PL216932B1

PL216932B1 - Sposób wytwarzania kapsułek z hydrofilowym rdzeniem i polimerową otoczką

Info

Publication number: PL216932B1
Application number: PL393261A
Authority: PL
Inventors: Piotr Garstecki; Marcin Izydorzak
Original assignee: Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-05-30
Also published as: PL393261A1; GB201121169D0; GB2486945A; GB2486945B

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kapsułek z hydrofilowym rdzeniem i polimerową otoczką, obejmujący etap wkraplania do roztworu złożonych, trzywarstwowych kropli, przy czym warstwa zewnętrzna utworzona jest z wodnego roztworu polimeru, warstwa pośrednia jest warstwą olejową, zaś rdzeń kropli jest hydrofilowy. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy sposobu otrzymywania tzw. „sztucznego kawioru” w postaci kapsułek lub mini-kapsułek, składających się z otoczki i rdzenia.

Kapsułki wytworzone opisaną metodą mogą być szczególnie przydatne w spożywczych zastosowaniach przemysłowych. W wypełnieniu kapsułki mogą być rozpuszczone lub zawieszone dodatkowe substancje zapewniające właściwy smak, zapach itp.

W związku z rosnącą tendencją zmierzającą w kierunku ochrony środowiska naturalnego oraz wyczerpywaniem się naturalnych zasobów ryb poszukiwano sposobów odtworzenia pożywnej przekąski jaką jest kawior. W stanie techniki znane są sposoby wytwarzania sztucznego kawioru. Są to sposoby polegające na wytworzeniu kapsułek polimerowych z wodno-olejowym wypełnieniem. W szczególności np. w opisie patentowym USA nr 4,202,908 lub US 3,717,469 prezentowany jest sposób polegający na:

• przygotowaniu rdzenia poprzez wkroplenie roztworu wodnego żelatyny (zwykle żelatyny z dodatkiem innych substancji np. białek) do oleju, przy czym olej umieszczony jest w naczyniu umożliwiającym oddziaływanie gradientu temperatury od 40 do 5 stopni Celsjusza;

• przemywaniu (płukaniu) rdzenia;

• pokrywaniu uprzednio przygotowanego rdzenia kolejnymi powłokami poprzez kąpiele w roztworach polimerów i roztworach zawierających czynniki żelujące.

Jest to metoda wieloetapowa i w oczywisty sposób czasochłonna, i złożona. Ze względu na zastosowanie gradientu temperatury - grzanie i chłodzenie łącznie - wymaga również wysokich nakładów energetycznych.

Drugi sposób zaprezentowany np. w opisie patentowym nr US 4,375,481 prowadzi do uzyskania kapsułek bądź kapsułek wielokrotnych lepiej imitujących kawior.

Metoda polega na przetłaczaniu różnych płynów, w tym co najmniej dwóch roztworów polimerów, przez zestaw współosiowych rurek. Utworzoną wielowarstwową kroplę wprowadza się do kąpieli zawierającej jony metali (np. wapnia) W zależności od stopnia komplikacji prezentowanych układów ilość dysz zmienia się od dwóch do pięciu. Zewnętrzna warstwa żelowana jest zawsze w kąpieli z jonami metali, a wewnętrzna żelowana fizycznie (a nie jonami) np. temperaturą.

Sposób ten, pomimo że składa się z mniejszej ilości etapów nie jest całkowicie pozbawiony wad. Jedną z nich, w dotychczas znanych rozwiązaniach, jest konieczność stosowania w rdzeniu jednego lub więcej polimerów. Często stosuje się żelatynę; jest to substancja, wytwarzana z kości i chrząstek pochodzenia zwierzęcego (głównie świni domowej). W związku z tym produkty zawierające żelatynę nie mogą być stosowane przez niektóre osoby ze względów religijnych lub dietetycznych. Kapsułki takie mają również inne wady: nie imitują dostatecznie kawioru, ze względu na czysto olejowy rdzeń oraz wygląd - kolejne warstwy mają symetrię sferyczną. Rdzeń olejowy znajduje się w centrum kapsułki.

