Produktion av OSA-stärkelse – Förbättrad förestring genom ultraljudsbehandling

Förestring av stärkelse med oktenylbärnstensanhydrid (OSA) är en allmänt tillämpad modifieringsteknik, särskilt relevant inom livsmedelsindustrin för att skapa funktionell stärkelse 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 alternativt tillvägagångssätt för att påskynda förestringen av stärkelse med OSA. Genom att tillämpa ultraljudsbehandling uppnås en högre grad av substitution (DS) och reaktionseffektivitet (RE) jämfört med konventionell alkalisk OSA-förestring. Detta innebär ultraljudsbehandling möjliggör en utvidgning och tillämpligheten av förestrade stärkelse i livsmedelsindustrin. Resultaten av vetenskapliga studier understryker ultraljudsbehandling-assisterad förestring som en effektiv, miljövänlig framsteg inom stärkelsemodifiering.

Ultraljudsförestring av Octenyl Succinic Anhydrid-stärkelse

Stärkelse är essentiella polysackarider inom livsmedelsindustrin och används ofta som förtjockningsmedel, stabilisatorer och emulgeringsmedel på grund av deras unika egenskaper. De funktionella begränsningarna hos naturlig stärkelse kräver dock ofta modifieringar för att förbättra deras prestanda. Förestring med oktenylbärnstensanhydrid (OSA) är en kemisk modifieringsprocess som introducerar hydrofoba grupper, vilket förbättrar stärkelsens emulgerande och stabiliserande förmåga. Trots sin effektivitet är konventionell OSA-förestring under alkaliska förhållanden en långdragen process. Ultraljudsassisterad förestring är en grön teknik som potentiellt kan öka graden av substitution (DS) och reaktionseffektivitet (RE) hos OSA-stärkelse, vilket förbättrar tid och resurser.

Ultraljudsbehandling förbättrar förestringen av OSA-stärkelse. Effekt av ultraljudsintensitet på mikrostrukturen hos den OSA-förestrade annattofröstärkelsen.
Studie och bilder: ©Keven Silva et al. 2022

Fallstudie: Ultraljudsförestring av OSA-potatisstärkelse

I studien av Martínez et al. (2024) utsattes andinsk inhemsk potatisstärkelse för både konventionell alkalisk OSA-esterifiering och ultraljudsassisterad (US-OSA) förestring. De analyserade granulernas morfologi, molekylära egenskaper, termiska egenskaper och reologiska beteenden hos de resulterande stärkelserna för att bestämma de potentiella fördelarna med ultraljudsassisterad förestring.

Stärkelseprover och förestringsförfarande

Inhemsk potatisstärkelse i Anderna förestrats med hjälp av två metoder:

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

Substitutionsgrad (DS) och reaktionseffektivitet (RE)

Den ultraljudsassisterade förestringsprocessen producerade stärkelse med en signifikant högre grad av substitution (DS) och reaktionseffektivitet (RE) jämfört med konventionella metoder. Denna förbättring är avgörande, eftersom DS återspeglar omfattningen av hydrofob gruppsubstitution på stärkelsemolekylen, vilket direkt påverkar dess emulgerande egenskaper.
Den höga reaktionseffektiviteten i ultraljudsmodifierad OSA-stärkelse tyder på att ultraljudsvågor förbättrar molekylära kollisioner och penetrationen av OSA-molekyler i stärkelsegranuler, potentiellt på grund av kavitationseffekter, vilket förbättrar massöverföringen och främjar effektivare förestring.

Morfologiska egenskaper

Mikroskopisk undersökning av granulatets morfologi avslöjade anmärkningsvärda skillnader mellan OSA och ultraljudsmodifierad OSA-stärkelse. Medan båda modifierade stärkelserna behöll granulatets integritet, visade ultraljudsmodifierade OSA-granulat flagnade ytor med vissa porer, vilket indikerar att ultraljudsbehandlingen hade en mild inverkan på ytstrukturen. Denna strukturella förändring, om än liten, tyder på förbättrad tillgänglighet av stärkelsegranulat för förestring utan att kompromissa med granulatets integritet.
Dessutom uppvisade ultraljudsmodifierade OSA-stärkelse lägre spännvärden, vilket indikerar en smalare storleksfördelning och en mer enhetlig granulatpopulation. Denna konsistens kan vara till nytta för specifika livsmedelstillämpningar där exakt konsistens och stabilitet är avgörande.

Molekylära egenskaper

IR-spektroskopi och XRD-analys visade minimala strukturella skillnader mellan OSA och ultraljudsmodifierad OSA-stärkelse. Båda stärkelsetyperna behöll den karakteristiska stärkelsestrukturen, utan några detekterbara förändringar i kristallinitetsmönstren, vilket bekräftar att ultraljudsassisterad behandling inte störde stärkelsens ursprungliga struktur signifikant.
Denna molekylära stabilitet är fördelaktig, eftersom den säkerställer att ultraljudsassisterad förestring förbättrar funktionaliteten utan att ändra stärkelsens grundläggande molekylära ramverk, vilket är avgörande för att upprätthålla önskvärda texturella egenskaper i livsmedelsapplikationer.

Termiska egenskaper

Det termiska beteendet, särskilt gelatiniseringsentalpi, skilde sig mellan konventionell OSA och ultraljudsmodifierad OSA-stärkelse. Den ultraljudsmodifierade OSA-stärkelsen uppvisade en lägre gelatiniseringsentalpi jämfört med konventionell OSA-stärkelse, vilket tyder på ett minskat energibehov för gelatinisering. Detta fynd innebär att ultraljudsbehandlingen kan underlätta hydrering och gelatinisering, vilket potentiellt kan förbättra den modifierade stärkelsens bearbetbarhet i livsmedelsapplikationer som involverar termisk bearbetning.

Reologiska egenskaper

Ultraljudsförestrade OSA-stärkelse uppvisade gynnsamma reologiska egenskaper, med viskositetsprofiler som liknar eller förbättras något jämfört med konventionell OSA-stärkelse. Sådana egenskaper kan förbättra deras prestanda i applikationer som kräver stabila emulsioner eller konsekvent viskositet under varierande bearbetningsförhållanden.

Fallstudie: Ultraljudsföresatt OSA-stärkelse från annattofrön

Studien av Silva et al. (2013) undersökte effekten av ultraljudsbehandling intensitet på förestringen av annattofröstärkelse med octenyl succinic anhydrid (OSA), i syfte att skapa ett nytt emulgeringsmedel för kolloidala system. Ultraljud applicerades med varierande intensitet (0, 5, 10 och 20 W/cm²) under en kort bearbetningstid (5 minuter). Viktiga resultat inkluderade en ökning av substitutionsgraden (DS) med högre ultraljudsbehandling intensitet, nå en maximal substitutionsgrad på 0,139 ± 0,031 vid 20 W/cm². Ultraljudsbehandlingen ökade också amylosinnehållet med 1,24–1,36 gånger jämfört med prover utan ultraljudsbehandling.
Granulologi avslöjade släta ytor och väldefinierade elliptiska partiklar vid högre ultraljudsbehandlingsintensiteter, vilket minskade granulaggregeringen. Röntgendiffraktionsmönstren visade inga signifikanta kvalitativa skillnader, vilket tyder på att ultraljud inte förändrade stärkelsens kristallina struktur. De modifierade stärkelserna var effektiva för att stabilisera annattofröolja-i-vatten-emulsioner, och uppnådde större Sauter-medeldiametrar (14 ± 2 μm) men uppvisade större kinetisk stabilitet över tid jämfört med kommersiellt modifierad stärkelse. Sammantaget visade sig ultraljudsassisterad OSA-modifiering vara ett snabbt och effektivt tillvägagångssätt för att förbättra de funktionella egenskaperna hos annattofröstärkelse som emulgeringsmedel.

Sonikatorer för OSA-stärkelseförestring

Hielscher industriella sonikatorer är högpresterande ultraljudsenheter som används för att förbättra OSA-förestring av stärkelse, en process som introducerar hydrofoba oktenylbärnstensanhydridgrupper (OSA) till stärkelsemolekyler. Genom ultraljud kavitation, dessa sonikatorer skapa mikrojets och intensiva skjuvkrafter i stärkelse suspension, förbättra diffusion och reaktion effektivitet av OSA i stärkelse granuler. Detta resulterar i en högre substitutionsgrad (DS) och förbättrad reaktionseffektivitet, vilket ofta uppnås på betydligt kortare tid jämfört med konventionella metoder. Hielscher sonikatorer är idealiska för applikationer i industriell skala, och erbjuder exakt kontroll över parametrar som intensitet, frekvens och varaktighet för att optimera förestringsprocessen, vilket säkerställer konsekvent kvalitet i modifierade stärkelseprodukter för förbättrade emulgerande och stabiliserande egenskaper.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: