FI92135B - Menetelmä kauran käyttämiseksi kapselointiaineena - Google Patents

Description

9 21 35

Menetelmä kauran käyttämiseksi kapselointlaineena

Keksinnön kohteena on menetelmä kapselien valmistamiseksi kauran beta-glukaania sisältävistä osista. Kapseloitavasta aineesta riippuen menetelmällä saadaan aikaan syötäviä valmisteita ravitsemuksellisiin, lääkinnällisiin tai probioottisiin tarkoituksiin.

Suun kautta nautitut aineet pyrkivät hajoamaan ruoansulatuskanavassa jo vatsalaukussa. Aineiden saavuttaessa suoliston ne ovat joko kokonaan tai osittain hajonneina menettäneet alkuperäisen biologisen vaikutuksensa ja laimentuneet sekoittumalla muuhun ruoansulatuskanavan sisältöön.

Tämän ongelman vähentämiseksi erilaisia vaikutusaineita on kapseloitu suojamateriaalein, jotka kestävät mahalaukun olosuhteet ja siten suojaavat kapseloituja aineita hajoamasta jo ennen kuin ne saavuttavat suoliston. Kapselointia on sovellettu lääkeaineisiin, lääkinnällisiä vaikutuksia omaaviin mikro-organismeihin ja muihin fysiologisia vaikutuksia omaaviin aineisiin.

Lääkeaineiden kohdalla tavoitteena on useimmiten aikaansaada kontrolloitu vapautuminen. Kapselointiaineina on käytetty synteettisiä materiaaleja kuten hydrogeeliä muodostavaa hydroksietyylimetakrylaattia, polymeerimatrikseja kuten etyleenivinyyliasetaattia tai kemiallisesti sitovia kantajia kuten karboksimetyyliselluloosaa (Sanders, 1985, Chem.

& Eng. News, April 1:31). Suomalaisessa patentissa 64173 kuvataan menetelmät rehujen, farmaseuttisten valmisteiden ja ravintoaineiden kapseloimiseksi polymeereihin, joissa metyyliakrylaatti on pääasiallinen komponentti. Japanilaisessa hakemuksessa 84/113192 kuvataan myös menetelmä fysiologisesti aktiivisten aineiden kapseloimiseksi vahaan kal-siumkarbonaattia ja suolahappoa hyväksi käyttäen.

Patenttijulkaisu EP 426 493 kuvaa menetelmän, jossa suolen limaa käytetään biologisesti aktiivisten aineiden kapselointiin. Suoliliman vaikuttavana aineosana on musiini, molekyylipainoltaan useita miljoonia daltoneja oleva glykoproteiini, joka avaruusrakenteensa osittaisen . spiraalisuutensa takia on elastinen ja omaa suuren vedensidontakyvyn. Menetelmässä musiinia käytetään mm.

2 >'2135 probioottisia vaikutuksia omaavien maitohappobakteerien kapselointiin. Patentin mukaan suojattuina mikrobit kulkeutuvat mahalaukun kautta suolistoon, missä vapautuessaan aikaansaavat myönteisiä vaikutuksia, kuten muiden mikrobien kasvua ehkäisevän pH:n laskun. Musiinin käytölle teollisessa mittakaavassa on rajoittavana tekijänä hankala saatavuus teuraseläinten suolistosta ja tähän liittyvät mikrobiologiset ja puhdistustekniset ongelmat. Lisäksi kyseinen materiaali on jo eristysvaiheessa hydratoitunut ja edellyttää säilyvyyden takaamiseksi kuiva-tusvaiheen.

Tämän keksinnön perustana on havainto, että kaurajyvän beta-glukaania sisältävät osat, kuten kauran märkäfrakti-oinnissa saatava lese/kuitu-fraktio on erinomaisen sovelias biologisesti aktiivisten aineiden kapselointiin. Havainnon pohjalta kehitettiin kapselointimenetelmä, joka perustuu kauran beta-glukaanin rakenteellisiin ja toiminnallisiin ominaisuuksiin. Keksinnölle on keskeistä, että kapselinmuo-dostus saadaan aikaan käyttämällä hyväksi kauran beta-glukaanin voimakasta taipumusta hydratoitua niin miedoissa olosuhteissa, että jo hydratoitumisvaiheessa voidaan lisätä kapseloitavia biologisesti aktiivisia aineita niiden tuhoutumatta ja, että syntynyt seosgeeli kiinteytetään kapseliksi, joka ei mekaanisesti eikä entsymaattisesti hajoa eikä hydratoidu mahalaukun olosuhteita vastaavissa happamissa olosuhteissa. Uudelleen hydratoituminen ja kapselin sisällön vapautuminen tapahtuu vasta lievästi emäksisissä olosuhteissa, jotka vastaavat sappinesteen aikaansaamia olosuhteita .

Menetelmä on teknisesti yksinkertainen, kapselointimate-riaali on halpa ja turvallinen luonnontuote, kuivana erinomaisesti säilyvää ja helposti saatavilla. Kapselointimate-riaali on perinteinen ihmisten ja eläinten ravinnon aineosa ja siten paitsi turvallinen myös proteiini-, rasva-, ja hi-venainekoostumukseltaan ravitsemuksellisesti edullinen. Kaurakuitu/lese ei kapselointitarkoituksessa edellytä esikäsittelyjä, kuten fraktiointeja ja se on mikrobiologisesti turvallista. Edellä kuvatut piirteet tekevät beta-glukaanin . suhteen rikastetut kauranosat muista tunnetuista kapseloin- timateriaaleista poiketen erityisen soveliaaksi suurimitta- li 3 92135 kaavaiseen teolliseen tuotantoon.

Kauran pääasiallinen liukoinen kuitu on beta-glukaani. Sillä tarkoitetaan lineaarista polysakkaridia, joka koostuu (1,3,)- ja (1,4,)-sidoksilla toisiinsa liittyneistä beta-D-glukopyranosyyliyksiköistä. Polysakkaridiin uskotaan olevan sitoutuneena myös jonkin verran proteiinia (Värum, K.M. & Smitsrod, O., Carbohydr.Polym. voi 9, s. 103-107, 1988). Kauratuotteiden vesiliuoksista muodostuu tunnetusti helposti limamaisia. Tämä ns. kauraliman tai kaurakumin muodostus johtuu pääasiassa beta-glukaanin hydratoitumisesta. Anderson J.W. & Chen W.-J. kuvaavat kirjassa Oats: Chemistry and Technology (toim. Webster, F.H., American Association of Cereal Chemists, Inc., St. Paul, Minnesota, 1986) kauraliman lisäävän ruoansulatuskanavassa ravinnon viipymää ja muodostavan kalvon suoliston pinnalle. Tämä keksintö yhdistää kauraliman tartuntaominaisuudet ja kapselinmuodos-tuskyvyn siten, että kapseloidut aineet vapautuvat vaikutustaan menettämättä vasta olosuhteissa, joissa kaura-lima tunnetun tiedon valossa omaa taipumusta kiinnittyä ruoansulatuskanavan seinämiin.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä oleellinen toimenpide on beta-glukaania sisältävien kaurajakeiden liuottaminen laimeisiin, lievästi emäksisiin karbonaatti-vesiliuoksiin. Jo huoneen lämpötilassa muodostuu korkean viskositeetin omaava suspensio. Kun tämä tai kapseloitavan yhdisteen läsnäollessa hydratoitu suspensio joutuu kosketuksiin kalsium-ioneja sisältävän vesiliuoksen kanssa, tapahtuu suspension välitön kiinteytyminen ja kapseloitavan aineen sulkeutuminen osaksi kapselin rakennetta. Vaihtoehtoisesti kalsium-liuos voidaan korvata jääkylmällä vedellä, nestetypellä tai hydratoituneeseen beta-glukaanisuspensioon voidaan lisätä alginaattia kiinteytymisen tehostamiseksi. Näin saadut huokoiset, kiinteät partikkelit voidaan kuivata ja uudelleen hydratoida lievästi emäksisessä liuoksessa, jolloin kapseliin sulkeutunut aine vapautuu.

Jos kapseleita ennen uudelleenhydratointia käsitellään happamissa liuoksissa tai happamissa olosuhteissa toimivien proteolyyttisten entsyymien kanssa, säilyy kapselin rakenne . mekaanisessakin käsittelyssä luhistumatta ja sen sulkemat aineet säilyttävät biologisen aktiivisuutensa käytännölli 92135 4 sesti katsoen muuttumattomana.

Kapseloitaviksi soveltuvat periaatteessa mitkä tahansa biologista aktiivisuutta omaavat aineet. Ne voivat olla mikro-organismeja, niiden tuotteita, entsyymejä, lääkeaineita kuten vasta-aineet ja antibiootteja. Suolistossa pro-bioottisia vaikutuksia omaavat maitohappobakteerit ovat erityisen soveliaita kyseiseen kapselointitarkoitukseen. Myös rehujen hyväksikäyttöä tehostavat entsyymit, rehujen mukana annettavat antibiootit ja fosfaattirikkaat yhdisteet sekä ruoansulatuskanavan infektioita torjuvat vasta-aineet soveltuvat menetelmän mukaisesti kapseloitaviksi.

Keksintö ei ole rajoittunut selityksessä esitettyyn suoritusmuotoon, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa eri kokoisten ja ulkomuodon omaa-vien kapselien aikaansaamiseksi. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan kapseloida muitakin, kuin syötäväksi tarkoitettuja aineita ja sillä voidaan saada aikaan muitakin, kuin selityksessä ja esimerkeissä mainittuja suojavaikutuksia .

5 ^2135

Esimerkki 1.

Kaurakuitua, jossa oli 14 % (1,3)-(1,4)-β-D-glukaania, 25 % proteiinia, 25 % tärkkelystä, 11 % rasvaa ja 3 % mineraaleja kuiva-aineesta, punnittiin 5,4 g (0,75 % β-glukaani) ja siihen lisättiin 0,5 g Na-alginaattia (0,5% Na-alginaat-ti) . Jauheseokseen lisättiin 94 ml 50 mM Na2C03 - NaHC03 pH

9,2. Kuitususpensio homogenoitiin tasaiseksi Ultra Tur-rax -homogenisaattorilla, jonka jälkeen kuidun annettiin hydratoitua 37°C:ssa ravistelussa yksi tunti. Hydratoitu-nut kuitususpensio lisättiin 50 mM:seen CaCl2 -liuokseen, jolloin lisäystavasta riippuen saadaan aikaan erimallisia kapseleita. Märkien kapselien kuiva-ainekoostumus on sama kuin kuitususpensiossa ja niiden kuiva-ainepitoisuus on n.

6 %. Märät kapselit voidaan kuivata usealla eri menetelmällä .

Taulukossa 1 on esitetty eri hydratointilämpötilojen ja hydratointiaikojen vaikutukset kuitususpension viskositeettiin. Esimerkissä mainittuja β-glukaani ja Na-alginaatti-pitoisuuksia voidaan muutella tarpeen mukaan. Taulukossa 2 on esitetty eri Na-alginaatti ja β-glukaanipitoisuuksien vaikutukset hydratoituneiden kuitususpensioiden vis-kositeetteihin ja kapselinmuodostuskykyyn.

Taulukko 1. Kuitukapselien valmistuksessa käytettävän läm-; pötilan ja hydratointiajan vaikutukset hydratoituneiden kuitususpensioiden viskositeetteihin, jotka on mitattu 22-°C:ssa suspensioiden jäähdytyksen jälkeen *) Lämpötila Viskositeetti 1 2) Hydra- Viskositeetti (°C) (cps) tointiaika (cps) 1 (h) _ 28 880 0,5 730 37 1 160 1,0 1 160 40 1 160 1,5 1 500 ___2^0_ 1 720 Lämpötilakokeissa hydratointiaika oli 1 h ja raviste-lunopeus 300 rpm 2

Hydratointiaikakokeissa lämpötila oli 40°C ja raviste-.· lunopeus 300 rpm 6 92135

Taulukko 2. Eri Na-alginaatti- ja β-glukaanipitoisuuksilla tehtyjen hydratoitujen kuitususpensioiden kapselinmuostus-kyvyt ja viskositeetit mitattuna 22°C:ssa

Kuitususpen- Kuitususpen- Viskositeetti Kapselien sion Na-al- sion β-glu- hydratoinnin muodostus ginaattipi- kaanipitoi- jälkeen 22-toisuus suus °C:ssa (%) (%) ___(cps)__ 0,5 0,5 620 + 0,5 0,75 2 100 ++ 0,5 1,0 3 360 ++ 0,5 1,5 11 800 + 1.0 0,5 420 ++ 1.0 0,75 1 540 ++ 1.0 1,0 2 920 ++ _1Λ)__1^5_ 14 000 _+_

Es imerkki 2.

Meneteltiin kuten esimerkissä 1, mutta kapseleihin sidottiin Lactobacillus fermentum, Enterococcus faecium tai Lactobacillus GG -bakteereita. Kaurakuitu, Na-alginaatti ja suurin osa puskurista homogenoitiin kuten esimerkissä 1, jonka jälkeen lisättiin 2 g bakteereita suspentoituina pie-: neen määrään puskuria. Lactobacillus fermentum -bakteerei ta lisättiin 12 x 109 kpl, joka kuitususpension kokonais-kuiva-ainetta kohden laskettuna oli 1 x 109 kpl / g kakok. Vastaavasti Enterococcus faecium -bakteereita lisättiin 12,6 x 1011 kpl eli 16 x 1010 kpl / g kakok ja Lactobacillus GG -bakteereita 16,8 x 1011 kpl eli 21 x 1010 kpl / g kakok. Bakteeri-kuitususpensio hydratoitiin ja sen jälkeen kiinteytettiin esimerkin 1 mukaan.

Kylmäkuivattujen kapselien elävien bakteerien määriksi saatiin Lactobacillus fermentum-.ia sisältäville kapseleille 5 x 109 kpl / g kakok, mikä viittaa siihen, että kaikki baktee- « * rit olivat elossa. Vastaavasti Enterococcus faecium:ia 7 9/'\ 35 sisältäneille kapseleille elävien solujen määrä oli 5,6 x 1010 kpl / g kakok ja Lactobacillus GG: ia sisältäneille kapseleille 1,9 x 1010 kpl / g kakok.

Bakteeripitoisuuden vaikutus kapselinmuodostuskykyyn on esitetty taulukossa 3.

Taulukko 3. Kapselien valmistuksessa käytettävän hydratoi-tavan kuitususpensioiden pH:t, viskositeetit ja kapselin-muodostuskyvyt Lactobacillus fermentum tai Lactobacillus GG -bakteerien pitoisuuden funktiona

Bakteeri- pH ennen pH hydra- Vis- Kapselien pitoisuus hydratoin- toinnin kositeetti muodostus kuitusus- tia kui- jälkeen hydratoin- pensiossa tususpen- kuitusus- nin jäl- (%) siossa pensiossa keen 22- °C:ssa ____(cps)__

Lactobacillus fermentum 0,2 8,5 8,5 1 230 ++ 2 7,7 7,8 1 230 + + 4 7,1 7,3 820 + 6 6,8 7,6 750 + _8_ 6,6 6,9 820 _+_

Lactobacillus GG

0,2 8,6 8,4 1 720 +++ 2 7,5 7,5 2 460 +++ 4 7,0 7,2 3 060 +++ 6 6,8 6,6 3 080 ++ _8_ 6,4 5,9 1 3 680 ++

Esimerkki 3.

Kapselien valmistuksessa proteiinien kanssa käytettiin ternimaitoon immunisoimalla tuotettua Campylo jejuni -vasta-ainetta, jonka aktiivisuus ternimaidossa oli ELISA-tiitte-riarvona ilmoitettuna 15 000. Vasta-ainetta sisältävien kapselien valmistus suoritettiin kuten esimerkissä 2 kylmä- 8 92135 kuivattua ternimaitojauhetta käyttäen. Teoreettiset ELISA-tiitteriarvot ja määritetyt ELISA-tiitteriarvot eri vasta-ainepitoisuuksia sisältäville kapseleille on koottu taulukkoon 2.

Taulukko 4. Vasta-ainetta sisältävien kapselien teoreettiset ELISA-tiitteriarvot ja mitatut ELISA-tiitteriarvot ilmoitettuna ternimaitojauhepitoisuuden funktiona *) Ternimaito- Kapselien teoreet- **) ELISA-tiitteri jauhepitoisuus tinen ELISA-tiitte- kuitususpensiossa ri (%) _ 0,2 1 900 1 500 2 15 000 10 700 4 23 400 16 500 6 29 300 20 000 8 33 300_ 21 000_ *) Kapselien valmistuksessa käytettävän hydratointisuspen-sion ternimaitojauhepitoisuus **) kolmen tunnin puskurihydratoinnin jälkeen määritetty kapseleissa olevan vasta-aineen aktiivisuus ilmoitettuna ELISA-tiiteriarvona

Esimerkki 4.

Esimerkin 2 mukaan valmistettuja ja kuivattuja kapseleita, joiden bakteeripitoisuudet vaihtelivat, käsiteltiin 37°C:s-sa suolahappo-pepsiiniliuoksessa {0,1 mg / ml pepsiiniä) yksi tunti ravistelussa ja siirrettiin emäksiseen puskuriin (50 mM Na2C03 - NaHC03 pH 9,2 tai 10 mM Na2HP04 - NaH2P04 pH

7,4, joissa oli pankreatiinia 0,1 mg / ml), jolloin kapselit hydratoituivat uudelleen. Hydratoituneista kapselisus-pensioista määritettiin elävien bakteerien määrät.

Taulukoihin 5, 6 ja 7 on koottu Lactobacillus fermentum:ia, Enterococcus faecium:ia tai Lactobacillus GG:ia eri pitoisuuksia sisältävien kapselien elävien bakteerisolujen määrät .

li 9 92135

Taulukko 5. Kapseleissa olevien elävien Lactobacillus fer-mentum -bakteerien määrät mitattuna yhden vuorokauden 50 mM Na2C03 - NaHC03 pH 9,2 puskuri-pankreatiiniliuoksella suoritettujen uudelleenhydratointikokeiden jälkeen, joita ennen kapselit oli käsitelty 0,1 M:11a HCl-pepsiiniliuoksilla yksi tunti ravistelussa *) Bakteeripitoisuus kui- 1 2) Bakteerien tususpensiossa määrä kapseleissa (%) (kpl / g kakok) (kpl / g kakok) 0,2 1,7 x 108 1, 5 x 108 2 1,3 x 109 5,1 x 109 4 2,1 x 109 2,5 x 109 6 2,6 x 109 2, 6 x 1010 _8_ 3,1 x 109 3,7 x 1010 *) Kapselien valmistuksessa käytetyn hydratoidun suspension bakteeripitoisuus **) Bakteerien määrä on mitattu yhden vuorokauden 37°C:n uudelleenhydratoinnin jälkeen

Taulukko 6. Kapseleissa olevien elävien Enterococcus fae-cium -bakteerien määrät mitattuna kolmen tunnin tai yhden vuorokauden 50 mM Na2C03 - NaHC03 pH 9,2 puskuri-pankreatiiniliuoksella suoritettujen uudelleenhydratointikokeiden jälkeen, joita ennen kapselit oli käsitelty eri HCl-pepsiiniliuoksilla yksi tunti ravistelussa *) Bakteeripitoisuus CHC1 2) Bakteerien mää- kuitususpensiossa rä kapseleissa (%) (kpl / g kakok) (M) (kpl / g kakok) ==^=====_=======__3_h_1 d 0,2 2,1 x 1010 0,01 3,8 x 109 0,1 1,5x10® 2 1,6 x 1011 0,01 5,6 x 1010 0,1 1,2 x 109 4 2,5 x 1011 0,1 5, 0 x 109 6 3,2 x 1011 0,1 7,8 x 109 8 3,6 x 10“ 0,1 5,7 x 109

Kapselien valmistuksessa käytettävän hydratointisuspen-sion bakteeripitoisuus 2

Bakteerien määrä on mitattu kolmen tunnin tai yhden vuorokauden 37°C:n uudelleenhydratoinnin jälkeen ίο 921 35

Taulukko 7. Kapseleissa olevien elävien Lactobacillus GG -bakteerien määrät mitattuna 50 mM Na2C03 - NaHC03 pH 9,2 puskuri-pankreatiiniliuoksella suoritettujen uudelleenhyd-ratointikokeiden jälkeen.

*) Bakteeripitoisuus kui- **) Bakteerien tususpensiossa määrä kapseleissa (%) (kpl / g kakok) (kpl / g kakok) 0,2 2,8 x 1010 7,8 x 108 2 2,1 x 1011 1,9 x 109 4 3,4 x 10n 2,4 x 109 6 4,3 x 10u 7,6 x lO10

_8_ 4,8 x 1011 1,9 x 101Q

*) Kapselien valmistuksessa käytetyn hydratoidun suspension bakteeripitoisuus **) Bakteerien määrä on mitattu yhden vuorokauden 37°C:n uudelleenhydratoinnin jälkeen

Esimerkki 5.

Kapselien valmistus suoritetaan kuten esimerkissä 1, mutta kiinteytys suoritetaan kylmässä vedessä (0 - 4°C) tai nes-tetypen avulla joko Na-alginaatin läsnäollessa tai ilman. Kapselinmuodostuskyky vastasi esimerkin 1 taulukon 2 esitettyjä tuloksia.

<

Esimerkki 6.

Esimerkeissä 1,2 ja 3 valmistettujen kapselien koostumusta vaihdeltiin siten, että β-glukaanipitoisuus oli 0,5 % - 2 % ja Na-alginaattipitoisuus 0,5 % - 3 %. Näillä seossuh-teilla kapselien muodostuskyky vastasi esimerkin 1 taulukon 2 arvoja. Edellä mainituilla seossuhteilla CaCl2 -konsent-raatiota vaihdettiin 10 mM - 1 M välillä ilman, että kapse-linmuodostuskyvyissä havaittiin eroja.

II

Claims (4)

1. Menetelmä elintarvikkeiden, rehujen, lääkeaineiden tai teknokemiallisten tuotteiden kapseloimiseen tarkoitettujen kauran beta-glukaania sisältävien kapselien valmistamiseksi tunnettu siitä, että kauran vähintäin 14 % beta-glukaania sisältävä aineosa sekoitetaan beta-glukaanin suhteen 0.5 - 1.5 % seokseksi veteen, jonka pH arvo on säädetty emäksiseksi karbonaatti-emäksillä ja näin saatu hydratoitunut suspensio kiinteytetään siirtämällä se kalsium-ioneja sisältävään vesiliuokseen, jää-vesiliuokseen tai nestetyppeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnet-t u siitä, että kapseloitava aine sekoitetaan kauran beta-glukaania sisältävään aineosaan ennen hydratointia tai hydratoinnin jälkeen.

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että lähtöaineisiin lisätään natriumal-ginaattia niin, että hydratoitunut suspensio sisältää 0.5 - 1 % natriumalginaattia.

4. Patenttivaatimusten 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kapseloitavana aineena käytetään mikro-organismia tai proteiinia. 12 921 ό5