Kolejnym sposobem wytwarzania sztucznego kawioru jest zastosowanie emulsji lub wprost fazy olejowej zawierających sole wapnia. I tak np. w opisie nr US 4,702,921 zaprezentowano sposób wytwarzania kawioru dużo bardziej zbliżonego do naturalnego, zawierającego wypełnienie olejowo-wodne, przy czym faza olejowa nie znajduje się w centrum kropli, ale przy ściance otoczki. Autorzy wynalazku uzyskują w ten sposób kapsułkę, lepiej odwzorowującą naturalny kawior niż znano ze stanu techniki. Efekt uzyskuje się trójetapowo:

1. Wytworzenie emulsji składającej się z lepkiego płynu - roztwór wodny polimeru(ów), soli wapnia i oleju.

2. Wytworzenie kapsuł poprzez wkroplenie emulsji do roztworu alginianu sodu.

3. Separacja faz w gotowej kapsułce poprzez oddziaływanie temperatury.

PL 216 932 B1

Alternatywny sposób separacji faz to działanie amylazy na skrobię. Proces przedstawia się następująco:

1. Wytworzenie emulsji składającej się z lepkiego płynu - roztwór wodny polimeru(ów) m.in. skrobi, soli wapnia i oleju.

2. Wytworzenie kapsuł poprzez wkroplenie emulsji do roztworu alginianu sodu.

3. Separacja faz w gotowej kapsułce poprzez działanie amylazy.

Obydwa procesy są mało ekonomiczne i złożone. Pierwszy, ze względu na zastosowanie temperatury wymaga również wysokich nakładów energetycznych, drugi dodatkowych odczynników - skrobi i amylazy. W obydwu powyższych przykładach formuje się zawsze jednakowe, co do rozmiaru, krople. Możliwa jest jedynie manipulacja składem kropli, poprzez zwiększenie lub zmniejszenie udziału jednego ze składników. Zawsze jednak wymiar zewnętrzny kropli determinowany jest przez zadane średnice rurek. Nie można za pomocą powyższych rozwiązań, zmienić wielkości kropli inaczej, jak poprzez zmianę układu i zastosowanie rurek o innych średnicach. Jest to istotna komplikacja technologiczna.

Problemem pozostaje więc wytworzenie kapsułek doskonale imitujących kawior, w sposób prosty i nie wymagający wysokich nakładów energii. Jednocześnie problemem jest wytworzenie takich kapsułek bez dodatkowych, niepotrzebnych z kulinarnego punktu widzenia składników. Problemem jest również brak rozwiązania, umożliwiającego łatwe sterowanie rozmiarem kropli niezależnie od zastosowanych średnic rurek.

W sposób nieoczekiwany okazało się, że dzięki metodzie według wynalazku, udaje się wytworzenie kapsułek znakomicie imitujących kawior, przy czy proces jest prosty, jednoetapowy i nie wymaga istotnych nakładów energetycznych. Rdzeń kapsułki jest hydrofilowy i zawiera kroplę oleju.

