Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2051
Main Title: Modelluntersuchungen zur Mehrfachverkapselung von bioaktiven Wirkstoffen und ihrer Freisetzung
Translated Title: Model analysis for multiencapsulation of bioactive substances and their release
Author(s): Albrecht, Anja Karin
Advisor(s): Senge, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Während sich die Verkapselung von Inhaltstoffen in der Pharmazie seit längerem fest etabliert hat, spielten verkapselte Inhaltsstoffe in Lebensmitteln bislang noch eine untergeordnete Rolle. Jedoch gewinnt sie auch im Lebensmittelbereich zunehmend an Bedeutung. Hauptziel für die Verkapselung ist im Allgemeinen der Schutz des Kernmaterials vor schädlichen Einflüssen wie Licht, Sauerstoff und Feuchtigkeit, die zu schnellem Verderb des Endprodukts führen können. Sie dient aber auch der Verbesserung von Prozesseigenschaften (Überführen von Flüssigkeiten in eine feste, leichter zu dosierende Form, Staubreduktion, Stabilisierung und Isolierung von Stoffen). Des Weiteren stehen bei der Lebensmittelproduktion Ernährungs- und Gesundheitsfragen zunehmend im Fokus, so dass die Verkapselung eine sehr gute Möglichkeit darstellt, um z. B. gesundheitsfördernde Inhaltsstoffe gezielt an einer bestimmten Stelle im Verdauungstrakt zur Resorption oder retardiert freizusetzen. Die mögliche Auswahl an den einzusetzenden Materialien für die Verkapselung ist vielfältig und abhängig von der einzuschließenden inneren Phase, dem Verkapselungsverfahren und dem Zweck derselben. Somit ist für jede Zielstellung eine maßgeschneiderte Lösung notwendig. Der Vorteil der so genannten Mehrfachverkapselung liegt in der Möglichkeit nicht nur einen sondern diverse, verschiedene bioaktive Wirkstoffe durch mehrere Verkapselungsebenen gleichzeitig zu verkapseln und ggf. auch nacheinander, z. B. an verschiedenen Resorptionsorten des Verdauungstraktes wieder freizusetzen. Hierzu gibt es bisher nur wenige Untersuchungen. Hauptaufgabe der vorliegenden Arbeit war es daher durch Modelluntersuchungen das Wissen auf diesem Gebiet zu erweitern. Die Prüfung und der Nachweis der angestrebten Effekte (Abgabekinetik) und der technologischen Eignung (Lagerstabilität und mechanische Stabilität) erfolgten in Modellversuchen im Labormaßstab. Dazu wurde die Wirkstoffstabilität im Herstellungsprozess und während einer mehrmonatigen Lagerung bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen sowie die Wirkstoffverfügbarkeit im Verdauungsmodell untersucht. Die zu verkapselnden Stoffe Vitamin D3 und Oregano-Öl sind so ausgesucht worden, dass sie sowohl einen physiologischen Wert bzw. eine ökonomische Relevanz als auch Modellcharakter besitzen. Für die erste Verkapselungsebene wurden Zuckerrübenschnitzel, für die zweite Verkapselungsebene verschiedene Biopolymere, wie u. a. Carboxymethylcellulose, verwendet. Der Einsatz von Chitosan sowie Inulin ist neben ihrer Funktion als Verkapselungsmaterial auch durch ihre ernährungsphysiologische Bedeutung von Interesse. Die Verwendung von Zuckerrübenschnitzeln, einem Nebenprodukt aus der industriellen Lebensmittelverarbeitung, trägt zu einer rückstandsarmen Verarbeitung bei. Die Kapselvarianten wurden nach den Parametern Ölgehalt (hoch oder niedrig), mit oder ohne Polysaccharid bzw. Emulsion und mit oder ohne zusätzlichem äußeren Polysaccharidfilm zusammengestellt. Für zwei der Kapselvarianten wurden nicht konditionierte Zuckerrübenschnitzel verwendet, um zu sehen, ob sich der aufwendige Konditionierungsprozess vermeiden lässt. Neben dem Faktor „Zeit“ sind der Einfluss von Temperatur und Luftsauerstoff erfasst worden. Nicht alle, jedoch die übergroße Mehrzahl der gewonnenen Ergebnisse sind konsistent und lassen eine detaillierte Bewertung der technologischen und ernährungsphysiologischen Qualität der Kapseln zu: Bei sachgemäßer Herstellung bleiben im Herstellungsprozess der Kapseln auch empfindliche Wirkstoffe weitestgehend erhalten. Unter geeigneten Lagerungsbedingungen bleiben die Wirkstoffe in den Kapseln langfristig stabil. Selbst unter ungeeigneten Lagerungsbedingungen ist eine Stabilität von einigen Wochen gewährleistet. Die verkapselten Wirkstoffe werden im Verdauungssystem mobilisiert. Die Mobilisierung wird sowohl von der Zusammensetzung der Kapseln als auch der Zusammensetzung des Milieus bestimmt. Die Kapseln quellen im Magenmilieu und beginnen die eingelagerten Wirkstoffe freizusetzen. Die Wirkstoffmobilisierung wird im Darm fortgesetzt. Milieuseitig wird die Wirkstofffreisetzung vor allem vom pH-Wert bestimmt. Insbesondere fördert ein niedriger pH-Wert die Wirkstofffreisetzung. Darüber hinaus begünstigt das Vorhandensein von Emulgatoren in den Kapseln die Freisetzung lipophiler Wirkstoffe sowohl bei niedrigem als auch bei schwach basischem pH-Wert. Das Verhältnis der im Magenmilieu und im Darmmilieu mobilisierten lipophilen Wirkstoffe lässt sich kapselseitig vor allem mit dem Ölgehalt der Kapseln beeinflussen. Bei einem niedrigen Ölgehalt erfolgt die maximale Wirkstofffreisetzung im Magenmilieu, bei einem hohen Ölgehalt erst im Dünndarmmilieu (was vermutlich mit der Präsenz von Gallensäuren als stark wirkende natürliche Emulgatoren im Zusammenhang steht). Die Einarbeitung zusätzlicher wasserlöslicher Polysaccharide erhöht die Stabilität der Wirkstoffe bei langfristiger Lagerung der Kapseln. Ein Teil der Wirkstoffe wird jedoch sowohl von Zuckerrübenzellwänden als auch von zusätzlich zugegebenen wasserlöslichen Polysacchariden intensiv gebunden. Die Bindung ist so intensiv, dass keine Mobilisierung im Magen- und Darmmilieu erfolgt. Diese Wirkstoffe werden vermutlich erst freigesetzt, wenn Zuckerrübengewebe und lösliche Polysaccharide von der Dickdarmflora partiell oder vollständig hydrolysiert werden. Damit wäre es möglich, dickdarmrelevante Wirkstoffe bis in den Dickdarm zu transportieren. Die Mobilisierung der Wirkstoffe im Dickdarm ist jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht worden. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine ökonomische, ökologische und ernährungsphysiologische Nutzung von weitgehend naturbelassenen Trägerstoffen unter dem Aspekt der rückstandsarmen Verarbeitung zur Herstellung von Mehrfachkapseln, die vielseitig den erforderlichen Bedürfnissen angepasst werden können. Die genauen Mechanismen der multivariaten Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten von Herstellungsbedingungen, Kapselzusammensetzung und Milieubedingungen sollten dabei jedoch noch weiter detailliert erforscht werden.
While the encapsulation of ingredients in the pharmaceutical industry has long been firmly established, played encapsulated ingredients in foodstuffs still a subordinate role. But they also become increasingly important in the food sector. Main goal for the encapsulation is generally the protection of encapsulated material from harmful influences such as light, oxygen and moisture, which can lead the rapid taint of the final product. It is also the improvement of process characteristics (transfer of liquids into a solid, easily dispensed form, dust reduction, stabilisation and isolation of substances). Furthermore in food production nutrition and health issues are increasingly in focus, so that the encapsulation is a very good possibility e.g. for health ingredients to target them at a specific point in the digestive tract for absorption or retardation release. The possible selection of the material for the encapsulation is depending on the inner phase, the technology of encapsulation and the purpose of these. That’s why it is necessary to tailor for every single goal specially. The advantage of so-called multiencapsulation lies in the possibility not only one but several different bioactive substances by several layers simultaneously may be encapsulated and later to unlock again, for example at different locations of absorption at the digestive. There have been only a few studies about this matter. So the main task of this work was to expand the knowledge in this field. The examination and proof of the intended effects (levy kinetics) and the technological capability (storage stability and mechanical stability) were made in model experiments in the laboratory scale. This was the drug stability in the manufacturing process and during several months of storage at different temperatures and storage availability of the drug in the digestive model. The encapsulated substances vitamin D3 and oregano oil were chosen because they have both physiological relevance and economic model character. For the first layer of encapsulation were sugar beet pulp, for second layer of encapsulation were different biopolymers, such as Carboxylmethylcellulose used. The use of chitosan and inulin has been picked in addition to their function as encapsulation material and also by their nutritional importance of interest. The use of sugar beet pulp, a by-product of industrial food processing, contributes to a less arrear processing. The capsule variants were the parameters oil (high or low), with or without polysaccharides. For two variants of the capsule were not conditioned sugar beet pulp used to see whether the costly conditioning process can be avoided. In addition to the factor of "time", the influence of temperature and atmospheric oxygen has been recorded. Not all but the vast majority of the results obtained are consistent and have a detailed assessment of technological and nutritional quality of the capsules. In good manufacturing remain in the manufacturing process of capsules also sensitive substances are largely preserved. Under proper storage conditions the active ingredients in the capsules will be stable for a longer time. Even under improper storage conditions the stability is for a few weeks assured. The encapsulated active ingredients are mobilised in the digestive system. The mobilisation is conducted by the composition of the capsules as well as the composition of the milieu. The capsules swell in the stomach milieu and begin releasing the stored substances. The mobilisation of the active substance will continue in the intestines. At the side of the milieu the release is mainly influenced by the pH value. In particular promotes a low pH value the drug release. The release of the encapsulated lipophilic substances is also favoured in the presence of the emulsifiers both at low as well as weak basic pH. At the side of the capsule the ratio of the stomach and intestinal milieu mobilised lipophilic substances can be explained especially with the influence of oil concentration. At a low oil content the maximum drug release is in the stomach environment, with a high oil content only in the intestine (which presumably with the presence of bile acids acting as strongly associated natural emulsifiers). The incorporation of additional water-soluble polysaccharides increases the stability of the active ingredients for long term storage of capsules. The active ingredients are ligated intensively by sugar beet cell walls, as well as from additional water-soluble polysaccharides. The alliance is so intense that no mobilisation in the stomach and intestinal milieu is recognised. These drugs are probably only released when the sugar beet tissues and soluble polysaccharides are partially or fully hydrolyzed from the intestinal flora. The mobilisation of the active substances in the colon has not been studied in this work. The work under these findings provide an economic, environmental and nutritional use of natural carriers largely from the point of less arrear processing for the production of multiple capsules and versatile necessary needs. The exact mechanisms of multivariate interaction between the various components of manufacturing conditions, capsule composition and atmosphere conditions should be explored in detail in future.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-20928
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2348
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2051
Exam Date: 30-Oct-2008
Issue Date: 8-Jan-2009
Date Available: 8-Jan-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bioaktive Wirkstoffe
Kontrollierte Freisetzung
Mehrfachverkapselung
Verdauungsmodell
Zuckerrübenschnitzel
Bioactive substances
Controlled release
Digestive system
Multiencapsulation
Sugar beet pulp
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