Ultrasone modificatie van suspensies van zetmeelkorrels
Zetmeel kan gemakkelijk worden gewonnen uit natuurlijke bronnen, zoals aardappel, maïs of maïs. Modificatie van zetmeel is nodig om de fysische en chemische eigenschappen te verbeteren. Ultrasone reactoren van Hielscher bevorderen de fysische, chemische en enzymatische modificatie van zetmeel, wat leidt tot betere functionele eigenschappen voor gebruik in de voedingsmiddelenindustrie en andere industrieën.
Voor de meeste commerciële toepassingen moet zetmeel chemisch of fysisch worden gemodificeerd om de positieve eigenschappen te versterken of de tekortkomingen te minimaliseren. Ultrasone behandeling is een zeer effectieve methode voor de fysische, chemische en enzymatische modificatie van zetmeel. Ultrasone apparaten van Hielscher brengen ultrasone golven met een zeer hoge intensiteit over in zetmeelsuspensies. De resulterende ultrasone cavitatie bevordert:
- deagglomeratie en dispersie
- mechanische afbraak en verstoring
- penetratie en zwelling van korrels
- massaoverdracht
- vorming van radicalen
- chemische reactiviteit
- verwarming
Chemische modificatie van zetmeel
Verstoring van de korrel door ultrasone cavitatie, in combinatie met een gemakkelijker binnendringen van vloeistof in de zetmeelkorrel, leidt tot verbeteringen in de reactiekinetiek voor verestering, verethering, hydroxypropylering of oxidatie en zuurmodificatie van zetmeelpolymeren. Ultrasone reactoren van Hielscher zijn ontworpen voor continue inlineverwerking. Hogere reactiesnelheden leiden tot een grotere capaciteit van de reactieketel.
Alkalische modificatie van zetmeel
Voor de productie van veel commerciële zetmeelderivaten worden reactieve, organische reagentia toegevoegd aan waterige zetmeelsuspensies, waarbij de alkaliteit en temperatuur worden geregeld. De verestering van zetmeel wordt doorgaans uitgevoerd bij pH 7 tot 9. Voor de verethering van zetmeel wordt gewoonlijk een pH van 11 tot 12 gebruikt. Typische procestemperaturen liggen rond 60°C. Zonder sonicatie is de substitutiegraad van commercieel zetmeel vaak lager dan 0,2. Ultrasone behandeling ondersteunt de substitutie, waardoor het zetmeel beter oplosbaar wordt in koud water.
Zuurmodificatie van zetmeel
De reactie van een suspensie van zetmeelkorrels met verdund zoutzuur of zwavelzuur bij 40 tot 60°C leidt tot dunvloeiend of verdund zetmeel. Deze gedeeltelijk gedepolymeriseerde zetmelen leveren producten op die een lagere viscositeit ontwikkelen. Zetmeeloctenylsuccinaten worden gedeeltelijk gedepolymeriseerd om bij het sproeidrogen van ingekapselde producten een hoger drogestofgehalte te kunnen gebruiken. Ultrasone behandeling tijdens milde zure hydrolyse kan de nanodeeltjesaggregaten die tijdens de hydrolyse ontstaan, uiteen laten vallen. Dit verhoogt de opbrengst aan zetmeelnanodeeltjes.
Amylopectinemolecuul
Neutralisatie van de suspensie
Na het proces wordt de reactiesuspensie geneutraliseerd, bijvoorbeeld door na alkalische verwerking zoutzuur of zwavelzuur toe te voegen.
Wassen van zetmeel
Na de neutralisatie van de gemodificeerde zetmeelsuspensies volgt het wassen met water, bijvoorbeeld tegenstroomwassen in hydrocyclonen. In deze fase ondersteunt ultrasone behandeling het wassen en spoelen van de afzonderlijke zetmeeldeeltjes. De ultrasone cavitatie dispergeert agglomeraten van zetmeelkorrels en verhoogt de massaoverdracht in de grenslaag tussen de zetmeelkorrels en de waterige fase.
Filtratie en droging van zetmeel
Ultrasone apparaten van Hielscher worden gebruikt bij ultrafiltratie- of nanofiltratieprocessen en bij het daaropvolgende sproeidrogen.
Fysische modificatie van zetmeel (mechanisch)
Bij fysische modificatie van zetmeel worden geen chemicaliën gebruikt. Toch leidt ultrasone behandeling tot veranderingen in de moleculaire structuur van zetmeel, gevolgd door veranderingen in de fysisch-chemische eigenschappen en functionaliteit. De hevige afschuifkrachten door cavitatie vervormen het kristallijne gebied in zetmeelkorrels. Polymeerketens nabij de imploderende microbelletjes worden gevangen in een afschuifveld met een hoge gradiënt, dat leidt tot het verbreken van macromoleculaire C-C-bindingen en de vorming van radicalen met lange ketens. SEM-beelden van gesoniceerde zetmeelkorrels tonen mechanische beschadigingen, zoals scheuren, indeukingen en putjes. Dit resulteert in een hoger waterabsorptievermogen, een groter zwelvermogen en een verhoogde oplosbaarheid. Dit effect is sterker bij hogere sonicatieamplitudes. Daarom is sonicatie met een sonde veel effectiever voor zetmeelmodificatie dan sonicatie in een bad. Intensieve ultrasone verwerking laat meer verstoorde korrels zien dan bij natief of thermisch behandeld zetmeel.
Ultrasoon met OSA veresterde zetmelen
Ultrasoon met OSA veresterde zetmelen vertoonden een hogere substitutiegraad (DS) en reactie-efficiëntie (RE), samen met kleine maar gunstige morfologische veranderingen die hun functionaliteit in voedingssystemen mogelijk kunnen uitbreiden. Sonicatie verhoogt de reactiesnelheid en efficiëntie zonder de moleculaire structuur van het zetmeel te veranderen, waardoor de gewenste eigenschappen voor voedseltoepassingen behouden blijven.
Deze resultaten suggereren dat ultrasoon ondersteunde verestering een groene technologie zou kunnen zijn, die een energie-efficiënte, tijdbesparende aanpak voor zetmeelmodificatie biedt. De mogelijkheid om door sonicatie ondersteunde verestering op te schalen zou het modificatieproces voor zetmeel in de voedingswetenschap ingrijpend kunnen veranderen, in lijn met doelstellingen voor duurzame productie en met een verbreding van de toepassingen van veresterde zetmelen in de industrie.
Lees meer over ultrasoon veresterd OSA-zetmeel!
SEM-microfoto’s van tarwezetmeelkorrels: (a) ongesoniceerd, (b) 20min gesoniceerd, (c) 40min. gesoniceerd, (d) 60min gesoniceerd.
Onderzoek en afbeeldingen: ©Majzoobi et al., 2015
Ultrasone behandeling kan de begintemperatuur van de verstijfseling aanzienlijk verlagen. Zetmeelgels die zijn bereid uit gesoniceerde zetmeelkorrels vertonen een hogere hardheid en hogere waarden voor adhesiviteit en cohesiviteit dan natief zetmeel. Adhesiviteit, cohesiviteit, veerkracht en gomachtigheid nemen aanzienlijk toe door ultrasone modificatie van zetmeel.
Ultrasone behandeling vergt veel minder energietoevoer en minder belastende procesomstandigheden dan conventionele procedures voor zetmeelmodificatie. Hielscher Ultrasonics levert ultrasone reactoren met hoog vermogen voor commerciële verwerking.
Vraag meer informatie aan!
Bent u een wetenschapper die onderzoek doet naar zetmeelmodificatie, een procesingenieur die bestaande zetmeelprocessen probeert te verbeteren, een productingenieur die betere of nieuwe producten formuleert, of hebt u een andere interesse in zetmeelmodificatie? Neem contact met ons op! Wij bespreken graag met u de mogelijkheden en voordelen van ultrasone behandeling voor zetmeelmodificatie en zetmeeltoepassingen. Vul het onderstaande formulier in!
Gebruik van zetmeel
Gemodificeerd zetmeel wordt gebruikt in een breed scala aan voedings- en niet-voedingstoepassingen. Zetmeeloctenylsuccinaten zijn een belangrijke stabilisator voor olie-in-wateremulsies. Bij de papierproductie verbetert kationisch zetmeel de natte en droge sterkte, stabiliseert het emulsies en dient het als middel voor oppervlaktelijming. Veel additiefsystemen voor het natte gedeelte van de papierproductie combineren anorganische microdeeltjes (colloïdaal siliciumdioxide, bentoniet) en synthetische polymeren met gemodificeerd zetmeel. Andere toepassingen zijn onder meer zetmeellatexdispersies of zetmeel in korrelvorm als vulstof voor polymeren.
Wetenschappelijke artikelen over ultrasoon ondersteunde zetmeelmodificatie
-
- 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): Ultrasound effect on physical properties of corn starch, 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): Texture and pasting properties of ultrasonically treated corn starch, in: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye and V. Heinz (2002): Nutritional improvement of plant foods by non-thermal processing, in: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Veelgestelde vragen
Wat zijn natuurlijke bronnen van zetmeel?
Zetmeel is afkomstig uit verschillende natuurlijke bronnen, zoals: maïs, wasmaïs, maïs met een hoog amylosegehalte, tapioca, aardappel, tarwe, rijst, wasrijst, erwt (gladde erwt, gerimpelde erwt), sago, haver, gerst, rogge, amarant, zoete aardappel, haver, graan, koekoekszeepkruid, quinoa, linze, witte boon, sorghum, arrowroot of cassave.
Wat is gemodificeerd zetmeel?
Gemodificeerd zetmeel is zetmeel dat fysisch, enzymatisch of chemisch is veranderd om de werking ervan in voedings- en industriële toepassingen te verbeteren. Deze modificaties verbeteren eigenschappen zoals oplosbaarheid, viscositeit, gelvorming en stabiliteit onder verschillende omstandigheden, zoals hitte of een zure omgeving. Gemodificeerde zetmelen worden doorgaans gewonnen uit natuurlijke bronnen zoals maïs, aardappel en tapioca en worden gebruikt als verdikkingsmiddelen, stabilisatoren en emulgatoren om de textuur en houdbaarheid van verwerkte voedingsmiddelen, farmaceutische producten en andere producten te verbeteren.
Wat is het verschil tussen gemodificeerd zetmeel en OSA-zetmeel?
Gemodificeerd zetmeel verwijst naar zetmeel dat op verschillende manieren – fysisch, enzymatisch of chemisch – is veranderd om de functionele eigenschappen ervan te verbeteren, zoals verdikking, gelvorming of stabilisatie onder verschillende omstandigheden. Deze modificaties maken het geschikt voor uiteenlopende toepassingen in voedingsmiddelen, farmaceutische producten en industriële producten.
OSA-zetmeel, oftewel octenylbarnsteenzuuranhydridezetmeel, is een specifiek type chemisch gemodificeerd zetmeel dat wordt gemaakt door octenylbarnsteenzuuranhydridegroepen aan het zetmeelmolecuul te hechten. Deze modificatie verleent unieke emulgerende eigenschappen, waardoor OSA-zetmeel bijzonder effectief is bij het stabiliseren van olie-in-wateremulsies. Terwijl gemodificeerd zetmeel in het algemeen basiseigenschappen zoals viscositeit of stabiliteit verbetert, is OSA-zetmeel speciaal afgestemd op het bieden van emulgerend vermogen. Daardoor is het populair in producten zoals saladedressings, sauzen en dranken, waarin stabiele emulsies essentieel zijn. Lees meer over ultrasoon veresterd OSA-zetmeel!