MODIFIZIERTE STÄRKE-Anwendungen - Konzentrieren Sie sich
DIE ANWENDUNG MODIFIZIERTER STÄRKE
Die Grundstruktur von Stärke ist ein polymeres Polysaccharid, das aus Glucoseeinheiten besteht, die durch α-1,4-glykosidische Bindungen (Amylose) und α-1,6-glykosidische Bindungen (Amylopektin) verbunden sind. Seine Moleküle enthalten eine große Menge an Hydroxylgruppen. Modifizierte Stärke ist ein Stärkederivat, das nach der Modifizierung natürlicher Stärke durch den umfassenden Einsatz physikalischer, chemischer und biologischer enzymatischer Methoden gewonnen wird. Im Vergleich zu Rohstärke sind ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften (wie Löslichkeit, Viskosität, Stabilität, Filmbildung usw.) deutlich optimiert, um komplexere Industrie- oder Lebensmittelanforderungen zu erfüllen. Unter physikalischer Modifikation von Stärke versteht man die Modifikation von Stärke durch physikalische Mittel wie Hitze, mechanische Kraft und physikalische Felder, um die Kristallstruktur, den amorphen Bereich, die molekulare Anordnung oder intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen von Stärkepartikeln zu zerstören und eine strukturelle Umgestaltung zu erreichen. Zu den wichtigsten Mitteln gehören hydrothermale Flüssigkeit, Mikrowelle, ionisierende Strahlung, Ultraschall, Kugelmahlen, Extrusion usw. Die Mikrowellenbehandlung wird in der Lebensmittelindustrie häufig eingesetzt, um superabsorbierendes Harz aus stärkegepfropftem Copolymer mit starker Wasserabsorption und Wasserretention herzustellen.
MODIFIKATION DER WÄRMEBEHANDLUNG
Durch die Steuerung von Temperatur, Feuchtigkeit und Zeit wird die Gelatinierung, Regeneration oder molekulare Umordnung von Stärkepartikeln reguliert. Zu den gängigen Methoden gehören Vorgelatinierung, Glühen und feuchte Wärmebehandlung.
(1) Vorverkleisterte Stärke
Prozess: Die Stärke wird in kaltem oder heißem Wasser dispergiert, auf eine Gelatinierungstemperatur (normalerweise 60-90°C) erhitzt, um die Partikel vollständig zu gelatinieren, und dann dehydriert und getrocknet, um ein nicht-granuläres, kalt-wasserlösliches Stärkeprodukt zu erhalten.
Mechanismus: Durch Erhitzen absorbieren die Stärkepartikel Wasser und dehnen sich aus, die Kristallstruktur wird zerstört, die Molekülketten entfalten sich und verflechten sich zu einem dreidimensionalen Netzwerk. Nach dem Trocknen wird die Netzwerkstruktur „fixiert“ und das Wasser wird bei der Verwendung schnell rehydriert und bildet eine Paste.
Charakteristische Veränderungen: hohe Löslichkeit in kaltem Wasser, Gelatinierungstemperatur nahe Raumtemperatur, mittlere Transparenz der Paste, aber geringere Viskosität und Gelstärke als Rohstärke.
Anwendung: Fertiggerichte (z. B. Instant-Nudelgewürzpackungen, Instant-Suppenzutaten), Papierleimungsmittel, Textilleimungsmittel (vereinfachtes Verfahren).
(2) Glühen
Prozess: Stärke wird in warmem Wasser über der Glasübergangstemperatur, aber unter der Gelatinierungstemperatur für mehrere Stunden bis mehrere Dutzend Stunden warm gehalten und der Feuchtigkeitsgehalt (30 % - 50 %) wird kontrolliert.
Mechanismus: Im subgelatinisierten Zustand wandern Amylosemoleküle vom amorphen Bereich zur Kristallisationszone, fördern eine geordnete Umordnung im Nahbereich und erhöhen die Stabilität der Kristallisationszone.
Charakteristische Veränderungen: Die Starttemperatur der Gelatinierung steigt, die thermische Stabilität der Paste nimmt zu und die Härte des Gels nimmt zu, aber die Löslichkeit nimmt leicht ab.
Anwendungen: Lebensmittel, die eine Hochtemperaturverarbeitung erfordern (z. B. aseptisch verpackte Lebensmittel) oder Produkte, die eine erhöhte Gelfestigkeit erfordern (Gelee, Fleischprodukte).
(3) Hydrothermale Behandlung (Ht)
Verfahren: Die getrocknete Stärke auf einen Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 30 % einstellen, dann auf 80-120 °C erhitzen, einige Stunden warm halten und dann trocknen.
Mechanismus: Bei hoher Feuchtigkeit absorbieren die Stärkepartikel Wasser und dehnen sich aus, zerstören teilweise die Kristallstruktur, und dann werden die Molekülketten während des Trocknens neu angeordnet, um dichtere amorphe Bereiche oder neue kristalline Strukturen zu bilden, während gleichzeitig die Freilegung enzymatischer Hydrolysestellen verhindert wird.
Charakteristische Veränderungen: Die Gelatinierungstemperatur steigt, die Pastenviskosität nimmt ab, die Verdaulichkeit verbessert sich (resistentere Stärke RS3 wird erzeugt) und die Löslichkeit hängt von der Behandlungsintensität ab (eine mäßige Behandlung erhöht die Löslichkeit, eine übermäßige Behandlung nimmt ab).
Anwendungen: Lebensmittel mit niedrigem GI (z. B. resistentes Stärkebrot, Frühstückscerealien), Futtermittel (verbessern die Nährstoffverwertung), Bioethanolfermentation (reduzieren den Energieverbrauch für die enzymatische Hydrolyse).
MECHANISCHE BEHANDLUNGSÄNDERUNG
Durch mechanisches Scheren, Extrudieren oder Mahlen wird die Stärkepartikelstruktur zerstört und die Molekülkette verfeinert. Zu den gängigen Methoden gehören Extrusion und Extrusion, Kugelmahlen und Mahlen sowie ultraschallgestützte mechanische Behandlung.
(1) Extrusionsmodifikation
Prozess: Nachdem die Stärke mit einer kleinen Menge Feuchtigkeit (10 % - 30 %) und möglichen Zusatzstoffen vermischt wurde, wird sie mit einem Schneckenextruder bei hoher Temperatur (120 - 200 °C), hohem Druck (5 - 20 MPa) und hoher Scherkraft behandelt und das Material aus der Düse gesprüht, um den Druck zu reduzieren und sich auszudehnen, um eine poröse Struktur zu bilden.
Mechanismus: Die hohe Druckscherkraft zerstört die Kristallisation und die amorphen Bereiche der Stärkepartikel, die Molekülkette bricht und richtet sich neu aus, und die hohe Temperatur fördert das Aufbrechen intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen und bildet eine lockere poröse Netzwerkstruktur.
Charakteristische Änderungen: Die Expansionsrate kann das 5- bis 20-fache erreichen, die Löslichkeit wird stark erhöht, die Löslichkeit von kaltem Wasser wird verringert, die Gelatinierungstemperatur wird verringert, die thermische Stabilität wird verbessert und die poröse Struktur puffert die thermische Zersetzung, aber das Molekulargewicht nimmt ab.
Anwendung: Pufffutter (z. B. Maiskolben, Reiscracker), Tierfutter, biologisch abbaubare Materialien (poröses Stärkeadsorptionsmittel).
(2) Kugelmahlen
Prozess: Die Stärke und die Mahlkugeln werden mehrere Stunden lang bei niedriger Geschwindigkeit in der Kugelmühle zu Dutzenden kleiner Größen gemahlen. Die Verfeinerung wird durch die Kollision und Reibung zwischen den Kugeln und den Stärkepartikeln erreicht.
Mechanismus: Durch mechanische Kräfte werden Stärkepartikel in Fragmente im Nano-/Mikrometerbereich zerlegt, die Kristallstruktur wird vollständig zerstört, die Molekülkette bricht und mehr Hydroxylgruppen werden freigelegt.
Charakteristische Veränderungen: Partikelgröße nimmt ab, spezifische Oberfläche nimmt zu, Löslichkeit ist extrem hoch (nanoskalige Stärke kann Hyaglokolloid bilden), Gelatinierungsgeschwindigkeit wird beschleunigt, aber die Gelstärke nimmt ab.
Anwendungen: Nanokomposite wie Stärke-/Polymer-Nanopartikel, Arzneimittelträger, Adsorptionsmittel mit hoher spezifischer Oberfläche, abbaubare Kunststofffüllstoffe.
(3) Ultraschall-unterstützte mechanische Behandlung
Prozess: Die Stärkesuspension wird in einen Ultraschallgenerator gegeben und der Kavitationseffekt des Ultraschalls unterstützt die mechanische Scherung, um die Partikelstruktur zu zerstören.
Mechanismus: Der örtlich hohe Druck und die Scherkraft, die durch das Platzen von Kavitationsblasen erzeugt werden, beschleunigen die Depolymerisation von Stärkepartikeln und den Bruch der Molekülketten, während die thermische Wirkung von Ultraschall die Molekülbewegung fördert.
Charakteristische Veränderungen: Verkürzung der Gelatinierungszeit (Kavitationseffekt zerstört den Kristallisationsbereich), Verbesserung der Pastenstabilität (kürzere Molekülkette, nicht leicht zu regenerieren) und Erhöhung der Löslichkeit.
Anwendungen: Schnelle Gelatinierung von Stärke (z. B. Klebstoff für Sofortetiketten), Biodieselproduktion (Verbesserung der Effizienz der Stärkeumwandlung in Glukose).
ÄNDERUNG DER PHYSIKVERARBEITUNG
Zu den üblichen Methoden, die elektromagnetische Wellen, Strahlung und andere physikalische Feldenergien nutzen, um Veränderungen in der Struktur von Stärkemolekülen herbeizuführen, gehören Mikrowellenbehandlung und Bestrahlungsbehandlung (γ-Strahlen, Elektronenstrahlen).
(1) Mikrowellenbehandlung
Prozess: Stärke mit Wasser mischen (Feuchtigkeit 20 % - 50 %), einige Minuten bis mehrere zehn Minuten im Mikrowellenofen erhitzen, die Stärke gelatinieren und die Struktur durch den internen Heizeffekt der Mikrowelle neu formen.
Mechanismus: Mikrowellen dringen in Stärkepartikel ein, wodurch polare Moleküle (Wasser, Hydroxylgruppen) vibrieren und mit hoher Frequenz Wärme erzeugen. Die schnelle innere Erwärmung führt zu einer sofortigen Ausdehnung der Partikel, einer Zerstörung der Kristallstruktur und einem Bruch von Molekülketten.
Charakteristische Veränderungen: sehr kurze Gelatinierungszeit (Minuten im Vergleich zu mehreren zehn Minuten herkömmlicher Erhitzung), niedrige Viskosität der Paste (Aufbrechen der Molekülkette) und verbesserte thermische Stabilität (gleichmäßige Mikrowellenerwärmung verringert den lokalen Abbau durch Überhitzung).
Anwendung: Industrielle schnelle vorverkleisterte Stärkeproduktion, Abwasserbehandlung (mikrowellenmodifizierte Stärkeadsorption von Schwermetallionen).
(2) Bestrahlungsbehandlung
Prozess: Trockene Stärke wird mit γ- oder Elektronenstrahlen bestrahlt, um molekulare Bindungen durch ionisierende Strahlung aufzubrechen.
Mechanismus: Strahlungsenergie regt Elektronen in Stärkemolekülen an und erzeugt freie Radikale (z. B. · OH、· H), die molekulare Kettenbrüche (glykosidische Bindungen, C-C-Bindungen) und Hydroxyloxidation auslösen und gleichzeitig das mikrobielle Wachstum hemmen.
Charakteristische Veränderungen: verringertes Molekulargewicht (reduzierte Gelatinierungstemperatur), erhöhte Löslichkeit, erhöhte Klarheit der Paste, Bestrahlung mit niedriger Dosis kann die Regeneration verzögern (Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln), hohe Dosis führt zu übermäßigem Abbau.
Anwendungen: Lebensmittelkonservierung (bestrahlte modifizierte Stärke als Beschichtung, hemmt die Wassermigration), medizinisches Dressing (bestrahlter Stärkefilm, antibakteriell und abbaubar).
CHEMISCHE MODIFIKATION VON STÄRKE
Die chemische Modifikation von Stärke umfasst Säurehydrolyse, Oxidation, Veretherung, Veresterung und Vernetzung, was die am weitesten verbreitete Methode zur Stärkemodifikation ist.
SÄUREHYDROLYSE STÄRKE
Beim Prozess der sauren Hydrolyse sinkt die Gelatinierungstemperatur im Anfangsstadium, die Hydrolysetemperatur steigt am Höhepunkt der Hydrolyse und im Endstadium, und der endotherme Wert steigt zuerst an und nimmt dann mit der sauren Hydrolyse ab, und die Quellkraft und Löslichkeit nehmen zu. Die chemische Modifikation von Stärke durch Säurehydrolyse ist der Prozess des Abbaus von Stärke mit hohem Molekulargewicht in Produkte mit niedrigem Molekulargewicht (wie Dextrin, Oligosaccharide oder Monosaccharide), indem die glykosidischen Bindungen von Stärkemolekülen durch Säuren aufgebrochen werden. Durch die Verringerung des Molekulargewichts und die Polymerisation der Stärke werden ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften erheblich verändert, um bestimmte Funktionen zu erhalten (z. B. niedrige Viskosität, hohe Löslichkeit, gute Transparenz usw.).
REAKTIONSMECHANISMUS DER SÄUREHYDROLYSE-MODIFIKATION
Stärke ist ein Polymerpolysaccharid, das aus Glucoseeinheiten besteht, die durch α-1,4-glykosidische Bindungen (Amylose-Rückgrat) und α-1,6-glykosidische Bindungen (Amylopektin-Verzweigungspunkte) verbunden sind. Der Kern der Säurehydrolyse ist das katalytische Aufbrechen glykosidischer Bindungen durch Säuren. Der spezifische Prozess ist wie folgt:
Protonierung: Die Säure liefert H⁺, das sich an die Sauerstoffatome im Stärkemolekül (Sauerstoff oder Hydroxysauerstoff mit glykosidischen Bindungen) bindet, es protoniert und die Stabilität der glykosidischen Bindungen schwächt.
Aufbrechen der glykosidischen Bindung: Die protonierte glykosidische Bindung wird hetero-gespalten, um ein Oxygalliumionen-Zwischenprodukt zu bilden, das anschließend zu Dextrin, Maltose oder Glucose mit niedrigem Molekulargewicht hydrolysiert wird.
