OSA-स्टार्च उत्पादन – सोनिकेशन द्वारा बेहतर एस्टरीकरण

ऑक्टेनिल सक्सिनिक एनहाइड्राइड (OSA) के साथ स्टार्च का एस्टरीकरण एक व्यापक रूप से प्रयुक्त संशोधन तकनीक है, जो विशेष रूप से खाद्य उद्योग में बेहतर गुणों वाले कार्यात्मक स्टार्च बनाने के लिए प्रासंगिक है। हालांकि, क्षारीय परिस्थितियों में पारंपरिक OSA स्टार्च संशोधन में समय लगता है और यह प्रक्रिया की दक्षता और व्यवहार्यता को सीमित कर सकता है। अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त एस्टरीकरण, OSA के साथ स्टार्च के एस्टरीकरण को तेज़ करने का एक प्रभावी वैकल्पिक तरीका है। सोनिकेशन का उपयोग करने पर, पारंपरिक क्षारीय OSA एस्टरीकरण की तुलना में प्रतिस्थापन की अधिक उच्च डिग्री (DS) और अधिक उच्च अभिक्रिया दक्षता (RE) प्राप्त होती है। इसका अर्थ है कि सोनिकेशन खाद्य उद्योग में एस्टरीकृत स्टार्च के उपयोग का दायरा बढ़ाने में सक्षम बनाता है। वैज्ञानिक अध्ययनों के परिणाम स्टार्च संशोधन में सोनिकेशन की सहायता से किए जाने वाले एस्टरीकरण को एक दक्ष, पर्यावरण के अनुकूल प्रगति के रूप में रेखांकित करते हैं।

ऑक्टेनिल सक्सिनिक एनहाइड्राइड स्टार्च का अल्ट्रासोनिक एस्टरीकरण

स्टार्च खाद्य उद्योग में आवश्यक पॉलीसैकराइड हैं, जिनका अपने विशिष्ट गुणों के कारण गाढ़ापन बढ़ाने वाले पदार्थों, स्थिरीकारकों और पायसीकारकों के रूप में व्यापक उपयोग होता है। हालांकि, प्राकृतिक स्टार्च की कार्यात्मक सीमाओं के कारण अक्सर उनके प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए संशोधन आवश्यक होते हैं। ऑक्टेनिल सक्सिनिक एनहाइड्राइड (OSA) के साथ एस्टरीकरण एक रासायनिक संशोधन प्रक्रिया है, जो जलविरागी समूह जोड़ती है और स्टार्च की पायसीकरण तथा स्थिरीकरण क्षमताओं को बढ़ाती है। प्रभावी होने के बावजूद, क्षारीय परिस्थितियों में पारंपरिक OSA एस्टरीकरण एक लंबी प्रक्रिया है। अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त एस्टरीकरण एक हरित प्रौद्योगिकी है, जो संभावित रूप से OSA स्टार्च के प्रतिस्थापन की डिग्री (DS) और अभिक्रिया दक्षता (RE) बढ़ा सकती है तथा समय और संसाधनों के उपयोग को बेहतर बना सकती है।

सोनिकेशन OSA स्टार्च के एस्टरीकरण को बेहतर बनाता है। OSA से एस्टरीकृत अनाटो बीज के स्टार्च की सूक्ष्मसंरचना पर अल्ट्रासाउंड की तीव्रता का प्रभाव।
अध्ययन और चित्र: ©Keven Silva et al. 2022

केस अध्ययन: OSA आलू स्टार्च का अल्ट्रासोनिक एस्टरीकरण

Martínez et al. (2024) के अध्ययन में, एंडीज़ के आलुओं के प्राकृतिक स्टार्च का पारंपरिक क्षारीय OSA एस्टरीकरण और अल्ट्रासाउंड की सहायता से एस्टरीकरण (US-OSA), दोनों किया गया। उन्होंने अल्ट्रासाउंड की सहायता से किए जाने वाले एस्टरीकरण के संभावित लाभों को निर्धारित करने के लिए परिणामी स्टार्च के कणों की आकारिकी, आणविक विशेषताओं, तापीय गुणों और प्रवाह संबंधी व्यवहार का विश्लेषण किया।

स्टार्च के नमूने और एस्टरीकरण की प्रक्रिया

एंडीज़ के आलुओं के प्राकृतिक स्टार्च का दो विधियों से एस्टरीकरण किया गया:

• पारंपरिक OSA एस्टरीकरण (OSA) – क्षारीय परिस्थितियों में ऑक्टेनिल सक्सिनिक एनहाइड्राइड के साथ किया गया।
• अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त OSA एस्टरीकरण (US-OSA) – जिसमें अभिक्रिया की दर और प्रभावशीलता बढ़ाने के लिए एस्टरीकरण के दौरान अल्ट्रासोनिक तरंगें लागू की गईं।

प्रतिस्थापन की डिग्री (DS) और अभिक्रिया दक्षता (RE)

अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त एस्टरीकरण प्रक्रिया से ऐसे स्टार्च प्राप्त हुए, जिनमें पारंपरिक विधियों की तुलना में प्रतिस्थापन की डिग्री (DS) और अभिक्रिया दक्षता (RE) उल्लेखनीय रूप से अधिक थी। यह वृद्धि अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि DS स्टार्च अणु पर जलविरागी समूहों के प्रतिस्थापन की मात्रा को दर्शाती है, जो इसके पायसीकरण गुणों को सीधे प्रभावित करती है।
अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्च में उच्च अभिक्रिया दक्षता से संकेत मिलता है कि अल्ट्रासोनिक तरंगें आणविक टक्करों और स्टार्च के कणों में OSA अणुओं के प्रवेश को बढ़ाती हैं। यह संभावित रूप से कैविटेशन प्रभावों के कारण होता है, जो द्रव्यमान स्थानांतरण को बेहतर बनाते हैं और अधिक दक्ष एस्टरीकरण को बढ़ावा देते हैं।

आकारिकीय विशेषताएँ

कणिकाओं की आकारिकी की सूक्ष्मदर्शीय जाँच में OSA स्टार्च और अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्च के बीच उल्लेखनीय अंतर सामने आए। यद्यपि दोनों संशोधित स्टार्चों की कणिकाएँ अक्षुण्ण रहीं, अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA कणिकाओं की सतहें छिली हुई थीं और उनमें कुछ छिद्र थे, जिससे संकेत मिलता है कि अल्ट्रासोनिक उपचार का सतह की संरचना पर हल्का प्रभाव पड़ा। यह संरचनात्मक संशोधन, हालाँकि मामूली था, संकेत देता है कि कणिकाओं की अखंडता से समझौता किए बिना एस्टरीकरण के लिए स्टार्च कणिकाओं की सुगम्यता बढ़ी।
इसके अतिरिक्त, अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्चों में स्पैन मान कम थे, जो आकार के संकरे वितरण और कणिकाओं के अधिक एकसमान समूह का संकेत देते हैं। यह एकरूपता उन विशिष्ट खाद्य अनुप्रयोगों के लिए लाभकारी हो सकती है जहाँ सटीक बनावट और स्थिरता आवश्यक हैं।

आणविक विशेषताएँ

IR स्पेक्ट्रोस्कोपी और XRD विश्लेषण में OSA स्टार्च और अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्च के बीच न्यूनतम संरचनात्मक अंतर दिखाई दिए। दोनों प्रकार के स्टार्चों ने अपनी विशिष्ट स्टार्च संरचना बनाए रखी और क्रिस्टलीयता के प्रतिरूपों में कोई पता लगाने योग्य परिवर्तन नहीं दिखा, जिससे पुष्टि हुई कि अल्ट्रासाउंड-सहायित उपचार ने स्टार्च की मूल संरचना को उल्लेखनीय रूप से बाधित नहीं किया।
यह आणविक स्थिरता लाभकारी है, क्योंकि यह सुनिश्चित करती है कि अल्ट्रासाउंड-सहायित एस्टरीकरण स्टार्च के मूल आणविक ढाँचे को बदले बिना उसकी कार्यात्मकता बढ़ाता है। यह ढाँचा खाद्य अनुप्रयोगों में वांछनीय बनावट संबंधी गुणों को बनाए रखने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

तापीय गुण

पारंपरिक OSA स्टार्च और अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्च के तापीय व्यवहार, विशेष रूप से जिलेटिनीकरण एन्थैल्पी, में अंतर था। अल्ट्रासोनिक रूप से संशोधित OSA स्टार्चों में पारंपरिक OSA स्टार्चों की तुलना में जिलेटिनीकरण एन्थैल्पी कम थी, जो जिलेटिनीकरण के लिए ऊर्जा की आवश्यकता कम होने का संकेत देती है। इस निष्कर्ष से संकेत मिलता है कि अल्ट्रासाउंड उपचार जलयोजन और जिलेटिनीकरण को अधिक आसान बना सकता है, जिससे तापीय प्रसंस्करण वाले खाद्य अनुप्रयोगों में संशोधित स्टार्च की प्रसंस्करणीयता संभावित रूप से बढ़ सकती है।

प्रवाहवैज्ञानिक गुण

अल्ट्रासोनिक रूप से एस्टरीकृत OSA स्टार्चों ने अनुकूल प्रवाहवैज्ञानिक गुण प्रदर्शित किए, और उनकी श्यानता प्रोफ़ाइल पारंपरिक OSA स्टार्चों के समान या उनसे थोड़ी बेहतर थी। ऐसे गुण उन अनुप्रयोगों में उनका प्रदर्शन बेहतर बना सकते हैं जिनमें बदलती प्रसंस्करण परिस्थितियों के अंतर्गत स्थिर इमल्शन या एकसमान श्यानता की आवश्यकता होती है।

केस अध्ययन: अनाटो के बीजों से प्राप्त अल्ट्रासोनिक रूप से एस्टरीकृत OSA-स्टार्च

Silva et al. (2013) के अध्ययन में कोलॉइडी तंत्रों के लिए एक नया पायसीकारक बनाने के उद्देश्य से ऑक्टेनिल सक्सिनिक ऐनहाइड्राइड (OSA) के साथ अनाटो के बीजों के स्टार्च के एस्टरीकरण पर सोनिकेशन तीव्रता के प्रभाव की जाँच की गई। अल्ट्रासाउंड को अलग-अलग तीव्रताओं (0, 5, 10, और 20 W/cm²) पर कम प्रसंस्करण समय (5 मिनट) के लिए लागू किया गया। प्रमुख निष्कर्षों में अधिक सोनिकेशन तीव्रता के साथ प्रतिस्थापन की डिग्री (DS) में वृद्धि शामिल थी, जो 20 W/cm² पर अधिकतम 0.139 ± 0.031 तक पहुँची। सोनिकेशन उपचार से एमाइलोज़ की मात्रा भी बिना सोनिकेशन वाले नमूनों की तुलना में 1.24–1.36 गुना हो गई।
कणिकाओं की आकारिकी में उच्च सोनिकेशन तीव्रताओं पर चिकनी सतहें और स्पष्ट रूप से परिभाषित दीर्घवृत्ताकार कण दिखाई दिए, जिससे कणिकाओं का एकत्रीकरण कम हुआ। एक्स-रे विवर्तन प्रतिरूपों में कोई महत्वपूर्ण गुणात्मक अंतर नहीं दिखा, जो दर्शाता है कि अल्ट्रासाउंड ने स्टार्च की क्रिस्टलीय संरचना को नहीं बदला। संशोधित स्टार्च अनाटो के बीजों के तेल के जल में बने इमल्शन को स्थिर करने में प्रभावी थे। इनमें सॉटर माध्य व्यास अधिक (14 ± 2 μm) थे, लेकिन व्यावसायिक रूप से संशोधित स्टार्चों की तुलना में समय के साथ अधिक गतिक स्थिरता दिखाई दी। कुल मिलाकर, अल्ट्रासाउंड-सहायित OSA संशोधन पायसीकारक के रूप में अनाटो के बीजों के स्टार्च के कार्यात्मक गुणों को बढ़ाने का एक त्वरित और प्रभावी तरीका सिद्ध हुआ।

OSA-स्टार्च के एस्टरीकरण के लिए सोनिकेटर

Hielscher के औद्योगिक सोनिकेटर उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक उपकरण हैं, जिनका उपयोग स्टार्च के OSA-एस्टरीकरण को बेहतर बनाने के लिए किया जाता है। यह प्रक्रिया स्टार्च के अणुओं में जलविरागी ऑक्टेनिल सक्सिनिक ऐनहाइड्राइड (OSA) समूह जोड़ती है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के माध्यम से ये सोनिकेटर स्टार्च के निलंबन में सूक्ष्म जेट और तीव्र अपरूपण बल उत्पन्न करते हैं, जिससे स्टार्च के कणिकाओं में OSA का विसरण और उसकी अभिक्रिया दक्षता बेहतर होती है। इसके परिणामस्वरूप प्रतिस्थापन की डिग्री (DS) अधिक होती है और अभिक्रिया दक्षता बेहतर होती है, जो अक्सर पारंपरिक विधियों की तुलना में काफी कम समय में प्राप्त हो जाती है। Hielscher सोनिकेटर औद्योगिक पैमाने के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं। ये एस्टरीकरण प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए तीव्रता, आवृत्ति और अवधि जैसे मापदंडों पर सटीक नियंत्रण प्रदान करते हैं, जिससे संशोधित स्टार्च उत्पादों में एकसमान गुणवत्ता सुनिश्चित होती है और उनके पायसीकरण तथा स्थिरीकरण गुण बेहतर होते हैं।

डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मजबूती और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटर औद्योगिक संयंत्रों में सुगमता से एकीकृत किए जा सकते हैं। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण वातावरण में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी तथा उपयोग में सुगमता वाले उच्च प्रदर्शन के अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष जोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: