DE202009001095U1

DE202009001095U1 - Verkapselte Wirkstoffe in bioaktiver Matrix

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Publication number: DE202009001095U1
Application number: DE202009001095U
Authority: DE
Original assignee: INST GETREIDEVERARBEITUNG; IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Current assignee: INST GETREIDEVERARBEITUNG; IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: DE202010001413U1

Abstract

Granulierte Partikel „Acticaps” mit verkapselten Wirkstoffen in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix für die Applikation in verschiedenen Lebensmittelsystemen, gekennzeichnet dadurch, dass es durch Verdichten, Erwärmen, Scheren, Auspressen durch eine Düse und Granulieren hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft verkapselte pflanzliche Wirkstoffe in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix für den Einsatz als Additiv in verschiedenen Lebensmittelanwendungen. Das verkapselte Material liegt als Granulat vor und kann in differenzierter Partikelgröße hergestellt und den Applikationsgebieten angepasst werden. Hervorzuheben ist, dass beide Materialien, sowohl Hülle als auch Wirkstoff einen ernährungsphysiologischen Zusatznutzen aufweisen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein granuliertes Material (Acticaps) aus mindestens zwei Komponenten, das resistent gegenüber Lagereinflüssen (Licht, Sauerstoff, Feuchtigkeit) und stabil bei der Verarbeitung durch Vermeidung von Reaktionen mit anderen Lebensmittelbestandteilen ist. Die Maskierung von unerwünschten Geruchs- und Geschmackseindrücken, die einfachere Handhabung, bessere Dosiergenauigkeit und Staubreduktion sind weitere Kennzeichen des erfindungsgemäßen Materiales. Der Prozess erfolgt durch schonende thermische und mechanische Formung des Materialgemisches mit anschließender Granulierung. Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Auswahl der kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrizes, die Wahl der Verarbeitungsparameter und die Art und Höhe der zu verkapselnden Wirkstoffe.
Stand der Technik
Die industrielle Anwendung von Verfahren zur Mikroverkapselung für Lebensmittel ist sehr differenziert und wird in einigen Zweigen bereits angewendet, beforscht oder vermarktet. Die Mikroverkapselung ist eine Technik, mit der feste, flüssige oder gasförmige Materialien zu Mikrokugeln, Mikrokapseln oder Mehrwandkapseln unter Nutzung mechanischphysikalischer, chemischer oder physikochemischer Verfahren umgewandelt, um die Gebrauchswerteigenschaften zu verändern. Die unterschiedliche Verfahren zur Mikroverkapselung von Nährstoffen und bioaktiven Substanzen sowie die Chancen und Grenzen der Mikroverkapselung in der modernen Lebensmittelverarbeitung sind Gegenstand zahlreicher Forschungen /1–5/. Innovationen zukünftiger Lebensmittel werden auf die Implementierung von Eigenschaftsfunktionen für den maßgeschneiderten individuellen Verbrauchernutzen zielen. Die Eigenschaften der Lebensmittel werden durch deren Struktur auf molekularer und makrodisperser Ebene maßgeblich definiert. Die wichtigsten Parameter auf die Struktur erfolgt über die Rezeptur und den Verarbeitungsprozess. Die Verkapselung von Aromen wird von der Firma Symrise durch Extrusionsverfahren mit Maltodextrinen und Stärkesirupen als Träger unter dem geschützten Markennamen EVOGLASS realisiert und vertrieben /6/. Zu diesem Verkapselungsverfahren grenzen wir uns ab, weil andere Matrixmaterialien und Wirkstoffe genutzt werden. Die Aromabeladung liegt zwischen 4 und 8% und die Haltbarkeit kann bis zu 4 Jahren betragen, gemessen an anderen Verkapselungsverfahren wie Sprühtrocknung oder Kompaktieren mit 6 Monaten bis 2 Jahren bedeutend länger /4, 7/. Partikelgrößen von 0,6 bis 1,0 mm ermöglichen eine gute Löslichkeit in Wasser, obwohl die Textur sehr hart ist. Sehr erfolgreiche Applikationsfelder sind Instant-Getränkepulver, Teebeutel, Kaugummi und Kaubonbons. Die Verkapselung von Aromen (Flavor) in Kohlenhydratmatrizes bzw. chemisch modifizierten Stärkemischungen mittels Extrusion bei 50 bis 130°C wird von Gunning /8/ und Zasypkin /9/ beschrieben, wobei Ölbeladungen bis 40% erreicht werden. Die Matrizes sind Stärke, modifizierte Stärke, Dextrine oder Cyclodextrine.
Die Effekte der Kohlenhydratkristallisation (glassy sugar matrix) hinsichtlich chemischer Wechselwirkungen mit anderen Bestandteilen (nichtenzymatische Bräunung, Lipidoxidation, Enzymaktivität) in getrockneten Lebensmitteln zeigten eine stabilisierende Wirkung /10/. Das chemisch labile Tetrahydrocannabiol (THC) wird für pharmazeutische Anwendungen in eine Matrix aus Inulin eingebettet, um die Stabilität (80% nach 300 Tagen), die Auflösbarkeit und die Bioverfügbarkeit zu verbessern /11/. Die Verkapselung wird erreicht durch Gefriertocknung einer Lösung aus THC, Inulin, Wasser und tertiärem Butylalkohol (TBA).
Die strukturellen und Schmelzeigenschaften von Inulin mit unterschiedlichen Polymerisationsgraden werden von Blekker /12/ mittels DSC untersucht und geben Hinweise zu möglichen Verarbeitungsparametern mit dem Extruder. Andere Arbeiten charakterisieren den physikalischen Status von sprühgetrocknetem Inulin mit MDSC, WAXS und ESEM /13/, wobei festgestellt wurde, dass das Inulin ab 80°C vom semikristallinen in den amorphen Zustand übergeht.
Für das beantragte Gebrauchsmuster liegen nach bisherigen Recherchen der Fach- und Patentliteratur keine aktuellen patentrechtlich geschützten Verfahren und Produkte vor.
Eine Patentrecherche zum Schlagwort „encapsulation” erbrachte zwar ca. 12.200 Bezüge zu bestehenden Patenten aller Wirtschaftsgebiete, bei Eingrenzung auf das Feld Lebensmittel (Klasse A23L) reduzierte sich die Anzahl der Nennungen auf 308 Patente. Bei Verknüpfung von „encapsulation + sugar matrix” wurden 4 Patente gefunden und ausgewertet. Die Suchbegriffe „encapsulation + extrusion” führten zu 51 Verweisen in Patenten, die durch Verknüpfung mit der Patentklasse für Lebensmittel 23A auf 10 reduziert wurde. Die Patente wurden durch die Firmen Firmenich (Aromen), General Mills, McCormick, Wrigley (Kaugummizutaten) angemeldet und tangieren das beantragte Projekt nicht /14–20/. Bedeutende aktuelle Patente wurden zur Verkapselung von sensitiven flüssigen Komponenten, von voremulgierten Komponenten, von Vitaminen und Mineralstoffen in glasartigen Matrizes und zur kontrollierten Freisetzung gefunden, die Kaltextrusionsverfahren und Getreidemahlprodukte oder Oligosaccharide in Verbindung mit Wasser als glasartige Matrizes nutzen /21–27/. Gegenstand dieser Patente vorrangig Verfahren zur Verkapselung oder Konzentrierung der wirksamen Inhaltsstoffe und nicht deren Kombination mit ernährungsphysiologisch hochwertigem Matrixmaterial (kohlenhydratbasierte Ballaststoffe).
Für den konzipierten Lösungsweg liegen nach bisherigen Recherchen der Fach- und Patentliteratur keine aktuellen patentrechtlich geschützten Verfahren und Produkte vor. Im deutschen Raum bestehen keine tangierenden Patente zu dem Vorhaben. Die Entwicklung ist damit nicht durch Rechte Dritter eingeschränkt.
Zielstellung
Die Erfindung zielt auf die Herstellung von verkapselten pflanzlichen Wirkstoffen, deren Hüllmaterialien neben der Funktion der Ummantelung und Einbettung der Wirkstoffe einen ernährungsphysiologischen Zusatznutzen aufweisen. Der Anteil der Wirkstoffe in verkapselten Materialien bewegt sich erfahrungsgemäß zwischen 5–30%. Das herkömmlich genutzte Hüllmaterial ist ohne ernährungsphysiologische Funktion und dient als Vehikel zur Ummantelung. Die erfindungsgemäß genutzten Hüllmaterialien sind kohlenhydratbasierte bioaktive Materialien, die auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften mit den speziellen Verarbeitungsparametern und Rezepturen in fließfähige, formbare Materialien überführt werden können. Die entstehenden Granulate (Acticaps) sind lager- und verarbeitungsstabil und können in unterschiedlichen Lebensmitteln appliziert werden.
Lösung
Zur Lösung des aufgezeigten Problems werden spezielle kurz- und langkettige nicht verdauliche Kohlenhydrate, auch als lösliche Ballaststoffe bekannt, als Hüllmaterialien zur Verkapselung verwendet. Dazu gehören Oligo- und Polyfruktosen, Polydextrose und resistente Maltodextrine. In diese bioaktiven Materialien werden die zu verkapselnden Wirkstoffe als Pulver, flüssig-wässrige oder lipidartige Komponente, wie z. B. sekundäre Pflanzeninhaltsstoffpräparate, Mikroalgen, Aromen, Vitamine, Provitamine oder essentielle Fette in eine glasartige Matrix eingebettet. Die Komponenten werden in einem speziellen definierten Verhältnis gemischt, das je nach physikalischer Beschaffenheit des Wirkstoffes unterschiedlich ist:
Pulverförmige Wirkstoffe: 5–50%
Flüssig-wässrige Wirkstoffe: 5–20%
Lipidartige Wirkstoffe: 5–40%
Das Gemisch wird unter Scherung und moderater Erwärmung (40–100°C) mittels Ein- oder Doppelschnecken verdichtet, zur Homogenisierung plastifiziert und über Düsen mit 1–3 mm Lochdurchmesser ausgeformt. Zur Einstellung der Verfahrensparameter (Drehzahl, Schneckengeometrie, Füllungsgrad, Feuchtegehalt und Temperatur) sind die Fließeigenschaften des Materialgemisches der jeweiligen Rezeptur von signifikanter Bedeutung und speziell definiert. Die aus der Düse austretenden Stränge können direkt mit Messern granuliert oder nach Erstarrung bzw. Trocknung mit Mahlwerken auf die gewünschte Korngröße eingestellt werden. Die so gewonnenen Acticaps sind in der Lebensmittelindustrie universell einsetzbar. Sie sind lagerstabil, gut dosierbar und bieten in ihrer Gesamtheit ernährungsphysiologische Vorteile.
Ausführungsbeispiel
Mittels Mischaggregat wird eine Trockenmischung aus:
90% Oligofruktose
und 10% Mikroalgen hergestellt.
Die Trockenmischung wird über ein Dosieraggregat einem rotierenden Schneckensystem zugeführt. Die Schnecke verdichtet das Materialgemisch unter Erwärmung des Materiales auf 70°C, fördert und drückt es gegen eine Düse von 3 mm Durchmesser, wo es glasartig kompaktiert wird und strangförmig austritt. Die Länge der Granulate wird mittels rotierender Messer eingestellt.
Das Granulat lässt sich in Backwaren, Milchzubereitungen und Getränken einsetzen und erhöht bei 10%-igem Einsatz die Zufuhr von löslichen Ballaststoffen auf 9 g/100 g Lebensmittel und die von Mikroalgen auf 1 g/100 g.
Literatur:

1. Muschiolik, G, Naumann, A.: Matrixeinschluss und Verkapselung von Nährstoffen bzw. bioaktiven Stoffen. In: Praxishandbuch Functional Food I, Wirkstoffe. H. F. Erbersdobler, A. H. Meyer (Hrsg.), Behr's Verlag, Hamburg (2002).
2. Kunz, B., Krückeberg, S. Weissbrodt, J.: Chancen und Grenzen der Mikroverkapselung in der modernen Lebensmittelverarbeitung. Chemie Ingenieur Technik 75 (2003), 1733–1740
3. Schuchmann, H. P.: Biofunktionelle Wirkstoffe in Emulsionen, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum (Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V.), Verkapselung von funktionalen Inhaltsstoffen in Lebensmitteln: 24. April 2007 in Bonn
4. Reinders, G.: Lebensmittel-Aromen aus Kapseln, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum, ebenda
5. Rehage, H.: Von zweidimensionalen Netzwerken zu schaltbaren Mikrokapseln, Vortrag im 6 FEI-Kooperationsforum, ebenda
6. ...: (Holzminden) Symrise auf der Ingredients Russia 2005 in Moskau http://www.innovation.niedersachsen.de/529.html?&tx_ttnews[swords]=symrise&tx_ttnews[tt_news]=1451&tx_ttnews[backPid]=528&cHash=f7079cbc9e
7. Reinders, G.: Verkapselungsstrategien für funktionelle Lebensmittel: Symposium funktionelle Lebensmittel (28.–29.6.2007) Frankfurt/Main
8. Gunning, Y. M., Gunning, P. A. et al: Factors affecting the release of flavor encapsulated in carbohydrate matrixes. Journal of Agriculture and Food Chemistry 47 (1999), 5198–5205
9. Zasypkin, D., Porzio, M.: Glass encapsulation of flavours with chemically modified starch blends. Journal of Microencapsulation 21 (2004), 385–397.
10. Buera, P., Schebor, C. and Elizalde, B.: Effects of carbohydrate crystallization on stability of dehydrated foods. Journal Food Engineering 67 (2005) 1–2, 157–165.
11. van Drooge, D. J., Hinrichs, W. L. J., Wegman, K. A. M., Visser, M. R. Eissens, A. C. and Frijlink, H. W.: Solid dispersions based on inulin for the stabilisation and formulation of Δ9-tetrahydrocannabinol. European Journal of Pharmaceutical Science 21 (2004) 4, 511–518
12. Blecker, C., Chevalier, J.-P., Fougnies, C. Van Herck, J.-C., Deroanne, C. and Paquot, M.: Characterisation of different inulin samples by DSC: Influence of polymerisation degree on melting temperature. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 71 (2003) 1, 215–224.
13. Ronkart, S. N., Deroanne, C., Paquot, M., Fougnies, C., Lambrechts, J.-C. and Blecker, S.: Characterization of the Physical State of Spray-Dried Inulin. Food Biophysics 2 (2007) 2–3, 83–92
14. Steinboeck, E.: Process for the preparation of extruded delivery systems. Internationales Patent WO03056938 (2004)
15. Porzio, M.: Encapsulation compositions. United states Patent US2003026874 (2003)
16. Broderick, K.: Use of salt to improve extrusion encapsulation of chewing gum ingredients. Internationales Patent WO9308700 (1993)
17. Bouquerand, P.-E.: Large glassy beads. Internationales Patent WO2005079598 (2007)
18. Subramaniam, A.: Process for the incorporation of a flavor or fragance ingredient or composition into a carbohydrate matrix. Internationales Patent WO2006038067 (2006)
19. Smith, L. C.: Controlled release encapsulation. United State Patent US2004001891 (2004)
20. Hinderer, J.: Wax formulations containing odifirous substances. Internationales Patent WO0138440 (2001)
21. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of controlled release particles and encapsulated product. Europäisches Patent EP1342548 (2003)
22. Van Lengerich, B.: Encapsulation of sensitive liquid components into a matrix to obtain discreate shelfstable particles. International Patent WO0021504 (2000)
23. Van Lengerich, B.: Encapsulation of sensitive components using pre-emulsification. International Patent WO2004009054 (2004)
24. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of controlled release particles United States Patent US6190591 (2001)
25. Van Lengerich, B.: Embedding and encapsulation of sensitive components into a matrix to obtain discrete shelf-stable particles. United States Patent US2002044968 (2002)
26. Van Lengerich, B.: Production of oil encapsulated minerals and vitamins in a glassy matrix. International Patent WO0197637 (2002)
27. Van Lengerich, B.: Oligosaccharides encapsulated mineral and vitamin ingredients. International Patent WO005667A2 (2002)

Claims

Granulierte Partikel „Acticaps” mit verkapselten Wirkstoffen in einer kohlenhydratbasierten bioaktiven Matrix für die Applikation in verschiedenen Lebensmittelsystemen, gekennzeichnet dadurch, dass es durch Verdichten, Erwärmen, Scheren, Auspressen durch eine Düse und Granulieren hergestellt wird.
Acticaps dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Materiales mittels Ein- oder Doppelschnecken erfolgen kann.
Acticaps dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenhydratbasierten bioaktiven Hüllmaterialen aus löslichen unverdaulichen Ballaststoffen bestehen, wie Oligofruktose, Inulin, Polydextrose und resistente Maltodextrine.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe sowohl pulverförmig, flüssig-wässrig als auch lipidartig vorliegen können.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe in Form von sekundären Pflanzeninhaitsstoffpräparaten, Mikroalgen, Aromen, Vitaminen, Provitaminen oder essentiellen Fetten eingesetzt werden.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllmaterial zwischen 60 und 100°C unter Scherung in eine fließfähige homogene Masse überführt wird.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe in eine glasartige Matrix eingebettet werden.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Hüllmateriales 50–95% beträgt.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Wirkstoffe 5–50% beträgt.
Acticaps, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe in den Partikel lagerstabil, gut dosierbar, stabil bei Verarbeitung in Lebensmitteln und zusammen mit der Hülle einen weiteren ernährungsphysiologischen Zusatznutzen aufweisen.