Productie van OSA-zetmeel – verbeterde verestering door sonicatie

Verestering van zetmelen met octenylbarnsteenzuuranhydride (OSA) is een veelgebruikte modificatietechniek, die vooral relevant is in de voedingsmiddelenindustrie voor het maken van functionele zetmelen met verbeterde eigenschappen. Traditionele modificatie van OSA-zetmeel onder alkalische omstandigheden is echter tijdrovend en kan de efficiëntie en haalbaarheid van het proces beperken. Ultrasoon ondersteunde verestering is een effectieve alternatieve aanpak om de verestering van zetmelen met OSA te versnellen. Door sonicatie toe te passen, worden een hogere substitutiegraad (DS) en reactie-efficiëntie (RE) bereikt dan bij conventionele alkalische OSA-verestering. Dit betekent dat sonicatie het toepassingsgebied van veresterde zetmelen in de voedingsmiddelenindustrie kan uitbreiden. De resultaten van wetenschappelijke studies onderstrepen dat door sonicatie ondersteunde verestering een efficiënte, milieuvriendelijke vooruitgang in zetmeelmodificatie is.

Ultrasone verestering van zetmeel met octenylbarnsteenzuuranhydride

Zetmelen zijn essentiële polysachariden in de voedingsmiddelenindustrie en worden vanwege hun unieke eigenschappen veel gebruikt als verdikkingsmiddelen, stabilisatoren en emulgatoren. De functionele beperkingen van natieve zetmelen maken echter vaak modificaties noodzakelijk om hun prestaties te verbeteren. Verestering met octenylbarnsteenzuuranhydride (OSA) is een chemisch modificatieproces dat hydrofobe groepen introduceert en zo het emulgerende en stabiliserende vermogen van zetmeel verbetert. Ondanks de effectiviteit ervan is conventionele OSA-verestering onder alkalische omstandigheden een langdurig proces. Ultrasoon ondersteunde verestering is een groene technologie die de substitutiegraad (DS) en reactie-efficiëntie (RE) van OSA-zetmelen mogelijk kan verhogen en het gebruik van tijd en middelen kan verbeteren.

Sonicatie verbetert de verestering van OSA-zetmeel. Effect van de ultrasone intensiteit op de microstructuur van het met OSA veresterde zetmeel uit annattozaden.
Studie en afbeeldingen: ©Keven Silva et al. 2022

Casestudy: ultrasone verestering van OSA-aardappelzetmeel

In de studie van Martínez et al. (2024) werden natieve aardappelzetmelen uit de Andes onderworpen aan zowel conventionele alkalische OSA-verestering als ultrasoon ondersteunde verestering (US-OSA). De onderzoekers analyseerden de korrelmorfologie, moleculaire kenmerken, thermische eigenschappen en het reologische gedrag van de resulterende zetmelen om de potentiële voordelen van ultrasoon ondersteunde verestering te bepalen.

Zetmeelmonsters en veresteringsprocedure

Natieve aardappelzetmelen uit de Andes werden volgens twee methoden veresterd:

• Conventionele OSA-verestering (OSA) – uitgevoerd onder alkalische omstandigheden met octenylbarnsteenzuuranhydride.
• Ultrasoon ondersteunde OSA-verestering (US-OSA) – waarbij tijdens de verestering ultrasone golven werden toegepast om de reactiesnelheid en effectiviteit te verhogen.

Substitutiegraad (DS) en reactie-efficiëntie (RE)

Het ultrasoon ondersteunde veresteringsproces leverde zetmelen op met een significant hogere substitutiegraad (DS) en reactie-efficiëntie (RE) dan conventionele methoden. Deze verbetering is cruciaal, omdat de DS de mate van substitutie met hydrofobe groepen op het zetmeelmolecuul weergeeft en daarmee rechtstreeks de emulgerende eigenschappen beïnvloedt.
De hoge reactie-efficiëntie bij ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen suggereert dat ultrasone golven moleculaire botsingen en het binnendringen van OSA-moleculen in zetmeelkorrels bevorderen, mogelijk door cavitatie-effecten, die de massaoverdracht verbeteren en een efficiëntere verestering bevorderen.

Morfologische kenmerken

Microscopisch onderzoek van de korrelmorfologie bracht opvallende verschillen aan het licht tussen OSA-zetmelen en ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen. Hoewel beide gemodificeerde zetmelen de integriteit van de korrels behielden, vertoonden ultrasoon gemodificeerde OSA-korrels afgebladderde oppervlakken met enkele poriën. Dit wijst erop dat de ultrasone behandeling een mild effect op de oppervlaktestructuur had. Deze structurele modificatie, hoewel gering, suggereert een verbeterde toegankelijkheid van zetmeelkorrels voor verestering zonder de integriteit van de korrels aan te tasten.
Daarnaast vertoonden ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen lagere spanwaarden, wat wijst op een smallere grootteverdeling en een uniformere korrelpopulatie. Deze uniformiteit zou gunstig kunnen zijn voor specifieke voedingsmiddelentoepassingen waarbij een nauwkeurig bepaalde textuur en stabiliteit essentieel zijn.

