Proizvodnja škroba OSA – izboljšana esterifikacija s sonikacijo
Esterifikacija škrobov z anhidridom okteniljantarne kisline (OSA) je široko uporabljena tehnika modifikacije, ki je zlasti pomembna v živilski industriji za pridobivanje funkcionalnih škrobov z izboljšanimi lastnostmi. Vendar je tradicionalna modifikacija škroba z OSA v alkalnih pogojih časovno potratna in lahko omejuje učinkovitost in izvedljivost postopka. Ultrazvočno podprta esterifikacija je učinkovit alternativni pristop za pospeševanje esterifikacije škrobov z OSA. S sonikacijo se v primerjavi s konvencionalno alkalno esterifikacijo z OSA dosežeta višja stopnja substitucije (DS) in večja reakcijska učinkovitost (RE). To pomeni, da sonikacija omogoča razširitev področja uporabe esterificiranih škrobov v živilski industriji. Rezultati znanstvenih raziskav potrjujejo, da esterifikacija s pomočjo sonikacije pomeni učinkovit in okolju prijazen napredek pri modifikaciji škroba.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za obdelavo škrobov z veliko zmogljivostjo.
Ultrazvočna esterifikacija škroba z anhidridom okteniljantarne kisline
Škrobi so bistveni polisaharidi v živilski industriji, kjer se zaradi svojih edinstvenih lastnosti pogosto uporabljajo kot zgoščevalci, stabilizatorji in emulgatorji. Vendar funkcionalne omejitve nativnih škrobov pogosto zahtevajo modifikacije za izboljšanje njihovega delovanja. Esterifikacija z anhidridom okteniljantarne kisline (OSA) je postopek kemijske modifikacije, ki vnaša hidrofobne skupine ter s tem izboljša sposobnost škroba za emulgiranje in stabilizacijo. Kljub svoji učinkovitosti je konvencionalna esterifikacija z OSA v alkalnih pogojih dolgotrajen postopek. Ultrazvočno podprta esterifikacija je zelena tehnologija, ki lahko potencialno poveča stopnjo substitucije (DS) in reakcijsko učinkovitost (RE) škrobov OSA ter izboljša izrabo časa in virov.
Sonikacija izboljša esterifikacijo škroba OSA. Vpliv intenzivnosti ultrazvoka na mikrostrukturo škroba iz semen anata, esterificiranega z OSA.
Raziskava in slike: ©Keven Silva et al. 2022
Študija primera: ultrazvočna esterifikacija krompirjevega škroba z OSA
V raziskavi Martínez et al. (2024) so nativne škrobe iz andskega krompirja obdelali tako s konvencionalno alkalno esterifikacijo z OSA kot z ultrazvočno podprto esterifikacijo (US-OSA). Analizirali so morfologijo zrnc, molekularne značilnosti, toplotne lastnosti in reološko obnašanje nastalih škrobov, da bi ugotovili morebitne prednosti ultrazvočno podprte esterifikacije.
Vzorci škroba in postopek esterifikacije
Nativne škrobe iz andskega krompirja so esterificirali z dvema metodama:
- Konvencionalna esterifikacija z OSA (OSA) – izvedena v alkalnih pogojih z anhidridom okteniljantarne kisline.
- Ultrazvočno podprta esterifikacija z OSA (US-OSA) – pri kateri so med esterifikacijo uporabljali ultrazvočne valove za povečanje hitrosti in učinkovitosti reakcije.
Stopnja substitucije (DS) in reakcijska učinkovitost (RE)
S postopkom ultrazvočno podprte esterifikacije so pridobili škrobe z znatno višjo stopnjo substitucije (DS) in večjo reakcijsko učinkovitostjo (RE) kot pri konvencionalnih metodah. To izboljšanje je ključno, saj DS odraža obseg substitucije s hidrofobnimi skupinami na molekuli škroba, kar neposredno vpliva na njegove emulgirne lastnosti.
Visoka reakcijska učinkovitost pri ultrazvočno modificiranih škrobih OSA nakazuje, da ultrazvočni valovi povečujejo število trkov med molekulami in prodiranje molekul OSA v škrobna zrnca, potencialno zaradi učinkov kavitacije, ki izboljšajo prenos snovi in spodbujajo učinkovitejšo esterifikacijo.
Morfološke značilnosti
Mikroskopski pregled morfologije zrnc je razkril opazne razlike med škrobi OSA in ultrazvočno modificiranimi škrobi OSA. Medtem ko sta obe vrsti modificiranega škroba ohranili celovitost zrnc, so imela ultrazvočno modificirana zrnca OSA oluščene površine z nekaj porami, kar kaže, da je ultrazvočna obdelava blago vplivala na površinsko strukturo. Ta strukturna modifikacija, čeprav majhna, nakazuje izboljšano dostopnost škrobnih zrnc za esterifikacijo brez ogrožanja njihove celovitosti.
