WO2004091770A1 - Verkapselungssystem - Google Patents

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WO2004091770A1
WO2004091770A1 PCT/CH2004/000235 CH2004000235W WO2004091770A1 WO 2004091770 A1 WO2004091770 A1 WO 2004091770A1 CH 2004000235 W CH2004000235 W CH 2004000235W WO 2004091770 A1 WO2004091770 A1 WO 2004091770A1
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encapsulation system
polysaccharide
encapsulation
matrix
active ingredient
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PCT/CH2004/000235
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English (en)
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Inventor
Rolf Müller
Federico Innerebner
Original Assignee
Innogel Ag
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Publication date
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Priority to EP04727809A priority patent/EP1613423A1/de
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/02—Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/06—Making microcapsules or microballoons by phase separation
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
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    • A01N25/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
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    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J13/02—Making microcapsules or microballoons
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    • A61K47/00—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient
    • A61K47/30—Macromolecular organic or inorganic compounds, e.g. inorganic polyphosphates
    • A61K47/36—Polysaccharides; Derivatives thereof, e.g. gums, starch, alginate, dextrin, hyaluronic acid, chitosan, inulin, agar or pectin

Definitions

  • the invention describes encapsulation systems consisting of particles consisting of a matrix or shell and a phase enclosed therein, the shell being able to be obtained from very low-viscosity, highly concentrated solutions or melts with a varying crystalline fraction and with a varying network density.
  • the encapsulation system is suitable for the encapsulation of medium to low-viscosity liquids, in particular of hydrophobic active ingredients such as, for example.
  • Aromas, fragrances and active pharmaceutical ingredients and, compared to previous encapsulation systems, allows a significantly increased scope of the process parameters, more stable envelopes of the encapsulation systems and a targeted influence on the release characteristics.
  • Flavors and fragrances are usually relatively thin oily liquids, but this condition is unsuitable for many industrial applications. Processes for the encapsulation of these substances have therefore been developed, as a result of which they can be converted into a solid, easily metered form which is readily miscible with other components and, in addition, protection of the sensitive active substances can be obtained. These active ingredients are to be protected from the atmosphere, in particular from oxygen, since oxidation or the like. can lead to rancidity and, conversely, escape of the active substances from the encapsulation system should be prevented as completely as possible. In the case of aromas and fragrances, the loss of even the smallest fraction can have a massive impact on quality, especially the so-called and beloved top notes, which make the active ingredient attractive, are lost too quickly.
  • An encapsulation system is ideally expected to have this form of consistent quality over a longer period of time, to be stable during a storage period and during transport, later processing steps such as preparation with other components, whereby the particles are solid to liquid substances, temperature, pressure and can be subjected to shear forces, can pass through unimpaired and the active substance is released exactly when the consumer expects it and in particular is released in a manner that the consumer desires.
  • a soup or should then fully develop its aroma when it is served and does not lose its charm while cooking, chewing gum should keep freshness and taste over a longer period of time and not become unattractive after a minute. Fragrances are also expected to please us freshly and pleasantly over a longer period of time. The release of the active ingredient from the particle should therefore be able to take place in a controlled manner, the spectrum of the requirements ranging from fast and intensive to slow and constant.
  • the matrix or coating materials mentioned are extremely hydrophilic, so that their water content increases with the air humidity and tackiness arises, which leads to lump formation and impairment of the free-flowing properties.
  • Other problems with standard technology are that the emulsions have very high water content have to be evaporated, the often heat-sensitive active ingredients suffering or escaping and porosity arises.
  • the high water content of the emulsions is due to the fact that the generally low viscosity of the dispersed phase of the active ingredient in emulsions must be of the same order of magnitude in comparison with the viscosity of the matrix. Since the matrix consists of a solution or melt of polysaccharides, i.e. macromolecules, their viscosity is comparatively high.
  • polysaccharides and sugars As with most previous encapsulation systems, a matrix consisting of polysaccharides and sugars is obtained.
  • the polysaccharides used differ from the polysaccharides used hitherto in that they partially crystallize and form networks in that various crystallites are connected to one another by macromolecule segments.
  • the property for forming networks or gels is a typical property of many polysaccharides, but longer-chain polysaccharides are required for this, which have at least a proportion of linear chain segments. With the chain length, however, the viscosity of aqueous solutions and melts of such polysaccharides increases disproportionately, while the encapsulation technologies require the lowest possible viscosity.
  • the encapsulation systems according to the invention have the common feature that the matrix has at least one specific type of polysaccharides.
  • a polysaccharide P1 which has a low degree of branching, is most preferably completely linear and has a degree of polymerization DP> 7 and ⁇ 100, preferably ⁇ 70, more preferably ⁇ 50, most preferably ⁇ 30.
  • Such polysaccharides can crystallize very well.
  • the solutions bsw. at a DP of 50 even very low at concentrations of 50% and more Viscosities and they are at least metastable at moderate temperatures.
  • setting low viscosities of the matrix is unproblematic even at high concentrations, ie with advantageously low water contents.
  • the polysaccharide P1 crystallizes in the form of nano- and microcrystallites, which agglomerate and form a shell around the enclosed active ingredient phase.
  • the sorption isotherm of the nano- and microcrystalline agglomerates is much flatter than the sorption isotherms of predominantly amorphous polysaccharides, with increasing humidity, much less water is absorbed and no stickiness occurs even at very high humidity levels.
  • the agglomerates of the nano- and microscrystallites disintegrate, which releases the active ingredient.
  • the atmosphere and active ingredient are largely determined by the parameters of the drying process of the aqueous matrix, in particular the temperature and the drying speed, on the other hand, the use of other substances can be used to influence it, which enables specific control of the quality of the encapsulation systems. These other substances are divided into three groups.
  • At least one further polysaccharide P2 can be used for the matrix having at least one polysaccharide P1, which is preferably short-chain, that is to say low-viscosity in the solution or melt, such as, for example.
  • Dextrins or maltodextrins with a correspondingly high dextrose equivalent DE and is characterized in that it forms a predominantly amorphous phase in the solid state.
  • the polysaccharide P2 for example, From the range of polysaccharides previously used for encapsulation systems, those types are selected which are preferred with regard to the requirement for a low viscosity of the matrix in the state of the solution or melt.
  • phase separation of P1 and P2 takes place at least partially in the matrix.
  • the extent of phase separation depends on the structure sizes of P2, on the ratio of the molecular weights of P1 and P2, and on the drying parameters.
  • a high irregularity of the steric structure of P2, such as a high degree of branching, the bsw. with dextrins can be »5% or modifications such as substitution of hydroxyl groups, a large difference in molecular weights and a low drying rate promote phase separation, which can be controlled using these parameters.
  • a portion of an amorphous phase consisting of P2 is obtained.
  • This proportion can be determined by the recipe with the proportion A2 to P2.
  • the compactness of the particle shell can be positively influenced by lowering the porosity of the nano- and microcrystalline agglomerates of P1 and the amorphous phase acting as an adhesive between P1 crystallites and crystallite agglomerates.
  • the sensitivity of the matrix to temperature and humidity increases with the proportion of P2.
  • polysaccharides can be included in crystallites of P1, but sequences S2 of P2 are preferably incorporated regularly into the crystallites of P1.
  • the condition for this is the presence of sequences S2 with a degree of polymerization DP> 7, preferably> 10, more preferably> 12, these sequences being linear, composed of the same monomer units as P1 and not modified.
  • This condition is for bsw. fulfilled by many dextrins and maltodextrins, whereby the sequences mostly represent regular side chains.
  • the part of the P2 macromolecule leading away from the side chain or the two parts of P2 leading away from the sequence S2 are then components of the amorphous phase consisting of further macromolecules P2.
  • At least one further polysaccharide P3 can be used for the matrix having at least one polysaccharide P1, optionally at least one second polysaccharide P2, which is characterized in that it has a sequence with DP> 100 and / or at least two sequences of the type S2.
  • P3 can thus be a long chain amylose (LCA) with DP> 100 or a dextrin or maltodextrin with at least two side chains of type S2.
  • LCA long chain amylose
  • the relationships explained above can also be applied analogously to mixtures of P1 and P3, apart from an essential difference.
  • the stability to the temperature and the humidity is increased in systems containing a polysaccharide P3 in addition to the polysaccharide P1 compared to systems containing a polysaccharide P2 in addition to the polysaccharide P1, in particular with regard to the stickiness.
  • the properties of network matrices are in turn primarily determined by the drying conditions, in particular the drying speed, the degree of coupling decreasing with the same formulation as the drying speed increases.
  • the degree of coupling increases with the proportion of prerequisite sequences of P3.
  • gelling dextrins also meet the specified conditions. LCA is preferably used in small proportions, since solutions of it quickly become unstable with increasing concentration at moderate temperatures and, in addition, the viscosity increases disproportionately quickly at DP> 100.
  • Gelling dextrins form relatively stable solutions and melts even at high concentrations at moderate temperatures, but their molecular weight and thus their viscosity in the solution or melt is generally higher than the viscosity of non-gelling, conventional dextrins and their proportion must therefore be kept low ,
  • the P3 polysaccharides do not necessarily have to be able to gel with themselves, as is the case with LCA and gelling dextrins.
  • polysaccharides P1 are used and, in combination with dextrins and maltodextrins, which do not show any gelation even in high concentrations, advantageous networks can be obtained for the present invention of novel encapsulation systems, the outstanding feature of which is that they also consist of very low-viscosity solutions and melts with high concentrations of P1 and P2 and / or P3 can be obtained, the viscosity of which can be adjusted to a few cP at room temperature. So that the basic requirement regarding the viscosity in the production of emulsions, according to which the viscosities of the two phases must be of approximately the same order of magnitude must be met well.
  • the active ingredients used for the encapsulation typically have viscosities in the range of 0.1-100 cP at room temperature.
  • the statements regarding encapsulation systems are basically valid for any polysaccharides P1, P2 and P3, provided that they each belong to the same group or at least closely related groups of polysaccharides, meet the specified conditions and can be usefully used in solution or melt due to their low viscosity.
  • the polysaccharides P1, P2 and P3 are preferably selected from the range of starches, since the types required are commercially available in various grades, in particular also in food quality. In addition, these starches are significantly cheaper than other polysaccharides.
  • starches of the types P2 and P3 are also available, which are partially lipophilically modified (octenyl succinates), thus the emulsifier is already contained in the starch for the production of emulsions with oily active ingredients.
  • the encapsulation systems according to the invention are notable for high stability with respect to temperature and atmospheric humidity and with respect to the stress during processing with further components.
  • the stickiness of the particles can be significantly reduced and shifted to significantly higher atmospheric humidity, so that under most conditions measures to protect against moisture and / or temperature are no longer necessary or at least significantly facilitated.
  • the barrier effect of the matrix against the active ingredient can be increased compared to previous methods and can be optimized in a targeted manner due to the flexibility of the system.
  • the requirement for a very low viscosity of the aqueous solution or melt forming the matrix has massively restricted the scope of the formulation and process, this requirement even accommodates the circumstances of the invention in that the most important component of formulations according to the invention, the polysaccharide 1, naturally has a deep one Molecular weight in the range of mono- and oligomers and thus highly concentrated aqueous solutions from P1 to above 50% are possible at moderate temperatures in the range of a few cP. The scope for further components could thus be increased.
  • the use of higher molecular weight and higher viscous substances than previously customary has become possible, which gives the optimization of various other properties new degrees of freedom.
  • an encapsulation system can be set by means of the selection of P1 and / or P2 and the proportion of these polysaccharides in such a way that a developed network gives the particle shell greater strength and the solubility in water is reduced by the crystalline proportion.
  • a later thermal treatment such as. better protection of the aroma can then be ensured in a cooking extrusion process.
  • Networks of the matrix that are less developed are suitable, for example. for encapsulation systems from aromas in use for bag soups with an improved aroma experience by triggering the release of the aroma by optimizing the swelling time of the network forming the particle shell to the period after cooking. In this way, aroma intensity and freshness can be gained.
  • Matrices with a high degree of coupling and low degree of swelling are suitable, for example.
  • the degree of crosslinking of the matrix can even be increased to such an extent that release is not possible even after the particle shell has swelled, since the degree of swelling is too deep and the shell is too hard.
  • a matrix of 0.5 mm in diameter such as “Max-Trix” can even withstand digestion for about an hour.
  • the digestion time in the mouth can be varied over a wide range by controlling the Network density and particle size can be set.
  • the aroma set and a spectrum of a particle size distribution of the encapsulation system can thus produce a rapid aroma flash, which is followed by an increasingly surprising because of the unusually long lasting reverberation, in the end the aroma experience could say goodbye with a last wave.
  • the encapsulation material system according to the invention can be produced using the various existing manufacturing processes. Previous process limits can be expanded, improved protective properties of the active ingredient, more homogeneous distributions and / or higher loading levels can be achieved. In addition, new, simpler and cheaper methods can be used which, due to the viscosity problem, could previously only be used to a very limited extent, for example droplet granulation (Droppo method).
  • the condition for the viscosity of the emulsion is ⁇ 500 cP. This condition can easily be met with the emulsions used for the encapsulation systems according to the invention.
  • Another possibility for encapsulation opens up with the Centrifugal Extrusion Device bsw. described in US 3,015,128.
  • Short chain amylose with DP ⁇ 20 was dissolved in a concentration of 50% in one; with regard to advantageous solution methods, reference is made to patent application WO 03/035026 A2, which is hereby included.
  • the clear solution obtained was then brought to a temperature of 70 ° C., the viscosity was determined by pouring the solution through a funnel heated to 70 ° C. The flow time for 25 ml of the solution was 3.1 seconds. The flow time of water through the same funnel heated to 25 ° C was stopped at 1.8 seconds. From this, the known viscosity of water of 0.89cP at 25 ° C was obtained in good approximation for the viscosity of the solution of P1 with 0.89x (3.1 / 1.8) cP ⁇ 1.5cP.
  • the solution remained stable at 70 ° C for a few minutes, ie clear and transparent. Then cloudiness set in. As it cooled further, the solution became increasingly opaque and finally a white paste. By diluting this paste with water, crystallites and crystallite agglomerates could be seen under the microscope to be watched. The size of the crystallites decreased with increasing cooling rate.
  • solutions of various dextrins and maltodextrins as well as of octenyl succinates could sometimes be prepared at room temperature.
  • Potato starch, tapioca starch, waxy corn starch examined. The solutions were tempered at 60 ° C. and then cooled to 25 ° C. Analog solutions were produced with different proportions of solutions in SCA, the SCA solution being stirred into the P2 and / or P3 solution using a magnetic stirrer.
  • the corresponding starch derivatives could thus be identified as type 3 polysaccharides.
  • the gel formation times could be varied within a period of seconds to days by the proportion of SCA.
  • the gel formation times were also heavily dependent on the starch derivative, with the proportion of SCA remaining the same.
  • the gel formation times were shorter for starch derivatives with higher viscosity, but exceptions were also found for starch derivatives which showed structural properties that are advantageous for heterocrystallization with SCA.
  • the gels could also be obtained in a wide range of gel strengths, resulting in delicate gels that could already be damaged by touch and various intermediate stages up to gels with strengths in the range of 1 Pa.
  • the correlation between the SCA content of gels and their stickiness could be clearly determined, even with a water content of 50% practically no stickiness could be found with the stronger gels.
  • the digestion kinetics experiments were carried out with a standardized solution (Megazyme) of porcine pancreatic alpha amylase on dried particles ground to a range of grain sizes in a shaking bath at 37 ° C, the weight loss of the particles being examined as a function of the digestion time. As an extreme value, a weight loss of 50% was measured after around 4 hours with a grain size of 0.7 - 1.0mm. Overall, a clear correlation with the proportion of SCA and the gel strength was found.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt Verkapselungssysteme aus Partikeln bestehend aus einer Matrix oder Hülle und einer darin eingeschlossenen Phase, wobei die Hülle aus sehr niederviskosen, hochkonzentrierten Lösungen und Schmelzen mit variierendem kristal­linem Anteil und mit variierender Netzwerkdichte erhalten werden kann. Das Verkapse­lungssystem eignet sich für die Verkapselung von mittel- bis niederviskosen Flüssigkei­ten, insbesondere von hydrophoben Wirkstoffen wie bsw. Aromen, Duftstoffen und pharmazeutischen Wirkstoffen und erlaubt gegenüber bisherigen Verkapselungssyste­men einen deutlich vergrösserten Spielraum der Verfahrensparameter, stabilere Hüllen der Verkapselungssysteme und eine gezielte Einflussnahme auf die Release Charakte­ristik.