Moleculaire kenmerken

IR-spectroscopie en XRD-analyse lieten minimale structurele verschillen zien tussen OSA-zetmelen en ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen. Beide zetmeeltypen behielden de kenmerkende zetmeelstructuur, zonder detecteerbare veranderingen in de kristalliniteitspatronen. Dit bevestigt dat de ultrasoon ondersteunde behandeling de natieve structuur van zetmeel niet significant verstoorde.
Deze moleculaire stabiliteit is voordelig, omdat ze ervoor zorgt dat ultrasoon ondersteunde verestering de functionaliteit verbetert zonder het fundamentele moleculaire raamwerk van het zetmeel te veranderen. Dit is cruciaal voor het behoud van de gewenste textuureigenschappen in voedingsmiddelentoepassingen.

Thermische eigenschappen

Het thermische gedrag, met name de verstijfselingsenthalpie, verschilde tussen conventionele OSA-zetmelen en ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen. De ultrasoon gemodificeerde OSA-zetmelen vertoonden een lagere verstijfselingsenthalpie dan conventionele OSA-zetmelen, wat suggereert dat voor verstijfseling minder energie nodig is. Deze bevinding impliceert dat de ultrasone behandeling hydratatie en verstijfseling kan vergemakkelijken en mogelijk de verwerkbaarheid van het gemodificeerde zetmeel kan verbeteren in voedingsmiddelentoepassingen waarbij thermische verwerking plaatsvindt.

Reologische eigenschappen

Ultrasoon veresterde OSA-zetmelen vertoonden gunstige reologische eigenschappen, met viscositeitsprofielen die vergelijkbaar waren met of iets verbeterd waren ten opzichte van die van conventionele OSA-zetmelen. Dergelijke eigenschappen kunnen hun prestaties verbeteren in toepassingen die stabiele emulsies of een consistente viscositeit onder wisselende verwerkingsomstandigheden vereisen.

Casestudy: ultrasoon veresterd OSA-zetmeel uit annattozaden

De studie van Silva et al. (2013) onderzocht het effect van de sonicatie-intensiteit op de verestering van zetmeel uit annattozaden met octenylbarnsteenzuuranhydride (OSA), met als doel een nieuwe emulgator voor colloïdale systemen te ontwikkelen. Ultrasoon geluid werd toegepast bij verschillende intensiteiten (0, 5, 10 en 20 W/cm²) gedurende een korte verwerkingstijd (5 minuten). Belangrijke bevindingen waren onder meer een toename van de substitutiegraad (DS) bij een hogere sonicatie-intensiteit, waarbij een maximale substitutiegraad van 0,139 ± 0,031 bij 20 W/cm² werd bereikt. De sonicatiebehandeling verhoogde ook het amylosegehalte tot 1,24–1,36 keer dat van monsters zonder sonicatie.
De korrelmorfologie liet bij hogere sonicatie-intensiteiten gladde oppervlakken en duidelijk afgebakende elliptische deeltjes zien, waardoor de aggregatie van korrels afnam. De röntgendiffractiepatronen vertoonden geen significante kwalitatieve verschillen, wat erop wijst dat ultrasoon geluid de kristallijne structuur van het zetmeel niet veranderde. De gemodificeerde zetmelen waren effectief in het stabiliseren van olie-in-wateremulsies met olie uit annattozaden, waarbij grotere gemiddelde Sauter-diameters (14 ± 2 μm) werden bereikt, maar de kinetische stabiliteit in de loop van de tijd hoger was dan bij commercieel gemodificeerde zetmelen. Over het geheel genomen bleek ultrasoon ondersteunde OSA-modificatie een snelle en effectieve aanpak om de functionele eigenschappen van zetmeel uit annattozaden als emulgator te verbeteren.

Sonicators voor de verestering van OSA-zetmeel

Industriële sonicators van Hielscher zijn ultrasone apparaten met hoge prestaties die worden gebruikt om de OSA-verestering van zetmelen te verbeteren, een proces dat hydrofobe octenylbarnsteenzuuranhydridegroepen (OSA) aan zetmeelmoleculen toevoegt. Door ultrasone cavitatie creëren deze sonicators microjets en intense afschuifkrachten in de zetmeelsuspensie, waardoor de diffusie van OSA in zetmeelkorrels en de reactie-efficiëntie verbeteren. Dit resulteert in een hogere substitutiegraad (DS) en een verbeterde reactie-efficiëntie, die vaak in aanzienlijk kortere tijd worden bereikt dan met conventionele methoden. Sonicators van Hielscher zijn ideaal voor toepassingen op industriële schaal en bieden nauwkeurige controle over parameters zoals intensiteit, frequentie en duur om het veresteringsproces te optimaliseren. Dit zorgt voor een constante kwaliteit van gemodificeerde zetmeelproducten met verbeterde emulgerende en stabiliserende eigenschappen.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Ultrasonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasonicators in industriële installaties mogelijk. Ultrasonicators van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen moeiteloos aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasonicators met hoge prestaties met geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen ultrasonicators van Hielscher aan de CE-eisen en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: