Modification par ultrasons des suspensions de granules d’amidon
L’amidon s’extrait facilement de sources naturelles, telles que la pomme de terre ou le maïs. Sa modification est nécessaire pour améliorer ses propriétés physiques et chimiques. Les réacteurs à ultrasons Hielscher favorisent la modification physique, chimique et enzymatique de l’amidon, ce qui améliore ses propriétés fonctionnelles pour une utilisation dans les industries alimentaires et non alimentaires.
Pour la plupart des applications commerciales, les amidons doivent être modifiés chimiquement ou physiquement afin de renforcer leurs qualités ou de minimiser leurs défauts. Le traitement par ultrasons est un moyen très efficace de modifier les amidons par voie physique, chimique et enzymatique. Les appareils à ultrasons Hielscher transmettent des ondes ultrasonores de très forte intensité aux suspensions d’amidon. La cavitation ultrasonore qui en résulte favorise :
- la désagglomération et la dispersion
- la dégradation et la désintégration mécaniques
- la pénétration dans les granules et leur gonflement
- le transfert de matière
- la formation de radicaux
- la réactivité chimique
- le chauffage
Modification chimique de l’amidon
La désintégration des granules par cavitation ultrasonore, associée à une pénétration facilitée du liquide dans les granules d’amidon, améliore la cinétique des réactions d’estérification, d’éthérification, d’hydroxypropylation ou d’oxydation et de modification acide des polymères d’amidon. Les réacteurs à ultrasons Hielscher sont conçus pour un traitement continu en ligne. Des vitesses de réaction plus élevées permettent d’accroître la capacité de production des cuves de réaction.
Modification alcaline de l’amidon
Pour produire de nombreux dérivés commerciaux de l’amidon, des réactifs organiques sont ajoutés aux suspensions aqueuses d’amidon, tout en contrôlant l’alcalinité et la température. L’estérification des amidons est généralement réalisée à un pH de 7 à 9. Un pH de 11 à 12 est couramment utilisé pour l’éthérification des amidons. Les températures de procédé typiques sont d’environ 60°C. Sans sonication, le degré de substitution des amidons commerciaux est souvent inférieur à 0,2. Le traitement par ultrasons favorise la substitution, ce qui donne un amidon plus soluble dans l’eau froide.
Modification acide de l’amidon
La réaction d’une suspension de granules d’amidon avec de l’acide chlorhydrique ou sulfurique dilué à une température de 40 à 60°C produit des amidons fluides ou fluidifiés. Ces amidons partiellement dépolymérisés donnent des produits de moindre viscosité. Les octénylsuccinates d’amidon sont partiellement dépolymérisés afin de permettre l’utilisation d’une teneur en matières solides plus élevée lors du séchage par atomisation de produits encapsulés. Le traitement par ultrasons pendant une hydrolyse acide douce peut dissocier les agrégats de nanoparticules qui se forment au cours de l’hydrolyse. Cela augmente le rendement en nanoparticules d’amidon.
Molécule d’amylopectine
Neutralisation de la suspension
Après le traitement, la suspension réactionnelle est neutralisée, par exemple par ajout d’acide chlorhydrique ou sulfurique après un traitement alcalin.
Lavage de l’amidon
Le lavage à l’eau, tel que le lavage à contre-courant dans des hydrocyclones, suit la neutralisation des suspensions d’amidon modifié. À ce stade, le traitement par ultrasons facilite le lavage et le rinçage des particules individuelles d’amidon. La cavitation ultrasonore disperse les agglomérats de granules d’amidon et augmente le transfert de matière dans la couche limite entre les granules d’amidon et la phase aqueuse.
Filtration et séchage de l’amidon
Les appareils à ultrasons Hielscher sont utilisés dans les procédés d’ultrafiltration ou de nanofiltration, ainsi que lors du séchage par atomisation qui suit.
Modification physique de l’amidon (mécanique)
La modification physique des amidons n’implique pas l’utilisation de produits chimiques. Cependant, le traitement par ultrasons entraîne des changements dans la structure moléculaire de l’amidon, suivis de variations de ses propriétés physicochimiques et de sa fonctionnalité. Les forces intenses de cisaillement dues à la cavitation déforment la région cristalline des granules d’amidon. Les chaînes de polymères proches des microbulles qui s’effondrent sont prises dans un champ de cisaillement à fort gradient, ce qui entraîne la rupture des liaisons macromoléculaires C-C et la formation de radicaux à longue chaîne. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) de granules d’amidon soniqués montrent des dommages mécaniques, tels que des fissures, des dépressions et des piqûres. Il en résulte une capacité d’absorption d’eau plus élevée, un pouvoir de gonflement accru et une plus grande solubilité. Cet effet est plus marqué à des amplitudes de sonication plus élevées. Par conséquent, la sonication par sonde est beaucoup plus efficace pour modifier l’amidon que la sonication en bain. Un traitement ultrasonore intense produit des granules davantage désintégrés que ceux de l’amidon natif ou traité thermiquement.
Amidons estérifiés à l’OSA par ultrasons
Les amidons estérifiés à l’OSA par ultrasons ont présenté un degré de substitution (DS) et une efficacité de réaction (RE) plus élevés, associés à des changements morphologiques mineurs mais bénéfiques susceptibles d’élargir leur fonctionnalité dans les systèmes alimentaires. La sonication augmente la vitesse et l’efficacité de la réaction sans modifier la structure moléculaire de l’amidon, préservant ainsi ses propriétés souhaitables pour les applications alimentaires.
Ces résultats suggèrent que l’estérification assistée par ultrasons pourrait constituer une technologie verte, offrant une approche économe en énergie et en temps pour la modification de l’amidon. La possibilité de transposer l’estérification assistée par sonication à plus grande échelle pourrait révolutionner le procédé de modification des amidons en sciences alimentaires, en répondant aux objectifs de production durable et en élargissant les applications industrielles des amidons estérifiés.
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Micrographies MEB de granules d’amidon de blé : (a) non soniqués, (b) soniqués pendant 20min, (c) soniqués pendant 40min., (d) soniqués pendant 60min.
Étude et images : ©Majzoobi et al., 2015
Le traitement par ultrasons peut abaisser considérablement la température de début de gélatinisation. Les gels d’amidon préparés à partir de granules soniqués présentent une dureté plus élevée ainsi que des valeurs d’adhésivité et de cohésivité supérieures à celles de l’amidon natif. L’adhésivité, la cohésivité, l’élasticité et le caractère gommeux augmentent sensiblement avec la modification de l’amidon par ultrasons.
Le traitement par ultrasons nécessite un apport énergétique bien moindre et des conditions de traitement moins contraignantes que les procédés classiques de modification de l’amidon. Hielscher Ultrasonics fournit des réacteurs à ultrasons de forte puissance pour les traitements à l’échelle commerciale.
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Si vous êtes un scientifique menant des recherches sur la modification de l’amidon, un ingénieur procédés cherchant à améliorer les procédés existants de traitement de l’amidon, un ingénieur produit développant des formulations améliorées ou nouvelles, ou si vous avez tout autre intérêt pour la modification de l’amidon : contactez-nous ! Nous serons heureux de discuter avec vous du potentiel et des avantages du traitement par ultrasons pour la modification et l’utilisation de l’amidon. Veuillez remplir le formulaire ci-dessous !
Utilisation de l’amidon
L’amidon modifié est utilisé dans une vaste gamme d’applications alimentaires et non alimentaires. Les octénylsuccinates d’amidon sont des stabilisants importants des émulsions huile-dans-eau. En papeterie, les amidons cationiques améliorent la résistance à l’état humide et à l’état sec, stabilisent les émulsions et servent d’agents d’encollage de surface. De nombreux systèmes d’additifs utilisés dans la partie humide de la fabrication du papier associent des microparticules inorganiques (silice colloïdale, bentonite) et des polymères synthétiques à de l’amidon modifié. D’autres utilisations comprennent les dispersions de latex d’amidon ou l’amidon granulaire employé comme charge pour les polymères.
Articles scientifiques sur la modification de l’amidon assistée par ultrasons
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- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat et P.Sriamornsak (2012) : Effet du traitement ultrasonique sur les propriétés physiques de l’amidon de tapioca, 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 et V. Heinz (2002) : Nutritional improvement of plant foods by non-thermal processing (Amélioration nutritionnelle des aliments végétaux par traitement non thermique), in : Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311-318. [PDF]
Questions fréquentes
Quelles sont les sources d’amidon natif ?
L’amidon provient de diverses sources naturelles, telles que : le maïs, le maïs cireux, le maïs à haute teneur en amylose, le tapioca, la pomme de terre, le blé, le riz, le riz cireux, le pois (pois lisse, pois ridé), le sagou, l’avoine, l’orge, le seigle, l’amarante, la patate douce, l’avoine, les céréales, la saponaire des vaches, le quinoa, la lentille, le haricot blanc, le sorgho, l’arrow-root ou le manioc.
Qu’est-ce que l’amidon modifié ?
L’amidon modifié est un amidon qui a été transformé par voie physique, enzymatique ou chimique afin d’améliorer ses performances dans les applications alimentaires et industrielles. Ces modifications améliorent des propriétés telles que la solubilité, la viscosité, la gélification et la stabilité dans diverses conditions, notamment sous l’effet de la chaleur ou en milieu acide. Généralement issus de sources naturelles comme le maïs, la pomme de terre et le tapioca, les amidons modifiés sont utilisés comme épaississants, stabilisants et émulsifiants pour améliorer la texture et la durée de conservation des aliments transformés, des produits pharmaceutiques et d’autres produits.
Quelle est la différence entre l’amidon modifié et l’amidon OSA ?
L’amidon modifié désigne un amidon qui a été transformé de différentes manières – physiquement, enzymatiquement ou chimiquement – afin d’améliorer ses propriétés fonctionnelles, telles que l’épaississement, la gélification ou la stabilisation dans diverses conditions. Ces modifications le rendent adapté à de multiples applications dans les aliments, les produits pharmaceutiques et les produits industriels.
L’amidon OSA, ou amidon à l’anhydride octénylsuccinique, est un type particulier d’amidon modifié chimiquement, obtenu en fixant des groupes d’anhydride octénylsuccinique à la molécule d’amidon. Cette modification lui confère des propriétés émulsifiantes particulières, ce qui rend l’amidon OSA particulièrement efficace pour stabiliser les émulsions huile-dans-eau. Alors que l’amidon modifié améliore généralement des propriétés de base comme la viscosité ou la stabilité, l’amidon OSA est spécialement conçu pour apporter des capacités d’émulsification. Il est ainsi couramment utilisé dans des produits tels que les sauces pour salade, les sauces et les boissons, pour lesquels des émulsions stables sont essentielles. En savoir plus sur l’amidon OSA estérifié par ultrasons !