Wynalazcy odkryli, że kropla oleju może, przemieścić się w pobliże otoczki kapsuły, bez konieczności zastosowania temperatury, czy specjalnych, dodatkowych substancji jak amylaza. Dalej okazało się, że opatrzenie układu do formowania kapsułek kolejną rurką, o największej średnicy i współosiowej z pozostałymi, umożliwia tworzenie kropli o jednakowym składzie, a coraz mniejszych rozmiarach. Okazało się też, że ogniskowanie płynem przepływającym przez czwartą zewnętrzną rurkę pozwala na płynne manipulowanie rozmiarem kapsułek, bez konieczności wymiany i montowania nowego układu rurek, o innych średnicach.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania kapsułek z hydrofilowym rdzeniem i polimerową otoczką, obejmujący etap wkraplania do roztworu złożonych, trzywarstwowych kropli, przy czym warstwa zewnętrzna utworzona jest z wodnego roztworu polimeru, warstwa pośrednia jest warstwą olejową, zaś rdzeń kropli jest hydrofilowy, charakteryzuje się tym, że wspomniane trzywarstwowe krople formuje się poprzez przetłoczenie płynów przez dyszę zawierającą cztery współosiowe rurki, przy czym przez wewnętrzną rurkę tłoczy się wodę, rozwór wodny bądź zawiesinę wodną, przez kolejną rurkę tłoczy się olej lub roztwór olejowy, przez kolejną rurkę tłoczy się roztwór wodny polimeru, zaś przez zewnętrzną rurkę tłoczy się płyn sterujący formowaniem wspomnianych trzywarstwowych kropli.

Korzystnie, wspomniany roztwór wodny lub zawiesina wodna jest roztworem lub zawiesina substancji o charakterystycznym smaku lub zapachu.

Korzystnie, wspomniany roztwór olejowy jest roztworem substancji smakowo-zapachowych.

Korzystnie, wspomnianym olejem jest dowolny olej jadalny, dopuszczony do obrotu w przemyśle spożywczym, korzystniej jest to olej wybrany z grupy obejmującej oliwę z oliwek, oliwę z nasion, olej rzepakowy, olej sojowy, olej słonecznikowy i ich mieszaniny. W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, jest to olej nierafinowany.

Wspomnianym polimerem może być dowolny polimer jadalny, dopuszczony do obrotu w przemyśle spożywczym, który ma zdolność do żelowania, pod wpływem odczynników chemicznych, takich jak jony metali dopuszczonych do spożycia przez człowieka. Przykładem takich polimerów, nieograniczającym wynalazku, są: kwas alginowy, alginian sodowy, alginian propyleno-glikolu, pektyna, pektyna amidowana, kolagen lub gumy roślinne takie jak: guma guar, guma arabska etc. Jako wspomniany polimer można zastosować mieszankę dwóch lub więcej polimerów.

W jednym z wariantów wynalazku, wspomnianym płynem sterującym jest gaz, korzystnie powietrze.

Do przetłaczania można używać dowolnych, znanych w stanie techniki pomp, jak: pompy perystaltyczne, tłokowe, strzykawkowe lub, korzystnie, przetłacza się ciecze pod ciśnieniem.

W układzie z pojedynczą dyszą stosuje się przepływy płynów od 1 do 100 ml/h, korzystnie od 2 do 50 ml/h, a najkorzystniej od 3 do 35 ml/h. W układzie wielodyszowym zaprojektowanym zgodnie z wynalazkiem wartości przepływu mnożą się proporcjonalnie do ilości dysz.

PL 216 932 B1

Zgodnie z wynalazkiem nadciśnienie płynu formującego krople dobiera się tak, aby uzyskać pożądaną wielkość kropli od wielkości 10 milimetrów do kilku dziesiątych milimetra.

Korzystnie nadciśnienie wynosi od 0 kPa do 300 kPa, korzystniej od 0 kPa do 150 kPa, a najkorzystniej od 0 kPa do 50kPa.

Korzystnie, uzyskuje się krople o średnicy od 0,1 mm do 20 mm.

Krople o wymiarach od poniżej 1 mm do powyżej 10 mm korzystnie poddaje się następnie żelowaniu za pomocą czynnika sieciującego chemicznie, korzystnie zawierającego jony metali.

Korzystnie, wspomniany etap żelowania polega na kąpieli w czynniku sieciującym, korzystnie przeprowadzanej w osobnym pojemniku.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomnianym czynnikiem sieciującym są jony metali, korzystnie żelaza, glinu, magnezu, jeszcze korzystniej cynku, a najkorzystniej wapnia.

Korzystnie wspomniane jony metali wprowadza się do roztworu w postaci soli rozpuszczalnych w wodzie, korzystnie w stężeniu od 0,2% wagowych do 2% wagowych, a jeszcze korzystniej od 0,5% wagowych do 1,5% wagowych.

Zgodnie z wynalazkiem czas etapu żelowania korzystnie wynosi od 6 sekund do 300 minut, korzystniej od 1 minuty do 50 minut, a najkorzystniej od 2 minut do 10 minut.

Korzystnie, podczas wspomnianej kąpieli czynnik sieciujący jest mieszany z prędkością obrotową od 50 do 1000 obrotów/min; korzystniej między 100 a 300 obrotów/min.

W trakcie żelowania dochodzi do utworzenia kapsułek o charakterystycznym - doskonale imitującym kawior - wyglądzie.

Zżelowane kapsułki poddaje się suszeniu znanym ze stanu techniki sposobem np. w suszarce półkowej lub też korzystnie, pozostawia się do wyschnięcia na powietrzu.

Kapsułki można przechowywać w szczelnych pojemnikach w zalewie wodnej lub olejowej. Temperatura przechowywania wynosi od 4°C do 30°C.

Wynalazek i jego zastosowanie zostały zilustrowane w przykładach wykonania na załączonych rysunkach, na których:

Fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny układu współosiowych rurek, tworzących dyszę, w której formuje się wielowarstwowa kropla. Poszczególne rurki zawierają płyny odpowiadające kolejnym warstwom kropli. Płyn A znajdujący się w wewnętrznej rurce formuje rdzeń kropli, płyn B znajdujący się w kolejnej, pośredniej rurce formuje warstwę pośrednią, a płyn C znajdujący się w zewnętrznej rurce formuje warstwę zewnętrzną kropli. Płyn D znajdujący się w najbardziej zewnętrznej rurce odpowiada za uformowanie całej wielowarstwowej struktury w kroplę o odpowiedniej wielkości,

Fig. 2A przedstawia przekrój poprzeczny uformowanej wielowarstwowej kropli, gdzie obszar A utworzony z płynu A stanowi rdzeń kropli, obszar B uformowany z płynu B stanowi pośrednią warstwę kropli, a zewnętrzna warstwa kropli C uformowana z płynu C stanowi otoczkę kropli, zaś

Fig. 2B przedstawia przekrój poprzeczny uformowanej kapsułki, o wyglądzie doskonale imitującym kawior, gdzie obszar A, utworzony z płynu A, stanowi rdzeń kapsułki, obszar B, uformowany z płynu B, stanowi nie-centrycznie położoną kroplę we wnętrzu kapsułki, a zewnętrzna warstwa kropli C, uformowana z płynu C, stanowi otoczkę kapsułki.

Korzystne przykłady realizacji wynalazku

P r z y k ł a d 1

Przez wielokrotną dyszę składającą się z 4-ch współosiowych rurek o średnicach zewnętrznych kolejno A) 0,9 mm, B) 3,0 mm, C) 5,0 mm i D) 8,0 mm przetłoczono jednocześnie:

Płyn A) świeżo wciśnięty sok cytrynowy z prędkością 40 ml/h, płyn B) oliwa z oliwek z prędkością 20 ml/h i płyn C) 1% roztwór alginianu sodu z prędkością 35 ml/h, nadciśnienie gazu D) w najbardziej zewnętrznej rurce wynosiło 0 kPa.

Utworzone w dyszy krople, o średnicy zewnętrznej ok. 6 mm, zbierano w naczyniu o pojemności 400 ml zawierającym 1% roztwór chlorku wapnia. Po 10 minutach pracy przepływ zatrzymano i uformowane kapsuły mieszano jeszcze przez 3 minuty. Następnie kapsułki odsączono i przemyto kilkakrotnie wodą. Pozostawiono do wysuszenia na powietrzu przez 1 godzinę. Tak przygotowane kapsułki, o wyglądzie doskonale imitującym kawior, nadają się wprost do użycia lub mogą być przechowywane w zalewie wodnej lub olejowej.

P r z y k ł a d 2

PL 216 932 B1

Płyn A) świeżo wykonany ekstrakt z wędzonego łososia z prędkością 40 ml/h, płyn B) olej rzepakowy 10 ml/h i płyn C) 1% roztwór alginianu sodu z prędkością 35 ml/h. Jako płyn D) zastosowano powietrze, nadciśnienie gazu w rurce D) wynosiło 20 kPa.

Utworzone w dyszy krople, o średnicy zewnętrznej ok. 5 mm zbierano w naczyniu o pojemności 400 ml zawierającym 1,5% roztwór mleczanu wapnia. Po 10 minutach pracy przepływ zatrzymano i uformowane kapsuły mieszano jeszcze przez 5 minut. Następnie kapsułki odsączono i przemyto kilkakrotnie wodą. Pozostawiono do wysuszenia na powietrzu. Tak przygotowane kapsułki, o wyglądzie i zapachu doskonale imitującym kawior, nadają się wprost do użycia lub mogą być przechowywane w zalewie wodnej lub olejowej.

P r z y k ł a d 3

Płyn A) syrop malinowy z prędkością 40 ml/h, płyn B) olej sojowy z prędkością 5 ml/h i płyn C) 1% roztwór alginianu sodu z prędkością 30 ml/h. Jako płyn D) zastosowano powietrze, nadciśnienie gazu w rurce D) wynosiło 50 kPa.

Trzywarstwowe krople o średnicy zewnętrznej ok. 4 mm zbierano w naczyniu o pojemności 400 ml zawierającym 2,0% roztwór chlorku wapnia. Po 30 minutach pracy przepływ zatrzymano i uformowane kapsuły mieszano jeszcze przez 10 minut. Następnie kapsułki odsączono i przemyto kilkakrotnie wodą. Pozostawiono do wysuszenia na powietrzu. Tak przygotowane kapsułki, o wyglądzie doskonale imitującym kawior, nadają się wprost do użycia lub mogą być przechowywane w zalewie wodnej lub olejowej.

P r z y k ł a d 4

Płyn A) sos pomidorowy z prędkością 40 ml/h, płyn B) oliwa z oliwek prędkością 10 ml/h i płyn C) roztwór 1% alginianu sodu i 1% pektyny amidowanej z prędkością 40 ml/h. Jako płyn D) zastosowano powietrze, nadciśnienie gazu w rurce D) wynosiło 10 kPa.

Trzywarstwowe krople o średnicy zewnętrznej ok. 6 mm zbierano w naczyniu o pojemności 400 ml zawierającym 2,0% roztwór chlorku wapnia. Po 30 minutach pracy przepływ zatrzymano i uformowane kapsuły mieszano jeszcze przez 5 minut. Następnie kapsułki odsączono i przemyto kilkakrotnie wodą. Pozostawiono do wysuszenia w suszarce w temp. 40°C przez 1 godzinę. Tak przygotowane kapsułki, o wyglądzie doskonale imitującym kawior, nadają się wprost do użycia lub mogą być przechowywane w zalewie wodnej lub olejowej.

