Mikroverkapselung von Lebensmittelzusatzstoffen

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1 Ziel der Arbeit

2 Was sind Mikrokapseln
2.1 Mikrokugeln
2.2 Mikrokapseln
2.3 Mehrwandkapseln

3 Das Verfahren der Mikroverkapselung
3.1 Herstellungsverfahren
3.1.1 Mechanisch-physikalische Verfahren
3.1.1.1 Sprühtrocknung
3.1.1.2 Gefriertrocknung
3.1.1.3 Zentrifugale Extrusion
3.1.1.4 Wirbelschichttrocknung
3.1.2 Chemische Verfahren
3.1.2.1 Grenzflächenpolymerisation
3.1.2.2 Molekularer Einschluss mit Cyclodextrinen
3.1.3 Physikochemische Verfahren
3.1.3.1 Phasentrennung – Koazervation
3.1.3.2 Liposomaler Einschluss
3.2 Wandmaterialien
3.2.1 Stärke und hydrolisierte Stärken
3.2.2 Natriumalginat
3.2.3 Gelatine
3.2.4 Gummi arabicum
3.2.5 Tylose (E461)
3.2.6 Wachse und Lecithin
3.3 Freisetzung
3.3.1 Freisetzung durch Diffusion
3.3.2 Osmotisch kontrollierte Freisetzung
3.3.3 Lösungsmittelaktive Freisetzung
3.3.4 Temperaturaktive Freisetzung
3.3.5 Freisetzung durch Druckaktivierung
3.3.6 pH-kontrollierte Freisetzung

4 Mikroverkapselung von Lebensmittelzusatzstoffen
4.1 Kermaterialien
4.2 Nutzen
4.2.1 Aromastoffe
4.2.1.1 Verfahren zur Verkapselung
4.2.1.2 Neuentwicklungen
4.2.2 Farbstoffe
4.2.2.1 Neuentwicklungen
4.2.3 Probiotische Bakterien
4.2.4 Lipophile Vitamine
4.2.5 Omega-3-Fettsäuren
4.2.5.1 Neuentwicklungen
4.2.6 Weitere Möglichkeiten
4.3 Verfahren
4.4 Firmen

5 Gesetzliche Regelungen
5.1 Functional Food
5.2 Lebensmittelzusatzstoffe

6 Zusammenfassung

7 Quellenverzeichnis

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.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schematische Darstellung einer Mikrokugel

Quelle: Pharmarom GmbH 2003

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Schematische Darstellung einer Mikrokapsel

Quelle: Pharmarom GmbH 2003

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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Schematische Darstellung einer Mehrwandkapsel

Quelle: Pharmarom GmbH 2003

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

Die Auswahl des Verfahrens ist abhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kern- und Wandmaterials, dem Freisetzungsmechanismus, der gewünschten Partikelgröße, den bestehenden technologischen Möglichkeiten und den Möglichkeiten des Unternehmens (Kunz et al 2003:1733). Durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren lassen sich eine Vielzahl von Kapselvarianten je nach Anwendungsprofil erstellen. Die Einteilung der Verfahren erfolgt in mechanisch-physikalische, chemische und physikochemische Verfahren (Dussa 2000:8; Kunz et al 2003:1734).

In der Lebensmittelindustrie werden hauptsächlich Sprühtrocknung, Gefriertrocknung, Wirbelschichttrocknung und Extrusion genutzt (Kunz et al 2003:1734).

3.1.1 Mechanisch-physikalische Verfahren

3.1.1.1 Sprühtrocknung

Die Sprühtrocknung ist ein schonender, einfacher und kontinuierlicher Prozess zur Verarbeitung und Umhüllung hitzeempfindlicher Substanzen z.B. Mikroorganismen, Aromen und Farbstoffe (Kunz et al 2003:1734).

Das Kernmaterial wird in der Flüssigkeit des Wandmaterials dispergiert. Danach wird die Emulsion von Wand und Kernmaterial in einer Trockenkammer zerstäubt (Zerstäuber). Wasser dient am häufigsten als Lösungsmittel, da es schnell verdampft während das Wandmaterial den Kern umschließt (ebd.). Es entstehen Partikelgrößen von < 100µm (ebd.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Schematische Darstellung eines Sprühturms

Quelle: Dussa 2000:20

Trotz hoher Trocknungstemperaturen ist dieses Verfahren wegen der nur kurzfristigen Hitzeeinwirkung für hitzempfindliche Substanzen geeignet (Dussa 2000:18f; Kunz et al 2003:1734). Die Verkapselung bietet einen guten Schutz des Kernmaterials. Es lassen sich verschiedene, allerdings nur wasserlösliche Kapselmaterialien mit geringer Viskosität einsetzen. Die Partikelgröße ist veränderlich. Ein weiterer Vorteil des Sprühtrocknungsverfahrens ist die gute Löslichkeit der Mikrokapseln in wässrigen Systemen (ebd.). Infolge der hohen Temperatur lassen sich oxidationsempfindliche Materialen mit diesem Verfahren nicht verkapseln. Diese Methode erlaubt eine Stabilisierung empfindlicher und labiler Substanzen z.B. von Mikroorganismen, die bei der Lagerung und im Verdauungstrakt geschützt werden müssen und anderer bioaktiver Substanzen. Weitere Produkte sind z.B. Fette, Öle, Instant-Tee, Milchpulver und Aromakomponenten (Dussa 2000:21).

Die Sprühtrocknung ist aufgrund des kontinuierlichen Prozessablaufes und der daher geringen Produktionskosten das verbreitetste Verfahren in der Lebensmittelindustrie.

3.1.1.2 Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung wird überwiegend zur Verkapselung von Aromen und Mikroorganismen verwendet (Kunz et al 2003:1733). Das Wandmaterial wird in Lösung gebracht und das Kernmaterial wird zugegeben. Dem Wandmaterial wird das Wasser entzogen bzw. getrocknet und das Kernmaterial wird dadurch verkapselt (ebd.). Die Trocknung erfolgt bei gefrorenen Gütern.

3.1.1.3 Zentrifugale Extrusion

Bei dieser Verkapselungstechnik werden die Zentrifugalkräfte in einem Rotationssystem so ausgenutzt, dass ein gleichmäßiger Kontakt zwischen Kernmaterial und Wandmaterial entsteht (Dussa 2000:9). Das Kernmaterial wird durch einen rotierenden Zylinder gedrückt und mit dem Wandmaterial umschlossen (ebd.). Es entsteht ein flüssiger, zylindrischer Stab. Nach dem Austritt aus den Düsen bricht der Stab durch die Rotationskräfte in Tropfen und durch die Oberflächenspannung umhüllt das Wandmaterial das Kernmaterial (ebd.). Die Kapseln sind flüssig und müssen erst getrocknet werden (Dussa 2000:9).

Die Kapselgröße ist durch die Weite der Öffnung, durch die Zulaufrate von Substanzen und durch die Zentrifugalgeschwindigkeit variierbar (Kunz et al 2003:1734).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Zentrifugale Extrusion

Quelle: Dussa 2000:9

Die Trocknung oder Härtung kann durch verschiedene Verfahren geschehen (Dussa 2000:9ff):

durch ein flüssiges Reaktionsbad (Fällungslösungen)

durch Kühlung

durch Puderummantelung

durch Beschlagung mit Feuchtigkeit

durch Lösungsmittelevaporation

Auch bei der zentrifugalen Extrusion können viele verschiedene Wandmaterialien eingesetzt werden (Dussa 2000:11). Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass hitzeempfindliche Kernmaterialien, wie z.B. Mikroorganismen, verwendet werden können (Kunz et al 2003:1735).

Die zentrifugalen Extrusion wird in der Lebensmittelindustrie zur Verkapselung von Aromastoffen, Gewürzen und Vitaminen eingesetzt.

[...]