Ultrazvočna modifikacija suspenzij škrobnih zrnc
Škrob je mogoče preprosto pridobiti iz naravnih virov, kot so krompir, koruza ali koruza. Modifikacija škroba je potrebna za izboljšanje njegovih fizikalnih in kemijskih lastnosti. Ultrazvočni reaktorji Hielscher spodbujajo fizikalno, kemijsko in encimsko modifikacijo škroba, ki izboljša njegove funkcionalne lastnosti za uporabo v živilski in neživilski industriji.
Za večino komercialnih uporab je treba škrobe kemijsko ali fizikalno modificirati, da se izboljšajo njihove pozitivne lastnosti ali zmanjšajo njihove pomanjkljivosti. Sonikacija je zelo učinkovita metoda za fizikalno, kemijsko in encimsko modifikacijo škrobov. Ultrazvočne naprave Hielscher prenašajo zelo intenzivne ultrazvočne valove v škrobne suspenzije. Nastala ultrazvočna kavitacija spodbuja:
- deaglomeracijo in dispergiranje
- mehansko razgradnjo in porušitev strukture
- prodiranje v zrnca in njihovo nabrekanje
- prenos snovi
- nastajanje radikalov
- kemijsko reaktivnost
- segrevanje
Kemijska modifikacija škroba
Porušitev strukture zrnc zaradi ultrazvočne kavitacije skupaj z lažjim prodiranjem tekočine v škrobna zrnca izboljša reakcijsko kinetiko esterifikacije, eterifikacije, hidroksipropilacije ali oksidacije ter kislinske modifikacije škrobnih polimerov. Ultrazvočni reaktorji Hielscher so zasnovani za neprekinjeno obdelavo v pretočnem sistemu. Višje reakcijske hitrosti povečajo proizvodno zmogljivost reakcijske posode.
Alkalna modifikacija škroba
Pri proizvodnji številnih komercialnih škrobnih derivatov se vodnim škrobnim suspenzijam dodajajo reaktivni organski reagenti ob nadzorovanju alkalnosti in temperature. Esterifikacija škrobov običajno poteka pri pH od 7 do 9. Za eterifikacijo škrobov se pogosto uporablja pH od 11 do 12. Običajne procesne temperature so približno 60°C. Brez sonikacije je stopnja substitucije komercialnih škrobov pogosto manjša od 0,2. Sonikacija pospešuje substitucijo, zaradi česar je škrob bolje topen v hladni vodi.
Kislinska modifikacija škroba
Pri reakciji suspenzije škrobnih zrnc z razredčeno klorovodikovo ali žveplovo kislino pri 40 do 60°C nastanejo škrobi z večjo tekočnostjo oziroma škrobi z zmanjšano viskoznostjo. Ti delno depolimerizirani škrobi dajejo izdelke z nižjo viskoznostjo. Škrobni oktenilsukcinati se delno depolimerizirajo, da se pri sušenju enkapsuliranih izdelkov z razprševanjem lahko uporabi višja vsebnost suhe snovi. Sonikacija med blago kislinsko hidrolizo lahko razdruži agregate nanodelcev, ki nastanejo med hidrolizo. S tem se poveča izkoristek pridobivanja škrobnih nanodelcev.
Molekula amilopektina
Nevtralizacija suspenzije
Po postopku se reakcijska suspenzija nevtralizira, na primer z dodajanjem klorovodikove ali žveplove kisline po alkalni obdelavi.
Pranje škroba
Nevtralizaciji modificiranih škrobnih suspenzij sledi pranje z vodo, na primer protitočno pranje v hidrociklonih. V tej fazi sonikacija pomaga pri pranju in izpiranju posameznih škrobnih delcev. Ultrazvočna kavitacija dispergira aglomerate škrobnih zrnc in poveča prenos snovi v mejni plasti med škrobnimi zrnci in vodno fazo.
Filtracija in sušenje škroba
Ultrazvočne naprave Hielscher se uporabljajo pri postopkih ultrafiltracije ali nanofiltracije ter pri naknadnem sušenju z razprševanjem.
Fizikalna modifikacija škroba (mehanska)
Fizikalna modifikacija škrobov ne vključuje uporabe kemikalij. Kljub temu sonikacija povzroči spremembe molekulske strukture škroba, ki jim sledijo spremembe fizikalno-kemijskih lastnosti in funkcionalnosti. Silovite kavitacijske strižne sile deformirajo kristalinično območje v škrobnih zrncih. Polimerne verige v bližini sesedajočih se mikromehurčkov se ujamejo v strižno polje z visokim gradientom, kar povzroči pretrganje makromolekulskih vezi C-C in nastanek dolgoverižnih radikalov. Posnetki sonikiranih škrobnih zrnc z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) kažejo mehanske poškodbe, kot so razpoke, vdolbine in jamice. To poveča sposobnost absorpcije vode, sposobnost nabrekanja in topnost. Ta učinek je izrazitejši pri višjih amplitudah sonikacije. Zato je sonikacija s sondo veliko učinkovitejša za modifikacijo škroba kot sonikacija v ultrazvočni kopeli. Intenzivna ultrazvočna obdelava povzroči izrazitejšo porušitev strukture zrnc v primerjavi z nativnim ali toplotno obdelanim škrobom.
Škrobi, esterificirani z OSA s pomočjo ultrazvoka
Škrobi, esterificirani z OSA s pomočjo ultrazvoka, so pokazali višjo stopnjo substitucije (DS) in večjo učinkovitost reakcije (RE), skupaj z manjšimi, vendar koristnimi morfološkimi spremembami, ki lahko razširijo njihovo funkcionalnost v živilskih sistemih. Sonikacija poveča reakcijsko hitrost in učinkovitost, ne da bi spremenila molekulsko strukturo škroba, ter tako ohranja njegove zaželene lastnosti za uporabo v živilih.
Ti rezultati kažejo, da bi esterifikacija s pomočjo ultrazvoka lahko predstavljala zeleno tehnologijo, ki omogoča energijsko učinkovit pristop k modifikaciji škroba s prihrankom časa. Možnost povečanja obsega esterifikacije s pomočjo sonikacije bi lahko revolucionirala postopek modifikacije škrobov v živilski znanosti, ga uskladila s cilji trajnostne proizvodnje in razširila uporabo esterificiranih škrobov v industriji.
Preberite več o škrobu OSA, esterificiranem s pomočjo ultrazvoka!
Mikrografije SEM pšeničnih škrobnih zrnc: (a) brez sonikacije, (b) po 20min sonikacije, (c) po 40min. sonikacije, (d) po 60min sonikacije.
Raziskava in slike: ©Majzoobi et al., 2015
Sonikacija lahko znatno zniža temperaturo začetka zaklejenja. Škrobni geli, pripravljeni iz sonikiranih škrobnih zrnc, imajo večjo trdoto ter višje vrednosti adhezivnosti in kohezivnosti v primerjavi z nativnim škrobom. Adhezivnost, kohezivnost, prožnost in gumijavost se z ultrazvočno modifikacijo škroba znatno povečajo.
Sonikacija zahteva veliko manjši vnos energije in manj obremenjujoče pogoje obdelave kot običajni postopki modifikacije škroba. Hielscher Ultrasonics dobavlja ultrazvočne reaktorje visoke moči za komercialno obdelavo.
Zaprosite za več informacij!
Če ste znanstvenik, ki raziskuje modifikacijo škroba, procesni inženir, ki želi izboljšati obstoječe postopke obdelave škroba, razvojni inženir, ki razvija boljše ali nove izdelke, ali če vas modifikacija škroba zanima iz katerega koli drugega razloga: stopite v stik z nami! Z veseljem se bomo z vami pogovorili o potencialu in prednostih sonikacije za modifikacijo in uporabo škroba. Izpolnite spodnji obrazec!
Uporaba škroba
Modificirani škrob se uporablja v številnih živilskih in neživilskih aplikacijah. Škrobni oktenilsukcinati so pomemben stabilizator emulzij olja v vodi. Pri izdelavi papirja kationski škrobi izboljšajo trdnost v mokrem in suhem stanju, stabilizirajo emulzije in delujejo kot sredstva za površinsko klejenje. Številni sistemi dodatkov za mokri del papirnega stroja vključujejo anorganske mikrodelce (koloidni silicijev dioksid, bentonit) in sintetične polimere skupaj z modificiranim škrobom. Druge uporabe vključujejo škrobno-lateksne disperzije ali zrnati škrob kot polnilo za polimere.
Znanstveni članki o modifikaciji škroba s pomočjo ultrazvoka
-
- S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat in P.Sriamornsak (2012): Vpliv ultrazvočne obdelave na fizikalne lastnosti tapiokinega škroba, v: Advanced Materials Research, zv. 506 (2012), str. 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): Vpliv ultrazvoka na fizikalne lastnosti koruznega škroba, v: 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): Tekstura in lastnosti zaklejevanja ultrazvočno obdelanega koruznega škroba, v: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- D. Knorr, B. I. O. Ade-Omowaye in V. Heinz (2002): Izboljšanje hranilne vrednosti rastlinskih živil z netoplotno obdelavo, v: Proceedings of the Nutrition Society (2002), 61, 311–318. [PDF]
Pogosta vprašanja
Kateri so naravni viri škroba?
Škrob izvira iz različnih naravnih virov, kot so: koruza, voskasta koruza, koruza z visoko vsebnostjo amiloze, tapioka, krompir, pšenica, riž, voskasti riž, grah (gladki grah, nagubani grah), sago, oves, ječmen, rž, amarant, sladki krompir, oves, žita, kravja milnica, kvinoja, leča, drobni beli fižol, sirek, maranta ali manioka.
Kaj je modificirani škrob?
Modificirani škrob je škrob, ki je bil fizikalno, encimsko ali kemijsko spremenjen, da se izboljša njegovo delovanje pri uporabi v živilih in industriji. Te modifikacije izboljšajo lastnosti, kot so topnost, viskoznost, tvorba gela in stabilnost v različnih pogojih, na primer pri visoki temperaturi ali v kislem okolju. Modificirani škrobi, ki se običajno pridobivajo iz naravnih virov, kot so koruza, krompir in tapioka, se uporabljajo kot zgoščevala, stabilizatorji in emulgatorji za izboljšanje teksture in podaljšanje roka uporabnosti predelanih živil, farmacevtskih izdelkov in drugih izdelkov.
Kakšna je razlika med modificiranim škrobom in škrobom OSA?
Modificirani škrob označuje škrob, ki je bil spremenjen na različne načine – fizikalno, encimsko ali kemijsko – za izboljšanje njegovih funkcionalnih lastnosti, kot so zgoščevanje, tvorba gela ali stabiliziranje v različnih pogojih. Zaradi teh modifikacij je primeren za raznovrstno uporabo v živilih, farmacevtskih in industrijskih izdelkih.
Škrob OSA oziroma škrob z anhidridom okteniljantarne kisline je posebna vrsta kemijsko modificiranega škroba, ki nastane z vezavo skupin anhidrida okteniljantarne kisline na molekulo škroba. Ta modifikacija mu daje edinstvene emulgirne lastnosti, zaradi katerih je škrob OSA posebej učinkovit pri stabilizaciji emulzij olja v vodi. Medtem ko modificirani škrob na splošno izboljša osnovne lastnosti, kot sta viskoznost ali stabilnost, je škrob OSA posebej prilagojen za zagotavljanje sposobnosti emulgiranja, zato je priljubljen v izdelkih, kot so solatni prelivi, omake in pijače, kjer so stabilne emulzije bistvenega pomena. Preberite več o škrobu OSA, esterificiranem s pomočjo ultrazvoka!