النشا المعدل-تطبيقات - التركيز
تطبيق النشا المعدل
البنية الأساسية للنشا عبارة عن بوليمر متعدد السكاريد يتكون من وحدات جلوكوز متصلة بواسطة روابط α-1,4-غليكوزيدية (الأميلوز) وα-1,6-روابط جليكوسيدية (أميلوبكتين). تحتوي جزيئاته على كمية كبيرة من مجموعات الهيدروكسيل. النشا المعدل هو أحد مشتقات النشا التي يتم الحصول عليها بعد تعديل النشا الطبيعي من خلال التطبيق الشامل للطرق الأنزيمية الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. بالمقارنة مع النشا الخام، فإن خواصه الفيزيائية والكيميائية، مثل القابلية للذوبان، واللزوجة، والثبات، وتشكيل الفيلم، وما إلى ذلك، تم تحسينها بشكل كبير، وذلك لتلبية الاحتياجات الصناعية أو الغذائية الأكثر تعقيدًا. يشير التعديل الفيزيائي للنشا إلى تعديل النشا بالوسائل الفيزيائية مثل الحرارة والقوة الميكانيكية والمجال الفيزيائي، لتدمير البنية البلورية أو المنطقة غير المتبلورة أو الترتيب الجزيئي أو الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات لجزيئات النشا، وتحقيق إعادة التشكيل الهيكلي. تشمل الوسائل الرئيسية السوائل الحرارية المائية، والميكروويف، والإشعاع المؤين، والموجات فوق الصوتية، والطحن الكروي، والبثق، وما إلى ذلك. تستخدم المعالجة بالميكروويف على نطاق واسع في صناعة المواد الغذائية لتحضير راتنجات فائقة الامتصاص من البوليمر المشترك المطعمة بالنشا مع امتصاص قوي للماء واحتباس الماء.
تعديل المعالجة الحرارية
من خلال التحكم في درجة الحرارة والرطوبة والوقت، يتم تنظيم عملية الجلتنة أو التجديد أو إعادة الترتيب الجزيئي لجزيئات النشا، وتشمل الطرق الشائعة الجلتنة المسبقة والتليين والمعالجة الحرارية الرطبة.
(1) النشا المجيلتن
العملية: يتم تشتيت النشا في الماء البارد أو الساخن، ويتم تسخينه إلى درجة حرارة الجلتنة (عادة 60-90 درجة مئوية) لجعل الجزيئات جيلاتينية تمامًا، ثم يتم تجفيفها وتجفيفها للحصول على منتج نشا غير حبيبي وبارد وقابل للذوبان في الماء.
الآلية: التسخين يجعل جزيئات النشا تمتص الماء وتتوسع، ويتم تدمير البنية البلورية، وتتفتح السلاسل الجزيئية وتتشابك لتشكل شبكة ثلاثية الأبعاد، ويتم "تثبيت" بنية الشبكة بعد التجفيف، ويتم إعادة ترطيب الماء بسرعة لتكوين عجينة عند استخدامه.
التغيرات المميزة: قابلية ذوبان عالية في الماء البارد، ودرجة حرارة الجلتنة قريبة من درجة حرارة الغرفة، وشفافية متوسطة للعجين، ولكن اللزوجة وقوة الهلام أقل من النشا الخام.
التطبيق: الأطعمة المريحة (مثل عبوات توابل المعكرونة سريعة التحضير، ومكونات الحساء سريعة التحضير)، وعوامل تحجيم الورق، وعوامل تحجيم المنسوجات (عملية مبسطة).
(2) التلدين
العملية: يتم الاحتفاظ بالنشا دافئًا في ماء دافئ أعلى من درجة حرارة التزجج ولكن أقل من درجة حرارة الجلتنة لعدة ساعات إلى عشرات الساعات، ويتم التحكم في محتوى الرطوبة (30%-50%).
الآلية: في الحالة تحت الجيلاتينية، تهاجر جزيئات الأميلوز من المنطقة غير المتبلورة إلى منطقة التبلور، مما يعزز إعادة الترتيب المنظم قصير المدى ويعزز استقرار منطقة التبلور.
التغيرات المميزة: تزداد درجة حرارة بداية عملية الجلتنة، ويزداد الثبات الحراري للمعجون، وتزداد صلابة الهلام، لكن الذوبان ينخفض قليلاً.
التطبيقات: الأطعمة التي تتطلب معالجة بدرجة حرارة عالية (مثل الأطعمة المعبأة المعقمة) أو المنتجات التي تتطلب زيادة قوة الهلام (الهلام ومنتجات اللحوم).
(3) المعالجة الحرارية المائية (Ht)
العملية: اضبط النشا المجفف على نسبة رطوبة تزيد عن 30%، ثم سخنه إلى 80-120 درجة مئوية، وحافظ عليه دافئًا لبضع ساعات ثم جففه.
الآلية: تحت الرطوبة العالية، تمتص جزيئات النشا الماء وتتوسع، وتدمر البنية البلورية جزئيًا، ثم يتم إعادة ترتيب السلاسل الجزيئية أثناء التجفيف لتكوين مناطق غير متبلورة أكثر كثافة أو هياكل بلورية جديدة، مع منع تعرض مواقع التحلل المائي الأنزيمي.
