Для обеспечения безопасной транспортировки через желудочно-кишечный тракт чувствительных веществ, таких как пробиотики, витамины или лекарственные формы с замедленным высвобождением действующего вещества, необходимо снабдить их функциональным защитным покрытием.
Кроме того, поверхностное покрытие гарантирует высвобождение в четко определенный момент времени. Грануляция расплава в кипящем слое предоставляет множество возможностей для разработки таких продуктов.
Фото: Глатт Инженертехник ГмбХ
Спрос на полезные для здоровья продукты и так называемые функциональные продукты питания растет в течение многих лет. При производстве лекарств активные ингредиенты вводятся в лекарственные формы с помощью экструзии из расплава. Аналогичный принцип существует для нутрицевтиков и функциональных пищевых продуктов — грануляция расплавом в кипящем слое. Glatt Ingenieurtechnik (Веймар, Германия) специализируется на разработке соответствующих процессов и установок, а также обладает обширным опытом проектирования производственных площадок.
Активные ингредиенты создают множество проблем для разработчиков продуктов. Например, при обычной сублимационной сушке или вакуумной сушке некоторые микроорганизмы, такие как Bifidus bifidum, погибают. Кроме того, их плохая сыпучесть и неравномерное распределение гранул по размерам отрицательно сказываются на дальнейшей обработке.
Фармацевтическая промышленность сталкивается с похожими проблемами. Более трети существующих в настоящее время активных ингредиентов плохо растворяются и, следовательно, имеют слабую биодоступность, и эта тенденция растет. Активные ингредиенты будущего в значительной степени нерастворимы в воде и будут трудно усваиваться. Такие процессы, как экструзия из расплава или микроинкапсуляция в кипящем слое, могут использоваться для инкапсуляции ценных твердых или жидких ингредиентов в гомогенный гранулят и обеспечить контролируемое высвобождение. По сравнению с экструзией, грануляция расплавом в кипящем слое обеспечивает более широкие возможности дизайна частиц, включая введение добавок без усилия сдвига и функционализацию поверхности.
Принцип кипящего слоя
Одним из существенных преимуществ технологии кипящего слоя является интенсивное управление процессом, которое позволяет выполнять несколько этапов, таких как сушка или отверждение и дизайн продукта, в одной и той же установке. Это очень экономично и позволяет термически сушить/отверждать, очищать и функционализировать сырье за один технологический этап (например, агломерация, нанесение покрытия и инкапсуляция). Именно уникальные текучесть и термодинамика кипящего слоя и струйного псевдоожижения зарекомендовали себя среди новаторских процессов в разработке рецептур и оптимизации свойств порошков, а также в качестве методов формирования частиц из жидкостей, содержащих твердые частицы (например, расплавов, дисперсий, растворов и суспензий).
Нанесение покрытий с использованием технологии кипящего слоя
В процессе нанесения покрытия вокруг твердого ядра образуется закрытая оболочка. Принцип включает в себя псевдоожижение частиц, распыление на них жидкости и, наконец, сушку/затвердевание до требуемой степени высыхания. При распылении жидкости в псевдоожиженном слое она распределяется по поверхности резидентных частиц. Высокие уровни тепло- и массопереноса между поверхностью частиц и псевдоожижающим газом облегчают процесс затвердевания. При многократном распылении и сушке/затвердевании можно наносить несколько слоев.
Фото: Глатт Инженертехник ГмбХ
Функциональные характеристики продукта могут быть созданы, изменены или индивидуализированы путем нанесения покрытия из твердых частиц. Выбор покрытия зависит от нескольких целей: пути переноса, окружающей среды и/или соответствующего профиля высвобождения активного ингредиента, будь то спонтанное, отсроченное или замедленное высвобождение. В то же время прочная оболочка служит защитой от внешних воздействий, таких как влага, ультрафиолетовое излучение, кислород или химически активные вещества. Кроме того, твердые частицы могут быть усовершенствованы с помощью добавления красителей, ароматизаторов и изменения поверхностных свойств. Этот же метод может быть использован для маскировки и ослабления нежелательных компонентов вкуса и запаха. Связав и снизив количество пыли, можно улучшить физические характеристики насыпной плотности (такие как текучесть) для получения подходящего конечного продукта. Распыляемая жидкость может состоять из растворов, суспензий, эмульсий или расплавов, содержащих твердые вещества.
Грануляция горячего расплава в кипящем слое
Всякий раз, когда необходимо безопасно стабилизировать неустойчивые вещества и придать им функциональные свойства, используется грануляция горячего расплава в псевдоожиженном слое. В качестве добавки выбирается воск или масло в зависимости от водной или липидной основы исходного материала. В случае грануляции расплава температура затвердевания является критической для формирования кристаллической структуры. Точки плавления можно изменить, добавив специальные добавки, такие как олеиновая кислота. Чтобы избежать образования полиморфных превращений, которые могут вызвать взрывное высвобождение, параметры процесса соответствующим образом адаптируются.
Стабилизация витаминов
Чтобы определить наилучший метод инкапсуляции витамина (например, порошкообразного ацетата витамина А или масляного ацетата витамина Е), инженеры Glatt протестировали несколько вариантов процесса и сравнили результаты. Целью всегда является получение максимального выхода активного вещества в продукте. В дополнение к инкапсуляции распылением в непрерывном кипящем слое и к струйному псевдоожижению также были исследованы методы ротационной и влажной грануляции. Варианты процесса оценивались путем изучения морфологии частиц, распределения частиц по размерам, коэффициента извлечения и выхода продукта.
Ротационная грануляция обеспечивала самые низкие уровни термического напряжения. Самое короткое время процесса было зарегистрировано для струйного псевдоожижения, за которым следует процесс в псевдоожиженным слоем. Как и ожидалось, влажная грануляция была самой продолжительной, так как за смешением и экструзией следовали окатывание и сушка. Еще одно наблюдение заключалось в том, что частицы выглядели очень по-разному в зависимости от того была ли это инкапсуляция на водной или липидной основе. Если инкапсуляция в псевдоожиженном слое или струйное псевдоожижение проводились в атмосфере азота в замкнутом цикле, были зарегистрированы лучшие показатели извлечения.
Фото: Глатт Инженертехник ГмбХ
Регулируя температуру продукта, скорость распыления и давление распыления в псевдоожиженном слое, можно влиять на форму, структуру и размер получаемых частиц. Однако параметры и результаты процесса для работы партиями не могут быть легко перенесены на непрерывные процессы, которые, напротив, энергетически более эффективны и их легче автоматизировать.
Стабилизация пробиотиков
Компания Glatt Ingenieurtechnik разработала и запатентовала специальный процесс инкапсуляции и иммобилизации микроорганизмов. Преимущество процесса заключается не только в благоприятных условиях тепло- и массообмена, благодаря чему поверхность частиц равномерно увлажняется и они превращаются в однородные гранулы. Установка серии ProCell позволяет сушить микроорганизмы при гораздо более высокой температуре, чем обычная сушка. Как правило, жидкая рецептура, содержащая микробные культуры, готовится на основе водного раствора. В испытаниях применялись материалы-носители (мальтодекстрин и сывороточный порошок) для обеспечения защиты и увеличения срока годности продукта. Дополнительный симбиотический эффект может быть обеспечен добавлением пребиотических волокон в капсулы. Интересно, что в этом же процессе можно нанести функциональное покрытие. Кроме того, очистка установки проста и гигиенична, что позволяет исключить перекрестное загрязнение биологическими веществами при смене продукта.
Начиная с малого
Наиболее экономично — начинать с малого и проводить испытания на лабораторной установке с меньшим количеством сырья. С помощью текущего анализа активного вещества или других важных характеристик частиц, таких как размер и насыпная плотность, можно быстро адаптировать методики для получения желаемых свойств продукта. Glatt предоставляет лабораторные установки для испытаний с различными технологическими операциями, конфигурациями систем и лабораторным оборудованием в своем технологическом центре в Германии. Команда опытных экспертов в области пищевой промышленности и технологического проектирования взаимодействует с партнером на протяжении всей, обычно недельной, серии испытаний для надежного масштабирования до производственных масштабов, что особенно важно в непрерывном производстве. Также доступны и пилотные установки.
Переходите по ссылке и посмотрите наши видео.
Автор: д-р Михаэль Джейкоб (Dr. Michael Jacob), руководитель отдела технологических процессов в области пищевых продуктов, кормов и тонких химикатов, Glatt Ingenieurtechnik GmbH.
Первоначально опубликовано в отраслевом журнале «Foodeurope», выпуск 01/2017, Hoskins & Fall Publishing.