Hydrolyseunterschiede von Amylopektin: Die Bindungsenergie von α-1,6-glykosidischen Bindungen ist höher als die von α-1,4-glykosidischen Bindungen, sodass die Verzweigungspunkte von Amylopektin während der sauren Hydrolyse langsamer aufbrechen und das Endprodukt möglicherweise einige kurzverzweigte Kettenstrukturen behält.
VERÄNDERUNGEN DER EIGENSCHAFTEN VON SÄURE-HYDROLYSIERTER STÄRKE
Im Vergleich zu Rohstärke sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von säurehydrolysierter Stärke aufgrund der Abnahme des Molekulargewichts erheblich verändert, was sich hauptsächlich in Folgendem äußert:
Reduziertes Molekulargewicht und Polymerisation
Der Bruch der glykosidischen Bindung führte dazu, dass sich Stärkemoleküle von langen zu kurzen Ketten veränderten, was den Polymerisationsgrad um 50 %-90 % verringerte.
Die Viskosität sinkt deutlich
Die Molekülketten wurden kürzer, die intermolekulare Wicklung und die Wasserstoffbindung wurden geschwächt, die Anfangsviskosität der Paste wurde deutlich verringert und die Viskositätsstabilität bei hohen Temperaturen verbessert
Verbesserte Löslichkeit
Die Produkte mit niedrigem Molekulargewicht verringern die intermolekulare Aggregation, erhöhen die Löslichkeit in kaltem Wasser und verbessern die Klarheit der Paste.
Die Verkleisterungstemperatur wird gesenkt
Die kristalline Struktur von Stärkepartikeln wird durch Säure zerstört (insbesondere die geordnete Struktur von Amylosestärke), die für die Gelatinierung erforderliche Energie wird reduziert und die Gelatinierungstemperatur wird gesenkt
(Die Gelatinierungstemperatur von roher Maisstärke beträgt 62-72 °C und kann nach der Hydrolyse auf 55-65 °C gesenkt werden).
Filmbildung und Haftungseinstellung
Leicht hydrolysierte Stärke behält immer noch einen gewissen Grad an Kohäsion, der für die Leimung von Papier oder Textilien geeignet ist. Eine tiefe Hydrolyse verringert die Haftung, bildet aber einen gleichmäßigeren Film (z. B. für die Lebensmittelbeschichtung).
Verbesserte Verdauung
Mit einer Abnahme des Molekulargewichts wird saure/hydrolysierte Stärke leichter durch Amylase hydrolysiert und weist eine erhöhte Verdauungsrate auf (z. B. als Quelle leicht verdaulicher Kohlenhydrate in Babynahrung).
ÄTHERIFIZIERUNG STÄRKE
1. Stärkehydroxypropylierung ist eine Form der Stärkeveretherung. Hydroxypropylstärke kann den Abbau der Stärke verringern, die Gelatinierungstemperatur, die Viskosität und andere Eigenschaften der Stärke verändern. Nach der Hydroxypropylmodifizierung der Stärke wurden die freie Expansionsfähigkeit und der molare Substitutionsgrad der Stärke verbessert und die Trübung, der Prozentsatz der Dehydratisierungsschrumpfung und die Abbaurate verringert. Bei der Hydroxypropylierung von Stärke handelt es sich um den Prozess der Einführung von Hydroxypropyl (-O-CH₂-CHOH-CH₃) in Stärkemoleküle durch eine Veretherungsreaktion, bei der es sich um eine nichtionische Veretherungsmodifikation handelt. Die Modifikation veränderte die intermolekularen Kräfte und das hydrophile Gleichgewicht der Stärke durch die Einführung hydrophiler Etherbindungen und verbesserte so ihre Löslichkeit, Stabilität und funktionelle Vielfalt erheblich. Hydroxypropylstärke wird aufgrund ihrer hohen Sicherheit und hervorragenden Leistung häufig in der Lebensmittel-, Medizin-, Papierherstellungs- und anderen Bereichen eingesetzt.
Reaktionsmechanismus der Hydroxypropylierung:
Unter alkalischen Bedingungen (z. B. NaOH) bilden Stärkehydroxydeprotonen Alkoxyanionen (-O⁻), was die Nukleophilie erhöht. Alkoxyanionen greifen die Kohlenstoffatome von Propylenoxid an, wodurch der Epoxidring aufbricht und Zwischenprodukte entstehen. Nach der Hydrolyse entsteht schließlich Stärkehydroxypropylether
Veränderungen in den Eigenschaften von hydroxypropylierter Stärke:
Im Vergleich zur nichtionischen Veretherung (z. B. Methylierung) verleiht der hydrophile sterische Hinderungseffekt von Hydroxypropylgruppen der Stärke einzigartige Eigenschaften mit den folgenden Kernänderungen:
Löslichkeits- und Gelatinierungseigenschaften
Die Löslichkeit von kaltem Wasser wird erheblich verbessert: Die Etherbindung (-O-) der Hydroxypropylgruppe bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen, und die Wasserstoffbindung zwischen Stärkemolekülen wird durch sterische Hinderung geschwächt, sodass Stärke in kaltem Wasser schnell dispergiert und gelöst wird.
Reduzierung der Gelatinierungstemperatur: Hydroxypropyl zerstört die Kristallisationsstruktur von Stärkepartikeln und verringert die Gelatinierungsbeständigkeit
(Die Gelatinierungstemperatur der ursprünglichen Stärke beträgt 60-80°C und wird nach der Hydroxypropylierung auf 50-70°C gesenkt).
Pastenstabilität und Anti-Regeneration
Ausgezeichnete Gefrier-/Auftaustabilität: Die sterische Hinderung von Hydroxypropyl verhindert, dass sich Stärkemoleküle beim Einfrieren/Auftauen neu anordnen und kristallisieren, und die Paste bleibt nach 3-5 Einfrier-/Auftauzyklen (-20 °C/25 °C) klar, ohne dass sich Wasser abscheidet (besser als rohe Stärke und Acetatstärke).
Geringe Regenerationstendenz: Hydroxypropylgruppen behindern die spiralförmige Aggregation zwischen Amylosemolekülen und die Viskosität der Paste nimmt während der Lagerung langsam ab
(geeignet für die Langzeitlagerung von Lebensmitteln oder Beschichtungen).
Niedrige Anfangsviskosität: Hydroxypropyl reduziert die intermolekulare Kraft und die Anfangsviskosität der Paste ist niedriger als die der ursprünglichen Stärke, aber die Viskositätsstabilität wird bei hoher Temperatur verbessert (es ist nicht einfach, die Viskosität aufgrund von Scherung oder Erhitzen zu reduzieren).
Gute Filmbildungsflexibilität: Die Hydrophilie von Hydroxypropyl sorgt dafür, dass der Film nach der Wasseraufnahme nicht leicht bricht, und der Film ist transparent und faltungsbeständig (wird für Verpackungsfolien oder Textilschlichten verwendet).
2.Kationische Stärke ist eine quartäre Ammoniumgruppe (-NR₄⁺) mit einer positiven Ladung an der Hydroxylgruppe (-OH) von Stärkemolekülen, die durch Quaternisierungsreaktion einen kationischen Stärkeether bildet, der der Stärke eine positive Ladung verleiht, so dass sie negativ geladene Substanzen elektrostatisch anziehen und ihre Flockungs-, Verstärkungs- und Retentionseigenschaften deutlich verbessern kann. Kationische Stärke ist aufgrund ihrer hohen Effizienz, einfachen Abbaubarkeit und niedrigen Kosten zu einem zentralen Zusatzstoff in der Papierherstellung, Abwasserbehandlung, Ölförderung und anderen Industrien geworden.
Der Reaktionsmechanismus der Kationisierung
Die Stärkehydroxylgruppe (-OH) reagiert mit einem Alkylierungsreagenz, das eine quartäre Ammoniumgruppe enthält, um einen kovalent gebundenen quartären Ammoniumether zu bilden
Papierindustrie: Nassadditive zur Verbesserung der Faser-/Füllstoffretention und zur Verbesserung der Trocken-/Nassfestigkeit des Papiers, Oberflächenleimungsmittel
Abwasserbehandlung: Schlammentwässerung, Flockungsmittel: Entfernung anionischer Schadstoffe: Adsorptionsfarbstoffe, Schwermetallkomplexe
Ölbohrung: Mittel zur Reduzierung des Filtrationsverlusts, kationische Stärke adsorbiert den Ton der Bohrlochwand und reduziert das Eindringen von Filtrat
Leckstopfenmaterial: mit Kalziumkarbonat versetzt, um Mikrorisse abzudichten
Textiles & Daily Chemicals: Shampoo-Verdicker: Kationische Eigenschaften adsorbieren die Haaroberfläche und verleihen ihm ein weiches Gefühl (anstelle von kationischem Tensid mit quaternärem Ammonium).
OXIDIERTE STÄRKE
Die Hydroxylgruppe in Primärstärke ist der Hauptort der Oxidationsreaktion. Die oxidative Modifikation greift die Hydroxyl- oder glykosidischen Bindungen von Stärkemolekülen durch Oxidationsmittel an und löst zwei Arten von Reaktionen aus:
Hydroxyloxidation: Die Hydroxylgruppe wird zu Carbonyl (Aldehyd, Keton) oder Carboxyl (-COOH) oxidiert, was die intermolekulare Wasserstoffbindung reduziert und die Löslichkeit und Reaktivität von Stärke verbessert.
Aufbrechen der glykosidischen Bindung: Das Oxidationsmittel greift die glykosidischen Bindungen an und führt zum Bruch der Molekülkette der Stärke, wodurch Produkte mit niedrigem Molekulargewicht wie Dextrine entstehen, die das Molekulargewicht und die Viskosität der Stärke verringern.
Im Vergleich zur Originalstärke sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften oxidierter Stärke deutlich verändert:
Verbesserte Löslichkeit: Hydroxylgruppen werden zu Carboxyl-/Carbonylgruppen oxidiert, was intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen schwächt und die Löslichkeit in kaltem Wasser erhöht (insbesondere Amylopektin).
Reduzierte Gelatinierungstemperatur: Der Bruch der Molekülkette und die Reduzierung der Hydroxylgruppen verringern die Kristallinität und den Expansionswiderstand der Stärkepartikel und erleichtern so die Gelatinierung.
Erhöhte Pastenstabilität: Produkte mit niedrigem Molekulargewicht reduzieren die Regeneration (Alterung) und die Paste ist klarer und weniger anfällig für Delaminierung
(Bei Verwendung in Lebensmittelsaucen kann die Haltbarkeit verlängert werden)
Reduzierte Viskosität: Das Molekulargewicht nimmt durch den Bruch glykosidischer Bindungen ab und die Anfangsviskosität der Paste nimmt ab, aber die Viskositätsstabilität wird bei hohen Temperaturen verbessert (geeignet für die Papierleimung).
Verbesserte Filmbildung: Das Vorhandensein von Carboxylgruppen verstärkt die intermolekularen Kräfte, was zu einer gleichmäßigeren und flexibleren Filmbildung führt (für Verpackungen oder Textilschlichten).
VERNETZENDE STÄRKE
Vernetzung wird häufig zur Modifizierung natürlicher Stärke eingesetzt, insbesondere für die Herstellung von Materialien mit geringer Wasserempfindlichkeit. Die Veresterung verleiht Stärkeprodukten durch Hydroxylsubstitution Hydrophobie. Durch die Vernetzung sollen intramolekulare und intermolekulare Verbindungen an zufälligen Positionen in Stärkepartikeln erhöht werden. Durch die Vernetzung kann die Wasserabsorption aufgrund der Fähigkeit, die Vernetzungsdichte in der Stärkestruktur zu erhöhen, auch begrenzt werden.
Bei der Vernetzungsmodifikation handelt es sich um die Bildung kovalenter Bindungen („molekularer Brücken“) zwischen den Hydroxylgruppen (-OH) von Stärkemolekülen durch bifunktionelle oder multifunktionale Vernetzungsmittel, die mehrere Stärkemoleküle zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbinden. Das Hauptziel besteht darin, die strukturelle Stabilität von Stärkepartikeln zu erhöhen, das Aufbrechen der Partikel während der Gelatinierung zu verhindern und die Scherfestigkeit, Temperaturbeständigkeit sowie Säure- und Alkalibeständigkeit der Paste zu verbessern.
Reaktionsmechanismus
Stärkemoleküle enthalten eine große Menge an Hydroxyl (-OH), und der Vernetzer reagiert mit der Hydroxylgruppe auf zwei Arten, um eine Brückenbindung zu bilden:
Einfache Vernetzung: Die beiden aktiven Gruppen des Vernetzers reagieren mit den Hydroxylgruppen der beiden Stärkemoleküle (z. B. Phosphatbindung an die beiden Hydroxylgruppen an der C6-Position);
Doppelte Vernetzung: Mehrere aktive Gruppen des Vernetzers reagieren mit verschiedenen Hydroxylgruppen desselben Stärkemoleküls
(z. B. bindet Epichlorhydrin an Hydroxylgruppen an den C2- und C3-Positionen desselben Moleküls oder reagiert mit Hydroxylgruppen zweier verschiedener Stärkemoleküle (unter Bildung intermolekularer Brücken)
·
Typische Reaktionsbeispiele (Natriumtrimetaphosphat-Vernetzung):
Die Hydroxylgruppe der Stärke (-OH) deprotoniert unter alkalischen Bedingungen unter Bildung eines negativen Alkoxy-Ions (-O⁻), greift das Phosphoratom von Natriumtrimetaphosphat ((NaPO₃)₃) an und bildet nach der Deprotonierung unter alkalischen Bedingungen eine Phosphatesterbindung (-O-PO₂⁻-O-), die die beiden Stärkemoleküle verbindet.
Deutlich verbesserte Scherfestigkeit: Die Paste behält eine hohe Viskosität
(Textilschlichte zur Vermeidung von Schlickerverlust)
Erhöhte thermische Stabilität: Die Gelatinierungstemperatur wurde erhöht
(60-80°C für Rohstärke, 70-95°C nach der Vernetzung), und die Paste war bei hohen Temperaturen nicht leicht zu zersetzen (geeignet für die Sterilisation von Konserven bei hohen Temperaturen)
Gute Säure- und Laugenbeständigkeit: Die Paste ist im pH-Bereich von 2-12 stabil
(Anders als Rohstärke, deren Viskosität in starken Säuren/Laugen leicht reduziert werden kann) und kann in sauren Getränken (Saft) oder alkalischen Waschmittelzusätzen verwendet werden
Beibehaltung der Partikelmorphologie: Einige intakte Partikel bleiben nach der Gelatinierung noch erhalten und die Transparenz der Paste ist hoch
(Wird für Beschichtungen bei der Papierherstellung verwendet, um die Papierglätte zu verbessern)
Veresterungsmodifikation STÄRKE
Bei der Veresterungsmodifikation handelt es sich um die Reaktion von Säure/Säureanhydrid/Acylchlorid mit Stärkehydroxylgruppen, um Estergruppen (-COOR, -PO₃R₂ usw.) in Stärkemoleküle einzuführen und deren Hydrophilie, Hydrophobie, Ladung und Reaktivität zu ändern. Bei der Acetylierungsmodifikation von Stärke wird durch eine Veresterungsreaktion eine Acetylgruppe (-COCH₃) in die Hydroxylgruppe (-OH) des Stärkemoleküls eingeführt, um Stärkeacetat zu bilden. Hierbei handelt es sich um eine typische nichtionische Veresterungsmodifikation, die die Hydrophilie, Hydrophobie, Ladung und intermolekulare Kraft von Stärke durch die Einführung von Acetylgruppen reguliert und dadurch ihre funktionellen Eigenschaften (wie Emulgierung, Stabilität und Anti-Aging-Eigenschaften) deutlich verbessert. Acetylierte Stärke wird aufgrund ihrer hohen Sicherheit und hervorragenden Leistung häufig in der Lebensmittel-, Papier-, Textil- und anderen Bereichen eingesetzt. Die Glucoseeinheit im Stärkemolekül ist reich an Hydroxylgruppen (-OH). Der Kern der Acetylierungsreaktion ist die Veresterungsreaktion von Säureanhydrid und Alkohol.
Die Einführung von Estergruppen verleiht der Stärke ein einzigartiges hydrophobes Gleichgewicht und eine einzigartige Funktionalität
Acetatstärke: senkt die Verkleisterungstemperatur (ursprüngliche Stärke 60-80°C, 50-70°C nach Acetatveresterung), hohe Transparenz der Paste; starke Alterungsbeständigkeit (hemmt die Amylose-Retrogradation), wird in Eiscreme und tiefgefrorenen Knödeln verwendet, um ein Aushärten bei der Lagerung zu verhindern; gute Emulgierung, kann als Emulgator zur Stabilisierung von Lebensmittelemulsionen (z. B. Saftgetränken) verwendet werden. Acetylierte Stärke erhöht die Härte, ohne den Kohäsionswert wesentlich zu beeinträchtigen, und kann Weizenmehl mit niedrigem Proteingehalt, das bei der Herstellung von Instantnudeln verwendet wird, teilweise ersetzen und so die Fettaufnahme reduzieren.
Phosphatstärke: Stark hydrophil (Phosphatgruppen bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen), die Pastenviskosität ist hoch und stabil, wird in Beschichtungen für die Papierherstellung verwendet (zur Verbesserung der Pigmentretention), hat anionische Eigenschaften (Phosphate sind negativ geladen), kann in Verbindung mit kationischen Additiven (z. B. quartären Ammoniumsalzen) verwendet werden und kann als Flockungsmittel in der Abwasserbehandlung verwendet werden. Phosphatstärke in Lebensmittelqualität ist ungiftig und kann als Verdickungsmittel für Babynahrung (z. B. Reismehl, Fruchtpüree) verwendet werden.
Stärkestearat: Die Hydrophobie wird deutlich verbessert und kann zur Herstellung abbaubarer hydrophober Filme (z. B. Verpackungsmaterialien) oder von Arzneimittelträgern mit verzögerter Freisetzung (Arzneimittel werden in Stärkekörnchen eingewickelt und langsam freigesetzt) verwendet werden.
Octenylbernsteinsäureanhydrid-modifiziertes Stärkenatriumsalz (kurz OSA-Stärke) ist eine nichtionische oberflächenaktive modifizierte Stärke, die durch Einführung von Octenylbernsteinsäureanhydrid-Gruppen (OSA) in Stärke durch eine Veresterungsreaktion hergestellt wird. Der Kern besteht darin, dass die Hydroxylgruppe der Stärke unter alkalischen Bedingungen mit der Anhydridgruppe von OSA reagiert und Stärkeoctenylsuccinat bildet, das dann zu einem Natriumsalz neutralisiert wird. Grenzflächenaktivität und Emulgierung Niedrige kritische Mizellenkonzentration (CMC),
Hohes Emulgiervermögen: (Salatdressing, Kaffeemate, Emulsionsstabilität).
Beständig gegen Elektrolyte (NaCl ≤ 5 %) und Gefrier-/Tauzyklen (-20℃/25℃ dreimal ohne Demulgierung).
Hydrophobes/hydrophiles Gleichgewicht (HLB-Wert einstellbar), geeignet für O/W-Emulgierung (wie Milch, aromatisierte Milch)
Oxidative Doppelbindungsvernetzung: Nach der Behandlung mit Wasserstoffperoxid bilden die Doppelbindungen Epoxidgruppen und die Gelfestigkeit wird verbessert (wird für die Imitation von Cremebeschichtungen verwendet).
In Lebensmitteln: emulgierte Aromen, Getränkeemulsionen, Säuglingsnahrung, Backwaren.
In der Kosmetik: Cremeemulgator, Arzneimittelträger [Kapsel].
Textildruck, Emulgator in Industrierohöl
ENZYMATISCHE BEHANDLUNG VON STÄRKE
Bei der Biomodifikation handelt es sich um eine enzymatische Behandlung von Stärke wie Cyclodextrin, Maltodextrin, Amylose usw., bei denen es sich allesamt um modifizierte Stärken handelt, die durch enzymatische Behandlung gewonnen werden.
Die enzymatische Modifikation von Stärke nutzt die katalytische Wirkung biologischer Enzyme, um die glykosidischen Bindungen von Stärkemolekülen durch Reaktionen wie Hydrolyse, Transglykosylierung oder Entzweigung präzise zu zerschneiden oder zu rekonstruieren, wodurch ihre Molekülstruktur (wie Molekulargewicht, Verzweigungsgrad, Anzahl reduzierender Enden usw.) verändert und letztendlich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften (wie Löslichkeit, Gelatinierungseigenschaften, Verdaulichkeit, Viskosität usw.) reguliert werden. Im Vergleich zur herkömmlichen chemischen Modifikation bietet die Enzymbehandlung die Vorteile milder Bedingungen (normale Temperatur und Druck, neutraler pH-Wert), hoher Spezifität, weniger Nebenprodukte sowie Umwelt- und Umweltschutz. Dies ist eine wichtige Richtung in der aktuellen Tiefenverarbeitung von Stärke.
1. Löslichkeits- und Gelatinierungseigenschaften
Niedermolekulares Dextrin: Löslich in kaltem Wasser, die Gelatinierungstemperatur wird gesenkt (die Molekülkette ist kurz und es kann leicht Wasser absorbieren und quellen).
Amylose: mittlere Löslichkeit (Amylose lässt sich leicht aggregieren), Gelatinierungstemperatur steigt (lineare intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen sind stärker).
Resistente Stärke RS2 (nicht-gelatinierte Enzymbehandlung): Beispielsweise bildet Stärke mit hohem Amylosegehalt nach teilweiser Entzweigung durch Pullulanase eine Kristallstruktur, ist in kaltem Wasser unlöslich und behält auch nach der Gelatinierung ihre Verdauungsresistenz bei.
2. Viskosität und thermische Stabilität
Maltodextrin (begrenzte Hydrolyse durch Alpha-Amylase und Glucoamylase): niedrige Anfangsviskosität (kleines Molekulargewicht), stabile Viskosität bei hohen Temperaturen (keine langkettige Molekülverschränkung).
Sirup mit hohem Maltosegehalt (Beta-Amylase-Behandlung): mittlere Viskosität, gute thermische Stabilität (die Kraft zwischen Maltosemolekülen ist schwach und nicht leicht zu zersetzen).
Resistente Stärke (Transglucosidase-Cyclisierung): niedrige Viskosität nach der Gelatinierung (die Ringstruktur nimmt Wasser nicht leicht auf und quillt nicht leicht) und behält nach dem Abkühlen immer noch eine niedrige Viskosität bei.
3. Verdauungs- und physiologische Funktionen
Schnell verdauliche Stärke (RDS, vollständige Hydrolyse durch Glucoamylase): hoher Glukosegehalt, schnelle Verdauung
(wird in Glukosesirup und Sportgetränken verwendet).
Langsam verdaute Stärke (SDS, begrenzte Hydrolyse durch β-Amylase): hauptsächlich Maltose und begrenztes Dextrin, langsame Verdauung
(wird in Lebensmitteln mit niedrigem GI verwendet, um den Anstieg des Blutzuckers zu verzögern)
Resistente Stärke (RS, enzymatische Entzweigung und Annealing): Wenn sie durch Pullulanase entzweigt und mit feuchter Hitze behandelt wird, bildet sie eine Kristallstruktur und wird nicht durch Dünndarmenzyme hydrolysiert.
(Funktion von Ballaststoffen, Regulierung der Darmflora)
4. Funktionale Anwendungsfunktionen
Filmbildende Eigenschaften: Stärke mit hohem Amylosegehalt (nach Entzweigung) hat gute filmbildende Eigenschaften und wird für abbaubare Verpackungsfolien verwendet.
Geschmacksstabilität: Niedrig reduzierendes Dextrin (α-Amylase-Behandlung) neigt nicht zur Maillard-Reaktion und kann zur Aufrechterhaltung der Farbe in Backwaren verwendet werden.
