Μικροενθυλάκωση βιοδραστικών ουσιών. Ειρήνη Στρατή

Transcript

1 Μικροενθυλάκωση βιοδραστικών ουσιών Ειρήνη Στρατή

2 Μικροενθυλάκωση (microencapsulation) Τεχνική κατά την οποία μια ουσία ή μίγμα ουσιών, περιβάλλεται από ένα άλλο υλικό, το οποίο ονομάζεται μέσο εγκλεισμού, ή ενσωματώνεται σε μια ομοιογενή ή ετερογενή μήτρα, καταλήγοντας τελικά στο σχηματισμό μικρών καψουλών Εφαρμογές στη φαρμακοβιομηχανία και βιομηχανία τροφίμων (αρωματικά συστατικά, αιθέρια έλαια, γλυκαντικά, βιταμίνες, αντιοξειδωτικά, συντηρητικά, ένζυμα, ιχνοστοιχεία, μικροοργανισμοί, χρωστικές ουσίες, κ.α.) Σκοπός: Προστασία από φυσικοχημικές μεταβολές (εξάτμιση, οξείδωση, απορρόφηση υγρασίας, κ.α.) συμβαίνουν κατά την αποθήκευση ή και επεξεργασία του τροφίμου

3 Ενθυλακωμένη ουσία: πυρήνας, συμπλήρωμα, ενεργή ή εσωτερική φάση, καθώς και φάση ωφέλιμου φορτίου Παράγοντας ενθυλάκωσης: επένδυση, μεμβράνη, κέλυφος, εξωτερικό κάλυμμα, κάψουλα, υλικό μεταφοράς, εξωτερική φάση ή μήτρα Διαδικασία μικροενθυλάκωσης Περιλαμβάνει: 1. τον σχηματισμό του εξωτερικού καλύμματος γύρω από το πυρηνικό υλικό 2. τη διατήρηση του πυρηνικού υλικού εντός της κάψουλας, ώστε να μην διαφεύγουν και να μην εισέρχονται ανεπιθύμητα συστατικά 3. την απελευθέρωση του πυρηνικού υλικού τον σωστό χρόνο και με προκαθορισμένο ρυθμό απελευθέρωσης

4 Πλεονεκτήματα τεχνικής Αύξηση της διαλυτότητας των ουσιών σε συγκεκριμένο μέσο εγκλεισμού Αύξηση του χρόνου αποθήκευσης των ουσιών, και συνεπώς του χρόνου ζωής τους Διατήρηση του αρώματος των ουσιών κατά τη διάρκεια αποθήκευσής τους Προστασία από μικροβιολογικές μολύνσεις Δημιουργία σταθερών και τυποποιημένων συστατικών Μετατροπή υγρών ουσιών σε στερεή σκόνη, με αποτέλεσμα ευκολότερο χειρισμό και χορήγηση των ουσιών, χαμηλό κόστος αποθήκευσης και συσκευασίας και εξοικονόμηση ανθρώπινου δυναμικού Προστασία των δραστικών συστατικών από θερμότητα και φως Ελεγχόμενη απελευθέρωση των ουσιών Περιορισμός της οξείδωσης και τοξικών προϊόντων Αποφυγή αλληλεπίδρασης των συστατικών

5 Μέθοδοι Μικροενθυλάκωσης Ξήρανση με ψεκασμό (spray drying), λυοφιλίωση ή ξήρανση με κατάψυξη (lyophilisation) Ψύξη με ψεκασμό (spray cooling/chilling), εξώθηση ή εκβολή (extrusion) Επικάλυψη σε ρευστοποιημένη κλίνη (fluidized bed coating) Συγκρυστάλλωση (cocrystallization) Εγκλεισμός σε λιποσώματα (liposome entrapment) Ενθυλάκωση σε ζύμες (yeast encapsulation) Σχηματισμός συμπλόκων εγκλεισμού (inclusion complexation) Γαλακτωματοποίηση (emulsion) Περιστρεφόμενος δίσκος (spinning disk) Διαχωρισμός φάσεων (coacervation)

6 Μέσα εγκλεισμού Πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες, κυτταρίνη, κόμμεα και άλλες συνθετικές ενώσεις που προκύπτουν από συνδυασμούς των παραπάνω Η επιλογή της ουσίας που θα χρησιμοποιηθεί ως μέσο εγκλεισμού εξαρτάται από τη φύση του προς ενθυλάκωση συστατικού Το μέσο πρέπει να μην αντιδρά με το συστατικό και να παρέχει τη καλύτερη δυνατή προστασία του συστατικού από περιβαλλοντικούς παράγοντες Να έχει την κατάλληλη μορφή (π.χ. χαμηλό ιξώδες ακόμα και σε υψηλές συγκεντρώσεις) Να γαλακτωματοποιείται εύκολα και να έχει τη δυνατότητα απελευθέρωσης των συστατικών σε συγκεκριμένο χρόνο και χώρο Το μέσο εγκλεισμού πρέπει να έχει την απαραίτητη έγκριση από τον αμερικανικό οργανισμό τροφίμων και φαρμάκων (FDA) ή την ευρωπαϊκή αρχή για την ασφάλεια των τροφίμων (EFSA)

7 Μέθοδοι μελέτης μικροενθυλάκωσης Στόχοι: Αξιολόγηση του σχηματισμού των συμπλόκων εγκλεισμού και ο πλήρης χαρακτηρισμός τους Τεχνικές: Φασματοσκοπικές (π.χ. φασματομετρία UV-VIS, φασματομετρία φθορισμού, φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού) Ηλεκτροαναλυτικές τεχνικές (π.χ. πολαρογραφία, βολταμετρικές τεχνικές, ποτενσιομετρία, αγωγιμετρία) Αναλυτικές (π.χ. HPLC, ηλεκτροφόρηση υγρής φάσης) Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (Differential Calorimetry Scanning, DSC): Ιδιαίτερα δημοφιλής και ευρέως διαδεδομένη μέθοδος μελέτης των συμπλόκων εγκλεισμού. Η μέθοδος DSC αποτελεί εργαλείο για τον φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των συμπλόκων εγκλεισμού, όταν αυτά βρίσκονται στη στερεή τους κατάσταση και χρησιμοποιείται ως μέθοδος ρουτίνας για τη γρήγορη πρωταρχική ποιοτική διερεύνηση

8 Εφαρμογές της μεθόδου DSC Θερμική σταθερότητα και αποσύνθεση-θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσης και κινητική αυτής Προσδιορισμός της καθαρότητας πολυμερούς από ανόργανες προσμίξεις Προσδιορισμός του ποσοστού υγρασίας και διαλυτών (πτητικών ουσιών) εντός του πολυμερούς Εκτίμηση του ποσοστού κάθε πολυμερούς επί της μάζας πολυμερικών μειγμάτων δύο ή περισσοτέρων μερών Θερμοκρασία και κινητική οξείδωσης πολυμερών Μελέτη της εξάχνωσης πολυμερών και της εξάτμισης πολυμερικών τηγμάτων Προσρόφηση και εκρόφηση υγρασίας ή άλλων πτητικών ουσιών και αερίων Ταυτοποίηση πολυμερούς

9 Παραδείγματα μοριακών εγκλεισμών Εγκλεισμός σε κυκλοδεξτρίνες Κυκλοδεξτρίνες: κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες με δομική μονάδα την α-d-γλυκοπυρανόζη σε διαμόρφωση ανάκλιντρου, ενώ οι α- (1-4) γλυκοζιτικοί δεσμοί συνδέουν τα μονομερή. Οι κυκλοδεξτρίνες ανάλογα με τον αριθμό των μορίων γλυκοπυρανόζης διακρίνονται σε α-κυκλοδεξτρίνη (α-cd) με 6 δομικές μονάδες γλυκοπυρανόζης, σε β-κυκλοδεξτρίνη (β-cd) με 7 δομικές μονάδες γλυκοπυρανόζης και σε γ-κυκλοδεξτρίνη (γ-cd) με 8 δομικές μονάδες γλυκοπυρανόζης Αρχικά θεωρήθηκαν τοξικές, αλλά στη συνέχεια αποδείχθηκε ακριβώς το αντίθετο και η ιδιαίτερή χρησιμότητά τους στην προστασία βιταμινών, αρωματικών ουσιών και φυσικών χρωστικών

10

11

12 Εγκλεισμός σε κυκλοδεξτρίνες Παράγονται σε βιομηχανική κλίμακα, με πρώτη ύλη το άμυλο, το οποίο μεταβολίζεται από ένζυμα μικροοργανισμών, όπως ο Bacillus macerans Βελτιώνουν τη διαλυτότητα δυσδιάλυτων ουσιών, τη σταθερότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα των βιοδραστικών μορίων. Επιπλέον, οι κυκλοδεξτρίνες προστατεύουν τα βιοδραστικά μόρια από τη θερμοκρασία, το φως και το ph, επιμηκύνοντας το χρόνο ζωής του προϊόντος Ο εγκλεισμός μορίων στην κοιλότητα των κυκλοδεξτρινών έχει ως αποτέλεσμα τον έλεγχο της πτητικότητας των εγκλειόμενων μορίων, την κάλυψη δυσάρεστων γεύσεων και οσμών και την ελεγχόμενη απελευθέρωση των βιοδραστικών μορίων

13 Εγκλεισμός σε κυκλοδεξτρίνες Η α-, β- και γ-κυκλοδεξτρίνη ανήκουν στην εγκεκριμένη λίστα με τα «γενικά αποδεκτά ως ασφαλή» (GRAS, Generally Recognized As Safe) πρόσθετα τροφίμων, στις Η.Π.Α. Στην Ιαπωνία, οι παραπάνω κυκλοδεξτρίνες θεωρούνται φυσικά προϊόντα Οι κυκλοδεξτρίνες δημιουργούν σύμπλοκα εγκλεισμού και μπορούν να χαρακτηριστούν ως «άδειες κάψουλες» δεδομένου μοριακού μεγέθους που μπορούν να εγκλείσουν στην κοιλότητά τους συγκεκριμένου μεγέθους και γεωμετρίας μόρια. Σε αυτήν την περίπτωση, οι κυκλοδεξτρίνες καλούνται «ξενιστές» (host) ενώ τα εγκλεισμένα μόρια, ξενιζόμενα μόρια (guests) Άλλο συχνά χρησιμοποιούμενο μέσο εγκλεισμού στη βιομηχανία τροφίμων αποτελεί το οκτενυλο-ηλεκτρικό τροποποιημένο άμυλο. Η τροποποίηση του αμύλου έγκειται στην προσθήκη μιας λιπόφιλης ομάδας στην αλυσίδα του αμύλου.

14