Виробництво OSA-крохмалю – Покращене естерифікування за допомогою ультразвукової обробки

Естерифікація крохмалів октенілсукциновим ангідридом (OSA) є широко застосовуваним методом модифікації, особливо актуальним у харчовій промисловості для створення функціональних крохмалів із покращеними властивостями. Однак традиційна модифікація OSA-крохмалю в лужних умовах є тривалою і може обмежувати ефективність та здійсненність процесу. Ультразвуково-асистоване естерифікування є ефективним альтернативним підходом для прискорення естерифікації крохмалів за допомогою OSA. Застосування ультразвукової обробки дозволяє досягти вищого ступеня заміщення (DS) та ефективності реакції (RE) порівняно з конвенційним лужним естерифікуванням OSA. Це означає, що ультразвукова обробка дозволяє розширити застосовність естерифікованих крохмалів у харчовій промисловості. Результати наукових досліджень підкреслюють ультразвуково-асистоване естерифікування як ефективний, екологічно чистий прогрес у модифікації крохмалів.

Ультразвукове естерифікування крохмалю з октенілсукциновим ангідридом

Крохмалі є важливими полісахаридами у харчовій промисловості, які широко використовуються як загусники, стабілізатори та емульгатори завдяки своїм унікальним властивостям. Однак функціональні обмеження нативних крохмалів часто вимагають модифікацій для покращення їхньої ефективності. Естерифікація за допомогою октенілсукцинового ангідриду (OSA) – це хімічний процес модифікації, який вводить гідрофобні групи, покращуючи емульгуючі та стабілізуючі здатності крохмалю. Попри свою ефективність, конвенційне естерифікування OSA в лужних умовах є тривалим процесом. Ультразвуково-асистоване естерифікування – це «зелена» технологія, яка потенційно може збільшити ступінь заміщення (DS) та ефективність реакції (RE) OSA-крохмалів, покращуючи використання часу та ресурсів.

Ультразвукова обробка покращує естерифікування OSA-крохмалю. Вплив інтенсивності ультразвуку на мікроструктуру OSA-естерифікованого крохмалю з насіння аннато.
Дослідження та зображення: ©Keven Silva et al. 2022

Кейс-стаді: Ультразвукове естерифікування OSA-крохмалю картоплі

У дослідженні Martínez et al. (2024) андські нативні крохмалі картоплі були піддані як конвенційному лужному естерифікуванню OSA, так і ультразвуково-асистованому (US-OSA) естерифікуванню. Вони проаналізували морфологію гранул, молекулярні характеристики, термічні властивості та реологічну поведінку отриманих крохмалів, щоб визначити потенційні переваги ультразвуково-асистованого естерифікування.

Зразки крохмалю та процедура естерифікації

Андські нативні крохмалі картоплі були естерифіковані двома методами:

• Конвенційне естерифікування OSA (OSA) – проведене в лужних умовах за допомогою октенілсукцинового ангідриду.
• Ультразвуково-асистоване естерифікування OSA (US-OSA) – де ультразвукові хвилі застосовувалися під час естерифікації для підвищення швидкості та ефективності реакції.

Ступінь заміщення (DS) та ефективність реакції (RE)

Процес ультразвуково-асистованого естерифікування виробив крохмалі зі значно вищим ступенем заміщення (DS) та ефективністю реакції (RE) порівняно з конвенційними методами. Це покращення є критичним, оскільки DS відображає ступінь заміщення гідрофобних груп на молекулі крохмалю, безпосередньо впливаючи на його емульгуючі властивості.
Висока ефективність реакції в ультразвуково модифікованих OSA-крохмалях свідчить про те, що ультразвукові хвилі посилюють молекулярні зіткнення та проникнення молекул OSA в гранули крохмалю, ймовірно, завдяки ефектам кавітації, які покращують масоперенесення та сприяють більш ефективному естерифікуванню.

Морфологічні характеристики

Мікроскопічне дослідження морфології гранул виявило помітні відмінності між крохмалем OSA та крохмалем OSA, модифікованим за допомогою ультразвуку. Хоча обидва модифіковані крохмалі зберегли цілісність гранул, гранули OSA, модифіковані ультразвуком, мали шорсткі поверхні з деякими порами, що свідчить про м’який вплив ультразвукової обробки на поверхневу структуру. Ця структурна модифікація, хоч і незначна, свідчить про покращену доступність крохмальних гранул для естерифікації без порушення цілісності гранул.
Крім того, крохмалі OSA, модифіковані ультразвуком, демонстрували нижчі значення span, що вказує на вужчий розподіл розмірів і більш однорідну популяцію гранул. Така однорідність може бути корисною для конкретних харчових застосувань, де важливі точна текстура та стабільність.

Молекулярні характеристики

ІЧ-спектроскопія та аналіз XRD показали мінімальні структурні відмінності між крохмалем OSA та крохмалем OSA, модифікованим за допомогою ультразвуку. Обидва типи крохмалів зберегли характерну структуру крохмалю, без виявлених змін у патернах кристалічності, що підтверджує, що ультразвукова обробка не порушила суттєво нативну структуру крохмалю.
Ця молекулярна стабільність є переважною, оскільки вона гарантує, що ультразвукова естерифікація покращує функціональність, не змінюючи фундаментальну молекулярну основу крохмалю, що є критичним для підтримки бажаних текстурних властивостей у харчових застосуваннях.

Термічні властивості

Термічна поведінка, зокрема ентальпія желатинізації, відрізнялася між звичайним крохмалем OSA та крохмалем OSA, модифікованим за допомогою ультразвуку. Крохмалі OSA, модифіковані ультразвуком, демонстрували нижчу ентальпію желатинізації порівняно зі звичайними крохмалями OSA, що свідчить про зменшену потребу в енергії для желатинізації. Цей висновок означає, що ультразвукова обробка може полегшити гідратацію та желатинізацію, потенційно покращуючи технологічність модифікованого крохмалю у харчових застосуваннях, що включають термічну обробку.

Реологічні властивості

Крохмалі OSA, естерифіковані ультразвуком, продемонстрували сприятливі реологічні властивості, з профілями в’язкості, подібними до або трохи покращеними порівняно зі звичайними крохмалями OSA. Такі властивості можуть покращити їхню ефективність у застосуваннях, що вимагають стабільних емульсій або постійної в’язкості за різних умов обробки.

Приклад: OSA-крохмаль, естерифікований ультразвуком, із насіння аннато

Дослідження Silva et al. (2013) вивчало вплив інтенсивності ультразвукової обробки на естерифікацію крохмалю насіння аннато октенілсукциновим ангідридом (OSA) з метою створення нового емульгатора для колоїдних систем. Ультразвук застосовували при різних інтенсивностях (0, 5, 10 та 20 W/cm²) протягом короткого часу обробки (5 хвилин). Основні результати включали збільшення ступеня заміщення (DS) з підвищенням інтенсивності ультразвукової обробки, досягаючи максимального ступеня заміщення 0,139 ± 0,031 при 20 W/cm². Ультразвукова обробка також збільшила вміст амілози в 1,24–1,36 рази порівняно зі зразками без ультразвукової обробки.
Морфологія гранул виявила гладкі поверхні та чітко визначені еліптичні частинки при вищих інтенсивностях ультразвукової обробки, що зменшило агрегацію гранул. Дифрактограми рентгенівських променів не показали суттєвих якісних відмінностей, що свідчить про те, що ультразвук не змінив кристалічну структуру крохмалю. Модифіковані крохмалі були ефективними для стабілізації емульсій олії насіння аннато у воді, досягаючи більших середніх діаметрів Sauter (14 ± 2 μm), але демонструючи більшу кінетичну стабільність у часі порівняно з комерційно модифікованими крохмалями. Загалом, модифікація OSA за допомогою ультразвуку виявилася швидким та ефективним підходом для покращення функціональних властивостей крохмалю насіння аннато як емульгатора.

Ультразвукові пристрої для естерифікації OSA-крохмалю

Промислові ультразвукові пристрої Hielscher – це високоефективні пристрої, що використовуються для інтенсифікації OSA-естерифікації крохмалів, процесу, який вводить гідрофобні групи октенілсукцинілового ангідриду (OSA) у молекули крохмалю. Завдяки ультразвуковій кавітації ці пристрої створюють мікрострумені та інтенсивні зсувні сили в суспензії крохмалю, покращуючи дифузію та ефективність реакції OSA у гранули крохмалю. Це призводить до вищого ступеня заміщення (DS) та покращеної ефективності реакції, часто досягається за значно коротший час порівняно з традиційними методами. Ультразвукові пристрої Hielscher ідеально підходять для промислових застосувань, пропонуючи точний контроль над параметрами, такими як інтенсивність, частота та тривалість, для оптимізації процесу естерифікації, забезпечуючи стабільну якість модифікованих крохмальних продуктів для покращених емульгуючих та стабілізуючих властивостей.

Розробка, виробництво та консалтинг – Якість, вироблена в Німеччині

Ультразвукові пристрої Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Міцність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові пристрої в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими пристроями Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим пристроям, що мають передові технології та зручний інтерфейс користувача. Звичайно, ультразвукові пристрої Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових пристроїв: