Rohstoffe zur Stärkegewinnung sind innerhalb Europas Kartoffeln, Weizen und Mais, wohingegen außerhalb Europas die Stärke auch aus den Feldfrüchten Tapioka und Reis gewonnen wird. Das Handelsprodukt Stärke (C6H10O5)n darf heute maximal 3% Fremdstoffe enthalten. So hat sich im internationalen Stärkemarkt durchgesetzt, dass der Rohproteingehalt von Getreidestärke max. 0,58 % in der Trockenmasse betragen darf, in der Kartoffelstärke 0,13 %.

Nutzpflanzen mit ihren ungefähren Stärke- und Amyloseanteilen 

Proteinarme Weizenstärke wird für diätetische Nährmittel gewonnen (z.B. Zöliakie). Der Codex alimentarius (internationales Regelwerk für Lebensmittel) definiert Stärke als glutenfrei, wenn der Proteingehalt (Gluten) weniger als 20 mg/kg beträgt. Heutige Analyseverfahren können Restproteingehalte unter 5 mg/kg nachweisen.

Stärke besteht ausschließlich aus Glukose und ist der eigentliche Energieträger der allermeisten Pflanzen. Sie wird durch Fotosynthese mit Glukcose als

n C6H12O6 – (n-1) H2O   –>    (C6H10O5)n

 Glukose                                    Stärke  

Zwischenstufe gebildet und in den Pflanzenknollen und -samen in Form von Stärkekörnern deponiert. Tausende Glukose Moleküle vernetzen miteinander in Form einer Helix und bilden ein Stärkemolekül, die das wiederum im Stärkekorn eingebettet werden wird.

Enzyme bestimmen den Aufbau und die Struktur der Stärkekörner. Sie können die Glukose-Moleküle als einen langen Strang glykosidisch binden. Dieser Aufbau wird Amylose genannt. Werden Seitenketten an den Strang angegliedert spricht man von Amylopektin.

Interessant ist die molekulare Ähnlichkeit der Stärke- und der Zellulosemoleküle. Die Stärke ist das Energiedepot der Pflanzen, wohingegen die Zellulose das Zellgerüst der Pflanzen bildet - mit beeindruckend hoher Festigkeit und Elastizität, denken wir an Holz oder 4 m hohe Hanfhalme.
Je nachdem, ob die anomere OH-Gruppe des Zuckers A in α- (= unten) oder β-Stellung (= oben) vorliegt, bildet sich eine α-glykosidische Bindung oder eine β-glykosidische Bindung. Die Zahlen 1,4 und 1,6 weisen auf die jeweiligen C-Atome im Glukosemolekül hin.
Stärke entsteht aus der α-Bindung. Jedes Glukosemolekül hat verschiedene Seitengruppen. Diese OH-Gruppen benachbarter Moleküle gehen zusammen. Es wird Wasser abgeschieden. So entsteht die Verbindung zwischen zwei Glukosemolekülen. Stärkegranulate bestehen aus tausenden glykosidisch verbundener Glukosemoleküle.	Cellulose entsteht aus der β-Bindung. Wenn sich gegenüberliegende OH-Gruppen miteinander verbinden, entsteht ein linearer Strang von Glukoseeinheiten. Diese Form des Moleküls finden wir in der Cellulose, den Stabilisatoren aller Pflanzen.  Blog Artikel: Komplexe Anlagentechnik in der Celluloseaufbereitung

Ähnlichkeit der Molekülstruktur von Cellulose und Stärke

Je nach Stärkeart sind die Stärkekörner unterschiedlich groß. Die Durchmesser der Stärkepartikel in Kartoffeln können über 100 µm betragen, die des Weizens betragen 2 bis 35 µm, die vom Mais 5 bis 25 µm und vom Amaranth nur 0,5 bis 3 µm. Bei Weizenstärke liegt eine bimodale Verteilung der Stärkekörner vor (Häufigkeitsverteilung mit 2 Maxima). Dieses macht man sich zu nutze, um zum einen eine hochreine A-Weizenstärke (20 – 35 µm) und zum anderen eine kleinkörnige B-Weizenstärke (2 – 10 µm) mit höherer Verunreinigung zu produzieren.   

Stärke weist normalerweise je nach Ursprung einen Amyloseanteil von 14 % bis 27 %, sowie einen Amylopektinanteil von 73 % bis 86 % auf. Spezielle Pflanzenzüchtungen bringen aber auch Stärkearten hervor, die bis zu 99 % Amylopektin oder bis zu 85 % Amylose enthalten.  

Unterscheidungsmerkmale der beiden Stärkebestandteile: Amylose und Amylopektin

In kaltem Wasser ist Stärke nicht löslich, aber die Stärkekörner können reversibel leicht quellen, so dass sich deren Volumen bis 28 % erhöht. Wird der Stärke Wasser entzogen, geht die Quellung zurück.

Native Stärke kann Wasser oder feuchte Güter gut binden, aber zumeist nicht dauerhaft und auch insbesondere nicht bei variierenden Temperaturen. Stärke wird daher modifiziert um deren Verkleisterung zu beschleunigen, zu steuern oder zu stabilisieren, Flüssigkeiten zu versteifen und deren Konsistenz unabhängig von Wärme-Kälteeinflüssen oder bei Rührbewegung zu stabilisieren. 

Modifizierte Stärken können hydrophile, aber auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. So wird die Stärke an die Bedürfnisse der Produzenten angepasst. Im Lebensmittelbereich sind dieses insbesondere Convenience-Produkte und die Backmittelindustrie mit den Prozessschritten Garen, Backen, Rösten, Schockgefrieren, Auftauen, Beeinflussung der Maillard-Reaktionen. 

Physikalisch:

• durch Wärmebehandlung, Vermahlung, Vorverkleisterung, Walzentrocknung, Extrusion oder Agglomeration. Diese Behandlung ist für Nahrungsmittel nicht deklarierungspflichtig. Je nach angestrebter Kaltlöslichkeit kommt die kostengünstige Walzentrocknung oder aber die teurere Sprühtrocknung zum Einsatz. Letztere wird zumeist mit einer Wirbelschichtagglomeration kombiniert, wenn die Stärke besonders gute Instanteigenschaften aufweisen soll.

Chemisch:

• Stärke wird in einem Rührkessel in Wasser suspendiert und nach Zugabe geringer Säure- oder Laugenmengen vorsichtig erwärmt, ohne dass die Verkleisterungs-temperatur erreicht wird. Nach Einstellung eines spezifischen pH-Wertes wird ein Modifizierungsreagenz zugegeben. Nach der Neutralisation, Waschung, Filtration und Trocknung liegt die Stärke mit völlig veränderten Eigenschaften vor. Wird Stärke chemisch umgesetzt, abgebaut, dextrinisiert, verestert, verethert oder oxidiert, dann ist sie in Nahrungsmitteln als Zusatzstoff mit einer E-Nummer zu deklarieren oder als modifizierte Stärke auszuweisen.
• Soll trotz wirkungsvoller Modifikation die kristalline Struktur der Stärkekörner weitgehend erhalten bleiben, kann die Methode der chemischen Vernetzung der Stärkemolekülgruppen mit Hilfe geeigneter Hydroxyle wie Ethylen oder, Propylenoxid oder Dicarbonsäure zur Anwendung kommen. So wird die Löslichkeit der Stärke verringert, die Verkleisterungstemperatur erhöht und je nach Vernetzungsgrad die Retrogradation eliminiert.

Enzymatisch:

• Enzymatisches Hydrolysieren von Stärke ist ein hocheffektives Verfahren mit der dem Stärke zu Süßstoff verzuckert werden kann. So wie Enzyme die Molekülstrukturen organisieren und binden, Molekülketten und Seitenketten ausbilden, genau so können Enzyme solche Stärkemoleküle auch spalten. Enzymkatalytisches Hydrolysieren von Stärke findet im Gegensatz zur chemischen Spaltung zwar langsamer statt, aber auch bei geringerer Erwärmung. Entsprechende Enzyme können aus Schimmelpilzen, Bakterien oder der Bauchspeicheldrüse von Rindern gewonnen werden. Nach der Umsetzung werden die Enzyme restlos aus dem Stärkederivat herausgewaschen oder inaktiviert. Der Grad des Stärkeabbaues kann genau eingestellt werden, so dass eine Vielzahl von Erzeugnissen verfügbar ist (Stärkesirup). Eine Deklarierungspflicht besteht für diese Modifikationsform nicht. Alternativ kann die Stärke auch mit einer Säure gespalten werden (Säurehydrolyse).
• Maltodextrin, beispielsweise für Instantgetränke, Gewürzaufbereitungen, Fruchtzubereitungen und Speiseeis, kann auf diese Weise effektiv gewonnen werden. Stärke wird in Wasser mit alpha-Amylase bei langsamer Rührbewegung suspendiert und langsam erwärmt. Definierte Rühr- und Verweilzeiten finden bei verschiedenen Temperaturstufen statt um eine möglichst vollständige enzymatische Aufspaltung zu begünstigen. Dann wird die Suspension mehrfach gewaschen, zentrifugiert und getrocknet.
• Eine besonders schonende und wirkungsvolle Art des Kontakttrocknens findet im Vakuum-Mischtrockner aus dem Hause amixon® statt. Bei besonders niedrigen Temperaturen und sanfter Umschichtungsströmung werden extrem schnell hohe Trocknungsgrade erzielt.

Die Unversehrtheit einer naturbelassenen (nativen) Stärke kann einfach nachgewiesen werden, wenn die Stärkekörner bei polarisiertem Licht mikroskopisch betrachtet werden. Die Doppelbrechung lässt native Stärkekörner schillernd mit einem dunklen Kreuz erscheinen während behandelte Stärkekörner einfarbig ohne Kreuz erkennbar sind – offensichtlich, weil deren kristalline Struktur zerstört ist.

Erhitzt man Stärke als wässrige Suspension, dann wird das Stärkekorn ab einer bestimmten Temperatur zerstört, die Quellung nimmt weiter zu und Amylose tritt aus dem Korn aus. Diesen Vorgang nennt man Verkleisterung. Die Viskosität nimmt zu, ebenso wie die Klarheit des Stärke-Wassergemisches und dessen elektrische Leitfähigkeit. Es handelt sich um eine strukturviskose Lösung, deren Viskosität sich umso mehr verringert je stärker die Lösung gerührt oder geschert wird. Im Zuge des Abkühlens klart die Lösung auf, die Glukoseketten richten sich parallel aus und bilden neue Wasserstoffbrücken. Je nach Art der Stärke bildet sich ein mehr oder minder stabiles Gel aus.

Dieses strukturviskose Verhalten ist genau gegensätzlich zum Anfangszustand. Nasse Stärke (Wasser -in Stärke-Suspension) ist nämlich dilatant. Je höher der Scherstress stattfindet, desto mehr steigt die Viskosität. In besonderen Fällen können Antriebskomponenten und Mischwerkzeuge sogar wegen der Blockadewirkung brechen oder plastisch verformen. 

Verkleisterung von Stärke hat hohe Bedeutung bei verschiedenen industriellen Anwendungen 

Mit einem „Brabender-Viscograph“ oder einem „Rapid-Visco-Analzyzer“ verfügt man über eine anschauliche Messtechnik, wenn man die Verkleistungscharakteristik verschiedener Stärken miteinander vergleichen will. Dabei wird eine Stärke-Wasser-Suspension unter ständigem Rühren erhitzt und anschließend wieder abgekühlt. Der Rührwiderstand wird kontinuierlich gemessen und in einem xy-Diagramm aufgetragen.

Weitergehende Eigenheiten von verflüssigter Stärke sind Textur (Schleimigkeit) und Trübung, Filmbildung, Gelbildung und Retrogradation. Egal wo Stärke in der Lebensmittelindustrie zur Anwendung kommt, sie soll geschmacksneutral sein und sie soll die Endanwendung im Sinne des Verbrauchers verbessern. Darüber hinaus soll sie das Mundgefühl passend zur jeweiligen Speise positiv unterstützen.

• eine Tortenaufstrichmasse soll kalt quellend und schnell erstellbar sein, den sahnigen Geschmack unterstützen, aber beim Schneiden der Tortenstücke dauerhaft Elastizität und Formstabilität aufweisen
• eine sprühgetrocknete Säuglingsnahrung soll gute Instanteigenschaften aufweisen und eine geeignete Flüssigkonsistenz aufweisen
• ein milchbasiertes Früchtedessert oder ein Joghurt sollen sich im Mund erfrischend, kühlend, aber keinesfalls klebrig oder pelzig anfühlen, sich aber andererseits in der Hochleistungs-Abfüllmaschine gut dosierbar und nachtropffrei verhalten.
• eine Grillsoße soll sich komfortabel aus der Flasche dosieren lassen und das Grillgut dickschichtig bei hoher Viskosität trotz Wärmeeinwirkung benetzen, im Mund aber während des Kauens die Gewürzaromen auf natürliche Art entfalten.
• eine mit Stärke gepuderte Panade oder ein Backteig soll das Gargut gleichmäßig benetzen und fest anhaften. Egal ob die Speise umgehend verspeist oder zunächst tiefgefroren, verpackt und gelagert wird.
• ein Instantgetränkepulver soll auch nach langer Lagerzeit schnell und klumpenfrei in der Flüssigphase dispergieren  
  
• in einem mehrstufigen Wirbelschichtverfahren können sogar flüchtige oder oxidationsgefährdete Flüssigkeiten mit Hilfe von Stärke mikroverkapselt werden.
  
  

Retrogradation ist meistens unerwünscht. Zuvor gebundenes Wasser wird zeitverzögert wieder freigesetzt. Gele können sich verflüssigen. Solche Vorgänge werden besonders sichtbar, wenn Temperaturänderungen stattfinden wie Abkühlung nach dem Kochen oder Auftauen einer gefrorenen Ware. Man kann unerwünschte Retrogradation reduzieren, wenn man modifizierte Stärken verwendet oder auch wenn man geeignete Emulgatoren zusetzt.

Die Stärkeverkleisterung findet endotherm statt – ähnlich als wenn Kristalle in Lösung gehen. Somit ist entsprechend Wärme zuzuführen. In Deutschland sind die meisten Stärkearten untereinander austauschbar; insbesondere, wenn sie modifiziert zur Anwendung kommen. Die Kartoffelstärke ist zumeist teurer als Getreidestärke, weil die Kartoffelknollen nur saisonal verfügbar sind und bei der Herstellung wenige Koppelprodukte anfallen. Momentan nimmt das Angebot an Weizenstärke zu, weil insbesondere dem Weizenkleber als Koppelprodukt wachsende Bedeutung beigemessen wird. Weizenkleber / Weizeneiweiß war schon immer ein geschätztes Begleitprodukt, dass man in getrockneter Form für die Backwarenindustrie oder für die Tierernährung verfügbar gemacht hatte. Heute dient der Weizenkleber auch als Basis für Fleischersatzprodukte und ist vergleichsweise teuer geworden. Das macht die Stärkegewinnung aus Weizen zunehmend interessant.

Der Gesamtverbrauch an Stärke beträgt in Europa ungefähr 12 Millionen t, wobei die Steigerung ungefähr 2% pro Jahr beträgt. In den USA beträgt die Steigerung ungefähr 4%, in Südamerika ca. 4,5% und in Asien sogar 7% pro Jahr. Ungefähr 10% der weltweit produzierten Stärke wird in der chemischen Industrie verwendet, ungefähr 30% in der Papier- und Wellpappenindustrie, 30% in der Lebensmittelindustrie und etwa gleichviel wird modifiziert oder verzuckert für die Getränke- und Süßwarenindustrie. Es wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Stärke und deren Derivaten in allen Industriebereichen weiter steigen wird.

Soll die Stärke oder das Stärkederivat als Pulver in den Markt gelangen, dann bestehen die großen verfahrenstechnischen Herausforderungen in der Fest-Flüssigtrennung. Das geschieht im ersten Schritt mechanisch in horizontal drehenden Schälzentrifugen oder vertikal drehendenden Separatoren. Die Trennung erfolgt aufgrund der differierenden Dichte zwischen Wasser und Feststoff. Dann schließt sich der thermische Trocknungsschritt an. Hier kommen zumeist Konvektionstrockner wie Stromtrockner, Ringtrockner oder auch Mahltrockner zum Einsatz. Das Wasser wird von heißer Luft ausgetragen, wobei die feuchte Stärke pneumatisch verwirbelt und gefördert wird. Die thermische Trocknung ist ein besonders kostenintensiver Prozessschritt.

An dieser Stelle sei kurz die Vakuum-Kontakt-Mischtrocknung aus dem Hause amixon® erwähnt, wenn es um die schonende Trocknung hochwertiger Derivate geht, wie beispielsweise Traubenzucker. Sämtliche Flächen des Apparates sind erwärmt. Wird das Vakuum auf 200 mbar Absolutdruck justiert, verdampft das Wasser bereits bei 60 °C. Die thermische Belastung ist also extrem niedrig. Die Vertikalbauweise weist viele Vorteile auf, wie besonders gute Restentleerung und besonders schonende Verströmung der Güter bei niedrigen Drehfrequenzen.
https://www.youtube.com/watch?v=gVzx8jOgFF0  und https://www.youtube.com/watch?v=StPGmvy-i4E 

• als Additive für Instant Nährmittel  
  Whitepaper: amixon® Mischer für Instant Food
• als Füllstoff für Tabletten für Nahrungsergänzungsmittel
• als Viskositätseinsteller und Trübungsadditiv für Instantgetränke
• zur Steigerung der Cremigkeit bei der Dessertherstellung
• zur Konditionierung von Soßen für tiefgefrorene Fertiggerichte
• als Basismasse für Oleoresine bei der Aromen- und Gewürzveredelung
• zur Steigerung des Wasserbindevermögens bei der Wurst- und Fleischverarbeitung
• als Bindemittel in Großküchen und Kantinen
• als Füllstoff für Geschmacksverstärker
• als Additiv zu Zucker zum Ummanteln der Partikel mit Fett
• als Additiv für Backmittel und backfertige Mehle
•  als Konditionierungsmittel für Panaden
 

So facettenreich wie Stärke und ihre Derivate in der Lebensmittelindustrie verwendet werden, so mannigfaltig kommt sie auch in der pharmazeutischen Industrie zum Einsatz.

• als Gleitpulver für medizinische Handschuhe
• als Füllstoff um Tabletten eine handliche Größe zugeben
• als Überzugs- und Sprengmittel für Tabletten
• als Basismasse für medizinische Puder und Deodorants
• als Trägerstoff um medizinische Wirkstoffe anzuhaften
• um kosmetisches Rouge zu strecken
• als Trenn- und Gleitmittel um Tablettenpressen störungsfrei arbeiten zu lassen
• als Puderungsmasse um klebrige Partikel dauerhaft voneinander zu trennen
• als Viskositätseinsteller für Cremes, Emulsionen, Salben und sogar für Aerosole
 

Auch in der Prozess- und Schwerindustrie werden verschiedenste Stärkederivate verwendet.

Beispielweise     
amixon® Mischer und Reaktoren für die Herstellung von Waschmittel und Metallseifen

Beispielweise

• zur Herstellung von Flockungsmitteln und Schaumunterdrücker für die Wasseraufbereitung
• bei der Herstellung von Kühl-Schmierstoffen bei Tunnel- und Erdbohrungen
• zur Einstellung der Fließfähigkeit von Beton für Betonpumpen
• zur Konditionierung von Formsanden in der Gießereiindustrie
• zur Glättung von Baumwollfäden um sie verschleißfrei verweben zu können in der Textilherstellung
• als Klebemittel für Briefmarken und Wellpappen
• zur Herstellung von Holzleimen
• als Glätt- und Konditioniermittel in der Papierherstellung

In den allermeisten Fällen sind Stärken und Stärkederivate in pulvriger Form unersetzliche Beigaben zur Herstellung von Pulvermischungen für die vorbenannten Produkte. Dabei ist der Mischer prozessbestimmend. Er muss in kurzer Zeit - ohne die Mischgüter zu erwärmen - eine ideale Mischgüte erzeugen, die in der Praxis nicht mehr verbessert werden kann. Dieser Vorgang wird erschwert, wenn Flüssigstoffbeigaben an den Rezepturen beteiligt sind, was meistens der Fall ist. Stärken und ihre Derivate sind in der Regel sehr feindispers, staubend, stauend und schlecht fließend. Als Produkte organischen Ursprungs sind sie darüber hinaus mäßig bis besonders staubexplosiv. Oft haben sie die Neigung an den Mischwerkzeugen und an den Wandungen des Mischraumes anzuhaften.  

Wenn Stärke und Stärkederivate als Träger für Flüssigaromen, Oleoresine, Lebensmittelfarben, Backextrakte, Öle und Fette dienen, bedarf es großer Erfahrung schnell und homogen eine strichreine Benetzung herbeizuführen. Denn das wichtigste Ziel muss lauten, dass die Energieeintragung so gering wie möglich sein soll. Je kälter die Gesamtmischung die Mischanlage verlässt, desto besser funktioniert später die Abfüllung, die Lagerung, der Qualitätserhalt und die Frischekonsistenz. Oftmals handelt es sich in der Aromen- und Geschmackstoffaufbereitung, Instantfood, Suppen, Dips und Soßen um Multi-Stepp-Operationen. Spezifische Ummantelungseffekte sollen die Flüssigwirkstoffe umschließen und schützen. Dabei gibt es einen großen Zielkonflikt, eine möglichst hohe Flüssigstoffbeladung einerseits und die bestmögliche Fließfähigkeit der Fertiggemische andererseits zu erhalten.
 amixon ® Industriemischer für die Pulveraufbereitung von Aromen  

Es ist unbestritten, dass amixon GmbH Trendsetter für neue verfahrenstechnische und hygienische Standards ist. Insofern können die Mischergebnisse nahezu aller anderen Mischergattungen reproduziert werden und meistens auch verbessert werden.  Oft müssen im Rahmen von Produktentwicklungen neue Verfahrensabläufe etabliert werden. Für dreierlei Pilotierungen hält amixon GmbH ideal konstruierte Präzisionsmischer bereit.

Diese verfügen über vertikal gelagerte Wendel-Mischwerkzeuge und können bei verschiedensten Füllgraden verwendet werden. Nach wenigen Umdrehungen erzeugt die Mischwerkhelix ideale Homogenität für nahezu alle Arten trockener, feuchter und nasser Feststoffe und Pasten. amixon® Mischer sind weltweit etabliert und dafür bekannt, dass sie besonders hygienisch konstruiert sind und einen Entleerungsgrad bis zu 99,98% aufweisen. Große Inspektionstüren sind nach dem Clever-Cut® und OmgaSeal® Verfahren gefertigt. Sie dichten dauerhaft, absolut gasdicht und totraumfrei und gestatten gleichermaßen die manuelle Trockenreinigung als auch die automatische Nassreinigung; wobei die schnelle und gründliche Trocknung besonders wichtig ist. Im amixon®-Technikum stehen über 30 verschiedenste vertikale Wendelmischer und Baugrößen bereits von 10 Liter bis 2000 Liter Chargengröße zur Verfügung. Ein Versuchstag im amixon®-Technikum beschert den Versuchsdurchführenden hohen Erkenntnisgewinne und erstklassige Versuchsergebnisse, die auf verschiedenste Baugröße übertragbar sind.

Alle Komponenten der amixon®-Mischer entstammen der Eigenfertigung in Paderborn, wo mit hoher Automatisation nach einem Regime der effektiven Auftragseinzelfertigung produziert wird.