Produktion av OSA-stärkelse – förbättrad förestring genom ultraljudsbehandling

Förestring av stärkelser med oktenylbärnstenssyraanhydrid (OSA) är en mycket använd modifieringsteknik, särskilt relevant inom livsmedelsindustrin för att framställa funktionella stärkelser med förbättrade egenskaper. Traditionell modifiering av OSA-stärkelse under alkaliska förhållanden är dock tidskrävande och kan begränsa processens effektivitet och genomförbarhet. Ultraljudsassisterad förestring är ett effektivt alternativ för att påskynda förestringen av stärkelser med OSA. Genom ultraljudsbehandling uppnås en högre substitutionsgrad (DS) och reaktionseffektivitet (RE) jämfört med konventionell alkalisk OSA-förestring. Detta innebär att ultraljudsbehandling möjliggör en utökad användning av förestrade stärkelser inom livsmedelsindustrin. Resultaten från vetenskapliga studier framhäver ultraljudsassisterad förestring som ett effektivt och miljövänligt framsteg inom stärkelsemodifiering.

Ultraljudsförestring av stärkelse med oktenylbärnstenssyraanhydrid

Stärkelser är viktiga polysackarider inom livsmedelsindustrin och används i stor utsträckning som förtjockningsmedel, stabiliseringsmedel och emulgeringsmedel tack vare sina unika egenskaper. De funktionella begränsningarna hos nativa stärkelser gör dock ofta modifieringar nödvändiga för att förbättra deras prestanda. Förestring med oktenylbärnstenssyraanhydrid (OSA) är en kemisk modifieringsprocess som inför hydrofoba grupper och därigenom förbättrar stärkelsens emulgerande och stabiliserande förmåga. Trots sin effektivitet är konventionell OSA-förestring under alkaliska förhållanden en tidskrävande process. Ultraljudsassisterad förestring är en grön teknik som potentiellt kan öka substitutionsgraden (DS) och reaktionseffektiviteten (RE) hos OSA-stärkelser och förbättra tids- och resursutnyttjandet.

Ultraljudsbehandling förbättrar förestringen av OSA-stärkelse. Ultraljudsintensitetens inverkan på mikrostrukturen hos OSA-förestrad stärkelse från annattofrön.
Studie och bilder: ©Keven Silva et al. 2022

Fallstudie: Ultraljudsförestring av OSA-potatisstärkelse

I studien av Martínez et al. (2024) utsattes nativa potatisstärkelser från Anderna för både konventionell alkalisk OSA-förestring och ultraljudsassisterad förestring (US-OSA). Forskarna analyserade granulernas morfologi, de molekylära egenskaperna, de termiska egenskaperna och det reologiska beteendet hos de resulterande stärkelserna för att fastställa de potentiella fördelarna med ultraljudsassisterad förestring.

Stärkelseprover och förestringsförfarande

Nativa potatisstärkelser från Anderna förestrades med två metoder:

• Konventionell OSA-förestring (OSA) – utförd under alkaliska förhållanden med oktenylbärnstenssyraanhydrid.
• Ultraljudsassisterad OSA-förestring (US-OSA) – där ultraljudsvågor applicerades under förestringen för att öka reaktionshastigheten och effektiviteten.

Substitutionsgrad (DS) och reaktionseffektivitet (RE)

Den ultraljudsassisterade förestringsprocessen gav stärkelser med en signifikant högre substitutionsgrad (DS) och reaktionseffektivitet (RE) jämfört med konventionella metoder. Denna förbättring är avgörande, eftersom DS återspeglar omfattningen av substitution med hydrofoba grupper på stärkelsemolekylen, vilket direkt påverkar dess emulgerande egenskaper.
Den höga reaktionseffektiviteten hos ultraljudsmodifierade OSA-stärkelser tyder på att ultraljudsvågor ökar molekylkollisionerna och OSA-molekylernas inträngning i stärkelsegranulerna, potentiellt på grund av kavitationseffekter, som förbättrar massöverföringen och främjar effektivare förestring.

Morfologiska egenskaper

Mikroskopisk undersökning av granulernas morfologi visade på tydliga skillnader mellan OSA-stärkelser och ultraljudsmodifierade OSA-stärkelser. Båda typerna av modifierad stärkelse bibehöll granulernas integritet, men de ultraljudsmodifierade OSA-granulerna uppvisade avskalade ytor med vissa porer, vilket tyder på att ultraljudsbehandlingen hade en mild inverkan på ytstrukturen. Denna strukturella modifiering, om än liten, tyder på att stärkelsegranulerna blir mer tillgängliga för förestring utan att granulernas integritet äventyras.
Dessutom uppvisade ultraljudsmodifierade OSA-stärkelser lägre span-värden, vilket tyder på en snävare storleksfördelning och en mer enhetlig granulpopulation. Denna enhetlighet skulle kunna vara till fördel i specifika livsmedelstillämpningar där exakt textur och stabilitet är avgörande.

Molekylära egenskaper

IR-spektroskopi och XRD-analys visade minimala strukturella skillnader mellan OSA-stärkelser och ultraljudsmodifierade OSA-stärkelser. Båda stärkelsetyperna bibehöll den karakteristiska stärkelsestrukturen utan detekterbara förändringar i kristallinitetsmönstren, vilket bekräftar att den ultraljudsassisterade behandlingen inte störde stärkelsens nativa struktur i någon betydande utsträckning.
Denna molekylära stabilitet är fördelaktig eftersom den säkerställer att ultraljudsassisterad förestring förbättrar funktionaliteten utan att förändra stärkelsens grundläggande molekylära struktur, vilket är avgörande för att bibehålla önskvärda texturegenskaper i livsmedelstillämpningar.

Termiska egenskaper

Det termiska beteendet, särskilt förklistringsentalpin, skilde sig mellan konventionella OSA-stärkelser och ultraljudsmodifierade OSA-stärkelser. De ultraljudsmodifierade OSA-stärkelserna uppvisade en lägre förklistringsentalpi än konventionella OSA-stärkelser, vilket tyder på ett minskat energibehov för förklistring. Detta resultat antyder att ultraljudsbehandlingen kan underlätta hydrering och förklistring och därmed potentiellt förbättra den modifierade stärkelsens bearbetbarhet i livsmedelstillämpningar som omfattar termisk bearbetning.

Reologiska egenskaper

Ultraljudsförestrade OSA-stärkelser uppvisade gynnsamma reologiska egenskaper, med viskositetsprofiler som liknade eller var något förbättrade jämfört med konventionella OSA-stärkelser. Sådana egenskaper kan förbättra deras prestanda i tillämpningar som kräver stabila emulsioner eller jämn viskositet under varierande bearbetningsförhållanden.

Fallstudie: Ultraljudsförestrad OSA-stärkelse från annattofrön

Studien av Silva et al. (2013) undersökte effekten av ultraljudsintensitet på förestring av stärkelse från annattofrön med oktenylbärnstenssyraanhydrid (OSA), med målet att skapa ett nytt emulgeringsmedel för kolloidala system. Ultraljud applicerades vid varierande intensiteter (0, 5, 10 och 20 W/cm²) under en kort bearbetningstid (5 minuter). Bland de viktigaste resultaten var att substitutionsgraden (DS) ökade med högre ultraljudsintensitet och nådde en maximal substitutionsgrad på 0,139 ± 0,031 vid 20 W/cm². Ultraljudsbehandlingen ökade också amyloshalten med en faktor på 1,24–1,36 jämfört med prover utan ultraljudsbehandling.
Granulernas morfologi uppvisade släta ytor och väldefinierade elliptiska partiklar vid högre ultraljudsintensiteter, vilket minskade granulernas aggregering. Röntgendiffraktionsmönstren visade inga signifikanta kvalitativa skillnader, vilket tyder på att ultraljud inte förändrade stärkelsens kristallina struktur. De modifierade stärkelserna stabiliserade effektivt olja-i-vatten-emulsioner med olja från annattofrön och gav större Sauter-medeldiametrar (14 ± 2 μm), men uppvisade högre kinetisk stabilitet över tid jämfört med kommersiellt modifierade stärkelser. Sammantaget visade sig ultraljudsassisterad OSA-modifiering vara en snabb och effektiv metod för att förbättra de funktionella egenskaperna hos stärkelse från annattofrön som emulgeringsmedel.

Ultraljudsapparater för förestring av OSA-stärkelse

Hielschers industriella ultraljudsapparater är högpresterande ultraljudsenheter som används för att förbättra OSA-förestring av stärkelse, en process som inför hydrofoba oktenylbärnstenssyraanhydridgrupper (OSA-grupper) i stärkelsemolekyler. Genom ultraljudskavitation skapar dessa ultraljudsapparater mikrostrålar och intensiva skjuvkrafter i stärkelsesuspensionen, vilket förbättrar diffusionen av OSA in i stärkelsegranuler och reaktionseffektiviteten. Detta resulterar i en högre substitutionsgrad (DS) och förbättrad reaktionseffektivitet, ofta på betydligt kortare tid jämfört med konventionella metoder. Hielschers ultraljudsapparater är idealiska för tillämpningar i industriell skala och erbjuder exakt kontroll över parametrar som intensitet, frekvens och varaktighet för att optimera förestringsprocessen och säkerställa jämn kvalitet hos modifierade stärkelseprodukter med förbättrade emulgerande och stabiliserande egenskaper.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med toppmodern teknik och användarvänlighet. Självklart uppfyller Hielschers ultraljudsapparater CE-kraven och kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: