ES2287207T3 - Almidones convertidos termicamente y procedimiento de preparacion de los mismos. - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para convertir un almidón básico que tiene menos del 18% de humedad en un almidón convertido que comprende las etapas de: mezclado del almidón básico con un ácido, secado de la mezcla hasta un contenido de humedad de menos del 1%, y calentamiento de la mezcla seca a una temperatura y durante un tiempo suficiente para producir el almidón convertido con una viscosidad de flujo en embudo de 5 a 50 segundos, en el que el almidón básico se coloca en un reactor que tiene una fuente de energía convectiva y conductora, a continuación se introduce un gas de fluidización a una velocidad por la que el almidón queda suspendido en el lecho del reactor, se inyectan ácido anhidro y un gas portador directamente en el gas de fluidización del reactor fluidizado para efectuar la mezcla del almidón y el ácido, se aumenta la temperatura del lecho a una temperatura en el intervalo de entre 50 y 135°C durante 3 minutos a una hora.

Description

Almidones convertidos térmicamente y procedimiento de preparación de los mismos.
La invención se refiere a un procedimiento para convertir almidones. Más particularmente, la invención se refiere a un procedimiento de conversión ácida por el que pueden obtenerse productos que tienen baja viscosidad y altos niveles de compuestos de bajo peso molecular.
Los almidones tienen normalmente buenas propiedades de espesamiento debido a sus componentes poliméricos de alto peso molecular. Para aplicaciones que usan normalmente un alto contenido en almidón (es decir, sólidos), como adhesivos, golosinas y recubrimientos de alimentos, la práctica común es usar almidones que se han convertido. El procedimiento de conversión da como resultado productos de almidón que contienen polímeros de peso molecular reducido y muestran viscosidad reducida.
Los procedimientos de conversión más comunes usados en la industria del almidón incluyen hidrólisis ácida, oxidación, piroconversión y conversión enzimática. Excepto para la conversión enzimática, se usa almidón granular en los procedimientos de modificación para facilitar la recuperación. Este procedimiento de recuperación implica generalmente una suspensión del producto final de almidón en agua, neutralizar el pH, a continuación filtrar el producto de almidón y lavar el producto con agua. Dicho procedimiento elimina generalmente las sales y partículas cargadas, que incluyen los productos secundarios de menor peso molecular creados durante la conversión.
El uso de procedimientos acuosos para convertir almidón que usa el procedimiento de recuperación descrito anteriormente son bien conocidos y se describen, por ejemplo, en publicaciones como "Starch: Chemistry and Technology", 2ª edición, editado por Roy L. Whistler y col., Capítulo X; Starch Derivatives: Production and Uses de M. W. Rutenberg y col., Academic Press, Inc. 1984.
El documento EP-A-0.953.579 desvela un procedimiento para convertir almidones que comprende las etapas de acidificación del almidón con ácidos gaseosos (sustancialmente anhidros), deshidratación del almidón acidificado a menos del 0,1% aproximadamente y calentamiento. El documento US-A-3.967.975 se refiere a un aparato de fluidización, y más en particular, a un aparato de lecho fluidizado para efectuar reacciones químicas y/u operaciones unitarias. El documento US-A-2.845.368 describe la producción de dextrina a partir de almidón cuando está en un estado fluidizado. El documento DD-157.347-A revela la producción de dextrina a partir de material que contiene almidón en un lecho fluidizado que comprende secado del material acidificado desde el 20% a menos del 10% de humedad calentando de 20 a 160-170ºC, mientras se fluidiza en un aparato que tiene zonas con diferentes velocidades de vacío. El documento GB-853.828-A describe un procedimiento de tratamiento de almidón que comprende la introducción de un lecho de polvo de almidón fluidizable en un vaso, el mantenimiento de un flujo ascendente de gas de fluidización a través de dicho lecho introduciendo el gas desde abajo de dicho lecho y retirándolo desde una salida por encima de la parte superior de dicho lecho, siendo la velocidad ascendente de dicho flujo de gas suficiente para suspender y agitar vigorosamente las partículas de almidón dentro de dicho lecho pero insuficiente para transportar una parte sustancial del almidón a través de dicha salida superior, calentando dicho lecho de almidón en dicho estado agitado a la temperatura de dextrinación, manteniendo dicha temperatura de dextrinación hasta obtener el grado deseado de dextrinación e introduciendo vapor en el flujo de gas durante al menos una parte del ciclo de dextrinación. El documento US-A-510.166 se refiere al uso de almidones convertidos capaces de formar geles como sustitutivos de grasas y/o aceites en diversos alimentos. El documento US-A-5.380.717 se dirige a un procedimiento que regula la función del intestino grueso que comprende las etapas de a) suministro de una dextrina indigerible que se obtiene calentando almidón en presencia de un ácido mineral para preparar pirodextrina, hidrolizando la pirodextrina con \alpha-amilasa y refinando de la pirodextrina hidrolizada, y b) administración de una cantidad eficaz de la dextrina indigerible a un animal. El documento US-A-5.410.035 revela un procedimiento para tratar la hipertensión que comprende las etapas de a) suministro de una dextrina indigerible que se obtiene hidrolizando pirodextrina con \alpha-amilasa y refinando la pirodextrina hidrolizada, y b) administración de una cantidad eficaz de la dextrina indigerible a un animal. El documento EP-A-0.485.304 describe un procedimiento para preparar una dextrina de bajo contenido calórico en la cual el valor calórico es no superior a 30 kcal/100 g que se proporciona usando una pirodextrina preparada calentando un almidón al que se añade ácido mineral. El procedimiento comprende las etapas de disolución de una pirodextrina en agua, y reacción de alfa-amilasa en la dextrina.
Existe una continua necesidad de un procedimiento de conversión alternativo.
La presente invención se refiere a un procedimiento para convertir un almidón básico que tiene menos del 18% de humedad en un almidón convertido que comprende las etapas de: mezclado del almidón básico con un ácido, secado de la mezcla hasta un contenido de humedad de menos del 1% y calentamiento de la mezcla seca a una temperatura y durante un tiempo suficiente para producir el almidón convertido con una viscosidad de flujo en embudo de 5 a 50 segundos, por el que el almidón básico se coloca en un reactor que tiene una fuente de energía convectiva y conductora, a continuación se introduce un gas de fluidización a una velocidad por la que el almidón queda suspendido en el lecho del reactor, se inyectan ácido anhidro y un gas portador directamente en el gas de fluidización del reactor fluidizado para efectuar la mezcla del almidón y el ácido, se aumenta la temperatura del lecho a una temperatura en el intervalo de entre 50 y 135ºC durante 3 minutos a una hora.
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Los almidones convertidos en seco preparados a través del procedimiento anterior tienen un nivel más alto de compuestos de bajo peso molecular que los almidones convertidos en seco correspondientes preparados a través de procedimientos convencionales de conversión ácida acuosa. Los almidones convertidos de la presente invención muestran propiedades únicas y, en consecuencia, son útiles en una serie de productos que incluyen adhesivos, matrices de encapsulación, dulces y productos de encolado de la superficie del papel.
La presente invención se refiere a un procedimiento para convertir almidones con ácido para dar productos que tienen baja viscosidad y altos niveles de compuestos de bajo peso molecular.
Todos los almidones y harinas (en lo sucesivo "almidón") pueden ser adecuados para su uso como almidón básico en la presente memoria descriptiva y pueden obtenerse de cualquier fuente natural. Un almidón natural según se usa en la presente memoria descriptiva, es como los que se encuentran en la naturaleza. También son adecuados almidones obtenidos de una planta obtenida por técnicas de reproducción convencionales que incluyen fecundación cruzada, traslocación, inversión, transformación o cualquier otro procedimiento de ingeniería genética o cromosómica para incluir variaciones de la misma. Además, los almidones obtenidos de una planta cultivada a partir de mutaciones y variaciones artificiales de la composición genérica anterior que pueden producirse por procedimientos convencionales conocidos de cruce por mutación también son adecuados para su uso como el almidón básico en la presente memoria descriptiva.
Fuentes típicas para los almidones básicos son cereales, tubérculos, raíces, leguminosas y frutas. La fuente natural puede ser maíz, guisante, patata, batata, plátano, cebada, trigo, arroz, sagú, amaranto, tapioca, arrurruz, cañocoro, sorgo y variedades cerosas o de alta amilosa de los mismos. Según se usa en la presente memoria descriptiva, el término "ceroso" pretende incluir un almidón o harina que contiene al menos el 95% en peso aproximadamente de amilopectina y el término "alta amilosa" pretende incluir un almidón o harina que contiene al menos el 40% en peso aproximadamente de amilosa.
También pueden usarse como almidón básico almidones modificados químicamente. Dichas modificaciones químicas pretenden incluir, sin limitación, almidones reticulados, almidones acetilados y esterificados orgánicamente, almidones hidroxietilados e hidroxipropilados, almidones fosforilados y esterificados inorgánicamente, almidones catiónicos, no iónicos y de iones bipolares y succinato y derivados de succinato sustituidos de almidón. Los procedimientos para modificar almidones son bien conocidos y se describen, por ejemplo, en Modified Starchs: Properties and Uses, Ed. Wurzburg, CRC Press, Inc., Florida (1986).
También pueden usarse almidones modificados físicamente como almidón básico, lo que incluye, sin limitación, almidones inhibidos térmicamente y pregelatinizados. Los procedimientos para preparar almidones inhibidos térmicamente se desvelan, por ejemplo, en el documento US-A-6.221.420, y las referencias desveladas en el mismo, cuya descripción se incorpora como referencia. Se desvelan procedimientos ilustrativos para preparar almidones granulares pregelatinizados en los documentos US-A-4.280.851, US-A-4.465.702, US-A-5.037.929 y US-A-5.149.799.
Mientras que los almidones convertidos en ácido a través de procedimientos convencional se han producido por dispersión del almidón granular en agua y adición de ácido a la mezcla, ahora se ha descubierto que el mezclado de un almidón básico con ácido, el secado de la mezcla en un estado sustancialmente anhidro y el calentamiento de la mezcla seca durante un tiempo suficiente para producir un almidón convertido que tiene una viscosidad de flujo en embudo de 5 a 50 segundos produce un almidón que tiene propiedades únicas.
Por estado sustancialmente anhidro se quiere decir que la mezcla de almidón se seca hasta un contenido de humedad de menos del 1%.
Se coloca un almidón básico que tiene menos del 18% de humedad en un reactor que tiene una fuente de energía convectiva y conductora. Dichos reactores incluyen, sin limitación, un lecho fluidizado, un reactor térmico de capa fina o una mezcladora presurizada equipada con vacío y una camisa calentada. A continuación se introduce un gas de fluidización (por ejemplo, aire) a una velocidad por la que el almidón queda suspendido en el lecho del reactor. Se inyectan ácido anhidro (por ejemplo, ácido clorhídrico) y un gas portador (por ejemplo, nitrógeno), se inyectan directamente en el gas de fluidización del reactor fluidizado para efectuar la mezcla del almidón y el ácido.
La temperatura del lecho se aumenta a una temperatura en el intervalo de entre 50 y 135ºC. El aumento en la temperatura puede conseguirse por medios bien conocidos en la técnica que incluyen, sin limitación, una camisa calentada con aceite o mediante una fuente de aire caliente, o combinaciones de los mismos. La reacción se completa en 3 minutos a una hora. Cuando el procedimiento es continuo, el procedimiento normalmente dura de 3 minutos a 30 minutos. Un procedimiento por lotes se completa normalmente en de 30 minutos a una hora. Mientras la reacción está sustancialmente completa en menos de una hora aproximadamente, pueden usarse periodos más largos de calentamiento, por ejemplo hasta 6 a 8 horas o más, sin deterioro sustancial del producto final convertido. Después de completar procedimiento, el reactor se enfría y el almidón se descarga y se usa sin necesidad de más purificación.
En contraste, un procedimiento de conversión ácida acuoso convencional requiere normalmente de aproximadamente 12 a aproximadamente 20 horas, y relativamente más ácido para efectuar la conversión del almidón, así como purificación adicional y procesamiento en forma de neutralización, filtración y secado. Como el procedimiento de purificación lava los componentes de bajo peso molecular, los almidones convertidos de la presente invención que no requieren purificación muestran un nivel superior de componentes de bajo peso molecular que los almidones convertidos correspondientes preparados a través de un procedimiento acuoso convencional.
Ajustando el contenido de humedad, el grado de acidez y las condiciones de reacción, el procedimiento eficaz de la presente invención puede adaptarse para producir un almidón convertido que contiene diferentes niveles de componentes de bajo peso molecular. Adicionalmente, el procedimiento anhidro de la presente invención permite la producción de almidones altamente convertidos de una manera altamente controlada y reproducible que tiene una composición que no permitiría la recuperación si se hiciera reaccionar en presencia de agua (es decir, procesamiento acuoso tradicional por lotes). Por ejemplo, los productos que tienen un mayor grado de conversión, que no pueden recuperarse
fácilmente del agua, pueden conseguirse preparando el almidón según el procedimiento de la presente invención.
Las composiciones de almidón producidas mediante este procedimiento muestran un rendimiento único en ciertos productos. Los adhesivos y las matrices de encapsulación, por ejemplo, requieren a menudo la adición de oligosacáridos o azúcares de bajo peso molecular que se añadirán a la formulación para un rendimiento óptimo. Las composiciones de almidón de la presente invención proporcionan ventajosamente productos deseables sin la necesidad de la adición de componentes de bajo peso molecular. Además, los almidones de la presente invención son útiles en productos que requieren geles y texturas únicos, lo que incluye, por ejemplo, dulces y aplicaciones de encolado de superficie de papel.
Los siguientes procedimientos y ejemplos se presentan para ilustrar adicionalmente y explicar la presente invención. Todas las partes y porcentajes se dan en peso y todas las temperaturas en grados Celsius (ºC) a menos que se observe lo contrario.
Ejemplos
En los ejemplos, se usaron los siguientes procedimientos de prueba.
Medida de viscosidad de flujo
La viscosidad de flujo, también denominada en la presente memoria descriptiva como viscosidad de flujo en embudo, puede medirse del modo siguiente. Primero, debe recogerse el almidón y secarse por debajo del 12% de humedad en un horno. Después de determinar el contenido de humedad, se tara un vaso de precipitados de acero inoxidable y un termómetro. Se añade almidón al 19% a agua destilada para un total de 300 g de almidón y agua. Se calienta la mezcla en un baño de agua hirviendo durante 15 minutos, agitando durante los primeros 5 minutos. Se cubre el vaso de precipitados de acero inoxidable durante los 10 minutos restantes. Después de completar la cocción, se retira el vaso de precipitados del baño de agua hirviendo y se enfría a 26,6ºC. Se devuelve el vaso de precipitados a su peso original antes de la cocción con agua destilada y se continúa enfriando a 22,2ºC. Se transfiere el contenido de los vasos de precipitado a un cilindro de 100 ml.
La viscosidad de flujo, también denominada en la presente memoria descriptiva como viscosidad de embudo, se mide usando un embudo de viscosidad de orificio fijo, y es una medida del tiempo que tardan 100 ml del producto de la cocción en pasar a través del orificio. El embudo usado para medir la viscosidad de flujo es un embudo de vidrio convencional resistente al calor de paredes gruesas de 58º, cuyo diámetro superior es de aproximadamente 9 a aproximadamente 10 cm siendo el diámetro interior del vástago de 0,381 cm aproximadamente. El vástago de vidrio del embudo se corta a una longitud aproximada de 2,86 cm desde el vértice, se pule al fuego cuidadosamente y se reajusta con una larga punta de acero inoxidable que tiene aproximadamente 5,08 cm de largo con un diámetro exterior de 0,9525 cm aproximadamente. El diámetro interior de la punta de acero es de 0,5952 cm aproximadamente en el extremo superior en el que se une al vástago de vidrio y de 0,4445 cm aproximadamente en el extremo de flujo de salida con la restricción en la anchura producida a 2,54 cm aproximadamente desde los extremos. La punta de acero se une al embudo de vidrio por medio de un tubo de Teflón. El embudo se calibra de manera que permita que pasen 100 ml de agua a su través en seis segundos usando el procedimiento descrito a continuación.
Se coloca un dedo sobre el orificio del embudo y se vierte el contenido del cilindro en el embudo. Se deja que fluya hacia atrás una pequeña cantidad en el cilindro para eliminar el aire atrapado. El resto se vuelve a verter en el embudo, y se invierte el cilindro sobre el embudo, y se deja que el contenido gotee desde el cilindro en el embudo. Se retira el dedo del orificio del embudo y se registra la duración de tiempo que tardan 100 ml de la muestra en fluir a través del vértice del embudo. Este tiempo es la viscosidad de flujo de la muestra de almidón.
Medida de la fluidez del agua
La fluidez del agua (FA), según se usa en la presente memoria descriptiva, es una prueba empírica de viscosidad medida en una escala de 0 a 90 en el que la fluidez es inversamente proporcional a la viscosidad. La fluidez del agua de los almidones se mide normalmente usando un Viscómetro Rotacional Thomas de tipo cizalla (disponible comercialmente en Arthur A. Thomas CO., Filadelfia, Pa.), normalizado a 30ºC con un aceite convencional que tiene una viscosidad de 24,73 mPas (cps), requiriendo ese aceite 23,12 \pm 0,05 seg para 100 revoluciones. Se obtienen medidas de fluidez del agua precisas y reproducibles determinando el tiempo que tardan las 100 revoluciones en diferentes niveles de sólidos dependiendo del grado de conversión del almidón: cuando la conversión aumenta, la viscosidad disminuye y los valores de FA aumentan.
Medida de sólidos retenidos en almidones convertidos
Se añade almidón (5 gramos) a 95 gramos de agua y se agita durante 20 minutos. Se filtra la suspensión espesa a través de un papel de filtro estriado. Se recoge el filtrado en la lente de un refractómetro de almidón calibrado (calibrado a cero usando agua) en el que se mide el % de productos solubles.
Medida de color de almidón (valor L)
Se usa un espectrocolorímetro Hunter ColorQUEST modelo esfera (disponible comercialmente en Hunter Associates Laboratory, Inc., Reston, Va.) equipado con una célula de compresión NIR con ventana de cuarzo (disponible comercialmente en Bran-Luebbe, Inc., Buffalo Grove, Ill.) para medir el color según las instrucciones del fabricante usando los siguientes parámetros: Escala = L, Ángulo de observador = 10, Iluminante = D65, Ajuste de reflectancia = RSIN, Tamaño de área de visualización = LAV y Filtro ultravioleta = out.
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Ejemplo 1 Preparación de un almidón convertido térmicamente
Se añadió almidón de maíz (4.000 gramos, obtenido de National Starch and Chemical Co.) sustituido con óxido de propileno al 5% a una secadora de lecho fluido modelo de laboratorio de 15,2 cm (6 pulgadas) de diámetro por 38,1 cm (15 pulgadas) de altura, Procedyne Corporation, New Brunswick, N.J.). El almidón se fluidizó con aire con el fin de suspender el almidón en el lecho.
Se midió gas HCl anhidro (3,1 gramos) en el lecho en toda la placa de distribuidor. Esto produjo un almidón que tenía un pH de 2,9. La cantidad de HCl añadido se determinó midiendo la pérdida de peso del cilindro de gas antes y después del suministro del gas en el reactor. Se usó gas de nitrógeno para purgar todas las líneas antes y después de la adición del ácido con el fin de asegurar que la cantidad real de ácido se ponía en contacto con el almidón.
A continuación se elevaron la temperatura del aire que fluía en el lecho y la temperatura de la camisa del lecho a una temperatura de 104ºC. Después de 1 hora se descargó el almidón del lecho. El producto resultante tenía una viscosidad de embudo de 15,2 segundos y un color blanco similar al material de partida inicial.
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Ejemplo 2 Comparación de la eficacia relativa y los productos de conversión acuosa y térmica
Este ejemplo ilustra la eficacia del procedimiento térmico de conversión, así como la naturaleza de los productos en comparación con el procedimiento y los productos de un procedimiento de conversión acuoso convencional.
Un almidón ácido convertido se produjo según técnicas convencionales usando una suspensión espesa acuosa de almidón. Brevemente, se ajustó una suspensión espesa de sólidos al 40% agitada de almidón natural de tapioca a una temperatura de 52ºC en un baño de agua. Se añadió ácido clorhídrico concentrado directamente a la suspensión espesa y se agitó la mezcla de reacción durante 14 horas. Se ajustó la mezcla de reacción a un pH de 4,5 usando carbonato de sodio y a continuación a un pH final de 5,5 con hidróxido de sodio diluido. El almidón convertido resultante se lavó con agua, se filtró de la solución y se dejó secar al aire. Se realizaron tres ensayos diferentes en el almidón de tapioca a través de este procedimiento "acuoso" usando diferentes cantidades de ácido para obtener tres almidones convertidos que tenían diferente fluidez de agua (Muestras A, B y C).
Para comparación, se convirtieron tres muestras del almidón natural de tapioca (Muestras D, E y F) según el procedimiento del Ejemplo 1 para diferente fluidez del agua. Esto no requirió diferentes cantidades de ácido.
Se midieron la fluidez del agua ("FA"), la cantidad de sólidos retenidos y los valores de color de las Muestras A a F según los Procedimientos descritos anteriormente. Los datos obtenidos se registran en la Tabla 1.
TABLA 1
1
Como puede verse a partir de los datos presentados en la Tabla, los almidones convertidos térmicamente de la presente invención (preparados según el procedimiento "seco") alcanzan grados superiores de conversión, según se expresa por la fluidez del agua relativa, que en el procedimiento de conversión acuoso ("acuoso") a la vez que se usa menos ácido, lo que demuestra que el procedimiento de conversión en seco es un procedimiento más eficaz.
La diferencia en los procedimientos no influyó negativamente en el color de los almidones convertidos como se demuestra por los valores comparables de color de los productos finales. Además, los productos de la conversión térmica pueden usarse sin lavado y, en consecuencia, retienen ventajosamente un nivel muy superior de sólidos de bajo peso molecular. Alternativamente, los almidones convertidos térmicamente pueden lavarse para manipular el grado de contenido de productos solubles.

Claims (5)

1. Un procedimiento para convertir un almidón básico que tiene menos del 18% de humedad en un almidón convertido que comprende las etapas de:
mezclado del almidón básico con un ácido,
secado de la mezcla hasta un contenido de humedad de menos del 1%, y
calentamiento de la mezcla seca a una temperatura y durante un tiempo suficiente para producir el almidón convertido con una viscosidad de flujo en embudo de 5 a 50 segundos,
en el que el almidón básico se coloca en un reactor que tiene una fuente de energía convectiva y conductora, a continuación se introduce un gas de fluidización a una velocidad por la que el almidón queda suspendido en el lecho del reactor, se inyectan ácido anhidro y un gas portador directamente en el gas de fluidización del reactor fluidizado para efectuar la mezcla del almidón y el ácido, se aumenta la temperatura del lecho a una temperatura en el intervalo de entre 50 y 135ºC durante 3 minutos a una hora.
2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que el procedimiento se consigue por medio de unas condiciones de lecho fluidizado.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2 en el que la mezcla seca se calienta durante menos de una hora.
4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el procedimiento se lleva a cabo como un procedimiento por lotes.
5. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el procedimiento se lleva a cabo como un procedimiento continuo.
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