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GDL-Forum „Mikroverkapseln u. Coaten“ Anuga FoodTec, Köln 2009
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Nano in Mikro -
alternative Wege für Lebensmittel
Muschiolik, G.
Food Innovation Consultant, Potsdam
www.muschiolik.de
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Agenda
Hintergründe
Nano in Mikro – Vorteil für Stoffeinschluss
Konzept für Nano in Mikro
- Derzeitiger technologischer Stand „multiple Emulsionen“
- Anwendungsmöglichkeiten für multiple Emulsionen
Zusammenfassung
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Hintergründe
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Weshalb Nano in Mikro?
Schwerpunkt des Vortrages: „Soft-Nanopartikel“
u. „Co-Chelate“ in Emulsionen
Ziel:
• Kontrollierte Freisetzung von hydrophoben bioaktiven Stoffen im Magen-Darm-Trakt (Wichtig: Einfluss Ladungszustand, Komplexbildung, Einschluss mit Polysacchariden unterschiedlicher Verdaulichkeit) u. gute Dosierbarkeit
• Erleichtern der Entwicklung von Lebensmitteln mit besonderen gesundheitlichen (und heilungsfördernden) Effekten
• Nano in Mikro als Basis für die Lebensmittelapplikation
(Nano-Mineralienpartikel werden hier ausgeschlossen)
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Nano in Mikro Functional Food
Derzeitige Fortschritte:
– Solubilisierung hydrophober Stoffe mit positiver bioaktiver Wirkung via Micellen
– Einschluss bioaktiver Stoffe in Co-Chelaten
– Herstellung multipler Emulsionen
• Erreichung einer hohen Stabilität
• Finden geeigneter Herstellungstechnologien
• breite Lebensmittelapplikation
Herausforderung: Applikation von Micellen oder Co-Chelaten via multiple Emulsionen
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Nano in Mikro
Vorteil für den Stoffeinschluss
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Größenvergleiche Nano-Partikel und Emulsionen
1,0E-01 1,0E+01 1,0E+03 1,0E+05 1,0E+07
nm
Ionen
Protein
Mizellen Roh-
Milch bioakt.
Subst.
3 µm 30-300 nm 0,3 nm
3 -10 nm
Emulsionen
0,7-10 µm
Alginat-
Mikropartikel
Golfball (~4,3 cm)
30-1000 µm
Alginat-
Makropartikel
1-3 mm
Radius Erde
Nano-
Filtration
Multiple Emulsionen W1/O/W2
W1: 800 – 1200 nm O in W2: 5000 – 8000 nm
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Ziele für hohen Stoffeinschluss bei Flüssigsystemen
Vermeidung des Durchdringens von Molekülzwischenräumen (bei Verkapselung bzw. Molekülvernetzungen an Grenzschichten)
durch:
1. Stoffmicellierung oder Bildung von Co-Chelaten
2. Einbau mizellierter (solubilisierter) Komponenten (Micellen < 100 nm) in dispergierte Wasser- und Ölphasen mit Grenzschichten aus Lipiden, Proteinen und Polysacchariden
Möglicher praktischer Lösungsweg:
Einschluss Nano in W1-Phasen multipler Emulsionen (W1/O/W2)
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Beispiele für Lebensmittelzusätze als Nano-System (Mizellen, Ø ~ 30 nm)
Solubilisate (Deutschland)
• Vitamin A, D, E, K
• Coenzym Q10
• -Carotin
• Lutein
• Omega 3-Fettsäure
• Isoflavone
Basis: NovaSol®Nanosome-Technologie, Mizellen
Solubilisate (Israel)
• Vitamin D, E
• Coenzym Q10
• Lutein
• Lycopin
• Phytosterol
Basis:
NutraLease Mikroemulsionen bzw.
Mizellen (Nano-Vehicle)
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Herstellung von Mizellen (Beispiel)
Mizellar-Konzentrat: 1. Lycopin in (R)-(+)-Limonen lösen (unter N2, 140 °C, 5 min) 2. Zugabe tropfenweise Wasser, Propylenglycol, Ethanol, Tween 60 Bildung Mikroemulsion 3. Abkühlen Spernath et al. 2002, J. Agric. Food Chem. 50 (2002) 6917, US 7182 950 B2, 2007
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Solubilisate (Mizellen) mit hydrophoben Inhaltsstoffen
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
neutrale Mizelle „Mizellar- Konzentrat“
kationische Mizelle
kationische Mizellen + anionisches Polysaccharid „Cluster“
Emulgator neutral
z.B. Nutraceutical
Polysaccharid
geladen
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Verhinderung Stofftransport in Flüssigsystemen
Problem bei mizellierten Systemen:
- Stabilität der Mizellen bei Milieuänderungen
(Vorteile der „Cluster“?)
- Mögliche Beeinflussung der Emulsionsbildung (W1/O-Emulsion und W1/O in W2) durch negative Wechselwirkung zwischen Emulgatoren (z.B. mit Tween 60 und W/O-Emulgator)
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Vorgaben für Eignung von Mizellarlösungen
• Keine Wechselwirkungen mit Emulgatoren im Emulsionssystem
• Hohe Stabilität bei der Herstellung der W/O-Emulsionen
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Konzept für Nano in Mikro
Vorschläge:
• Einsatz der „Cluster“ (kationische Mizellen mit Polymeren vernetzt, Lit. 1)
Oder der
• stabilen liposomalen Co-Chelate (negativ geladene Phospholipide vernetzt mit Ca 2+ oder Zn 2+ Lit. 2,3)
1 Weiss et al. Vortrag 1. Symp. Nanotechnologie TFH Berlin 2009
2 Krause-Elsmore and Mannino WO 2005063213 A1
3 Zarif et al. US 2005/0186265 A1
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Konzept für Nano in Mikro
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Konzept für Nano in Mikro (multiple Emulsion als Mikrosystem)
Lipid
Wasser (W2)
Micellen
Wasser (W1)
Modell für Einschluss von Solubilisaten in multiple Emulsionen(W/O/W)
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Konzept multiple Emulsionen W/O/W mit Nano-Systemen
Nanosystem < 100 nm
in W1
Dispergieren in O-Phase
O-Phase + Emulgator z.B. PGPR oder PL
Fein- Emulgieren < 1,2 µm
W1/O Dispergieren in W2-Phase
W-Phase + Proteinemulgator
hoher Energieeintrag
geringer Energieeintrag
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Dispergieren W1/O in W2
Technische Möglichkeiten, Auswahl
Lochblende: Muschiolik u.a., DE 195 30247 A1
Rotierende Membransäule:
Venneri, DE 103 06 259 A1
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„Schonendes“ Dispergieren von W1/O in W2 Tropfenbildung an Poren
hohe
Scherkräfte
Scherung und Streckung = kleine Tropfen
Ölphase + W1
(Nanosystem)
keine Scherkräfte
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Multiple Emulsionen in Lebensmitteln
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Multiple Emulsionen in Lebensmitteln
• flüssige und feste Lebensmittel
• wasserhaltige Lebensmittel mit geringem und hohem Feststoffgehalt
• Zuckergehalt (Saccharose) bis ~ 59 % möglich
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Vermeidung von Tropfenaggregation in Emulsionen Nutzung der Protein-Polysaccharid-Wechselwirkungen
pH- und Hitzestabilisierung mit Protein (Emulgator) und Pektin
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Einbetten der multiplen Emulsionen in Gelsysteme
W1-Tropfen
Polymernetzwerk
Öl-/Fett- partikel
Micellen
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Multiple Emulsionen mit bioaktiven Komponenten
als Gelpartikel (Beispiel)
Pektin- oder Alginatpartikel mit multipler Emulsion
Polysaccharid
multipe Emulsion
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Applikation Mikrogele in Lebensmitteln
0,1
1
10
100
0 200 400 600 800 1000
Scherrate (s-1)
Vis
kosität
(mPa s
)
Fruchtdrink
Fruchtdrink + Gel trocken
Fruchtdrink + Gel feucht
1
10
100
1000
10000
100000
0 500 1000 1500
Zeit t (s)
Vis
kosität
(mPa s
)Milchcreme
Milchcreme + Gel trocken
Milchcreme + Gel feucht
1
10
100
1000
10000
0 200 400 600 800 1000
Scherrate (s-1)
Vis
kosität
(mPa s
)
Jogurt
Jogurt + Gel trocken
Jogurt + Gel feucht
Zugabe von 2 % trocknen bzw.
10 % feuchten Mikrogelen
feuchte Gele für wasserhaltige LM
für wasserfreie LM: trockene
Mikrogele
Joghurt Fruchtsäfte
Süßwarenfüllung
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Zusammenfassung
• Die Verfügbarkeit von bioaktiven Stoffen kann durch Überführung in Nano-Systemen verbessert werden.
• Es gibt stabilisierte Mizellen sowie Co-Chelate, die sich für die Einarbeitung in Lebensmittelsysteme anbieten.
• Als ein breit einsetzbares Basis-System für deren Applikation werden multiple Emulsionen gesehen.
• Die nächste Aufgabe ist die Formulierung von multiplen Emulsionen als Träger von Nano-Systemen mit bioaktiven Inhaltsstoffen
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Food goes nano via micro!
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Publikationen über multiple Emulsionen
• Muschiolik/Bunjes,
Multiple Emulsionen
Behr´s Verlag, 2007
Muschiolik, G.
Multiple emulsions for food use,
Current Opinion in Colloid & Interface Science 12 (2007) 213-220
Preissler, P.
Süßwarenfüllmassen auf Emulsionsbasis
Logos Verlag Berlin, 2006
• Weiss, J. and Muschiolik, G.
Factors affecting the droplet size of water-in-oil emulsions (W/O) and the oil globule size in water-in-oil-in-water emulsions (W/O/W),
J. Dispersion Sci. and Technol. 28 (2007) 703-716