Machbarkeitsstudie zum Coating von Apfelsäure mit dem Soliquids-Verfahren

Abstract

Im Forschungsvorhaben ist es gelungen, handelsübliche, pulverfömige Äpfelsäure mit Alginatmembranen zu überziehen und damit Einfluss auf deren Eigenschaften zu nehmen. Dazu wurde ein Wirbelschichtverfahren so modifiziert, dass eine Beschichtung in Anlehnung an die Soliquids-Technologie (ursprünglich ein Tropfverfahren) erfolgen kann. Viskositätsmessungen und Aufnahmen mit einer Sprühbildkamera ermöglichen die Optimierung der Rezeptur für die Beschichtungslösung in der Wirbelschicht. Alginat wurde als kritischer Rezepturbestandteil erwartet und bestätigt. Es werden 2 Gew.-%ige Alginatlösungen empfohlen. Sie zeigen ein benetzendes Verhalten auf der Oberfläche von kristalliner Äpfelsäure, eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung geschlossener Beschichtungen. Die Umhüllung der Äpfelsäurepartikel ergab sehr dünne Alginatschichten (27 bis 440 nm). Im Vergleich zu den handelsüblichen Palmöl-beschichteten Mustern ergibt sich hier ein durchschnittlicher Faktor von etwa 1/2000. Es werden pulverförmige, rieselfähige Produkte erhalten, deren Qualität bzgl. Schüttguteigenschaften mit der Qualität unbeschichteter Äpfelsäure bzw. Palmöl-beschichteter Äpfelsäure vergleichbar ist. Bezüglich der Freisetzung von Äpfelsäure in Wasser erreichen die neuen Alginatbeschichtungen noch nicht die Qualität von Palmölbeschichtungen, die eine deutlich reduzierte Freisetzung bewirken. Bei den Alginat-beschichteten Pulvern ist bei einigen Mustern eine signifikante Reduktion der Freisetzung festzustellen, allerdings ist diese gering. Ob dies an der etwa 1000-fach geringeren Schichtdicke der Alginatumhüllung oder am molekularen Aufbau der Alginatschicht liegt, bedarf weiterer Untersuchungen. Die Untersuchungen bzgl. der Hygroskopizität der Äpfelsäurepulver ergaben hingegen eine deutliche Reduktion der Feuchteaufnahme bei den Alginat-beschichteten Pulvern, die zudem mit der Reduktion der Feuchteaufnahme der Palmöl-beschichteten Muster vergleichbar ist.


Einleitung

Organische Säuren, wie Zitronen-, Äpfel- und Fumarsäure, sind fester Bestandteil in der Lebensmittelproduktion. Neben den sensorischen Eigenschaften werden vor allem ihre funktionellen Eigenschaften während der Herstellung bzw. im Produkt genutzt. In pulvriger Form werden sie zudem mit Überzügen versehen, um unerwünschte Reaktionen mit anderen Rezepturbestandteilen zu vermeiden oder die Lager- bzw. Dosierfähigkeit zu verbessern. Üblich sind bis dato Überzüge aus Palmöl, welches allerdings aufgrund der zahlreichen Palmölplantagen und der damit verbundenen Rodung der Regenwälder stark in die Kritik geraten ist. Es wird daher intensiv nach ökologisch vertretbaren und ressourcenschonenden Alternativen gesucht. Biopolymere, wie Alginate, sind aussichtsreiche Kandidaten und stehen im Fokus dieses Forschungsvorhabens. Alginate werden großtechnisch aus Laminaria, einer anspruchslosen Braunalgenart, gewonnen, die große Tangwälder in den Weltmeeren ausbildet bzw. in Form schwimmender Tanggärten einfach und nachhaltig kultiviert werden kann. Die Herausforderung bei Verwendung der Alginate ist einerseits mindestens vergleichbare oder bessere Eigenschaften einer Alginat-Ummantelung im Vergleich zu herkömmlichen Palmöl-Beschichtungen zu erreichen und andererseits möglichst bestehende Produktionsverfahren zu nutzen. Im Forschungsvorhaben wird kristalline Äpfelsäure mit funktionellen Alginatmembranen beschichtet und deren Eigenschaften im Vergleich zu den handelsüblichen Palmfett-beschichteten Pulvern untersucht. In Zusammenarbeit mit der Soliquids GmbH werden die Alginatbeschichtungen durch Zugabe von Makromolekülen, wie beispielsweise Proteinen, funktionalisiert. Der Beschichtungsprozess soll dabei im bestehenden Verfahren der Wirbelschichttechnologie erfolgen.

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Eingesetzte Substanzen

APFELSÄURE
Pulverförmige, kristalline Äpfelsäure kommt als Säuerungsmittel (Zusatzstoff E 296) in der Lebensmittelindustrie in zahlreichen Produkten zum Einsatz. Sie wird biotechnologisch mit Bakterien oder Pilzen bzw. durch enzymatische Reaktionen hergestellt. Äpfelsäure ist, wie viele Rohstoffe der Lebensmittelindustrie, stark hygroskopisch und wird daher häufig mit einer Ummantelung versehen.

PALMÖL
Als Überzugsmaterial kommt häufig Palmöl zum Einsatz, weil es gute physikalische und sensorische Eigenschaften besitzt, in ausreichender Menge und zu akzeptablem Preis verfügbar ist. Palmöl wird aus den Früchten der Ölpalme gewonnen, die in großen Plantagen vor allem in Indonesien und Malaysia angebaut werden.

ALGINAT
Alginate sind anionische Polysaccharid-Derivate und kommen in den Zellwänden von Braunalgen (z.B. Laminaria, Macrocystis, Ascophyllum und Durvillea) vor. Die Algen werden manuell, durch Pflücken bzw. Aufsammeln bei Ebbe, in der Regel jedoch durch maschinelles Ernten mit Spezialschiffen, gewonnen. Die Extraktion der Alginsäure erfolgt entweder chemisch oder - wesentlich ökologischer - mit Hilfe von Azetobacter vinelandii. Salze der Alginsäure werden als Alginate bezeichnet. Mit Na+- oder Ca2+-Ionen bilden Alginate viskose Gele bzw. Filme und wirken in Lebensmitteln emulsions- sowie suspensionsstabilisierend. Sie sind daher ein fester Bestandteil in zahlreichen Produkten der Lebensmittelindustrie, deklariert als Lebensmittelzusatzstoff E 400 (Alginsäure) bzw. E 401- 405 (Alginate).

PROTEINE
Die Lebensmittelindustrie verwendet Proteine u. a. als Konsistenz- bzw. Texturgeber. Chemisch gesehen handelt es sich um polykondensierte Aminosäuren (Makromoleküle). In Organismen werden sie im Rahmen der Proteinbiosynthese erzeugt und übernehmen in lebenden Zellen und Geweben vielfältige und essentielle Aufgaben. Sie zeichnen sich durch eine definierte, in der Regel jedoch thermolabile dreidimensionale Struktur aus und können aus tierischen oder pflanzlichen Geweben bzw. Absonderungen durch geeignete Präparationsverfahren in beliebiger Reinheit isoliert werden. Eingebettet in Biopolymermembranen können sie deren Durchlässigkeit und Stabilität beeinflussen.

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Abb. 1: Mit ummantelter Äpfelsäure beschichtete Süßwaren
Abb. 2: Mikroskopische Aufnahme mit Palfett beschichteter (links) und unbeschichteter Äpfelsäurekristalle (rechts)

Verwendete Verfahren

Um die Kontaktschicht zwischen der flüssigen Alginatphase und der festen Äpfelsäurephase, dynamische Vorgänge an ihr (Bildungs- bzw. Freisetzungsverhalten) sowie den Einfluss von Additiven auf die Durchlässigkeit/Stabilität der Membran auf makroskopischer Ebene zu untersuchen, wurden feste Äpfelsäure-Prüfkörper mit Alginatmembranen beschichtet.

SOLIQUIDS-TECHNOLOGIE
Das Soliquids-Verfahren ist ein Vertropfungsprozess, bei dem ein beliebiges flüssiges Kernmedium mit Calciumionen in eine Reaktionslösung mit Alginat eingetropft wird. Bei Kontakt der Calciumionen mit dem Alginat kommt es unmittelbar zu einer stabilen Filmbildung wobei durch Zugabe bestimmter Additive (Proteine) die Durchlässigkeit und Stabilität der Membran gezielt beeinflusst werden kann. Die Herausforderung besteht in der Applikation der Technologie auf pulverförmige kristalline Substanzen, da sie bisher für die Verkapselung flüssiger Substanzen eingesetzt wurde.

WIRBELSCHICHTVERFAHREN
Ummantelungen in der Wirbelschicht gelingen durch Aufsprühen eines flüssigen Überzugmaterials mit Hilfe einer Zweistoffdüse auf ein, im Luftstrom fluidisiertes Pulver. Der Sprühvorgang kann sowohl von unten (Bottom-Spray) als auch von oben (Top-Spray) auf das Wirbelbett erfolgen.
Erfolgt die Beschichtung der fluidisierten Partikel (Äpfelsäure) mit einem geschmolzenen Fett (Palmöl), bilden die erstarrenden Fetttröpfchen einen geschlossenen Film – das Coating. Bei wässrigen Filmmaterialien (Biopolymerlösungen) erfolgt eine simultane Trocknung durch die vorgewärmte Prozessluft. Es bilden sich dabei ebenfalls geschlossene Überzüge in Form dünner Membranen.

ANALYTIK
Die beschichteten Äpfelsäurepulver werden nach verschiedenen Methoden der Schüttgutcharakterisierung (Partikelgrößenverteilung, Fließfähigkeit, Schütt- und Stampfdichte) mit unbeschichteten und Palmfett-überzogenen Partikeln verglichen. Die Beurteilung der Güte der aufgetragenen Alginatschicht auf der pulverförmigen Äpfelsäure bzw. den Äpfelsäureprüfkörpern erfolgt durch Freisetzungsexperimente und Hygroskopizitätsmessungen. Für die Messung der Freisetzung von Äpfelsäure werden die beschichteten Pulver oder Prüfkörper in eine definierte Menge Wasser eingebracht und der Protonenstrom, der sich langsam durch die Membran freisetzenden Äpfelsäure anhand von pH-Wert-Messungen verfolgt. Dabei gilt: je langsamer der Protonenstrom, desto dichter die Membran.Für Hygroskopizitätsmessungen wird das zu untersuchende Material in eine Klimakammer mit definierter Luftfeuchte und Temperatur eingebracht und die zeitliche Feuchteaufnahme gravimetrisch bestimmt.

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Tabelle 1: Verwendete Proteine
Abb. 3: Unbeschichtete (links) und ummantelte Äpfelsäure-Prüfkörper – rechts: Alginathülle zur besseren Sichtbarkeit mit Brillantschwarz eingefärbt

Ergebnisse

VORVERSUCHE - Viskositätät und Sprühbarkeit der Lösungen:

In der Wirbelschichtanlage wird die fluidisierte Äpfelsäure abwechselnd mit Alginat- und Calciumlösung unter simultaner Abtrocknung besprüht. Für die Ausbildung einer gleichmäßigen Schicht auf den Partikeln ist es unerlässlich, einen feinen homogenen Tröpfchennebel mittels der Zweistoff-Sprühdüsen zu erzeugen. Die Tröpfchenbildung ist maßgeblich von der Viskosität der Sprühlösungen abhängig, daher muss zunächst die geeignete Viskosität ermittelt werden, bei der ein ausreichend feiner Sprühnebel erzeugt werden kann. Da Alginatlösungen strukturviskos sind, d.h. mit zunehmender Beanspruchung ihre Viskosität sinkt (Scherverdünnung), kann kein einzelner Wert für die Viskosität ermittelt werden. Strukturviskose Lösungen werden am rotierenden Rheometer (hier Couette-System) mit kontinuierlich steigender Schergeschwindigkeit vermessen. Die scherverdünnenden Eigenschaften sind für Sprühprozesse vorteilhaft, da sie bei Beanspruchung (Sprüh- und Pumpvorgang) gut fließfähig und sprühbar sind und in der Ruhephase wieder ihre Viskosität zunimmt (erneuter Strukturaufbau). Mit Hilfe einer speziell konstruierten Sprühbildkamera wurde die Tröpfchenbildung der Alginatlösungen untersucht. Erwartungsgemäß nimmt die Tröpfchengröße mit zunehmendem Volumenstrom der flüssigen Phase (Alginat) zu, so dass für Lösungen mit einem nennenswerten Alginatgehalt (ab ca. 1 Gew.-%) der maximale Volumenstrom begrenzt ist. Mit geringfügig niedrigeren Volumenströmen lassen sich auch Alginatlösungen bis 4-5 Gew.-% versprühen. Die Tröpfchenvolumina liegen dabei in einem Bereich von 0,2 bis 0,4 nL.

VORVERSUCHE - Benetzbarkeit der Kristalloberfläche:

Um eine geschlossene und homogene Ummantelung der Äpfelsäurekristalle zu erhalten, ist es zwingend notwendig, dass die Tröpfchen der Sprühlösungen die Kristalloberfläche benetzen können. Liegt eine schlechte Benetzbarkeit vor, perlen die flüssigen Tröpfchen ab und bilden keinen geschlossenen Film. Wird dann im Fall der Alginatmembranen zunächst die Alginatlösung aufgesprüht, liegen nur vereinzelte Tropfen auf der Kristalloberfläche vor, die dann beim Aufsprühen der zweiten, Calcium-haltigen Lösung zum Polymer reagieren, ohne allerdings eine geschlossene funktionale Hülle zu bilden. Die Benetzbarkeit wird anhand des Benetzungswinkels (BW) charakterisiert, der mit Hilfe einer Kamera dokumentiert und durch digitales Konturlinientracing bestimmt wird. Alginatlösungen zeigen bis zu Konzentrationen von 3 Gew.-% auf der Oberfläche von Äpfelsäure-Prüfkörpern ein benetzendes Verhalten (Benetzungswinkel < 60°, vgl. Abb. 4), so dass die Grundlage für geschlossene Filme auf den Kristallpartikeln gegeben ist.

FREISETZUNG AUS ÄPFELSÄURE-PRÜFKÖRPERN

Die Untersuchung der Freisetzung von Äpfelsäure aus den Prüfkörpern soll zeigen, welche Art von Protein die Durchlässigkeit der Alginatmembran am effektivsten reduzieren kann. Dazu wurden verschiedene Proteine in die ummantelnde Alginatlösung eingearbeitet. In Abbildung 5 wird die Wirkung der Alginatbeschichtung sowie die Einbettung von Proteinen deutlich: die Freisetzungsgeschwindigkeit wird gegenüber nicht beschichteter Äpfelsäure (rot) um den Faktor 100 abgesenkt. Die Zugabe von Protein (gelb, grün, blau) reduziert die Freisetzungsgeschwindigkeit nochmals.

BESCHICHTUNGSEXPERIMENTE

Um die optimalen Bedingungen für eine Beschichtung der Äpfelsäurekristalle mit Alginat in der Wirbelschicht zu ermitteln, wurden zahlreiche Experimente durchgeführt. Anhand von Viskositätsmessungen und Ergebnissen aus den Aufnahmen einer Sprühbildkamera wurde die optimale Alginatkonzentration auf 2 Gew.-% festgesetzt. Als Calciumsalz wurde Calciumacetat gewählt, da das Acetat-Anion die Durchlässigkeit der Alginatmembran nicht beeinträchtigt. Das Calciumsalz wurde als 1 Gew.-%ige Lösung verwendet. Variiert wurden Sprüh- und Trocknungszeiten, sowie die Art des gewählten Proteinadditivs. Zudem wurde der Farbstoff Riboflavin zugefügt um eine erfolgreiche Beschichtung sichtbar zu machen.

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Tab 2: Untersuchte Qualitätsmerkmale und eingesetzte Methoden
Abb. 4: Benetzungswinkel von Alginatlösungen auf kristalliner Äpfelsäure

SCHÜTTGUTANALYTIK BESCHICHTETER ÄPFELSÄUREKRISTALLE

Es konnte gezeigt werden, dass die Alginatbeschichtung praktisch keinen Einfluss auf die Schüttdichte der Äpfelsäurekristalle hat. Sie waren auch in Stampfversuchen im üblichen Rahmen kompressibel. Einzelne Proben wiesen eine geringfügig niedrigere Schüttdichte auf, was eine leichte Agglomeration anzeigt. Die Fließfähigkeit Palmfett-beschichteter Äpfelsäurepulver ist gegenüber unbeschichtetem Material deutlich herabgesetzt. Das ist nicht überraschend, da Fette für ihre kohäsiven Eigenschaften bekannt sind. Diese deutliche Verschlechterung des Fließverhaltens der Kristalle nach Beschichtung zeigt Alginat-beschichtete Äpfelsäure nicht. Alginat bildet einen trockenen, nicht klebenden Film auf der Oberfläche der Kristalle. Lediglich bei Verwendung von Eiklar als Additiv zeigte sich eine leichte Erhöhung der Kohäsion nach Beschichtung der Äpfelsäurekristalle. Nach der Beschichtung wäre im Idealfall eine Partikelgrößenzunahme zu erwarten, die in etwa der aufgetragenen Menge an Beschichtungsmaterial entspricht. Eine weitergehende Partikelgrößenzunahme deutet auf in der Wirbelschicht entstandene Agglomerate hin. Oftmals verringert sich die Partikelgröße des eingesetzten Materials in der Wirbelschicht geringfügig durch Abrieb und Bruch. Verringert sich die Partikelgröße dagegen deutlich, ist die mechanische Belastung während des Beschichtungsvorgangs zu groß. Der Modalwert (häufigste Partikelgröße) der eingesetzten Äpfelsäurekristalle beträgt etwa 350 m und bleibt bis auf einzelne Ausnahmen auch für Alginat-beschichtete Kristalle konstant. Die Medianwerte der Partikelgrößenverteilung (Korngröße unter der 50 % aller Partikel liegen) sinken für Alginat-beschichtete Äpfelsäure leicht, um ca. 50 m ab. Eine ähnliche Abnahme wird auch für Palmfett-beschichtete Kristalle beobachtet und wird als unkritisch betrachtet. In einigen Fällen, insbesondere bei Zugabe von Proteinen oder Fett als Additiv wird eine leichte Zunahme der Medianwerte erhalten, was möglicherweise auf eine Agglomeratbildung hindeutet.

ABSCHÄTZUNG DER GÜTE DER ALGINATBESCHICHTUNG

Die Güte der Alginatbeschichtung kann anhand von Freisetzungsexperimenten mit beschichtetem Äpfelsäurepulver und mittels Untersuchungen zur Hygroskopizität beurteilt werden. Die abschirmende Wirkung der Alginatmembran und die unterstützende Wirkung von Proteinadditiven konnte anhand von Äpfelsäureprüfkörpern klar gezeigt werden. Der entsprechende Effekt von Alginatfilmen auf Äpfelsäurekristallen ist weit weniger ausgeprägt, dies könnte auf die aktuell sehr geringe Schichtdicke der Alginatmembran zurückzuführen sein und bleibt zu prüfen. Tendenziell lässt sich eine Verringerung der Protonenfreisetzungsgeschwindigkeit an Alginat-beschichtetem Material beobachten, der Effekt ist jedoch nur im Falle des als Additiv zugesetzten Ovalbumins signifikant.

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Abb. 5: Äpfelsäurefreisetzung aus nicht- bzw. Alginat-beschichteten Prüfkörpern mit Proteinen als Additiv
Abb 06: Äpfelsäure ungecoated (links) im Vergleich zu Alginat-beschichteter Äpfelsäure (Alginat/Riboflavin, rechts)

Die Beurteilung der Membrangüte anhand von Hygroskopizitätsuntersuchungen ergibt dagegen ein viel klareres Bild (Abb. 7). Ein 10 Gew.-%iges Palmfettcoating reduziert die Hygroskopizität nur unwesentlich. Die relative Feuchte liegt nach 100 Stunden nur knapp unter derjenigen unbeschichteter Äpfelsäure. Eine deutliche Verbesserung ergibt eine Beschichtung mit 35 Gew.-% Palmfett. Überraschenderweise zeigt im Vergleich dazu eine Beschichtung mit Alginat klar verbesserte Hygroskopizitätswerte. Die Güte der Alginatbeschichtung von Äpfelsäurekristallen bzgl. Wasser in der Dampfphase übertrifft damit eine Beschichtung mit 35 Gew.-% Palmfett. Möglicherweise ist die Alginatmembran auf den Äpfelsäurekristallen soweit getrocknet, dass ein nennenswerter Wassertransport durch die dehydratisierte Membran, die nun nicht mehr als Hydrogel vorliegt, nicht mehr stattfinden kann. Auch in Gegenwart von Wasserdampf bildet der ausgetrocknete Film seine ursprünglichen Hydrogeleigenschaften nicht mehr zurück. Demgegenüber erfolgten die Protonenfreisetzungsversuche in flüssiger Phase. Vermutlich nimmt die trockene Membran Wasser auf und bildet sich als Hydrogel zurück. Da die Membran sehr dünn ist, ist dafür auch nur wenig Zeit erforderlich (im Gegensatz zu den relativ dicken Ummantelungen der Prüfkörper). Im hydratisierten Zustand jedoch ist die Alginatmembran wieder wasserpermeabel und zeigt nur eine geringe Barrierewirkung.

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Abb. 7: Hygroskopizität Palmfett-, Alginat- und unbeschichteter Äpfelsäurekristalle

Weiteres Vorgehen

Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse werden im weiteren Verlauf einige interessante Ansätze verfolgt. So gilt es insbesondere die Freisetzung der Äpfelsäure in Wasser durch geeignete Modifikation der Alginatbeschichtung zu reduzieren, um mindestens die Reduktion einer Palmfettbeschichtung zu erreichen. Hierzu werden zum einen dickere Alginatmembranen aufgezogen und zum anderen weitere, vielversprechende Additive eingebettet. Der Fokus der Additive liegt weiterhin im Bereich der Proteine, vorzugsweise in nativer Form.


Projektleitung


Projektbearbeitung



Projektmitwirkung

Fabian Boßle

Paul Eckrich

Melanie Kaseder


Nadja Schneller

Katharina Spitzauer

Projektdauer

01.11.2017 - 31.10.2018

Projektpartner

Projektförderung