Метод
микрокапсулирования
Максимальная нагрузка, %
Литературный источник
Простая коацервация
[103]
Комплексная коацервация
70–90
[103]
Молекулярное включение
5–10
[124]
Распылительная сушка
[103]
Спрей-охлаждение
10–20
[124]
Экструзия
16–40
[124]
При разработке способа получения иммобилизованных пробиотических культур необходимо учитывать влияние применяемого способа на жизнеспособность инкапсулируемых бифидобактерий, а также возможность промышленной реализации и стоимость разработанного метода. Для разработки способа получения иммобилизованных пробиотических культур был выполнен анализ преимуществ и недостатков способов, пригодных для иммобилизации бифидобактерий, а также изучен размер частиц, которые образовываются в результате применения способа.
В таблице 3.2 представлены результаты оценки преимуществ и недостатков технологий микрокапсулирования, а также размеров частиц.
Таблица 3.2 – Размер частиц, полученных различными технологиями
микрокапсулирования, а также их преимущества и недостатки
Метод
микрокапсулирования
Размер частиц (мкм)
Преимущества
Ограничения
Литературный источник
Простая
коацервация
20–200
Высокая эффективность герметизации;
эффективный контроль размера частиц
Дорогой метод;
агрегация частиц;
сложное масштабирование;
испарение летучих веществ
[2, 44, 68, 74]
Комплексная
коацервация
5–200
Возможность растворения активного соединения в растворителе для обработки; окисление продукта
Дорогой метод;
агрегация частиц;
сложное масштабирование;
испарение летучих веществ
Распылительная
сушка
1–50
Низкая стоимость процесса;
лёгкая техника масштабирования
Частицы равномерны; низкий уровень загрузки микрокапсул; требуется дальнейшая обработка
[7, 44, 68,
74, 33]
Продолжение
Метод
микрокапсулирования
Размер частиц (мкм)
Преимущества
Ограничения
Литературный источник
Спрей-охлаждение
20–200
Подходит для водорастворимых материалов
Высокие технологические затраты
[44]
Плёночное покрытие
> 100
Низкие эксплуатационные расходы;
высокая термическая эффективность;
полный контроль температуры
Длительный процесс
[44, 68]
Эмульгирование
0,1–100
Малые капли;
узкое распределение частиц по размерам; подходит для биоде-градируемых и небиоразлагаемых полимерных микрочастиц и широкого спектра жидких и твёрдых материалов
Низкая эффективность капсулирования; дорогой метод
[68, 80, 113]
Межфазная
полимеризация
0,5–1000
Лёгкая техника масштабирования; высокая эффективность герметизации
Трудно контролировать
возможность образования небиодеградируемых и/или небио-совместимых мономеров
[54, 68, 80]
Экструзия
От 150 до 2000 мкм
Лёгкая техника масштабирования
Образование довольно крупных частиц
[68]
По данным, представленным в таблице 3.2, в результате применения простой коацервации образуются частицы размером 20–200 мкм с высокой герметизацией микрокапсул, при комплексной коацервации – 5–200 мкм. Однако оба процесса являются весьма дорогостоящими и затруднительно их масштабирование. Применение распылительной сушки негативно сказывается на жизнеспособности бифидобактерий, подвергающихся инкапсулированию. Наиболее приемлемым способом для микрокапсулирования бифидобактерий является экструзия. Микрокапсулы характеризуются размером от 150 до 2000 мкм, лёгкая техника масштабирования предполагает промышленную реализацию и низкие технологические затраты.
Исследование процессов иммобилизации позволит разработать оптимальный способ микрокапсулирования бифидобактерий с учётом их биологических особенностей.
Коацервация (разделение фаз)
Микрокапсуляция фазового разделения заключается в получении двух несмешивающихся жидких фаз из раствора, который содержит диспергированную макромолекулу. Жидкость или твёрдое вещество, подлежащее инкапсулированию, диспергируют в растворе макромолекулы (материал стенки). С помощью различных методов инкапсулирующий полимер индуцируется отделением в виде вязкой жидкой фазы (коацервата). Этот процесс разделения известен как коацервация. Макромолекула присутствует в высоких и низких концентрациях в коацерватной и супернатантной фазе соответственно. При определённых условиях коацерватная фаза образует сплошной слой – материал, который должен быть инкапсулирован. Образованные микрочастицы можно собирать центрифугированием или фильтрованием и затем промывать соответствующим растворителем, сушить и закаливать с помощью термических, сшивающих или десольвационных технологий [16]. Поэтому коацервация представляет собой трёхстадийный процесс: образование эмульсии масло-в-воде (активное вещество диспергируется в водной фазе и полимер растворяется в органической фазе); нанесение жидкого полимерного покрытия на материал сердцевины; стабилизация и упрочнение материала покрытия с образованием самоподдерживающейся оболочки микрокапсул (рис. 3.1) [69].
Рисунок 3.1 – Трёхстадийный процесс коацервации
Полиэлектролиты (макромолекулы) несут относительно большое количество функциональных групп, которые либо заряжены, либо в подходящих условиях могут заряжаться [84]. Полиэлектролитные комплексы образуются одновременно путём смешивания противоположно заряженных полиэлектролитов в растворе без добавления какого-либо химического ковалентного или сшивающего агента, который может вызывать токсичность. Полиэлектролитные комплексы, как правило, нетоксичны, хорошо переносятся и биосовместимы.
Стенообразующий полимер играет важную роль в технике коацервации, поскольку он отвечает за защиту микрокапсулированного объекта. Для простой и сложной коацервации наиболее часто используемым микрокапсулирующим материалом является желатин [102, 116, 128]. Наиболее широко исследованные системы стеновых материалов включают желатин / смолу [3, 25, 71, 77, 82, 101, 117, 118, 121]. Однако желатин довольно вязкий даже в низких концентрациях, поэтому наряду с ним используются другие системы, в том числе казеинат/глюкоза/модифицированный резистентный крахмал [32] и растительные белки [39, 98].
Микрокапсулы, полученные путём коацервации, обладают превосходными характеристиками контролируемого высвобождения и термостойкими свойствами [1, 2, 128]. Основным преимуществом комплексной коацервации над другими методами является то, что он имеет очень высокую полезную нагрузку (до 99 %). Кроме того, этот метод является простым, масштабируемым, недорогим, без растворителей и воспроизводимым. Поэтому комплексная коацервация может быть использована для изготовления микрокапсул в промышленном масштабе [2].
Эмульгирование
Эмульсии используются в самых разных пищевых и фармацевтических продуктах. Технология эмульгирования является ключевым этапом в микрокапсулировании масел. Он обычно применяется для инкапсуляции биоактивных веществ в водные растворы, которые могут быть либо использованы непосредственно в жидком состоянии, либо могут быть высушены (распылительная или сублимационная сушка) для образования порошков после эмульгирования. Поэтому он является частью процесса микрокапсулирования. Например, при микроинкапсулировании с помощью распылительной и лиофильной сушки материалы ядра и стенки могут быть получены эмульсионными методами перед окончательной сушкой. Капли эмульсии также могут быть включены в матрицу во время процесса экструзии или действовать как шаблоны для обработки коацервации. В принципе эмульсия состоит по меньшей мере из двух несмешивающихся жидкостей, обычно масла и воды, причём одна из жидкостей рассеивается как небольшие сферические капли в другой.
Для получения кинетически стабильного раствора в эмульсионной системе обычно добавляют эмульгаторы или модификаторы текстуры. Диаметры капель эмульсии в пищевых системах варьируются от 0,1 до 100 мкм [103].
Распылительная сушка
Спрей-сушка – это недорогая технология микроинкапсулирования, обычно используемая в промышленном масштабе, которая имеет привлекательные преимущества в производстве микрокапсул в относительно простой, непрерывной работе и недорогой по сравнению с другими методами микрокапсулирования. В последнее время было проведено несколько исследований для инкапсулирования масел путём распылительной сушки в пищевых продуктах [15, 93, 79, 86, 57, 24, 34, 30, 56, 43, 119] и пестицидных отраслях.
Спрей-сушка включает распыление эмульсий в сушильную камеру при относительно высокой температуре, что приводит к очень быстрому испарению воды [123]. Удаление воды путём распылительной сушки является наиболее широко используемой практикой в пищевой промышленности для обеспечения микробиологической стабильности продуктов. Кроме того, это помогает получить продукт с определёнными функциональными свойствами, избегая многих рисков химической и/или биологической деградации, и, наконец, снижает общие затраты на хранение и транспортировку [7, 125].
В зависимости от материала сердцевины и характеристик, желаемых в конечном продукте, стеновые материалы могут быть выбраны из широкого спектра натуральных (например, крахмала и целлюлозы) и синтетических (например, нейлоновых, полиэтиленовых и полиэфирных) полимеров. Материал стенки должен быть растворим в воде на приемлемом уровне, поскольку почти все процессы распылительной сушки в пищевой промышленности осуществляются из водной композиции для подачи [49]. Необходимо выбирать стеновые материалы с высокой эффективностью для микрокапсулирования путём распылительной сушки, поскольку они играют важную роль в эффективности герметизации и стабильности микрокапсул. Критерии выбора материала стенки в основном основаны на его физико-химических свойствах, таких как растворимость, молекулярная масса, переход стекло/плавление, кристалличность, способность к диффузии, эмульгирующие свойства. Кроме того, следует также учитывать стоимость. Таким образом, разумный выбор инкапсулирующего материала
