デンプン粒スラリーの超音波改質
デンプンは、ジャガイモ、トウモロコシ、またはコーンなどの天然原料から容易に抽出できます。物理的・化学的性質を改善するには、デンプンの改質が必要です。Hielscherの超音波リアクターは、デンプンの物理的、化学的、および酵素的改質を促進し、食品産業および非食品産業での利用に適した機能特性を向上させます。
ほとんどの商業用途では、デンプンの長所を高めたり欠点を最小限に抑えたりするために、化学的または物理的な改質が必要です。超音波処理は、デンプンの物理的、化学的、および酵素的改質に非常に有効な手段です。Hielscherの超音波装置は、極めて強い超音波をデンプンスラリーに伝達します。その結果生じる超音波キャビテーションは、以下を促進します：
- 解凝集と分散
- 機械的な分解と破砕
- 粒内への浸透と膨潤
- 物質移動
- ラジカルの生成
- 化学反応性
- 加熱
デンプンの化学的改質
超音波キャビテーションによるデンプン粒の破砕と、それに伴う粒内への液体の浸透の容易化により、デンプンポリマーのエステル化、エーテル化、ヒドロキシプロピル化、または酸化および酸による改質の反応速度特性が改善されます。Hielscherの超音波リアクターは、連続インライン処理向けに設計されています。反応速度が高まることで、反応釜の処理能力が向上します。
デンプンのアルカリ改質
多くの市販デンプン誘導体の製造では、アルカリ度と温度を制御しながら、反応性のある有機試薬をデンプンの水性スラリーに添加します。デンプンのエステル化は、一般にpH 7–9で行われます。デンプンのエーテル化には、通常pH 11–12が用いられます。一般的な処理温度は約60°Cです。超音波処理を行わない場合、市販デンプンの置換度は多くの場合0.2未満です。超音波処理は置換を促進し、冷水への溶解性がより高いデンプンをもたらします。
デンプンの酸改質
粒状デンプンのスラリーを40–60°Cで希塩酸または希硫酸と反応させると、流動性デンプンまたは低粘度デンプンが得られます。これらの部分的に解重合されたデンプンからは、粘度の発現が低い製品が得られます。オクテニルコハク酸デンプンは、カプセル化製品の噴霧乾燥時により高い固形分濃度を使用できるよう、部分的に解重合されます。穏やかな酸加水分解中に超音波処理を行うと、加水分解中に形成されるナノ粒子の凝集体を解離させることができます。これにより、デンプンナノ粒子の収率が向上します。
アミロペクチン分子
スラリーの中和
処理後、反応スラリーを中和します。例えば、アルカリ処理後に塩酸または硫酸を添加します。
デンプンの洗浄
改質デンプンスラリーを中和した後、ハイドロサイクロンでの向流洗浄などの水洗を行います。この段階では、超音波処理が個々のデンプン粒子の洗浄とすすぎを促進します。超音波キャビテーションは、デンプン粒の凝集体を分散させ、デンプン粒と水相との間の境界層における物質移動を増大させます。
デンプンのろ過と乾燥
Hielscherの超音波装置は、限外ろ過またはナノろ過の工程、およびその後の噴霧乾燥に使用されます。
デンプンの物理的改質（機械的改質）
デンプンの物理的改質では、化学薬品を使用しません。それでも、超音波処理によってデンプンの分子構造が変化し、それに伴って物理化学的性質と機能性が変化します。キャビテーションによる激しいせん断力は、デンプン粒内の結晶領域を変形させます。崩壊する微小気泡の近くにあるポリマー鎖は、勾配の大きいせん断場に取り込まれ、高分子のC-C結合の切断と長鎖ラジカルの生成が引き起こされます。超音波処理したデンプン粒のSEM画像では、亀裂、くぼみ、孔食状の穴などの機械的損傷が見られます。その結果、吸水能力、膨潤力、および溶解性が高まります。この効果は、超音波処理の振幅が大きいほど高くなります。そのため、プローブ式の超音波処理は、浴槽式の超音波処理よりもデンプンの改質においてはるかに効果的です。強力な超音波処理を施したデンプンでは、未処理または加熱処理したデンプンと比較して、より多くの粒が破砕されています。
超音波によってOSAエステル化したデンプン
超音波によってOSAエステル化したデンプンは、より高い置換度（DS）と反応効率（RE）を示すとともに、軽微ながら有益な形態変化を示し、これによって食品系での機能性が広がる可能性があります。超音波処理は、デンプンの分子構造を変えることなく反応速度と効率を高め、食品用途に望ましい特性を維持します。
これらの結果は、超音波支援エステル化が、デンプン改質においてエネルギー効率が高く、時間を節約できる手法を提供する、環境に配慮した技術となり得ることを示唆しています。超音波支援エステル化のスケールアップの可能性は、食品科学におけるデンプン改質工程に革新をもたらし、持続可能な生産目標に沿いながら、産業におけるエステル化デンプンの用途を広げる可能性があります。
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小麦デンプン粒のSEM顕微鏡写真：（a）超音波未処理、（b）20min超音波処理、（c）40min.超音波処理、（d）60min超音波処理。
研究および画像：©Majzoobi et al., 2015
超音波処理は、糊化開始温度を大幅に低下させることができます。超音波処理したデンプン粒から調製したデンプンゲルは、未処理デンプンと比較して硬さが高く、付着性と凝集性の値も高くなります。デンプンの超音波改質によって、付着性、凝集性、弾力性、およびガム性が大幅に増加します。
超音波処理は、従来のデンプン改質法と比較して、投入エネルギーがはるかに少なく、処理条件による負荷もはるかに小さくなります。Hielscher Ultrasonicsは、商業規模の処理向けに高出力超音波リアクターを供給しています。
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デンプン改質の研究に取り組む科学者の方、既存のデンプン工程の改善を目指すプロセスエンジニアの方、より優れた製品や新製品を開発する製品エンジニアの方、またはデンプン改質に関心をお持ちの方は、ぜひお問い合わせください！デンプン改質およびデンプンの用途における超音波処理の可能性と利点について、喜んでご相談に応じます。以下のフォームにご記入ください！
デンプンの用途
改質デンプンは、食品および非食品分野の幅広い用途で使用されています。オクテニルコハク酸デンプンは、水中油型エマルションの重要な安定剤です。製紙では、カチオン性デンプンが湿潤強度と乾燥強度を改善し、エマルションを安定化するとともに、表面サイズ剤として機能します。多くのウェットエンド添加剤システムでは、改質デンプンとともに無機微粒子（コロイダルシリカ、ベントナイト）と合成ポリマーを組み合わせて使用します。その他の用途には、デンプンラテックス分散液や、ポリマーの充填剤としての粒状デンプンがあります。
超音波支援デンプン改質に関する科学論文
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- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat and P.Sriamornsak (2012)：タピオカデンプンの物理的性質に及ぼす超音波処理の影響、掲載誌：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)：トウモロコシデンプンの物理的性質に及ぼす超音波の影響、掲載誌：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)：超音波処理したトウモロコシデンプンのテクスチャーおよび糊化特性、掲載誌：Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye and V. Heinz (2002)：非加熱処理による植物性食品の栄養改善、掲載誌：Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
よくある質問
天然デンプンの原料にはどのようなものがありますか？
デンプンは、トウモロコシ、もち性トウモロコシ、高アミローストウモロコシ、タピオカ、ジャガイモ、小麦、米、もち米、エンドウ（丸粒エンドウ、しわ粒エンドウ）、サゴ、オート麦、大麦、ライ麦、アマランサス、サツマイモ、オート麦、穀類、ドウカンソウ、キヌア、レンズ豆、白インゲン豆、ソルガム、クズウコン、またはキャッサバなど、さまざまな天然原料に由来します。
改質デンプンとは何ですか？
改質デンプンとは、食品および工業用途における性能を高めるために、物理的、酵素的、または化学的に変化させたデンプンです。これらの改質により、溶解性、粘度、ゲル化、および熱や酸性環境などのさまざまな条件下での安定性といった特性が改善されます。一般にトウモロコシ、ジャガイモ、タピオカなどの天然原料から得られる改質デンプンは、加工食品、医薬品、およびその他の製品のテクスチャーと保存期間を改善するために、増粘剤、安定剤、および乳化剤として使用されます。
改質デンプンとOSAデンプンの違いは何ですか？
改質デンプンとは、さまざまな条件下での増粘、ゲル化、安定化などの機能特性を改善するために、物理的、酵素的、または化学的なさまざまな方法で変化させたデンプンを指します。これらの改質により、食品、医薬品、および工業製品の多様な用途に適したものになります。
OSAデンプン、すなわちオクテニルコハク酸無水物デンプンは、デンプン分子にオクテニルコハク酸無水物基を付加することで作られる、特定の種類の化学的改質デンプンです。この改質は独自の乳化特性を付与するため、OSAデンプンは水中油型エマルションの安定化に特に効果的です。改質デンプンが一般に粘度や安定性などの基本特性を向上させるのに対し、OSAデンプンは乳化能力を付与するよう特別に調整されており、安定したエマルションが不可欠なサラダドレッシング、ソース、飲料などの製品で広く用いられています。 超音波によってエステル化したOSAデンプンについて詳しくはこちら！