Nano in Mikro - muschiolik.de Muschiolik Nano in Mikro Anuga FoodTec 200… · Nano in Mikro...

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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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 (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

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