Description

Verkapselungssystem
Die Erfindung beschreibt Verkapselungssysteme aus Partikeln bestehend aus einer Matrix oder Hülle und einer darin eingeschlossenen Phase, wobei die Hülle aus sehr niederviskosen, hochkonzentrierten Lösungen oder Schmelzen mit variierendem kristallinem Anteil und mit variierender Netzwerkdichte erhalten werden kann. Das Verkapselungssystem eignet sich für die Verkapselung von mittel- bis niederviskosen Flüssigkeiten, insbesondere von hydrophoben Wirkstoffen wie bsw. Aromen, Duftstoffen und pharmazeutischen Wirkstoffen und erlaubt gegenüber bisherigen Verkapselungssyste- men einen deutlich vergrösserten Spielraum der Verfahrensparameter, stabilere Hüllen der Verkapselungssysteme und eine gezielte Einflussnahme auf die Release Charakteristik.
Stand der Technik
Aromen und Duftstoffe sind in der Regel relativ dünnflüssige ölige Flüssigkeiten, doch ist diese Zustandsform für viele industrielle Anwendungen ungeeignet. Daher wurden Verfahren zur Verkapselung dieser Stoffe entwickelt, wodurch sie in eine feste, einfach dosierbare und mit anderen Komponenten gut mischbare Form übergeführt werden und zusätzlich ein Schutz der empfindlichen Wirkstoffe erhalten werden kann. Dabei sollen diese Wirkstoffe vor der Atmosphäre, insbesondere vor Sauerstoff geschützt werden, da Oxidation bsw. zum Ranzigwerden führen kann und umgekehrt soll ein Entweichen der Wirkstoffe aus dem Verkapselungssystem möglichst vollständig verhindert werden. Bei Aromas und Riechstoffen kann bereits der Verlust von geringsten Anteilen die Qualität massiv beeinträchtigen, insbesondere die so genannten und so geliebten top notes, welche die Attraktivität des Wirkstoffs ausmachen gehen nur zu schnell verloren. Von einem Verkapselungssystem wird idealerweise erwartet, dass diese Form über einen längeren Zeitraum gleich bleibende Qualität aufweist, während einer Lagerungszeit und beim Transport stabil ist, spätere Verarbeitungsschritte wie die Aufbereitung mit weiteren Komponenten, wobei die Partikel festen bis flüssigen Stoffen, Temperatur, Druck und Scherkräften ausgesetzt sein können, unbeeinträchtigt durchlaufen kann und der Wirkstoff genau dann freigesetzt wird, wenn dies der Konsument erwartet und insbesondere auf eine Art und Weise freigesetzt wird, die sich der Konsument wünscht. Eine Suppe bsw. soll dann ihr Aroma voll entfalten, wenn sie serviert wird und nicht während dem Kochen bereits ihren Reiz verlieren, ein Kaugummi soll Frische und Geschmack über einen längeren Zeitraum beibehalten und nicht nach einer Minute schon unattraktiv werden. Ebenso wird von Duftstoffen erwartet, dass sie über einen längeren Zeitraum frisch und wohlgefällig uns erfreuen. Die Freisetzung des Wirkstoffs aus dem Partikel soll also in kontrollierter Art und Weise erfolgen können, das Spektrum der Anforderung reicht dabei von schnell und intensiv bis hin zu langsam und beständig.
Es wurde zahlreiche Verfahren zur partikulären Verkapselung von mittel- bis niederviskosen Flüssigkeiten vorgeschlagen, doch nur wenige Verfahren haben sich kommerziell durchgesetzt, da die meisten vorgeschlagenen Lösungen den hohen Anforderungen nicht genügen konnten, bsw. der Schutz des Inhalts der Partikel vor der Atmosphäre, die Stabilität gegenüber Luftfeuchtigkeit und Temperatur, die Stabilität bei der Weiterverarbeitung oder die Freisetzungskinetik ungenügend ist, die Matrix- oder Hüllstoffe nicht in Lebensmittel- oder Pharma erhältlich sind oder das Verfahren zu kompliziert, zu heikel, zu kostenintensiv ist.
Die bekannteste und am meisten benutze Technologie für die Verkapselung von Aromen und Riechstoffen ist die Sprühtrocknung von wässrigen Emulsionen dieser Stoffe, wobei die Matrix üblicherweise aus Dextrinen, Maltodextrinen, modifizierter Stärke, Gummi Arabicum oder einer Kombinationen davon besteht. Diese Technologie ermöglicht jedoch nur einen bescheidenen Beladungsgrad der Partikel mit Wirkstoffen und ermöglicht nur einen minimalen Schutz der Aromen, da die Matrix porös erhalten wird und Defekte aufweist. Die Wirkstoffe verlieren deshalb an Intensität, Frische und Qualität. Ausserdem weisen die Partikel an der Oberfläche nicht verkapselte und somit ungeschützte Wirkstoffanteile auf, welche oxidieren und dabei ranzig werden können. Weiter sind die genannten Matrix- oder Hüllstoffe ausgesprochen hydrophil, sodass ihr Wassergehalt mit der Luftfeuchtigkeit zunimmt und Klebrigkeit entsteht, welche zu Klumpenbildung und Beeinträchtigung der Rieselfähigkeit führt. Weitere Probleme der Standardtechnologie bestehen darin, dass die Emulsionen sehr hohe Wasseranteile aufweisen, welche abgedampft werden müssen, wobei die oft hitzeempfindlichen Wirkstoffe leiden oder entweichen und Porosität entsteht. Der hohe Wasseranteil der Emulsionen ist dadurch bedingt, dass bei Emulsionen die in der Regel tiefe Viskosität der dispergierten Phase des Wirkstoffs im Vergleich mit der Viskosität der Matrix von derselben Grössenordnung sein muss. Da die Matrix aus einer Lösung oder Schmelze von Polysacchariden, also von Makromolekülen besteht, ist deren Viskosität vergleichsweise hoch. Sie kann in gewissen Grenzen reduziert werden, indem hydrolysierte kurzket- tige Polysaccharide bis hin zu Zuckern verwendet werden und indem ein hoher Wasseranteil eingesetzt wird. Mit zunehmendem Hydrolysegrad von Polysacchariden jedoch steigt deren Wasserlöslichkeit, nimmt die Stabilität der Partikel bei verschiedenen Weiterverarbeitungsschritten ab und ist schliesslich kaum eine Einflussnahme auf die Release Charakteristik möglich. Daraus wird deutlich, wie die verschiedenen Parameter der Rezeptur und des Verfahrens einander entgegenlaufen und somit qualitativ hochwertige Verkapselungssysteme einer ganzen Reihe von Schwierigkeiten gegenüberstehen. Die Verkapselung von wässrigen Emulsionen erfüllt nur minimale Anforderungen, wird aber standardmässig eingesetzt, da Verbesserungen sehr schwierig sind und nur von wenigen Fachleuten mit spezialisiertem Know How realisiert werden können.
Ein verbessertes Verkapselungssystem ist in US 4,499,112 und 4,707,367 beschrieben. Dabei wird eine disperse Mischung der Wirkstoffe mit einer wässrigen Polysaccharid Lösung oder Schmelze durch eine Lochdüse in eine dehydrierende unterkühlte Flüssigkeit, z.B. in Isopropanol gepresst. Die dabei schnell erstarrende Mischung wird in kleine Partikeln mechanisch zerbrochen, von der Flüssigkeit separiert und anschliessend über einen längeren Zeitraum schonend getrocknet. Mit dieser Technologie kann eine gute Verkapselungsqualität erhalten werden, insbesondere wird der an der Oberfläche der Partikel haftende Wirkstoff durch Isopropanol weggespült. Nachteilig bei diesem Verfahren sind jedoch die hohen Hersteilungskosten, die tiefe Glasumwandlungstemperatur der Matrix und die ausgeprägte Hydrophilie des Matrix Materials, was zu einer geringen Stabilität gegenüber Temperatur und Luftfeuchtigkeit führt. Eine Einflussnahme auf die Release Charakteristik ist nur in engen Grenzen möglich.
In US 6,607,771 ist ein weiteres verbessertes Verfahren beschrieben. Dabei wird ein Aromacompound, das mit dem in US 4,499,112 und 4,707,367 beschriebenen Verfah- ren hergestellt wurde, durch Extrusion in einer wässrigen Polysaccharid Schmelze dispergiert und diese Mischung dann granuliert und konditioniert. Dadurch kann eine verbesserte Verkapselungsqualität erhalten werden, insbesondere ist ein guter Schutz des Aromas gewährleistet. Der Beladungsgrad wird dabei jedoch durch die verbesserte Schutzhülle reduziert und ist das Verfahren hoch komplex. Durch die zusätzlichen Verfahrensschritte wird eine hochwertige Verkapselung erhalten, aber auch ein teureres Verkapselungssystem.
Einem weiteren Verfahren, der Coacervationstechnologie wird ein hohes Potential für die Erzeugung von hochwertigen Verkapselungssystemen zugesprochen, doch scheiterte die Umsetzung ausserhalb von Nischenbereichen bisher daran, dass noch keine wirklich geeigneten Matrixmaterialien hierfür gefunden wurden. Ausserdem ist das Verfahren zumindest gegenwärtig noch sehr kostenintensiv.
Die bestehenden Lösungen zur Verkapselung von Aromas und Riechstoffen, insbesondere die kostengünstigen und einfach beherrschbaren Verfahren führen zu Partikeln, die gegenüber Temperatur und Luftfeuchtigkeit instabil sind. Eine eingeschränkte Haltbarkeit ist die Folge oder müssen aufwendige Massnahmen getroffen werden, um einen Schutz vor Feuchtigkeit und Temperatur zu erhalten. Oft werden Aromas während der Lebensmittelherstellung rauen Prozessen (bsw. Backen, Braten, Kochextrusion) ausgesetzt, wodurch die Aromaeigenschaften beeinträchtigt werden. Die als Matrixmaterialien verwendeten Polysaccharide und Zucker ermöglichen bei intakten Partikeln sehr gute Sauerstoff- und Aromabarrieren, aber in wässrigen Medien lösen sich die Partikel schnell auf, wodurch die Wirkstoffe freigesetzt werden und teilweise entweichen bevor sie zum Einsatz kommen. Sie sind deshalb nur für eine schnelle Freisetzung von Wirkstoffen geeignet. Systeme für eine kontrollierte Abgabe von Wirkstoffen sind in US 4,885,175, US 4978537 oder US 4997659 beschrieben. Die entsprechenden Verfahren sind jedoch sehr kostenintensiv und kommen nur für Nischenanwendungen in Frage.
Bezüglich einer langsamen und lang anhaltenden Freisetzung von Aroma bei Kaugummi und dergleichen sind bsw. in US 4,885,175, 4,978,537 oder 4,997,659 Verkapselungssysteme vorgeschlagen worden, die sich aber nicht durchgesetzt haben, sodass gute Lösungen immer noch ausstehend sind. Beschreibung der Erfindung
Die heute zur Verfügung stehenden Verkapselungssysteme genügen nur teilweise den kommerziellen und technischen Anforderungen und den Kundenwünschen. Im Folgenden werden neue Verkapselungssysteme beschrieben, die gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Eigenschaflsprofil, einen grösseren Spielraum bezüglich der Herstellungsverfahren ermöglichen und auch eine Einstellung der Release Charakteristik ermöglichen.
Dabei wird wie bei den meisten bisherigen Verkapselungssystemen eine Matrix bestehend aus Polysacchariden und Zuckern erhalten. Die dabei verwendeten Polysaccharide unterscheiden sich jedoch von den bisher eingesetzten Polysacchariden darin, dass sie teilweise kristallisieren und dabei Netzwerke bilden, indem verschiedene Kristallite durch Makromolekülsegmente miteinander verbunden sind. Die Eigenschaft zur Bildung von Netzwerken bzw. Gelen ist eine typische Eigenschaft von vielen Polysacchariden, doch werden hierzu längerkettige Polysaccharide benötigt, welche mindestens einen Anteil an linearen Kettensegmenten aufweisen. Mit der Kettenlänge jedoch steigt die Viskosität von wässrigen Lösungen und Schmelzen solcher Polysaccharide überproportional an, während die Verkapselungstechnologien möglichst tiefe Viskositäten erfordern. Die üblicherweise eingesetzten Polysaccharide wie Dextrine und Maltodextrine sind jedoch stark hydrolysiert, d.h. ausgesprochen kurzkettig und insbesondere Dextrine sind ausserdem so stark verzweigt, dass auch aus diesem Grund eine Kristallisation und Netzwerkbildung verunmöglicht ist. Dies äussert sich bsw. in der sehr guten Wasserlöslichkeit der aus diesen Stoffen erhaltenen Matrices.
Die erfindungsgemässen Verkapselungssysteme weisen das gemeinsame Merkmal auf, dass die Matrix mindestens einen spezifischen Typ von Polysacchariden aufweist. Hierzu wird ein Polysaccharid P1 eingesetzt, dass einen geringen Verzweigungsgrad aufweist, am bevorzugtesten vollständig linear ist und einen Polymerisationsgrad DP > 7 und < 100, vorzugsweise < 70, noch bevorzugter < 50, am bevorzugtesten < 30 aufweist. Solche Polysaccharide können sehr gut kristallisieren. Die Lösungen bsw. bei einem DP von 50 weisen auch bei Konzentrationen von 50% und mehr noch sehr tiefe Viskositäten auf und sie sind bei moderaten Temperaturen zumindest metastabil. Somit ist es einerseits unproblematisch selbst bei hohen Konzentrationen, d.h. bei vorteilhaft tiefen Wassergehalten, tiefe Viskositäten der Matrix einzustellen. Wird der Wassergehalt der Matrix reduziert, bsw. bei der Sprühtrocknung einer Emulsion bestehend aus Wirkstoff und wässriger Matrix, so kristallisiert das Polysaccharid P1 in Form von Nano- und Mikrokristalliten aus, welche agglomerieren und eine Hülle um die eingeschlossene Wirkstoffphase bilden.
Wird bsw. für P1 Stärke mit DP ~ 20 eingesetzt, eine typische Short Chain Amylose (SCA), so können einerseits hochkonzentrierte Lösungen erhalten werden, die bsw. bei einer Konzentration von 50% bei 60°C einige Minuten stabil sind, eine Viskosität im Bereich von Wasser um 1cP aufweisen und nach der Kristallisation erst bei Temperaturen oberhalb 120°C wieder in Lösung gehen. Die Bedingungen für die Kristallisation ergeben sich primär aus dem Wechselspiel zwischen Trocknungsgeschwindigkeit und dem Molekulargewicht von P1 , wobei mit abnehmendem DP Kristallisation bei zunehmenden Trocknungsgeschwindigkeiten möglich ist. Bei DP ~ 20 sind Kühlraten um 200°C/s notwendig um P1 im amorphen Zustand zu erhalten, sodass auch bei den hohen Trocknungsgeschwindigkeiten bei der Sprühtrocknung Kristallisation solcher Polysaccharide P1 leicht zu erhalten ist. Obwohl das Polysaccharid P1 bis zu hohen Konzentrationen wasserlöslich und ausgesprochen hydrophil ist, ist die daraus gebildete Partikelhülle infolge der hohen Kristallinität von typischerweise 50% gegenüber Luftfeuchtigkeit unempfindlich und während die Temperaturempfindlichkeit bisheriger amorpher Polysac- charidhüllen im Zusammenhang mit dem tiefen Tg dieser amorphen Phase steht, ist infolge des minimalen amorphen Anteils der aus agglomerierten Nano- und Mikrokristalliten bestehenden Partikelhülle die Temperaturbeständigkeit solcher Verkapselungssysteme nahezu maximal. Die Sorptionsisotherme der Nano- und mikrokristallinen Agglomerate ist im Vergleich zu den Sorptionsisothermen von vorwiegend amorphen Polysacchariden sehr viel flacher, mit zunehmender Luftfeuchtigkeit wird vergleichsweise sehr viel weniger Wasser aufgenommen und tritt selbst bei sehr hohen Luftfeuchtigkeiten keine Klebrigkeit auf. Beim Einsatz der Verkapselungssysteme, d.h. in wässrigen Medien zerfallen die Agglomerate der Nano- und Mikroskristallite, wodurch der Wirkstoff freigesetzt wird. Die Qualität der Partikelhülle, ihre mechanische Festigkeit, die Stabilität, die Release Geschwindigkeit in der Endanwendung und die Barrierewirkung gegen- über Atmosphäre und Wirkstoff wird einerseits stark von den Parametern des Trocknungsvorgang der wässrigen Matrix bestimmt, insbesondere von der Temperatur und der Trocknungsgeschwindigkeit, andererseits kann durch den Einsatz weiterer Stoffe gezielt Einfluss darauf genommen werden, wodurch eine spezifische Steuerung der Qualität der Verkapselungssysteme möglich ist. Diese weiteren Stoffe gliedern sich in drei Gruppen.
Einerseits kann für die mindestens ein Polysaccharid P1 aufweisende Matrix mindestens ein weiteres Polysaccharid P2 eingesetzt werden, das vorzugsweise kurzkettig ist, also in der Lösung oder Schmelze niedrigviskos ist, wie bsw. Dextrine oder Maltodextri- ne mit entsprechend hohem Dextrose Äquivalent DE und dadurch gekennzeichnet ist, dass es im festen Zustand eine vorwiegend amorphe Phase bildet. Für das Polysaccharid P2 können also bsw. aus dem Spektrum der bisher für Verkapselungssysteme eingesetzten Polysaccharide solche Typen ausgewählt werden, die betreffend der Anforderung an eine tiefe Viskosität der Matrix im Zustand der Lösung oder Schmelze bevorzugt sind. Beim Trocknungsvorgang findet in der Matrix mindestens teilweise eine Phasenseparation von P1 und P2 statt. Das Ausmass der Phasenseparation hängt von den Strukturgrössen von P2, vom Verhältnis der Molekulargewichte von P1 und P2, und von den Trocknungsparametern ab. Eine hohe Irregularität des sterischen Aufbaus von P2, wie ein hoher Verzweigungsgrad, der bsw. bei Dextrinen » 5% sein kann oder Modifikationen wie Substitution von Hydroxylgruppen, ein grosser Unterschied der Molekulargewichte und eine tiefe Trocknungsgeschwindigkeit fördern die Phasenseparation, die mittels dieser Parameter gesteuert werden kann.
Bei vollständiger Phasenseparation wird neben den Nano- und Mikrokristalliten in der Matrix ein Anteil einer amorphen Phase bestehend aus P2 erhalten. Dieser Anteil kann durch die Rezeptur mit dem Anteil A2 an P2 festgelegt werden. Einerseits kann dadurch die Kompaktheit der Partikelhülle positiv beeinflusst werden, indem die Porosität der nano- und mikrokristallinen Agglomerate von P1 gesenkt wird und die amorphe Phase als Kleber zwischen P1 Kristalliten und Kristallitagglomeraten wirkt. Andererseits nimmt mit dem Anteil an P2 die Empfindlichkeit der Matrix gegenüber Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu. Doch selbst bei A2 um 50% ist diese Problematik gegenüber dem Stand der Technik deutlich entschärft, insbesondere tritt Klebrigkeit auch dann erst bei relati- ven Luftfeuchtigkeiten RH oberhalb 90% auf während bisherige auf Polysacchariden basierende Matrices bereits bei RH ~ 50% problematisch werden. Mit dem Anteil an P2 kann nebst den Verfahrensparametern auch ein Einfluss auf die Release Charakteristik genommen werden. Bei hohem Anteil an P2 wird ein Release erhalten, das mit bisherigen Verkapselungssystemen vergleichbar ist, d.h. der Wirkstoff wird in wässrigem Medium sehr schnell freigesetzt. Mit abnehmendem Anteil A2 wird die Release Geschwindigkeit v zunächst verlangsamt, da die Kristallite von P1 unlöslich sind und die Diffusionswege für Wasser zwischen den Kristalliten länger werden. Bei geringen Anteilen A2 wird v zunehmend von der Porosität der Kristallit Agglomerate von P1 bestimmt. Bei einer hohen Porosität nimmt v nach einem Maximum wieder ab. Bei einer geringer Po- rosität kann v auch stetig zunehmen bis hin zu einem Maximum bei A2 = 0. Bezüglich der Permeabilität gegenüber Gasen und Wirkstoff kann ein ähnliches Verhalten beobachtet werden. Bei hohem Anteil A2 entspricht die Permeabilität der Matrix der bei amorphen Matrices üblichen Permeabilität, während sie mit abnehmendem Anteil A2 vorteilhaft abnimmt, da die Permeabilität der kristallinen Phase geringer ist, während hin zu geringen Anteilen A2 die Permeabilität der Matrix bei signifikanter Porosität der Kristallit Agglomerate nach einem Minimum wieder zunimmt, bei minimaler Porosität das Minimum bei A2 = 0 erhalten wird. Da eine solche minimale Porosität schwierig zu erhalten ist, wird ausser bei Anwendungen wo eine gewisse Porosität erwünscht ist, vorteilhaft zumindest ein minimaler Anteil an Polysacchariden P2 eingesetzt.
Bei teilweiser Phasenseparation können Polysaccharide in Kristalliten von P1 eingeschlossen werden, bevorzugt jedoch werden Sequenzen S2 von P2 regulär in die Kristallite von P1 eingebaut. Die Bedingung dafür sind das Vorliegen von Sequenzen S2 mit einem Polymerisationsgrad DP > 7, vorzugsweise > 10, noch bevorzugter > 12, wobei diese Sequenzen linear, aus denselben Monomereinheiten wie P1 aufgebaut und nicht modifiziert sind. Diese Bedingung wird für bsw. von vielen Dextrinen und Malto- dextrinen erfüllt, wobei die Sequenzen meist reguläre Seitenketten darstellen. Der von der Seitenkette wegführende Teil des P2 Makromoleküls oder die zwei von der Sequenz S2 wegführenden Teile von P2 sind dann Bestanteil der amorphen Phase bestehend aus weiteren Makromolekülen P2. Somit kann eine wirksame Phasenvermittlung zwischen der kristallinen Phase von Kristalliten von hauptsächlich P1 und der amorphen Phase von hauptsächlich P2 erhalten werden, wodurch die Qualität der Partikelhülle positiv beeinflusst werden kann. Bsw. nimmt deren Festigkeit und Stabilität gegenüber Feuchtigkeit und Temperatur bei konstantem Anteil P2 mit dem Grad der beschriebenen Phasenvermittlung zu und die Release Geschwindigkeit v ab.
Bezüglich der zweiten Gruppe von Stoffen womit eine spezifische Steuerung der Qualität der Verkapselungssysteme möglich ist, kann für die mindestens ein Polysaccharid P1 , gegebenenfalls mindestens ein zweites Polysaccharid P2 aufweisende Matrix mindestens ein weiteres Polysaccharid P3 eingesetzt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Sequenz mit DP > 100 und/oder mindestens zwei Sequenzen der Art S2 aufweist. P3 kann also bsw. eine Long Chain Amylose (LCA) mit DP > 100 sein oder ein Dextrin oder Maltodextrin mit mindestens zwei Seitenketten der Art S2. Betreffend die Phasenseparation beim Trocknungsvorgang sind die oben erläuterten Zusammenhänge bis auf einen essentiellen Unterschied analog auch auf Mischungen von P1 und P3 übertragbar. Infolge der angegebenen Bedingungen bezüglich der Strukturgrössen von P3 ist die Wahrscheinlichkeit für einen regulären Einbau von Sequenzen von P3 in Kristallite von P1 einerseits erhöht. Andererseits tritt dabei auch die neue Situation auf, dass zwei unterschiedliche Sequenzen von P3 in zwei unterschiedliche Kristallite von P1 regulär eingebaut werden. Somit werden diese Kristallite miteinander vernetzt und entsteht ein dreidimensionales Netzwerk, wobei die Kristallite von P1 die Knotenpunkte und P1 die Verbindungen zwischen den Knotenpunkten darstellen. Dabei bilden die Anteile an P3, welche nicht in die Kristallite von P1 eingebaut sind, in der Regel ist dies der überwiegende Anteil, eine amorphe Phase zwischen den Kristalliten welche bezüglich ihrer Eigenschaften und ihrem Einfluss auf das Verhalten der Matrix bei minimaler Kopplung der Kristallite vergleichbar ist wie die amorphe Phase von P2. Mit zunehmender Kopplung tritt jedoch ein qualitativ neues Verhalten auf, wobei geringe Release Geschwindigkeiten v erhalten werden, wie sie bisher kaum oder nur mit komplexen Verkapselungssystemen machbar waren. Die Lösungsgeschwindigkeit der amorphen Phase nimmt mit zunehmender Kopplung zunächst deutlich ab, die Diffusion nicht gekoppelter Makromoleküle von P3 und gegebenenfalls P2 ist erschwert, sodass ein von der Oberfläche des Partikels zum Wirkstoff hin fortschreitender Zerfall der Hülle erhalten wird. Bei höheren Kopplungsgraden nimmt der Anteil der löslichen Komponenten ab und tritt an Stelle der Lösung zunehmend ein Quellungsvorgang, wobei die Hülle zu einem Gel wird, das oberhalb eines Quellgrades mechanisch instabil wird und bei ge- ringer Beanspruchung zerfällt. Dadurch wird die Release Geschwindigkeit weiter reduziert und die Stabilität gegenüber einer nicht vernetzten Matrix bei einer Aufbereitung des Verkapselungssystems deutlich erhöht. Bei noch höheren Kopplungsgraden nimmt die Stabilität der gequollenen Hülle zu bis hin zu dem Zustand wo eine Festigkeit des Gels der gequollenen Hülle resultiert, wo ein Zerfall nicht mehr eintritt oder nur unter starker Beanspruchung eintritt. Hiermit wird aufgezeigt, dass ein ganzes Spektrum von Release Geschwindigkeiten einstellbar ist. Die Stabilität gegenüber der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ist bei Systemen enthaltend neben dem Polysaccharid P1 ein Polysaccharid P3 gegenüber Systemen enthaltend neben dem Polysaccharid P1 ein Polysaccharid P2 erhöht, insbesondere bezüglich der Klebrigkeit.
Die Eigenschaften von Netzwerk Matrices werden bezüglich der Verfahrensparameter wiederum primär durch die Trocknungsbedingungen, insbesondere die Trocknungsgeschwindigkeit bestimmt, wobei bei gleicher Rezeptur mit zunehmender Trocknungsgeschwindigkeit der Kopplungsgrad abnimmt. Bezüglich der Art der eingesetzten Polysaccharide P3 nimmt der Kopplungsgrad mit dem Anteil an vorausgesetzten Sequenzen von P3 zu. Neben der erwähnten Long Chain Amylose erfüllen auch gelierende Dextrine die angegebenen Bedingungen. LCA wird vorzugsweise in geringen Anteilen eingesetzt, da Lösungen davon bei moderaten Temperaturen mit zunehmender Konzentration schnell instabil werden und ausserdem die Viskosität bei DP > 100 schnell überproportional zunimmt. Gelierende Dextrine bilden bei moderaten Temperaturen auch in hohen Konzentrationen relativ stabile Lösungen und Schmelzen, doch ist ihr Molekulargewicht und damit ihre Viskosität in der Lösung oder Schmelze in der Regel höher als die Viskosität von nicht gelierenden, üblichen Dextrinen und ist also ihr Anteil tief zu halten. Die Polysaccharide P3 müssen nicht notwendigerweise mit sich selbst gelieren können, wie dies bei LCA und gelierenden Dextrinen der Fall ist. Zur Induktion von Kristallinität werden primär Polysaccharide P1 eingesetzt und können auch in Kombination mit Dextrinen und Maltodextrinen, welche selbst in hohen Konzentrationen keinerlei Gelierung zeigen, für die voriiegende Erfindung von neuartigen Verkapselungssystemen vorteilhafte Netzwerke erhalten werden, deren herausragendes Merkmal darin besteht, dass sie auch aus sehr niederviskosen Lösungen und Schmelzen mit hohen Konzentrationen an P1 und P2 und/oder P3 erhalten werden können, deren Viskosität bei Raumtemperatur auf werte von einige wenige cP eingestellt werden kann. Damit kann der grundlegenden Anforderung bezüglich der Viskosität bei der Herstellung von Emulsionen, wonach die Viskositäten der beiden Phasen etwa von derselben Grössenordnung sein müssen gut entsprochen werden. Die für die Verkapselung eingesetzten Wirkstoffe weisen bei Raumtemperatur Viskositäten typischerweise im Bereich 0.1 - 100cP auf.
Die Ausführungen zu Verkapselungssystemen sind grundsätzlich für beliebige Polysaccharide P1 , P2 und P3 gültig, sofern sie jeweils derselben Gruppe oder zumindest nahe verwandten Gruppen von Polysacchariden angehören, die angegebenen Bedingungen erfüllen und aufgrund ihrer niedrigen Viskosität in der Lösung oder Schmelze sinnvoll eingesetzt werden können. Bevorzugt werden die Polysaccharide P1 , P2 und P3 aus dem Bereich von Stärken ausgewählt, da die benötigten Typen in verschiedensten Abstufungen kommerziell erhältlich sind, insbesondere auch in Lebensmittelqualität. Ausserdem sind diese Stärken deutlich günstiger als andere Polysaccharide. Schliesslich sind auch Stärken vom Typ P2 und P3 erhältlich, welche partiell lipophil modifiziert sind (Octenylsuccinate), somit für die Herstellung von Emulsionen mit öligen Wirkstoffen der Emulgator bereits in der Stärke enthalten ist.
Die erfindungsgemässen Verkapselungssysteme zeichnen sich durch eine hohe Stabilität gegenüber Temperatur und Luftfeuchtigkeit und gegenüber der Beanspruchung bei der Aufbereitung mit weiteren Komponenten aus. Die Klebrigkeit der Partikel kann deutlich reduziert und zu bedeutend höheren Luftfeuchtigkeiten hin verschoben werden, sodass unter den meisten Bedingungen Massnahmen zum Schutz vor Feuchtigkeit und/oder Temperatur nicht mehr nötig oder zumindest deutlich erleichtert sind. Die Barrierenwirkung der Matrix gegenüber dem Wirkstoff kann gegenüber bisherigen Verfahren erhöht und infolge der Flexibilität des Systems gezielt optimiert werden. Während bisher die Anforderung an eine sehr niedrige Viskosität der die Matrix bildenden wässrigen Lösung oder Schmelze den Rezeptur- und Verfahrensspielraum massiv eingeschränkt hat, kommt diese Anforderung den Gegebenheiten der Erfindung sogar entgegen, indem die wichtigste Komponente von erfindungsgemässen Rezepturen, das Polysaccharid 1 naturgemäss ein tiefes Molekulargewicht im Bereich von Mono- und Oligo- meren aufweist und somit hochkonzentrierte wässrige Lösungen von P1 bis oberhalb 50% bei moderaten Temperaturen im Bereich von wenigen cP möglich sind. Somit konnte der Spielraum bezüglich weiterer Komponenten vergrössert werden, ist diesbe- züglich auch der Einsatz von höhermolekularen und höherviskosen Stoffen als bisher üblich möglich geworden, womit die Optimierung verschiedener weiterer Eigenschaften neue Freiheitsgrade erhält. Andererseits kann infolge der a priori tiefen Viskosität der Matrix ihr Wasseranteil reduziert werden, sodass die Trocknung erleichtert und dabei die Rissbiidung reduziert wird, oder es kann bei tieferen Temperaturen verfahren werden, was bei der ausgeprägten Temperaturempfindlichkeit der Wirkstoffe sehr vorteilhaft ist. Von grosser Bedeutung ist auch die Möglichkeit zur gezielten Einflussnahme auf die Release Charakteristik, wobei bsw. Aroma während der Aufbereitung der Partikel mit weiteren Komponenten zu einem Zwischen- oder Endprodukt geschont, zurückgehalten und die top notes beibehalten werden können. Die einstellbaren Netzwerke und der neue Spielraum bezüglich der Viskosität erlauben eine optimale Einstellung zwischen Schutz und Freigabe bei individuellen Systemen. Dies ist umso wichtiger, als nahezu jeder Wirkstoff eine eigene, spezifische Anpassung der Rezeptur und Verfahrensparameter erfordert.
Weiter kann ein Verkapselungssystem mittels der Auswahl an P1 und/oder P2 sowie dem Anteil dieser Polysaccharide so eingestellt werden, dass durch ein entwickeltes Netzwerk eine höhere Festigkeit der Partikelhülle erhalten und die Löslichkeit in Wasser durch den kristallinen Anteil herabgesetzt wird. Bei einer späteren thermischen Aufbereitung wie bsw. bei einem Kochextrusionsprozess kann dann ein besserer Schutz des Aromas gewährleistet werden. Weniger stark entwickelte Netzwerke der Matrix eignen sich bsw. für Verkapselungssysteme von Aromas in der Verwendung für Beutelsuppen mit verbessertem Aromaerlebnis, indem die Freisetzung des Aromas durch Optimierung der Quellzeit des die Partikelhülle bildenden Netzwerks auf den Zeitraum nach dem Kochen getriggert wird. Somit kann an Aromaintensität und Frische gewonnen werden. Matrices mit hohem Kopplungs- und tiefem Quellungsgrad eigenen sich bsw. ganz besonders für den Einsatz bei Kaugummis. Der Vernetzungsgrad der Matrix kann sogar soweit gesteigert werden, dass eine Freisetzung auch nach Quellung der Partikelhülle nicht möglich ist, da der Quellgrad zu tief, die Hülle zu hart ist. Unter der Wirkung von Amylasen, wie sie in der Saliva vorkommen, kann eine Matrix von 0.5mm Durchmesser, eine solche „Max-Trix" sogar einer Verdauung während etwa einer Stunde standhalten. Die Verdauzeit im Mund kann in einem weiten Bereich durch die Steuerung der Netzwerkdichte und der Partikelgrösse eingestellt werden. Mit einem Anteil an rasch freige- setztem Aroma und einem Spektrum einer Partikelgrössenverteilung des Verkapse- lungssystems kann somit ein rasches Aroma Flash erzeugt werden, dem ein zunehmend überraschender weil ungewöhnlich lange dauernder Nachhall folgt, wobei das Aromaerlebnis zum Schluss sich mit einem letzten Wink verabschieden könnte.
Grundsätzlich kann das erfind ungsgemässe Verkapselungswerkstoffsystem mit den verschiedenen bestehenden Herstellungsverfahren hergestellt werden. Dabei können bisherige Prozesslimiten aufgeweitet, verbesserte Schutzeigenschaften des Wirkstoffs, homogenere Verteilungen und/oder höhere Beladungsgrade erzielt werden. Ausserdem können neue, einfachere und günstigere Verfahren zur Anwendung kommen, die infolge der Viskositäts Problematik bisher nur sehr beschränkt eingesetzt werden konnten, beispielsweise die Vertropfungsgranulation (Droppo Verfahren). Dabei liegt die Bedingung an die Viskosität der Emulsion bei < 500cP. Diese Bedingung kann mit den für die erfindungsgemässen Verkapselungssysteme verwendeten Emulsionen leicht erfüllt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Verkapselung eröffnet sich mit der Centrifugal Extrusion Device bsw. beschrieben in US 3,015,128.
Beispiele
Short Chain Amylose mit DP ~ 20 wurde bei einer Konzentration von 50% in einem gelöst, bezüglich vorteilhafter Lösungsverfahren wird auf die Patentanmeldung WO 03/035026 A2 verwiesen die hiermit mit eingeschlossen ist. Danach wurde die erhaltene klare Lösung auf eine Temperatur von 70°C gebracht, die Viskosität wurde bestimmt indem die Lösung durch einen auf 70°C temperierten Trichter gegossen wurde. Als Durchflusszeit für 25ml der Lösung wurde 3.1 Sekunden gemessen. Die Durchflusszeit von Wasser durch denselben auf 25°C temperierten Trichter wurde mit 1.8 Sekunden gestoppt. Daraus wurde mit der bekannten Viskosität von Wasser von 0.89cP bei 25°C in guter Näherung für die Viskosität der Lösung von P1 mit 0.89x(3.1/1.8)cP ~ 1.5cP erhalten. Die Lösung blieb bei 70°C während einiger Minuten stabil, d.h. klar und transparent. Dann setzte eine Trübung ein. Beim weiteren Abkühlen wurde die Lösung zunehmend intransparent und schliesslich eine weisse Paste. Durch Verdünnung dieser Paste mit Wasser konnten unter dem Mikroskop Kristallite und Kristallit Agglomerate beobachtet werden. Die Grosse der Kristallite nahm mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ab.
Durch einfache Lösungsvorgänge im Becherglas, konnten teilweise bereits bei Raumtemperatur Lösungen von verschiedenen Dextrinen und Maltodextrinen sowie von Oc- tenylsuccinaten hergestellt werden. Es wurden solche Stärke Derivate mit einem Range von DE im Bereich von etwa 5 - 70 von verschiedenen Hersteller und basierend auf verschiedenen Stärken wie bsw. Kartoffel Stärke, Tapioka Stärke, Waxy Mais Stärke untersucht. Die Lösungen wurden bei 60°C temperiert und dann auf 25°C gekühlt. Analoge Lösungen wurden mit verschiedenen Anteilen von Lösungen an SCA hergestellt, wobei die SCA Lösung mittels eines Magnetrührers in die P2 und/oder P3 Lösung eingerührt wurde. Während diesem Mischvorgang wurde ausser bei sehr hohen Konzentrationen keine Trübung beobachtet, d.h. keine Fällung der SCA festgestellt. Dann wurden auch diese Mischungen auf Raumtemperatur gekühlt. In regelmässigen Intervallen wurde mittels der Trichtermethode die Viskosität der Lösungen gemessen, wobei typischerweise Werte im Bereich von 3 - 30 Sekunden, d.h Viskositäten von 1.5 - 15cP erhalten wurden. Die meisten der Lösungen ohne SCA zeigten während Stunden bis Tagen eine konstant bleibende Viskosität und Transparent. Einige Dextrine jedoch zeigten in höheren Konzentrationen Gelbildung. Bei Zugabe von SCA wurden deutliche Veränderungen erhalten, die ausgeprägt vom Anteil an SCA abhängig waren. Bereits bei Anteilen von 5% konnte bei einigen Lösungen die in Abwesenheit von SCA Langzeitstabilität zeigten, Gelbildung beobachtet werden. Die entsprechenden Stärkederivate konnten somit als Polysacharide vom Typ 3 identifiziert werden. Die Gelbildungszeiten konnten in einem Zeitraum von Sekunden bis Tagen durch den Anteil an SCA variiert werden. Die Gelbildungszeiten waren bei gleich bleibendem Anteil an SCA andererseits auch stark vom Stärkederivat abhängig. Generell waren die Gelbildungszeiten bei Stärkederivaten mit höherer Viskosität kürzer, doch wurden auch Ausnahmen gefunden bei Stärkederivaten die für Heterokristallisation mit SCA vorteilhafte Struktureigenschaften zeigten. Die Gele konnten auch in einem weiten Bereich von Gelstärken erhalten werden, es entstanden zarte Gele, die bereits durch Berührung beschädigt werden konnten und vielerlei Zwischenstufen bis hin zu Gelen mit Festigkeiten im Bereich von 1 Pa. Daneben wurden auch Mischungen von SCA mit Stärkederivaten erhalten, die selbst bei hohen Anteilen an SCA keine Gelbildung zeigten, dünnfüssig blieben und trüb wurden. Auch bezüglich der Trübungszeiten wurden bei verschiedenen Stärkederivaten grosse Unterschiede festgestellt. Selbst bei völliger Weissfärbung entstand bei diesen Mischungen keine Gelbildung, sondern wurde bei hohen SCA Anteilen höchstens Pasten enthalten. Durch Verdünnung dieser Pasten konnten im Mikroskop wiederum die typischen SCA Kristallite beobachtet werden. Anhand der Mischungen von Stärkederivaten mit SCA welche zwar Trübung aber keine Gelbildung zeigten, konnten die entsprechenden Stärkederivate als Polysaccharide vom Typ 2 identifiziert werden. Es wurde gefunden, dass mit zunehmendem DE die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines Polysaccharids vom Typ 2 zunahm, wobei jedoch auch diese Korrelation interessante und gut nutzbare Ausnahmen zeigte, von Derivaten also, die trotz sehr hohem Hydrolysegrad und entsprechend geringer Viskosität mit der SCA unter Heterokristalli- sation einen ganzen Range von Gelstärken ermöglichen.
Weiter wurden gelierende und separierende Mischungen von SCA und Stärke in flüssigen Stickstoff und auf Trockeneis getropft. Bei geeigneten Rezepturen konnten sogar unter diesen extremen Abkühlbedingungen Gele und Dispersionen von SCA Kristalliten in konzentrierten Derivatlösungen erhalten werden. Schliesslich wurden auch mittels eines Flüssigkeitsmischers Emulsionen hergestellt und in den Fällen wo keine Octenylsuccinate eingesetzt wurden mit Emulgatoren stabilisiert. Diese Emulsionen wurden in flüssigen Stickstoff, auf Trockeneis und auf eine Metallplatte von 80°C getropft. Bei geeigneter Rezeptur konnten unter allen Bedingungen Gele erhalten werden oder Mischungen von SCA Kristalliten und Kristallitagglomeraten mit einem Range von Zerfallsgeschwindigkeiten in wässrigen Medien. Unter anderem konnte auch deutlich die Korrelation zwischen dem SCA Anteil von Gelen und deren Klebrigkeit festgestellt werden, sogar bei einem Wassergehalt von 50% konnte bei den festeren Gelen praktisch keinerlei Klebrigkeit festgestellt werden. Die Versuche zur Verdauungskinetik wurden mit einer standardisierten Lösung (Megazyme) von porciner pankreatischer alpha Amy- lase an getrockneten und auf einen Range von Komgrössen gemahlenen Partikeln im Schüttelbad bei 37°C durchgeführt, wobei die Gewichtsabnahme der Partikel in Funktion der Verdauzeit untersucht wurde. Als Extremwert wurde bei einer Komgrösse von 0.7 - 1.0mm eine Gewichtsabnahme von 50% nach rund 4 Stunden gemessen. Insgesamt wurde eine deutliche Korrelation mit dem Anteil an SCA und der Gelstärke gefunden.

Claims

Patentansprüche
Verkapselungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungssystem aus einer Emulsion in Form von Partikeln erhalten wurde und eine niederviskose eingeschlossene Phase eines Wirkstoffs und eine Matrix enthaltend mindestens ein Polysaccharid P1 aufweist, wobei dieses Polysaccharid P1 nahezu linear oder vollständig linear ist, in der Matrix mindestens teilkristallin vorliegt und einen Polymerisationsgrad DP > 7 und < 100, vorzugsweise < 70, noch bevorzugter < 50, am bevorzugtesten < 30 aufweist.
Verkapselungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungssystem mindestens ein weiteres Polysaccharid aufweist und dieses Polysaccharid bei einer 50% wässrigen Lösung bei Raumtemperatur eine Viskosität in cP von < 5000, vorzugsweise < 1000, noch bevorzugter < 500, am bevorzugtesten < 100 aufweist.
Verkapselungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungssystem ein Polysaccharid P2 aufweist, das im festen Zustand vorwiegend amorph erhalten wird und insbesondere Sequenzen A mit einem Polymerisationsgrad DP > 7, vorzugsweise > 10, noch bevorzugter > 12 aufweist und gegebenenfalls solche Sequenzen A unter Heterokristallisation mit dem Polysaccharid P1 regulär in Kristallite von P1 eingebaut sind.
Verkapselungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungssystem ein Polysaccharid P3 aufweist und das Polysaccharid P1 mit dem Polysaccharid P3 unter Heterokristallisation ein Netzwerk bildet.
Verkapselungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an P2 und/oder P3 in Gew.% bezogen auf P1 und P2 und P3 im Bereich 1 - 99, vorzugsweise 5 - 90, am bevorzugtesten 10 - 80 liegt.
6. Verkapselungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polysaccharide P1 , P2 und P3 der Gruppe von Stärken angehören und insbesondere P1 eine Short Chain Amylose, ein lineares Dextrin, ein Limit Dextrin, ein Amylodextrin, ein Nägeli Dextrin oder ein Achrodextrin ist und P2 und eine hydrolysierte Stärke wie bsw. ein Dextrin oder Maltodextrin ist und P3 eine Long Chain Amylose oder ein gelierendes Dextrin oder eine hydrolysierte Stärke wie bsw. ein Dextrin oder Maltodextrin ist, wobei gegebenenfalls mindestens eine der Stärken amphiphil ist wie bsw. Octenylsuccinate.
7. Verfahren zur Herstellung eines Verkapselungssystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Herstellung einer wässrigen Lösung oder Schmelze enthaltend mindestens ein Polysaccharid P1 und gegebenenfalls ein Polysaccharid P2 und/oder P3 und/oder Zusatzstoffe wie Zucker, Zuckerarten, Mono- und Oligosaccharide oder Polyole; b) Herstellung einer Emulsion der Lösung von Schritt a) mit einem Wirkstoff, wobei gängige Verfahren zur Herstellung von Emulsionen eingesetzt werden können und gegebenenfalls Zuschlagstoffe wie Emulgatoren, Antioxidantien, Stabilisatoren und dergleichen zugemischt werden; c) Herstellung von Partikeln aus der Emulsion von Schritt b), wobei gängige Verfahren wie bsw. Sprühtrocknung, Coacervations-, Vertropfungs- oder Extrusionsverfahren hierfür eingesetzt werden können; d) Gegebenenfalls Reinigung des Verkapselungssystems und/oder Behandlung der Partikel mit Hilfsmitteln wie bsw. Anti-Caking-Agents, Anti-Cracking- Agents und dergleichen.
8. Verkapselungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkstoff aus folgender Gruppe ausgewählt wird: Duftstof- fe; Aromen; Pharmaka; Nutraceuticals; Lebensmitteladditive; Herbizide; Fungizide; Insektizide; Pheromone; Fungizide; und dergleichen.
9. Verkapselungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungssystem bsw. als Aroma-Komponente von Kaugummis mit lang anhaltendem Aroma infolge von slow reiease, in instant- Gerichten und Zubereitungen wie bsw. Suppen, in Getränken, Milchprodukten, in pasteurisierten Lebensmittelprodukten (Zugabe des Verkapselungssystems vor der Pasteurisierung), in Konfekt (Lutschtabletten, Bonbons, Gummibärchen und dergleichen), bei kochextrudierten Lebensmittelprodukten, Parfüms und in parfümierten Artikeln und Gegenständen usw. eingesetzt wird.
10. Verkapselungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Release Charakteristik über Parameter wie Temperatur, mechanische Belastung, Quellgeschwindigkeit oder über enzymatische Hydrolyse gesteuert wird und dadurch eine kontrollierte, insbesondere eine getriggerte Freisetzung des Wirkstoffes gewährleistet wird, gegebenenfalls der Wirkstoff primär infolge enzymatischer Hydrolyse der Hülle freigesetzt wird.
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