Вы слышали что-нибудь о наночастицах? Что это такое, для чего они используются и какое значение имеют в промышленности? А если мы скажем, что существуют наночастицы крахмала?
Речь идет о разработке китайских ученых из Чжезяна, которая заключается в получении наночастиц крахмала с помощью ультразвуковой обработки с быстрым осаждением частиц с помощью метода динамического рассеяния света и обработке их холодной плазмой.
Средний размер частиц на выходе - 64,51 ± 0,15 нм, при том, что обычных размер гранул картофельного крахмала – более 100 нм. Свойства такого крахмала, по сравнению с нативными, улучшены – его растворы демонстрируют более высокую относительную кристалличность и более низкую вязкость.
Относительная кристалличность - отношение между степенью кристалличности в определённый момент времени или при определённой температуре и степенью кристалличности в конце процесса кристаллизации.
С целью улучшения его структурных и функциональных свойств для обработки крахмала могут использоваться физические, химические, ферментативные или комбинированные методы обработки и получения различных модификаций (не путать с ГМО – в данном случае модификации нацелены на изменения структурной молекулы крахмала, а не генов).
Среди этих способов - получение наночастиц крахмала (starch nanoparticles - SNPs).
Существует два подхода к подготовке SNPs:
1. «Сверху-вниз» (top-down) подход использует физические или химические средства (гидролиз, механическое измельчение и т.д.) для получения SNPs путем уменьшения размера частиц крахмала. Например, SNPs были выделены из гранул нативного крахмала путем шарового измельчения в сочетании с кислотным гидролизом.
2. Подход «Снизу- вверх» (bottom-up) заключается в получении SNPs путем сборки молекул крахмала в качестве базовых единиц (например, наноосаждение и обратная микроэмульсия).
Наноосаждение – техника создания наночастиц путём смешивания растворов в контролируемых условиях по принципу быстрого перенасыщения, при этом растворимость несолеобразующего агента в растворе мгновенно уменьшается, что приводит к его осаждению.
Разберем подробнее принцип наноосаждения.
В этом методе полимер сначала растворяют в растворителе с образованием гомогенной полимерной фазы, а затем этот раствор полимера переносят в другой растворитель, который вызывает выпадение полимера в осадок с образованием наночастиц.
В последние годы было доказано, что наноосаждение с помощью ультразвука является эффективным подходом для получения крахмала.
Обработка поверхности продукта холодной плазмой (cold plasma - СР), состоящей из ультрафиолетовых фотонов, ионов, свободных электронов и различных активных форм неметаллов, которые обеспечивают в природе различные формы энергии, является доказано эффективным методом модификации частиц.
Холодная плазма – это состояние вещества, в котором газ ионизирован, что приводит к образованию активных частиц. Эффективность метода обработки холодной плазмой заключается в его дешевизне и экологичности.
В текущем исследовании ученые получали SNPs путем растворения крахмала с помощью ультразвука и последующего быстрого наноосаждения. После этого SNPs дополнительно обрабатывали CP перед сублимационной сушкой.
Ученые предположили, что SNPs будут заряжаться электрическим током при CP-обработке, и свободные радикалы, создаваемые CP, могут вызывать скелетное разрушение SNPs, образуя более мелкие фрагменты. Наночастицы, получаемые при обработке холодной плазмой назвали СР SNP.
Описание получения наночастиц крахмала:
Картофельный крахмал гидратировали в дистиллированной воде и желатинизировали при 85°С, после чего нагревали в течение 30 мин при постоянном перемешивании, затем желатинизированную крахмальную пасту обрабатывали ультразвуком в течение 5-25 минут с использованием зондового ультразвукового аппарата с частотой 20 кГц. Наноосаждение проводили путем быстрого вливания обработанного ультразвуком раствора крахмальной пасты в этанол (95% по объему) при постоянном перемешивании. Далее проводилась обработка холодной плазмой и сублимационная сушка.
На рисунке №1 показаны суспензии нативного крахмала, SNPs (нанокрахмала) и СР SNP (нанокрахмала, обработанного холодной плазмой). Результаты измерения данных суспензий показали, что вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига. Крахмальные суспензии представляют собой неньютоновскую жидкость и часто разжижаются при сдвиге, что указывает на наличие связанной сетчатой структуры между молекулами крахмала. Растворы SNPs при низких концентрациях могут проявлять сгущение при физическом воздействии, что объясняется поверхностным зарядом и отталкивающим двойным слоем частиц. Когда скорость сдвига составляла 30 с-1, значения вязкости, содержащие нативный крахмал, SNPs и CP SNP составляли 1,07, 0,008 и 0,003 Па соответственно.
На рисунке №2 представлены фотографии, снятые с помощью сканирующей электронной микроскопии. На них изображены образцы нативного крахмала, SNPs и CP SNP.
Поверхность и края нативного крахмала гладкие, в основном имеют круглую, овальную либо многоугольную форму с размерами частиц 5-20 мкм. По сравнению с нативным крахмалом, адгезия между SNPs более выражена и частицы SNPs в основном имеют пластинчатую и губчатую форму. Размер частиц находится в диапазоне 200-400 нм. Явление адгезии между SNPs может быть обусловлено взаимным притяжением водородных связей между частицами, приводящее к более плотным соединениям частиц.
После CP-обработки форма частиц CP SNP полностью исчезает, они компактно соединяются между собой и образуют более плотную и волокнистую сеть, свернутую спиралью. Обработка плазмой разрушает функциональные группы на поверхности SNPs и создает новые комплексы, которые дополнительно влияют на агрегацию SNPs и способствуют образованию структурной сети в гелях.
Вывод: При проверке нативного крахмала, SNPs и CP SNP, показали самую низкую вязкость, самую высокую относительную кристалличность и стабильность при повторном диспергировании именно CP SNP. Такие крахмалы наряду с целлюлозой могут использоваться как носители для пищевых и фармацевтических нужд.
Вскоре мы опубликуем новые интересные факты о модифицированном крахмале. А пока не забывайте следить за нашими новостями и оставайтесь на связи!
Присоединяйтесь к нам в социальных сетях! Будьте в курсе всех новостей, акций и вдохновляющего контента. Следите за нами так, как вам удобно:
• Телеграмм
• Вконтакте
• Инстаграм
С уважением,
Команда «GEA Ingredients»