OSA-Proizvodnja škroba – Poboljšana esterifikacija sonikacijom
Esterifikacija škrobova oktenil jantarnim anhidridom (OSA) široko je primjenjiva modifikacijska tehnika, posebno relevantna u prehrambenoj industriji za stvaranje funkcionalnih škrobova s poboljšanim svojstvima. Međutim, tradicionalna OSA modifikacija škroba u alkalnim uvjetima je dugotrajna i može ograničiti učinkovitost i izvedivost procesa. Ultrazvučno potpomognuta esterifikacija je učinkovit alternativni pristup za ubrzavanje esterifikacije škrobova s OSA. Primjenom sonikacije postiže se viši stupanj supstitucije (DS) i učinkovitosti reakcije (RE) u usporedbi s konvencionalnom alkalnom OSA esterifikacijom. To znači da ultrazvuk omogućuje širenje i primjenjivost esterificiranih škrobova u prehrambenoj industriji. Rezultati znanstvenih studija naglašavaju esterifikaciju potpomognutu sonikacijom kao učinkovit, ekološki prihvatljiv napredak u modificiranju škroba.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za visokoučinkovitu obradu škrobova.
Ultrazvučna esterifikacija škroba oktenil jantarnog anhidrida
Škrobovi su esencijalni polisaharidi u prehrambenoj industriji, naširoko se koriste kao zgušnjivači, stabilizatori i emulgatori zbog svojih jedinstvenih svojstava. Međutim, funkcionalna ograničenja nativnih škrobova često zahtijevaju modifikacije kako bi se poboljšala njihova učinkovitost. Esterifikacija oktenil jantarnim anhidridom (OSA) je proces kemijske modifikacije koji uvodi hidrofobne skupine, povećavajući sposobnost emulgiranja i stabilizacije škroba. Unatoč svojoj učinkovitosti, konvencionalna OSA esterifikacija u alkalnim uvjetima je dugotrajan proces. Ultrazvučno potpomognuta esterifikacija zelena je tehnologija koja potencijalno može povećati stupanj supstitucije (DS) i učinkovitost reakcije (RE) OSA škrobova, poboljšavajući vrijeme i resurse.
Sonikacija poboljšava esterifikaciju OSA škroba. Učinak intenziteta ultrazvuka na mikrostrukturu OSA-esterificiranog škroba sjemena annata.
Studija i slike: ©Keven Silva et al. 2022
Studija slučaja: Ultrazvučna esterifikacija OSA krumpirovog škroba
U studiji Martíneza i sur. (2024.), Andski nativni škrobovi krumpira bili su podvrgnuti i konvencionalnoj alkalnoj OSA esterifikacije i ultrazvučnoj (US-OSA) esterifikacije. Analizirali su morfologiju granula, molekularne karakteristike, toplinska svojstva i reološka ponašanja dobivenih škrobova kako bi odredili potencijalne prednosti esterifikacije potpomognute ultrazvukom.
Uzorci škroba i postupak esterifikacije
Škrobovi autohtonog andskog krumpira esterificirani su pomoću dvije metode:
- Konvencionalna OSA esterifikacija (OSA) – provedeno u alkalnim uvjetima s oktenil jantarnim anhidridom.
- Ultrazvučno potpomognuta OSA esterifikacija (US-OSA) – gdje su ultrazvučni valovi primijenjeni tijekom esterifikacije kako bi se povećala brzina reakcije i učinkovitost.
Stupanj supstitucije (DS) i učinkovitost reakcije (RE)
Ultrazvučno potpomognuti proces esterifikacije proizveo je škrobove sa značajno višim stupnjem supstitucije (DS) i učinkovitosti reakcije (RE) u usporedbi s konvencionalnim metodama. Ovo poboljšanje je ključno jer DS odražava stupanj supstitucije hidrofobne skupine na molekuli škroba, izravno utječući na njegova svojstva emulgiranja.
Visoka učinkovitost reakcije u ultrazvučno modificiranim OSA škrobovima sugerira da ultrazvučni valovi pojačavaju molekularne sudare i prodiranje OSA molekula u škrobne granule, potencijalno zbog učinaka kavitacije, koji poboljšavaju prijenos mase i potiču učinkovitiju esterifikaciju.
Morfološke karakteristike
Mikroskopski pregled morfologije granula otkrio je značajne razlike između OSA i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Dok su oba modificirana škroba zadržala cjelovitost granula, ultrazvučno modificirane OSA granule pokazale su oljuštene površine s nekim porama, što ukazuje da je ultrazvučni tretman imao blagi utjecaj na strukturu površine. Ova strukturna modifikacija, iako neznatna, ukazuje na poboljšanu dostupnost škrobnih granula za esterificiranje bez ugrožavanja integriteta granula.
Dodatno, ultrazvučno modificirani OSA škrobovi pokazali su niže vrijednosti raspona, što ukazuje na užu distribuciju veličine i ujednačeniju populaciju granula. Ova konzistencija mogla bi biti od koristi za posebne primjene u hrani gdje su precizna tekstura i stabilnost bitni.
Molekularne značajke
IR spektroskopija i XRD analiza pokazale su minimalne strukturne razlike između OSA i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Obje vrste škroba zadržale su karakterističnu strukturu škroba, bez vidljivih promjena u uzorcima kristalnosti, što potvrđuje da tretman potpomognut ultrazvukom nije značajno poremetio nativnu strukturu škroba.
Ova molekularna stabilnost je korisna jer osigurava da esterifikacija potpomognuta ultrazvukom poboljšava funkcionalnost bez mijenjanja temeljnog molekularnog okvira škroba, što je ključno za održavanje poželjnih svojstava teksture u primjeni u hrani.
Toplinska svojstva
Toplinsko ponašanje, posebno entalpija želatinizacije, razlikovalo se između konvencionalnih OSA i ultrazvučno modificiranih OSA škrobova. Ultrazvučno modificirani OSA škrobovi pokazali su nižu entalpiju želatinizacije u usporedbi s konvencionalnim OSA škrobovima, što ukazuje na smanjenu energetsku potrebu za želatinizaciju. Ovo otkriće implicira da tretman ultrazvukom može olakšati lakšu hidrataciju i želatinizaciju, potencijalno povećavajući sposobnost obrade modificiranog škroba u prehrambenim aplikacijama koje uključuju termičku obradu.
Sonikacija poboljšava OSA-esterifikaciju škrobova, Sonikacija povećava brzinu reakcije i učinkovitost bez mijenjanja molekularne strukture škroba, čime se čuvaju njegova poželjna svojstva za primjenu u hrani.
Reološka svojstva
Ultrazvučno esterificirani OSA škrobovi pokazali su povoljna reološka svojstva, s profilima viskoznosti sličnim ili malo poboljšanim u usporedbi s konvencionalnim OSA škrobovima. Takva svojstva mogu poboljšati njihovu izvedbu u primjenama koje zahtijevaju stabilne emulzije ili postojanu viskoznost pod različitim uvjetima obrade.
Studija slučaja: ultrazvučno esterificirani OSA-škrob iz sjemenki annatto
Studija Silve i sur. (2013.) istraživali su učinak intenziteta ultrazvuka na esterificiranje škroba sjemena annata s oktenil jantarnim anhidridom (OSA), s ciljem stvaranja novog emulgatora za koloidne sustave. Ultrazvuk je primijenjen različitim intenzitetima (0, 5, 10 i 20 W/cm²) tijekom kratkog vremena obrade (5 minuta). Ključni nalazi uključivali su povećanje stupnja supstitucije (DS) s većim intenzitetom sonikacije, dostizanjem maksimalnog stupnja supstitucije od 0,139 ± 0,031 pri 20 W/cm². Tretman ultrazvukom također je povećao sadržaj amiloze za 1,24-1,36 puta u usporedbi s uzorcima bez sonikacije.
Morfologija granula otkrila je glatke površine i dobro definirane eliptične čestice pri višim intenzitetima sonikacije, što je smanjilo agregaciju granula. Difrakcijski uzorci rendgenskih zraka nisu pokazali značajne kvalitativne razlike, što ukazuje da ultrazvuk nije promijenio kristalnu strukturu škroba. Modificirani škrobovi bili su učinkoviti u stabilizaciji emulzija ulja u vodi sjemenki annatta, postižući veće Sauterove srednje vrijednosti promjera (14 ± 2 μm), ali pokazujući veću kinetičku stabilnost tijekom vremena u usporedbi s komercijalno modificiranim škrobovima. Sveukupno, modifikacija OSA potpomognuta ultrazvukom pokazala se brzim i učinkovitim pristupom za poboljšanje funkcionalnih svojstava škroba sjemenki annata kao emulgatora.
Sonikatori za OSA-esterificiranje škroba
Industrijski sonikatori Hielscher su ultrazvučni uređaji visokih performansi koji se koriste za poboljšanje OSA-esterifikacije škrobova, procesa koji uvodi hidrofobne oktenil sukcinske anhidridne (OSA) skupine u molekule škroba. Kroz ultrazvučnu kavitaciju, ovi sonikatori stvaraju mikromlaznice i intenzivne posmične sile u škrobnoj suspenziji, poboljšavajući difuziju i učinkovitost reakcije OSA u škrobne granule. To rezultira višim stupnjem supstitucije (DS) i poboljšanom reakcijskom učinkovitosti, koja se često postiže u znatno kraćim vremenima u usporedbi s konvencionalnim metodama. Hielscher sonikatori idealni su za industrijske primjene, nudeći preciznu kontrolu nad parametrima kao što su intenzitet, učestalost i trajanje za optimizaciju procesa esterifikacije, osiguravajući dosljednu kvalitetu u modificiranim škrobnim proizvodima za poboljšana svojstva emulgiranja i stabilizacije.
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- podesiva, precizna kontrola procesa
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. programabilne, podatkovni protokol, daljinsko upravljanje)
- jednostavan i siguran za rukovanje
- slabo održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj
Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1,5 ml | na | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/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 |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
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 oktenil jantarnim anhidridom (OSA), koji veže hidrofobne oktenil sukcinilne skupine na molekulu škroba. Ova modifikacija daje škrobu amfifilna svojstva, povećavajući njegovu sposobnost da djeluje kao emulgator i stabilizira emulzije ulje u vodi. OSA-škrob naširoko se koristi u prehrambenoj industriji budući da kombinira svojstva škroba za zgušnjavanje s poboljšanom funkcionalnošću emulgiranja, što ga čini prikladnim za primjene koje zahtijevaju stabilne koloidne sustave.
Kako se proizvodi OSA-Starch?
OSA-škrob se proizvodi kroz proces esterifikacije u kojem nativni škrob (često iz izvora poput kukuruza, krumpira ili tapioke) reagira s oktenil sukcinskim anhidridom (OSA) u alkalnim uvjetima. Evo pojednostavljenog prikaza procesa:
- priprema: Nativni škrob se dispergira u vodi kako bi se stvorila suspenzija, koja se zatim podešava na alkalni pH (obično pomoću natrijevog hidroksida) kako bi se olakšala reakcija.
- Dodavanje OSA: Oktenil sukcinski anhidrid polako se dodaje u suspenziju škroba, gdje reagira s hidroksilnim skupinama na molekulama škroba kako bi stvorio esterske veze, pričvršćujući oktenil sukcinilne skupine na škrobne lance.
- Kontrola reakcije: Reakcija se obično kontrolira održavanjem optimalne temperature, pH i uvjeta miješanja, što pomaže u postizanju željenog stupnja supstitucije (DS) – razine vezanja OSA na molekule škroba.
- Neutralizacija i pranje: Jednom kada reakcija postigne željeni DS, smjesa se neutralizira, obično s kiselinom poput klorovodične kiseline, a modificirani škrob se ispere kako bi se uklonio neizreagirani OSA i drugi nusprodukti.
- Sušenje: Modificirani OSA-škrob se zatim suši kako bi se dobio praškasti oblik, spreman za upotrebu kao emulgator.
Nove metode, kao što je esterifikacija potpomognuta ultrazvukom, također se istražuju kako bi se poboljšala učinkovitost i smanjilo vrijeme reakcije ovog procesa povećanjem difuzije OSA u granule škroba.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.