia orgaanisia reagensseja samalla, kun emäksisyyttä ja lämpötilaa säädetään. Tärkkelysten esteröinti tehdään yleensä pH:ssa 7–9. Tärkkelysten eetteröinnissä käytetään yleisesti pH:ta 11–12. Tyypilliset prosessilämpötilat ovat noin 60 °C. Ilman ultraäänikäsittelyä kaupallisten tärkkelysten substituutioaste on usein alle 0,2. Ultraäänikäsittely edistää substituutiota, jolloin tärkkelys liukenee paremmin kylmään veteen.
Tärkkelyksen happomuokkaus
Tärkkelysjyvässuspension reaktio laimean suola- tai rikkihapon kanssa 40–60 °C:ssa tuottaa juoksevia eli ohennettuja tärkkelyksiä. Näistä osittain depolymeroiduista tärkkelyksistä valmistetut tuotteet tuottavat pienemmän viskositeetin. Tärkkelysoktenyylisukkinaatteja depolymeroidaan osittain, jotta kapseloitujen tuotteiden sumutuskuivauksessa voidaan käyttää suurempaa kuiva-ainepitoisuutta. Ultraäänikäsittely lievän happohydrolyysin aikana voi hajottaa hydrolyysissä muodostuvia nanopartikkeliaggregaatteja. Tämä lisää tärkkelysnanopartikkelien saantoa.
Amylopektiinimolekyyli
Suspension neutralointi
Prosessin jälkeen reaktiosuspensio neutraloidaan esimerkiksi lisäämällä suola- tai rikkihappoa emäskäsittelyn jälkeen.
Tärkkelyksen pesu
Muokattujen tärkkelyssuspensioiden neutraloinnin jälkeen tehdään vesipesu, kuten vastavirtapesu hydrosykloneissa. Tässä vaiheessa ultraäänikäsittely edistää yksittäisten tärkkelyshiukkasten pesua ja huuhtelua. Ultraäänikavitaatio dispergoi tärkkelysjyväsagglomeraatteja ja lisää aineensiirtoa tärkkelysjyvästen ja vesifaasin välisessä rajakerroksessa.
Tärkkelyksen suodatus ja kuivaus
Hielscher ultraäänilaitteita käytetään ultrasuodatus- tai nanosuodatusprosesseissa sekä niitä seuraavassa sumutuskuivauksessa.
Tärkkelyksen fysikaalinen muokkaus (mekaaninen)
Tärkkelysten fysikaalisessa muokkauksessa ei käytetä kemikaaleja. Ultraäänikäsittely saa kuitenkin aikaan muutoksia tärkkelyksen molekyylirakenteessa, joita seuraavat muutokset fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa ja toiminnallisuudessa. Voimakkaat kavitaation aiheuttamat leikkausvoimat vääristävät tärkkelysjyvästen kiteistä aluetta. Luhistuvien mikrokuplien lähellä olevat polymeeriketjut joutuvat leikkauskenttään, jossa on suuri gradientti. Tämä johtaa makromolekyylien C-C-sidosten katkeamiseen ja pitkäketjuisten radikaalien muodostumiseen. Ultraäänikäsiteltyjen tärkkelysjyvästen SEM-kuvissa näkyy mekaanisia vaurioita, kuten halkeamia, painaumia ja kuoppia. Tämä lisää veden absorptiokapasiteettia, turpoamiskykyä ja liukoisuutta. Vaikutus on parempi suuremmilla ultraäänikäsittelyn amplitudeilla. Siksi anturilla tehtävä ultraäänikäsittely on tärkkelyksen muokkauksessa paljon tehokkaampaa kuin ultraäänikylpykäsittely. Voimakkaan ultraäänikäsittelyn jälkeen jyväset ovat hajonneet enemmän kuin luontaisessa tai lämpökäsitellyssä tärkkelyksessä.
Ultraäänellä OSA-esteröidyt tärkkelykset
Ultraäänellä OSA-esteröidyillä tärkkelyksillä havaittiin suurempi substituutioaste (DS) ja reaktiotehokkuus (RE) sekä vähäisiä mutta hyödyllisiä morfologisia muutoksia, jotka saattavat laajentaa niiden toiminnallisuutta elintarvikejärjestelmissä. Ultraäänikäsittely parantaa reaktionopeutta ja tehokkuutta muuttamatta tärkkelyksen molekyylirakennetta ja säilyttää siten sen elintarvikekäyttöön toivotut ominaisuudet.
Nämä tulokset viittaavat siihen, että ultraääniavusteinen esteröinti voisi olla vihreää teknologiaa, joka tarjoaa energiatehokkaan ja aikaa säästävän lähestymistavan tärkkelyksen muokkaukseen. Mahdollisuus suurentaa ultraääniavusteisen esteröinnin mittakaavaa voisi mullistaa tärkkelysten muokkausprosessin elintarviketieteessä, tukea kestävän tuotannon tavoitteita ja laajentaa esteröityjen tärkkelysten teollisia käyttötarkoituksia.
Lue lisää ultraäänellä esteröidystä OSA-tärkkelyksestä!
SEM-mikrokuvat vehnätärkkelyksen jyväsistä: (a) ilman ultraäänikäsittelyä, (b) 20 min ultraäänikäsittelyn jälkeen, (c) 40 min. ultraäänikäsittelyn jälkeen, (d) 60 min ultraäänikäsittelyn jälkeen.
Tutkimus ja kuvat: ©Majzoobi et al., 2015
Ultraäänikäsittely voi alentaa liisteröitymisen alkulämpötilaa merkittävästi. Ultraäänikäsitellyistä tärkkelysjyväsistä valmistettujen tärkkelysgeelien kovuus on suurempi ja adheesiivisuuden ja koheesiivisuuden arvot korkeampia kuin luontaisesta tärkkelyksestä valmistettujen geelien. Adheesiivisuus, koheesiivisuus, kimmoisuus ja kumimaisuus lisääntyvät merkittävästi tärkkelyksen ultraäänimuokkauksessa.
Ultraäänikäsittely vaatii paljon vähemmän energiaa ja vähemmän kuormittavia käsittelyolosuhteita kuin tavanomaiset tärkkelyksen muokkausmenetelmät. Hielscher Ultrasonics toimittaa suuritehoisia ultraäänireaktoreita kaupalliseen prosessointiin.
Pyydä lisätietoja!
Jos olet tärkkelyksen muokkausta tutkiva tutkija, nykyisiä tärkkelysprosesseja parantamaan pyrkivä prosessi-insinööri, parempia tai uusia tuotteita kehittävä tuoteinsinööri tai olet muuten kiinnostunut tärkkelyksen muokkauksesta: ota meihin yhteyttä! Keskustelemme mielellämme kanssasi ultraäänikäsittelyn mahdollisuuksista ja hyödyistä tärkkelyksen muokkauksessa ja käytössä. Täytä alla oleva lomake!
Tärkkelyksen käyttö
Muokattua tärkkelystä käytetään monenlaisissa elintarvikkeisiin liittyvissä ja muissa käyttötarkoituksissa. Tärkkelysoktenyylisukkinaatit ovat tärkeitä öljy-vedessä-emulsioiden stabilointiaineita. Paperinvalmistuksessa kationiset tärkkelykset parantavat märkä- ja kuivalujuutta, stabiloivat emulsioita ja toimivat pintaliimausaineina. Monissa paperikoneen märän pään lisäainejärjestelmissä käytetään epäorgaanisia mikrohiukkasia (kolloidista piidioksidia, bentoniittia) ja synteettisiä polymeerejä yhdessä muokatun tärkkelyksen kanssa. Muita käyttötarkoituksia ovat tärkkelyslateksidispersiot ja jyväsmäisen tärkkelyksen käyttö polymeerien täyteaineena.
Tieteellisiä artikkeleita ultraääniavusteisesta tärkkelyksen muokkauksesta
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat ja P.Sriamornsak (2012): Ultraäänikäsittelyn vaikutus tapiokatärkkelyksen fysikaalisiin ominaisuuksiin, julkaisussa: Advanced Materials Research Vol. 506 (2012) s. 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): Ultraäänen vaikutus maissitärkkelyksen fysikaalisiin ominaisuuksiin, julkaisussa: 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): Ultraäänikäsitellyn maissitärkkelyksen rakenne- ja liisteröitymisominaisuudet, julkaisussa: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye ja V. Heinz (2002): Kasviperäisten elintarvikkeiden ravitsemuksellinen parantaminen lämpöä käyttämättömällä käsittelyllä, julkaisussa: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Usein kysytyt kysymykset
Mitkä ovat tärkkelyksen luontaiset lähteet?
Tärkkelystä saadaan erilaisista luontaisista lähteistä, kuten maissista, vahamaissista, runsasamyloosisesta maissista, tapiokasta, perunasta, vehnästä, riisistä, vahariisistä, herneestä (sileäsiemenisestä herneestä, ryppysiemenisestä herneestä), saagosta, kaurasta, ohrasta, rukiista, amarantista, bataatista, kaurasta, viljasta, Vaccaria hispanica -kasvista, kvinoasta, linssistä, pienestä valkoisesta pavusta, durrasta, nuolijuuresta tai maniokista.
Mitä muokattu tärkkelys on?
Muokattu tärkkelys on tärkkelystä, jota on muutettu fysikaalisesti, entsymaattisesti tai kemiallisesti sen toimivuuden parantamiseksi elintarvikkeissa ja teollisissa käyttötarkoituksissa. Nämä muokkaukset parantavat ominaisuuksia, kuten liukoisuutta, viskositeettia, geeliytymistä ja stabiilisuutta erilaisissa olosuhteissa, esimerkiksi kuumuudessa tai happamissa ympäristöissä. Muokattuja tärkkelyksiä saadaan yleisesti luontaisista lähteistä, kuten maissista, perunasta ja tapiokasta, ja niitä käytetään sakeuttamisaineina, stabilointiaineina ja emulgointiaineina jalostettujen elintarvikkeiden, lääkevalmisteiden ja muiden tuotteiden rakenteen ja säilyvyyden parantamiseen.
Mitä eroa on muokatulla tärkkelyksellä ja OSA-tärkkelyksellä?
Muokattu tärkkelys tarkoittaa tärkkelystä, jota on muutettu eri tavoin – fysikaalisesti, entsymaattisesti tai kemiallisesti – sen toiminnallisten ominaisuuksien, kuten sakeuttamisen, geeliyttämisen tai stabiloinnin, parantamiseksi erilaisissa olosuhteissa. Nämä muokkaukset tekevät siitä sopivan monenlaisiin käyttötarkoituksiin elintarvikkeissa, lääkevalmisteissa ja teollisuustuotteissa.
OSA-tärkkelys eli oktenyylimeripihkahappoanhydriditärkkelys on tietty kemiallisesti muokatun tärkkelyksen tyyppi, joka valmistetaan liittämällä oktenyylimeripihkahappoanhydridiryhmiä tärkkelysmolekyyliin. Tämä muokkaus antaa sille ainutlaatuisia emulgointiominaisuuksia, joiden ansiosta OSA-tärkkelys on erityisen tehokas öljy-vedessä-emulsioiden stabiloinnissa. Muokattu tärkkelys parantaa yleensä perusominaisuuksia, kuten viskositeettia tai stabiilisuutta, kun taas OSA-tärkkelys on erityisesti räätälöity emulgointikyvyn aikaansaamiseksi. Siksi sitä käytetään yleisesti esimerkiksi salaatinkastikkeissa, kastikkeissa ja juomissa, joissa stabiilit emulsiot ovat välttämättömiä. Lue lisää ultraäänellä esteröidystä OSA-tärkkelyksestä!