P r z y k ł a d 5

Wykonano kapsułki zgodnie z procedurą przedstawioną w przykładzie 4, z tym, że w jako płyn C) tłoczono roztwór 1% alginianu sodu i 3% pektyny amidowanej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania kapsułek z hydrofilowym rdzeniem i polimerową otoczką, obejmujący etap wkraplania do roztworu złożonych, trzywarstwowych kropli, przy czym warstwa zewnętrzna utworzona jest z wodnego roztworu polimeru, warstwa pośrednia jest warstwą olejową, zaś rdzeń kropli jest hydrofilowy, znamienny tym, że wspomniane trzywarstwowe krople formuje się poprzez przetłoczenie płynów przez dyszę zawierającą cztery współosiowe rurki, przy czym przez wewnętrzną rurkę tłoczy się wodę, rozwór wodny bądź zawiesinę wodną, przez kolejną rurkę tłoczy się olej lub roztwór olejowy, przez kolejną rurkę tłoczy się roztwór wodny polimeru, zaś przez zewnętrzną rurkę tłoczy się płyn sterujący formowaniem wspomnianych trzywarstwowych kropli.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomniany roztwór wodny lub zawiesina wodna jest roztworem lub zawiesina substancji o charakterystycznym smaku lub zapachu.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wspomniany roztwór olejowy jest roztworem substancji smakowo-zapachowych.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wspomnianym olejem jest dowolny olej jadalny, dopuszczony do obrotu w przemyśle spożywczym.

PL 216 932 B1
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że wspomnianym olejem jest olej wybrany z grupy obejmującej oliwę z oliwek, oliwę z nasion, olej rzepakowy, olej sojowy, olej słonecznikowy i ich mieszaniny.
6. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że wspomnianym olejem jest olej nierafinowany.
7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że wspomniany roztwór wodny polimeru jest roztworem dowolnego polimeru jadalnego, dopuszczonego do obrotu w przemyśle spożywczym, który ma zdolność do żelowania pod wpływem odczynników chemicznych dopuszczonych do spożycia przez człowieka.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że wspomniany polimer wybrany jest z grupy obejmującej kwas alginowy, alginian sodowy, alginian propyleno-glikolu, pektynę, pektynę amidowaną, kolagen, gumy roślinne, gumę guar, gumę arabską i ich mieszaniny.
9. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że wspomnianym płynem sterującym jest gaz.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wspomnianym płynem sterującym jest powietrze.
11. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że do tłoczenia wspomnianych płynów stosuje się pompy perystaltyczne, tłokowe, strzykawkowe lub używa się podwyższonego ciśnienia.
12. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że stosuje się przepływy płynów przez pojedynczą dyszę od 1 ml/h do 100 ml/h, korzystnie od 2 ml/h do 50 ml/h, a najkorzystniej od 3 ml/h do 35 ml/h.
13. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że stosuje się nadciśnienie płynu sterującego od 0 kPa do 300 kPa, korzystniej od 0 kPa do 150 kPa, a najkorzystniej od 0 kPa do 50 kPa.
14. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że uzyskuje się krople o średnicy od 0,1 mm do 20 mm.
15. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że dodatkowo obejmuje etap żelowania wspomnianych kropli za pomocą czynnika sieciującego chemicznie, korzystnie zawierającego jony metali.
16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że wspomniany etap żelowania polega na kąpieli w czynniku sieciującym, korzystnie przeprowadzanej w osobnym pojemniku.
17. Sposób według zastrz. 15 albo 16, znamienny tym, że wspomnianym czynnikiem sieciującym są jony metali, korzystnie żelaza, glinu, magnezu, jeszcze korzystniej cynku, a najkorzystniej wapnia.
18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że wspomniane jony metali wprowadza się do roztworu w postaci soli rozpuszczalnych w wodzie, korzystnie w stężeniu od 0,2% wagowych do 2% wagowych, a jeszcze korzystniej od 0,5% wagowych do 1,5% wagowych.
19. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 15 do 18, znamienny tym, że czas etapu żelowania wynosi od 6 sekund do 300 minut, korzystniej od 1 minuty do 50 minut, a najkorzystniej od 2 minut do 10 minut.
20. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 16 do 19, znamienny tym, że podczas wspomnianej kąpieli czynnik sieciujący jest mieszany z prędkością obrotową od 50 do 1000 obrotów/min; korzystniej między 100 a 300 obrotów/min.