التغيرات المميزة: تزيد درجة حرارة الجلتنة، وتقل لزوجة العجينة، وتتحسن قابلية الهضم (يتم إنشاء نشا أكثر مقاومة RS3)، وتعتمد القابلية للذوبان على كثافة المعالجة (المعالجة المعتدلة تزيد القابلية للذوبان، وتقل المعالجة المفرطة).
التطبيقات: الأطعمة ذات المؤشر الجلايسيمي المنخفض (مثل خبز النشا المقاوم وحبوب الإفطار)، والأعلاف (تحسين استخدام العناصر الغذائية)، وتخمير الإيثانول الحيوي (تقليل استهلاك الطاقة للتحلل المائي الأنزيمي).
تعديل المعالجة الميكانيكية
من خلال القص الميكانيكي أو البثق أو الطحن، يتم تدمير بنية جسيمات النشا ويتم تحسين السلسلة الجزيئية، وتشمل الطرق الشائعة البثق والبثق وطحن الكرة وطحنها والمعالجة الميكانيكية بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
(1) تعديل النتوء
العملية: بعد خلط النشا بكمية صغيرة من الرطوبة (10%-30%) والمواد المضافة الممكنة، تتم معالجته بواسطة آلة بثق لولبية عند درجة حرارة عالية (120-200 درجة مئوية)، وضغط مرتفع (5-20 ميجاباسكال) وقوة قص عالية، ويتم رش المادة من القالب لتقليل الضغط والتمدد لتشكيل هيكل مسامي.
الآلية: تعمل قوة القص ذات الضغط العالي على تدمير التبلور والمناطق غير المتبلورة لجزيئات النشا، وتتكسر السلسلة الجزيئية ويعاد توجيهها، وتعزز درجة الحرارة المرتفعة كسر روابط الهيدروجين بين الجزيئات، مما يشكل بنية شبكة مسامية فضفاضة.
التغييرات المميزة: يمكن أن يصل معدل التمدد إلى 5-20 مرة، وتزداد قابلية الذوبان بشكل كبير، وتقل قابلية الذوبان في الماء البارد، وتنخفض درجة حرارة الجلتنة، ويتحسن الاستقرار الحراري، ويمنع الهيكل المسامي التحلل الحراري، ولكن الوزن الجزيئي ينخفض.
التطبيق: الأطعمة المنتفخة (مثل الذرة على قطعة خبز، بسكويت الأرز)، أغذية الحيوانات الأليفة، المواد القابلة للتحلل (ممتزات النشا المسامية).
(2) طحن الكرة
العملية: يتم طحن كرات النشا والطحن بسرعة منخفضة في مطحنة الكرات لعدة ساعات إلى عشرات الأحجام الصغيرة)، ويتم الصقل من خلال التصادم والاحتكاك بين الكرات وجزيئات النشا.
الآلية: تقوم القوى الميكانيكية بتكسير جزيئات النشا إلى أجزاء بمقياس النانو/الميكرون، ويتم تدمير البنية البلورية بالكامل، وتنكسر السلسلة الجزيئية وينكشف المزيد من مجموعات الهيدروكسيل.
التغيرات المميزة: انخفاض حجم الجسيمات، وزيادة مساحة السطح المحددة، والقابلية للذوبان عالية للغاية (يمكن أن يشكل النشا النانوي غرواني هائي)، ويتسارع معدل الجلتنة، ولكن تقل قوة الهلام.
التطبيقات: المركبات النانوية، مثل جسيمات النشا/البوليمر النانوية، وحاملات الأدوية، وأدوية الامتزاز ذات المساحة السطحية العالية، والحشوات البلاستيكية القابلة للتحلل.
(3) الموجات فوق الصوتية - العلاج الميكانيكي المساعد
العملية: يتم وضع معلق النشا في مولد بالموجات فوق الصوتية، ويساعد تأثير التجويف للموجات فوق الصوتية القص الميكانيكي على تدمير هيكل الجسيمات.
الآلية: يعمل الضغط العالي المحلي وقوة القص الناتجة عن تمزق فقاعات التجويف على تسريع عملية إزالة بلمرة جزيئات النشا وكسر السلسلة الجزيئية، في حين أن التأثير الحراري للموجات فوق الصوتية يعزز الحركة الجزيئية.
التغييرات المميزة: تقصير وقت الجلتنة (تأثير التجويف الذي يدمر منطقة التبلور)، وتحسين ثبات العجينة (سلسلة جزيئية أقصر، وليس من السهل تجديدها)، وزيادة القابلية للذوبان.
التطبيقات: الجلتنة السريعة للنشا (على سبيل المثال، لاصق الملصقات الفوري)، وإنتاج وقود الديزل الحيوي (تحسين كفاءة تحويل النشا إلى جلوكوز).
تعديل معالجة الفيزياء
باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية والإشعاع وطاقات المجال الفيزيائي الأخرى لإحداث تغييرات في بنية جزيئات النشا، تشمل الطرق الشائعة المعالجة بالموجات الدقيقة والمعالجة بالإشعاع (أشعة جاما وحزم الإلكترون).
(1) المعالجة بالميكروويف
العملية: قم بخلط النشا مع الماء (الرطوبة 20% - 50%)، وقم بتسخينه في فرن الميكروويف لعدة دقائق إلى عشرات الدقائق، ثم قم بجيلتنة النشا وإعادة تشكيل الهيكل من خلال تأثير التسخين الداخلي للميكروويف.
الآلية: يخترق الميكروويف جزيئات النشا، مما يسبب اهتزاز الجزيئات القطبية (الماء، مجموعات الهيدروكسيل) وتوليد الحرارة بترددات عالية، ويؤدي التسخين الداخلي السريع إلى التمدد الفوري للجزيئات، وتدمير البنية البلورية، وكسر السلاسل الجزيئية.
التغيرات المميزة: وقت جلتنة قصير جدًا (دقائق مقابل عشرات الدقائق من التسخين التقليدي)، ولزوجة منخفضة للمعجون (كسر السلسلة الجزيئية)، وتحسين الاستقرار الحراري (التسخين الموحد للميكروويف يقلل من تدهور الحرارة الزائدة المحلية).
التطبيق: إنتاج النشا المجيلتن الصناعي السريع، معالجة مياه الصرف الصحي (امتصاص النشا المعدل بالميكروويف لأيونات المعادن الثقيلة).
(2) العلاج بالتشعيع
العملية: يتم تشعيع النشا الجاف تحت أشعة γ أو حزم الإلكترون لكسر الروابط الجزيئية من خلال الإشعاع المؤين.
الآلية: تعمل الطاقة الإشعاعية على إثارة الإلكترونات في جزيئات النشا وتنتج جذور حرة (مثل · OH、 · H)، والتي تبدأ فواصل السلسلة الجزيئية (الروابط الجليكوسيدية، روابط C-C) وأكسدة الهيدروكسيل، مع تثبيط نمو الميكروبات.
التغيرات المميزة: انخفاض الوزن الجزيئي (انخفاض درجة حرارة الجلتنة)، وزيادة الذوبان، وزيادة وضوح المعجون، والإشعاع بجرعة منخفضة يمكن أن يؤخر عملية التجدد (إطالة العمر الافتراضي للأغذية)، والجرعة العالية تؤدي إلى التحلل المفرط.
التطبيقات: حفظ الأغذية (النشا المعدل المشعع كطلاء، يمنع هجرة الماء)، الضمادات الطبية (طبقة النشا المشععة، مضادة للبكتيريا وقابلة للتحلل).
التعديل الكيميائي للنشا
يتضمن التعديل الكيميائي للنشا التحلل المائي الحمضي، والأكسدة، والأثير، والأسترة، والربط المتبادل، وهي الطريقة الأكثر استخدامًا لتعديل النشا.
التحلل المائي الحمضي النشا
في عملية التحلل المائي الحمضي، تنخفض درجة حرارة الجلتنة في المرحلة الأولية، وتزداد درجة حرارة التحلل المائي في ذروة التحلل المائي والمرحلة النهائية، وتزداد القيمة الماصة للحرارة أولاً ثم تنخفض مع التحلل المائي الحمضي، وتزداد قوة التورم والذوبان. التعديل الكيميائي للنشا عن طريق التحلل المائي الحمضي هو عملية تحلل النشا عالي الوزن الجزيئي إلى منتجات ذات وزن جزيئي منخفض (مثل الدكسترين أو السكريات قليلة التعدد أو السكريات الأحادية) عن طريق كسر الروابط الجليكوسيدية لجزيئات النشا بواسطة الأحماض. من خلال تقليل الوزن الجزيئي وبلمرة النشا، تتغير خواصه الفيزيائية والكيميائية بشكل كبير، وذلك للحصول على وظائف محددة (على سبيل المثال، اللزوجة المنخفضة، والذوبان العالي، والشفافية الجيدة، وما إلى ذلك).
آلية التفاعل لتعديل التحلل المائي الحمضي
النشا عبارة عن بوليمر متعدد السكاريد يتكون من وحدات جلوكوز متصلة بواسطة روابط α-1,4-جليكوسيدية (العمود الفقري للأميلوز) و α-1,6-روابط جليكوسيدية (نقاط فرع الأميلوبكتين)، وجوهر التحلل المائي الحمضي هو الكسر التحفيزي للروابط الجليكوسيدية بواسطة الأحماض، والعملية المحددة هي كما يلي:
البروتونة: يوفر الحمض H⁺، الذي يرتبط بذرات الأكسجين في جزيء النشا (الأكسجين أو الهيدروكسي أوكسجين مع روابط جليكوسيدية)، مما يؤدي إلى بروتونته وإضعاف استقرار الروابط الجليكوسيدية.
كسر الرابطة الجليكوسيدية: الرابطة الجليكوسيدية البروتونية تكون متغايرة - مشقوقة لتكوين أيون أوكسي جاليوم وسيط، والذي يتم تحلله لاحقًا إلى دكسترين منخفض الوزن الجزيئي، أو مالتوز، أو جلوكوز.
اختلافات التحلل المائي للأميلوبكتين: طاقة الرابطة للروابط α-1,6-الجليكوسيدية أعلى من طاقة الروابط α-1,4-الجليكوسيدية، لذا تنكسر نقاط التفرع للأميلوبكتين بشكل أبطأ أثناء التحلل المائي الحمضي، وقد يحتفظ المنتج النهائي ببعض هياكل السلسلة المتفرعة القصيرة.
التغيرات في خواص الحمض-النشا المتحلل
بالمقارنة مع النشا الخام، تتغير الخواص الفيزيائية والكيميائية للنشا المتحلل بالحمض بشكل كبير بسبب انخفاض الوزن الجزيئي، ويتجلى ذلك بشكل رئيسي على النحو التالي:
انخفاض الوزن الجزيئي والبلمرة
تسبب كسر الرابطة الجليكوسيدية في تغير جزيئات النشا من السلاسل الطويلة إلى السلاسل القصيرة، مما أدى إلى تقليل درجة البلمرة بنسبة 50%-90%.
اللزوجة تنخفض بشكل ملحوظ
أصبحت السلاسل الجزيئية أقصر، وضعف اللف بين الجزيئات والروابط الهيدروجينية، وانخفضت اللزوجة الأولية للمعجون بشكل كبير، وتحسن استقرار اللزوجة عند درجة حرارة عالية
تحسين الذوبان
تقلل المنتجات ذات الوزن الجزيئي المنخفض من التجميع بين الجزيئات، وتزيد من ذوبان الماء البارد، وتحسن من وضوح المعجون.
يتم تقليل درجة حرارة الجلتنة
يتم تدمير التركيب البلوري لجزيئات النشا بواسطة الحمض (خاصة التركيب المنظم لنشا الأميلوز)، ويتم تقليل الطاقة اللازمة للجيلتنة، كما تنخفض درجة حرارة الجلتنة.
(درجة حرارة جلتنة نشا الذرة الخام هي 62-72 درجة مئوية، ويمكن تخفيضها إلى 55-65 درجة مئوية بعد التحلل المائي).
تشكيل الفيلم وتعديل الالتصاق
لا يزال النشا المتحلل قليلاً يحتفظ بدرجة معينة من التماسك، وهو مناسب لتحجيم صناعة الورق أو تحجيم المنسوجات؛ يقلل التحلل المائي العميق من الالتصاق ولكنه يشكل طبقة أكثر تجانسًا (على سبيل المثال لتغليف الطعام).
تحسين عملية الهضم
مع انخفاض الوزن الجزيئي، يتم تحلل النشا الحمضي بسهولة أكبر بواسطة الأميليز ويزيد معدل الهضم (على سبيل المثال، عند استخدامه كمصدر للكربوهيدرات سهلة الهضم في أغذية الأطفال).
التثرين النشا
1. هيدروكسي بروبيل النشا هو شكل من أشكال أثير النشا، يمكن للنشا الهيدروكسي بروبيل أن يقلل من تدهور النشا، ويغير درجة حرارة الجلتنة، واللزوجة وغيرها من خصائص النشا. بعد تعديل الهيدروكسي بروبيل للنشا، تم تحسين قدرة التمدد الحر ودرجة الاستبدال المولي للنشا، كما تم تقليل نسبة التعكر ونسبة الانكماش بالجفاف ومعدل التحلل. هيدروكسي بروبيل النشا هي عملية إدخال هيدروكسي بروبيل (-O-CH₂-CHOH-CH₃) في جزيئات النشا من خلال تفاعل الأثير، وهو تعديل الأثير غير الأيوني. أدى التعديل إلى تغيير القوى بين الجزيئات والتوازن المحبب للماء للنشا من خلال إدخال روابط الأثير المحبب للماء، مما أدى إلى تحسين قابلية ذوبانه واستقراره وتنوعه الوظيفي بشكل ملحوظ. يستخدم النشا الهيدروكسي بروبيل على نطاق واسع في الغذاء والدواء وصناعة الورق وغيرها من المجالات بسبب سلامته العالية وأدائه الممتاز.
آلية تفاعل الهيدروكسي بروبيل ：
في ظل الظروف القلوية (على سبيل المثال، هيدروكسيد الصوديوم)، تشكل ديبروتونات هيدروكسي النشا أنيونات ألكوكسي (-O⁻)، مما يعزز محبة النواة. تهاجم أنيونات الألكوكسي ذرات الكربون لأكسيد البروبيلين، مما يتسبب في تمزق حلقة الإيبوكسي، وتشكيل منتجات وسيطة. بعد التحلل المائي، يتم تشكيل إيثر هيدروكسي بروبيل النشا أخيرًا
التغييرات في خصائص النشا الهيدروكسي بروبيل:
بالمقارنة مع الأثير غير الأيوني (مثل الميثيل)، فإن تأثير العائق الاستاتيكي المحب للماء لمجموعات الهيدروكسي بروبيل يمنح خصائص فريدة للنشا، مع التغييرات الأساسية التالية:
خصائص الذوبان والجيلتنة
تم تحسين قابلية ذوبان الماء البارد بشكل ملحوظ: تشكل رابطة الأثير (-O-) لمجموعة الهيدروكسي بروبيل روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء، وتضعف الرابطة الهيدروجينية بين جزيئات النشا بسبب العوائق الاستاتيكية، بحيث يتشتت النشا بسرعة ويذوب في الماء البارد.
تخفيض درجة حرارة الجلتنة: يدمر الهيدروكسي بروبيل بنية تبلور جزيئات النشا ويقلل من مقاومة الجلتنة
(درجة حرارة جلتنة النشا الأصلي هي 60-80 درجة مئوية، وتنخفض إلى 50-70 درجة مئوية بعد المعالجة بالهيدروكسي بروبيل).
لصق الاستقرار ومكافحة - التجديد
تجميد ممتاز-ثبات الذوبان: يمنع العائق الاستاتيكي للهيدروكسي بروبيل جزيئات النشا من إعادة الترتيب والتبلور أثناء التجميد-الذوبان، ويظل المعجون صافيًا بعد 3-5 دورات تجميد-ذوبان (-20 درجة مئوية/25 درجة مئوية)، بدون فصل الماء (أفضل من النشا الخام ونشا الأسيتات).
ميل منخفض للتجديد: تعيق مجموعات الهيدروكسي بروبيل التجميع الحلزوني بين جزيئات الأميلوز، وتقل لزوجة المعجون ببطء أثناء التخزين.
(مناسبة لتخزين المواد الغذائية أو الطلاءات على المدى الطويل).
اللزوجة الأولية المنخفضة: يقلل الهيدروكسي بروبيل من القوة الجزيئية، واللزوجة الأولية للعجينة أقل من النشا الأصلي، ولكن يتم تحسين استقرار اللزوجة عند درجة حرارة عالية (ليس من السهل تقليل اللزوجة بسبب القص أو التسخين).
فيلم جيد - مرونة التشكيل: إن محبة الهيدروكسي بروبيل للماء تجعل الفيلم ليس من السهل كسره بعد امتصاص الماء، والفيلم شفاف ومقاوم للطي (يستخدم لتغليف الفيلم أو تحجيم النسيج).
2.النشا الكاتيوني عبارة عن مجموعة أمونيوم رباعية (-NR₄⁺) ذات شحنة موجبة على مجموعة الهيدروكسيل (-OH) من جزيئات النشا من خلال تفاعل الرباعي لتكوين أثير النشا الكاتيوني، مما يعطي النشا شحنة موجبة، بحيث يمكن أن ينجذب إلكتروستاتيكيًا مع المواد المشحونة سالبًا، ويحسن بشكل كبير خصائص التلبد وتعزيزها والاحتفاظ بها. أصبح النشا الكاتيوني مادة مضافة أساسية في صناعة الورق ومعالجة مياه الصرف الصحي والتنقيب عن النفط وغيرها من الصناعات بسبب كفاءته العالية وسهولة تحلله وتكلفته المنخفضة.
آلية رد الفعل من الكاتيونية
تتفاعل مجموعة هيدروكسيل النشا (-OH) مع كاشف الألكلة الذي يحتوي على مجموعة أمونيوم رباعية لتكوين إيثر أمونيوم رباعي مرتبط تساهميًا
صناعة الورق: إضافات رطبة لتحسين الاحتفاظ بالألياف/الحشو وتعزيز قوة الورق الجاف/الرطب، وعوامل تحجيم السطح
معالجة مياه الصرف الصحي: تجفيف الحمأة الندفية: إزالة الملوثات الأنيونية: الأصباغ الامتزازية ومجمعات المعادن الثقيلة
التنقيب عن النفط: عامل تقليل فقدان الترشيح، النشا الكاتيوني يمتص طين جدار البئر ويقلل من تسرب الترشيح
مادة سد التسرب: مركبة من كربونات الكالسيوم لسد الشقوق الصغيرة
المنسوجات والمواد الكيميائية اليومية: شامبو مكثف: تعمل الخصائص الكاتيونية على امتصاص سطح الشعر، مما يمنحه شعورًا بالنعومة (بدلاً من الفاعل بالسطح الكاتيوني الأمونيوم الرباعي).
النشا المؤكسد
مجموعة الهيدروكسيل في النشا الأولي هي الموقع الرئيسي لتفاعل الأكسدة. يهاجم التعديل التأكسدي روابط الهيدروكسيل أو الجليكوسيدية لجزيئات النشا من خلال المواد المؤكسدة، مما يؤدي إلى نوعين من التفاعلات:
أكسدة الهيدروكسيل: تتم أكسدة مجموعة الهيدروكسيل إلى الكربونيل (ألدهيد، كيتون) أو الكربوكسيل (-COOH)، مما يقلل من الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات ويحسن ذوبان وتفاعلية النشا.
كسر الرابطة الجليكوسيدية: يهاجم المؤكسد الروابط الجليكوسيدية، مما يتسبب في كسر السلسلة الجزيئية للنشا، مما يؤدي إلى منتجات منخفضة الوزن الجزيئي مثل الدكسترين، مما يقلل من الوزن الجزيئي واللزوجة للنشا.
بالمقارنة مع النشا الأصلي، تتغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للنشا المؤكسد بشكل ملحوظ:
تحسين الذوبان: تتأكسد مجموعات الهيدروكسيل إلى مجموعات الكربوكسيل/الكربونيل، مما يضعف الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات، ويزيد الذوبان في الماء البارد (خاصة الأميلوبكتين).
انخفاض درجة حرارة الجلتنة: يؤدي كسر السلسلة الجزيئية وتقليل مجموعة الهيدروكسيل إلى تقليل التبلور ومقاومة التمدد لجزيئات النشا، مما يجعل عملية الجلتنة أسهل.
تعزيز ثبات المعجون: تقلل المنتجات ذات الوزن الجزيئي المنخفض من التجدد (الشيخوخة)، ويكون المعجون أكثر وضوحًا وأقل عرضة للتصفيح
(إذا تم استخدامه في صلصات الطعام، يمكن تمديد مدة الصلاحية)
انخفاض اللزوجة: ينخفض الوزن الجزيئي نتيجة لكسر الروابط الجليكوسيدية، وتقل اللزوجة الأولية للعجينة، ولكن ثبات اللزوجة يتحسن عند درجات الحرارة المرتفعة (مناسبة لتحجيم الورق).
تحسين تكوين الفيلم: يؤدي وجود مجموعات الكربوكسيل إلى تعزيز القوى بين الجزيئات، مما يؤدي إلى تكوين فيلم أكثر اتساقًا ومرونة (للتعبئة أو تحجيم المنسوجات).
كروس-ربط النشا
غالبًا ما يتم استخدام الارتباط المتقاطع لتعديل النشا الطبيعي، خاصة لإنتاج مواد حساسة للماء. تضفي الأسترة الكارهة للماء على منتجات النشا من خلال استبدال الهيدروكسيل، والربط المتشابك هو زيادة الاتصالات داخل الجزيئات وبين الجزيئات في مواضع عشوائية في جزيئات النشا، ويمكن أيضًا استخدام الارتباط المتشابك للحد من امتصاص الماء بسبب القدرة على زيادة كثافة الارتباط المتشابك في بنية النشا.
تعديل الارتباط المتشابك هو تكوين روابط تساهمية ("جسور جزيئية") بين مجموعات الهيدروكسيل (-OH) من جزيئات النشا من خلال روابط متشابكة ثنائية الوظيفة أو متعددة الوظائف، تربط جزيئات النشا المتعددة في شبكة ثلاثية الأبعاد. الهدف الأساسي هو تعزيز الاستقرار الهيكلي لجزيئات النشا، ومنع تمزق الجسيمات أثناء عملية الجلتنة، وتحسين مقاومة القص، ومقاومة درجات الحرارة، ومقاومة الأحماض والقلويات للمعجون.
آلية رد الفعل
تحتوي جزيئات النشا على كمية كبيرة من الهيدروكسيل (-OH)، ويتفاعل الرابط المتشابك مع مجموعة الهيدروكسيل بطريقتين لتكوين رابطة جسر:
الارتباط المتشابك الفردي: تتفاعل المجموعتان النشطتان من الرابط المتشابك مع مجموعات الهيدروكسيل في جزيئين النشا (على سبيل المثال، ارتباط الفوسفات بمجموعتي الهيدروكسيل في موضع C6)؛
الارتباط المزدوج: تتفاعل مجموعات نشطة متعددة من الارتباط المتشابك مع مجموعات هيدروكسيل مختلفة من نفس جزيء النشا
(على سبيل المثال، يرتبط الإبيكلوروهيدرين بمجموعات الهيدروكسيل في المواضع C2 وC3 لنفس الجزيء، أو يتفاعل مع مجموعات الهيدروكسيل المكونة من جزيئين مختلفين من النشا (مكونًا جسورًا بين الجزيئات)
·
أمثلة التفاعلات النموذجية (تشابك ثلاثي ميتافوسفات الصوديوم):
تنفصل مجموعة هيدروكسيل النشا (-OH) تحت الظروف القلوية لتشكل أيون ألكوكسي سالب (-O⁻)، وتهاجم ذرة الفوسفور في ثلاثي ميتافوسفات الصوديوم ((NaPO₃)₃)، وتشكل رابطة إستر الفوسفات (-O-PO₂⁻-O-) بعد نزع البروتون تحت الظروف القلوية، وتربط جزيئين النشا.
تحسين مقاومة القص بشكل ملحوظ: يحافظ المعجون على لزوجة عالية
(تحجيم النسيج لتجنب فقدان الملاط)
تعزيز الاستقرار الحراري: زادت درجة حرارة الجلتنة
(60-80 درجة مئوية للنشا الخام، 70-95 درجة مئوية بعد الربط)، ولم يكن من السهل تحلل المعجون عند درجة حرارة عالية (مناسب لتعقيم الأطعمة المعلبة عند درجة حرارة عالية)
مقاومة جيدة للأحماض والقلويات: المعجون مستقر في نطاق الأس الهيدروجيني 2-12
(يختلف عن النشا الخام، الذي يسهل تقليل اللزوجة في الأحماض/القلويات القوية)، ويمكن استخدامه في المشروبات الحمضية (العصائر) أو إضافات المنظفات القلوية.
الاحتفاظ بمورفولوجيا الجسيمات: لا يزال يتم الاحتفاظ ببعض الجزيئات السليمة بعد الجلتنة، وتكون شفافية المعجون عالية
(يستخدم لطلاءات صناعة الورق لتحسين نعومة الورق)
تعديل الأسترة النشا
يتضمن تعديل الأسترة تفاعل حمض/أنهيدريد الحمض/كلوريد الأسيل مع مجموعات هيدروكسيل النشا لإدخال مجموعات الإستر (-COOR، -PO₃R₂، إلخ) إلى جزيئات النشا لتغيير محبتها للماء، وكارهتها للماء، وشحنتها وتفاعليتها. تعديل أسيتيل النشا هو إدخال مجموعة الأسيتيل (-COCH₃) إلى مجموعة الهيدروكسيل (-OH) لجزيء النشا من خلال تفاعل الأسترة لتكوين أسيتات النشا. هذا هو تعديل الأسترة غير الأيونية النموذجي الذي ينظم محبة الماء، وكراهية الماء، والشحنة والقوة بين الجزيئات للنشا من خلال إدخال مجموعات الأسيتيل، وبالتالي تحسين خصائصه الوظيفية بشكل كبير (مثل الاستحلاب، والثبات، وخصائص مكافحة الشيخوخة). يستخدم النشا الأسيتيل على نطاق واسع في الأغذية وصناعة الورق والمنسوجات وغيرها من المجالات بسبب سلامته العالية وأدائه الممتاز. وحدة الجلوكوز في جزيء النشا غنية بمجموعات الهيدروكسيل (-OH). جوهر تفاعل الأستلة هو تفاعل الأسترة لأنهيدريد الحمض والكحول.
إن إدخال مجموعات الإستر يمنح النشا توازنًا ووظيفة فريدة من نوعها كارهة للماء
نشا الخلات: يخفض درجة حرارة الجلتنة (النشا الأصلي 60-80 درجة مئوية، 50-70 درجة مئوية بعد أسترة الخلات)، شفافية عالية للمعجون؛ مقاومة قوية للشيخوخة (تمنع تراجع الأميلوز)، وتستخدم في الآيس كريم والزلابية المجمدة السريعة لمنع تصلب التخزين؛ استحلاب جيد، ويمكن استخدامه كمستحلب لتثبيت المستحلبات الغذائية (مثل مشروبات العصير). يزيد النشا الأسيتيل من الصلابة دون التأثير بشكل كبير على قيمة التماسك، ويمكن أن يحل جزئيًا محل دقيق القمح منخفض البروتين المستخدم في إنتاج المكرونة سريعة التحضير، مما يقلل من تناول الدهون.
نشا الفوسفات: محب للماء بشدة (تشكل مجموعات الفوسفات روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء)، ولزوجة العجينة عالية ومستقرة، وتستخدم في طلاءات صناعة الورق (لتحسين الاحتفاظ بالأصباغ)، وخصائص أنيونية (الفوسفات مشحونة سالبًا)، ويمكن استخدامها مع إضافات كاتيونية (مثل أملاح الأمونيوم الرباعية)، ويمكن استخدامها كمواد ندفة في معالجة مياه الصرف الصحي. الغذاء - نشا الفوسفات غير سام ويمكن استخدامه كمكثف لأغذية الأطفال (مثل دقيق الأرز وهريس الفاكهة)
ستيرات النشا: تم تحسين الكارهة للماء بشكل كبير ويمكن استخدامها لتحضير أفلام كارهة للماء قابلة للتحلل (مثل مواد التعبئة والتغليف) أو حاملات الأدوية التي يتم إطلاقها بشكل مستدام (يتم تغليف الأدوية داخل حبيبات النشا ويتم إطلاقها ببطء)
ملح أوكتينيل السكسينيك أنهيدريد النشا المعدل (OSA النشا باختصار) هو سطح غير أيوني - نشا معدل نشط يتم إنتاجه عن طريق إدخال مجموعات أنهيدريد الأوكتينيل السكسينيك (OSA) في النشا من خلال تفاعل الأسترة. جوهرها هو أنه في ظل الظروف القلوية، تتفاعل مجموعة هيدروكسيل النشا مع مجموعة أنهيدريد OSA لتكوين سكسينات أوكتينيل النشا، والتي يتم بعد ذلك تحييدها إلى ملح الصوديوم. النشاط السطحي والاستحلاب انخفاض تركيز المذيلة الحرجة (CMC)،
قدرة استحلاب عالية: (تتبيلة السلطة، متة القهوة، ثبات المستحلب).
مقاوم للإلكتروليتات (NaCl ≥ 5%) ودورات التجميد والذوبان (-20 درجة مئوية/25 درجة مئوية ثلاث مرات دون إزالة الاستحلاب).
