การผลิตแป้ง OSA – ปรับปรุงเอสเทอริฟิเคชันด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

เอสเทอริฟิเคชันของแป้งด้วย octenyl succinic anhydride (OSA) เป็นเทคนิคการดัดแปรที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมอาหารเพื่อผลิตแป้งเชิงหน้าที่ที่มีสมบัติดีขึ้น อย่างไรก็ตาม การดัดแปรแป้ง OSA แบบดั้งเดิมภายใต้สภาวะด่างใช้เวลานาน และอาจจำกัดประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการดำเนินกระบวนการ เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเป็นแนวทางทางเลือกที่มีประสิทธิผลในการเร่งเอสเทอริฟิเคชันของแป้งด้วย OSA การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้ได้ระดับการแทนที่ (DS) และประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (RE) สูงกว่าเอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA ภายใต้สภาวะด่างแบบทั่วไป ซึ่งหมายความว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้แป้งที่ผ่านเอสเทอริฟิเคชันในอุตสาหกรรมอาหาร ผลการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเป็นความก้าวหน้าในการดัดแปรแป้งที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เอสเทอริฟิเคชันของแป้งด้วย Octenyl Succinic Anhydride โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก

แป้งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่สำคัญในอุตสาหกรรมอาหาร และใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารเพิ่มความข้น สารให้ความคงตัว และสารทำอิมัลชัน เนื่องจากมีสมบัติเฉพาะตัว อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดด้านหน้าที่ของแป้งธรรมชาติมักทำให้จำเป็นต้องดัดแปรแป้งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน เอสเทอริฟิเคชันด้วย octenyl succinic anhydride (OSA) เป็นกระบวนการดัดแปรทางเคมีที่เพิ่มหมู่ไม่ชอบน้ำ ทำให้แป้งมีความสามารถในการทำอิมัลชันและให้ความคงตัวดีขึ้น แม้จะมีประสิทธิผล แต่เอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA ภายใต้สภาวะด่างแบบทั่วไปเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานาน เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเป็นเทคโนโลยีสีเขียวที่มีศักยภาพในการเพิ่มระดับการแทนที่ (DS) และประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (RE) ของแป้ง OSA ทำให้การใช้เวลาและทรัพยากรมีประสิทธิภาพดีขึ้น

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงเอสเทอริฟิเคชันของแป้ง OSA ผลของความเข้มของคลื่นอัลตราโซนิกต่อโครงสร้างจุลภาคของแป้งเมล็ดคำแสดที่ผ่านเอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA
การศึกษาและภาพ: ©Keven Silva และคณะ 2022

กรณีศึกษา: เอสเทอริฟิเคชันของแป้งมันฝรั่ง OSA โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก

ในการศึกษาของ Martínez และคณะ (2024) แป้งธรรมชาติจากมันฝรั่งพื้นเมืองแอนดีสผ่านทั้งเอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA ภายใต้สภาวะด่างแบบทั่วไป และเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย (US-OSA) คณะผู้วิจัยวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของเม็ดแป้ง ลักษณะทางโมเลกุล สมบัติทางความร้อน และพฤติกรรมทางรีโอโลยีของแป้งที่ได้ เพื่อประเมินข้อได้เปรียบที่อาจเกิดขึ้นจากเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย

ตัวอย่างแป้งและขั้นตอนเอสเทอริฟิเคชัน

แป้งธรรมชาติจากมันฝรั่งพื้นเมืองแอนดีสผ่านเอสเทอริฟิเคชันด้วยสองวิธี:

• เอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA แบบทั่วไป (OSA) – ดำเนินการภายใต้สภาวะด่างด้วย octenyl succinic anhydride
• เอสเทอริฟิเคชันด้วย OSA โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย (US-OSA) – ใช้คลื่นอัลตราโซนิกระหว่างเอสเทอริฟิเคชันเพื่อเพิ่มอัตราและประสิทธิผลของปฏิกิริยา

ระดับการแทนที่ (DS) และประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (RE)

กระบวนการเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้แป้งที่มีระดับการแทนที่ (DS) และประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (RE) สูงกว่าวิธีทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ การเพิ่มขึ้นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจาก DS สะท้อนระดับการแทนที่ด้วยหมู่ไม่ชอบน้ำบนโมเลกุลแป้ง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสมบัติการทำอิมัลชันของแป้ง
ประสิทธิภาพของปฏิกิริยาที่สูงในแป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิกบ่งชี้ว่าคลื่นอัลตราโซนิกเพิ่มการชนกันของโมเลกุลและการแทรกซึมของโมเลกุล OSA เข้าไปในเม็ดแป้ง ซึ่งอาจเกิดจากผลของคาวิเทชันที่ช่วยปรับปรุงการถ่ายเทมวลและส่งเสริมเอสเทอริฟิเคชันให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ลักษณะทางสัณฐานวิทยา

การตรวจสอบสัณฐานวิทยาของเม็ดแป้งด้วยกล้องจุลทรรศน์เผยให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างแป้ง OSA กับแป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิก แม้แป้งดัดแปรทั้งสองชนิดจะยังคงความสมบูรณ์ของเม็ดแป้งไว้ แต่เม็ดแป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมีพื้นผิวหลุดลอกและมีรูพรุนบางส่วน แสดงว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกมีผลต่อโครงสร้างพื้นผิวเพียงเล็กน้อย การดัดแปรโครงสร้างนี้ แม้จะเล็กน้อย แต่บ่งชี้ว่าเม็ดแป้งเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับเอสเทอริฟิเคชัน โดยไม่ลดทอนความสมบูรณ์ของเม็ดแป้ง
นอกจากนี้ แป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมีค่า span ต่ำกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการกระจายขนาดแคบลงและเม็ดแป้งมีขนาดสม่ำเสมอมากขึ้น ความสม่ำเสมอนี้อาจเป็นประโยชน์ต่อการประยุกต์ใช้ในอาหารบางประเภทที่ต้องการเนื้อสัมผัสที่แม่นยำและความคงตัว

ลักษณะทางโมเลกุล

สเปกโทรสโกปี IR และการวิเคราะห์ XRD แสดงความแตกต่างทางโครงสร้างเพียงเล็กน้อยระหว่างแป้ง OSA กับแป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิก แป้งทั้งสองชนิดยังคงโครงสร้างเฉพาะของแป้งไว้ โดยไม่พบการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบความเป็นผลึกที่ตรวจวัดได้ ยืนยันว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยไม่ได้รบกวนโครงสร้างดั้งเดิมของแป้งอย่างมีนัยสำคัญ
ความคงตัวระดับโมเลกุลนี้เป็นข้อได้เปรียบ เนื่องจากทำให้มั่นใจได้ว่าเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มสมบัติเชิงหน้าที่โดยไม่เปลี่ยนแปลงโครงร่างโมเลกุลพื้นฐานของแป้ง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาสมบัติด้านเนื้อสัมผัสที่ต้องการในการประยุกต์ใช้ในอาหาร

สมบัติทางความร้อน

พฤติกรรมทางความร้อน โดยเฉพาะเอนทัลปีของการเกิดเจลาติไนเซชัน แตกต่างกันระหว่างแป้ง OSA แบบทั่วไปกับแป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิก แป้ง OSA ที่ดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมีเอนทัลปีของการเกิดเจลาติไนเซชันต่ำกว่าแป้ง OSA แบบทั่วไป ซึ่งบ่งชี้ว่าต้องใช้พลังงานในการเกิดเจลาติไนเซชันน้อยลง ผลการค้นพบนี้บ่งชี้ว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกอาจช่วยให้การดูดน้ำและการเกิดเจลาติไนเซชันเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น และอาจเพิ่มความสามารถในการแปรรูปของแป้งดัดแปรในการประยุกต์ใช้ในอาหารที่เกี่ยวข้องกับการแปรรูปด้วยความร้อน

สมบัติทางรีโอโลยี

แป้ง OSA ที่ผ่านเอสเทอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแสดงสมบัติทางรีโอโลยีที่ดี โดยมีลักษณะความหนืดใกล้เคียงหรือดีขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแป้ง OSA แบบทั่วไป สมบัติดังกล่าวสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานในการประยุกต์ใช้ที่ต้องการอิมัลชันที่คงตัว หรือความหนืดที่สม่ำเสมอภายใต้สภาวะการแปรรูปที่เปลี่ยนแปลง

กรณีศึกษา: แป้ง OSA จากเมล็ดคำแสดที่ผ่านเอสเทอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การศึกษาของ Silva และคณะ (2013) ตรวจสอบผลของความเข้มในการใช้คลื่นอัลตราโซนิกต่อเอสเทอริฟิเคชันของแป้งเมล็ดคำแสดด้วย octenyl succinic anhydride (OSA) โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างสารทำอิมัลชันชนิดใหม่สำหรับระบบคอลลอยด์ ใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่ความเข้มต่างกัน (0, 5, 10 และ 20 W/cm²) โดยใช้เวลาแปรรูปสั้น (5 นาที) ผลการค้นพบสำคัญรวมถึงระดับการแทนที่ (DS) ที่เพิ่มขึ้นตามความเข้มในการใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่สูงขึ้น โดยมีระดับการแทนที่สูงสุด 0.139 ± 0.031 ที่ 20 W/cm² การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังเพิ่มปริมาณอะไมโลสเป็น 1.24–1.36 เท่าเมื่อเทียบกับตัวอย่างที่ไม่ได้ใช้คลื่นอัลตราโซนิก
สัณฐานวิทยาของเม็ดแป้งแสดงให้เห็นพื้นผิวเรียบและอนุภาครูปรีที่มีรูปร่างชัดเจนเมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่ความเข้มสูงขึ้น ซึ่งลดการรวมกลุ่มของเม็ดแป้ง รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ไม่แสดงความแตกต่างเชิงคุณภาพอย่างมีนัยสำคัญ บ่งชี้ว่าคลื่นอัลตราโซนิกไม่ได้เปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของแป้ง แป้งดัดแปรมีประสิทธิผลในการทำให้อิมัลชันน้ำมันเมล็ดคำแสดในน้ำมีความคงตัว โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยแบบ Sauter ใหญ่กว่า (14 ± 2 μm) แต่มีเสถียรภาพเชิงจลนศาสตร์ตามเวลาสูงกว่าแป้งดัดแปรเชิงพาณิชย์ โดยรวมแล้ว การดัดแปรด้วย OSA โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยพิสูจน์ว่าเป็นแนวทางที่รวดเร็วและมีประสิทธิผลในการเพิ่มสมบัติเชิงหน้าที่ของแป้งเมล็ดคำแสดสำหรับใช้เป็นสารทำอิมัลชัน

เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับเอสเทอริฟิเคชันของแป้ง OSA

เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมของ Hielscher เป็นอุปกรณ์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่ใช้เพิ่มประสิทธิผลของเอสเทอริฟิเคชันของแป้งด้วย OSA ซึ่งเป็นกระบวนการเพิ่มหมู่ octenyl succinic anhydride (OSA) ที่ไม่ชอบน้ำให้กับโมเลกุลแป้ง เครื่องอัลตราโซนิกเหล่านี้สร้างกระแสพุ่งขนาดจุลภาคและแรงเฉือนรุนแรงในสารแขวนลอยแป้งผ่านคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิก ทำให้การแพร่ของ OSA เข้าไปในเม็ดแป้งและประสิทธิภาพของปฏิกิริยาดีขึ้น ส่งผลให้ระดับการแทนที่ (DS) สูงขึ้นและประสิทธิภาพของปฏิกิริยาดีขึ้น ซึ่งมักทำได้ในเวลาที่สั้นกว่าวิธีทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้ในระดับอุตสาหกรรม โดยให้การควบคุมพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น ความเข้ม ความถี่ และระยะเวลาอย่างแม่นยำ เพื่อปรับกระบวนการเอสเทอริฟิเคชันให้เหมาะสมที่สุด ทำให้มั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์แป้งดัดแปรมีคุณภาพสม่ำเสมอ พร้อมสมบัติการทำอิมัลชันและการให้ความคงตัวที่ดีขึ้น

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นที่รู้จักในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานง่ายทำให้สามารถผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher สามารถรับมือกับสภาวะรุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher สอดคล้องกับข้อกำหนด CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: