DE202010001413U1

DE202010001413U1 - Granulate verkapselter Wirkstoffe

Info

Publication number: DE202010001413U1
Application number: DE202010001413U
Authority: DE
Original assignee: IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Current assignee: IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: DE202009001095U1

Abstract

Granulate, die pulverförmige oder flüssig-wässrige Wirkstoffe in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix verkapselt aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft Granulate verkapselter pulverförmiger oder flüssig-wässriger Wirkstoffe, vorzugsweise sind es Granulate pflanzlicher Wirkstoffe in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix (lösliche Ballaststoffe). Sie sind bevorzugt für den Einsatz als Additiv in verschiedenen Lebensmittelanwendungen geeignet. Das Granulat mit dem verkapselten Material kann in differenzierter Partikelgröße hergestellt und den Applikationsgebieten angepasst werden. Hervorzuheben ist, dass bei Verwendung pflanzlicher Wirkstoffe die Materialien, sowohl Hülle als auch bevorzugter pflanzlicher Wirkstoff, einen ernährungsphysiologischen Zusatznutzen aufweisen.
Stand der Technik
Die industrielle Anwendung von Verfahren zur Mikroverkapselung für Lebensmittel ist sehr differenziert und wird in einigen Zweigen bereits angewendet, beforscht oder vermarktet. Die Mikroverkapselung ist eine Technik, mit der feste, flüssige oder gasförmige Materialien zu Mikrokugeln, Mikrokapseln oder Mehrwandkapseln unter Nutzung mechanisch-physikalischer, chemischer oder physikochemischer Verfahren umgewandelt, um die Gebrauchswerteigenschaften zu verändern. Die unterschiedlichen Verfahren zur Mikroverkapselung von Nährstoffen und bioaktiven Substanzen sowie die Chancen und Grenzen der Mikroverkapselung in der modernen Lebensmittelverarbeitung sind Gegenstand zahlreicher Forschungen /1–5/.
Innovationen zukünftiger Lebensmittel werden auf die Implementierung von Eigenschaftsfunktionen für den maßgeschneiderten individuellen Verbrauchernutzen zielen. Die Eigenschaften der Lebensmittel werden durch deren Struktur auf molekularer und makrodisperser Ebene maßgeblich definiert. Die wichtigsten Parameter auf die Struktur erfolgt über die Rezeptur und den Verarbeitungsprozess.
Die Verkapselung von Aromen wird von der Firma Symrise durch Extrusionsverfahren mit Maltodextrinen und Stärkesirupen als Träger unter dem geschützten Markennamen EVOGLASS realisiert und vertrieben /6/. Die Aromabeladung liegt zwischen 4 und 8% und die Haltbarkeit kann bis zu 4 Jahren betragen, gemessen an anderen Verkapselungsverfahren wie Sprühtrocknung oder Kompaktieren mit 6 Monaten bis 2 Jahren bedeutend länger /4, 7/. Partikelgrößen von 0,6 bis 1,0 mm ermöglichen eine gute Löslichkeit in Wasser, obwohl die Textur sehr hart ist. Sehr erfolgreiche Applikationsfelder sind Instant-Getränkepulver, Teebeutel, Kaugummi und Kaubonbons.
Die Verkapselung von Aromen (Flavor) in Kohlenhydratmatrizes bzw. chemisch modifizierten Stärkemischungen mittels Extrusion bei 50 bis 130°C wird von Gunning /8/ und Zasypkin /9/ beschrieben, wobei Ölbeladungen bis 40% erreicht werden. Die Matrizes sind Stärke, modifizierte Stärke, Dextrine oder Cyclodextrine.
Die Effekte der Kohlenhydratkristallisation (glassy sugar matrix) hinsichtlich chemischer Wechselwirkungen mit anderen Bestandteilen (nichtenzymatische Bräunung, Lipidoxidation, Enzymaktivität) in getrockneten Lebensmitteln zeigten eine stabilisierende Wirkung /10/. Das chemisch labile Tetrahydrocannabiol (THC) wird für pharmazeutische Anwendungen in eine Matrix aus Inulin eingebettet, um die Stabilität (80% nach 300 Tagen), die Auflösbarkeit und die Bioverfügbarkeit zu verbessern /11/. Die Verkapselung wird erreicht durch Gefriertocknung einer Lösung aus THC, Inulin, Wasser und tertiärem Butylalkohol (TBA).
Die strukturellen und Schmelzeigenschaften von Inulin mit unterschiedlichen Polymerisationsgraden werden von Blekker /12/ mittels DSC untersucht und geben Hinweise zu möglichen Verarbeitungsparametern mit dem Extruder. Andere Arbeiten charakterisieren den physikalischen Status von sprühgetrocknetem Inulin mit MDSC, WAXS und ESEM /13/, wobei festgestellt wurde, dass das Inulin ab 80°C vom semikristallinen in den amorphen Zustand übergeht.
Die Patente der Firmen Firmenich (Aromen), General Mills, McCormick, Wrigley (Kaugummizutaten) tangieren das beantragte Projekt nicht /14–20/.
Weiterhin existieren Patente/Anmeldungen zur Verkapselung von sensitiven flüssigen Komponenten, von voremulgierten Komponenten, von Vitaminen und Mineralstoffen in glasartigen Matrizes und zur kontrollierten Freisetzung, die Kaltextrusionsverfahren und Getreidemahlprodukte oder Oligosaccharide in Verbindung mit Wasser als glasartige Matrizes nutzen /21–27/. Gegenstand dieser Patente sind vorrangig Verfahren zur Verkapselung oder Konzentrierung der wirksamen Inhaltsstoffe.
Für den konzipierten Lösungsweg liegen nach bisherigen Recherchen der Fach- und Patentliteratur keine aktuellen patentrechtlich geschützten Verfahren und Produkte vor.
Zielstellung und Lösung
Die Erfindung zielt auf die Herstellung von verkapselten, vorzugsweise pflanzlichen Wirkstoffen, deren Hüllmaterialien neben der Funktion der Ummantelung und Einbettung der Wirkstoffe einen ernährungsphysiologischen Zusatznutzen aufweisen sollen. Der Anteil der Wirkstoffe in verkapselten Materialien bewegt sich in der Regel zwischen 5–30%. Das herkömmlich genutzte Hüllmaterial ist ohne ernährungsphysiologische Funktion und dient als Vehikel zur Ummantelung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, verkapselte Wirkstoffe so bereitzustellen, dass ein Wirkstoffgehalt möglichst hoch ist und die Kapseln gleichzeitig ernährungsphysiologisch unbedenklich appliziert werden können.
Erfindungsgemäß werden Granulate von verkapselten pulverförmigen oder flüssig-wässrigen Wirkstoffen bereitgestellt. Vorzugsweise handelt es sich um pflanzliche Wirkstoffe, die in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix vorliegen und als Granulate bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäß genutzten Hüllmaterialien – die kohlenhydratbasierten bioaktiven Materialien – können auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften mit den speziellen Verarbeitungsparametern und Rezepturen in fließfähige, formbare Materialien überführt werden. Die entstehenden Granulate (so genannte Acticaps) sind lager- und verarbeitungsstabil und können in Abhängigkeit vom bevorzugt verwendeten pflanzlichen Wirkstoff in unterschiedlichen Lebensmitteln appliziert werden.
Zur Lösung des aufgezeigten Problems werden spezielle kurz- und langkettige nicht verdauliche Kohlenhydrate, auch als lösliche Ballaststoffe bekannt, als Hüllmaterialien zur Verkapselung verwendet. Dazu gehören z. B. Oligo- und Polyfruktosen, Inulin, Polydextrose und resistente Maltodextrine. In diese bioaktiven Materialien werden die zu verkapselnden Wirkstoffe als Pulver oder flüssig-wässrige Komponente, z. B. sind es sekundäre Pflanzeninhaltsstoffpraparate, Mikroalgen, Aromen, Vitamine oder Provitamine, so eingebettet, dass vorzugsweise eine glasartige Matrix gebildet wird. Die Komponenten werden in einem speziellen definierten Verhältnis gemischt, das je nach physikalischer Beschaffenheit des Wirkstoffes unterschiedlich ist:
Pulverförmige Wirkstoffe liegen bevorzugt mit einem Gehalt von 5–70% vor;
flüssig-wässrige Wirkstoffe liegen bevorzugt mit einem Gehalt von 5–20% in den Kapseln/Granulaten vor.
Das Gemisch wird z. B. unter Scherung und moderater Erwärmung (40–100°C) mittels Ein- oder Mehrwellensystemen, z. B. mittels Ein- oder Doppelschnecken verdichtet, zur Homogenisierung plastifiziert und über Düsen mit z. B. 1–3 mm Lochdurchmesser ausgeformt. Zur Einstellung der Verfahrensparameter (Drehzahl, Schneckengeometrie, Füllungsgrad, Feuchtegehalt und Temperatur) sind die Fließeigenschaften des Materialgemisches der jeweiligen Rezeptur von signifikanter Bedeutung und speziell definiert. Die aus der Düse austretenden Stränge können direkt mit Messern granuliert oder nach Erstarrung bzw. Trocknung mit Mahlwerken auf die gewünschte Korngröße eingestellt werden. Die so gewonnenen Granulate – Acticaps – sind z. B. in der Lebensmittelindustrie universell einsetzbar. Sie sind lagerstabil, gut dosierbar und bieten in ihrer Gesamtheit ernährungsphysiologische Vorteile.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung ein granuliertes Material (Acticaps) aus mindestens zwei Komponenten bereitstellt, das resistent gegenüber Lagereinflüssen (Licht, Sauerstoff, Feuchtigkeit) und stabil bei der Verarbeitung durch Vermeidung von Reaktionen mit anderen Lebensmittelbestandteilen ist. Die Maskierung von unerwünschten Geruchs- und Geschmackseindrücken, die einfachere Handhabung, bessere Dosiergenauigkeit und Staubreduktion sind weitere Kennzeichen des erfindungsgemäßen Materials.
Der Prozess erfolgt durch schonende thermische und mechanische Formung des Materialgemisches mit anschließender Granulierung. Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Auswahl der kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrizes, die Wahl der Verarbeitungsparameter und die Art und Höhe der zu verkapselnden Wirkstoffe.
Ausführungsbeispiel
Mittels Mischaggregat wird eine Trockenmischung aus:
90% Oligofruktose
und 10% Mikroalgen hergestellt.
Die Trockenmischung wird über ein Dosieraggregat einem rotierenden Schneckensystem zugeführt. Die Schnecke verdichtet das Materialgemisch unter Erwärmung des Materiales auf 70°C, fördert und drückt es gegen eine Düse von 3 mm Durchmesser, wo es glasartig kompaktiert wird und strangförmig austritt. Die Länge der Granulate wird mittels rotierender Messer eingestellt.
Das Granulat lässt sich in Backwaren, Milchzubereitungen und Getränken einsetzen und erhöht bei 10%-igem Einsatz die Zufuhr von löslichen Ballaststoffen auf 9 g/100 g Lebensmittel und die von Mikroalgen auf 1 g/100 g.
Literatur:

1. Muschiolik, G, Naumann, A.: Matrixeinschluss und Verkapselung von Nährstoffen bzw. bioaktiven Stoffen. In: Praxishandbuch Functional Food I, Wirkstoffe. H. F. Erbersdobler, A. H. Meyer (Hrsg.), Behr's Verlag, Hamburg (2002).
2. Kunz, B., Krückeberg, S. Weissbrodt, J.: Chancen und Grenzen der Mikroverkapselung in der modernen Lebensmittelverarbeitung. Chemie Ingenieur Technik 75 (2003), 1733–1740
3. Schuchmann, H. P.: Biofunktionelle Wirkstoffe in Emulsionen, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum (Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V.), Verkapselung von funktionalen Inhaltsstoffen in Lebensmitteln: 24. April 2007 in Bonn
4. Reinders, G.: Lebensmittel-Aromen aus Kapseln, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum, ebenda
5. Rehage, H.: Von zweidimensionalen Netzwerken zu schaltbaren Mikrokapseln, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum, ebenda
6. ...: (Holzminden) Symrise auf der Ingredients Russia 2005 in Moskau http://www.innovation.niedersachsen.de/529.html?&tx_ttnews[swords]=symrise&tx_tt news[tt_news]=1451&tx_ttnews[backPid]=528&cHash=f7079cbc9e
7. Reinders, G.: Verkapselungsstrategien für funktionelle Lebensmittel: Symposium funktionelle Lebensmittel (28.–29.6.2007) Frankfurt/Main
8. Gunning, Y. M., Gunning, P. A. et al: Factors affecting the release of flavor encapsulated in carbohydrate matrixes. Journal of Agriculture and Food Chemistry 47 (1999), 5198–5205
9. Zasypkin, D., Porzio, M.: Glass encapsulation of flavours with chemically modified starch blends. Journal of Microencapsulation 21 (2004), 385–397.
10. Buera, P., Schebor, C. and Elizalde, B.: Effects of carbohydrate crystallization on stability of dehydrated foods. Journal Food Engineering 67 (2005) 1–2, 157–165.
11. van Drooge, D. J., Hinrichs, W. L. J., Wegman, K. A. M., Visser, M. R. Eissens, A. C. and Frijlink, H. W.: Solid dispersions based on inulin for the stabilisation and formulation of Δ9-tetrahydrocannabinol. European Journal of Pharmaceutical Science 21 (2004) 4, 511–518
12. Blecker, C., Chevalier, J.-P., Fougnies, C. Van Herck, J.-C., Deroanne, C. and Paquot, M.: Characterisation of different inulin samples by DSC: Influence of polymerisation degree on melting temperature. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 71 (2003) 1, 215–224
13. Ronkart, S. N., Deroanne, C., Paquot, M., Fougnies, C., Lambrechts, J.-C. and Blecker, S.: Characterization of the Physical State of Spray-Dried Inulin. Food Biophysics 2 (2007) 2–3, 83–92
14. Steinboeck, E.: Process for the preparation of extruded delivery systems. Internationales Patent WO 03056938 (2004)
15. Porzio, M.: Encapsulation compositions. United states Patent US 2003026874 (2003)
16. Broderick, K.: Use of salt to improve extrusion encapsulation of chewing gum ingredients. Internationales Patent WO 9308700 (1993)
17. Bouquerand, P.-E.: Large glassy beads. Internationales Patent WO 2005079598 (2007)
18. Subramaniam, A.: Process for the incorporation of a flavor or fragance ingredient or composition into a carbohydrate matrix. Internationales Patent WO 2006038067 (2006)
19. Smith, L. C.: Controlled release encapsulation. United State Patent US 2004001891 (2004)
20. Hinderer, J.: Wax formulations containing odifirous substances. Internationales Patent WO 0138440 (2001)
21. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of controlled release particles and encapsulated product. Europäisches Patent EP 1342548 (2003)
22. Van Lengerich, B.: Encapsulation of sensitive liquid components into a matrix to obtain discreate shelf-stable particles. International Patent WO 0021504 (2000)
23. Van Lengerich, B.: Encapsulation of sensitive components using pre-emulsification. International Patent WO 2004009054 (2004)
24. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of controlled release particles United States Patent US 6190591 (2001)
25. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of sensitive components into a matrix to obtain discrete shelf-stable particles. United States Patent US 2002044968 (2002)
26. Van Lengerich, B.: Production of oil encapsulated minerals and vitamins in a glassy matrix. International Patent WO 0197637 (2002)
27. Van Lengerich, B.: Oligosaccharides encapsulated mineral and vitamin ingredients. International Patent WO 005667 A2 (2002)

Claims

Granulate, die pulverförmige oder flüssig-wässrige Wirkstoffe in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix verkapselt aufweisen.
Granulat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrizes (Hüllmaterialien) aus löslichen unverdaulichen Ballaststoffen bestehen, vorzugsweise Oligofruktose, Inulin, Polydextrose und/oder resistente Maltodextrine.
Granulat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe in Form von sekundären Pflanzeninhaltsstoffpräparaten, Mikroalgen, Aromen, Vitaminen oder Provitaminen vorliegen.
Granulat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenhydratbasierte bioaktive Matrix eine glasartige Matrix bildet, in die die Wirkstoffe eingebettet vorliegen.
Granulat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Hüllmaterials 30–95% beträgt.
Granulat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Wirkstoffe 5–70% beträgt.
Granulat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe in den Partikeln für die Verarbeitung in Lebensmitteln lagerstabil, gut dosierbar und stabil vorliegen, und zusammen mit der Hülle einen ernährungsphysiologischen Zusatznutzen besitzen.
Granulate nach einem der Anspruch 1 bis 7, hergestellt durch Verdichten, Erwärmen, Scheren, Auspressen durch eine Düse und Granulieren.
Granulat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Materiales mittels Ein- oder Mehrwellensystemen erfolgt ist.
Granulat nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllmaterial zwischen 60 und 100°C unter Scherung in eine fließfähige homogene Masse überführt worden ist.