Nachdem modifizierte Stärke in einem Extruder verarbeitet wurde, ändern sich ihre physikalischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften erheblich, was hauptsächlich auf die hohen Temperaturen, den hohen Druck, die hohen Scherkräfte und die mechanische Einwirkung während des Extrusionsprozesses zurückzuführen ist. Im Folgenden werden die wichtigsten Veränderungen und Auswirkungen bei modifizierter Stärke während der Extrusionsverarbeitung aufgeführt:
- Strukturelle Veränderungen
- Gelatinierung von Stärke und Zerstörung der Kristallstruktur
- Verkleisterung: Die hohen Temperaturen (in der Regel 100–200 °C) und der hohe Druck während des Extrusionsprozesses führen dazu, dass die Stärkekörner Wasser aufnehmen und aufquellen, Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen, die Kristallstruktur zerfällt und die Stärkemoleküle von einer geordneten Anordnung in einen ungeordneten Gelzustand übergehen.
- Umwandlung des Kristalltyps: Die Kristalle des A-Typs (Getreidestärke) oder des B-Typs (Knollisstärke) der natürlichen Stärke können teilweise in einen stabileren V-Typ (Amylose-Lipid-Komplex) umgewandelt werden, was sich auf die Löslichkeit und die Verdaulichkeit auswirkt.
- Molekularer Abbau und Umstrukturierung
- Molekularer Kettenbruch: Eine hohe Scherkraft kann zum Abbau von Stärkemolekülen (Amylose und Amylopektin) führen, das Molekulargewicht verringern, Dextrin oder niedermolekulare Zucker bilden und die Viskosität senken.
- Vernetzung oder Reorganisation: Einige modifizierte Stärken (wie beispielsweise vernetzte Stärken) können während der Extrusion weitere Vernetzungen eingehen, um die thermische Stabilität zu verbessern; andere Arten hingegen können ihre Molekülketten neu anordnen und so neue Netzwerkstrukturen bilden.
- Veränderungen der physikalischen Eigenschaften
- Löslichkeit und Quellvermögen
- Die Wasserlöslichkeit von gelatinierter Stärke nimmt zu, und auch die Kaltwasserlöslichkeit kann sich erhöhen (insbesondere bei vorgelatinierter Stärke).
- Die Bildung einer porösen Struktur nach der Extrusion kann zwar die Wasseraufnahme erhöhen, ein übermäßiger Abbau kann jedoch zu einer Verringerung der Quellfähigkeit führen.
- Rheologische Eigenschaften
- Die Viskosität nimmt deutlich ab (aufgrund des molekularen Abbaus), doch die Gelfestigkeit kann sich – abhängig von der Stärkesorte und den Extrusionsparametern (wie Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt) – aufgrund einer Reorganisation erhöhen.
- Morphologie und Textur
- Nach der Extrusion weist die Stärke eine poröse, flockige oder faserige Struktur mit einer lockeren Konsistenz auf, die zur Herstellung von Puffprodukten oder als Trägermaterial verwendet werden kann.
- Veränderungen der chemischen Eigenschaften
- Reaktion einer chemischen Gruppe
- Die ursprünglichen chemischen Modifikationsgruppen (wie Acetyl und Hydroxypropyl) der modifizierten Stärke können durch hohe Temperaturen teilweise zersetzt werden, was sich auf die funktionellen Eigenschaften (wie die Frost-Tau-Stabilität) auswirkt.
- Es kann zu einer Maillard-Reaktion (sofern Proteine vorhanden sind) oder zu einer Oxidationsreaktion kommen, was zu einer Farbveränderung (Bräunung) führt.
- Bildung von resistenter Stärke (RS)
- Durch die Rekristallisation von Amylose während der Extrusion kann resistente Stärke (RS3 oder RS4) entstehen, die den Ballaststoffgehalt erhöht und den glykämischen Index senkt.
- Veränderungen der funktionellen Eigenschaften
- Thermische Stabilität und mechanische Eigenschaften
- Die Hochtemperaturbeständigkeit und die Scherfestigkeit von vernetzter Stärke lassen sich weiter verbessern, wodurch sie sich für hochtemperaturverarbeitete Lebensmittel eignet.
- Die filmbildenden oder faserbildenden Eigenschaften von Stärke können nach der Extrusion verbessert werden, sodass sie in biologisch abbaubaren Verpackungsmaterialien eingesetzt werden kann.
- Verdauungsfördernde Eigenschaften
- Erhöhter Gehalt an schnell verdaulicher Stärke (RDS): Durch die Gelatinierung wird Stärke anfälliger für enzymatische Hydrolyse.
- Bildung von resistenter Stärke (RS): Je nach Verarbeitungsbedingungen können bestimmte umstrukturierte Strukturen der Verdauung widerstehen (beispielsweise fördert die Extrusion bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt die Bildung von RS).
(3) Adsorption und Trägerfunktion
- Die poröse Struktur kann die Aufnahmekapazität für Aromastoffe und Wirkstoffe erhöhen und wird häufig bei der Mikroverkapselung oder in Systemen zur verzögerten Wirkstofffreisetzung eingesetzt.
- Auswirkungen auf die Anwendung
Die modifizierte Stärke zeigt nach der Extrusion in den folgenden Bereichen eine bessere Leistung:
- Lebensmittelindustrie: verzehrfertige Lebensmittel, gepuffte Snacks, Aromaträger.
- Medizinischer Bereich: Wirkstoffträger mit kontrollierter Freisetzung, Sprengmittel.
- Umweltfreundliche Materialien: biologisch abbaubare Kunststoffe, Verpackungsfolien.
- Futtermittelverarbeitung: zur Verbesserung der Stärkeverdaulichkeit oder als Bindemittel.
Wichtige regulatorische Faktoren
Der Extrusionseffekt wird durch die folgenden Parameter beeinflusst:
- Temperatur: Hohe Temperaturen fördern die Gelatinierung und den Abbau, während bei niedrigen Temperaturen ein Teil der Kristallstruktur erhalten bleiben kann.
- Feuchtigkeitsgehalt: Ein hoher Feuchtigkeitsgehalt (20–30%) begünstigt die Gelatinierung, ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt fördert den molekularen Abbau und die Bildung einer porösen Struktur
- Schneckendrehzahl und Scherkraft: Eine hohe Scherkraft verstärkt den Molekülabbau.
- Stärketyp: Das Verhältnis von linearen zu verzweigten Ketten sowie die Modifikationsmethode (Acetylierung, Vernetzung usw.) bestimmen die endgültigen Eigenschaften.
Zusammenfassung
Durch die Extrusionsverarbeitung werden Struktur und Funktion von modifizierter Stärke durch physikalisch-chemische Synergieeffekte erheblich verändert, wodurch sie sich besser für Anwendungen mit hoher Wertschöpfung eignet. Durch Anpassung der Prozessparameter lassen sich der Gelatinierungsgrad, die Molekulargewichtsverteilung, die Verdaulichkeit und weitere Eigenschaften der Stärke so steuern, dass sie unterschiedlichen industriellen Anforderungen gerecht werden. Sollten Sie Fragen haben, wenden Sie sich bitte an uns.
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