كاره للماء - توازن محب للماء (قيمة HLB قابلة للتعديل) مناسب لاستحلاب O/W (مثل الحليب والحليب المنكه)
الربط التأكسدي المزدوج: بعد معالجة بيروكسيد الهيدروجين، تشكل الروابط المزدوجة مجموعات إيبوكسي ويتم تحسين قوة الجل (يستخدم في طلاء الكريم المقلد).
في المواد الغذائية: النكهات المستحلبة، مستحلبات المشروبات، حليب الأطفال، المخبوزات.
في مستحضرات التجميل: مستحلب كريمي، حامل للدواء [كبسولة].
طباعة المنسوجات، مستحلب في النفط الخام الصناعي
المعالجة الأنزيمية للنشا
التعديل الحيوي هو معالجة إنزيمية للنشا، مثل سيكلودكسترين، مالتوديكسترين، أميلوز، وما إلى ذلك، وهي كلها نشويات معدلة تم الحصول عليها عن طريق المعالجة الأنزيمية.
يستخدم التعديل الأنزيمي للنشا التأثير التحفيزي للإنزيمات البيولوجية لقطع أو إعادة بناء الروابط الجليكوسيدية لجزيئات النشا بدقة من خلال تفاعلات مثل التحلل المائي أو تحويل الغليكوزيل أو نزع التشعب، وبالتالي تغيير تركيبها الجزيئي (مثل الوزن الجزيئي، ودرجة التفرع، وعدد الأطراف المختزلة، وما إلى ذلك)، وفي النهاية تنظيم خواصها الفيزيائية والكيميائية (مثل الذوبان، وخصائص الجلتنة، والهضم، واللزوجة، وما إلى ذلك). بالمقارنة مع التعديل الكيميائي التقليدي، فإن المعالجة الإنزيمية تتمتع بمزايا الظروف المعتدلة (درجة الحرارة والضغط الطبيعيين، ودرجة الحموضة المحايدة)، والنوعية العالية، وعدد قليل من المنتجات الثانوية، والحماية الخضراء والبيئية. إنه اتجاه مهم في المعالجة العميقة الحالية للنشا.
1. خصائص الذوبان والجيلتنة
ديكسترين منخفض الجزيئي: قابل للذوبان في الماء البارد، تنخفض درجة حرارة الجلتنة (السلسلة الجزيئية قصيرة ومن السهل امتصاص الماء والانتفاخ).
الأميلوز: ذوبان متوسط (الأميلوز سهل التجميع)، تزيد درجة حرارة الجلتنة (الروابط الهيدروجينية الخطية بين الجزيئات أقوى).
النشا المقاوم RS2 (معالجة الإنزيمات غير الجيلاتينية): على سبيل المثال، بعد نزع التشعب الجزئي بواسطة البولولاناز، يشكل النشا عالي الأميلوز بنية بلورية، وهو غير قابل للذوبان في الماء البارد، ولا يزال يحافظ على مقاومة الهضم بعد الجلتنة.
2. اللزوجة والثبات الحراري
مالتوديكسترين (تحلل مائي محدود بواسطة ألفا الأميليز والجلوكواميلاز): لزوجة أولية منخفضة (وزن جزيئي صغير)، لزوجة مستقرة عند درجات حرارة عالية (لا يوجد تشابك جزيئي طويل السلسلة).
شراب المالتوز العالي (معالجة بيتا الأميليز): لزوجة متوسطة، ثبات حراري جيد (القوة بين جزيئات المالتوز ضعيفة وليس من السهل أن تتحلل).
النشا المقاوم (دورة transglucosidase): لزوجة منخفضة بعد الجلتنة (الهيكل الحلقي ليس من السهل امتصاص الماء والانتفاخ)، ولا يزال يحتفظ بلزوجة منخفضة بعد التبريد.
3. وظائف الجهاز الهضمي والفسيولوجية
النشا سريع الهضم (RDS، التحلل المائي الكامل بواسطة الجلوكوأميلاز): نسبة عالية من الجلوكوز، هضم سريع
(يستخدم في شراب الجلوكوز والمشروبات الرياضية).
النشا المهضوم ببطء (SDS، التحلل المائي المحدود بواسطة β-الأميلاز): بشكل رئيسي المالتوز والحد من الدكسترين، الهضم البطيء
(يستخدم في الأطعمة ذات المؤشر الجلايسيمي المنخفض لتأخير ارتفاع نسبة السكر في الدم)
النشا المقاوم (RS، النزع والتصلب الأنزيمي): إذا تم نزع تفرعه بواسطة pullulanase ومعالجته بالحرارة الرطبة، فإنه يشكل بنية بلورية ولا يتحلل بواسطة الإنزيمات المعوية الصغيرة.
(وظيفة الألياف الغذائية وتنظيم الفلورا المعوية)
4. ميزات التطبيق الوظيفية
خصائص تشكيل الفيلم: يتمتع نشا الأميلوز العالي (بعد نزع التفرع) بخصائص تشكيل فيلم جيدة ويستخدم في أفلام التغليف القابلة للتحلل.
ثبات النكهة: الدكسترين ذو النهاية المنخفضة الاختزال (معالجة α-الأميليز) ليس عرضة لتفاعل ميلارد ويمكن استخدامه للحفاظ على اللون في المخبوزات.
