OSA-澱粉製造 – ソニケーションによるエステル化の改善

オクテニルコハク酸無水物（OSA）によるでんぷんのエステル化は、広く応用されている改質技術であり、特に食品産業においては、改善された特性を持つ機能性でんぷんを作り出すために重要である。しかしながら、アルカリ性条件下での従来のOSA澱粉改質は時間がかかり、プロセスの効率性と実現可能性が制限される可能性がある。超音波アシストエステル化は、OSAによるデンプンのエステル化を促進する効果的な代替アプローチである。超音波処理を施すことにより、従来のアルカリOSAエステル化と比較して、より高い置換度（DS）と反応効率（RE）が達成される。このことは、超音波処理によって、食品産業におけるエステル化デンプンの適用範囲が拡大することを意味する。科学的研究の結果は、超音波処理によるエステル化が効率的で環境に優しい澱粉改質の進歩であることを強調している。

オクテニルコハク酸無水デンプンの超音波エステル化

澱粉は食品産業において不可欠な多糖類であり、そのユニークな特性により、増粘剤、安定剤、乳化剤として広く使用されている。しかしながら、生来の澱粉には機能的な限界があるため、しばしばその性能を高めるための改良が必要となる。オクテニルコハク酸無水物（OSA）によるエステル化は、疎水性基を導入する化学修飾プロセスであり、澱粉の乳化・安定化能力を向上させる。その有効性にもかかわらず、アルカリ性条件下での従来のOSAエステル化には時間がかかる。超音波アシストエステル化は、OSAデンプンの置換度（DS）と反応効率（RE）を向上させ、時間と資源を改善できる可能性のあるグリーン・テクノロジーである。

超音波処理によるOSAデンプンのエステル化の改善。OSAエステル化アナトー種澱粉の微細構造に及ぼす超音波強度の影響。
研究および画像：©Keven Silva et al.

ケーススタディOSAポテトスターチの超音波エステル化

Martínezら（2024）による研究では、アンデス原産のジャガイモ澱粉を従来のアルカリOSAエステル化と超音波アシスト（US-OSA）エステル化の両方に供した。彼らは、超音波アシストエステル化の潜在的な利点を決定するために、得られた澱粉の顆粒形態、分子特性、熱特性、レオロジー挙動を分析した。

デンプン試料とエステル化手順

アンデス原産のジャガイモ澱粉を2つの方法でエステル化した：

• 従来のOSAエステル化（OSA） – オクテニルコハク酸無水物を用いてアルカリ性条件下で行った。
• 超音波アシストOSAエステル化(US-OSA) – ここでは、反応速度と効果を高めるために、エステル化中に超音波を印加した。

置換度（DS）と反応効率（RE）

超音波アシストによるエステル化プロセスは、従来の方法と比較して、置換度（DS）と反応効率（RE）が著しく高いデンプンを生成した。DSはデンプン分子上の疎水基置換の程度を反映し、その乳化特性に直接影響するため、この向上は極めて重要である。
超音波で改質されたOSAデンプンにおける高い反応効率は、超音波が分子の衝突を促進し、キャビテーション効果によりOSA分子のデンプン顆粒への浸透が促進され、物質移動が改善され、より効率的なエステル化が促進される可能性を示唆している。

形態学的特徴

顆粒形態を顕微鏡で観察したところ、OSA澱粉と超音波処理したOSA澱粉には顕著な違いが見られた。どちらの改質澱粉も顆粒の完全性を保持していたが、超音波改質OSA顆粒はいくつかの孔を伴う剥離表面を示し、これは超音波処理が表面構造に穏やかな影響を与えたことを示している。わずかではあるが、この構造変化は、顆粒の完全性を損なうことなく、エステル化するためのデンプン顆粒へのアクセスが改善されたことを示唆している。
さらに、超音波で改質したOSA澱粉は、より低いスパン値を示し、粒度分布が狭く、より均一な顆粒集団であることを示した。この均一性は、正確な食感と安定性が不可欠な特定の食品用途に役立つ可能性がある。

分子の特徴

IRスペクトロスコピーとXRD分析は、OSA澱粉と超音波処理したOSA澱粉の間の構造的差異を最小限に抑えた。どちらのタイプのデンプンも特徴的なデンプン構造を保持し、結晶化度パターンに検出可能な変化はなく、超音波アシスト処理がデンプンの本来の構造を大きく破壊しないことが確認された。
この分子安定性は、超音波アシストによるエステル化が、食品用途において望ましい食感特性を維持するために重要な、デンプンの基本的な分子骨格を変えることなく機能性を高めることを確実にするため、有利である。

熱特性

熱挙動、特にゲル化エンタルピーは、従来のOSA澱粉と超音波改質OSA澱粉とで異なっていた。超音波処理したOSAスターチは、従来のOSAスターチと比較して低いゲル化エンタルピーを示し、ゲル化に必要なエネルギーが減少したことが示唆された。この知見は、超音波処理によって水和とゲル化が容易になり、熱処理を伴う食品用途における改質デンプンの加工性が向上する可能性があることを示唆している。

レオロジー特性

超音波エステル化OSA澱粉は、従来のOSA澱粉に比べ、粘度プロファイルが同等かわずかに向上し、良好なレオロジー特性を示した。このような特性は、様々な加工条件下で安定したエマルションや安定した粘度を必要とする用途において、その性能を向上させることができる。

ケーススタディアナトー種子からの超音波エステル化OSAデンプン

Silvaら（2013）による研究では、コロイド系用の新規乳化剤の創出を目的として、アナトー種澱粉とオクテニルコハク酸無水物（OSA）のエステル化における超音波照射強度の効果を調べた。超音波の強度を変えながら（0、5、10、20W/cm²）、短時間（5分間）の処理を行った。主な知見として、超音波処理強度が高いほど置換度（DS）が増加し、20 W/cm²で最大置換度0.139±0.031に達した。また、超音波処理によってアミロース含量は、超音波処理を行わないサンプルと比較して1.24～1.36倍に増加した。
顆粒形態は、超音波処理の強度が高いほど、滑らかな表面と明確な楕円形の粒子を示し、顆粒の凝集が減少した。X線回折パターンには有意な質的差は認められず、超音波がデンプンの結晶構造を変化させないことが示された。改質デンプンはアナトー種子油中水型エマルションの安定化に有効であり、市販の改質デンプンと比較して、ザウター平均直径が大きく（14±2μm）、経時的な速度論的安定性が高かった。全体として、超音波アシストOSA修飾は、乳化剤としてのアナトー種子澱粉の機能特性を向上させるための迅速かつ効果的なアプローチであることが証明された。

OSA-澱粉エステル化用ソニケーター

Hielscher社の工業用ソニケーターは、でんぷん分子に疎水性のオクテニルコハク酸無水物（OSA）基を導入するプロセスであるでんぷんのOSAエステル化を促進するために使用される高性能超音波装置です。超音波キャビテーションにより、これらのソニケーターはでんぷん懸濁液中にマイクロジェットと強いせん断力を発生させ、でんぷん粒子中へのOSAの拡散と反応効率を向上させる。その結果、置換度（DS）が高くなり、反応効率が改善され、従来の方法と比較して大幅に短い時間で達成されることが多い。Hielscher社のソニケーターは工業規模のアプリケーションに最適で、強度、周波数、時間などのパラメーターを正確に制御してエステル化プロセスを最適化し、乳化・安定化特性を向上させた改質デンプン製品の安定した品質を保証します。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：