Ultrazvuková modifikácia suspenzií škrobových granúl
Škrob sa dá ľahko extrahovať z prírodných zdrojov, ako sú zemiaky či kukurica. Modifikácia škrobu je potrebná na zlepšenie jeho fyzikálnych a chemických vlastností. Ultrazvukové reaktory Hielscher podporujú fyzikálnu, chemickú a enzymatickú modifikáciu škrobu, ktorá vedie k lepším funkčným vlastnostiam na použitie v potravinárskom aj nepotravinárskom priemysle.
Pre väčšinu komerčných aplikácií sa škroby musia chemicky alebo fyzikálne modifikovať, aby sa zlepšili ich pozitívne vlastnosti alebo minimalizovali ich nedostatky. Pôsobenie ultrazvuku je vysoko účinným prostriedkom na fyzikálnu, chemickú a enzymatickú modifikáciu škrobov. Ultrazvukové zariadenia Hielscher prenášajú do škrobových suspenzií ultrazvukové vlny s veľmi vysokou intenzitou. Výsledná ultrazvuková kavitácia podporuje:
- deaglomeráciu a dispergovanie
- mechanickú degradáciu a narušenie
- prenikanie do granúl a ich napučiavanie
- prenos hmoty
- tvorbu radikálov
- chemickú reaktivitu
- zahrievanie
Chemická modifikácia škrobu
Narušenie granúl ultrazvukovou kavitáciou spojené s ľahším prenikaním kvapaliny do škrobových granúl vedie k zlepšeniu reakčnej kinetiky esterifikácie, éterifikácie, hydroxypropylácie alebo oxidácie a kyslej modifikácie škrobových polymérov. Ultrazvukové reaktory Hielscher sú navrhnuté na kontinuálne spracovanie v prietoku. Vyššie reakčné rýchlosti vedú k zvýšeniu kapacity reakčnej nádoby.
Alkalická modifikácia škrobu
Pri výrobe mnohých komerčných derivátov škrobu sa do vodných škrobových suspenzií pridávajú reaktívne organické činidlá, pričom sa reguluje alkalita a teplota. Esterifikácia škrobov sa vo všeobecnosti vykonáva pri pH 7 až 9. Na éterifikáciu škrobov sa bežne používa pH 11 až 12. Typické procesné teploty sú približne 60°C. Bez sonikácie je stupeň substitúcie komerčných škrobov často nižší ako 0,2. Pôsobenie ultrazvuku napomáha substitúcii, čím vzniká škrob lepšie rozpustný v studenej vode.
Kyslá modifikácia škrobu
Reakcia suspenzie škrobových granúl so zriedenou kyselinou chlorovodíkovou alebo sírovou pri teplote 40 až 60°C vedie k vzniku škrobov so zvýšenou tekutosťou alebo škrobov so zníženou viskozitou. Tieto čiastočne depolymerizované škroby poskytujú produkty, ktoré vytvárajú nižšiu viskozitu. Oktenylsukcináty škrobu sa čiastočne depolymerizujú, aby sa pri sušení zapuzdrených produktov rozprašovaním mohol použiť vyšší obsah sušiny. Pôsobenie ultrazvuku počas miernej kyslej hydrolýzy môže rozrušiť agregáty nanočastíc, ktoré sa tvoria počas hydrolýzy. Tým sa zvyšuje výťažok škrobových nanočastíc.
Molekula amylopektínu
Neutralizácia suspenzie
Po procese sa reakčná suspenzia neutralizuje, napr. pridaním kyseliny chlorovodíkovej alebo sírovej po alkalickom spracovaní.
Premývanie škrobu
Po neutralizácii suspenzií modifikovaného škrobu nasleduje premývanie vodou, napríklad protiprúdové premývanie v hydrocyklónoch. V tejto fáze pôsobenie ultrazvuku napomáha premývaniu a oplachovaniu jednotlivých škrobových častíc. Ultrazvuková kavitácia disperguje aglomeráty škrobových granúl a zvyšuje prenos hmoty v medznej vrstve medzi škrobovými granulami a vodnou fázou.
Filtrácia a sušenie škrobu
Ultrazvukové zariadenia Hielscher sa používajú pri ultrafiltračných alebo nanofiltračných procesoch, ako aj pri následnom sušení rozprašovaním.
Fyzikálna modifikácia škrobu (mechanická)
Fyzikálna modifikácia škrobov nezahŕňa použitie chemikálií. Pôsobenie ultrazvuku však vedie k zmenám molekulovej štruktúry škrobu, po ktorých nasledujú zmeny fyzikálno-chemických vlastností a funkčnosti. Prudké kavitačné šmykové sily deformujú kryštalickú oblasť v škrobových granulách. Polymérne reťazce v blízkosti kolabujúcich mikrobublín sa zachytávajú v šmykovom poli s vysokým gradientom, čo vedie k štiepeniu makromolekulových väzieb C-C a tvorbe radikálov s dlhými reťazcami. Snímky sonikovaných škrobových granúl zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) ukazujú mechanické poškodenia, ako sú trhliny, priehlbiny a jamky. Výsledkom je vyššia schopnosť absorbovať vodu, vyššia napučiavacia schopnosť a zvýšená rozpustnosť. Tento účinok je výraznejší pri vyšších amplitúdach sonikácie. Sonikácia sondou je preto pri modifikácii škrobu oveľa účinnejšia než sonikácia v ultrazvukovom kúpeli. Intenzívne ultrazvukové spracovanie vedie k väčšiemu narušeniu granúl v porovnaní s natívnym alebo tepelne upraveným škrobom.
Škroby esterifikované OSA pomocou ultrazvuku
Škroby esterifikované OSA pomocou ultrazvuku vykazovali vyšší stupeň substitúcie (DS) a vyššiu účinnosť reakcie (RE) spolu s malými, no priaznivými morfologickými zmenami, ktoré môžu rozšíriť ich funkčnosť v potravinových systémoch. Sonikácia zvyšuje rýchlosť a účinnosť reakcie bez zmeny molekulovej štruktúry škrobu, čím zachováva jeho žiaduce vlastnosti pre potravinárske aplikácie.
Tieto výsledky naznačujú, že esterifikácia podporovaná ultrazvukom by mohla predstavovať ekologickú technológiu, ktorá ponúka energeticky úsporný a časovo nenáročný prístup k modifikácii škrobu. Možnosť zväčšenia rozsahu esterifikácie podporovanej sonikáciou by mohla priniesť revolúciu v procese modifikácie škrobov v potravinárskej vede, podporiť ciele udržateľnej výroby a rozšíriť priemyselné využitie esterifikovaných škrobov.
Prečítajte si viac o OSA škrobe esterifikovanom pomocou ultrazvuku!
Mikrosnímky SEM pšeničných škrobových granúl: (a) nesonikované, (b) sonikované 20min, (c) sonikované 40min., (d) sonikované 60min.
Štúdia a snímky: ©Majzoobi et al., 2015
Pôsobenie ultrazvuku môže výrazne znížiť teplotu začiatku mazovatenia. Škrobové gély pripravené zo sonikovaných škrobových granúl vykazujú v porovnaní s natívnym škrobom vyššiu tvrdosť a vyššie hodnoty priľnavosti a súdržnosti. Priľnavosť, súdržnosť, pružnosť a gumovitosť sa pri ultrazvukovej modifikácii škrobu výrazne zvyšujú.
Pôsobenie ultrazvuku si vyžaduje oveľa menší energetický vstup a oveľa menej zaťažujúce podmienky spracovania než konvenčné postupy modifikácie škrobu. Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové reaktory na komerčné spracovanie.
Vyžiadajte si ďalšie informácie!
Ak ste vedec zaoberajúci sa výskumom modifikácie škrobu, procesný inžinier, ktorý sa snaží zlepšiť existujúce procesy spracovania škrobu, produktový inžinier vyvíjajúci lepšie alebo nové produkty, alebo ak máte akýkoľvek iný záujem o modifikáciu škrobu: Kontaktujte nás! Radi s vami prediskutujeme potenciál a výhody pôsobenia ultrazvuku pri modifikácii a využití škrobu. Vyplňte, prosím, nižšie uvedený formulár!
Využitie škrobu
Modifikovaný škrob sa používa v širokej škále potravinárskych aj nepotravinárskych aplikácií. Oktenylsukcináty škrobu sú dôležitým stabilizátorom emulzií oleja vo vode. Pri výrobe papiera katiónové škroby zlepšujú pevnosť za mokra aj za sucha, stabilizujú emulzie a pôsobia ako prostriedky na povrchové glejenie. Mnohé systémy prísad do mokrej časti papierenského stroja obsahujú anorganické mikročastice (koloidný oxid kremičitý, bentonit) a syntetické polyméry spolu s modifikovaným škrobom. Medzi ďalšie použitia patria škrobové latexové disperzie alebo granulovaný škrob ako plnivo do polymérov.
Vedecké články o modifikácii škrobu podporovanej ultrazvukom
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat a P.Sriamornsak (2012): Vplyv ultrazvukového spracovania na fyzikálne vlastnosti tapiokového škrobu, v: Advanced Materials Research zv. 506 (2012) s. 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): Vplyv ultrazvuku na fyzikálne vlastnosti kukuričného škrobu, 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): Textúra a vlastnosti pri mazovatení kukuričného škrobu ošetreného ultrazvukom, in: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye a V. Heinz (2002): Zlepšenie výživových vlastností rastlinných potravín netepelným spracovaním, in: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Často kladené otázky
Aké sú prírodné zdroje škrobu?
Škrob pochádza z rôznych prírodných zdrojov, ako sú: kukurica, vosková kukurica, kukurica s vysokým obsahom amylózy, tapioka, zemiaky, pšenica, ryža, vosková ryža, hrach (hrach s hladkými semenami, hrach so zvráskavenými semenami), ságo, ovos, jačmeň, raž, amarant, sladké zemiaky, ovos, obilniny, kravinec, quinoa, šošovica, drobnozrnná biela fazuľa, cirok, maranta alebo maniok.
Čo je modifikovaný škrob?
Modifikovaný škrob je škrob, ktorý bol fyzikálne, enzymaticky alebo chemicky upravený na zlepšenie jeho úžitkových vlastností v potravinárskych a priemyselných aplikáciách. Tieto úpravy zlepšujú vlastnosti, ako sú rozpustnosť, viskozita, gélovatenie a stabilita za rôznych podmienok, napríklad pri pôsobení tepla alebo v kyslom prostredí. Modifikované škroby, bežne získavané z prírodných zdrojov, ako sú kukurica, zemiaky a tapioka, sa používajú ako zahusťovadlá, stabilizátory a emulgátory na zlepšenie textúry a predĺženie trvanlivosti spracovaných potravín, farmaceutických a iných výrobkov.
Aký je rozdiel medzi modifikovaným škrobom a OSA škrobom?
Modifikovaný škrob označuje škrob, ktorý bol upravený rôznymi spôsobmi – fyzikálne, enzymaticky alebo chemicky – na zlepšenie jeho funkčných vlastností, ako sú zahusťovanie, gélovatenie alebo stabilizácia za rôznych podmienok. Vďaka týmto úpravám je vhodný na rozmanité použitie v potravinách, farmaceutických a priemyselných výrobkoch.
OSA škrob, čiže škrob modifikovaný anhydridom kyseliny oktenyljantárovej, je špecifický typ chemicky modifikovaného škrobu, ktorý vzniká naviazaním skupín anhydridu kyseliny oktenyljantárovej na molekulu škrobu. Táto modifikácia mu dodáva jedinečné emulgačné vlastnosti, vďaka ktorým je OSA škrob obzvlášť účinný pri stabilizácii emulzií typu olej vo vode. Zatiaľ čo modifikovaný škrob vo všeobecnosti zlepšuje základné vlastnosti, ako sú viskozita alebo stabilita, OSA škrob je špeciálne upravený tak, aby poskytoval emulgačné schopnosti, vďaka čomu je obľúbený vo výrobkoch, ako sú šalátové dresingy, omáčky a nápoje, v ktorých sú stabilné emulzie nevyhnutné. Prečítajte si viac o OSA škrobe esterifikovanom ultrazvukom!