Ультразвуковая модификация суспензий крахмальных гранул
Крахмал легко извлекается из природных источников, таких как картофель, маис или кукуруза. Модификация крахмала необходима для улучшения его физических и химических свойств. Ультразвуковые реакторы Hielscher способствуют физической, химической и ферментативной модификации крахмала, которая улучшает его функциональные свойства для применения в пищевой и непищевой промышленности.
Для большинства коммерческих применений крахмалы необходимо модифицировать химически или физически, чтобы усилить их положительные свойства или свести к минимуму их недостатки. Обработка ультразвуком является высокоэффективным средством физической, химической и ферментативной модификации крахмалов. Ультразвуковые устройства Hielscher передают ультразвуковые волны высокой интенсивности в крахмальные суспензии. Возникающая при этом ультразвуковая кавитация способствует следующим процессам:
- деагломерация и диспергирование
- механическая деструкция и разрушение
- проникновение в гранулы и их набухание
- массоперенос
- образование радикалов
- химическая реакционная способность
- нагрев
Химическая модификация крахмала
Разрушение гранулы под действием ультразвуковой кавитации в сочетании с облегчённым проникновением жидкости в крахмальную гранулу улучшает кинетику реакций этерификации, образования простых эфиров, гидроксипропилирования или окисления и кислотной модификации крахмальных полимеров. Ультразвуковые реакторы Hielscher предназначены для непрерывной обработки в потоке. Более высокие скорости реакций повышают производительность реакционного аппарата.
Щелочная модификация крахмала
Для производства многих коммерческих производных крахмала в водные крахмальные суспензии добавляют реакционноспособные органические реагенты, контролируя щёлочность и температуру. Этерификацию крахмалов обычно проводят при pH от 7 до 9. Для образования простых эфиров крахмала обычно используют pH от 11 до 12. Типичная температура процесса составляет приблизительно 60°C. Без обработки ультразвуком степень замещения коммерческих крахмалов часто составляет менее 0,2. Обработка ультразвуком способствует замещению, в результате чего крахмал лучше растворяется в холодной воде.
Кислотная модификация крахмала
Реакция суспензии гранулированного крахмала с разбавленной соляной или серной кислотой при температуре от 40 до 60°C приводит к получению жидкотекучих крахмалов, или крахмалов с пониженной вязкостью. Эти частично деполимеризованные крахмалы позволяют получать продукты с меньшей вязкостью. Октенилсукцинаты крахмала частично деполимеризуют, чтобы обеспечить возможность использования более высокого содержания сухих веществ при распылительной сушке инкапсулированных продуктов. Обработка ультразвуком во время мягкого кислотного гидролиза может разделять агрегаты наночастиц, образующиеся при гидролизе. Это увеличивает выход наночастиц крахмала.
Молекула амилопектина
Нейтрализация суспензии
После завершения процесса реакционную суспензию нейтрализуют, например добавлением соляной или серной кислоты после щелочной обработки.
Промывка крахмала
После нейтрализации суспензий модифицированного крахмала проводят промывку водой, например противоточную промывку в гидроциклонах. На этом этапе обработка ультразвуком способствует промывке и ополаскиванию отдельных частиц крахмала. Ультразвуковая кавитация диспергирует агломераты крахмальных гранул и усиливает массоперенос в пограничном слое между крахмальными гранулами и водной фазой.
Фильтрация и сушка крахмала
Ультразвуковые устройства Hielscher используются в процессах ультрафильтрации или нанофильтрации, а также при последующей распылительной сушке.
Физическая модификация крахмала (механическая)
Физическая модификация крахмалов не предполагает использования химических веществ. Тем не менее обработка ультразвуком приводит к изменениям молекулярной структуры крахмала, за которыми следуют изменения физико-химических и функциональных свойств. Интенсивные кавитационные силы сдвига деформируют кристаллическую область крахмальных гранул. Полимерные цепи вблизи схлопывающихся микропузырьков попадают в поле сдвига с высоким градиентом, что приводит к разрыву связей C-C в макромолекулах и образованию длинноцепочечных радикалов. Изображения обработанных ультразвуком крахмальных гранул, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывают механические повреждения, такие как трещины, углубления и ямки. Это приводит к повышению водопоглощающей способности, способности к набуханию и растворимости. Этот эффект сильнее при более высоких амплитудах обработки ультразвуком. Поэтому обработка ультразвуковым зондом значительно эффективнее для модификации крахмала, чем обработка в ультразвуковой ванне. После интенсивной ультразвуковой обработки наблюдается больше разрушенных гранул по сравнению с нативным или термообработанным крахмалом.
Крахмалы, этерифицированные OSA с помощью ультразвука
Крахмалы, этерифицированные OSA с помощью ультразвука, продемонстрировали более высокую степень замещения (DS) и эффективность реакции (RE) в сочетании с незначительными, но полезными морфологическими изменениями, которые могут расширить их функциональные возможности в пищевых системах. Обработка ультразвуком повышает скорость и эффективность реакции без изменения молекулярной структуры крахмала, тем самым сохраняя его желательные свойства для применения в пищевых продуктах.
Эти результаты позволяют предположить, что этерификация с помощью ультразвука могла бы стать экологичной технологией, обеспечивающей энергоэффективный и экономящий время подход к модификации крахмала. Возможность масштабирования этерификации с помощью ультразвука могла бы коренным образом изменить процесс модификации крахмалов в пищевой науке, согласуя его с целями устойчивого производства и расширяя применение этерифицированных крахмалов в промышленности.
Узнайте больше об OSA-крахмале, этерифицированном с помощью ультразвука!
СЭМ-микрофотографии гранул пшеничного крахмала: (a) без обработки ультразвуком, (b) после обработки ультразвуком в течение 20 мин, (c) после обработки ультразвуком в течение 40 мин, (d) после обработки ультразвуком в течение 60 мин.
Исследование и изображения: ©Majzoobi et al., 2015
Обработка ультразвуком может значительно снизить температуру начала клейстеризации. Крахмальные гели, приготовленные из обработанных ультразвуком крахмальных гранул, обладают большей твёрдостью и более высокими значениями адгезивности и когезивности по сравнению с нативным крахмалом. Адгезивность, когезивность, упругость и гуммиобразность значительно повышаются при ультразвуковой модификации крахмала.
Обработка ультразвуком требует значительно меньших затрат энергии и гораздо менее жёстких условий обработки, чем традиционные способы модификации крахмала. Hielscher Ultrasonics поставляет ультразвуковые реакторы высокой мощности для коммерческой переработки.
Запросите дополнительную информацию!
Если вы учёный, занимающийся исследованиями модификации крахмала, инженер-технолог, стремящийся улучшить существующие процессы переработки крахмала, инженер-разработчик, создающий улучшенные или новые продукты, или если у вас есть иной интерес к модификации крахмала, свяжитесь с нами! Мы будем рады обсудить с вами возможности и преимущества обработки ультразвуком для модификации и применения крахмала. Пожалуйста, заполните форму ниже!
Применение крахмала
Модифицированный крахмал используется в широком спектре пищевых и непищевых применений. Октенилсукцинаты крахмала являются важным стабилизатором эмульсий типа «масло в воде». В производстве бумаги катионные крахмалы повышают прочность во влажном и сухом состоянии, стабилизируют эмульсии и служат средствами для поверхностной проклейки. Многие системы добавок для мокрой части бумагоделательной машины включают неорганические микрочастицы (коллоидный кремнезём, бентонит) и синтетические полимеры вместе с модифицированным крахмалом. Другие применения включают крахмально-латексные дисперсии или использование гранулированного крахмала в качестве наполнителя для полимеров.
Научные статьи о модификации крахмала с помощью ультразвука
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat и P.Sriamornsak (2012): Влияние ультразвуковой обработки на физические свойства тапиокового крахмала, в: Advanced Materials Research, том 506 (2012), с. 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): Влияние ультразвука на физические свойства кукурузного крахмала, в: 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): Текстура и свойства клейстеризации кукурузного крахмала, обработанного ультразвуком, в: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye и V. Heinz (2002): Повышение пищевой ценности растительных продуктов с помощью нетермической обработки, в: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Часто задаваемые вопросы
Каковы природные источники крахмала?
Крахмал получают из различных природных источников, таких как: кукуруза, восковидная кукуруза, высокоамилозная кукуруза, тапиока, картофель, пшеница, рис, восковидный рис, горох (гладкосемянный горох, морщинистосемянный горох), саго, овёс, ячмень, рожь, амарант, батат, овёс, злаки, ваккария посевная, киноа, чечевица, белая фасоль, сорго, маранта или маниок.
Что такое модифицированный крахмал?
Модифицированный крахмал – это крахмал, который был изменён физическим, ферментативным или химическим способом для улучшения его эксплуатационных свойств при использовании в пищевых продуктах и промышленности. Эти модификации улучшают такие свойства, как растворимость, вязкость, гелеобразование и стабильность в различных условиях, например при нагреве или в кислой среде. Модифицированные крахмалы, обычно получаемые из природных источников, таких как кукуруза, картофель и тапиока, используются в качестве загустителей, стабилизаторов и эмульгаторов для улучшения текстуры и увеличения срока хранения переработанных пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и других продуктов.
В чём разница между модифицированным крахмалом и OSA-крахмалом?
Модифицированный крахмал – это крахмал, изменённый различными способами – физическим, ферментативным или химическим – для улучшения его функциональных свойств, таких как способность к загущению, гелеобразованию или стабилизации в различных условиях. Эти модификации делают его пригодным для разнообразных применений в пищевых продуктах, фармацевтических препаратах и промышленной продукции.
OSA-крахмал, или крахмал, модифицированный ангидридом октенилянтарной кислоты, представляет собой особый тип химически модифицированного крахмала, получаемый путём присоединения групп ангидрида октенилянтарной кислоты к молекуле крахмала. Эта модификация придаёт уникальные эмульгирующие свойства, благодаря которым OSA-крахмал особенно эффективен для стабилизации эмульсий типа «масло в воде». В то время как модифицированный крахмал в целом улучшает основные свойства, такие как вязкость или стабильность, OSA-крахмал специально разработан для обеспечения эмульгирующей способности, что делает его популярным в таких продуктах, как салатные заправки, соусы и напитки, где необходимы стабильные эмульсии. Узнайте больше об OSA-крахмале, этерифицированном с помощью ультразвука!