Ультразвукова модифікація суспензій гранул крохмалю
Крохмаль легко виділяється з природних джерел, таких як картопля, кукурудза або маїс. Модифікація крохмалю необхідна для покращення його фізичних і хімічних властивостей. Ультразвукові реактори Hielscher сприяють фізичній, хімічній та ферментативній модифікації крохмалю, що призводить до кращих функціональних властивостей для використання у харчовій та нехарчовій промисловості.
Для більшості комерційних застосувань крохмалі повинні бути модифіковані хімічно або фізично, щоб посилити їхні позитивні характеристики або мінімізувати їхні недоліки. Ультразвукова обробка є високоефективним засобом для фізичної, хімічної та ферментативної модифікації крохмалів. Пристрої Hielscher передають високі інтенсивні ультразвукові хвилі в суспензії крохмалю. Отримана ультразвукова кавітація сприяє:
- деагломерації та дисперсії
- механічному руйнуванню та розриву
- проникненню та набуханню гранул
- масопереносу
- утворенню радикалів
- хімічній реакційній здатності
- нагріванню
Хімічна модифікація крохмалю
Ультразвукове кавітаційне руйнування гранули, пов’язане з полегшенням проникнення рідини в гранулу крохмалю, призводить до покращення кінетики реакцій естерифікації, етерифікації, гідроксипропілування або окиснення та кислотного модифікування полімерів крохмалю. Ультразвукові реактори Hielscher розроблені для безперервної обробки в лінії. Вищі швидкості реакції призводять до збільшення ємності реакційного котла.
Лужна модифікація крохмалю
Для виробництва багатьох комерційних похідних крохмалю реактивні органічні реагенти додаються до водних суспензій крохмалю при контролюванні лужності та температури. Естерифікація крохмалів зазвичай проводиться при pH 7–9. pH 11–12 зазвичай використовується для етерифікації крохмалів. Типові температури процесу становлять приблизно 60°C. Без ультразвукової обробки ступінь заміщення комерційних крохмалів часто менший за 0,2. Ультразвукова обробка сприяє заміщенню, що призводить до отримання більш розчинного у холодній воді крохмалю.
Кислотна модифікація крохмалю
Реакція гранульованої суспензії крохмалю з розведеною хлоридною або сульфатною кислотою при 40–60°C призводить до отримання крохмалів з підвищеною текучістю або розріджених крохмалів. Ці частково деполяризовані крохмалі виробляють продукти, які генерують меншу в’язкість. Октенілсукцинати крохмалю частково деполяризовані, щоб дозволити використовувати вищий вміст твердих речовин під час розпилювального сушіння інкапсульованих продуктів. Ультразвукова обробка під час м’якого кислотного гідролізу може дисоціювати наночастинкові агрегати, що утворюються під час гідролізу. Це збільшує вихід наночастинок крохмалю.
Молекула амілопектину
Нейтралізація суспензії
Після процесу реакційна суспензія нейтралізується, наприклад, додаванням хлоридної або сульфатної кислоти після лужної обробки.
Промивання крохмалю
Водне промивання, таке як протиточне промивання у гідроциклонах, слідує за нейтралізацією модифікованих суспензій крохмалю. На цьому етапі ультразвукова обробка сприяє промиванню та ополіскуванню окремих частинок крохмалю. Ультразвукова кавітація диспергує агломерати гранул крохмалю та збільшує масоперенос у граничному шарі між гранулами крохмалю та водною фазою.
Фільтрація та сушіння крохмалю
Пристрої Hielscher використовуються для процесів ультрафільтрації або нанофільтрації, а також для подальшого розпилювального сушіння.
Фізична модифікація крохмалю (механічна)
Фізична модифікація крохмалів не передбачає використання хімічних речовин. Проте ультразвукова обробка призводить до змін у молекулярній структурі крохмалю, за якими слідую варіації фізико-хімічних властивостей та функціональності. Інтенсивні кавітаційні зсувні сили спотворюють кристалічну область у гранулах крохмалю. Полімерні ланцюги поблизу колапсуючих мікробульбонів потрапляють у поле високого градієнта зсуву, що призводить до розриву макромолекулярних C-C зв’язків та утворення радикалів довгих ланцюгів. Зображення СЕМ (скануючої електронної мікроскопії) ультразвуково оброблених гранул крохмалю демонструють механічні пошкодження, такі як тріщини, заглиблення та вибоїни. Це призводить до вищої поглинальної здатності води, вищої набухальної здатності та підвищеної розчинності. Цей ефект є кращим для вищих амплітуд ультразвукової обробки. Тому зондова ультразвукова обробка є набагато ефективнішою для модифікації крохмалю, ніж ультразвукова обробка ваннового типу. Інтенсивна ультразвукова обробка демонструє більш порушені гранули порівняно з нативним або термічно обробленим крохмалем.
Крохмалі, етерифіковані OSA за допомогою ультразвуку
Крохмалі, етерифіковані OSA за допомогою ультразвуку, продемонстрували вищий ступінь заміщення (DS) та ефективність реакції (RE), поєднані з незначними, але корисними морфологічними змінами, які можуть розширити їхню функціональність у харчових системах. Ультразвукова обробка підвищує швидкість та ефективність реакції без зміни молекулярної структури крохмалю, зберігаючи таким чином його бажані властивості для харчових застосувань.
Ці результати свідчать про те, що ультразвуково-асистоване етерифікування може представляти собою «зелену» технологію, пропонуючи енергоефективний, часозберігаючий підхід до модифікації крохмалю. Потенціал масштабування ультразвуково-асистованого етерифікування може революціонізувати процес модифікації крохмалів у харчовій науці, узгоджуючись із цілями сталого виробництва та розширюючи застосування етерифікованих крохмалів у промисловості.
Докладніше про крохмалі OSA, етерифіковані за допомогою ультразвуку!
Мікрографії СЕМ для: (a) необроблених ультразвуком, (b) оброблених ультразвуком протягом 20 хв, (c) оброблених ультразвуком протягом 40 хв, (d) оброблених ультразвуком протягом 60 хв гранул пшеничного крохмалю.
Дослідження та зображення: ©Majzoobi et al., 2015
Ультразвукова обробка може значно знизити початок температури желатинізації. Крохмальні гелі, приготовані з ультразвуково оброблених гранул крохмалю, мають вищу твердість та вищі значення адгезивності та когезивності порівняно з нативним крохмалем. Адгезивність, когезивність, пружність та gumminess (гумоподібність) значно зростають при ультразвуковій модифікації крохмалю.
Ультразвукова обробка використовує значно менший енерговхід та менш стресові умови обробки, ніж традиційні процедури модифікації крохмалю. Hielscher Ultrasonics постачає високоефективні ультразвукові реактори для комерційної обробки.
Запитати додаткову інформацію!
Якщо ви вчений, який проводить дослідження з модифікації крохмалю, інженер-технолог, який намагається покращити існуючі процеси обробки крохмалю, інженер-розробник продукту, який формулює кращі або нові продукти, або якщо ви маєте будь-який інший інтерес до модифікації крохмалю: Зв’яжіться з нами! Ми будемо раді обговорити з вами потенціал та переваги ультразвукової обробки для модифікації крохмалю та застосування крохмалю. Будь ласка, заповніть форму нижче!
Застосування крохмалю
Модифікований крохмаль використовується у широкому спектрі харчових та нехарчових застосувань. Октенілсукцинати крохмалю є важливим стабілізатором емульсій «олія у воді». У паперовому виробництві катіонні крохмалі покращують вологу та суху міцність, стабілізують емульсії та діють як поверхневі розмірювальні агенти. Багато систем добавок для мокрого кінця включають неорганічні мікрочастинки (колоїдний діоксид кремнію, бентоніт) та синтетичні полімери з модифікованим крохмалем. Інші застосування включають дисперсії крохмалевого латексу або гранульований крохмаль як наповнювач для полімерів.
Наукові статті про ультразвуково-асистовану модифікацію крохмалю
-
- С. Манчун, Д. Нунтханід, С. Лімматвапірат і П.Сріаморнсак (2012): Вплив ультразвукової обробки на фізичні властивості крохмалю тапіоки, в: Дослідження передових матеріалів Том 506 (2012) с. 294-297. [PDF]
- Анет Резек Ямбрак, Зоран Герцег, Драго Шубарич, Юріслав Бабич, Младен Брнчич, Сюзана Рімак Брнчич, Томіслав Босілков, Домагой Цвек, Бранко Тріпало, Юріка Гело (2010): Вплив ультразвуку на фізичні властивості кукурудзяного крохмалю, в: Вуглеводні полімери 79 (2010) 91–100.
- Герцег І.Л., Джамбрак А.Р., Шубарич Д., Брнчич М., Брнчич С.Р., Баданяк М., Тріпало Б., Єжек Д., Новотні Д., Герцег З. (2010): Текстура та пастуючі властивості ультразвуково обробленого кукурудзяного крохмалю, в: Czech J. Food Sci., 28: 83–93. [PDF]
- Д. Норр, Б. І. О. Аде-Омовай та В. Хайнц (2002): Покращення харчування рослинної їжі шляхом нетермічної обробки, в: Праці Товариства харчування (2002), 61, 311–318. [PDF]
Часто задавані питання
Що таке джерела природного крохмалю?
Крохмаль походить із різних природних джерел, таких як: кукурудза, воскоподібна кукурудза, кукурудза з високим вмістом амілози, тапіока, картопля, пшениця, рис, воскоподібний рис, горох (гладкий горох, морщинистий горох), саго, овес, ячмінь, жито, амарант, батат, овес, зернові, cow cockle, кіноа, сочевиця, нут, сорго, аррорут або маніок.
Що таке модифікований крохмаль?
Модифікований крохмаль – це крохмаль, який був фізично, ферментативно або хімічно змінений для покращення його характеристик у харчових та промислових застосуваннях. Ці модифікації покращують такі властивості, як розчинність, в’язкість, гелеутворення та стабільність за різних умов, наприклад, при нагріванні або в кислому середовищі. Модифіковані крохмалі, які зазвичай отримують із природних джерел, таких як кукурудза, картопля та тапіока, використовуються як загусники, стабілізатори та емульгатори для покращення текстури та терміну придатності в перероблених харчових продуктах, фармацевтичних засобах та інших виробах.
У чому різниця між модифікованим крохмалем та OSA-крохмалем?
Модифікований крохмаль – це крохмаль, який був змінений різними способами – фізично, ферментативно або хімічно – для покращення його функціональних властивостей, таких як загущення, гелеутворення або стабілізація за різних умов. Ці модифікації роблять його придатним для різноманітних застосувань у харчовій промисловості, фармацевтиці та промислових продуктах.
OSA-крохмаль, або крохмаль октенілсукцинілового ангідриду, є специфічним типом хімічно модифікованого крохмалю, створеним шляхом приєднання груп октенілсукцинілового ангідриду до молекули крохмалю. Ця модифікація надає унікальних емульгуючих властивостей, що робить OSA-крохмаль особливо ефективним для стабілізації емульсій типу «олія у воді». Хоча модифікований крохмаль загалом покращує базові властивості, такі як в’язкість або стабільність, OSA-крохмаль спеціально адаптований для надання емульгуючих можливостей, що робить його популярним у таких продуктах, як заправки для салатів, соуси та напої, де стабільні емульсії є необхідними. Докладніше про ультразвуково естерифікований OSA-крохмаль!