Proizvodnja OSA-škroba – poboljšana esterifikacija sonikacijom
Esterifikacija škrobova anhidridom okteniljantarne kiseline (OSA) široko je primjenjivana tehnika modifikacije, osobito važna u prehrambenoj industriji za dobivanje funkcionalnih škrobova s poboljšanim svojstvima. Međutim, tradicionalna modifikacija škroba OSA-om u alkalnim uvjetima dugotrajna je i može ograničiti učinkovitost i izvedivost procesa. Ultrazvučno potpomognuta esterifikacija učinkovit je alternativni pristup za ubrzavanje esterifikacije škrobova OSA-om. Primjenom sonikacije postižu se viši stupanj supstitucije (DS) i veća učinkovitost reakcije (RE) u usporedbi s konvencionalnom esterifikacijom OSA-om u alkalnim uvjetima. To znači da sonikacija omogućuje proširenje područja primjene esterificiranih škrobova u prehrambenoj industriji. Rezultati znanstvenih istraživanja ističu esterifikaciju potpomognutu sonikacijom kao učinkovit i ekološki prihvatljiv napredak u modifikaciji škroba.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za obradu velikih količina škroba.
Ultrazvučna esterifikacija škroba anhidridom okteniljantarne kiseline
Škrobovi su važni polisaharidi u prehrambenoj industriji, gdje se zbog svojih jedinstvenih svojstava široko primjenjuju kao zgušnjivači, stabilizatori i emulgatori. Međutim, funkcionalna ograničenja nativnih škrobova često zahtijevaju modifikacije radi poboljšanja njihove učinkovitosti. Esterifikacija anhidridom okteniljantarne kiseline (OSA) proces je kemijske modifikacije kojim se uvode hidrofobne skupine, čime se poboljšavaju emulgirajuća i stabilizirajuća svojstva škroba. Unatoč svojoj učinkovitosti, konvencionalna esterifikacija OSA-om u alkalnim uvjetima dugotrajan je proces. Ultrazvučno potpomognuta esterifikacija zelena je tehnologija koja potencijalno može povećati stupanj supstitucije (DS) i učinkovitost reakcije (RE) OSA-škrobova, uz bolje iskorištavanje vremena i resursa.
Sonikacija poboljšava esterifikaciju OSA-škroba. Utjecaj intenziteta ultrazvuka na mikrostrukturu škroba iz sjemenki anata esterificiranog OSA-om.
Istraživanje i slike: ©Keven Silva i sur. 2022
Studija slučaja: ultrazvučna esterifikacija OSA-škroba iz krumpira
U istraživanju koje su proveli Martínez i sur. (2024) nativni škrobovi iz andskog krumpira podvrgnuti su i konvencionalnoj esterifikaciji OSA-om u alkalnim uvjetima i ultrazvučno potpomognutoj esterifikaciji (US-OSA). Analizirali su morfologiju granula, molekularne značajke, toplinska svojstva i reološko ponašanje dobivenih škrobova kako bi utvrdili potencijalne prednosti ultrazvučno potpomognute esterifikacije.
Uzorci škroba i postupak esterifikacije
Nativni škrobovi iz andskog krumpira esterificirani su dvjema metodama:
- Konvencionalna esterifikacija OSA-om (OSA) – provedena u alkalnim uvjetima s anhidridom okteniljantarne kiseline.
- Ultrazvučno potpomognuta esterifikacija OSA-om (US-OSA) – pri kojoj su tijekom esterifikacije primjenjivani ultrazvučni valovi radi povećanja brzine i učinkovitosti reakcije.
Stupanj supstitucije (DS) i učinkovitost reakcije (RE)
Procesom ultrazvučno potpomognute esterifikacije dobiveni su škrobovi sa znatno višim stupnjem supstitucije (DS) i većom učinkovitošću reakcije (RE) u usporedbi s konvencionalnim metodama. To je poboljšanje ključno jer DS odražava opseg supstitucije hidrofobnim skupinama na molekuli škroba, što izravno utječe na njegova emulgirajuća svojstva.
Visoka učinkovitost reakcije pri ultrazvučnoj modifikaciji OSA-škrobova upućuje na to da ultrazvučni valovi pospješuju sudare molekula i prodiranje molekula OSA-e u granule škroba, potencijalno zbog učinaka kavitacije, koji poboljšavaju prijenos tvari i potiču učinkovitiju esterifikaciju.
Morfološke značajke
Mikroskopsko ispitivanje morfologije granula otkrilo je zamjetne razlike između OSA škrobova i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Iako su oba modificirana škroba zadržala cjelovitost granula, ultrazvučno modificirane OSA granule imale su oljuštene površine s ponekim porama, što upućuje na to da je ultrazvučna obrada blago utjecala na površinsku strukturu. Ta strukturna modifikacija, premda neznatna, upućuje na bolju dostupnost škrobnih granula za esterifikaciju bez narušavanja njihove cjelovitosti.
Osim toga, ultrazvučno modificirani OSA škrobovi pokazali su niže vrijednosti raspona, što upućuje na užu raspodjelu veličina i ujednačeniju populaciju granula. Ta bi ujednačenost mogla biti korisna u određenim prehrambenim primjenama u kojima su precizna tekstura i stabilnost ključne.
Molekularne značajke
IR spektroskopija i XRD analiza pokazale su minimalne strukturne razlike između OSA škrobova i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Obje vrste škroba zadržale su karakterističnu strukturu škroba, bez uočljivih promjena u obrascima kristaliničnosti, što potvrđuje da ultrazvučno potpomognuta obrada nije značajno narušila nativnu strukturu škroba.
Ta je molekularna stabilnost prednost jer osigurava da ultrazvučno potpomognuta esterifikacija poboljšava funkcionalnost bez promjene osnovne molekularne strukture škroba, koja je ključna za održavanje poželjnih teksturnih svojstava u prehrambenim primjenama.
Toplinska svojstva
Toplinsko ponašanje, konkretno entalpija želatinizacije, razlikovalo se između konvencionalnih OSA škrobova i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Ultrazvučno modificirani OSA škrobovi pokazali su nižu entalpiju želatinizacije u usporedbi s konvencionalnim OSA škrobovima, što upućuje na manju potrebu za energijom pri želatinizaciji. Taj nalaz upućuje na to da ultrazvučna obrada može olakšati hidrataciju i želatinizaciju, potencijalno poboljšavajući preradivost modificiranog škroba u prehrambenim primjenama koje uključuju toplinsku obradu.
Sonikacija poboljšava OSA esterifikaciju škrobova. Sonikacija povećava brzinu i učinkovitost reakcije bez promjene molekularne strukture škroba, čime se čuvaju njegova poželjna svojstva za prehrambene primjene.
Reološka svojstva
Ultrazvučno esterificirani OSA škrobovi pokazali su povoljna reološka svojstva, s profilima viskoznosti sličnima ili blago poboljšanima u usporedbi s konvencionalnim OSA škrobovima. Takva svojstva mogu poboljšati njihovu učinkovitost u primjenama koje zahtijevaju stabilne emulzije ili ujednačenu viskoznost u promjenjivim uvjetima obrade.
Studija slučaja: ultrazvučno esterificirani OSA škrob iz sjemenki anata
Studija koju su proveli Silva i sur. (2013) istraživala je utjecaj intenziteta sonikacije na esterifikaciju škroba iz sjemenki anata anhidridom okteniljantarne kiseline (OSA), s ciljem stvaranja novog emulgatora za koloidne sustave. Ultrazvuk je primijenjen pri različitim intenzitetima (0, 5, 10 i 20 W/cm²) tijekom kratkog vremena obrade (5 minuta). Ključni nalazi uključivali su povećanje stupnja supstitucije (DS) s povećanjem intenziteta sonikacije, pri čemu je postignut maksimalni stupanj supstitucije od 0,139 ± 0,031 pri 20 W/cm². Obrada sonikacijom također je povećala sadržaj amiloze 1,24–1,36 puta u usporedbi s uzorcima bez sonikacije.
Morfologija granula pokazala je glatke površine i jasno oblikovane eliptične čestice pri višim intenzitetima sonikacije, što je smanjilo agregaciju granula. Rendgenski difrakcijski obrasci nisu pokazali značajne kvalitativne razlike, što upućuje na to da ultrazvuk nije promijenio kristalnu strukturu škroba. Modificirani škrobovi bili su učinkoviti u stabilizaciji emulzija ulja sjemenki anata u vodi, postižući veće Sauterove srednje promjere (14 ± 2 μm), ali pokazujući veću kinetičku stabilnost tijekom vremena u usporedbi s komercijalno modificiranim škrobovima. Općenito, ultrazvučno potpomognuta OSA modifikacija pokazala se brzim i učinkovitim pristupom poboljšanju funkcionalnih svojstava škroba iz sjemenki anata kao emulgatora.
Sonikatori za esterifikaciju OSA-škroba
Industrijski sonikatori Hielscher ultrazvučni su uređaji visokih performansi koji se upotrebljavaju za poboljšanje OSA-esterifikacije škrobova, procesa kojim se u molekule škroba uvode hidrofobne skupine anhidrida oktenilsukcinske kiseline (OSA). Ultrazvučnom kavitacijom ovi sonikatori stvaraju mikromlazove i intenzivne smične sile u škrobnoj suspenziji, poboljšavajući difuziju OSA-e u škrobne granule i učinkovitost njezine reakcije. Time se postižu viši stupanj supstitucije (DS) i poboljšana učinkovitost reakcije, često u znatno kraćem vremenu u usporedbi s konvencionalnim metodama. Sonikatori Hielscher idealni su za primjene u industrijskom mjerilu jer omogućuju preciznu kontrolu parametara poput intenziteta, frekvencije i trajanja radi optimizacije procesa esterifikacije, osiguravajući ujednačenu kvalitetu proizvoda od modificiranog škroba s poboljšanim emulgirajućim i stabilizirajućim svojstvima.
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- prilagodljiva, precizna kontrola procesa
- šaržna i protočna obrada
- za bilo koji volumen
- inteligentan softver
- pametne značajke (npr. mogućnost programiranja, zapisivanje podataka, daljinsko upravljanje)
- jednostavno i sigurno rukovanje
- mali zahtjevi za održavanjem
- CIP (čišćenje na mjestu)
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnom upotrebom. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Literatura / reference
- Martínez, Patrcia; Peña, Fiorela; Bello-Pérez, Luis; Yee-Madeira, H.; Ibarz, Albert; Velezmoro, Carmen (2024): Ultrasound-Assisted Esterification of Andean Native Potato Starches Increases the Degree of Substitution and Reaction Efficiency. Potato Research 67, 2014. 711–732.
- Eric Keven Silva, Ana Gabriela da S. Anthero, Lucas B. Emerick, Giovani L. Zabot, Miriam D. Hubinger, Maria Angela A. Meireles (2022): Low-frequency ultrasound-assisted esterification of Bixa orellana L. seed starch with octenyl succinic anhydride. International Journal of Biological Macromolecules, Volume 207, 2022. 1-8.
- Manchun, S.; Nunthanid, Jurairat; Limmatvapirat, Sontaya; Sriamornsak, Pornsak (2012): Effect of Ultrasonic Treatment on Physical Properties of Tapioca Starch. Advanced Materials Research 506, 2012. 294-297.
- Herceg, Ivana; Režek Jambrak, Anet; Šubarić, Drago; Tripalo, Ježek, Damir; Novotni, Dubravka; Herceg, Zoran; Herceg, Novotni (2010): Texture and Pasting Properties of Ultrasonically Treated Corn Starch. Czech Journal of Food Sciences 28, 2010.
Često postavljana pitanja
Što je OSA-škrob?
OSA-škrob je škrob kemijski modificiran anhidridom oktenilsukcinske kiseline (OSA), koji na molekulu škroba veže hidrofobne oktenilsukcinilne skupine. Ova modifikacija daje škrobu amfifilna svojstva, poboljšavajući njegovu sposobnost djelovanja kao emulgatora i stabiliziranja emulzija ulja u vodi. OSA-škrob široko se upotrebljava u prehrambenoj industriji jer kombinira svojstva zgušnjavanja škroba s poboljšanom emulgirajućom funkcionalnošću, što ga čini prikladnim za primjene koje zahtijevaju stabilne koloidne sustave.
Kako se proizvodi OSA-škrob?
OSA-škrob proizvodi se procesom esterifikacije u kojem nativni škrob (često iz izvora poput kukuruza, krumpira ili tapioke) reagira s anhidridom oktenilsukcinske kiseline (OSA) u lužnatim uvjetima. Slijedi pojednostavljeni prikaz procesa:
- Priprema: Nativni škrob dispergira se u vodi kako bi se dobila suspenzija, čiji se pH zatim podešava na lužnatu vrijednost (obično upotrebom natrijeva hidroksida) radi olakšavanja reakcije.
- Dodavanje OSA-e: Anhidrid oktenilsukcinske kiseline polako se dodaje škrobnoj suspenziji, gdje reagira s hidroksilnim skupinama na molekulama škroba stvarajući esterske veze i vežući oktenilsukcinilne skupine na škrobne lance.
- Kontrola reakcije: Reakcija se obično kontrolira održavanjem optimalne temperature, pH-vrijednosti i uvjeta miješanja, što pomaže postići željeni stupanj supstitucije (DS) – razinu vezanja OSA na molekule škroba.
- Neutralizacija i ispiranje: Kada reakcija dosegne željeni DS, smjesa se neutralizira, obično kiselinom poput klorovodične kiseline, a modificirani škrob ispire se kako bi se uklonili neizreagirani OSA i drugi nusproizvodi.
- Sušenje: Modificirani OSA-škrob zatim se suši kako bi se dobio praškasti oblik, spreman za uporabu kao emulgator.
Istražuju se i nove metode, poput ultrazvučno potpomognute esterifikacije, radi poboljšanja učinkovitosti i skraćivanja vremena reakcije ovog procesa pospješivanjem difuzije OSA u škrobne granule.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.