DE69730982T2

DE69730982T2 - Einbettung und einkapselung von teilchen zur kontrollierten abgabe

Info

Publication number: DE69730982T2
Application number: DE69730982T
Authority: DE
Inventors: Lengerich Bernhard H Van
Original assignee: General Mills Inc
Current assignee: General Mills Inc
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: PL333095A1; WO1998018610A1; ES2565163T3; US6190591B1; AU744156B2; ATE277739T1; NO992036D0; EP0935523A1; NO992036L; CA2269806C; EP0935523B1; CA2269806A1; JP2002511777A; EP0935523A4; PL191399B1; DE69730982D1; AU4991597A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einzelner, fester Partikel mit kontrollierter Freigabe, die einen eingekapselten und/oder eingebetteten Bestandteil wie beispielsweise einen wärmeempfindlichen oder leicht oxidierbaren pharmazeutisch, biologisch oder ernährungsphysiologisch aktiven Bestandteil enthalten.
Hintergrund der Erfindung
Beim Einkapseln eines Bestandteils in eine Matrix wird das Matrixmaterial im Allgemeinen auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt, um eine plastifizierte Masse zu erhalten, welche das Überziehen des Bestandteils erleichtert. Beim Abkühlen erhärtet das Matrixmaterial oder wird fest und schützt den Einkapselungsbestandteil vor einer unerwünschten oder verfrühten Reaktion. Das Erwärmen der Matrix, um sie zu plastifizieren oder um eine Schmelze zu bilden, kann sich jedoch schädlich auf den Einkapselungsbestandteil ebenso wie auf das Matrixmaterial auswirken oder diese zersetzen. Zusätzlich kann das Mischen oder die Anwendung hoher Scherkräfte, um den Einkapselungsbestandteil gleichmäßig in dem gesamten plastifizierten Matrixmaterial zu dispergieren, ebenfalls negative Auswirkungen auf das Matrixmaterial oder den Einkapselungsbestandteil haben. Darüber hinaus kann die Anwendung hoher Temperaturen, um das Matrixmaterial zu plastifizieren oder zu schmelzen, zum Verdampfen und Verlust des Einkapselungsbestandteils führen. Die Zugabe von Flüssigkeiten zu dem Matrixmaterial, um seine Viskosität zu verringern und den Mischvorgang zu erleichtern, kann ein starkes Trocknen oder Verdampfen der Weichmacherflüssigkeit erfordern, um eine formbare Zusammensetzung zu erhalten, die in einzelne, im Wesentlichen gleichförmige Teile geformt werden kann. Darüber hinaus kann das Entfernen der Weichmacherflüssigkeit das Produkt auf ungünstige Weise aufblähen, seine Dichte verringern und den Einkapselungsbestandteil anfälliger für Angriffe machen oder seine Freigabe erleichtern.
Die Herstellung ausgedehnter Produkte wird in den europäischen Patentveröffentlichungen EP 0465364 A1 (veröffentlicht am 8. Januar 1992) und EP 0462012 A2 (veröffentlicht am 18. Dezember 1991), im US-Patent Nr. 3.962.416, erteilt an Katzen, und im US-Patent Nr. 3.786.123, erteilt an Katzen, offengelegt. Die beiden europäischen Patentveröffentlichungen offenbaren die Herstellung eines Nahrungsmittels gegen Fettsucht und ein Verfahren zu seiner Herstellung durch die Extrusion von Stärken mit Fettsäuren in ein ausgedehntes Produkt offen, das Dichten zwischen 0,1 und 0,3 g/cm³ aufweist. Das an Katzen erteilte US-Patent Nr. 3.962.416 legt ein ausgedehntes Produkt offen, das mindestens einen Nährstoff und eine gelatinierte Stärke enthält.
Das an Katzen erteilte US-Patent Nr. 3.786.123 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eingekapselter Nährstoffe unter Anwendung von Extrusionstemperaturen zwischen 250°F und 400°F und Extrusionsdrücken zwischen 200 psi und 2500 psi. Ein Einkapselungsmittel mit hohem Proteingehalt, das bis zu 40% Stärke enthält, kann verwendet werden. Die Stärke wird gelatiniert und in ein ausgedehntes Produkt extrudiert.
Bei der Herstellung eines Produkts mit kontrollierter Freigabe oder mit verzögerter Freigabe kann jedoch ein zu starkes Ausdehnen oder Aufblähen zu schnelle Freigabeeigenschaften zur Folge haben oder einen Einkapselungsbestandteil auf unerwünschte Weise zerstörerischen Reaktionen aussetzen. Zum Beispiel ist es bei einer essbaren Zusammensetzung zur Verabreichung eingekapselter pharmazeutisch oder ernährungsphysiologisch aktiver Bestandteile oder bei einem nicht essbaren landwirtschaftlichen Produkt zur Abgabe von Bioziden oder Herbiziden wünschenswert, dass die Produkte im Wesentlichen eine sphärische Form und eine hohe Dichte haben. Derartige Produkte weisen ein im Wesentlichen niedriges Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen auf und minimieren oder verhindern so mit der Oberfläche zusammenhängende zerstörerische Reaktionen, die durch die Exposition gegenüber Luft oder Sauerstoff und Licht auftreten. Die sphärischen Formen und die hohen Dichten minimieren auch die Oberfläche, die für die Exposition von eingebettetem Material, welches nicht eingekapselt ist, zur Verfügung stünde. Darüber hinaus ist es bei essbaren Produkten zur Verabreichung pharmazeutisch oder ernährungsphysiologisch aktiver Bestandteile wünschenswert, dass die Produkte ohne zu kauen, oder im Wesentlichen ohne zu kauen, aufgenommen oder geschluckt werden können. Wenn die Notwendigkeit des Zerkauens vermieden wird, stellt dies ferner sicher, dass die Produkte den Verdauungstrakt ohne wesentliche enzymatische Hydrolyse im Mund erreichen. Darüber hinaus hilft dies, die Auflösung des Produkts im Magensaft zu kontrollieren oder zu verringern und die Freigabe der eingebetteten oder eingekapselten Bestandteile im Magen und/oder im Darm zu kontrollieren.
Die internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 92/00130 (veröffentlicht am 9. Januar 1992) offenbart ein kontinuierliches Verfahren, um ein eingekapseltes, biologisch aktives Produkt in einer stärkehaltigen Matrix zu erhalten. Ein biologisch aktiver Wirkstoff und Stärke werden vor der Extrusion gemischt und als Mischung extrudiert, wobei der Einkapselungsbestandteil oder der biologisch aktive Wirkstoff zusammen mit der Stärke erwärmt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein einzukapselndes Kernmaterial hinzugegeben und mit einer wässrigen Dispersion von Stärke gemischt werden, nachdem die Stärke und Wasser einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt wurden, damit die Stärke gelatiniert. Wie offenbart, setzt das Extrusionsverfahren die Mischung einer mechanischen Belastung mit hohen Scherkräften bei einer Temperatur über der Gelatinierungstemperatur von Stärke aus. Offenbart ist die Anwendung von Temperaturen im Extrusionsgefäß zwischen etwa 58°C und 98°C. Während diese Gefäßtemperaturen über der Gelatinierungstemperatur von Stärke liegen können, weist der verwendete Extruder Abschnitte auf, deren Länge dreimal l/d beträgt. Die verwendeten Schneckendrehzahlen zwischen 400 UpM und 200 UpM führen zu einer sehr kurzen Verweilzeit der Mischung im Inneren des Extruders und ermöglichen kaum die Erwärmung des Stärke-Wasser-Gemischs. Infolgedessen sind die erzielten Temperaturen im Allgemeinen zu niedrig, um eine wesentliche Gelatinierung nativer Stärken zu bewirken. Zusätzlich sind die verwendeten Gefäßtemperaturen insbesondere zu niedrig für eine wesentliche Gelatinierung von Stärke mit hohem Amylosegehalt, die im Allgemeinen bei Temperaturen deutlich über 100°C gelatinieren, zum Beispiel bei 125°C. Die Verwendung von Extrusionsgefäßtemperaturen, die nicht hoch genug sind, um die Stärke im Wesentlichen oder vollständig zu gelatinieren, bildet möglicherweise nicht eine ausreichend kontinuierliche, plastifizierte und homogene Matrix für eine wirksame Einbettung oder Einkapselung.
Zusätzlich erfordert die Verwendung relativ niedriger Extrusionstemperaturen, eines Mischvorgangs mit hohen Drehzahlen und einer Stärkezusammensetzung mit hoher Viskosität eine hohe Zufuhr mechanischer Energie. Hohe Scherkräfte stehen in direktem Zusammenhang zu einer hohen spezifischen mechanischen Energie, was wiederum die molekulare Destrukturierung und Umwandlung von Stärke in Dextrine erhöht. Die Aufspaltung der Stärkemoleküle und insbesondere des Amylopektins erhöht die Löslichkeit der extrudierten Stärkezusammensetzung in wässrigen Systemen, wie in P. Colonna et al., "Extrusion Cooking of Starch & Starchy Products", Extrusion Cooking, C. Mercier et al., S. 247 – 319, AACC, St. Paul, Minnesota (1989) und F. Meuser et al., "A Systems Analytical Approach to Extrusion", Food Extrusion Science & Technologe, herausgegeben von J. Kokini, Dekker Publ., S. 619-630 (1992) beschrieben. Die erhöhte Löslichkeit der extrudierten Stärke in wässrigen Systemen vermindert die Stabilität des Produkts gegenüber Feuchtigkeit und verringert oder verkürzt in der Folge den Schutz und die kontrollierte Freigabe der eingebetteten oder eingekapselten Stoffe. Wenn der Einkapselungsbestandteil denselben Bedingungen mit hohen Scherkräften und hohen Temperaturen ausgesetzt wird, denen die Stärke unterzogen wird, kann dies zusätzlich negative Auswirkungen auf den Einkapselungsbestandteil haben, indem es ihn zumindest teilweise zerstört oder in unbekannte feste oder flüchtige Stoffe zersetzt.
Vorgelatinierte Stärke wird in zahlreichen Anwendungen in der Lebensmittelindustrie als Quellmittel und zur beschleunigten und erweiterten Wasseraufnahme in Lebensmitteln wie Suppen, Saucen, Instant-Puddings, Babynahrung und Verdickungsmitteln verwendet. Man hat jedoch festgestellt, dass durch die Verwendung von vorgelatinierter Stärke oder die Verwendung von Stärke als einzigem Matrixmaterial während des Extrusionskochens im Allgemeinen eine Matrix erhalten wird, welche den Einkapselungsbestandteil zu schnell freigibt. Man hat festgestellt, dass das Eindringen von Wasser in eine Matrix aus reiner Stärke die frühzeitige Freigabe des Einkapselungsbestandteils in die Umgebung verursacht. Im Allgemeinen ist die Zeit, bis 100% des Einkapselungsbestandteils freigegeben sind, zu kurz, um eine wünschenswerte Freigabe im Verhältnis zur Zeit oder eine kontrollierte Freigabe zu gewährleisten, die für die Abgabe des Einkapselungsbestandteils an einem gewünschten Ort oder zu einer gewünschten Zeit wirksam ist.
Die internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 95/26752 (veröffentlicht am 12. Oktober 1995) offenbart die Herstellung eines Nahrungsmittelprodukts, zur enteralen Abgabe einer Fettsäure, eines fettsäurehaltigen Stoffs, einer Aminosäure oder eines aminosäurehaltigen Stoffs, indem zumindest teilweise die Fettsäure oder die Aminosäure in die Komplexverbindungen der Amylosehelix der Stärke eingefügt wird, um die Säure zu maskieren. Das Produkt kann einen oder mehrere Geschmacksstoffe und Farben, fettlösliche Stoffe, Antioxidantien oder pharmazeutisch wirksame Stoffe enthalten. Die Bestandteile können zuerst trocken gemischt und anschließend einem Extruder zugeführt werden, wo sie im Wesentlichen gemischt und anschließend über die Gelatinierungstemperatur der Stärke erwärmt werden, um eine elastifizierte Masse zu erhalten, die extrudiert und in Pellets geformt wird. Allerdings würden wärmeempfindliche Bestandteile während des Erwärmungsschritts zerstört.
Die internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 85/04074, erteilt an Flashinski et al. (veröffentlicht am 26. September 1985), legt einen Insektenköder offen, der ein Insektenbekämpfungsmaterial in einer gelatinierten Stärkematrix enthält. Der Köder wird durch Koextrudieren von Stärke mit dem Insektenbekämpfungsmaterial unter Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt, die ausreichen, um die Stärke zu kochen und zu gelatinieren. In einer anderen Ausführungsform kann vorgelatinierte Stärke mit dem Insektenbekämpfungsmaterial und Wasser gemischt werden, um ein Gel zu bilden. Beim Formen des Insektenköders durch Mischen und Extrudieren der Bestandteile kommt es, wie offenbart, darauf an, Zusätze zu verwenden, einschließlich der Insektizide und Insektenschutzmittel, welche den Extrusionstemperaturen der Stärke standhalten, ohne sich zu zersetzen oder zu verdampfen. Die Extrusionstemperaturen der Insektenködermischung reichen je nach Stärkegehalt und anderen Zusätzen von etwa 160°F bis etwa 310°F und die Drücke liegen zwischen 300 psi bis 800 psi.
Das US-Patent 5,183,690, erteilt an Carr et al., offenbart ein kontinuierliches Verfahren, um einem in eine Matrix aus einem stärkehaltigen Material eingekapselten biologisch aktiven Wirkstoff zuvor festgelegte Freigabe eigenschaften zu verleihen. Das stärkehaltige Material, ein aktiver Wirkstoff und Wasser werden kontinuierlich ein einem Ingredienzienstrom gemischt, in dem das stärkehaltige Material in einer Feststoffkonzentration von mindestens 40% vorliegt. Der Ingredienzienstrom wird kontinuierlich als Extrudat extrudiert, und das Extrudat wird kontinuierlich zurückgewonnen. Die Bedingungen des Mischens, Extrudierens und Rückgewinnens werden so vorausgewählt, dass die zuvor festgelegten Freigabeeigenschaften erreicht werden. Die Temperatur ist auf mindestens etwa 65°C erhöht, um die Gelatinierung der Stärke zu bewirken und eine im Wesentlichen molekulare Dispersion der Stärke in dem Wasser sicherzustellen. In einer anderen Ausführungsform wird das einzukapselnde Kernmaterial der wässrigen Dispersion der Stärke zugegeben und mit ihr gemischt, nachdem Stärke und Wasser einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt wurden, um die Stärke zu gelatinieren. In dieser Ausführungsform kann der wässrige Stärkestrom, der gelatinierte Stärke enthält, auf eine Temperatur von nur etwa 25°C abgesenkt werden, bevor das einzukapselnde Kernmaterial zugegeben und einer mechanischen Wirkung mit hohen Scherkräften ausgesetzt wird. Unter diesen Mischbedingungen bei niedriger Temperatur wird, wie offenbart, die Aktivität des empfindlichen biologischen Materials, wie von Bakterien und Viren, bewahrt, und der Verlust flüchtiger organischer Materialien wird minimiert. Das Quellverhältnis der Produkte in Wasser und die Freigabemenge der Wirkstoffe werden durch Verändern der Wassermenge kontrolliert, die in der Stärke-Wirkstoff-Wasser-Mischung während des Verarbeitens vorhanden ist. Wenn die Wassermenge verringert wird, nehmen sowohl das Quellverhältnis als auch die Freigabemenge zu. Das Quellverhältnis der Produkte in Wasser und die Freigabemenge des Wirkstoffs werden auch dadurch kontrolliert, dass das die Stärke, den Wirkstoff und Wasser enthaltende Extrudat durch ein Mundstück mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser austritt. Wenn die Größe des Austrittsmundstücks verringert wird, nehmen sowohl die Geschwindigkeit als auch das Ausmaß des Quellvorgangs zu, und auch die Freigabemenge des Wirkstoffs nimmt zu.
Diese Erfindung stellt eine Partikelzusammensetzung mit kontrollierter Freigabe vor, die einen hydrophoben Bestandteil zum Kontrollieren der Freigabe eines eingekapselten und/oder eingebetteten Wirkstoffs aus einer plastifizierten Matrix enthält. Wirkstoffe mit hoher Wasserbindefähigkeit können ebenfalls verwendet werden, um die Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus der Matrix zu verzögern oder zu kontrollieren. Darüber hinaus ist in dem Verfahren dieser Erfindung die Menge des Weichmachers hoch, um die Plastifizierung des Matrixmaterials bei geringen Scherkräften zu erleichtern, und sie wird anschließend vor der Zugabe des Einkapselungsbestandteils verringert, um das anschließende Formen zu erleichtern und das Trocken nach dem Extrudieren zu verkürzen. Die Zusammensetzung mit kontrollierter Freigabe oder verzögerter Freigabe kann ohne wesentliche Ausdehnung des Matrixmaterials hergestellt werden, um dadurch die Erzeugung eines Produkts von geringer Dichte zu vermeiden welches den Einkapselungsbestandteil oder den eingebetteten Bestandteil verfrüht oder zu schnell freigibt. Die Produkte können unter Anwendung eines Mischvorgangs mit geringen Scherkräften hergestellt werden, um die Zersetzung des Matrixmaterials oder des Einkapselungsbestandteils oder des aktiven Bestandteils zu vermeiden. Doch obwohl ein Mischvorgang mit geringen Scherkräften zum Einsatz kommt, werden eine wesentliche Plastifizierung des Matrixmaterials und eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Wirkstoffs erzielt. Im Einklang mit dieser Erfindung hergestellte essbare Produkte zur Verabreichung pharmazeutisch oder ernährungsphysiologisch Wirkstoffe können ohne Kauen aufgenommen oder geschluckt werden, sodass die Produkte den Verdauungstrakt ohne eine wesentliche enzymatische Hydrolyse im Mund erreichen. Zusätzlich verringern oder verhindern in Ausführungsformen der Erfindung die im Wesentlichen sphärische Form und die hohe Dichte eine wesentliche mit der Oberfläche zusammenhängende Zerstörung der Wirkstoffe bei einer Exposition der Partikel gegenüber Luft, Sauerstoff, Licht oder Wasser. Die zeitliche Abstimmung der Freigabe des eingebetteten oder eingekapselten Bestandteils in der Weise, dass diese so lange verzögert wird, bis das Produkt den Magen und/oder den Darm erreicht, kann durch die Verwendung unterschiedlicher Mengen und Typen von hydrophoben Bestandteilen oder Bestandteilen mit hoher Wasserhaltefähigkeit in der plastifizierten Matrix kontrolliert werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren können für die kontinuierliche Herstellung einer essbaren Zusammensetzung für die Verabreichung pharmazeutischer oder ernährungsphysiologischer Wirkstoffe oder für die Herstellung eines landwirtschaftlichen Produkts für die kontrollierte Freigabe von Bioziden, Herbiziden, Düngern, Wachstumsstimulatoren, Pestiziden oder von Produkten für andere Verwendungszwecke eingesetzt werden, zum Beispiel für Detergenzien, die chemische und/oder biologische Wirkstoffe freigeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einzelner fester Partikel mit kontrollierter Freigabe vor, die einen eingekapselten und/oder eingebetteten Bestandteil enthalten. Die Partikel umfassen ein Matrixmaterial, in das der Wirkstoff eingekapselt oder eingebettet wird. Das Matrixmaterial wird beim Erwärmen plastifiziert, sodass es eine Schmelze bildet. Der Wirkstoff wird mit der Schmelze gemischt, ohne den Einkapselungsbestandteil oder das Matrixmaterial im Wesentlichen schädlich zu beeinflussen oder zu zersetzen. Der Wirkstoff wird mit dem plastifizierten Matrixmaterial bei niedrigen Temperaturen und unter Mischbedingungen mit geringen Scherkräften gemischt, um dadurch eine wesentliche Zerstörung oder Verflüchtigung der Wirkstoffe zu verhindern. Zusätzlich kann mit hohen Wassergehalten gearbeitet werden, sodass die Viskosität wesentlich verringert und die wesentliche Gelatinierung der Stärke erleichtert wird, ohne die Stärkemoleküle im Wesentlichen zu zerstören. Die anschließende Entfernung von zumindest einem Teil des Wassers vor der Zugabe des Einkapselungsbestandteils vermeidet ein zu starkes Trocknen oder Verdampfen der Weichmacherflüssigkeit, was negative Auswirkungen auf den Gehalt des Einkapselungsbestandteils haben könnte. Die Feuchtigkeitsverringerung innerhalb des Extruders sorgt auch dafür, dass eine formbare Zusammensetzung erzielt wird, die in einzelne, im Wesentlichen gleichförmige Teile geformt werden kann. Die Extrusion der Mischung aus Matrix und Wirkstoff kann ohne wesentliche Ausdehnung des Produkts durchgeführt werden, wodurch ein Produkt mit hoher Dichte geliefert wird, das weniger anfällig gegenüber Angriffen durch wässrige oder sauerstoffhaltige Medien ist und dadurch eine verlängerte Freigabezeit bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Einkapselung wärmeempfindlicher Bestandteile oder leicht oxidierbarer Bestandteile eingesetzt werden, zum Beispiel für pharmazeutische oder biologische oder ernährungsphysiologische Wirkstoffe, ohne deren Aktivität wesentlich zu zerstören. Die erfindungsgemäßen Produkte können essbar und für den direkten Verzehr bestimmt sein oder in Nahrungsmittelprodukte eingearbeitet werden. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können Produkte wie chemische oder landwirtschaftliche Produkte, z.B. Pestizide, Herbizide, Fungizide, Insektizide, Rodentizide oder andere Produkte wie Detergenzien oder Geschmacksstoffe, Duftstoffe und dergleichen vorteilhafterweise eingebettet oder eingekapselt werden, um ihre Freigabe aus der sie umgebenden Matrix zu kontrollieren oder zu verzögern.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann mindestens ein zusätzliches Ingrediens oder Bestandteil dazu verwendet werden, die Freigabeeigenschaften des Endprodukts zu kontrollieren. Der zusätzliche Bestandteil kann den Fluss, die Diffusion oder die Verteilung von Wasser oder Zusammensetzungen auf Wasserbasis in und innerhalb der Partikel des Endprodukts lenken, kontrollieren oder beeinflussen. Das zusätzliche Ingrediens oder Bestandteil zur Kontrolle der Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils kann ein hydrophobes Mittel wie Polyethylen, Polyurethan, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylazetat, ein Fett, Öl, Wachs, eine Fettsäure oder ein Emulgator sein, welcher die Hydrophobizität der Matrix erhöht. Die erhöhte Hydrophobizität hilft, das Eindringen von Wasser oder Magensaft in die Matrix zu verhindern oder zu verzögern. Andere Bestandteile, die zur Kontrolle der Freigabemenge verwendet werden können, sind Bestandteile, die eine hohe Wasserbindefähigkeit aufweisen und die eine schnelle Auflösung der Matrix verzögern oder verhindern und dadurch die Freigabe des Einkapselungsbestandteils in die Matrix verzögern. Beispiele von Bestandteilen mit hoher Wasserbindefähigkeit, die verwendet werden können, sind Proteine wie Weizen-Gluten, Gelatine und Kasein, Hydrokolloid-Gummiarten und ähnliche Stoffe.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können Matrixbestandteile zugegeben werden, um die Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils zu erhöhen. Diese die Freigabemenge erhöhenden Bestandteile können sich schneller in Wasser auflösen als dies ein anderes Matrixmaterial tut. Beim Auflösen wird die Durchlässigkeit der Partikel erhöht, womit der Zugang zum Einkapselungsbestandteil durch das Lösungsmittel auf Wasserbasis erhöht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mindestens ein plastifizierbares, matrixbildendes Material wie beispielsweise Stärke oder Polyvinylpyrrolidon mit einer ausreichenden Menge eines Weichmachers wie Wasser gemischt werden, um die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des plastifizierbaren Materials abzusenken, und zwar zusammen mit dem zusätzlichen die Freigabemenge kontrollierenden Ingrediens. Die Mischung wird über die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des plastifizierbaren oder Matrixmaterials hinaus erwärmt, zum Beispiel über die Gelatinierungstemperatur eines Stärkematrix-Bestandteils, während die Bestandteile innerhalb eines Extruders transportiert und gemischt werden. Die Temperatur wird für eine ausreichend lange Zeitdauer ausreichend hoch gehalten, um die Stärke in der Mischung zumindest teilweise zu gelatinieren. Der zusätzliche Bestandteil, der zur Kontrolle der Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils verwendet wird, kann vor oder nach dem Erwärmen des Matrixmaterials, beispielsweise Stärke, zugegeben werden.
Nachdem das Matrixmaterial bei hohem Feuchtigkeitsgehalt plastifiziert wurde, um den Abbau auf molekularer Ebene zu minimieren, kann zumindest etwas von der Feuchtigkeit anschließend aus der plastifizierten Masse oder dem gekochten Teig entfernt werden. Die Temperatur der plastifizierbaren Masse kann abgesenkt werden, entweder durch Entfernen der Feuchtigkeit und/oder durch zusätzliches Kühlen des Gefäßes, die Zugabe eines inerten Gases oder durch Kombinationen der oben genannten Kühlverfahren. Die plastifizierte oder gelatinierte Masse, die einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt und eine niedrigere Temperatur aufweist, wird anschließend zu einem folgenden Extrudergefäßabschnitt transportiert, während eine ausreichend tiefe Temperatur gehalten wird, um den Einkapselungsbestandteil beizumischen, ohne den Einkapselungsbestandteil durch Wärmeeinwirkung zu zerstören. Der Einkapselungsbestandteil wird mit der plastifizierten Matrix unter Bedingungen von niedriger Temperatur und geringen Scherkräften gemischt, um den zugegebenen Wirkstoff in dem plastifizierten Matrixmaterial zu verteilen, zu überziehen, einzubetten oder einzukapseln. Der Mischvorgang wird in Richtung des Extrudermundstücks fortgesetzt, während die Produkttemperatur für eine ausreichende Formbarkeit eingestellt wird.
Die Mischung wird durch das Extrusionsmundstück extrudiert und geschnitten oder auf andere Weise in Stücke oder Pellets geformt, wobei keine oder im Wesentlichen keine Ausdehnung des Extrudats stattfindet. Das Extrudat oder die Stücke können anschließend getrocknet und danach einer Oberflächenbehandlung mit einem filmbildenden Stoff unterzogen werden, um die extrudierten Pellets oder Stücke weiter einzukapseln. Der filmbildende Stoff kann auch zusätzliche Bestandteile enthalten, welche den Zugang von Licht, Sauerstoff und/oder Wasser zu der Matrix verzögern oder verhindern. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren pharmazeutischen, ernährungsphysiologischen, biologischen oder chemischen Wirkstoffe mit einem Überzugmaterial vorher überzogen worden sein, zum Beispiel mit Schellack, Zein, Chitosan, Chitin, einem Emulgator oder ähnlichen Stoffen, um die Freigabeeigenschaften des Einkapselungsbestandteils aus dem Matrixmaterial noch weiter zu kontrollieren.
Die erfindungsgemäßen Produkte können in der Form von einzelnen Partikeln, Pellets oder Tabletten vorliegen. Sie können kugelförmig, kurvenfömig oder linsenförmig, flache Scheiben, von ovaler Form oder ähnlich geformt sein. Der Durchmesser der Partikel kann von etwa 0,5 mm bis etwa 7 mm reichen, und das Verhältnis Länge/Durchmesser (l/d) kann von etwa 0,1 bis 10 reichen. Die spezifische Dichte der Pellets oder Partikel kann von etwa 800 g/Liter bis etwa 1500 g/Liter reichen.
Die Menge des Weichmachers, z.B. Wasser, die mit dem Matrixmaterial, wie Stärke, gemischt wird, um eine plastifizierte Masse zu bilden, kann von etwa 20 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichts-% reichen, vorzugsweise von etwa 35 Gewichts-% bis etwa 45 Gewichts-%, am bevorzugtesten etwa 40 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Matrixmaterials wie Stärke. Die Menge der zur Kontrolle der Freigabemenge des Wirkstoffs verwendeten Ingredienzien kann bis zu etwa 70 Gewichts-% gehen und reicht vorzugsweise von etwa 5 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichts-%, am bevorzugtesten zwischen etwa 10 Gewichts-% bis etwa 35 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Matrixmaterials wie Stärke. Die Menge des Wirkstoffs oder Einkapselungsbestandteils, der in die Matrix eingekapselt oder eingebettet wird, kann von etwa 1 Gewichts-% bis etwa 85 Gewichts-% reichen, vorzugsweise von etwa 3 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichts-%, am bevorzugtesten zwischen etwa 5 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Matrixmaterials wie Stärke.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 ist eine schematische Übersicht des erfindungsgemäßen Extrusionsverfahrens, auf der die Schneckenkonfiguration und das Profil der Gefäßtemperatur für den Extruder dargestellt sind.
3 zeigt ein alternatives Verfahren, die Extruderschneckenkonfiguration und das Profil der Gefäßtemperatur, bei dem eine vorgelatinierte Stärke oder Durum-Hartweizen unter Anwendung eines relativ. niedrigen Temperaturprofils dem Extruder zugeführt wird.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Produkt, das einen ersten Außenüberzug und einen Einkapselungsbestandteil aufweist, der einen zweiten Überzug besitzt.
5 zeigt vier grundlegende Freigabeeigenschaften eines Einkapselungsbestandteils, das erfindungsgemäß durch die Verwendung optionaler Überzüge für das Extrudat und den Einkapselungsbestandteil kontrolliert werden kann.
6 stellt Freigabedaten für eingekapselte Ascorbinsäure aus verschiedenen Matrixzusammensetzungen dar.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Ein Wirkstoff wird in einen plastifizierbaren Matrixbestandteil oder ein plastifizierbares Matrixmaterial in einem kontinuierlichen Verfahren eingekapselt und/oder eingebettet, um einzelne, feste Partikel herzustellen. Die Freigabe des Wirkstoffs aus der Matrix wird verzögert oder über die Zeit so kontrolliert, dass der Wirkstoff dann und dort bereitgestellt wird, wo er zur Erfüllung seiner beabsichtigten Funktion benötigt wird. Die Freigabe des Wirkstoffs aus der Matrix kann durch einen zusätzlichen Bestandteil oder einen Zusatz kontrolliert werden, das die Hydrophobizität der Matrix oder des Partikels, die Wasserbindefähigkeit der Matrix oder des Partikels, die Löslichkeit oder Porosität des Matrixmaterials oder Partikels oder den Glasübergang (T_g) des Matrixmaterials oder Partikels beeinflusst. Eine Vorbehandlung des Einkapselungsbestandteils, Verarbeitungsbedingungen und die endgültige Form der einzelnen Partikel können ebenfalls genutzt werden, um die Freigabe des Wirkstoffs aus dem Matrixmaterial zu kontrollieren. Durch das kontinuierliche erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen der Wirkstoff des Matrixmaterials gleichmäßig verteilt, eingebettet oder eingekapselt. Die Wirkstoffe können in dem Matrixmaterial auf einer mikroskopischen oder molekularen Ebene dispergiert sein. Wirkstoffe, die auf einer molekularen Ebene dispergiert sind, können bei ihrer Freigabe im Vergleich zu ihren kristallinen Formen eine höhere Bioverfügbarkeit bieten. Die Wirkstoffe können entweder in fester Form oder in flüssiger Form eingekapselt oder eingebettet sein. Die erfindungsgemäßen Einkapselungsbestandteile und eingekapselten Produkte können essbar sein, wie pharmazeutische oder biologische oder ernährungsphysiologische Wirkstoffe, oder sie können Geschmacksstoffe oder Duftstoffe sein, oder sie können nicht essbare Zusammensetzungen wie beispielsweise ein Detergenz, Herbizid, Fungizid, Pestizid, Insektizid oder Rodentizid oder dergleichen sein. Die Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus dem Matrixmaterial kann auch durch die Verwendung eines Films oder Überzugs auf dem Einkapselungsbestandteil und/oder auf den einzelnen, festen in der Matrix eingekapselten Partikeln kontrolliert werden.
Das Matrixmaterial kann ein plastifizierbares Biopolymer wie ein Kohlenhydrat, beispielsweise eine Stärke oder Cyclodextrin oder ein Polymer wie Polyvinylpyrrolidon sein, oder es kann aus anderen nicht hydrophoben Polymeren wie beispielsweise Kopolymeren von N-Vinylpyrrolidon (NVP) und Vinylazetat, Polyvinylalkohol, Zelluloseester, Zelluloseether und Polyethylenglykol bestehen. Beispiele für Stärken, die in dieser Erfindung verwendet werden können, sind natürliche oder modifizierte Stärken, die aus Mais, Weizen, Reis, Kartoffeln, Tapioka oder Stärke mit hohem Amylosegehalt abgeleitet werden. Zu den Stärkequellen, die verwendet werden können, gehören auch Mehle aus Getreide wie Mais, Weizen, Hartweizen, Reis, Gerste, Hafer oder Roggen sowie Mischungen von ihnen.
Zu den zusätzlichen Matrixbestandteilen, die verwendet werden können, gehören Kohlenhydrate mit einem geringeren Molekulargewicht als demjenigen von Stärken. Matrixbestandteile mit niedrigerem Molekulargewicht neigen dazu, sich leichter aufzulösen, als dies bei Stärke der Fall ist, und die Durchlässigkeit oder Porosität der Matrix zu erhöhen. Infolgedessen wird der Zugang zum Einkapselungsbestandteil durch das Lösungsmedium, beispielsweise Wasser oder Säure, vergrößert, wodurch eine schnellere Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus dem Matrixmaterial zugelassen wird. Beispiele für andere Kohlenhydrate als Stärke, die verwendet werden können, sind Zucker wie Mono- und Disaccharide sowie Stärkehydrolysatprodukte wie Dextrine oder Sirupe mit Dextroseäquivalent-Werten (DE-Werten), die von etwa 2 bis etwa 99 reichen, oder von etwa 5 bis 98, sowie Mischungen davon.
Das Matrixmaterial wird in einer wirksamen Einkapselungsmenge verwendet. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der Matrixmaterialgehalt, beispielsweise der Stärkegehalt der Partikel, mindestens etwa 40 Gewichts-% betragen, zum Beispiel zwischen etwa 60 Gewichts-% bis etwa 95 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Endprodukts.
Der Plastifizierer oder Weichmacher, der zur Absenkung der Schmelztemperatur oder Glasübergangstemperatur (T_g) des Matrixmaterials und zur Erleichterung der Plastifizierung verwendet werden kann, ist vorzugsweise Wasser, kann jedoch auch eine Zusammensetzung auf Wasserbasis wie beispielsweise eine Zuckerlösung, Alkohol, Sorbitol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Silikon, Hexanol, Pentanol, Dimethylsulfoxid (DMSO), Hexan oder ein Öl sein. Die Menge des Weichmachers wie Wasser sollte ausreichen, um die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des plastifizierbaren Materials wie Stärke wesentlich abzusenken, so dass es mit den anderen Ingredienzien bei einer ausreichend tiefen Temperatur und unter Bedingungen mit ausreichend niedrigen Scherkräften gemischt werden kann, damit eine wesentliche mechanische oder durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene Zerstörung des plastifizierbaren Materials oder des Matrixmaterials vermieden wird. Exemplarische Mengen des Weichmachers, beispielsweise Wasser, können von etwa 20 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichtsreichen, vorzugsweise von etwa 35 Gewichts-% bis etwa 45 Gewichts-%, am bevorzugtesten etwa 40 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des plastifizierbaren Materials oder Matrixmaterials wie Stärke.
Zu den zusätzlichen Bestandteilen, die zur Kontrolle der Freigabeeigenschaften des Endprodukts verwendet werden können, kann ein hydrophobes Mittel zur Verlangsamung der Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils gehören. Beispiele für Bestandteile, die zur Beeinflussung der Hydrophobizität der Matrix eingesetzt werden können, sind Fette, Öle, Wachse, Fettsäuren, Emulgatoren wie Mono- oder Diglyzeride, synthetische Polymere wie Polyolefine, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylazetat und dessen Derivate, Paraffin sowie modifizierte Stärken aus pflanzlichen Quellen, die hydrophobe Eigenschaften besitzen, welche entweder über physikalische oder chemische Modifikationen gewonnen werden, sowie Mischungen hydrophober Bestandteile. Pflanzliche Lipide oder synthetische Lipide mit Schmelzpunkten bis etwa 65°C können zum Beispiel als hydrophobes Mittel verwendet werden. Die hydrophoben Bestandteile erhöhen die Hydrophobizität der Matrix und helfen, das Eindringen von Wasser oder Magensaft in die Matrix zu verhindern oder zu verlangsamen, indem sie das Wasser oder die wässrigen Säuren abweisen und dadurch die Freigabe des Einkapselungsbestandteils in das umgebende Medium verzögern.
Zusätzliche Bestandteile, die zur Verzögerung oder Verhinderung der schnellen Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus der Matrix verwendet werden können, sind Bestandteile oder Mittel, die eine hohe Wasserbindefähigkeit haben. Die Mittel können eine Wasserbindefähigkeit oder Wasserhaltefähigkeit haben, die größer ist als die Wasserbindefähigkeit des Matrixmaterials, wie Stärke. Der Bestandteil mit hoher Wasserbindefähigkeit kann das Wasser binden, das in die Partikel eindringt, oder das Wasser daran hindern, die Matrix aufzulösen, wodurch die Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus der Matrix verhindert oder verzögert wird. Beispiele für Mittel mit hoher Wasserbindefähigkeit, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind Proteine tierischer Herkunft wie Gelatine und Kasein und Proteine aus Quellen wie Weizen, Soja, Mais oder anderen Getreidearten sowie Hydrokolloide wie beispielsweise Carragenate, Alginate, Xanthangummi, Gummi arabicum, Guarmehl oder Guargummi, Agar Agar, Tragacanth, Karaya, Johannisbrotgummi, Pektin, lösliche Fasern, nichtlösliche Fasern und dergleichen. Beispiele für Proteine aus Getreide, die verwendet werden können, sind Gluten, Vital-Weizengluten, Zein und Sojaproteinkonzentrate. Die Proteine aus pflanzlichen Quellen können auch zur Erhöhung der tolerierbaren Zugabe von Lipiden innerhalb der Matrixzusammensetzung verwendet werden, was zu einer indirekten Erhöhung der Hydrophobizität der Matrix führt. Die Bestandteile mit hoher Wasserbindefähigkeit können allein eingesetzt werden, oder es können Mischungen von ihnen verwendet werden.
Die zusätzlichen Bestandteile oder Ingredienzien, die zur Kontrolle der Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils verwendet werden, können in Mengen von bis zu etwa 70 Gewichts-% eingesetzt werden, vorzugsweise von etwa 5 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichts-%, am bevorzugtesten von etwa 10 Gewichts-% bis etwa 35 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Matrixmaterials, wie Stärke.
Zu den Wirkstoffen, die erfindungsgemäß in die Matrices eingekapselt oder eingebettet werden, gehören pharmazeutische Zusammensetzungen oder Verbindungen, nutrazeutische Zusammensetzungen oder Verbindungen, Nahrungsbestandteile oder biologisch aktive Bestandteile, Geschmacksstoffe, Duftstoffe, Detergenzien oder oberflächenaktive Zusammensetzungen. Zu den pharmazeutischen Verbindungen oder Zusammensetzungen gehören zum Beispiel Antibiotika, Analgetika, Vakzine, entzündungshemmende Mittel, Antidepressiva, Antivirenmittel, Antitumormittel, Enzyminhibitoren, Zidovudin enthaltende Strukturen, makromolekulare Polypeptide, aromatische Nitro- und Nitrosoverbindungen und deren Stoffwechselprodukte, die als Antiviren- und Antitumormittel geeignet sind, HIV-Proteaseinhibitoren, Viren und Steroide, Mischungen dieser Bestandteile und dergleichen.
Zu den nutrazeutischen Bestandteilen können Bestandteile gehören, welche die Gesundheit fördern oder Krankheiten verhindern oder das Wohlbefinden steigern, beispielsweise Antioxidantien, Phytochemikalien, Hormone, Vitamine wie beispielsweise Vitamin C und Vitamin E, Provitamine, Mineralstoffe, Mikroorganismen wie beispielsweise Bakterien, Pilze und Hefe, Präbiotika, Probiotika, Spurenelemente, essentielle und/oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie beispielsweise Omega-3-Fettsäuren, mittelkettige Triglyzeride, Nahrungsergänzungsmittel, Enzyme, Pigmente, Oligopeptide, Dipeptide und Aminosäuren.
Zu den biologischen Wirkstoffen, die eingekapselt werden können, gehören in der Landwirtschaft nützliche Zusammensetzungen, um entweder einen Schädlingsbefall zu verhindern, wie Herbizide, Pestizide, Insektizide, Rodentizide, Fungizide, deren Mischungen und dergleichen, oder um das Wachstum zu fördern, wie Hormone, Dünger oder andere wachstumsstimulierende Mittel.
Beispiele für Wirkstoffe, die erfindungsgemäß eingekapselt oder eingebettet werden können, sind: Azepromazin, Azetaminophen, Azetohexamid, Azetohydroxaminsäure, Azetylcholin, Azetylzystein-Acyclovir, Albendazol, Alclometasondipropionat, Allopurinol, Alprazolam, Alprostadil, Amcinoid, Amantadin, Amdinocillin, Amikazin-Amilorid, Aminocapronsäure, Aminophyllin, Aminosalizylat, Aminosalizylsäure, Amitriptylinhydrochlorid, Ammoniumchlorid, Amobarbital, Amodiaquinhydrochlorid, Amoxapin, Amoxicillin, Amphetaminsulfat, Amphoterizin, Ampicillin-Amprolium, Azetazolamid-Azetyldigoxin, Azetylsalizylsäure, Anileridin, Anthralin, Antipyrin, Antivenin, Apomorphin, Apraclonidin, Askorbinsäure, Aspirin, Acromycin-Atropin; Amoxycillin-Anipamil, Azaperon-Azatadin-Maleat, Azathioprin, Azithromyzin, Aztreonam, Bacampicillin, Bazitrazin, Baklofen, Bariumsalze, Beclomethasondiproionat, Belladonna-Extrakt, Bendroflumethiazid, Benoxinathydrochlorid, Benzethonchlorid, Benzokain, Benzonatat-Benzthiazid, Benztropinmesylat, Betain, Betamethason, Betaxolol, Betanecholchlorid, Biotin, Biperiden, Bisacodyl, Bismut, Botulismus-Antitoxin, Bromcriptin-Mesylat, Bromdiphenhydramin-Hydrochlorid, Bumetanid, Bupivakain, Busulfan-Butabarbital-Natrium, Butalbital, Kombinationen von Butalbital, Koffein sowie Aspirin und Kodein, Betakarotin, Calcifediol, Kalziumkarbonat, Kalziumzitrat, Kalziumsalze, Candicidin, Captopril, Carbachol, Carbamazepin, Carbenicillin-Indanyl-Natrium, Carbidopa, Carbinoxaminmaleat, Carboprost-Tromethamin, Carboxymethylzellulose, Carisoprodol, Casanthranol, Cascara, Rizinusöl, Cefaclor, Cefadroxil, Cefamandolnafat, Cefazolin, Cefixim, Cefoperazon, Cefotaxim, Cefprozil, Ceftazidim, Cefuroximaxetil, Cephalexin, Cephradin, Chlorambuzil, Chloramphenikol, Chlordiazepoxid, Chloroquinphosphat, Chlormadinonazetat, Chlorthiazid, Chlorpheniraminmaleat, Chlorxylenol, Chlorpromazin, Chlorpropamid, Chlorprothixen, Chlortetracyclinbisulfat, Chlortetracyclinhydrochlorid, Chlorthalidon, Chlorzoxazon, Cholekalziferol, Cholera-Vakzine, Chromchlorid, Chymotrypsin Cimetidin, Cinoxazin, Cinoxat, Ciprofloxazin, Cisplatin, Clarithromyzin, Kaliumclavulanat, Clemastinfumarat, Clidiniumbromid, Clindamyzin-Hydrochlorid-Palmitat und -Phosphat, Clioquinol, Clofazimin, Clofibrat, Clomiphenzitrat, Clonazepam, Cinnarizin, Clonidinhydrochlorid, Clorsulon, Clotrimazol, Cloxacillin-Natrium, Cyanocobalamin, Kokain, Coccidioidin, Lebertran, Kodein, Colchizin, Colestipol, Corticotropin, Corison-Azetat, Cyclacillin, Cyclizinhydrochlorid, Cyclobenzaprin-Hydrochlorid, Cyclophosphamid, Cycloserin, Cyclosporin, Cyproheptadinhydrochlorid, Zysteinhydrochlorid, Danazol, Dapson, Dehydrocholsäure, Demeclocyclin, Desipramin, Desoximetason, Desoxycorticosteron-Azetat, Dexamethason, Dexchlorpheniramin-Malest; Dexpanthenol, Dextroamphetamin, Dextromethorphan, Diazepam, Diazoxid, Dibucain, Dichlorphenamid, Dicloxacillin-Natrium, Dicyclomin, Dienestrol, Diethylpropion-Hydrochlorid, Diethylstilbestrol, Diflunisal, Digitalis, Dicoumarol, Digitoxin, Digoxin, Dihydroergotamin, Dihydrostreptomyzin, Dihydrotachysterol, Dihydroxyaluminium-Aminoazetat, Dihydroxyaluminium-Natriumcarbonat, Diltiazemhydrochlorid, Dimenhydrinat, Dimercaprol, Diphenhydraminhydrochlorid, Diphenoxylathydrochlorid, Diphterie-Antitoxin, Dipyridamol, Disopyramidphosphat, Disulfiram, Dobutaminhydrochlorid, Docusat-Kalzium, Docusat-Natrium, Dopaminhydrochlorid, Doxepinhydrochlorid, Doxycyclin, Doxycyclinhyclat, Doxylamin-Cuccinat, Dronabinol, Droperidol, Drotaverin, Dydrogesteron, Dyphyllin, Guaifenesin. Enalaprilmaleat, Analaprilat, Ephedrin, Epinephrin, Equilin, Ergocalciferol, Ergoloidmesylate, Ergonovinmaleat, Ergotamintartrat, Erythrityltetranitrat, Erythromyzin, Estradiol, Estriol, Östrogen, Estron, Estropipat, Ethacrynsäure, Ethambutol-Hydrochlorid, Ethchlorvynol, Ethinylestradiol, Ethionamid, Ethopropazin-Hydrochlorid, Ethotoin, Ethynodioldiazetat, Dinatrium-Etidronat, Etoposid, Eugenol, Famotidin, Fenoprofen, Eisenfumatat, Eisenglukonat, Eisensulfat, Flucytosin, Fludrocortisonacetat, Flunisolid, Fluocinolonacetonid, Fluocinonid, Fluorescein-Natrium, Fluormetolon, Fluorurazil, Fluoxymesteron, Fluphenazin, Flurandrenolid, Flurazpam, Flurbiprofen, Folsäure, Furazolidon, Flunitrazepam, Furosemid, Gemfibrozil, Gentamicin, Gentianviolett, Glutarat, Glutethimid, Glykopyrrolat, Choriongonadotropin, Gramicidin, Griseofulvin, Guaifenesin, Guanabenz, Guanadrelsulfat, Halazon, Haloperidol, Haloprogin, Halothan, Heparin-Kalzium, Hepatitisviren-Vakzine, Hetacillin-Kalium, Hexylresorcinol, Histaminphosphat, Histidin, Homatropin, Histoplasmin, Hydralazinhydrochlorid, Hydrochlorthiazid, Hydrocodonbitartrat, Hydrokortison, Hexobarbital, Hydroflumethiazid, Hydromorphonhydrochlorid, Hydroquinon, Hydroxocobalamin, Hydroxyamphetamin, Hydroxychloroquinsulfat, Hydroxyprogesteroncaproat, Hydroxyurea, Hydroxin-Hydrochlorid, Hydroxin-Pamoat, Hyoscyamin, Hyoscyaminsulfat, Ibuprofen, Ifosfamid, Imipramid, Imipramid-Hydrochlorid, Indapamid, Indomethacin, Insulin, Inulin, Iocetamid, Iodoquinol, Iohexol, Iopamidol, Ipecac, Ipodat-Kalzium, Ipodat-Natrium, Isocarboxacid, Isoetharin-Hydrochlorid, Isofluran, Isoniacid, Isopropamidiodid, Isoproterenolhydrochlorid, Isosorbiddinitrat, Isotretenoin, Isoxsuprinhydrochlorid, Kanamyzinsulfat, Ketoprofen, Ketoconazol, Labetalolhydrochlorid, Lanolin, Leuzin, Leucovorin-Kalzium, Levamisolhydrochlorid, Levocarnithin, Levodopa, Levonorgestrel, Levorphanoltartrat, Levothyroxin-Natrium, Lidocain, Lincomyzinhydrochlorid, Lindan, Liothyronin-Natrium, Liotrix, Lisinopril, Lithiumkarbonat, Loperamidhydrochlorid, Loracarbef, Lonetil, Lorazepam, Lovastatin, Loxapin, Lysin, Mafenidacetat, Magaldrat, Magnesiumkarbonat, Magnesiumchlorid, Magnesiumglukonat, Magnesiumoxid, andere Magnesiumsalze, Malathinon, Mangansalze, Mangan, Maprotilinhydrochlorid, Mazindol, Masernviren-Vakzine, Mebendazol, Mebrofenin, Mecamylamin-Hydrochlorid, Meclizin-Hydrochlorid, Meclocyclin, Meclofenamat-Natrium, Medroxyprogesteronacetat, Mefenaiminsäure, Megestrolacetat, Meglumin, Melphalan, Menadiol-Natriumdiphosphat, Menadion, Menotropin, Meperidin, Mephenytoin, Mephobarbital, Meprednison, Meprobamat, Mercaptopurin, Mesoridazin-Besylat, Mestranol, Metaproterenolsulfat, Metaraminolbitartrat, Methacyclin-Hydrochlorid, Methadonhydrochlorid, Methamphetaminhydrochlorid, Methazolamid, Methdilazin, Methenamin, Methicillin-Natrium, Methimazol, Methionin, Methocarbamol, Methotrexat, Methoxsalen, Methoxyfluran, Methsuximid, Methyclothiazid, Methylbenzethonchlorid, Methyldopa, Methylergonovin-Maleat, Methylphenidathydrochlorid, Methylprednisolon, Methyltestosteron, Methysergid-Maleat, Metoclopramid, Metolazon, Meoprololtartrat, Metronidazol, Metyrapon, Metyrosin, Mexiletinhydrochlorid, Miconazol, Minocyclinhydrochlorid, Minoxidil, Mitomyzin, Mitotan, Molindon-Hydrochlorid, Monobenzon, Morphinsulfat, Mupirozin, Medazepam, Mefrusid, Methandrostenolon, Methylsulfadiazin, Nadolol, Nafcillin, Nafcillin-Natrium, Nalidixinsäure, Nalorphin, Naloxon, Nandrolondecanoat, Nandrolonphenpropionat, Naproxen, Natamyzin, Neomyzin, Neomyzinsulfat, Neostiminbromid, Niazin, Nitrofurantoin, Nifedipin, Nitrazepam, Nitroglyzerin, Nitromerson, Nizatidin, Nonoxynol 9, Norethindron, Norethindronacetat, Norfloxazin, Norgestrel, Nortriptylin-Hydrochlorid, Noscapin, Novobiocin-Natrium, Nystatin, Opium, Oxacillin-Natrium, Oxamniquin, Oxandrolon, Oxazepam, Oxprenololhydrochlorid, Oxtriphyllin, Oxybenzon, Oxybutyninchlorid, Oxycodonhydrochlorid, Oxycodon, Oxymetazolinhydrochlorid, Oxymetholon, Oxymorphon-Hydrochlorid, Oxyphenbutazon, Oxytetrazyklin, Padimat, Pancreatin, Pancrelipase, Papain, Panthenol, Papaverinhydrochlorid, Parachlorphenol, Paramethasonacetat, Paregoric, Paromomyzinsulfat, Penicillamin, Penizillin, Penizillinderivate, Pentaerythritoltetranitrat, Pentazocin, Pentazocinhydrochlorid, Pentazocinsalze, Pentobarbital-Natrium, Perphenazin, Pertussis, Phenacemid, Phenazopyridinhydrochlorid, Phendimetrazintartrat, Phenelzinsulfat, Phenmetrazinhydrochlorid, Phenobarbital, Phenophtalein, Phenoxybenzamin-Hydrochlorid, Phenterminhydrochlorid, Phenylalanin, Phenylbutazon, Phenylephrinhydrochlorid, Phenylpropanolaminhydrochlorid, Physostigmin, Phytonadion, Pilocarpin, Pimozid, Pindolol, Piperazin, Piroxicam-Plicamycin, inaktivierte Poliovirusvakzine, Polycarbophil, Polymycin B-Sulfat, Polythiazid, Kaliumchlorid, Kaliumzitrat, Kaliumglukonat, Kaliumiodid, Kaliumnatriumtartrat, Povidoniodid, Pralidoximchlorid, Pramoxin-Hydrochlorid, Pramezam, Prazepam, Praziquantel, Prazosinhydrochlorid, Prednisolon, Prilocain, Primaquin, Primidon, Probenecid, Probucol, Procainamidhydrochlorid, Procainhydrochlorid, Procarbazin-Hydrochlorid, Prochlorperazin, Prochlorperazinmaleat, Procyclidinhydrochlorid, Progesteron, Prolin, Promazin, Promazinhydrochlorid, Promethazin, Promethazinhydrochlorid, Propafenonhydrochlorid, Propanthelin, Proparacain-Hydrochlorid, Propoxycain-Hydrochlorid, Propoxyphen-Hydrochlorid, Propoxyphen-Napsylat, Propanololhydrochlorid, Propyliodon, Propylthiourazil, Protriptylin-Hydrochlorid, Pseudoephedrinhydrochlorid, Bimsstein, Pyrantelpamoat, Pyrazinamid, Pyrethrumextrakt, Pyridostigminbromid, Pyridoxinhydrochlorid, Pyrilaminmaleat, Pyrimethamin, Pyroxylin, Pyrviniumpamoat, Phenazetin, Phenytoin, Prednison, Chinidinglukonat, Chinidinsulfat, Tollwutvakzine, Racepinephrin-Ranitidin, Rauwolfia serpentina, Resorcinol, Ribavirin, Riboflavin, Rifampin, Ritodrin, Rubellavirus-Vakzine, Saccharin, Saccharin-Natrium, Salizylamid, Salizylsäure, Salsalata, Scopolamin, Secobarbital-Natrium, Selensäure, Selensulfat, Sennaserin, Simethicon, Natriumaskorbat, Natriumbikarbonat, Natriumfluorid, Natriumglukonat, Natriumiodid, Natriumlaktat, Natriumnitrit, Natriumnitroprussid, Natriumsalizylat, Spironolakton, Stannozolol, Streptomyzin, Sucralfat, Sulfacetamid, Sulfadiazin, Reserpin, Sulfadioxin, Sulfamerazin, Sulfamethazin, Sulfamethizol, Sulfamethoxazol, Sulfamethoxydiazin, Sulfapyridin, Sulfasalazin, Sulfaperin, Sulfathiazol, Sulfisoxazol, Sulfinpyrazon, Sulindac, Suprofen, Stilain, Tamoxifencitrat, Temazepam, Terbutalinsulfat, Terfenadin, Terpin, Testolakton, Testosteron, Tolazamid, Tolbutamid, Tetracain, Tetrazyklin, Tetrahydrozyklin, Theophyllin, Thiabendazol, Thiaminhydrochlorid, Thiamin, Thiamylal, Thiethylperazin-Thimerosal, Thioguanin, Thioridazinhydrochlorid, Thistrepton, Thiotepa, Thiothixen, Threonin, Thyreoidea, Ticarcillin, Timolol, Tioconazol, Titandioxid, Tolazamid, Tolbutamid, Tolmetin, Tolnaftat, Trazodonhydrochlorid, Tretinoin, Triazetin, Triamzinolon, Triamteren, Triazolam, Trichorfon, Trichlormethiazid, Trientin-Hydrochlorid, Trifluoperazin-Hydrochlorid, Triflupromazin, Trihexyphenidylhydrochlorid, Trimeprazintartrat, Trimethadion, Trimethobenzamid-Hydrochlorid, Trimethoprim, Trioxsalen, Tripelennamin, Triprolidin, Trisulfapyrimidin, Tropicamid, Trypsin, Tryptophan, Tuberkulin, Tyloxapol, Tyropanoat-Natrium, Tyrosin, Tyrothricin, Thyrothricin-Bethamethason, Thiosäure, Sotalol, Salbutamol, Norfenefrin, Silymarin, Dihydroergotamin, Buflomedil, Etofibrat, Indometazin, Harnstoff, Valin, Valproinsäure, Vancomycinhydrochlorid, Vasopressin, Verapramil, Vidarabin, Vinblastin, Vinkristin, Vitamine, Warfarin, Gelbfieber-Vakzine, Zinkazetat, Zinkkarbonat, Zinkchlorid, Zinkglukonat, Betaacetyldigoxin, Piroxicam, Haloperidol, ISMN, Amitriptylin, Diclofenac, Nifedipin, Verapamil, Pyritinol, Nitrendipin, Doxyzyklin, Bromhexin, Methylprednisolon, Clonidin, Fenofibrat, Allopurinol, Pirenyepin, Levothyroxin, Tamoxifen, Metildigoxin, O-(Beta-Hydroxyethyl)-rutosid, Propicillin, Aciclovir-Mononitrat, Paracetamol, Naftidrofuryl, Pentoxifyllin, Propafenon, Acebutolol, L-Thyroxin, Tramadol, Bromocriptin, Loperamid, Ketotifen, Fenoterol, Cadobelisat, Propanolol, Enalaprilhydrogenmaleat, Bezafibrat, ISDN, Gallopamil, Xantinolnicotinat, Digitoxin, Flunitrazepam, Bencyclan, Dexapanthenol, Pindolol, Lorazepam, Diltiazem, Piracetam, Phenoxymethylpenizillin, Furosemid, Bromazepam, Flunarizin, Erythromycin, Metoclopramid, Acemetacin, Ranitidin, Biperiden, Metamizol, Doxepin, Dikaliumchlorazepat, Tetrazepam, Estramustinphosphat, Terbutalin, Captopril, Maprotilin, Prazosin, Atenolol, Glibenclamid, Cefaclor, Etilfrin, Cimetidin, Theophyllin, Hydromorphon, Ibuprofen, Primidon, Clobazam, Oxaceprol, Medroxyprogesteron, Flecainid, Pyridoxal-5-Phosphat-Glutaminat, Hymechromon, Etofyllinclofibrat, Vincamin, Cinnarizin, Diazepam, Ketoprofen, Flupentixol, Molsimin, Glibornurid, Dimetinden, Melperon, Soquinolol, Dihydrokodein, Clomethiazol, Clemastin, Glisoxepid, Kallidinogenase, Oxyfedrin, Baclofen, Carboxymethylcystein, Thioridazin, Betahistin, L-Tryptophan, Murtol, Bromelain, Prenylamin, Salazosulfapyridin, Astemizol, Sulpirid, Benzerazid, Dibenzepin, Azetylsalizylsäure, Miconazol, Nystatin, Ketoconazol, Natriumpicosulfat, Coltyramin, Gemfibrozil, Rifampizin, Fluocortolon, Mexiletin, Amoxicillin, Terfenadrin, Mucopolysaccharid-Polysulfat, Triazolam, Mianserin, Tiaprofensäure, Ameziniummetilsulfat, Mefloquin, Probucol, Chinidin, Carbamazepin, L-Aspartat, Penbutolol, Piretanid, Aescin-Amitriptylin, Cyproteron, Natriumvalproinat, Mebeverin, Bisacodyl, 5-Aminosalizylsäure, Dihydralazin, Magaldrat, Phenprocoumon, Amantadin, Naproxen, Carteolol, Famotidin, Methyldopa, Auranofin, Estriol, Nadolol, Levomepromazin, Doxorubicin, Medofenoxat, Azathioprin, Flutamid, Norfloxacin, Fendilin, Prajmaliumbitartrat, Lipidderivate von Phosphonatiden, amphiphilische Polymere, Adenosinderivate, sulfatierte Tannine, monoklonale Antikörper und Metallkomplexe von wasserlöslichem Texathyrin.
Die Menge des Wirkstoffes oder Einkapselungsbestandteils, die in die erfindungsgemäßen Produkte eingearbeitet wird, kann so sein, dass sie eine wirksame Menge bereitstellt oder verabreicht, zum Beispiel eine pharmazeutisch wirksame Menge oder eine nutrazeutisch wirksame Menge des Wirkstoffes an seinem beabsichtigten Ort, beispielsweise dem Dünndarm. Beispielhafte Mengen des Wirkstoffes oder Einkapselungsbestandteils, der in die Matrix eingekapselt oder eingebettet werden kann, können von etwa 1 Gewichts-% bis etwa 85 Gewichts-% reichen, vorzugsweise von etwa 3 Gewichts-% bis etwa 50 Gewichts-%, jeweils basierend auf dem Gewicht des Matrixbestandteils, beispielsweise Stärke.
Zu den einen Film aufbauenden oder filmbildenden Stoffen, die zum Überziehen der Einkapselungsbestandteile vor ihrer Einarbeitung in die Matrix verwendet werden können, gehören häufig verwendete Überzugmaterialien wie Zein, Pektin, Schellack, Gelatine, Fette, Öle, Wachse, Emulgatoren, natürliche oder modifizierte Stärke, Chitosan, Chitin und Mischungen von ihnen. Der einen Film aufbauende oder filmbildende Stoff kann auch zum Überziehen des extrudierten, in Partikelform vorliegenden Produkts verwendet werden. Eine Vorbehandlung des Einkapselungsbestandteils durch Überziehen mit einem filmbildenden Stoff wie einem Fett oder Wachs mit hohem Schmelzpunkt oder mit einem Emulgator wie Glyzerinmonostearat oder dergleichen neigt dazu, eine unerwünschte Interaktion zwischen einem Einkapselungsbestandteil und der Matrix zu verhindern. Die Einkapselungsbestandteile und die Extrudatpartikel können mit filmbildenden Mengen der Stoffe in wässrigen oder alkoholischen Lösungen oder öligen Zusammensetzungen überzogen werden.
Die filmbildenden Stoffe oder Überzüge können auch zusätzliche Bestandteile enthalten, welche die Partikel oder Pellets oder den Einkapselungsbestandteil vor Lichteinfluss schützen, beispielsweise Titandioxid oder Produkte auf Kakaobasis. Die Überzüge können auch Antioxidantien zum Schutz der Pellets oder Einkapselungsbestandteile vor dem Einfluss von Sauerstoff oder Luft enthalten.
In Übereinstimmung mit erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Dicke des Überzugs auf dem Einkapselungsbestandteil dazu genutzt werden, die Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils zu kontrollieren, sobald das auflösende Medium, beispielsweise Wasser, den Einkapselungsbestandteil erreicht. Zum Beispiel verlangsamt sich durch Erhöhung der Dicke des Überzugs auf dem Einkapselungsbestandteil die Menge seiner Freigabe in das Medium. Ebenso wird durch Erhöhen der Dicke des Überzugs auf dem Extrudat oder Pellet die Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus dem Matrixmaterial verzögert.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden das Matrixmaterial oder das plastifizierbare Material und der Weichmacher gemischt und erwärmt, um das Matrixmaterial unter Mischbedingungen mit geringen Scherkräften zu plastifizieren und zu schmelzen, ohne das Matrixmaterial wesentlich zu zerstören oder zu zersetzen. In bevorzugten Ausführungsformen können das Matrixmaterial und der Weichmacher am oberen Ende eines Extruders zugegeben werden, gemischt und über die Schmelztemperatur des plastifizierbaren Materials oder über die Gelatinierungstemperatur von Stärke hinaus erwärmt werden, während diese Bestandteile innerhalb des Extruders gemischt und weiterbefördert werden. In Ausführungsformen, bei denen Stärke als Matrixmaterial verwendet wird, wird die Stärke zumindest teilweise gelatiniert, ohne dass dabei die Struktur der Stärke zerstört wird und ohne dass eine wesentliche Umwandlung der Stärke in Dextrin erfolgt. Der Grad der Gelatinierung kann zum Beispiel mindestens etwa 75% betragen, z.B. mindestens etwa 90%, oder sie kann praktisch vollständig gelatinieren. Um mindestens eine wesentliche Gelatinierung der Stärke zu erzielen, können in erfindungsgemäßen Ausführungsformen das Mischen der Stärke und des Weichmachers (vorzugsweise Wasser) auf einer Temperatur der Mischung von mindestens 100°C gehalten werden, vorzugsweise von etwa 120°C bis etwa 150°C, zum Beispiel von etwa 125°C bis etwa 140 C, und zwar für einen Zeitraum von mindestens etwa 3 l/d, vorzugsweise etwa 5 bis 7 l/d der Extruderlänge. Zum Beispiel kann es bei Stärken mit einem Amylosegehalt von mehr als 25%, zum Beispiel von etwa 50% bis etwa 70%, erforderlich sein, eine Produkttemperatur innerhalb des Extruders von etwa 125°C für eine ausreichende Zeitdauer zu halten, zum Beispiel für etwa 4 l/d, vorzugsweise etwa 7 bis 8 l/d der Extruderlänge bei einer niedrigen Schneckendrehzahl von etwa 150 bis etwa 200 UpM, wobei Schneckenelemente mit mittlerer Steigung eingesetzt werden, um eine zumindest wesentliche Gelatinierung der Stärke sicherzustellen.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der innerhalb des Kochabschnitts oder des Gelatinierungsabschnitts oder der Plastifizierungszone erreichte Druck zwischen etwa 5 bis 100 bar liegen, vorzugsweise zwischen etwa 10 und 35 bar.
Ein quantitatives Gesamtmaß für die innerhalb des Extruders während des Kochvorgangs eingesetzten Scherkräfte ist die Zufuhr von spezifischer mechanischer Energie. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die spezifische Zufuhr an mechanischer Energie während des Kochens unter etwa 150 Wh/kg liegen, vorzugsweise unter etwa 100 Wh/kg, am bevorzugtesten unter etwa 50 Wh/kg.
In Ausführungsformen, bei denen Hartweizen als Matrixmaterial verwendet wird, ist das Erwärmen des Gemischs aus Hartweizen und Wasser zum Kochen oder Gelatinieren des Hartweizens möglicherweise dort nicht notwendig, wo ein ungekochtes teigartiges Produkt gewünscht wird.
Das mindestens eine zusätzliche Ingrediens oder der zusätzliche Bestandteil, beispielsweise der hydrophobe Bestandteil oder der Bestandteil mit hoher Wasserbindefähigkeit zur Kontrolle der Freigabeeigenschaften des Endprodukts, kann mit dem Matrixmaterial wie Stärke trocken gemischt oder vorgemischt werden. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der zusätzliche Bestandteil zur Kontrolle der Freigabeeigenschaften während des Erwärmens in einer Erwärmungs- oder Gelatinierungszone zugegeben werden. Die Zugabe des mindestens einen die Freigabe kontrollierenden Bestandteils vor einer wesentlichen Wasserverdampfung oder Abkühlung kann auch die gleichmäßige Verteilung des Bestandteils überall in der Matrix zumindest wesentlich erleichtern.
Die plastifizierte Masse kann während der Erwärmung oder der Gelatinierung einer Feuchtigkeitsverringerung unterhalb der Zuführung der die Freigabe kontrollierenden Bestandteile unterzogen werden. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der Wassergehalt wesentlich verringert werden, um so das Formen zu erleichtern und das optionale Schneiden zu ermöglichen, ohne dass das Material am Schneidwerkzeug klebt. Zum Beispiel kann der Wassergehalt um mindestens 10% verringert werden, zum Beispiel um etwa 25% bis etwa 50%. Zum Beispiel kann der Feuchtigkeitsgehalt einer plastifizierten Stärkematrix, die einen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 43 Gewichts-% hat, auf etwa 30 Gewichts-% verringert werden. In anderen Ausführungsformen kann der Feuchtigkeitsgehalt einer gelatinierten Stärkezusammensetzung von etwa 30 Gewichts-% auf etwa 18% Gewichts-% verringert werden.
Das Entfernen des Wassers kann erreicht werden, indem man die zumindest teilweise plastifizierte oder gelatinierte Mischung einen Extrudergefäßabschnitt durchlaufen lässt, der zur Atmosphäre hin offen ist. In anderen Ausführungsformen kann die Feuchtigkeit entfernt werden, indem der Druck über dem Material verringert wird, während es sich unterhalb eines offenen Extruderabschnitts oder eines Extrudergefäßes bewegt, der mit einer externen Vakuumpumpe verbunden ist. Es ist auch möglich, eine Vielzahl in Reihe angeordneter offener Extrudergefäßabschnitte zu verwenden. Die Vielzahl von offenen Gefäßabschnitten kann zur Atmosphäre hin offen oder mit einer oder mehreren Vakuumpumpen verbunden sein, oder Kombinationen davon können zum Einsatz kommen. In anderen Ausführungsformen kann das Material von einem ersten Kochextruder in eine unterhalb von ihm oder nach ihm angeordnete Misch- und Formvorrichtung wie einen Extruder überführt werden. Während der Überführung kann dem Material die Möglichkeit gegeben werden, einen Temperatur- oder Feuchtigkeitsabfall zu durchlaufen, indem es der Atmosphäre oder einer Vakuumhaube ausgesetzt wird.
Nach dem Erwärmen und der Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts kann die plastifizierte oder gelatinierte Masse einer Abkühlung unterzogen werden, um die Temperatur der Masse für die nachfolgende Zugabe des Wirkstoffs oder Einkapselungsbestandteils wesentlich zu verringern. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Temperatur des Matrixmaterials wesentlich verringert, um eine wesentliche Zerstörung des Einkapselungsbestandteils zu vermeiden. Die Temperatur des Matrixmaterials kann zum Beispiel um mindestens 5°C verringert werden, im Allgemeinen um mindestens 25°C, vorzugsweise um mindestens 60°C. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Temperatur des Matrixmaterials auf deutlich unter 100°C abgekühlt werden, zum Beispiel auf eine Temperatur zwischen etwa 25°C und 95°C in einem oder mehreren Extrudergefäßen. Das Material kann durch die Gefäßwände von einem oder mehreren Extrudergefäßen transportiert und diesen Wänden ausgesetzt werden, wobei die Extrudergefäße mit Wasser oder geeigneten anderen Kühlflüssigkeiten wie beispielsweise Glykol gekühlt werden. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann das Matrixmaterial durch die direkte Einleitung von Gasen wie Kohlendioxid oder Stickstoff gekühlt oder abgeschreckt werden, die die Temperatur des Matrixmaterials durch direkten Kontakt absenken. Das Matrixmaterial kann nach der Feuchtigkeitsverringerung und der Temperaturabsenkung zu einem nachfolgenden Extrudergefäßabschnitt für die Zugabe eines oder mehrerer Wirkstoffe gefördert werden.
Nach dem Abkühlen der Matrix auf eine Temperatur, die tief genug ist, um eine wesentliche Zerstörung und/oder Verflüchtigung des Wirkstoffs oder des Einkapselungsbestandteils durch Wärme zu vermeiden, kann der Einkapselungsbestandteil in einen unterhalb angeordneten Gefäßabschnitt des Extruders zugegeben werden. Der zugegebene Wirkstoff oder Einkapselungsbestandteil kann als Feststoff oder Flüssigkeit hinzugefügt werden. Für die Zuführung des Wirkstoffs zu einem Extruder kann zum Beispiel für die Zuführung von Feststoffen eine Zugabevorrichtung verwendet werden, die allgemein als Seitenzuführung ("Sidefeeder") bekannt ist. Andere herkömmliche Zuführvorrichtungen für Feststoffe, wie beispielsweise eine volumetrische oder gravimetrische Dosiervorrichtung, können ebenfalls verwendet werden. Zum Einspritzen flüssiger Wirkstoffe oder Lösungen, Dispersionen, Emulsionen oder Suspensionen können Flüssigkeitseinspritzdüsen verwendet werden. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können eine Seitenzuführung und Flüssigkeitseinspritzdüsen verwendet werden. Wenn eine Einspritzdüse verwendet wird, sollte der Druck zum Einspritzen des flüssigen Einkapselungsbestandteils ausreichend höher als der Druck im Extruder sein, damit der Einkapselungsbestandteil in das Extrudergefäß eingespritzt werden kann. Wenn zum Beispiel der Druck der plastifizierten Masse im Inneren des Extruders 10 bar beträgt, kann der Einspritzdruck etwa 2 bis etwa 5 bar höher sein, d.h., 12 bis 15 bar.
In Ausführungsformen, bei denen der Einkapselungsbestandteil vorab mit einem filmbildenden Material oder Überzugmaterial versehen wird, kann das Überzugsmaterial in herkömmlicher Weise aufgetragen werden, beispielsweise durch Aufsprühen oder Beschichten unter Einsatz herkömmlicher Beschichtungseinrichtungen. Es können auch im Handel erhältliche, vorab mit einem Überzug versehene Wirkstoffe verwendet werden, zum Beispiel vorbeschichtete Mineralstoffe oder Vitamine.
Der Einkapselungsbestandteil, der selbst wahlweise mit einem Überzug versehen werden kann, wird mit dem Matrixmaterial gemischt, ohne dass der Einkapselungsbestandteil oder der vorbeschichtete Einkapselungsbestandteil wesentlich zerstört wird. Das Mischen kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die wesentlich niedriger ist als die Zersetzungstemperatur des Einkapselungsbestandteils und einer optionalen Vorbeschichtung. Zum Beispiel kann das Mischen des Einkapselungsbestandteils mit dem Matrixmaterial bei einer deutlich unter 100°C liegenden Temperatur durchgeführt werden, vorzugsweise bei einer Temperatur unter etwa 60°C und am bevorzugtesten unter etwa 40 C.
Das Mischen der zugegebenen Wirkstoffe oder Einkapselungsbestandteile im Inneren des Extruders kann durch den Einsatz einer geeigneten Extrusionsschneckenkonfiguration erreicht werden, mit der eine Mischung unter Bedingungen mit geringen. Scherkräften erzielt wird. Zum Beispiel kann eine Kombination von abwechselnden Förderelementen mit kleiner Steigung mit verteilenden Mischelementen eingesetzt werden, die jeweils im Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, um einen axial ausgerichteten Abfluss im Inneren des Extrudergefäßes zu bewirken. Die Kombination aus abwechselnden Förderelementen mit verteilenden Mischelementen bewirkt, dass der Materialfluss kontinuierlich unterbrochen wird, ohne Scherkräfte auf die Masse auszuüben, was zur Folge hat, dass das Material mit einer geringen Zufuhr von mechanischer Energie gemischt wird.
In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können andere Extruderschneckenkonfigurationen eingesetzt werden, die ein verteilendes Mischen mit geringen Scherkräften ermöglichen, beispielsweise Schneckenelemente des Typs ZME, TME, SME und sogenannte IGEL-Elemente, die im Handel von Werner und Pfleiderer erhältlich sind.
Die Gesamtlänge des verteilenden Mischabschnitts kann etwa 3 bis 12 l/d betragen, vorzugsweise etwa 4 bis 6 l/d, um die hinzugefügten Wirkstoffe in der Matrix ausreichend zu mischen und zu verteilen sowie einzubetten oder einzukapseln.
Die zumindest im Wesentlichen homogene Mischung des Matrixmaterials und des hinzugefügten Wirkstoffs oder Einkapselungsbestandteils wird anschließend zu einer Extrudermundstücksplatte gefördert. Das Fördern kann durch den Einsatz von Extruderschnecken-Förderelementen mit geringer Steigung erreicht werden, die vor dem Extrudieren der Mischung einen ausreichenden Druck aufbauen, damit diese durch die Öffnungen in der Mundstücksplatte gepresst werden kann. Eine weitere Funktion der Elemente mit geringer Steigung besteht darin, dass sie den Füllgrad innerhalb des letzten Extrudergefäßabschnitts erhöhen. Der höhere Füllgrad ermöglicht die Steuerung des Temperaturprofils der Mischung im Inneren des Extrudergefäßes, um eine optimale Viskositätseinstellung und Extrusion durch die nachfolgenden Öffnungen zu erreichen.
Die Mischung kann durch Extrusionsmundstücke extrudiert werden, die Öffnungsdurchmesser von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm haben, vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwa 1 mm. Der Durchmesser des Extrudatstrangs und des Produkts kann größer sein als der Durchmesser der Mundstücksöffnungen, da die sich Zusammensetzung beim Austreten aus dem Mundstück verformen oder aufquellen kann. Die Erhöhung des Durchmessers beim Austreten aus dem Mundstück kann ohne wesentliche Entwicklung einer ausgedehnten, aufgeblasenen, schaumigen oder zellularen Struktur auftreten. Der extrudierte Strang kann einen Querschnittsdurchmesser von etwa 0,5 mm bis etwa 7 mm haben, vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, am bevorzugtesten von etwa 1 mm bis etwa 3 mm.
Der Extrudatstrang kann an der Vorderseite des Mundstücks mit Hilfe eines rotierenden Schneidwerkzeugs, Pelletierers oder rotierender Messer abgeschnitten werden. In anderen Ausführungsformen kann der Extrudatstrang von dem Mundstück unter Einsatz herkömmlicher Schneid- oder Formvorrichtungen zur Herstellung von Pellets oder Tabletten abgeschnitten werden. Die geschnittenen Teile, Pellets oder Tabletten können ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser (l/d-Verhältnis) von etwa 0,5 bis 10 und vorzugsweise von etwa 1 haben.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Partikelgröße verändert werden, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Pellets oder Teile zu steuern, um so eine gewünschte kontrollierte Freigabe des Einkapselungsbestandteils zu erzielen. Die Partikelgröße kann zum Beispiel durch die Verwendung unterschiedlicher Durchmesser für die Öffnungen des Extrusionsmundstücks verändert werden. Die Partikelgröße kann auch durch den Einsatz eines Schneidwerkzeugs mit regelbarer Geschwindigkeit verändert werden, entweder an der Mundstücksplatte am Ende des Extruders oder entfernt vom Extruder, nachdem die Stränge über eine kurze Strecke befördert wurden. Durch Verändern der Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs kann die Größe der geschnittenen Teile für einen gegebenen Extruderdurchsatz verändert werden. Der Einsatz eines regelbaren Schneidwerkzeugs, der in einer kurzen Entfernung von der Mundstücksplatte angeordnet ist, zum Beispiel zwischen etwa 0,5 Meter und etwa 5 Meter, ermöglicht eine weitere Oberflächenabkühlung, eine weitere Oberflächentrocknung und verringert die Klebrigkeit, wodurch die Stränge besser in Pellets geschnitten werden können.
Bei der Herstellung von Produkten für den Verzehr durch Menschen oder Tiere ist die Veränderung der Partikelgröße zur Steuerung des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses der Pellets entscheidend für die Erzielung einer kontrollierten Freigabe des Einkapselungsbestandteils, während die Pellets oder Partikel den Weg durch den Mund, den Magen und den Darm durchlaufen. Die Veränderung der Partikelgröße ist auch entscheidend für die Kontrolle der Verweilzeit der Pellets im Magen. Zum Beispiel durchlaufen Partikel, die kleiner als 1 mm sind, den Magen oder den Darm schneller, als dies Partikel tun würden, die zum Beispiel größer als 2,5 mm sind.
Nach dem Schneiden können die entstandenen Stücke oder Pellets auf einen ausreichend niedrigen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden, der eine ausreichend lange Lagerstabilität oder Haltbarkeitsdauer sicherstellt. Zum Beispiel können die Pellets so getrocknet werden, dass eine Lagerstabilität oder Haltbarkeit von mindestens etwa neun Monaten erreicht wird, vorzugsweise von mindestens etwa achtzehn Monaten, am bevorzugtesten von mindestens etwa sechsunddreißig Monaten. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Trocknung mit Hilfe herkömmlicher Trockenvorrichtungen unter Anwendung von Trocknungstemperaturen durchgeführt werden, die keine negativen Auswirkungen auf die Wärmestabilität der Einkapselungsbestandteile haben. Beispielhafte Trocknungstemperaturen können von etwa 10°C bis etwa 90°C reichen, vorzugsweise von etwa 20°C bis etwa 60°C. Die Trocknung kann so durchgeführt werden, dass ein Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa 30 Gewichts-% erzielt wird, vorzugsweise von weniger als 12 Gewichts-%, zum Beispiel von etwa 6 Gewichts-% bis etwa 9 Gewichts-%. In Ausführungsformen, in denen keine Stärke oder im Wesentlichen keine Stärke als Matrixmaterial verwendet wird, kann der Feuchtigkeitsgehalt geringer als etwa 6 Gewichts-% sein.
In Ausführungsformen, bei denen filmbildende Stoffe oder Überzüge auf die Partikel oder Pellets aufgetragen werden, können herkömmliche Sprühdüsen in der Nähe des Mundstücks angeordnet sein oder zum Aufsprühen einer wässrigen oder alkoholischen Lösung der filmbildenden Stoffe auf die geschnittenen Teile, wenn sie vom Extrudermundstück nach unten fallen. In anderen Ausführungsformen können die filmbildenden Stoffe nach dem Trocknen der Pellets aufgetragen werden. Zum Beispiel können die filmbildenden Stoffe unter Einsatz von Sprühdüsen aufgetragen werden, die konventionell als Wirbelschicht-Beschichtungsvorrichtung bezeichnet werden, oder anderer herkömmlicher Beschichtungsvorrichtungen und -verfahren. Wenn der Auftrag der filmbildenden Stoffe den Feuchtigkeitsgehalt über einen im Hinblick auf die Haltbarkeit annehmbaren Wert erhöht, können das Wasser oder andere flüchtige Stoffe durch eine zusätzliche Trocknung von der Oberfläche entfernt werden.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können die extrudierten Teile oder Pellets in herkömmlichen Tablettenpressen verdichtet werden, um verdichtete Varianten der extrudierten Pellets zu erhalten.
In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Mischung durch ein Folienmundstück in Form einer Folie extrudiert werden. Die extrudierte Folie kann anschließend in einzelne Stücke wie beispielsweise Tabletten oder Scheiben geschnitten oder geformt werden, wofür ein rotierendes Mundstück oder rotierende Messer oder ein Pendelhub-Schneidwerkzeug oder gegenläufige Trommeln verwendet werden können, die konventionell als Agglomerationstrommeln oder Tablettiertrommeln bekannt sind.
Die erfindungsgemäßen Produkte umfassen einzelne Partikel, die kugelförmig, linsenförmig oder flache Scheiben mit Durchmessern von etwa 0,5 mm bis etwa 7 mm sein können, vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, am bevorzugtesten von etwa 1 mm bis etwa 3 mm, wobei alle wahlweise aufzutragenden äußeren filmbildenden Stoffe oder Überzüge nicht berücksichtigt sind. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können die erfindungsgemäßen Partikel die Form von Tabletten mit Durchmessern von bis zu etwa 10 mm haben. Das Länge/Durchmesser-Verhältnis (l/d) der Partikel kann von etwa 0,1 bis etwa 10 reichen, zum Beispiel etwa 0,5 bis etwa 2, vorzugsweise etwa 1. Die Partikel sind im Allgemeinen von einheitlicher Größe, dicht und körnig, um die Genießbarkeit für Menschen und Tiere in einer im Wesentlichen kompakten Form zu erhöhen, die ein leichtes Schlucken ohne zu kauen ermöglicht. Sie sind nicht ausgedehnt und weisen eine nicht aufgeblasene, im Wesentlichen nicht-zellige dichte Struktur auf. Der Stärkebestandteil der Matrix ist zumindest teilweise gelatiniert und in seiner Struktur nicht wesentlich zerstört oder in Dextrin umgewandelt. Beispielhafte spezifische Dichten der erfindungsgemäßen Produkte liegen zwischen etwa 800 g/l und etwa 1500 g/l (etwa 0,8 bis etwa 1,5 g/cm³).
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz eines Extruders. Eine Vormischung, die mindestens eine Stärke und einen zusätzlichen Bestandteil enthält, wird am oberen Ende des Extruders zugeführt. Wasser wird im selben oder in einem der nächsten unmittelbar folgenden Gefäßabschnitte des Extruders hinzugefügt. Gleichläufige ineinandergreifende Doppelschneckenextruder wie jene, die von Bühler (Schweiz), Clextral (Frankreich), Werner und Pfleiderer (Deutschland), APV (England) oder Wenger (USA) erhältlich sind, oder ein Ko-Kneter, wie er von Buss (Schweiz) erhältlich ist, werden bevorzugt, da sie im Vergleich zu anderen Einschneckenextrudern eine hervorragende Mischwirkung bieten. Die vorgemischten Matrixmaterialien, der Weichmacher wie Wasser, zusätzliche Bestandteile oder das Matrixmaterial werden im Extruder gemischt und erhitzt, sodass die Stärke zumindest teilweise gelatiniert. Wie in 1 gezeigt, können die zusätzlichen Bestandteile zur Kontrolle der Freigabeeigenschaften in den Extruder zugeführt und mit dem Matrixmaterial gemischt werden, und zwar vor und/oder nach dem Erwärmen und der Plastifizierung der Stärke. Die gesamte Mischung kann unter Einsatz geeigneter Schneckenelemente, die in geeigneter Weise angeordnet sind, plastifiziert und unter Druck gesetzt werden.
Nach dem Unter-Druck-Setzen und Schmelzen kann die Masse einem niedrigeren Druck ausgesetzt werden, und zumindest ein Teil der Feuchtigkeit kann aus dem Matrixmaterial entfernt werden. Wie in 1 dargestellt, kann die Masse in einem darauffolgenden Schritt in einem oder mehreren nachfolgenden Extrudergefäßen abgekühlt werden. Nach dem Abkühlen der Masse kann das wahlweise beschichtete Einkapselungsmaterial bei einer niedrigen Temperatur, d.h., Raumtemperatur, zugegeben werden, damit die Zerstörung des Einkapselungsbestandteils durch Wärme verhindert wird. Der zugegebene Einkapselungsbestandteil kann mit niedrigen Scherkräften und bei niedriger Temperatur mit dem abgekühlten, plastifizierten Matrixmaterial gemischt werden. Die endgültige plastifizierte Masse kann gemischt, gefördert und durch das Extrudermundstück gepresst werden. Die Masse kann in Formen geformt werden, die als kontinuierliche Stränge aus dem Extruder austreten. Die Stränge können mit Flüssigkeiten besprüht werden, die einen zusätzlichen Überzug liefern oder das Schneiden erleichtern, um die einzelnen Stücke voneinander zu trennen. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es möglich, den Formschritt unter Einsatz eines Einschneckenextruders auszuführen.
Wie in 1 gezeigt, kann das Produkt nach dem Schneiden unter Einsatz einer herkömmlichen Wirbelschicht- oder anderer konventioneller Trocknungsvorrichtungen getrocknet werden. Das Produkt kann wahlweise nach dem Trocknen unter Einsatz herkömmlicher Beschichtungsvorrichtungen wie Beschichtungswannen, Beschichtungstrommeln oder Sprühvorrichtungen beschichtet werden.
2 zeigt schematisch eine Übersicht über ein erfindungsgemäßes Extrusionsverfahren, eine exemplarische Extrudergefäßkonfiguration und Schneckenkonfiguration. Exemplarische Gefäßtemperaturen oder Temperaturprofile und Feuchtigkeitsgehalte entlang der Länge des Extruders sind ebenfalls in 2 dargestellt. Eine Vormischung aus Stärken oder einem anderen plastifizierbaren Material wie beispielsweise PVP oder anderen Matrixmaterialien mit mindestens einem weiteren anderen Bestandteil können vor ihrer Zuführung in den Extruder zubereitet und gelagert oder konditioniert werden. Die trockene Mischung wird entweder mit einem gravimetrischen oder volumetrischen Verfahren in den Einlaufabschnitt des Extruders in Gefäß 1 zugeführt. Die Temperaturen in diesem Gefäßabschnitt liegen normalerweise etwa bei Raumtemperatur und können zwischen etwa 0°C bis etwa 85°C schwanken. Höhere Temperaturen führen oft dazu, dass Dampf aus der Einlauföffnung austritt. Das Gefäß (1) kann mit Wasser gekühlt werden, um eine Temperatur zwischen etwa 10°C und 50°C zu halten. Schneckenelemente mit großer Steigung befördern die trockene Mischung in Gefäß 2. Elemente mit geringerer Steigung als in Gefäß 1 erhöhen den Füllgrad in Gefäß 2. Versetzte Elemente, deren Steigung nach vorn gerichtet ist, und kleine Scheibenknetblöcke bewirken ein verteilendes Mischen der zugegebenen Flüssigkeit, die in den Gefäßen 1 und 2 zu der trockenen Mischung hinzugefügt werden kann. Gleichzeitig können den Temperaturen von Gefäß 2 und 3 auf etwa 60 bis etwa 150°C erhöht werden, um die nasse Mischung zu erhitzen, die mit Schneckenelementen mit mittlerer Steigung in Gefäß 4 befördert wird. Die Gefäßtemperatur in den Gefäßen 4 und 5 kann zwischen etwa 110°C und 180°C, vorzugsweise zwischen etwa 120°C und 160°C liegen. Die Temperatur der Mischung erhöht sich mit einer Geschwindigkeit, die hauptsächlich durch die Kontaktzeit des Materials und des Gefäßes und den Austausch des Materials durch die Schnecken beeinflusst wird. Die Kontaktzeit ist eine Funktion der Drehzahl (UpM) und des Durchsatzes, die den Füllgrad bestimmen. Der Materialaustausch wird von der Schneckenkonfiguration beeinflusst.
In Gefäß 4 wechseln die Mischelemente mit Förderelementen mit mittlerer Steigung ab und sorgen für einen ausreichenden Materialaustausch und einen hohen Füllgrad. Die in einem Winkel von 90 Grad gegeneinander versetzte Anordnung von Knetscheiben ermöglicht höhere Abflussmengen und verhindert hohe Scherkräfte. Solange die Energieableitung in das Material gering ist, was bei einer relativ niedrigen Viskosität des Materials der Fall ist, die sich aus relativ hohen Feuchtigkeitsgehalten ergibt, wird die Masse über die Gefäßwände erwärmt, und ihre Temperatur ist normalerweise einige Grad niedriger als die tatsächliche Gefäßtemperatur. Die Masse bildet einen Teig, der eine Temperatur haben kann, die um etwa 5°C bis 30°C unter der Gefäßtemperatur liegt, in diesem Fall 90°C bis 155°C. Mit einer Extruderanordnung wie der in 2 beschriebenen findet die Gelatinierung der Stärke innerhalb der ersten 4 Gefäßabschnitte statt. Eine wahlweise Dampfeinleitung kann in diesem Gelatinierungs- oder Erwärmungsabschnitt angewendet werden, um die Zufuhr von Wärmeenergie zu erhöhen und die Zufuhr mechanischer Energie weiter abzusenken.
Vor der Entlüftungsöffnung in Gefäß 5 erhöht ein Knetscheibenelement den Füllgrad und erhöht den Druck der Masse in Gefäß 4. Dieser Druck wird benötigt, um den Kochvorgang der Stärke weiter zu erhöhen. Wenn die Stärke einen hohen Amylosegehalt hat, können unter diesem Druck, der zwischen etwa 5 und 30 bar, zum Beispiel bei 10 bar, liegen kann, Temperaturen von etwa 120°C erreicht werden. Nach diesem Element folgen Förderelemente mit hoher Steigung, die den Füllgrad durch ihre Funktion einer höheren Förderkapazität verringern. Ein offener Gefäßabschnitt 5, der wahlweise mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, ermöglicht es, den Druck wesentlich abzusenken, zum Beispiel von etwa 10 bar auf ungefähr weniger als 1 bar. Dieser Druckabfall führt zum Verdampfen von Wasser und dem daraus folgenden Feuchtigkeitsverlust der gekochten Masse. Die Menge der in die Atmosphäre oder in das Vakuum verdampften Feuchtigkeit hängt zusätzlich von der Temperatur des Produkts und der Verweilzeit des Produkts in diesem offenen Gefäßabschnitt 5 ab. Die Verweilzeit wird von der Drehzahl (UpM) der Schnecke, der Steigung der Schneckenelemente und der verfügbaren offenen Fläche für die Wasserverdampfung beeinflusst, die mit einem, zwei oder mehreren Entlüftungsöffnungen jeweils unterschiedlich sein kann. Hohe Gefäßtemperaturen über zum Beispiel 150°C pressen mehr Dampf heraus, der aus der gekochten Masse entweicht, als niedrige Gefäßtemperaturen von zum Beispiel 80°C. Exemplarische Temperaturen in der mit Entlüftungen versehenen Erhitzungszone des Gefäßes 5 können zwischen etwa 80°C und 160°C liegen, vorzugsweise zwischen etwa 100°C und 140°C.
Die nachfolgenden Gefäße 6 und 7 können mit Wasser gekühlt werden, um die Temperatur der Masse weiter abzusenken. Die Temperaturen in diesem Abschnitt können zwischen etwa 20°C und 90°C liegen. Förderelemente mit geringer Steigung, die versetzt angeordnet sind, erhöhen den Füllgrad, um die Wärmeübertragung vom Produkt auf das Gefäß in den Gefäßen 6 und 7 zu erhöhen. Niedrige Drehzahlen (UpM) sind entscheidend für eine optimale Verarbeitung. Exemplarische Bereiche, die angewendet werden können, liegen zwischen 20 und etwa 200 UpM. Höhere Drehzahlen (UpM) neigen dazu, höhere Scherkräfte einzubringen, was zur Umwandlung der Stärke in Dextrin und zur Destrukturierung der Stärke in einem höheren Ausmaß führt. Zusätzlich neigen höhere Schneckendrehzahlen dazu, die Fähigkeit zur Wasserentfernung stark zu verringern, weil die Verweilzeit in dem Abschnitt mit offener Entlüftung stark verkürzt wird. Niedrigere Schneckendrehzahlen (UpM-Werte) erhöhen auch den Füllgrat und damit die Wärmeübertragungsfähigkeit, d.h., die Erwärmung und Kühlung.
Gefäß 7 kann zur Atmosphäre hin offen sein, um die Zugabe des Einkapselungsbestandteils zu ermöglichen. Wahlweise kann eine (nicht dargestellte) Seitenzuführung verwendet werden, die direkt mit der Seite des Extruders verbunden ist, um einen festen Einkapselungsbestandteil in den Extruder zuzuführen. Zusätzlich können flüssige Einkapselungsbestandteile über eine oder mehrere Einspritzdüsen in dasselbe Extrudergefäß eingeführt werden. Die Seitenzuführung kann ein herkömmlicher Doppelschneckenaufgeber sein. Die Temperatur des Gefäßes wird in Abhängigkeit von der Wärmeempfindlichkeit des Einkapselungsbestandteils eingestellt und kann zum Beispiel auf Temperaturen zwischen etwa 20 und 90°C eingestellt werden.
Die Produkttemperatur am Zugabeort des Einkapselungsbestandteils in Gefäß 7 ist niedrig genug, damit der Einkapselungsbestandteil nicht durch Wärme zerstört oder zersetzt wird. Falls der Einkapselungsbestandteil sauerstoffempfindlich ist, kann der (nicht dargestellte) Aufgabetrichter der (nicht dargestellten) Seitenzuführung wahlweise mit CO₂ oder Stickstoff geflutet werden. Nachdem die Mischung in den Gefäßabschnitt eingeleitet wurde, wird sie in einen Gefäßabschnitt 8 befördert und anschließend in Gefäßabschnitt 9, von denen beide Schneckenelemente mit "Vorwärtssteigung" und versetzter Position enthalten, welche die in die Matrix zugegebenen Bestandteile mischen und dabei die Zufuhr von Energie durch Scherkräfte minimieren. Gleichzeitig kann die Temperatur der Gefäße 8 und 9 niedrig genug gehalten werden, sodass der Einkapselungsbestandteil nicht durch Wärme zerstört wird und sichergestellt ist, dass die viskosen Eigenschaften des Teigs ausreichend hoch sind, um eine Extrusion und das Formen von Strängen zu ermöglichen, die in Pellets geschnitten werden können. Die Temperaturen können zwischen 25°C und 95°C liegen, vorzugsweise bei etwa 40°C bis 80°C.
Nach dem Verlassen des Gefäßabschnitts 9 des Extruders tritt die Masse in den Mundstücksbereich ein, wo sie auf eine Vielzahl von Öffnungen verteilt wird. Von entscheidender Bedeutung ist die Extrusionsgeschwindigkeit pro Mundstücksfläche, die geringer als etwa 5 kg/h pro mm² sein sollte, vorzugsweise geringer als 3 kg/h pro mm², am bevorzugtesten geringer als etwa 0,5 kg/h pro mm². Hohe Geschwindigkeiten führen zu höheren Scherkräften im Inneren des Mundstücks, die eine höhere viskose Verteilung, einen höheren Druck und eine höhere Temperatur verursachen, was sich negativ auf den Einkapselungsbestandteil auswirken und zu unerwünschten Produktausdehnungen führen kann.
3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die zugeführten festen Bestandteile entweder vorgelatinierte Stärke oder Mehl mit spezifischen Eigenschaften sein können, beispielsweise Mehl aus Hartweizen, der normalerweise zur Herstellung von Nudeln verwendet wird, zum Beispiel Gries. Wie in 3 gezeigt, können die trockene Zufuhr und der mindestens eine zusätzliche Bestandteil zur Beeinflussung der Freigabeeigenschaften ohne Kochen dem Gefäß 1 zugeführt werden. Die trockenen zugeführten Feststoffe und der mindestens eine zusätzliche Bestandteil zur Beeinflussung der Freigabeeigenschaften der Matrix können anschließend in Gefäß 2 mit Wasser gemischt werden, um die trockenen zugeführten Bestandteile zu hydrieren. In diesem Fall muss die Feuchtigkeit ausreichend hoch sein, um für eine ausreichend niedrige Viskosität zu sorgen, ohne die Struktur der vorgelatinierten Stärke zu zerstören oder sie in Dextrin umzuwandeln. Zum Beispiel kann der Gehalt der zugegebenen Feuchtigkeit zwischen etwa 20 Gewichts-% und 45 Gewichts-% liegen, vorzugsweise zwischen etwa 25 Gewichts-% und 35 Gewichts-%, zum Beispiel bei etwa 30 Gewichts-%. Wie in dem Gefäßtemperaturprofil in 3 gezeigt, wird die Temperatur des Extrudergefäßes 1 etwa auf Raumtemperatur gehalten, doch die Gefäße 2 und 3 müssen etwa zwischen 40°C und 100°C liegen, um eine geringe Viskosität und eine geringe Zufuhr an spezifischer mechanischer Energie aufrechtzuerhalten. Die Einkapselungsbestandteile können in Gefäß 4 und/oder Gefäß 5 bei fortgesetzter Misch- und Förderbewegung zugegeben werden. Das Produkt kann in den Gefäßen 4, 5 und 6 am Ende des Extruders in ähnlicher Weise gekühlt werden, wie für 2 beschrieben. Auf diese Weise kann die Temperatur der Gefäße 4, 5 und 6 niedrig genug gehalten werden, sodass der Einkapselungsbestandteil nicht durch Wärme zerstört wird und dass sichergestellt ist, dass die viskosen Eigenschaften des Teigs ausreichend hoch sind, um die Extrusion und das Formen von Strängen zu ermöglichen, die in Pellets geschnitten werden können. Die Temperaturen können zwischen 20°C und 95°C liegen. Nach dem Verlassen des Gefäßabschnitts 6 des Extruders tritt die Masse in den Mundstücksbereich ein, wo sie auf eine Vielzahl von Öffnungen verteilt wird.
4 zeigt ein kugelförmiges Produkt, das erfindungsgemäß hergestellt werden kann. Das in 4 dargestellte Pellet hat einen Primärüberzug aus einem filmbildenden Bestandteil, welches das darunterliegende Matrixmaterial umschließt oder beschichtet. Ein Einkapselungsbestandteil, der mit einem Sekundärüberzug oder einem filmbildenden Bestandteil beschichtet wurde, wird vom Matrixmaterial eingekapselt oder umgeben. Der Primärüberzug und der Sekundärüberzug können dieselbe oder unterschiedliche Zusammensetzungen sein.
5 zeigt als Beispiel vier grundlegende Freigabeeigenschaften der eingekapselten erfindungsgemäßen Produkte, die vom Vorhandensein und der Dicke und dem Material eines Überzugs für das einzelne Extrudatpartikel oder für den Einkapselungsbestandteil abhängen. Erfindungsgemäß ist das Matrixmaterial ein hauptsächlicher Faktor, der die Freigabeeigenschaften des Einkapselungsbestandteils aus der Matrix bestimmt, und insbesondere sein Diffusionsvermögen oder die Löslichkeit (gegenüber wässrigen oder Verdauungsflüssigkeiten). Das Diffusionsvermögen oder die Löslichkeit kann durch die Hydrophobizität von mindestens einem zusätzlichen Matrixbestandteil neben der Stärke kontrolliert werden. Ebenso kann, wie in 5 gezeigt, eine schnelle und frühzeitige Freigabe des Einkapselungsbestandteils aus der Matrix mit einem relativ dünnen Primärüberzug und einem relativ dicken Sekundärüberzug erreicht werden. Eine langsame, aber frühzeitige Freigabe des Einkapselungsbestandteils kann mit einem relativ dünnen Primärüberzug und einem relativ dicken Sekundärüberzug erreicht werden. Eine schnelle, aber späte Freigabe des Einkapselungsbestandteils kann mit einem relativ dicken Primärüberzug und einem relativ dünnen Sekundärüberzug erreicht werden.
Eine langsame und späte Freigabe kann mit einem relativ dicken Primärüberzug und einem relativ dicken Sekundärüberzug erreicht werden.
Die erfindungsgemäßen eingekapselten Produkte können mit oder ohne Vermahlung in für den Verzehr durch Menschen oder Tiere bestimmte Lebensmittel wie Backwaren eingearbeitet werden, zum Beispiel Brot, Waffeln, Kekse, Cracker, Brezeln, Pizza und Brötchen, verzehrfertige Frühstückszerealien, heiß zubereitbare Frühstückszerealien, Teigwarenprodukte, in Snacks wie Fruchtsnacks, salzige Snacks, Müsliriegel und Mikrowellenpopcorn, in Milchprodukte wie Yoghurt, Käse und Speiseeis, in Süßigkeiten wie Hartkaramellen, Weichkaramellen und Schokolade, in Getränke, in Nutztierfutter, Haustierfutter wie Hundefutter und Katzenfutter, in Aquakulturfutter wie Fischfutter und Krabbenfutter sowie in Spezialnahrung wie Babynahrung, Säuglingsmilchnahrung, Nahrung im Krankenhaus, Diätnahrung für besondere medizinische Zwecke, Sportlernahrung, Nahrung zum Leistungsaufbau oder Riegel als Nahrungsergänzung oder in angereicherte Nahrungsmittel, Fertigmischungen oder fertige Zusammenstellungen für Privathaushalte oder Catering-Services, wie in Fertigmischungen für Suppen oder Saucen, in Dessertmischungen, Fertigmahlzeiten, Backmischungen wie Brotmischungen, Kuchenmischungen und Backmehl.
Diese Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, die den Schutzumfang nicht einschränken sollen, weiter veranschaulicht, wobei alle Teile, Prozentsätze, Anteile und Verhältnisse bezogen auf das Gewicht und alle Temperaturen in °C angegeben werden, sofern keine anderen Angaben gemacht werden.
Beispiel 1
Einkapselung eines wasserlöslichen empfindlichen pharmazeutischen Bestandteils
Azetylzystein kann eingekapselt werden, indem eine vorbereitete Mischung aus 96,3% Maisstärke, 3% Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und 0,7% Glyzerin monostearat (GMS) mit einer Geschwindigkeit von 4,0 kg/h in ein erstes Gefäß eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders aufgegeben werden. Zusätzlich zu der Mischung aus Maisstärke/GMS/LDPE wurde Pflanzenöl über eine Kolbenpumpe mit einer Geschwindigkeit von 0,17 kg/h in Gefäß 1 zugeführt. Wasser wurde zu der Mischung mit einer Geschwindigkeit von 1,1 kg/h über eine Kolbenpumpe durch einen Flüssigkeitseinleitungsanschluss von Gefäß 2 zugegeben. Der verwendete Extruder war ZSK 25 von Werner und Pfleiderer mit einem Schneckendurchmesser von 25 mm. Die verwendete Schneckenkonfiguration und das Gefäßtemperaturprofil entsprachen den in 2 beschriebenen Gegebenheiten. Der eingesetzte Extruder hatte neun Gefäßabschnitte. Jeder Gefäßabschnitt war mit Bohrungen ausgestattet, um die einzelnen Gefäße entweder zu beheizen oder zu kühlen. Die Gefäße 1 und 2 wurden mit Leitungswasser gekühlt, Gefäß 3 wurde auf 100°C erhitzt, und die Gefäße 4 und 5 wurden auf 120°C erhitzt, wofür ein hitzestabiles Thermoöl verwendet wurde, dessen Temperatur über zwei separate Regeleinheiten (SINGLE, Deutschland) geregelt wurde. Die Gefäße 6, 7, 8 und 9 wurden mit Leitungswasser auf eine konstante Temperatur von 15°C gekühlt.
Die Schneckenelemente sind so angeordnet, dass sie das Material zunächst vom Einlaufgefäß in die nachfolgenden geschlossenen Gefäße fördern, um die Zugabe und das Mischen der zusätzlichen Bestandteile zu ermöglichen, während der Füllgrad erhöht wird, um das Produkt durch Wärmeübertragung von den Gefäßwänden wirksam zu erwärmen. Die Gefäße 3, 4 und der erste Teil von Gefäß 5 dienen zum Erwärmen des Produkts. Die Schneckenkonfiguration in diesen Gefäßen ist auf die Gewährleistung einer ausreichenden Verweilzeit ausgelegt, damit die Stärke zumindest teilweise gelatiniert wird, während gleichzeitig die zusätzlichen Bestandteile bei ausreichend niedriger Viskosität beigemischt werden, damit eine wesentliche Umwandlung der Stärke in Dextrin verhindert wird. Dies wird durch den hohen Feuchtigkeitsgehalt (30,9%) und die Zugabe von Öl (3,2%) und einem Emulgator (0,7%) in den Zugabemengen erzielt, kombiniert mit einer ausreichend niedrigen Schneckendrehzahl (UpM), die konstant auf 150 UpM gehalten wurde.
Eine hohe Temperatur in Gefäß 5 kann auch die Möglichkeit bieten, genügend Feuchtigkeit zu entfernen, um eine ausreichend niedrige Feuchtigkeit zu erzielen, damit eine ausreichende Formbarkeit und Schneidbarkeit des Extrudars nach dem Verlassen des Extruders ermöglicht wird. Die Erfahrung hat gezeigt, dass relativ hohe Feuchtigkeitsgehalte im Extrudat, zum Beispiel Werte größer als etwa 30%, dazu neigen, dass das Material am Mundstück schwer in stabile Stränge zu formen ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass weichere und feuchtere Stränge nach dem Verlassen des Extruders äußerst schwer zu schneiden sind, insbesondere an der Mundstücksfläche unter Einsatz von sehr schnell rotierenden Schneidwerkzeugen. Daher hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Stärke bei relativ hohen Feuchtigkeitsgehalten zu kochen, um die Umwandlung in Dextrin und das Auftreten zu hoher Scherkräfte zu verhindern, den Feuchtigkeitsgrad jedoch vor dem Extrudieren zu verringern, um zu verhindern, dass die Form des Extrudats zusammenbricht und um eine angemessene Formbarkeit sicherzustellen.
Man hat beobachtet, dass die Umwandlung in Dextrin während der Extrusion zur Dextrinbildung während des Kochvorgangs führt und zur Folge hat, dass die Masse am Extruderausgang klebt und die Schneidfähigkeit der Masse in einzelne Partikel erheblich verringert werden kann. Daher war es ein zusätzliches Ziel dieser Erfindung, die Umwandlung in Dextrin zu minimieren und die Feuchtigkeit nach dem Kochen zu reduzieren, um das Formen und Schneiden einzelner Partikel zu ermöglichen, die nach dem Abkühlen und Trocknen spezifische Freigabeeigenschaften des Einkapselungsbestandteils aufweisen.
Nach dem Verringern des Feuchtigkeitsgehalts der plastifizierten Masse wird die Masse in Gefäß 6 auf eine ausreichend tiefe Temperatur abgekühlt. Die Schneckenelemente sind Förderelemente, die versetzt angeordnet sein können und dadurch für eine verlängerte Verweilzeit sorgen, um den Füllgrad zu erhöhen und so eine wirksame Kühlung zu ermöglichen.
Gefäß 7 wurde für die Zugabe des Einkapselungsbestandteils offengehalten und wurde auf einer Temperatur von 15°C gehalten. Die Produkttemperatur in diesem Gefäß betrug 25°C. Die Schneckenelemente waren Elemente mit hoher Steigung, um eine ausreichende Materialaufnahme zu ermöglichen. Ein zusätzlicher unterstützender Gefäßeinsatz kann verwendet werden, um einen Stau des Produkts zu verhindern, während es durch diesen offenen Gefäßabschnitt gefördert wird.
Azetylzystein wurde in Gefäß 7 mit einer Geschwindigkeit von 0,4 kg/h zugeführt, in das nachfolgende Gefäß gefördert und mit Hilfe verteilender Mischelemente mit geringen Scherkräften in das Matrixmaterial gemischt. Der Einkapselungsbestandteil wurde etwa bei Raumtemperatur in den Extruder zugeführt. Die Wahl der Schneckenelemente und ihrer Konfiguration in diesem Abschnitt ist darauf ausgerichtet, dass die Elemente keine hohe mechanische Energie zuführen dürfen, jedoch weiterhin den Einkapselungsbestandteil in die Matrix mischen müssen. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz sogenannter verteilender Mischelemente erreicht werden, die einen axialen Austragfluss in Verbindung mit einer zerhackenden Wirkung und einer minimalen Knetwirkung bieten.
Die letzten 2 bis 3 l/d Schneckenlängen können dazu verwendet werden, einen ausreichenden Druck zu erzeugen, um das Material durch die Mundstücksöffnungen zu extrudieren. Das verwendete Mundstück enthielt 20 Öffnungen, die in zwei Kreisen von je zehn Bohrungen angeordnet waren, wobei jede eine zylindrische Bohrung von 2 mm über einer Länge von 4 mm aufwies und eine folgende enge Öffnung von 1 mm über einer Führungskanallänge von 2 mm.
Die größere Öffnung des ersten Teils der Mündstücke ist entscheidend für die Verhinderung einer wesentlichen Energieabgabe innerhalb des Mundstücks durch zu hohe Scherkräfte, die zu einer Erhöhung der Produkttemperatur führen und dadurch eine Zerstörung des Einkapselungsbestandteils durch Wärme verursachen würde. Zusätzlich bewirken zu enge Mundstückskanäle höhere Drücke vor dem Mundstück und können trotz Kühlung zur Überhitzung des Produkts im letzten Gefäß führen. Die Produkttemperatur der Matrix am Zuführungspunkt des Einkapselungsbestandteils betrug etwa 25°C. Die Produkttemperatur am Ausgangsmundstück betrug 52°C. Der Druck am Mundstück lag bei 80 bar. Die durchschnittliche Verweilzeit des Einkapselungsbestandteils vom Einlaufort bis zum Mundstücksausgang betrug etwa 35 Sekunden.
Auf einer berechneten Grundlage beträgt der maximale Durchsatz des Extrudats pro Mundstücksfläche 0,361 kg/h pro mm², basierend auf der Gesamtmenge der in den Extruder zugegebenen Bestandteile.
Sofort, nachdem das Extrudat aus dem Extruder ausgetreten war, wurde es in einzelne Pellets von ungefähr 1 mm Länge geschnitten, wodurch die Pellets ungefähr kugelförmige Abmessungen erhielten. Das Extrudat kann wahlweise mit Öl oder anderen filmbildenden Stoffen besprüht werden, während es geschnitten wird. Nach der Extrusion wurden die extrudierten Pellets bei 30 C etwa 12 Stunden lang auf einen Endfeuchtigkeitsgehalt von ungefähr 8 Gewichts-% getrocknet.
Die getrockneten Pellets waren in Wasser 16 Stunden lang stabil, und das Azetylzystein kann innerhalb der Matrix ausreichend eingekapselt werden, um eine kontrollierte Freigabe unter geeigneten Bedingungen zu ermöglichen. Geeignete Freigabebedingungen können eine Freigabe in einer wässrigen oder einer Magensaftumgebung sein, die eine Freigabe des Einkapselungsbestandteils von nicht mehr als etwa 10% in etwa 1 Stunde bis nicht weniger als etwa 90% in etwa 24 Stunden ermöglicht.
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1
Einkapselung eines wärmeempfindlichen Bestandteils vor und nach der Wärmebehandlung
In diesem Beispiel wurden die Auswirkungen der Zugabe des Einkapselungsbestandteils vor und nach der Wärmebehandlung bewertet. Der verwendete Extruder war derselbe wie der in Beispiel 1 verwendete, die Schneckendrehzahl betrug 150 UpM. Eine Mischung von 99,7 Gewichts-% Stärke mit 0,3% GMS wurde mit 4,0 kg/h in Gefäß 1 eingefüllt. Pflanzenöl wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,39 kg/h in Gefäß 1 zugeführt. Askorbinsäure wurde mit einer Geschwindigkeit von 1,15 kg/h in Gefäß 1 eingefüllt (Vergleichsbeispiel 1) und wurde dem folgenden Gefäßtemperaturprofil ausgesetzt: Gefäß 1 (15°C), Gefäß 2 (15°C), Gefäß 3 (120°C), Gefäß 4 (140°C), Gefäß 5 (140°C), Gefäß 6 (15°C), Gefäß 7 (15°C), Gefäß 8 (15°C), Gefäß 9 (15°C).
Auf einer berechneten Grundlage beträgt der maximale Durchsatz des Extrudats pro Mundstücksfläche 0,352 kg/h pro mm², basierend auf der Gesamtmenge der in den Extruder zugegebenen Bestandteile. Die Analyse der Askorbinsäure nach der Extrusion ergab einen Verlust von 72,3%.
Dieselben Extrusionsbedingungen wurden in Beispiel 2 verwendet, außer dass die Askorbinsäure in Gefäß 7 bei einer Produkttemperatur von etwa 20°C zugeführt wurde, und die nachfolgende Analyse ergab einen Askorbinsäureverlust von nur 12,2%. Nach der Extrusion wurden die extrudierten Pellets bei 30°C etwa 12 Stunden lang getrocknet und hatten einen Endfeuchtigkeitsgehalt von ungefähr 8%. Die getrockneten Pellets waren in Wasser 16 Stunden lang stabil, und die Askorbinsäure kann innerhalb der Matrix ausreichend eingekapselt werden, um eine kontrollierte Freigabe unter geeigneten Freigabebedingungen zu ermöglichen.
Beispiel 3
Einkapselung eines wärmeempfindlichen fettlöslichen Bestandteils
In diesem Beispiel wurde ein wärmeempfindlicher fettlöslicher Bestandteil eingekapselt. Der verwendete Extruder war derselbe wie der in Beispiel 1 verwendete, die Schneckendrehzahl betrug 150 UpM. Eine Mischung von 96,7 Gewichts-% Stärke, 3 Gewichts-% LDPE und 0,3 Gewichts-% GMS wurde mit 4,0 kg/h in Gefäß 1 eingefüllt. Pflanzenöl wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,16 kg/h in Gefäß 1 zugeführt. Es wurde mit dem folgenden Gefäßtemperaturprofil gearbeitet: Gefäß 1 (15°C), Gefäß 2 (15°C), Gefäß 3 (120°C), Gefäß 4 (140°C), Gefäß 5 (140°C), Gefäß 6 (15°C), Gefäß 7 (15°C), Gefäß 8 (15°C), Gefäß 9 (15°C). Der Einkapselungsbestandteil Salizylsäure kann mit einer Geschwindigkeit von 1,15 kg/h in Gefäß 7 bei einer Temperatur von 20°C zugeführt werden. Der Einkapselungsbestandteil wurde in die Matrix gemischt und in Stränge extrudiert, die am Mundstück in einzelne kugelförmige Pellets mit einem Durchmesser von etwa 1 mm geschnitten wurden. Auf einer berechneten Grundlage beträgt der maximale Durchsatz des Extrudats pro Mundstücksfläche 0,338 kg/h pro mm², basierend auf der Gesamtmenge der in den Extruder zugegebenen Bestandteile. Nach der Extrusion wurden die Pellets bei 30°C etwa 12 Stunden lang auf einen Endfeuchtigkeitsgehalt von ungefähr 8 Gewichts-% getrocknet. Die getrockneten Pellets waren in Wasser 16 Stunden lang stabil, und die Salizylsäure kann innerhalb der Matrix ausreichend eingekapselt werden, um eine kontrollierte Freigabe unter geeigneten Bedingungen zu ermöglichen.
Beispiele 4 bis 8 und Vergleichsbeispiel 2
Einkapselung eines wasserlöslichen und wärmeempfindlichen Stoffs in verschiedene Matrices
In den Beispielen 4 bis 8 und in Vergleichsbeispiel 2 wurde mit dem Extruder von Beispiel 1 gearbeitet, um einen wasserlöslichen und wärmeempfindlichen Stoff – Askorbinsäure – unter verschiedenen Extrusionsbedingungen in verschiedene Matrices einzukapseln. Ein die Freigabemenge kontrollierender Bestandteil wurde in den Beispielen 4 bis 8 verwendet, jedoch nicht in Vergleichsbeispiel 2. Bewertet wurde die Freigabemenge der Askorbinsäure aus den Matrices in Metaphosphorsäure. Die Matrixzusammensetzungen, Extrusionsbedingungen und Freigabeergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1: Matrixzusammensetzungen, Extrusionsbedingungen und Freigabeergebnisse
Die Askorbinsäure-Freigabedaten in Metaphosphorsäure wurden korrigiert, um die Zerstörung der Askorbinsäure durch die Metaphosphorsäure im Lauf der Zeit zu berücksichtigen, indem der Analysewert durch einen Korrekturfaktor von 1,0 (bei 0 Minuten) bis 0,906 (bei 240 Minuten) geteilt wurde.
Die Freigabedaten werden in 6 auch in grafischer Form dargestellt, wobei der Prozentsatz des in Metaphosphorsäure freigegebenen Einkapselungsbestandteils als Funktion der Zeit aufgetragen ist. Wie durch die in Tabelle 1 und 6 dargestellten Daten nachgewiesen, weist im Vergleichsbeispiel 2 (M1) reine Stärke keine ausreichende Matrix zur Einkapselung auf, weil die Zeit bis zur Freigabe von 100% des Einkapselungsbestandteils zu kurz ist. Daher wird mindestens ein zusätzlicher Bestandteil zugegeben, um die Hydrophobizität zu steuern und die Freigabe des Einkapselungsbestandteils zu kontrollieren. Wie in den Beispielen 4 bis 8 gezeigt, verschiebt die Zugabe von Matrixbestandteilen wie Lipiden und/oder Proteinen die Rückhalteeigenschaften des Einkapselungsbestandteils wesentlich in Richtung längerer Rückhaltezeiten.
Beispiel 9
Einkapselung wärmeempfindlicher Stoffe in verschiedene Matrices
Wärmeempfindliche Einkapselungsbestandteile oder Ingredienzien können unter Verwendung des Extruders, der Schneckenkonfiguration, der Gefäßkonfiguration, der Schneckendrehzahl (150 UpM) und der Mundstückkonfiguration von Beispiel 1 eingekapselt werden. Das Gefäßtemperaturprofil, mit dem gearbeitet werden kann, ist: Gefäß 1 (15°C), Gefäß 2 (15°C), Gefäß 3 (120°C), Gefäß 4 (140°C), Gefäß 5 (140°C), Gefäß 6 (35°C), Gefäß 7 (35°C), Gefäß 8 (35°C), Gefäß 9 (35°C). In einer anderen Ausführungsform können die Gefäßtemperaturen in den Gefäßen 4 und 5 bei 150°C liegen.
Die Bestandteile und ihre Konzentrationen, die in Matrices zur Veränderung der Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils verwendet werden können, sind in Tabelle 2 dargestellt: Tabelle 2: Matrixbestandteile und Konzentrationen
Eine Mischung aus Stärke und/oder Weichmacher und einem oder mehreren der aufgelisteten Bestandteile kann mit 4,0 kg/h in Gefäß 1 aufgegeben werden. Pflanzenöl oder ein anderer hydrophober Stoff können mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis etwa 3 kg/h in Gefäß 1 zugeführt werden. Der Einkapselungsbestandteil kann mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 3 kg/h in Gefäß 7 bei einer Temperatur von etwa 20°C zugeführt werden. Der Einkapselungsbestandteil kann in die Matrix gemischt und in Stränge extrudiert werden, die am Mundstück in einzelne kugelförmige Pellets mit einem Durchmesser von 1 mm geschnitten werden. Nach der Extrusion können die extrudierten Pellets ausreichend lange bei 30°C getrocknet werden, beispielsweise etwa 12 Stunden, um einen Endfeuchtigkeitsgehalt von ungefähr 8 Gewichts-% zu erhalten. Die getrockneten Pellets sind in einer wässrigen Lösung ausreichend lange stabil, zum Beispiel 16 Stunden, und der Einkapselungsbestandteil kann innerhalb der Matrix ausreichend eingekapselt werden, um eine kontrollierte Freigabe unter geeigneten Bedingungen zu ermöglichen.
Der Einkapselungsbestandteil kann vor der Einkapselung mit einem sprühbaren Material, wie einer alkoholischen Lösung von Zein, einem Material auf Chitinbasis, Schellack, Paraffin oder einem ähnlichen Überzugmaterial, vorbehandelt werden. Zu diesem Zweck kann der Einkapselungsbestandteil in eine rotierende Beschichtungstrommel ("Coating-Trommel") gegeben werden, wie sie üblicherweise in der Süßwarenindustrie zum Einsatz kommt. Die Überzugszusammensetzung, zum Beispiel Zein mit einer Konzentration von zum Beispiel 10% Zein, kann als Überzug auf die Oberfläche des Einkapselungsbestandteils aufgetragen werden. Die Trommel kann mit warmer Luft behandelt werden, um die Trocknung des Lösungsmittels zu erleichtern. Nach dem Trocknen des beschichteten Einkapselungsbestandteils kann dieser, wie in Beispiel 1 beschrieben, in den Extruder zugegeben werden. Der zusätzliche Überzug kann die Freigabemenge des Einkapselungsbestandteils zusätzlich kontrollieren, nachdem die Matrix aufgelöst worden ist und der Einkapselungsbestandteil für seine erwartete Wirkung in die Umgebung abgegeben wurde.
Nach der Extrusion unter den beschriebenen Prozessbedingungen können die gewonnenen Pellets mit einem Film unterschiedlicher Dicke überzogen werden, um den Zugang von entweder wässrigen oder Verdauungsflüssigkeiten zur Matrix zu verzögern und damit die Auflösung der Matrix zu verzögern. Für diesen Zweck kann ein sprühbares Material verwendet werden, beispielsweise eine alkoholische Lösung von Zein, ein Material auf Chitinbasis, Schellack, Paraffin oder ein ähnliches filmbildendes Material oder Überzugmaterial. Die extrudierten Pellets können in eine rotierende Beschichtungstrommel gegeben werden, eine Vorrichtung, wie sie üblicherweise in der Bonbon- und Konfektherstellung eingesetzt wird, und eine Lösung aus etwa 10 Gewichts-% Zein und etwa 90 Gewichts-% Isopropylalkohol oder einem anderen Lösungsmittel kann als Überzug auf die Oberfläche des Einkapselungsbestandteils aufgetragen werden. Die Trommel kann mit warmer Luft behandelt werden, um die Trocknung und Entfernung des Lösungsmittels zu erleichtern. Der zusätzliche Überzug kann die Freigabemenge und -zeit des Einkapselungsbestandteils zusätzlich kontrollieren und für eine vollständige Kontrolle über die Freigabeeigenschaften des Einkapselungsbestandteils sorgen. Es wird erwartet, dass die Freigabeeigenschaften der schematischen Darstellung in 5 entsprechen.

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Einkapselung oder Einbettung eines Bestandteils in eine Matrix, umfassend: a. Mischen mindestens eines plastifizierbaren Matrixmaterials mit mindestens einem Weichmacher und mindestens einem Bestandteil zur Kontrolle der Freigabemenge eines Einkapselungsbestandteils, wobei die genannte Mischung unter Bedingungen mit geringen Scherkräften stattfindet, um das plastifizierbare Material zu plastifizieren, ohne im wesentlichen das mindestens eine plastifizierbare Material zu zerstören und um eine im wesentlichen homogene plastifizierte Masse zu erhalten, b. Reduzieren des Weichmachergehalts der genannten plastifizierten Masse, c. Reduzieren der Temperatur der plastifizierten Masse, um eine abgekühlte plastifizierte Masse zu erhalten, d. Mischen mindestens eines Einkapselungsbestandteils mit der genannten abgekühlten plastifizierten Masse, um eine formbare Mischung zu erhalten, wobei dieses Mischen unter Bedingungen mit geringen Scherkräften und bei einer Temperatur der plastifizierten Masse stattfindet, die eine wesentliche Zerstörung des genannten einen Einkapselungsbestandteils durch Wärme verhindert, e. Extrudieren der genannten formbaren Mischung durch ein Mundstück, um ein Extrudat zu erhalten, und f. Schneiden des genannten Extrudats in Stücke.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der das genannte plastifizierbare Material und der genannte Weichmacher gemischt und bis über die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des plastifizierbaren Materials erwärmt und dann mit dem genannten mindestens einen die Freigabemenge kontrollierenden Bestandteil gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der das genannte plastifizierbare Material, der genannte Weichmacher und der genannte mindestens eine die Freigabemenge kontrollierende Bestandteil gemischt und dann bis über die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des plastifizierbaren Materials erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der genannte Einkapselungsbestandteil vor dem Mischen mit der genannten abgekühlten, plastifizierten Masse mit einem filmbildenden Material überzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die genannten Stücke mit einem filmbildenden Material überzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das genannte plastifizierbare Matrixmaterial Stärke, der genannte Weichmacher Wasser enthält und das genannte Mischen, um eine im wesentlichen homogene plastifizierte Masse zu erhalten, unter Erwärmung auf eine Temperatur ausgeführt wird, bei der die genannte Stärke im wesentlichen gelatiniert.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Menge des genannten mindestens einen die Freigabemenge kontrollierenden Bestandteils von etwa 10 Gewichts-% bis etwa 35 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht der genannten Stärke, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem der Stärkegehalt der genannten Stücke mindestens 40 Gewichts-% beträgt, basierend auf dem Gewicht der genannten Stücke.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Wassergehalt der plastifizierten Masse um mindestens etwa 10 Gewichts-% reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem die formbare Mischung durch ein Mundstück mit mehreren Öffnungen extrudiert wird, mit einer Extrusionsgeschwindigkeit pro Mundstückfläche von weniger als etwa 5 kg/h pro mm².
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Extrusionsgeschwindigkeit pro Mundstückfläche geringer als ca. 3 kg/h pro mm² und vorzugsweise geringer als ca. 0,5 kg/h pro mm² ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Durchmesser der Öffnungen zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,5 mm und 1 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der genannte mindestens eine die Freigabemenge kontrollierende Bestandteil ein hydrophober Bestandteil ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der genannte hydrophobe Bestandteil mindestens ein Mitglied aus der Gruppe bestehend aus Fetten, Ölen, Wachsen, Fettsäuren, Emulgatoren, Polyolefinen, Polyurethanen, Polyvinylchloriden, Paraffinen, Polyvinylazetaten und modifizierten Stärken ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der genannte mindestens eine die Freigabemenge kontrollierende Bestandteil eine hohe Wasserbindefähigkeit hat.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der genannte Bestandteil mit hoher Wasserbindefähigkeit aus der Gruppe bestehend aus Proteinen und Hydrokolloiden ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 13 bis 16, zugehörig zu einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das genannte plastifizierbare Matrixmaterial eine vorgelatinierte Stärke oder Hartweizenmehl umfasst und der genannte Weichmacher Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der genannte Einkapselungsbestandteil mit verteilenden Mischschneckenabschnitten über eine Gesamtlänge von etwa 3 – 10 l/d gemischt wird, um die zugefügten Ingredienzien ausreichend mit der Matrix zu mischen, zu verteilen und einzubetten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem das Extrudat unter Zuhilfenahme eines Schneidwerkzeugs, eines Pelletierers, rotierender Messer oder gegenläufig rotierender Formtrommeln in einzelne Stücke unterteilt wird, um Stücke mit einem Längen-/Durchmesserverhältnis von 0,5 zu 10 zu erhalten.
Ein eingekapseltes Produkt, das mit dem Verfahren aus einem der Ansprüche 1 bis 19 gewonnen werden kann, bei dem der genannte Einkapselungsbestandteil mindestens ein wärmeempfindlicher pharmazeutischer Bestandteil, nutrazeutischer Bestandteil, Nahrungsbestandteil, Geschmacksbestandteil, Duftbestandteil, ein Detergens oder oberflächenaktiver Bestandteil, oder biologisch aktiver Bestandteil ist.
Eine Zusammensetzung, umfassend ein eingekapseltes Produkt, das mit dem Verfahren aus einem der Ansprüche 1 bis 19 gewonnen werden kann.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 21, die ausgewählt aus der Gruppe wird, die aus verzehrfertigen Frühstückszerealien, Dessertmischungen, Backmischungen, Backmehl, Fertigmahlzeiten, Joghurt, Fruchtsnacks, Mikrowellenpopcorn und Müslisnacks besteht.
Ein eingekapseltes Produkt, das mit dem Verfahren aus einem der Ansprüche 1 bis 19 gewonnen werden kann, bei dem der genannte eingekapselte Bestandteil mindestens ein Mitglied aus der Gruppe ist, die aus Azepromazin-Azetaminophen, Azetohexamid, Azetohydroxaminsäure, Magaldrat, Phenprocoumon, Amantadin, Naproxen, Carteolol, Famotidin, Methyldopa, Auranofin, Estriol, Nadolol, Levomepromazin, Doxorubizin, Medofenoxat, Azathioprin, Flutamid, Norfloxazin, Fendilin und Prajmalium bitartrat besteht.
Ein eingekapseltes Produkt, das gewonnen werden kann mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem der genannte eingekapselte Bestandteil mindestens ein Mitglied der Gruppe ist, die aus Antioxidantien, Phytochemikalien, Hormonen, Vitaminen, Provitaminen, hoch ungesättigten Fettsäuren, Antibiotika, Nahrungsergänzungsmitteln, Enzymen, Zidovudin enthaltenden Strukturen, makromolekulare Polypeptiden, aromatischen Nitro- und Nitrosoverbindungen und deren Stoffwechselprodukten, die als Antiviren- und Antitumormittel geeignet sind, HIV-Proteaseinhibitoren, Antibiotika, Viren, Pigmenten, Steroiden, Oligopeptiden, Dipeptiden, Aminosäuren, Geschmacksbestandteilen, Duftbestandteilen, Detergenzien und oberflächenaktiven Bestandteilen, Lipidderivaten von Phosphonatiden, amphiphilischen Polymeren, Adenosinderivaten, sulfatierten Tanninen, monoklonalen Antikörpern, und Metallkomplexen von wasserlöslichem Texathyrin besteht.
Ein eingekapseltes Produkt, das gewonnen werden kann mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem der genannte Einkapselungsbestandteil mindestens ein Mitglied aus der Gruppe ist, die aus Herbiziden, Pestiziden, Insektiziden, Rhodentiziden und Fungiziden besteht.
Ein eingekapseltes Produkt, das gewonnen werden kann mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das genannte plastifizierbare Matrixmaterial mindestens ein Mitglied aus der Gruppe ist, die aus Stärken, Zyklodextrinen, Dextrinen, Monosacchariden, Disacchariden, Polyvinylpyrrolidonen, Kopolymeren von N-Vinylpyrrolidon und Vinylazetat, Polyvinylalkohol, Zelluloseestern, Zelluloseethern, und Polyethylenglykol besteht.