Modificazione a ultrasuoni degli impasti di granuli di amido
L'amido è facilmente estraibile da fonti native, come la patata, il mais o il granturco. La modifica dell'amido è necessaria per migliorarne le proprietà fisiche e chimiche. I reattori a ultrasuoni Hielscher promuovono la modificazione fisica, chimica ed enzimatica dell'amido che porta a migliori proprietà funzionali per l'uso nelle industrie alimentari e non.
Per la maggior parte delle applicazioni commerciali, gli amidi devono essere modificati chimicamente o fisicamente per migliorarne gli attributi positivi o per ridurne i difetti. Gli ultrasuoni sono un mezzo molto efficace per la modifica fisica, chimica ed enzimatica degli amidi. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher trasferiscono onde ultrasoniche molto intense negli impasti di amido. La cavitazione ultrasonica che ne deriva favorisce:
- deagglomerazione e dispersione
- degrado e rottura meccanica
- penetrazione e rigonfiamento dei granuli
- Trasferimento di massa
- formazione di radicali
- reattività chimica
- riscaldamento
Modifica chimica dell'amido
La rottura cavitazionale ad ultrasuoni del granulo, associata a una maggiore facilità di ingresso dei liquidi nel granulo di amido, porta a miglioramenti nella cinetica di reazione per l'esterificazione, l'eterificazione, l'idrossipropilazione o l'ossidazione e la modifica acida dei polimeri di amido. I reattori a ultrasuoni Hielscher sono progettati per un processo continuo in linea. Le velocità di reazione più elevate comportano un aumento della capacità del bollitore di reazione.
Modifica alcalina dell'amido
Per la produzione di molti derivati commerciali dell'amido, i reagenti organici reattivi vengono aggiunti agli impasti acquosi di amido controllando l'alcalinità e la temperatura. L'esterificazione degli amidi viene generalmente eseguita a un pH compreso tra 7 e 9. Per l'esterificazione degli amidi si usa comunemente un pH compreso tra 11 e 12. Le temperature tipiche del processo sono di circa 60°C. Senza la sonicazione, il grado di sostituzione degli amidi commerciali è spesso inferiore a 0,2. L'ultrasuonoterapia favorisce la sostituzione, dando luogo a un amido più solubile in acqua fredda.
Modifica acida dell'amido
La reazione di un impasto di amido granulare con acido cloridrico o solforico diluito a 40-60°C porta alla formazione di amidi fluidi o di amidi diluiti. Questi amidi parzialmente depolimerizzati producono prodotti che generano una minore viscosità. Gli ottenilsuccinati di amido vengono parzialmente depolimerizzati per consentire l'utilizzo di un contenuto di solidi più elevato durante l'essiccazione a spruzzo dei prodotti incapsulati. Gli ultrasuoni durante l'idrolisi acida lieve possono dissociare gli aggregati di nanoparticelle che si formano durante l'idrolisi. Ciò aumenta la resa delle nanoparticelle di amido.
Molecola di amilopectina
Neutralizzazione dei fanghi
Dopo il processo, l'impasto di reazione viene neutralizzato, ad esempio aggiungendo acido cloridrico o solforico dopo il trattamento alcalino.
Lavaggio dell'amido
Il lavaggio in acqua, come il lavaggio in controcorrente in idrocicloni, segue la neutralizzazione degli impasti di amido modificato. In questa fase, gli ultrasuoni aiutano il lavaggio e il risciacquo delle singole particelle di amido. La cavitazione ultrasonica disperde gli agglomerati di granuli di amido e aumenta il trasferimento di massa nello strato limite tra i granuli di amido e la fase acquosa.
Filtrazione ed essiccazione dell'amido
I dispositivi a ultrasuoni Hielscher sono utilizzati nei processi di ultrafiltrazione o nanofiltrazione e nella successiva essiccazione a spruzzo.
Modifica fisica dell'amido (meccanica)
La modificazione fisica degli amidi non comporta l'uso di sostanze chimiche. Tuttavia, gli ultrasuoni provocano cambiamenti nella struttura molecolare dell'amido, seguiti da variazioni delle proprietà fisico-chimiche e della funzionalità. Le violente forze di taglio cavitazionali distorcono la regione cristallina dei granuli di amido. Le catene polimeriche vicine alle microbolle che collassano vengono catturate da un campo di taglio ad alto gradiente che porta alla rottura dei legami C-C macromolecolari e alla formazione di radicali a catena lunga. Le immagini al SEM dei granuli di amido sonicati mostrano danni meccanici, come fessure, depressioni e vaiolature. Ciò comporta una maggiore capacità di assorbimento dell'acqua, un maggiore potere di rigonfiamento e una maggiore solubilità. Questo effetto è migliore per ampiezze di sonicazione più elevate. Pertanto, la sonicazione con sonda è molto più efficace per la modifica dell'amido rispetto alla sonicazione a bagno. Il trattamento ad ultrasuoni intensivo mostra granuli più disgregati rispetto all'amido nativo o trattato termicamente.
Amidi esterificati con gli ultrasuoni
Gli amidi esterificati con OSA a ultrasuoni hanno dimostrato un grado di sostituzione (DS) e un'efficienza di reazione (RE) più elevati, insieme a cambiamenti morfologici minori ma vantaggiosi che possono ampliare la loro funzionalità nei sistemi alimentari. La sonicazione aumenta la velocità e l'efficienza della reazione senza alterare la struttura molecolare dell'amido, preservandone le proprietà desiderabili per le applicazioni alimentari.
Questi risultati suggeriscono che l'esterificazione assistita da ultrasuoni potrebbe rappresentare una tecnologia verde, offrendo un approccio efficiente dal punto di vista energetico e con un risparmio di tempo per la modifica dell'amido. Il potenziale di scalabilità dell'esterificazione assistita da ultrasuoni potrebbe rivoluzionare il processo di modifica degli amidi nella scienza alimentare, allineandosi agli obiettivi di produzione sostenibile e ampliando le applicazioni degli amidi esterificati nell'industria.
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Micrografie SEM per: (a) granuli di amido di frumento non sonicato, (b) sonicato per 20 minuti, (c) sonicato per 40 minuti, (d) sonicato per 60 minuti.
Studio e immagini: ©Majzoobi et al., 2015
L'ultrasuonizzazione può abbassare significativamente la temperatura di inizio gelatinizzazione. I gel di amido preparati da granuli di amido sonicati presentano una maggiore durezza e valori più elevati di adesività e coesività rispetto all'amido nativo. L'adesività, la coesività, l'elasticità e la gommosità aumentano significativamente con la modifica dell'amido mediante ultrasuoni.
L'ultrasuonoterapia utilizza un input energetico molto inferiore e condizioni di lavorazione più stressanti rispetto alle procedure convenzionali di modifica dell'amido. Hielscher ultrasonics fornisce reattori a ultrasuoni ad alta potenza per la lavorazione commerciale.
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Uso dell'amido
L'amido modificato è utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni alimentari e non. Gli ottenilsuccinati di amido sono un importante stabilizzatore delle emulsioni olio-in-acqua. Nella fabbricazione della carta, gli amidi cationici migliorano la resistenza all'umido e al secco, stabilizzano le emulsioni e agiscono come agenti di collatura superficiale. Molti sistemi di additivi wet-end incorporano microparticelle inorganiche (silice colloidale, bentonite) e polimeri sintetici con amido modificato. Altri usi includono dispersioni di lattice di amido o amido granulare come riempitivo per i polimeri.
Articoli scientifici sulla modificazione dell'amido assistita da ultrasuoni
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- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat e P.Sriamornsak (2012): Effetto del trattamento a ultrasuoni sulle proprietà fisiche dell'amido di 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): Effetto degli ultrasuoni sulle proprietà fisiche dell'amido di mais, 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): Proprietà di consistenza e di impasto dell'amido di mais trattato con ultrasuoni, in: Czech J. Food Sci., 28: 83-93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye e V. Heinz (2002): Miglioramento nutrizionale degli alimenti vegetali mediante trattamento non termico, in: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311-318. [PDF]
Domande frequenti
Quali sono le fonti di amido nativo?
L'amido proviene da varie fonti autoctone, come: mais, mais ceroso, mais ad alto contenuto di amilosio, tapioca, patata, frumento, riso, riso ceroso, pisello (pisello liscio, pisello rugoso), sago, avena, orzo, segale, amaranto, patata dolce, avena, cereali, cocchi di mucca, quinoa, lenticchie, fagioli di mare, sorgo, arrowroot o cassava.
Che cos'è l'amido modificato?
L'amido modificato è un amido che è stato alterato fisicamente, enzimaticamente o chimicamente per migliorare le sue prestazioni nelle applicazioni alimentari e industriali. Queste modifiche migliorano proprietà come la solubilità, la viscosità, la gelificazione e la stabilità in varie condizioni, come il calore o gli ambienti acidi. Comunemente derivati da fonti naturali come il mais, la patata e la tapioca, gli amidi modificati sono utilizzati come addensanti, stabilizzatori ed emulsionanti per migliorare la consistenza e la durata di conservazione di alimenti trasformati, prodotti farmaceutici e altri prodotti.
Qual è la differenza tra amido modificato e amido OSA?
L'amido modificato si riferisce all'amido che è stato alterato in vari modi, fisicamente, enzimaticamente o chimicamente, per migliorare le sue proprietà funzionali, come l'addensamento, la gelificazione o la stabilizzazione in diverse condizioni. Queste modifiche lo rendono adatto a diverse applicazioni in campo alimentare, farmaceutico e industriale.
L'amido OSA, o amido di anidride octenil succinica, è un tipo specifico di amido modificato chimicamente, creato mediante l'aggiunta di gruppi di anidride octenil succinica alla molecola di amido. Questa modifica conferisce proprietà emulsionanti uniche, rendendo l'amido OSA particolarmente efficace nella stabilizzazione delle emulsioni olio-in-acqua. Mentre l'amido modificato migliora generalmente le proprietà di base, come la viscosità o la stabilità, l'amido OSA è stato appositamente studiato per fornire capacità emulsionanti, rendendolo popolare in prodotti come condimenti per insalate, salse e bevande in cui sono essenziali emulsioni stabili. Per saperne di più sull'amido OSA esterificato ad ultrasuoni!