Poleg tega so imeli ultrazvočno modificirani škrobi OSA nižje vrednosti razpona, kar kaže na ožjo porazdelitev velikosti in bolj enotno populacijo zrnc. Ta enotnost bi lahko koristila pri določenih uporabah v živilstvu, kjer sta natančno določena tekstura in stabilnost bistveni.
Molekularne značilnosti
IR-spektroskopija in analiza XRD sta pokazali minimalne strukturne razlike med škrobi OSA in ultrazvočno modificiranimi škrobi OSA. Obe vrsti škroba sta ohranili značilno strukturo škroba brez zaznavnih sprememb v vzorcih kristaliničnosti, kar potrjuje, da ultrazvočno podprta obdelava ni bistveno porušila nativne strukture škroba.
Ta molekularna stabilnost je prednost, saj zagotavlja, da ultrazvočno podprta esterifikacija izboljša funkcionalnost brez spreminjanja osnovnega molekularnega ogrodja škroba, ki je ključno za ohranjanje želenih teksturnih lastnosti pri uporabi v živilstvu.
Toplotne lastnosti
Toplotno obnašanje, zlasti entalpija želatinizacije, se je razlikovalo med konvencionalnimi škrobi OSA in ultrazvočno modificiranimi škrobi OSA. Ultrazvočno modificirani škrobi OSA so imeli nižjo entalpijo želatinizacije kot konvencionalni škrobi OSA, kar nakazuje manjšo potrebo po energiji za želatinizacijo. Ta ugotovitev nakazuje, da lahko ultrazvočna obdelava olajša hidratacijo in želatinizacijo ter potencialno izboljša predelovalnost modificiranega škroba pri uporabah v živilstvu, ki vključujejo toplotno obdelavo.
Sonikacija izboljša esterifikacijo škrobov z OSA. Sonikacija poveča hitrost in učinkovitost reakcije brez spreminjanja molekularne strukture škroba ter tako ohrani njegove želene lastnosti za uporabo v živilstvu.
Reološke lastnosti
Ultrazvočno esterificirani škrobi OSA so izkazovali ugodne reološke lastnosti s profili viskoznosti, ki so bili podobni ali nekoliko izboljšani v primerjavi s konvencionalnimi škrobi OSA. Takšne lastnosti lahko izboljšajo njihovo delovanje pri uporabah, ki zahtevajo stabilne emulzije ali enakomerno viskoznost v različnih pogojih predelave.
Študija primera: ultrazvočno esterificirani škrob OSA iz semen anata
Raziskava Silva et al. (2013) je proučevala vpliv intenzivnosti sonikacije na esterifikacijo škroba iz semen anata z anhidridom okteniljantarne kisline (OSA), da bi razvili nov emulgator za koloidne sisteme. Ultrazvok so uporabljali pri različnih intenzivnostih (0, 5, 10 in 20 W/cm²) s kratkim časom obdelave (5 minut). Ključne ugotovitve so vključevale povečanje stopnje substitucije (DS) z višjo intenzivnostjo sonikacije, pri čemer je največja stopnja substitucije dosegla 0,139 ± 0,031 pri 20 W/cm². Obdelava s sonikacijo je prav tako povečala vsebnost amiloze za faktor 1,24–1,36 v primerjavi z vzorci brez sonikacije.
Morfologija zrnc je pri višjih intenzivnostih sonikacije razkrila gladke površine in jasno oblikovane eliptične delce, kar je zmanjšalo agregacijo zrnc. Rentgenski difrakcijski vzorci niso pokazali pomembnih kvalitativnih razlik, kar kaže, da ultrazvok ni spremenil kristalne strukture škroba. Modificirani škrobi so učinkovito stabilizirali emulzije olja iz semen anata v vodi, pri čemer so dosegli večje Sauterjeve srednje premere (14 ± 2 μm), vendar so skozi čas izkazovali večjo kinetično stabilnost kot komercialno modificirani škrobi. Na splošno se je ultrazvočno podprta modifikacija z OSA izkazala za hiter in učinkovit pristop za izboljšanje funkcionalnih lastnosti škroba iz semen anata kot emulgatorja.
Sonikatorji za esterifikacijo škroba z OSA
Industrijski sonikatorji Hielscher so visokozmogljive ultrazvočne naprave, ki se uporabljajo za izboljšanje esterifikacije škrobov z OSA, postopka, ki v molekule škroba vnaša hidrofobne skupine anhidrida okteniljantarne kisline (OSA). Z ultrazvočno kavitacijo ti sonikatorji ustvarjajo mikrocurke in močne strižne sile v škrobni suspenziji ter izboljšajo difuzijo OSA v škrobna zrnca in reakcijsko učinkovitost. To vodi do višje stopnje substitucije (DS) in izboljšane reakcijske učinkovitosti, pogosto dosežene v znatno krajšem času kot pri konvencionalnih metodah. Sonikatorji Hielscher so idealni za uporabo v industrijskem merilu, saj omogočajo natančno uravnavanje parametrov, kot so intenzivnost, frekvenca in trajanje, za optimizacijo postopka esterifikacije ter zagotavljajo enakomerno kakovost modificiranih škrobnih izdelkov z izboljšanimi emulgirnimi in stabilizacijskimi lastnostmi.
- visoka učinkovitost
- najsodobnejša tehnologija
- zanesljivost in robustnost
- prilagodljivo, natančno uravnavanje procesa
- šaržna in pretočna obdelava
- za poljubno prostornino
- inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. možnost programiranja, beleženje podatkov, daljinsko upravljanje)
- preprosto in varno upravljanje
- malo vzdrževanja
- CIP (čiščenje na mestu)
Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji
Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO, ki daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Literatura / reference
- Martínez, Patrcia; Peña, Fiorela; Bello-Pérez, Luis; Yee-Madeira, H.; Ibarz, Albert; Velezmoro, Carmen (2024): Ultrasound-Assisted Esterification of Andean Native Potato Starches Increases the Degree of Substitution and Reaction Efficiency. Potato Research 67, 2014. 711–732.
- Eric Keven Silva, Ana Gabriela da S. Anthero, Lucas B. Emerick, Giovani L. Zabot, Miriam D. Hubinger, Maria Angela A. Meireles (2022): Low-frequency ultrasound-assisted esterification of Bixa orellana L. seed starch with octenyl succinic anhydride. International Journal of Biological Macromolecules, Volume 207, 2022. 1-8.
- Manchun, S.; Nunthanid, Jurairat; Limmatvapirat, Sontaya; Sriamornsak, Pornsak (2012): Effect of Ultrasonic Treatment on Physical Properties of Tapioca Starch. Advanced Materials Research 506, 2012. 294-297.
- Herceg, Ivana; Režek Jambrak, Anet; Šubarić, Drago; Tripalo, Ježek, Damir; Novotni, Dubravka; Herceg, Zoran; Herceg, Novotni (2010): Texture and Pasting Properties of Ultrasonically Treated Corn Starch. Czech Journal of Food Sciences 28, 2010.
Pogosta vprašanja
Kaj je škrob OSA?
Škrob OSA je škrob, kemijsko modificiran z anhidridom okteniljantarne kisline (OSA), ki na molekulo škroba veže hidrofobne oktenilsukcinilne skupine. Ta modifikacija daje škrobu amfifilne lastnosti ter izboljša njegovo sposobnost delovanja kot emulgatorja in stabilizacije emulzij olja v vodi. Škrob OSA se pogosto uporablja v živilski industriji, saj združuje zgoščevalne lastnosti škroba z izboljšano emulgirno funkcionalnostjo, zato je primeren za uporabe, ki zahtevajo stabilne koloidne sisteme.
Kako se proizvaja škrob OSA?
Škrob OSA se proizvaja s postopkom esterifikacije, pri katerem nativni škrob (pogosto iz virov, kot so koruza, krompir ali tapioka) v alkalnih pogojih reagira z anhidridom okteniljantarne kisline (OSA). Sledi poenostavljen opis postopka:
- Priprava: Nativni škrob se dispergira v vodi, da nastane suspenzija, katere pH se nato prilagodi na alkalno vrednost (običajno z natrijevim hidroksidom), da se olajša reakcija.
- Dodajanje OSA: Anhidrid okteniljantarne kisline se počasi dodaja škrobni suspenziji, kjer reagira s hidroksilnimi skupinami na molekulah škroba in tvori estrske vezi, s čimer se oktenilsukcinilne skupine vežejo na škrobne verige.
- Uravnavanje reakcije: Reakcija se običajno uravnava z vzdrževanjem optimalne temperature, pH in pogojev mešanja, kar pomaga doseči želeno stopnjo substitucije (DS) – stopnjo vezave OSA na molekule škroba.
- Nevtralizacija in pranje: Ko reakcija doseže želeno DS, se zmes nevtralizira, običajno s kislino, kot je klorovodikova kislina, modificirani škrob pa se opere, da se odstranijo nezreagirani OSA in drugi stranski produkti.
- Sušenje: Modificirani škrob OSA se nato posuši, da se pridobi praškasta oblika, pripravljena za uporabo kot emulgator.
Raziskujejo se tudi nove metode, kot je ultrazvočno podprta esterifikacija, za izboljšanje učinkovitosti in skrajšanje reakcijskega časa tega postopka s povečanjem difuzije OSA v škrobna zrnca.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.