Modifica mediante ultrasuoni delle sospensioni di granuli di amido
L’amido è facilmente estraibile da fonti naturali, come patate, mais o granturco. La modifica dell’amido è necessaria per migliorarne le proprietà fisiche e chimiche. I reattori a ultrasuoni Hielscher favoriscono la modifica fisica, chimica ed enzimatica dell’amido, migliorandone le proprietà funzionali per l’impiego nei settori alimentari e non alimentari.
Per la maggior parte delle applicazioni commerciali, gli amidi devono essere modificati chimicamente o fisicamente per potenziarne le caratteristiche positive o ridurne i difetti. La sonicazione è un metodo altamente efficace per la modifica fisica, chimica ed enzimatica degli amidi. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher trasferiscono onde ultrasoniche di elevatissima intensità nelle sospensioni di amido. La cavitazione ultrasonica risultante favorisce:
- deagglomerazione e dispersione
- degradazione e disgregazione meccanica
- penetrazione nei granuli e rigonfiamento
- trasferimento di massa
- formazione di radicali
- reattività chimica
- riscaldamento
Modifica chimica dell’amido
La disgregazione dei granuli dovuta alla cavitazione ultrasonica, associata a una maggiore facilità di ingresso del liquido nei granuli di amido, migliora la cinetica di reazione dell’esterificazione, dell’eterificazione, dell’idrossipropilazione o dell’ossidazione e della modifica acida dei polimeri dell’amido. I reattori a ultrasuoni Hielscher sono progettati per il trattamento continuo in linea. Velocità di reazione più elevate aumentano la capacità produttiva del recipiente di reazione.
Modifica alcalina dell’amido
Per la produzione di molti derivati commerciali dell’amido, alle sospensioni acquose di amido vengono aggiunti reagenti organici reattivi, controllando al contempo l’alcalinità e la temperatura. L’esterificazione degli amidi viene generalmente eseguita a pH da 7 a 9. Per l’eterificazione degli amidi si utilizza comunemente un pH da 11 a 12. Le temperature di processo tipiche sono di circa 60°C. Senza sonicazione, il grado di sostituzione degli amidi commerciali è spesso inferiore a 0,2. La sonicazione favorisce la sostituzione, ottenendo un amido più solubile in acqua fredda.
Modifica acida dell’amido
La reazione di una sospensione di amido granulare con acido cloridrico o solforico diluito a temperature da 40 a 60°C produce amidi fluidi o amidi a viscosità ridotta. Questi amidi parzialmente depolimerizzati danno origine a prodotti che sviluppano una minore viscosità. Gli ottenilsuccinati di amido vengono parzialmente depolimerizzati per consentire l’impiego di un contenuto di solidi più elevato durante l’essiccazione a spruzzo dei prodotti incapsulati. La sonicazione durante un’idrolisi acida blanda può dissociare gli aggregati di nanoparticelle che si formano durante l’idrolisi. Ciò aumenta la resa delle nanoparticelle di amido.
Molecola di amilopectina
Neutralizzazione della sospensione
Dopo il processo, la sospensione di reazione viene neutralizzata, ad esempio aggiungendo acido cloridrico o solforico dopo il trattamento alcalino.
Lavaggio dell’amido
Alla neutralizzazione delle sospensioni di amido modificato segue il lavaggio con acqua, ad esempio mediante lavaggio in controcorrente negli idrocicloni. In questa fase, la sonicazione favorisce 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 vengono utilizzati nei processi di ultrafiltrazione o nanofiltrazione, nonché nella successiva essiccazione a spruzzo.
Modifica fisica dell’amido (meccanica)
La modifica fisica degli amidi non comporta l’uso di sostanze chimiche. Tuttavia, la sonicazione provoca cambiamenti nella struttura molecolare dell’amido, seguiti da variazioni delle proprietà fisico-chimiche e della funzionalità. Le intense forze di taglio generate dalla cavitazione deformano la regione cristallina dei granuli di amido. Le catene polimeriche vicine alle microbolle che collassano vengono coinvolte in un campo di taglio ad alto gradiente che provoca la rottura dei legami macromolecolari C-C e la formazione di radicali a catena lunga. Le immagini SEM dei granuli di amido sottoposti a sonicazione mostrano danni meccanici, come fessure, depressioni e cavità superficiali. Ne derivano una maggiore capacità di assorbimento dell’acqua, un maggiore potere di rigonfiamento e una maggiore solubilità. Questo effetto è più marcato con ampiezze di sonicazione più elevate. Pertanto, la sonicazione con sonda è molto più efficace per la modifica dell’amido rispetto alla sonicazione in bagno. Il trattamento intenso a ultrasuoni produce granuli maggiormente disgregati rispetto all’amido nativo o trattato termicamente.
Amidi esterificati con OSA mediante ultrasuoni
Gli amidi esterificati con OSA mediante ultrasuoni hanno mostrato un grado di sostituzione (DS) e un’efficienza di reazione (RE) più elevati, accompagnati da cambiamenti morfologici minori ma benefici che possono ampliarne la funzionalità nei sistemi alimentari. La sonicazione aumenta la velocità e l’efficienza di reazione senza alterare la struttura molecolare dell’amido, preservandone così le proprietà desiderabili per le applicazioni alimentari.
Questi risultati suggeriscono che l’esterificazione assistita da ultrasuoni potrebbe rappresentare una tecnologia ecologica, offrendo un approccio alla modifica dell’amido efficiente dal punto di vista energetico e in grado di ridurre i tempi di lavorazione. La possibilità di aumentare la scala dell’esterificazione assistita da sonicazione potrebbe rivoluzionare il processo di modifica degli amidi nella scienza degli alimenti, in linea con gli obiettivi di produzione sostenibile e ampliando le applicazioni industriali degli amidi esterificati.
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Micrografie SEM di granuli di amido di frumento: (a) non sottoposti a sonicazione, (b) sottoposti a sonicazione per 20min, (c) sottoposti a sonicazione per 40min., (d) sottoposti a sonicazione per 60min.
Studio e immagini: ©Majzoobi et al., 2015
La sonicazione può ridurre significativamente la temperatura di inizio della gelatinizzazione. I gel di amido preparati da granuli sottoposti a sonicazione 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.
La sonicazione richiede un apporto energetico molto inferiore e condizioni di trattamento meno gravose rispetto alle procedure convenzionali di modifica dell’amido. Hielscher Ultrasonics fornisce reattori a ultrasuoni ad alta potenza per il trattamento su scala commerciale.
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Impiego dell’amido
L’amido modificato viene utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni alimentari e non alimentari. Gli ottenilsuccinati di amido sono importanti stabilizzanti delle emulsioni olio in acqua. Nella produzione della carta, gli amidi cationici migliorano la resistenza a umido e a secco, stabilizzano le emulsioni e agiscono come agenti di collatura superficiale. Molti sistemi di additivi per la parte umida della macchina continua incorporano microparticelle inorganiche (silice colloidale, bentonite) e polimeri sintetici insieme all’amido modificato. Altri impieghi comprendono le dispersioni di lattice di amido o l’amido granulare come carica per i polimeri.
Articoli scientifici sulla modifica dell’amido assistita da ultrasuoni
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- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat and P.Sriamornsak (2012): Effect of Ultrasonic Treatment on Physical Properties of Tapioca Starch, 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 diverse fonti naturali, quali: 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, vaccaria, quinoa, lenticchia, fagiolo bianco, sorgo, arrowroot o manioca.
Che cos’è l’amido modificato?
L’amido modificato è un amido che è stato alterato fisicamente, enzimaticamente o chimicamente per migliorarne le prestazioni nelle applicazioni alimentari e industriali. Queste modifiche migliorano proprietà quali solubilità, viscosità, gelificazione e stabilità in varie condizioni, come in presenza di calore o in ambienti acidi. Comunemente ottenuti da fonti naturali come mais, patate e tapioca, gli amidi modificati vengono utilizzati come addensanti, stabilizzanti 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?
Per amido modificato si intende un amido che è stato alterato in vari modi – fisicamente, enzimaticamente o chimicamente – per migliorarne le proprietà funzionali, come l’addensamento, la gelificazione o la stabilizzazione in diverse condizioni. Queste modifiche lo rendono adatto a svariate applicazioni negli alimenti, nei prodotti farmaceutici e nei prodotti industriali.
L’amido OSA, o amido modificato con anidride ottenilsuccinica, è un tipo specifico di amido modificato chimicamente, ottenuto legando gruppi di anidride ottenilsuccinica alla molecola di amido. Questa modifica conferisce proprietà emulsionanti peculiari, rendendo l’amido OSA particolarmente efficace nella stabilizzazione delle emulsioni olio in acqua. Mentre l’amido modificato migliora generalmente proprietà di base come la viscosità o la stabilità, l’amido OSA è appositamente concepito per conferire capacità emulsionanti, che lo rendono molto utilizzato in prodotti come condimenti per insalate, salse e bevande, nei quali sono essenziali emulsioni stabili. Scopri di più sull’amido OSA esterificato mediante ultrasuoni!