Mikroverkapselung von Lebensmittelzusatzstoffen

von. Annett Hoepfner

EINLEITUNG 3

1 ZIEL DER ARBEIT 3

2 WAS SIND MIKROKAPSELN 4

2.1 Mikrokugeln 4
2.2 Mikrokapseln 4
2.3 Mehrwandkapseln 5

3 DAS VERFAHREN DER MIKROVERKAPSELUNG 5

3.1 Herstellungsverfahren 6

3.1.1 Mechanisch-physikalische Verfahren 6
3.1.2 Chemische Verfahren 10
3.1.3 Physikochemische Verfahren 11

3.2 Wandmaterialien 13

3.2.1 Stärke und hydrolisierte Stärken 13
3.2.2 Natriumalginat 14
3.2.3 Gelatine 14
3.2.4 Gummi arabicum 14
3.2.5 Tylose (E461) 15
3.2.6 Wachse und Lecithin 15

3.3 Freisetzung 15

3.3.1 Freisetzung durch Diffusion 16
3.3.2 Osmotisch kontrollierte Freisetzung 16
3.3.3 Lösungsmittelaktive Freisetzung 16
3.3.4 Temperaturaktive Freisetzung 16
3.3.5 Freisetzung durch Druckaktivierung 17
3.3.6 pH-kontrollierte Freisetzung 17

4 MIKROVERKAPSELUNG VON LEBENSMITTELZUSATZSTOFFEN 17

4.1 Kermaterialien 17
4.2 Nutzen 18

4.2.1 Aromastoffe 19
4.2.2 Farbstoffe 21
4.2.3 Probiotische Bakterien 22
4.2.4 Lipophile Vitamine 22
4.2.5 Omega-3-Fettsäuren 23
4.2.6 Weitere Möglichkeiten 24

4.3 Verfahren 25
4.4 Firmen 25

5 GESETZLICHE REGELUNGEN 26

5.1 Functional Food 26
5.2 Lebensmittelzusatzstoffe 27

6 ZUSAMMENFASSUNG 27

7 QUELLENVERZEICHNIS 28

Einleitung

Im Jahre 1954 wurde erstmals die Technologie der Mikroverkapselung in Form von kohlenfreiem Durchschreibepapier angewendet (Dussa 2000:3). Inzwischen hat sich das Einsatzgebiet der Mikroverkapselung weit ausgedehnt. Mikrokapseln werden zur Freisetzung von Arzneistoffen in der Pharmazie genutzt und finden auch in der Lebensmittelindustrie mehrere Anwendungen, wie z.B. zur gezielten Aromafreisetzung in Backwaren. Weiterhin werden Mikrokapseln in Kosmetika, Klebstoffen, Textilien, Agrochemikalien, Futtermitteln und Baustoffen eingesetzt (Inovia Hutzinger GmbH & CO KG 2003). Die Mikroverkapselung von Substanzen im Lebensmittelbereich führt zu einer längeren Produkthaltbarkeit, einem geringeren Wirkstoffbedarf, einer höheren Kundenakzeptanz durch verbesserte sensorische Eigenschaften und einem besseren Handling. Auch Produktinnovationen sind möglich. Alle genannten Punkte haben eine höhere Wirtschaftlichkeit der Produkte zur Folge (ebd.).

1 Ziel der Arbeit

Die Lebensmittelindustrie möchte immer mehr Produkte mit einem gesundheitlichen Zusatznutzen herstellen und verkaufen. Sogenannte funktionelle Lebensmittel werden mit bestimmten Stoffen, z.B. Vitaminen, probiotischen Bakterien oder Omega-3-Fettsäuren, angereichert. Diese Substanzen können beim Einbringen in Lebensmittel zu Problemen führen, z.B. kann die Lagerdauer oder die sensorische Qualität des Produktes verringert werden. Durch die Mikroverkapselung können die genannten Punkte sowie die Weiterverarbeitung verbessert werden. Neben der Verringerung negativer Effekte möchte die Lebensmittelindustrie auch Produkteigenschaften gezielt verändern (z.B. Fließeigenschaften von Pulvern). Ziel meiner Arbeit ist es, einen Überblick über die Technologie der Mikroverkapselung und ihrer speziellen Anwendung im Lebensmittelbereich zu geben.

2 Was sind Mikrokapseln

Mikrokapseln bestehen aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Kernmaterial, dem Kapselinhalt. Dieser Inhalt wird von einer festen Hülle, der Kapselwand umgeben. Die Kapselgröße liegt zwischen 1 bis 5000 µm. Sie variiert je nach angewendeten Verfahren und Verwendungszwecken (Hobein/Lutz 1989:12; Voigt 2000:241). Mikrokapseln kommen einzeln oder als Agglomerate vor. Sie werden als trockenes, freifließendes Pulver oder als Kapselsuspension weiter verwendet (Hobein/Lutz 1989:12). Die Kapselform ist abhängig vom verwendeten Verkapselungsverfahren und vom verwendeten Wandmaterial sowie von der zu verkapselnden Substanz. Ist der Inhalt der Kapsel flüssig oder gasförmig, sind die Kapseln mehr oder weniger rund. Bei Feststoffen bleibt meist die kristalline Struktur erhalten (Hobein/Lutz 1989:14). Die Kapselarten werden in Mikrokugeln, Mikrokapseln und Mehrwandkapseln unterschieden.

2.1 Mikrokugeln

Bei der Mikrokugel ist die zu verkapselnde Substanz homogen innerhalb des Partikels verteilt (BRACE GmbH 2003) Sie werden durch die Matrixverkapselung hergestellt. Die Mikrokugeln werden angewendet, wenn eine kontinuierliche Freisetzung des Kernmaterials gewünscht ist (ebd.).

Abb. 1: Schematische Darstellung einer Mikrokugel [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

2.2 Mikrokapseln

Die Mikrokapsel besteht aus einer Außenhülle, die ein Kernmaterial umgibt. Das Herstellungsverfahren wird allgemein als Kern-Hülle-Verkapselung bezeichnet. (BRACE GmbH 2003). Des weiteren gibt es noch Mikrokapselagglomerate und Mikrokapseleinbettungen (Pharmarom GmbH 2003). Die im weiteren Text vorkommende Bezeichnung „Mikrokapsel“ bezieht sich auf diese Kapselart.

Abb. 2: Schematische Darstellung einer Mikrokapsel [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

2.3 Mehrwandkapseln

Mehrwandkapseln sind Kapseln mit einem Kern, der von mehr als einer Wand umgeben wird. Das Patent der Firma Cavis Gesellschaft für Immobilisierungssysteme mbH nennt sich MLC® (= Multi-Layer-Capsules). Diese patentierten Kapseln bestehen aus einer mehrschichtigen Membran, die den Kern umgibt. Dabei übernehmen die Schichten jeweils unterschiedliche Aufgaben. Die innerste Wandschicht reguliert die Permeabilität, die mittleren Wandschichten sind für die Stabilität und die äußerste ist für die Oberflächeneigenschaften der Kapsel verantwortlich (Cavis Gesellschaft für Immobilisierungssysteme mbH 2003).

Abb. 3: Schematische Darstellung einer Mehrwandkapsel [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]
3 Das Verfahren der Mikroverkapselung

Vorgänger der Mikroverkapselung ist das Sprüheinbettungsverfahren. Bei diesem Verfahren werden Flüssigkeitströpfchen in das Wandmaterial eingebettet und es entstehen Strukturen, die einem vollgesaugtem Schwamm ähneln (Hobein/Lutz 1989:9). Der Anteil an Wandmaterial ist bei der Sprüheinbettung sehr hoch und der Schutz empfindlicher Kernmaterialien ist in solchen Strukturen ungenügend. Durch die Weiterentwicklung des Sprüheinbettungsverfahrens entstand die Mikroverkapselung (ebd.).
Die Mikroverkapselung ist ein Prozess, um kleine Feststoffpartikel, Flüssigkeitstropfen oder Gase mit einem Wandmaterial vollständig oder partiell einzuschließen (Bauer et al 1999:354; Kunz et al 2003:1733). Der Inhalt wird im Unterschied zum Sprüheinbettungsverfahren bei der Mikroverkapselung von einer dünnen Wandschicht umgeben.
Mikrokapseln lassen sich nach folgenden Punkten unterscheiden (Hobein/Lutz 1989:11):

• Herstellungsverfahren
• Wandmaterialien
• Freisetzungsmechanismen
Sie sind ein komplexes Zusammenspiel aus Wirkstoff, Technologie und Wandmaterial.

3.1 Herstellungsverfahren

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