Производство OSA-крахмала – улучшение этерификации с помощью обработки ультразвуком

Этерификация крахмалов октенилянтарным ангидридом (OSA) – широко применяемый метод модификации, особенно востребованный в пищевой промышленности для создания функциональных крахмалов с улучшенными свойствами. Однако традиционная модификация крахмала с помощью OSA в щелочных условиях требует много времени и может ограничивать эффективность и практическую осуществимость процесса. Этерификация с применением ультразвука представляет собой эффективный альтернативный подход к ускорению этерификации крахмалов с помощью OSA. Обработка ультразвуком позволяет достичь более высокой степени замещения (DS) и эффективности реакции (RE) по сравнению с традиционной этерификацией с помощью OSA в щелочных условиях. Это означает, что обработка ультразвуком позволяет расширить область применения этерифицированных крахмалов в пищевой промышленности. Результаты научных исследований подтверждают, что этерификация с применением ультразвука является эффективным и экологичным усовершенствованием технологии модификации крахмала.

Ультразвуковая этерификация крахмала октенилянтарным ангидридом

Крахмалы – важнейшие полисахариды в пищевой промышленности, широко используемые в качестве загустителей, стабилизаторов и эмульгаторов благодаря своим уникальным свойствам. Однако функциональные ограничения нативных крахмалов часто требуют их модификации для улучшения эксплуатационных характеристик. Этерификация октенилянтарным ангидридом (OSA) – процесс химической модификации, при котором вводятся гидрофобные группы, усиливающие эмульгирующие и стабилизирующие способности крахмала. Несмотря на свою эффективность, традиционная этерификация с помощью OSA в щелочных условиях является длительным процессом. Этерификация с применением ультразвука – экологичная технология, которая потенциально может повысить степень замещения (DS) и эффективность реакции (RE) OSA-крахмалов, улучшая использование времени и ресурсов.

Обработка ультразвуком улучшает этерификацию OSA-крахмала. Влияние интенсивности ультразвука на микроструктуру крахмала семян аннато, этерифицированного с помощью OSA.
Исследование и изображения: ©Keven Silva et al. 2022

Пример исследования: ультразвуковая этерификация картофельного крахмала с помощью OSA

В исследовании Martínez et al. (2024) нативные крахмалы андского картофеля подвергали как традиционной этерификации с помощью OSA в щелочных условиях, так и этерификации с применением ультразвука (US-OSA). Для определения потенциальных преимуществ этерификации с применением ультразвука исследователи анализировали морфологию гранул, молекулярные характеристики, термические свойства и реологическое поведение полученных крахмалов.

Образцы крахмала и процедура этерификации

Нативные крахмалы андского картофеля этерифицировали двумя методами:

• Традиционная этерификация с помощью OSA (OSA) – проводилась в щелочных условиях с использованием октенилянтарного ангидрида.
• Этерификация с помощью OSA при содействии ультразвука (US-OSA) – во время этерификации применяли ультразвуковые волны для повышения скорости и результативности реакции.

Степень замещения (DS) и эффективность реакции (RE)

Процесс этерификации с применением ультразвука позволил получить крахмалы со значительно более высокой степенью замещения (DS) и эффективностью реакции (RE) по сравнению с традиционными методами. Это улучшение имеет решающее значение, поскольку DS отражает степень замещения гидрофобными группами в молекуле крахмала, непосредственно влияющую на его эмульгирующие свойства.
Высокая эффективность реакции у OSA-крахмалов, модифицированных ультразвуком, позволяет предположить, что ультразвуковые волны усиливают столкновения молекул и проникновение молекул OSA в гранулы крахмала, возможно, благодаря кавитационным эффектам, которые улучшают массоперенос и способствуют более эффективной этерификации.

Морфологические характеристики

Микроскопическое исследование морфологии гранул выявило заметные различия между OSA-крахмалами и OSA-крахмалами, модифицированными ультразвуком. Хотя оба модифицированных крахмала сохраняли целостность гранул, гранулы OSA-крахмала, модифицированного ультразвуком, имели отслаивающиеся поверхности с отдельными порами, что указывает на слабое воздействие ультразвуковой обработки на структуру поверхности. Эта структурная модификация, хотя и незначительная, свидетельствует об улучшении доступности гранул крахмала для этерификации без нарушения их целостности.
Кроме того, OSA-крахмалы, модифицированные ультразвуком, характеризовались более низкими значениями показателя ширины распределения (span), что указывает на более узкое распределение по размерам и более однородную совокупность гранул. Такая однородность могла бы быть полезной для определенных пищевых применений, в которых важны строго заданная текстура и стабильность.

Молекулярные особенности

ИК-спектроскопия и рентгенодифракционный анализ (XRD) показали минимальные структурные различия между OSA-крахмалами и OSA-крахмалами, модифицированными ультразвуком. Оба типа крахмала сохраняли характерную структуру крахмала без обнаруживаемых изменений картины кристалличности, что подтверждает отсутствие значительного нарушения нативной структуры крахмала при обработке с применением ультразвука.
Такая молекулярная стабильность является преимуществом, поскольку она обеспечивает улучшение функциональных свойств при этерификации с применением ультразвука без изменения основного молекулярного каркаса крахмала, что имеет решающее значение для сохранения желаемых текстурных свойств при использовании в пищевой промышленности.

Термические свойства

Термическое поведение, в частности энтальпия клейстеризации, различалось у традиционных OSA-крахмалов и OSA-крахмалов, модифицированных ультразвуком. OSA-крахмалы, модифицированные ультразвуком, имели более низкую энтальпию клейстеризации по сравнению с традиционными OSA-крахмалами, что свидетельствует о снижении потребности в энергии для клейстеризации. Этот результат позволяет предположить, что ультразвуковая обработка может облегчать гидратацию и клейстеризацию, потенциально улучшая технологичность модифицированного крахмала при использовании в пищевых процессах, предусматривающих тепловую обработку.

Реологические свойства

OSA-крахмалы, этерифицированные с применением ультразвука, продемонстрировали благоприятные реологические свойства: их профили вязкости были сходными с профилями традиционных OSA-крахмалов или несколько улучшенными по сравнению с ними. Такие свойства могут улучшить их характеристики в применениях, требующих стабильных эмульсий или постоянной вязкости при изменяющихся условиях обработки.

Пример исследования: OSA-крахмал из семян аннато, этерифицированный с применением ультразвука

В исследовании Silva et al. (2013) изучалось влияние интенсивности обработки ультразвуком на этерификацию крахмала семян аннато октенилянтарным ангидридом (OSA) с целью создания нового эмульгатора для коллоидных систем. Ультразвук применяли с различной интенсивностью (0, 5, 10 и 20 W/cm²) в течение короткого времени обработки (5 минут). Основные результаты включали увеличение степени замещения (DS) с повышением интенсивности обработки ультразвуком, при этом максимальная степень замещения достигала 0,139 ± 0,031 при 20 W/cm². Обработка ультразвуком также повышала содержание амилозы в 1,24–1,36 раза по сравнению с образцами без обработки ультразвуком.
Исследование морфологии гранул выявило гладкие поверхности и четко очерченные эллиптические частицы при более высокой интенсивности обработки ультразвуком, что уменьшало агрегацию гранул. Рентгеновские дифрактограммы не показали значительных качественных различий, что указывает на отсутствие изменения кристаллической структуры крахмала под действием ультразвука. Модифицированные крахмалы эффективно стабилизировали эмульсии масла семян аннато типа «масло в воде», обеспечивая более крупные средние диаметры Заутера (14 ± 2 μm), но демонстрируя более высокую кинетическую стабильность с течением времени по сравнению с крахмалами, модифицированными промышленными способами. В целом модификация с помощью OSA при содействии ультразвука оказалась быстрым и эффективным подходом к улучшению функциональных свойств крахмала семян аннато как эмульгатора.

Ультразвуковые аппараты для этерификации OSA-крахмала

Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher – высокопроизводительные ультразвуковые устройства, используемые для улучшения этерификации крахмалов с помощью OSA, процесса, при котором в молекулы крахмала вводятся гидрофобные группы октенилянтарного ангидрида (OSA). Благодаря ультразвуковой кавитации эти аппараты создают микроструи и интенсивные сдвиговые усилия в суспензии крахмала, улучшая диффузию OSA в гранулы крахмала и эффективность реакции. Это приводит к более высокой степени замещения (DS) и повышению эффективности реакции, которые часто достигаются за значительно более короткое время по сравнению с традиционными методами. Ультразвуковые аппараты Hielscher идеально подходят для применений в промышленном масштабе, обеспечивая точное управление такими параметрами, как интенсивность, частота и длительность, для оптимизации процесса этерификации и стабильное качество модифицированных крахмальных продуктов с улучшенными эмульгирующими и стабилизирующими свойствами.

Проектирование, производство и консультации – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют легко интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и сложными эксплуатационными средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Таблица ниже дает представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: