Ultrazvučna modifikacija suspenzija škrobnih granula
Škrob se lako može ekstrahirati iz prirodnih izvora, poput krumpira, kukuruza ili kukuruza. Modifikacija škroba potrebna je za poboljšanje fizikalnih i kemijskih svojstava. Ultrazvučni reaktori Hielscher potiču fizikalnu, kemijsku i enzimsku modifikaciju škroba, čime se poboljšavaju njegova funkcionalna svojstva za primjenu u prehrambenoj i neprehrambenoj industriji.
Za većinu komercijalnih primjena škrobovi se moraju kemijski ili fizikalno modificirati kako bi se poboljšala njihova pozitivna svojstva ili smanjili njihovi nedostaci. Ultrazvučna obrada vrlo je učinkovita metoda za fizikalnu, kemijsku i enzimsku modifikaciju škrobova. Ultrazvučni uređaji Hielscher prenose ultrazvučne valove vrlo visokog intenziteta u škrobne suspenzije. Nastala ultrazvučna kavitacija potiče:
- deaglomeraciju i dispergiranje
- mehaničku razgradnju i razaranje
- prodiranje u granule i njihovo bubrenje
- prijenos mase
- nastajanje radikala
- kemijsku reaktivnost
- zagrijavanje
Kemijska modifikacija škroba
Razaranje granula ultrazvučnom kavitacijom, povezano s olakšanim prodiranjem tekućine u škrobne granule, poboljšava kinetiku reakcija esterifikacije, eterifikacije, hidroksipropilacije ili oksidacije te kiselinske modifikacije škrobnih polimera. Ultrazvučni reaktori Hielscher namijenjeni su kontinuiranoj protočnoj obradi. Veće brzine reakcije dovode do povećanja kapaciteta reakcijske posude.
Alkalna modifikacija škroba
Za proizvodnju mnogih komercijalnih derivata škroba u vodene škrobne suspenzije dodaju se reaktivni organski reagensi uz kontrolu alkalnosti i temperature. Esterifikacija škrobova općenito se provodi pri pH od 7 do 9. Za eterifikaciju škrobova obično se primjenjuje pH od 11 do 12. Uobičajene procesne temperature iznose približno 60°C. Bez sonikacije stupanj supstitucije komercijalnih škrobova često je manji od 0,2. Ultrazvučna obrada pospješuje supstituciju, čime se dobiva škrob bolje topljiv u hladnoj vodi.
Kiselinska modifikacija škroba
Reakcija suspenzije škrobnih granula s razrijeđenom klorovodičnom ili sumpornom kiselinom pri temperaturi od 40 do 60°C dovodi do nastanka škrobova povećane fluidnosti ili škrobova smanjene viskoznosti. Od tih djelomično depolimeriziranih škrobova dobivaju se proizvodi koji razvijaju manju viskoznost. Škrobni oktenilsukcinati djelomično se depolimeriziraju kako bi se omogućila primjena većeg udjela suhe tvari pri sušenju inkapsuliranih proizvoda raspršivanjem. Ultrazvučna obrada tijekom blage kiselinske hidrolize može razdvojiti agregate nanočestica koji nastaju tijekom hidrolize. Time se povećava prinos škrobnih nanočestica.
Molekula amilopektina
Neutralizacija suspenzije
Nakon postupka reakcijska suspenzija neutralizira se, primjerice dodavanjem klorovodične ili sumporne kiseline nakon alkalne obrade.
Pranje škroba
Nakon neutralizacije modificiranih škrobnih suspenzija slijedi pranje vodom, primjerice protustrujno pranje u hidrociklonima. U toj fazi ultrazvučna obrada pospješuje pranje i ispiranje pojedinačnih čestica škroba. Ultrazvučna kavitacija dispergira aglomerate škrobnih granula i povećava prijenos mase u graničnom sloju između škrobnih granula i vodene faze.
Filtracija i sušenje škroba
Ultrazvučni uređaji Hielscher upotrebljavaju se u postupcima ultrafiltracije ili nanofiltracije te u naknadnom sušenju raspršivanjem.
Fizikalna modifikacija škroba (mehanička)
Fizikalna modifikacija škrobova ne uključuje uporabu kemikalija. Ipak, ultrazvučna obrada uzrokuje promjene u molekularnoj strukturi škroba, nakon kojih slijede promjene fizikalno-kemijskih svojstava i funkcionalnosti. Snažne kavitacijske smične sile deformiraju kristalno područje u škrobnim granulama. Polimerni lanci u blizini kolabirajućih mikromjehurića zahvaćeni su smičnim poljem visokog gradijenta, što dovodi do kidanja makromolekularnih C-C veza i stvaranja dugolančanih radikala. SEM snimke soniciranih škrobnih granula pokazuju mehanička oštećenja, poput pukotina, udubljenja i jamica. To rezultira većim kapacitetom apsorpcije vode, većom sposobnošću bubrenja i povećanom topljivošću. Taj je učinak bolji pri višim amplitudama sonikacije. Stoga je sonikacija sondom mnogo učinkovitija za modifikaciju škroba od sonikacije u ultrazvučnoj kupelji. Intenzivna ultrazvučna obrada dovodi do izraženijeg razaranja granula u usporedbi s nativnim ili toplinski obrađenim škrobom.
Škrobovi esterificirani s OSA uz pomoć ultrazvuka
Škrobovi esterificirani s OSA uz pomoć ultrazvuka pokazali su viši stupanj supstitucije (DS) i veću učinkovitost reakcije (RE), uz manje, ali korisne morfološke promjene koje mogu proširiti njihovu funkcionalnost u prehrambenim sustavima. Sonikacija povećava brzinu i učinkovitost reakcije bez promjene molekularne strukture škroba, čime se očuvaju njegova poželjna svojstva za primjenu u hrani.
Ovi rezultati upućuju na to da bi esterifikacija potpomognuta ultrazvukom mogla predstavljati zelenu tehnologiju koja nudi energetski učinkovit pristup modifikaciji škroba uz uštedu vremena. Mogućnost povećanja mjerila esterifikacije potpomognute sonikacijom mogla bi revolucionirati postupak modifikacije škrobova u znanosti o hrani, uskladiti ga s ciljevima održive proizvodnje i proširiti primjenu esterificiranih škrobova u industriji.
Pročitajte više o OSA-škrobu esterificiranom uz pomoć ultrazvuka!
SEM mikrografije granula pšeničnog škroba: (a) nesoniciranih, (b) soniciranih 20min, (c) soniciranih 40min., (d) soniciranih 60min.
Istraživanje i slike: ©Majzoobi et al., 2015
Ultrazvučna obrada može znatno sniziti temperaturu početka želatinizacije. Škrobni gelovi pripremljeni od soniciranih škrobnih granula pokazuju veću tvrdoću i više vrijednosti adhezivnosti i kohezivnosti u usporedbi s nativnim škrobom. Adhezivnost, kohezivnost, elastičnost i gumoznost znatno se povećavaju ultrazvučnom modifikacijom škroba.
Ultrazvučna obrada zahtijeva mnogo manji unos energije i mnogo manje opterećujuće uvjete obrade od konvencionalnih postupaka modifikacije škroba. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne reaktore velike snage za komercijalnu obradu.
Zatražite više informacija!
Ako ste znanstvenik koji istražuje modifikaciju škroba, procesni inženjer koji nastoji poboljšati postojeće procese obrade škroba, razvojni inženjer koji formulira bolje ili nove proizvode ili ako vas modifikacija škroba zanima iz bilo kojeg drugog razloga: kontaktirajte nas! Rado ćemo s vama razgovarati o potencijalu i prednostima ultrazvučne obrade za modifikaciju i primjenu škroba. Ispunite obrazac u nastavku!
Primjena škroba
Modificirani škrob upotrebljava se u širokom rasponu prehrambenih i neprehrambenih primjena. Škrobni oktenilsukcinati važan su stabilizator emulzija ulja u vodi. U proizvodnji papira kationski škrobovi poboljšavaju čvrstoću u mokrom i suhom stanju, stabiliziraju emulzije i djeluju kao sredstva za površinsko keljenje. Mnogi sustavi dodataka za mokri dio proizvodnje papira uključuju anorganske mikročestice (koloidni silicijev dioksid, bentonit) i sintetske polimere s modificiranim škrobom. Ostale primjene uključuju disperzije škrobnog lateksa ili granulirani škrob kao punilo za polimere.
Znanstveni članci o modifikaciji škroba potpomognutoj ultrazvukom
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat i P.Sriamornsak (2012): Učinak ultrazvučne obrade na fizikalna svojstva škroba tapioke, u: Advanced Materials Research, sv. 506 (2012), str. 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): Utjecaj ultrazvuka na fizikalna svojstva kukuruznog škroba, u: 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): Tekstura i svojstva stvaranja paste ultrazvučno obrađenog kukuruznog škroba, u: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye i V. Heinz (2002): Poboljšanje nutritivne vrijednosti namirnica biljnog podrijetla netoplinskom obradom, u: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Često postavljana pitanja
Koji su prirodni izvori škroba?
Škrob potječe iz različitih prirodnih izvora, kao što su: kukuruz, voštani kukuruz, kukuruz s visokim udjelom amiloze, tapioka, krumpir, pšenica, riža, voštana riža, grašak (grašak glatkog sjemena, grašak naboranog sjemena) sago, zob, ječam, raž, amarant, batat, zob, žitarice, kravlja sapunika, kvinoja, leća, sitni bijeli grah, sirak, maranta ili manioka.
Što je modificirani škrob?
Modificirani škrob je škrob koji je fizikalno, enzimski ili kemijski izmijenjen kako bi se poboljšala njegova učinkovitost u prehrambenim i industrijskim primjenama. Tim se modifikacijama poboljšavaju svojstva poput topljivosti, viskoznosti, geliranja i stabilnosti u različitim uvjetima, primjerice pri visokim temperaturama ili u kiselim sredinama. Modificirani škrobovi, koji se obično dobivaju iz prirodnih izvora poput kukuruza, krumpira i tapioke, upotrebljavaju se kao zgušnjivači, stabilizatori i emulgatori za poboljšanje teksture i produljenje roka trajanja prerađene hrane, farmaceutskih i drugih proizvoda.
Koja je razlika između modificiranog škroba i OSA škroba?
Modificirani škrob odnosi se na škrob koji je izmijenjen na različite načine – fizikalno, enzimski ili kemijski – kako bi se poboljšala njegova funkcionalna svojstva, poput zgušnjavanja, geliranja ili stabiliziranja u različitim uvjetima. Te ga modifikacije čine prikladnim za raznovrsne primjene u hrani, farmaceutskim i industrijskim proizvodima.
OSA škrob, odnosno škrob modificiran anhidridom okteniljantarne kiseline, posebna je vrsta kemijski modificiranog škroba koja nastaje vezanjem skupina anhidrida okteniljantarne kiseline na molekulu škroba. Ta modifikacija daje mu jedinstvena emulgirajuća svojstva, zbog čega je OSA škrob osobito učinkovit u stabilizaciji emulzija ulja u vodi. Dok modificirani škrob općenito poboljšava osnovna svojstva poput viskoznosti ili stabilnosti, OSA škrob posebno je prilagođen za emulgiranje, zbog čega je popularan u proizvodima poput preljeva za salatu, umaka i napitaka u kojima su stabilne emulzije ključne. Pročitajte više o ultrazvučno esterificiranom OSA škrobu!