Производња OSA скроба – побољшана естерификација соникацијом

Естерификација скробова анхидридом октенилћилибарне киселине (OSA) широко је примењивана техника модификације, посебно значајна у прехрамбеној индустрији за добијање функционалних скробова са побољшаним својствима. Међутим, традиционална модификација скроба помоћу OSA у алкалним условима захтева много времена и може ограничити ефикасност и изводљивост процеса. Естерификација потпомогнута ултразвуком ефикасан је алтернативни приступ убрзавању естерификације скробова помоћу OSA. Применом соникације постижу се виши степен супституције (DS) и већа ефикасност реакције (RE) у поређењу са конвенционалном естерификацијом помоћу OSA у алкалним условима. То значи да соникација омогућава проширење примене естерификованих скробова у прехрамбеној индустрији. Резултати научних истраживања истичу естерификацију потпомогнуту соникацијом као ефикасан, еколошки прихватљив напредак у модификацији скроба.

Ултразвучна естерификација скроба анхидридом октенилћилибарне киселине

Скробови су важни полисахариди у прехрамбеној индустрији, који се због својих јединствених својстава широко користе као згушњивачи, стабилизатори и емулгатори. Међутим, функционална ограничења нативних скробова често захтевају модификације ради побољшања њихових перформанси. Естерификација анхидридом октенилћилибарне киселине (OSA) процес је хемијске модификације којим се уводе хидрофобне групе, чиме се побољшавају емулгујућа и стабилизујућа својства скроба. Упркос својој ефикасности, конвенционална естерификација помоћу OSA у алкалним условима дуготрајан је процес. Естерификација потпомогнута ултразвуком еколошка је технологија која потенцијално може повећати степен супституције (DS) и ефикасност реакције (RE) код OSA скробова, уз ефикасније коришћење времена и ресурса.

Соникација побољшава естерификацију OSA скроба. Утицај интензитета ултразвука на микроструктуру скроба семена аната естерификованог помоћу OSA.
Студија и слике: ©Keven Silva et al. 2022

Студија случаја: ултразвучна естерификација OSA скроба кромпира

У студији Martínez et al. (2024), нативни скробови андског кромпира подвргнути су и конвенционалној естерификацији помоћу OSA у алкалним условима и естерификацији потпомогнутој ултразвуком (US-OSA). Истраживачи су анализирали морфологију гранула, молекулске карактеристике, термичка својства и реолошко понашање добијених скробова како би утврдили потенцијалне предности естерификације потпомогнуте ултразвуком.

Узорци скроба и поступак естерификације

Нативни скробови андског кромпира естерификовани су применом две методе:

• Конвенционална естерификација помоћу OSA (OSA) – спроведена у алкалним условима са анхидридом октенилћилибарне киселине.
• Естерификација помоћу OSA потпомогнута ултразвуком (US-OSA) – при којој су током естерификације примењивани ултразвучни таласи ради повећања брзине и делотворности реакције.

Степен супституције (DS) и ефикасност реакције (RE)

Процесом естерификације потпомогнуте ултразвуком добијени су скробови са значајно вишим степеном супституције (DS) и већом ефикасношћу реакције (RE) у поређењу са конвенционалним методама. Ово побољшање је кључно, јер DS одражава обим супституције хидрофобним групама на молекулу скроба, што директно утиче на његова емулгујућа својства.
Висока ефикасност реакције код ултразвучно модификованих OSA скробова указује на то да ултразвучни таласи поспешују сударе молекула и продирање молекула OSA у грануле скроба, потенцијално услед кавитационих ефеката, који побољшавају пренос масе и подстичу ефикаснију естерификацију.

Морфолошке карактеристике

Микроскопским испитивањем морфологије гранула откривене су значајне разлике између OSA скробова и ултразвучно модификованих OSA скробова. Иако су обе врсте модификованих скробова задржале интегритет гранула, ултразвучно модификоване OSA грануле имале су ољуштене површине са понеком пором, што указује на то да је ултразвучни третман имао благ утицај на површинску структуру. Ова структурна модификација, иако незнатна, указује на побољшану доступност скробних гранула за естерификацију без нарушавања њиховог интегритета.
Поред тога, ултразвучно модификовани OSA скробови показали су ниже вредности распона, што указује на ужу расподелу величине и уједначенију популацију гранула. Ова уједначеност могла би бити корисна у одређеним применама у прехрамбеној индустрији у којима су прецизна текстура и стабилност од суштинског значаја.

Молекулске карактеристике

IR спектроскопија и XRD анализа показале су минималне структурне разлике између OSA скробова и ултразвучно модификованих OSA скробова. Обе врсте скроба задржале су карактеристичну структуру скроба, без уочљивих промена у обрасцима кристалности, чиме је потврђено да третман потпомогнут ултразвуком није значајно нарушио нативну структуру скроба.
Ова молекулска стабилност је предност јер обезбеђује да естерификација потпомогнута ултразвуком побољшава функционалност без промене основног молекулског скелета скроба, што је пресудно за очување пожељних текстурних својстава у прехрамбеним применама.

Термичка својства

Термичко понашање, конкретно енталпија желатинизације, разликовало се између конвенционалних OSA скробова и ултразвучно модификованих OSA скробова. Ултразвучно модификовани OSA скробови имали су нижу енталпију желатинизације у поређењу са конвенционалним OSA скробовима, што указује на смањену потребу за енергијом за желатинизацију. Овај налаз указује на то да ултразвучни третман може олакшати хидратацију и желатинизацију, чиме се потенцијално побољшава прерадивост модификованог скроба у прехрамбеним применама које укључују термичку обраду.

Реолошка својства

Ултразвучно естерификовани OSA скробови показали су повољна реолошка својства, са профилима вискозности сличним или благо побољшаним у поређењу са конвенционалним OSA скробовима. Таква својства могу побољшати њихов учинак у применама које захтевају стабилне емулзије или уједначену вискозност при променљивим условима обраде.

Студија случаја: Ултразвучно естерификовани OSA скроб из семена аната

У студији Silva и сар. (2013) испитиван је утицај интензитета соникације на естерификацију скроба из семена аната анхидридом октенилћилибарне киселине (OSA), са циљем стварања новог емулгатора за колоидне системе. Ултразвук је примењиван при различитим интензитетима (0, 5, 10 и 20 W/cm²) током кратког времена обраде (5 минута). Кључни налази обухватали су повећање степена супституције (DS) са повећањем интензитета соникације, при чему је достигнут максимални степен супституције од 0,139 ± 0,031 при 20 W/cm². Третман соникацијом такође је повећао садржај амилозе за 1,24–1,36 пута у поређењу са узорцима без соникације.
Испитивањем морфологије гранула уочене су глатке површине и јасно дефинисане елиптичне честице при вишим интензитетима соникације, који су смањили агрегацију гранула. Дифрактограми рендгенских зрака нису показали значајне квалитативне разлике, што указује на то да ултразвук није променио кристалну структуру скроба. Модификовани скробови били су ефикасни у стабилизацији емулзија уља из семена аната у води, при чему су постигнути већи Заутерови средњи пречници (14 ± 2 μm), али су показали већу кинетичку стабилност током времена у поређењу са комерцијално модификованим скробовима. У целини, OSA модификација потпомогнута ултразвуком показала се као брз и ефикасан приступ побољшању функционалних својстава скроба из семена аната као емулгатора.

Соникатори за естерификацију OSA-скроба

Индустријски соникатори Hielscher су ултразвучни уређаји високих перформанси који се користе за побољшање OSA-естерификације скроба, процеса којим се у молекуле скроба уводе хидрофобне групе анхидрида октенилсукцинске киселине (OSA). Посредством ултразвучне кавитације, ови соникатори стварају микромлазеве и интензивне силе смицања у суспензији скроба, побољшавајући дифузију OSA у грануле скроба и ефикасност реакције. То доводи до вишег степена супституције (DS) и побољшане ефикасности реакције, што се често постиже за знатно краће време у поређењу са конвенционалним методама. Соникатори Hielscher су идеални за примене у индустријским размерама и омогућавају прецизну контролу параметара као што су интензитет, фреквенција и трајање ради оптимизације процеса естерификације, обезбеђујући уједначен квалитет производа од модификованог скроба са побољшаним емулгујућим и стабилизујућим својствима.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher су познати по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher су усаглашени са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје оријентациони преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: