Различные технологии инкапсуляции в пищевой промышленности

02.09.2016

Различные технологии инкапсуляции в пищевой промышленности

 

Инкапсуляция -  процесс включения одного материала в другой, при котором образуются частицы размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

Микрокапсуляция позволяет отделить капсулируемый материал от окружающей среды до тех пор, пока не произойдет его высвобождение. Структура, которая образуется капсулирующим агентом вокруг капсулируемого материала называется стенкой. Свойства материала стенки могут быть подобраны таким образом, чтобы защитить содержимое и обеспечить его высвобождение при определенных условиях. Размер капсул может варьировать от субмикронного до нескольких миллиметров. Форма также может быть различной. Содержимое капсулы может быть высвобождено различными путями: механическим разрушением капсулы, растворением капсулы, расплавлением капсулы, либо путем диффузии через стенку капсулы.

Существуют разнообразные технологии для производства инкапсулированных материалов: распылительная сушка для получения капсул, распылительная заморозка, включение в матрицу, со-экструзия, капсуляция в гель, капсуляция в кипящем слое. Эти методы применимы как к пищевым ингредиентам, так и к другим материалам. Разнообразие капсулирующих материалов также достаточно велико – это жиры, воска, глицериды, производные ПЭГ, сахара, крахмалы и модифицированные крахмалы, декстрины, растительные камеди, желатины и другие белки, производные целлюлозы, казеинаты и пр. Широкий выбор материалов дает возможность создавать микрокапсулы, которые будут высвобождать содержимое при самых различных условиях.

Включение в матрицу и инкапсуляция

Термины «включение» и «инкапсуляция» иногда используют как синонимы, но это неверно, поскольку инкапсуляция в обязательном порядке подразумевает формирование сплошной оболочки-капсулы вокруг капсулируемого материала, которая полностью его закрывает (рис.1). Включение подразумевает только собственно включение материала в матрицу. При этом некоторый процент капсулируемого материала остается на поверхности незащищенным (рис 2).

                            Рис.1                                    Рис.2                                        Рис.3

Возможен и гибрид между этими двумя технологиями, когда матрица с включенным в нее материалом помещается в оболочку (рис 3).

Технологии капсуляции

Нанесение покрытия в псевдожиженном слое

Нанесение в псевдоожиженном слое капсулируемого продукта путем распыления раствора или расплава образующего капсулу компонента предоставляет более широкие возможности в плане контроля и регулировки процесса. Частицы покрываются оболочкой, находясь во взвешенном состоянии в потоке воздуха.

Тарелка, которая является подложкой для слоя капсулируемого продукта, перфорирована таким образом, что скорость потока проходящего через нее воздуха уменьшается от центра к краям. Частицы в центральной части тарелки начинают подниматься с потоком воздуха вверх и попадают в зону распыления пленкообразователя. Далее, поскольку область, в которой происходит распыление расширяется кверху, скорость потока воздуха уменьшается и поднятые вверх частицы опускаются обратно к периметру аппарата.

Таким образом, происходит постоянное перемещение частиц внутри ожиженного слоя от периметра к центру.

Иногда в центральной части тарелки располагают вертикальную цилиндрическую вставку, отделяющую поток подымающихся частиц от остальной массы слоя. В этом случае распылительную форсунку устанавливают внутри цилиндра. Такое исполнение аппарата позволяет гарантировать более равномерное статистическое время нахождения частиц в зоне напыления и получать более однородный по качеству продукт.

Распылительная сушка

Одни литературные источники относят классическую распылительную сушку к методам капсуляции, а другие нет, поскольку некоторая часть продукта остается незакапсулированной, т.е. получаемый продукт скорее сродни включению. Тем ни менее, долю незакапсулированной основы можно контролировать и минимизировать, так что эта техника остается эффективным и самым распространенным (до 85%) способом капсуляции многих ингредиентов.

Для большинства способов распылительной сушки основой капсулы является капля концентрированного раствор гидроколлоида, внутри которой содержится одна или множество капель масляной фазы. Образующий матрицу материал растворяется в воде, после чего добавляется капсулируемая фаза. При необходимости, для получения тонкой и стабильной эмульсии в смесь добавляют эмульгатор, после чего смесь гомогенизируется.

Полученная эмульсия распыляется в потоке нагретого воздуха, в сушильной камере распылительной сушилки. В процессе распыления частицы принимают сферическую форму, а материал оболочки по мере испарения воды твердеет и образует матрицу. Мелкий размер частиц масляной фазы очень важен для более высокой эффективности инкапсуляции.

Другой важный фактор - это устройство самой распылительной сушилки. Если имеется сушилка с большой сушильной камерой и ламинарным потоком воздуха, то частицы получаются ровные и одинакового размера. В циклонной сушилке, где имеет место турбулентный поток и частицы трутся друг о друга и о стенки камеры невозможно достичь хорошей инкапсуляции.

Распылительная заморозка

Распылительная заморозка -  прямая противоположность распылительной сушке. Матрицу в этом случае образует жировая фаза - воск или жир, а водная фаза образует включения. Распыленные частицы не высушиваются, а замерзают. Этот метод используется, если необходимо защитить капсулируемое вещество от действия влаги и обеспечить его высвобождение при требуемой температуре. Образующий капсулу материал расплавляют до жидкого состояния и в этой жидкости диспергируют капсулируемое вещество (водорастворимое) или раствор веществ. Эмульсию распыляют в поток охлажденного воздуха и воск застывает, образуя включения капель капсулируемого продукта.

Распыление

Существуют различные системы для распыления, но наиболее часто используются распылительные форсунки и атомизирующие диски. Форсунки работают по известному принципу пульверизатора.

Вращающийся диск представляет альтернативный способ атомизации (распыления) для распылительной сушки или заморозки. Процесс начинается с поступления эмульсии, в которой капсулируемый ингредиент содержится в дисперсной фазе. Эмульсия потоком направляется на диск, вращающийся со скоростью 6000-16000 об/мин, который атомизирует частицы за счет центробежной силы. Капельки эмульсии покидают непрерывную фазу и, за счет вращения, приобретают сферическую форму, которая далее фиксируется в процессе высушивания.

Метод хорошо работает с суспензиями твердых частиц, распределенных в непрерывной фазе. С помощью диска можно достичь более высокой производительности и лучше контролировать размер частиц. Диск удобнее при работе с суспензиями, он не забьется как это может случиться с форсункой.

Экструзия

Классическая экструзия расплавов

Инкапсуляция путем заключения капсулируемого продукта в расплав применяется для жирорастворимых ароматических компонентов. Согласно этой технологии сначала получают расплав, уваривая сироп с высоким содержанием сахаров, после этого в расплав при перемешивании добавляют инкапсулируемый продукт (эфирные масло) и эмульгатор. Смесь интенсивно перемешивают, чтобы эмульгировать капсулируемый продукт в расплаве. Перемешивание ведут под давлением, чтобы избежать потерь летучих компонентов. Готовую эмульсию экструдируют через форсунку с мелкими отверстиями в ванну, заполненную охлажденным и обезвоженным растворителем(обычно изопропанол, иногда жидкий азот). При застывании расплава образуются тонкие стекловидные нити, которые при активном перемешивании распадаются на мелкие фрагменты палочковидной формы. Помимо затвердевания, в процессе охлаждения происходит отмывка остатков незакапсулированного продукта с поверхности гранул. Особо хорошо метод зарекомендовал себя для цитрусовых ароматов, очень чувствительных к окислению. Поскольку все остатки незакапсулированного компонента удалены с поверхности гранул, капсулят практически не имеет запаха, но в водной среде быстро раскрывается и высвобождает хорошо сохранившийся аромат. Капсулированный методом экструзии продукт отлично сохраняется годами.

Со-экструзия

Со-экструзионная капсуляция заключается в продавливании капсулируемого вещества и образующего капсулу компонента через пару концентрических форсунок, расположенных одна в другой.

Поток образующего оболочку компонента экструдируется через внешнее отверстие и при этом окружает струю капсулируемого продукта, проходящую через внутренне отверстие. По выходу из форсунок струя распадается в потоке воздуха или жидкости на отдельные фрагменты, представляющие собой капли капсулируемого вещества, окруженные оболочкой образующего стенку компонента. Далее идет стадия, на которой происходит отвердевание оболочки капсулы. В зависимости от материала, образующего оболочку, это может быть охлаждение воздухом или жидкостью (если в качестве материала оболочки использовался расплав воска, ПЭГ или сахаров), сушка горячим воздухом (если оболочка из раствора гидроколлоида), либо химическая обработка материала оболочки (если оболочка альгинатная или желатиновая).

Метод со-экструзии имеет ряд преимуществ перед распылительной сушкой. Во превых, 100% капсулируемого вещества оказывается внутри капсул, а значит потери капсулируемого вещества значительно меньше по сравнению с распылительной сушкой. Во вторых, полученный продукт гораздо однороднее по гранулометрическому составу в сравнении с продуктом распылительной сушки, не образует пыли и более сыпуч. В третьих, поскольку обе фазы, составляющие капсулу, практически не смешиваются в процессе обработки, а контактируют лишь в самый последний момент, не происходит массопереноса из фазы в фазу, а следовательно уменьшаются потери активного компонента.

Коацервация

Коацервация – метод инкапсуляции, при котором капсулируемый продукт, находящейся в масляной фазе эмульсии типа м/в, покрывается тонкой нерастворимой оболочкой полимера. Методы коацервации подразделяют на простые и сложные. Разница между ними заключается в том, что при простой коацервации в качестве образующего оболочку компонента используется только один водорастворимый полимер. Коацервация позволяет получить продукт в виде тонкого порошка-гранулята или суспензии с размером частиц от 10 до 800 мкм. Оболочка капсулы нерастворима и разрушается только в результате механического воздействия.

Название метода происходит от явления коацервации - процесса агрегации коллоидных сфер, которые слипаются под действием электростатических сил. При этом в растворах образуются коацерваты – частицы конденсированной коллоидной фазы. Внешне образование коацерватов выглядит как помутнение или опалесценция раствора. Коацервация может наблюдаться в растворах гидроколлоидов при изменении температуры, рН, а также разбавлении эмульсии растворителем.

В раствор полимеров, содержащий коацерваты вводится масляная фаза. Под действием электростатических сил коацерваты облепляют каплю масляной фазы и образуют сплошную, полужидкую оболочку. Систему медленно охлаждают, при этом оболочка капель становиться более твердой. На последней стадии процесса в систему вводят сшивающий агент – химическое вещество (формальдегид, глутаровый альдегид) или фермент. При этом образуются поперечные связи между цепями образующего капсулу полимера, полимер теряет растворимость и оболочка капсулы твердеет. Готовый продукт может быть использован как в виде суспензии, так и в виде порошка.Перед сушкой в систему вносят добавку, препятствующую слипанию влажных капсул(например диоксид кремния). Если полученные капсулы мелкого размера (около 100 мкм), предпочтительнее использовать распылительную сушку. Если размер капсул достаточно велик (более 100 мкм), то их можно отфильтровать и высушить в потоке воздуха в псевдокипящем слое.

Гелевые микросферы

Микросферы – это шарики диаметром 0,2-5,0 мм, состоящие из геля какого-либо биополимера, с заключенным в нем активным компонентом. Обычно активный компонент вносится еще до формирования микросферы, однако есть варианты технологии, когда активный компонент загружается в уже готовые микросферы, содержащие капельки масла.

Самый распространенный вариант микросфер – из кальций-альгинатного геля. Он используется для капсуляции самых различных активных компонентов – масляных капель, содержащих ароматизатор, живых клеток пробиотиков и дрожжей, ферментов. Активный компонент должен иметь достаточно большой размер, чтобы удержаться в сети биополимера. Образование альгинатного геля в присутствии катионов двухвалентных металлов – хорошо контролируемый процесс, не требующий нагрева, в отличии от гелей агарозы, агара и каррагенана. Для приготовления микросфер обычно использую одну из двух технологий: капельную или эмульсионную.

Капельная технология состоит во внесении 0,6-4% альгинатного раствора/суспензии, содержащего активный компонент в ванну с 0,05-1,5 М раствором хлорида кальция в, виде капель.

Капельная технология позволяет получать относительно крупные микросферы размером 0,2-2,0 мм.

Эмульсионный вариант получения микросфер заключается в добавлении раствора хлорида кальция к эмульсии альгинатного раствора в растительном масле. Эмульсионный метод позволяет получать микросферы значительно меньшего размера – 10-1000 мкм. После длительного (около суток) выдерживания в растворе хлорида кальция оболочка альгинатных микросфер становится значительно тверже.

Включение в липосомы

Липосомы — самопроизвольно образующиеся в смесях фосфолипидов с водой замкнутые пузырьки. Их стенка состоит из одного или нескольких бислоёв фосфолипидов (слоёв толщиной в две молекулы), в которые могут быть встроены другие вещества(например, белки). Внутри липосом содержится вода или раствор.

Диаметр липосом варьирует от 20 нм (моноламеллярные везикулы, стенка состоит из одного бислоя) до 10-50 мкм (мультиламеллярные везикулы, стенка состоит из десятков или сотен бислоёв)

Метод включения ароматических веществ в липосомы тоже можно рассматривать как инкапсуляцию, наряду с получением эмульсий, поскольку и в этом случае душистые вещества оказываются защищены от различных внешних воздействий. Однако эту технологию редко используют в пищевой промышленности, из за химической и физической нестабильности в хранении.

Молекулярное включение

Капсуляцию можно проводить и на молекулярном уровне. Это достигается с использованием особого рода олигосахаридов, называемых циклодекстринами. Хотя в настоящее время не все типы циклодекстринов разрешены для широкого применения в пищевой промышленности, возможно за ними лежит будущее инкапсуляции. Циклодекстрины - это, как уже было сказано, циклические олигосахариды. Их получают путем ферментной модификации крахмалов с использованием фермента циклодекстрин глюкозилтрансфераза. В результате получаются молекулы, состоящие из шести, семи или восьми глюкозных звеньев, расположенных в виде кольца, которые называют?, ? и ? -циклодекстринами соответственно. Соотношение различных циклодестринов определяется условиями реакции - температурой, рН, выбором фермента.

Внутренняя полость молекулы циклодекстрина гидрофобна. Это дает ей возможность захватывать и удерживать в полости молекулы других веществ. Удерживаемая молекула должна быть такова, чтобы хотя бы часть ее попала в полость и образовала комплекс-включение.

Образование комплекса происходит при простом смешении активного компонента с водным раствором циклодекстрина. После этого необходимо удалить воду, т.е. высушить смесь, например с использованием распылительной сушилки. Образование комплекса происходит достаточно легко, поскольку гидрофобная полость молекулы циклодекстрина вытесняет воду, а гидрофобная часть молекулы-включения легко занимает место воды. В общем случае, для эффективной капсуляции требуется 10 частей циклодекстрина на 1 часть активного компонента.

Активный ингредиент высвобождается из комплекса при повторном растворении в воде. В растворе существует динамическое равновесие между свободной и капсулированной формой активного ингредиента. Таким образом, создается запас защищенного активного ингредиента, который расходуется по мере убывания свободной формы.Применительно к ароматизатору это позволяет создавать более ровный вкусовой профиль, пролонгировать вкус и обеспечивать более длительную защиту активного компонента.

Молекулярная капсуляция защищает капсулированный продукт от тех же факторов, что и традиционная капсуляция, причем совершенно не обязательно, чтобы вся капсулируемая молекула находилась во внутренней полости циклодекстринового кольца.

Циклодекстрин- достаточно дорогой продукт и его использование экономически оправдано лишь в сочетании с другими дорогими ингредиентами, чтобы затраты на его использование не слишком влияли на себестоимость конечного продукта. Таким продуктом может быть, например, дорогой ароматизатор или отдушка.

Инкапсуляция в дрожжевые клетки

Процесс инкапсуляции слудующий – водную суспензию дрожжевых клеток смешивают с жирорастворимой ароматической базой. Ароматизатор проникает сквозь клеточную стенку, не разрушая ее, и замещает собой часть внутриклеточного материала. Далее ароматизатор остается внутри дрожжевой клетки, образуя масляные капли в гидрофобных компартментах клеточной структуры. Содержание ароматизатора в дрожжевой клетке может доходить до 70%, хотя обычно не превышает 30-50%.

После того,как ароматизатор включен в дрожжевую клетку, суспензию клеток отделяют от воды и высушивают распылительной сушкой, без всяких дополнительных носителей.

Ароматические вещества хорошо защищены клеточной стенкой дрожжевой клетки и отлично сохраняются.

Одна из интересных особенностей этого метода капсуляции - это механизм высвобождения аромата из дрожжевых клеток. Содержимое не покидает клетку ни в воде, ни в водосодержащих продуктах, однако быстро высвобождается при попадании в рот. Механизм высвобождения еще детально не изучен, однако, дело здесь не в простом механическом разрушении. Предположительно клетки расстаются со своим содержимым при контакте с липофильными участками на языке, вероятно, при содействии ферментов слюны.

Область применения капсулированного таким образом продукта – выпечка, экструдированные снеки, супы, соусы, горячие напитки и продукты, требующие медленного высвобождения, типа жевательной резинки.

Выбор метода инкапсуляции

Конечно, выбор метода инкапсуляции не может происходить путем проб и ошибок. Первый вопрос, на который должен ответить технолог, это какие преимущества он хочет иметь в капсулированном продукте? Искомый набор преимуществ можно получить анализируя запросы потребителей, тенденции на рынке пищевых продуктов, либо ориентируясь на потребности в улучшении технологичности производственных процессов, либо увеличения срока годности продукции.

Второй вопрос состоит в том, является ли инкапсуляция именно той технологией, которая сможет обеспечить эти преимущества? Инкапсуляцию следует рассматривать в последнюю очередь, когда других возможностей уже не осталось из-за присущих ей отрицательных сторон – высоких затрат и сложности технологии.

Разработан ретроспективный подход к выбору технологии, который включает систематический анализ физических, химических и биологических свойств как активного ингредиента так и пищевой матрицы, в которой он должен использоваться. Основываясь на результатах такого анализа можно более четко определить свойства, которыми должен обладать продукт. И только после этого можно переходить к выбору наиболее подходящей технологии.

Если выбор все-таки пал на инкапсуляцию, следует рассмотреть следующие моменты:

– Каковы физико-химические свойства активного компонента?

– Каковы условия приготовления или обработки продукта, в котором будет использоваться компонент?

– В каких условиях будет храниться инкапсулят?

– Каковы условия и сроки хранения пищевого продукта, в котором используется инкапсулят?

– Какие размеры и плотность частиц капсулята оптимальны для использования в пищевом продукте?

– Как должно происходить высвобождение активного компонента?

– Каковы ценовые ограничения?

Далее, основываясь на результатах анализа следует определить:

– Какой материал следует использовать для оболочки капсулы?

– Какую технологию капсуляции следует использовать?

– Какой процент активного компонента можно включить в капсулят?

– Существуют ли законодательные ограничения?

– Существуют ли патентные ограничения?

– Может ли капсулированный продукт быть получен в достаточном количестве,

постоянного качества и в заданные сроки?

Сводная таблица технологий микрокапсуляции

Технология	Стадии технологического процесса	Тип гранул	Наполнение (%)	Размер частиц (µm)
Распылительная сушка	1. Эмульгировать или растворить активный компонент в растворе гидроколлоида 2. Распылить 3. Высушить	Матрица	5-50	10-400
Распылительная заморозка	1. Эмульгировать или растворить активный компонент в нагретом воске, жире или ПЭГ гидроколлоида 2. Распылить 3. Охладить	Матрица	10-20	20-200
Капсуляция в кипящем слое	1. Ожижить слой продукта 2. Распылить пленкообразователь 3. Высушить или охладить	Капсула	5-50	5-5,000
Экструзия расплава	1. Расплавить образующий матрицу компонент 2. Эмульгировать или растворить в расплаве активный компонент 3. Экструдировать расплав 4. Охладить и высушить	Матрица	5-20	200-5,000
Co-экструзия	1. Растворить или диспергировать активный компонент в масляной фазе 2. Приготовить образующую оболочку фазу (водо- или жирорастворимую) 3. Экструдировать обе фазы одновременно через концентрические форсунки (масляную – через внутреннюю, образующую оболочку – через внешнюю) 4. Отвердить оболочку	Капсула	70-90	150– 8,000
Коацервация	1. Приготовить м/в эмульсию, содержащую активный компонент в масляной фазе 2. Приготовить раствор, содержащий коацерваты 3. Смешать оба раствора 4. Охладить 5. Добавить сшивающий агент (опционально)	Капсула	40-90	10-800
Инкапсуляция в альгинатные микросферы - капельная	1. Растворить или диспергировать активный компонент в растворе альгината 2. Добавить по каплям в желирующую ванну	Матрица	20-50	200-5,000
- эмульсионная	1. Растворить или диспергировать активный компонент в растворе альгината 2. Приготовить эмульсию раствора альгината в растительном масле 3. Добавить раствор желирующего агента	Матрица	20-50	10-1,000
Молекулярное включение	1. В раствор циклодекстрина внести активный компонент и перемешать 2. Выдержать и высушить (опционально)	Молекулярное включение	5-15	0.001-0.01
Включение в липосомы	1. Диспергировать фосфолипид в воде с жиро- или водорастворимым активным компонентом 2. Уменьшить размер липосом, обработав раствор с помощью эффективного миксера или ультразвука 3. Удалить избыток активного компонента (опционально)	Капсула	5-50	10-1,000
Капсуляция в дрожжевые клетки	1. Приготовить суспензию дрожжевых клеток 2. Добавить активный компонент 3. Отфильтровать суспензию клеток 4. Сушка	Капсула	30-50	3-20 мкм