Modifica ad ultrasuoni dei fanghi di amido in granuli di amido

L'amido è facilmente estraibile da fonti autoctone, come patate, mais o mais. La modifica dell'amido è necessaria per migliorare le proprietà fisiche e chimiche. I reattori ad ultrasuoni Hielscher promuovono la modificazione fisica, chimica ed enzimatica dell'amido che porta a migliori proprietà funzionali per l'uso nell'industria alimentare e non alimentare.

Per la maggior parte delle applicazioni commerciali gli amidi devono essere modificati chimicamente o fisicamente per migliorare le loro caratteristiche positive o per ridurre al minimo i loro difetti. L'ultrasonicazione è un mezzo altamente efficace per la modificazione fisica, chimica ed enzimatica degli amidi. I dispositivi ad ultrasuoni Hielscher trasferiscono onde ultrasoniche molto intense nei fanghi di amido. La cavitazione ultrasonica risultante promuove:

  • deagglomerazione e dispersione
  • il degrado meccanico e le interruzioni
  • penetrazione e rigonfiamento dei granuli
  • Trasferimento di massa
  • formazione radicale
  • reattività chimica
  • termico
Gli ultrasuoni sono una tecnica affidabile per preparare emulsioni alimentari di piccole dimensioni (Clicca per ingrandire!).

UIP1000hdT per sonicazione dei liquami

Modifica chimica dell'amido

La rottura ultrasonica cavitazionale del granulo associata ad una maggiore facilità di ingresso di liquidi nel granulo di amido porta a miglioramenti nella cinetica di reazione per esterificazione, eterificazione, idrossipropilatazione o ossidazione e modificazione acida dei polimeri di amido. I reattori ad ultrasuoni Hielscher sono progettati per un processo continuo in linea. Velocità di reazione più elevate portano ad una maggiore capacità di reazione del bollitore.

Modifica dell'amido alcalino

Per la produzione di molti derivati commerciali dell'amido, ai fanghi acquosi di amido vengono aggiunti reagenti organici reattivi, controllando l'alcalinità e la temperatura. L'esterificazione degli amidi si effettua generalmente a pH da 7 a 9. Un pH da 11 a 12 è comunemente usato per l'eterificazione degli amidi. 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. L'ultrasonicazione favorisce la sostituzione, dando luogo ad un amido più freddo-solubile in acqua.

Modifica acido dell'amido

La reazione di un impasto granulare di amido con acido cloridrico o solforico diluito a 40-60°C porta ad amidi fluidi o amidi diluiti. Questi amidi parzialmente depolimerizzati producono prodotti che generano meno viscosità. Gli ottenilsuccinati di amido sono parzialmente depolimerizzati per consentire l'utilizzo di un maggior contenuto di solidi durante l'essiccazione a spruzzo dei prodotti incapsulati. L'ultrasonicazione durante l'idrolisi acida leggera può dissociare gli aggregati di nanoparticelle che si formano durante l'idrolisi. Questo aumenta il rendimento delle nanoparticelle di amido.

L'amilopectina è un polisaccaride solubile e un polimero di glucosio altamente ramificato che si trova nelle piante. È uno dei due componenti dell'amido, l'altro è l'amilosio.

Amilopectina Molecola

Neutralizzazione dei liquami

Dopo il processo, la boiacca di reazione viene neutralizzata, ad esempio aggiungendo acido cloridrico o acido solforico dopo il trattamento alcalino.

Lavaggio dell'amido

Il lavaggio ad acqua, come il lavaggio in controcorrente in idrocicloni, segue la neutralizzazione dei residui di amido modificato. In questa fase, l'ultrasuoni aiuta 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 allo strato limite tra i granuli di amido e la fase acquosa.

Filtrazione e asciugatura dell'amido

Gli apparecchi ad ultrasuoni Hielscher sono utilizzati per i processi di ultrafiltrazione o nano-filtrazione, nonché per la successiva essiccazione a spruzzo.

Modifica fisica dell'amido (meccanica)

La modifica fisica degli amidi e delle fecole non comporta l'uso di sostanze chimiche. Tuttavia, l'ultrasonicazione provoca cambiamenti nella struttura molecolare dell'amido seguiti da variazioni delle proprietà fisico-chimiche e della funzionalità. Le violente forze di taglio cavitazionale distorcono la regione cristallina dei granuli di amido. Le catene polimeriche in prossimità delle microbolle in collasso vengono catturate in un campo di taglio ad alta pendenza che porta alla rottura dei legami macromolecolari C-C e alla formazione di radicali a catena lunga. Le immagini SEM dei granuli di amido sonicato mostrano danni meccanici, come fessure, depressioni e vaiolatura. Ciò si traduce in una maggiore capacità di assorbimento d'acqua, un maggiore potere di rigonfiamento e una maggiore solubilità. Questo effetto è migliore per ampiezze di sonicazione più elevate. Di conseguenza, la sonicazione della sonda è molto più efficace per la modifica dell'amido rispetto alla sonicazione a bagno. L'intenso trattamento ad ultrasuoni mostra un maggior numero di granuli di granuli perturbati rispetto all'amido nativo o trattato termicamente.

Micrografie SEM per: (a) non risonicato, (b) 20 min. sonicato, (c) 40 min. sonicato, (d) 60 min. sonicato granuli di amido di frumento (grano).

Micrografie SEM per: (a) non risonicato, (b) 20min sonicato, (c) 40min. sonicato, (d) 60min sonicato granuli di amido di frumento, in: Cambiamenti nelle proprietà fisico-chimiche dell'amido di frumento come influenzato dagli ultrasuoni di potenza, Mahsa Majzoobi, Sara Hedayati

L'ultrasonicazione può abbassare significativamente l'inizio della temperatura di gelatinizzazione. I gel di amido preparati con granuli di amido sonicato presentano una maggiore durezza e valori più elevati di adesività e coesione rispetto all'amido nativo. Adesività, coesività, elasticità e gommosità aumentano significativamente con la modificazione ultrasonica dell'amido.

L'ultrasonicazione utilizza molta meno energia in ingresso e condizioni di lavorazione stressanti rispetto alle procedure convenzionali di modificazione dell'amido. Hielscher ultrasuoni fornisce reattori ad ultrasuoni ad alta potenza per elaborazioni commerciali.

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Uso dell'amido

L'amido modificato è utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni alimentari e non alimentari. Gli ottenilsuccinati di amido sono un importante stabilizzatore di 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 per il dimensionamento delle superfici. 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 carica per polimeri.

Articoli scientifici sulla modifica ad ultrasuoni assistita dell'amido

    • S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat e P.Sriamornsak (2012): Effetto del trattamento ad ultrasuoni sulle proprietà fisiche dell'amido di Tapioca, in: Ricerca avanzata sui materiali 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 ultrasuoni sulle proprietà fisiche dell'amido di mais, in: Carboidrati Polimeri 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): Texture e proprietà di incollaggio di amido di mais trattato ad ultrasuoni, in: Ceco J. Food Sci., 28: 83-93. [PDF]
    • D. Knorr, B. I. I. O. Ade-Omowaye e V. Heinz (2002): Miglioramento nutrizionale degli alimenti vegetali mediante trasformazione non termica, in: Atti della Società di Nutrizione (2002), 61, 311-318. [PDF]

Fonti di amido nativo

L'amido proviene da varie fonti autoctone, quali: mais, mais ceroso, mais ad alto contenuto di amilosio, tapioca, patata, frumento, riso, riso ceroso, piselli (piselli lisci, piselli rugosi), sago, avena, orzo, segale, amaranto, patata dolce, avena, cereali, cocillo di mucca, quinoa, lenticchie, fagioli marini, sorgo, radice di freccia o manioca.