Nanoemulgointi ultraäänellä mikrokapselointia varten ennen sumukuivausta
- Jotta vaikuttavat aineet voidaan mikrokapseloida sumukuivauksella, on valmistettava pienipisarainen, stabiili mikro- tai nanoemulsio.
- Ultraääniemulgointi on helppo ja luotettava tekniikka stabiilien mikro- ja nanoemulsioiden valmistamiseen
- Vaihtoehtoisina pinta-aktiivisina aineina voidaan käyttää biopolymeerejä, kuten arabikumia tai WPI:tä, elintarvikelaatuisina stabilointiaineina ultraääniemulgointiprosesseissa.
Kapselointi
Emulsioilla ja niiden laadulla on merkittävä vaikutus kapselointiprosessien, kuten sumukuivauksen, tehokkuuteen ja niillä valmistettujen öljypitoisten mikropartikkelien stabiiliuteen. Emulsion stabiilius, viskositeetti, pisarakoko ja öljyn ja veden suhde ovat ratkaisevia tekijöitä. Käsittelyn aikana, joka alkaa emulsion valmistuksella ja päättyy sumukuivaukseen, kaikki nämä emulsion fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet on säilytettävä mikropartikkelien heikkenemisen estämiseksi. Mikrokapseloinnin laatu ja emulsioiden stabiilius liittyvät läheisesti toisiinsa ja vaikuttavat merkittävästi lopullisten jauhemaisten tuotteiden laatuun. Siksi tarvitaan luotettava emulgointitekniikka. Ultraääniemulgointi on vakiintunut teknologia, jota käytetään eri teollisuudenaloilla maailmanlaajuisesti makro-, nano- ja mikroemulsioiden valmistamiseen.
Ultraäänellä valmistetut nanoemulsiot
Suorituskykyisten ultraäänilaitteiden käyttö on vakiintunut elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuuden emulgointiprosesseissa. Voimakkaiden ultraääniaaltojen käyttö on tehokas menetelmä emulsioiden valmistamiseen, joissa pisarat ovat mikro- tai nanometrikokoisia. Ultraääniemulgointi perustuu kavitaatioon, jossa voimakkaat ultraääniaallot ja niiden synnyttämät nopeat nestesuihkut kohdistavat leikkausvoimia pisaroiden pintaan ja muodostavat siten pieniä pisaroita ja stabiileja emulsioita.
Emulsioiden stabilointiaineet
Ultraäänellä valmistettuja emulsioita voidaan stabiloida tavanomaisilla emulgointiaineilla (esim. polysorbaatilla, sorbitaanilla jne.) sekä biopolymeereillä (esim. guarkumilla, arabikumilla, WPI:llä jne.). Teollisuudessa on tunnistettu biopolymeerien valtava potentiaali emulsioiden stabilointiaineina. Erityisesti elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkaemulsioissa biopolymeerit mahdollistavat tuotteiden kehittämisen ”puhtaalla” ainesosaluettelolla. Biopolymeerejä ja biopolymeerikomplekseja on saatavilla suurina määrinä ja elintarvikelaatuisina. Biopolymeerikompleksit (kuten polysakkaridi-proteiinikompleksit) ovat biopolymeerejä parempia, sillä niiden ominaisuudet ovat paremmat kuin kunkin polymeerin ominaisuudet yksinään. Proteiinista ja polysakkaridista (= monimutkaiset hiilihydraattipolymeerit) koostuva biopolymeeri tarjoaa kummankin molekyylin edut. Proteiini lisää pinta-aktiivisuutta, jolloin pintakerroksessa saavutetaan suurempi kyllästysaste huomattavasti pienemmällä pitoisuudella. Kompleksin polysakkaridi alentaa rajapintajännitystä ja siten uusien pintojen muodostamiseen tarvittavaa energiaa. Näin polysakkaridit edistävät pienten pisaroiden muodostumista. Biopolymeerikompleksi tarjoaa kummankin komponenttinsa parhaat ominaisuudet ja on siksi tehokas stabilointiaine.
UP400St, tehokas 400 watin ultraäänihomogenisaattori, nanoliposomien valmistukseen.
Suorituskykyiset ultraäänilaitteet
Hielscherin suorituskykyisiä ultraääniprosessoreita on asennettu maailmanlaajuisesti stabiilien makro-, nano- ja mikroemulsioiden valmistamiseen. Tuotevalikoima ulottuu pienistä kädessä pidettävistä laboratorion ultraäänilaitteista aina suuritehoisiin teollisiin ultraäänijärjestelmiin , jotka on tarkoitettu suurten emulsiovirtojen kaupalliseen valmistamiseen jatkuvatoimisessa tuotannossa. Hielscher Ultrasonics tarjoaa prosessiisi parhaiten soveltuvan ultraäänilaitteen.
Syöttöteho, amplitudi (sonotrodin siirtymä), lämpötila ja tilavuusvirta voidaan säätää formulaatiosi vaatimusten mukaisesti. Teolliset ultraääniprosessorimme voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti ylläpitää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Ultraäänikäsittelyn parametrien tarkka hallinta ja automaattinen tietojen tallennus sisäänrakennetulle SD-kortille varmistavat käsittelyn korkean laadun ja mahdollistavat prosessin standardoinnin. Kaikki ultraääniprosessorimme on suunniteltu 24/7-käyttöön täydellä kuormituksella. Kestävyys, vähäinen huoltotarve ja käyttäjäystävällisyys ovat Hielscherin ultraäänilaitteiden muita etuja, jotka tekevät niistä tuotantosi työjuhtia.
Lisävarusteet, kuten Hielscherin ainutlaatuinen MultiPhaseCavitator, virtauskennon sisäosa, joka syöttää toisen faasin kanyylien kautta suoraan kavitaation voimakkaimman vaikutuksen alueelle (katso kuva vasemmalla), auttavat rakentamaan optimaalisen ultraääniemulgointijärjestelmän.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2 000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Emulsion valmistus ultraäänellä (punainen vesi / keltainen öljy). Muutaman sekunnin ultraäänikäsittely muuttaa erilliset vesi- ja öljyfaasit hienojakoiseksi emulsioksi.
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratorio-, pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Kirjallisuus / Lähteet
- Campelo, Pedro Henrique; Junqueira, Luciana Affonso; de Resende, Jaime Vilela; Domingues Zacarias, Rosana; de Barros Fernandes, Regiane Victória; Alvarenga Botrel, Diego; Vilela Borges, Soraia (2017): Stability of lime essential oil emulsion prepared using biopolymers and ultrasound treatment. International Journal of Food Properties Vol.20, No.S1, 2017. 564-579.
- Maphosa, Yvonne; Jideani, Victoria A. (2018): Factors Affecting the Stability of Emulsions Stabilised by Biopolymers. In: Science and Technology Behind Nanoemulsions (Edited by Selcan Karakuş). 2018
Hyödyllistä tietoa
Biopolymeerit emulsioiden stabilointiaineina
Useimmissa emulsioissa tarvitaan stabilointiaineita ja pinta-aktiivisia aineita pitkäaikaisen stabiiliuden saavuttamiseksi. Biopolymeerejä, kuten polysakkarideja ja proteiineja, käytetään laajalti toiminnallisina ainesosina emulsiojärjestelmissä. Biopolymeerit ovat luonnollisia emulgointiaineita, jotka stabiloivat emulsioita hyvin geeliytymis- ja emulgointikykynsä ansiosta. Koska stabiilien emulsioiden valmistaminen on edellytys elintarvikkeiden onnistuneelle kapseloinnille sumukuivauksella, biopolymeerit ovat ensisijaisesti valittavia stabilointiaineita. Biopolymeerejä voidaan käyttää stabilointiaineina yksinään tai yhdistelminä.
Biopolymeerit, kuten arabikumi ja heraproteiini-isolaatti (WPI), ovat edullisia ja helposti käsiteltävissä elintarviketuotannossa. Arabikumi on anionisten hiilihydraattien ja joidenkin proteiinien seos. Sen voimakkaasti haarautuneet proteiinit, jotka ovat tiiviisti liittyneet polysakkaridirakenteeseen, antavat arabikumille hyvät emulgointiominaisuudet. Heraproteiini-isolaatti koostuu globulaaristen proteiinien seoksesta. Nämä globulaariset proteiinit voivat adsorboitua nopeasti öljypisaroiden pinnalle homogenoinnin aikana, mikä helpottaa pienten pisaroiden muodostumista.
Muita yleisiä emulgointiaineina käytettäviä biopolymeerejä ovat muun muassa gelatiini, ksantaanikumi, tärkkelys, kaseiini, pektiinit, maltodekstriini, ovalbumiini, natriumalginaatti ja karboksimetyyliselluloosa.
Biopolymeerikompleksit koostuvat kahdesta tai useammasta biopolymeeristä. Biopolymeerikomplekseja voidaan syntetisoida kemiallisilla, entsymaattisilla tai lämpökäsittelyillä. Kompleksinmuodostus yleensä lisää lopullisen biopolymeerikompleksin kestävyyttä ja liukoisuutta sekä parantaa sen käytettävyyttä ja stabiiliutta. Erityisesti näin saavutettu parempi stabiilius lämpötilan, pH:n ja ionivahvuuden vaihdellessa on tärkeä tekijä emulgointiprosesseissa.