Abbildung 4: Farbunterschiede (ΔE*Lagerung) der unbeladenen (MS) und mit Luteinester-Extrakt beladenen Quillaja-Saponinlösungen (LMS) mit 0,1 wt% Saponingehalt nach fünfwöchiger Lagerung im Dunkeln in Ab- oder Anwesen-heit eines Zitronensäure-Phosphatpuffers bei unterschiedlichen pH-Werten
3.2 Untersuchung der Stabilität von Luteinester-Extrakt
Aufgrund der hohen mechanischen Beanspruchung während der Sprühtrocknung ist die Erhaltung der Grenzflächenstruktur und damit der Emulgator von entscheidender Be-deutung für die Stabilität der verkapselten Substanz (Drusch et al., 2012; Garti &
McClements, 2012). Bislang wurde die physikalische Charakterisierung von Saponin-stabilisierten Dispersionen während der Sprühtrocknung noch nicht untersucht. Im Fol-genden soll daher die Prozessstabilität der Saponin-stabilisierten Trägersysteme anhand der physikalischen und chemischen Stabilität mittels dynamischer Lichtstreuung und Transmissionsfarbmessungen während der Zerstäubung, der Sprühtrocknung und einer sechsmonatigen Lagerung unter Lichtausschluss untersucht werden. Neben der Desin-tegration der Trägerstruktur, die insbesondere bei mizellaren Systemen, durch die starke Oberflächenvergrößerung während des Zerstäubens hervorgerufen werden kann, kann die Temperatur während des Trocknungsprozesses die chemische Stabilität der Lutei-nester beeinflussen. Daher wurden die beladenen Mizelllösungen als Kontrolle ohne den Einfluss hoher Temperaturen mittels Gefriertrocknung getrocknet.
3.2.1 Physikalische Charakterisierung Luteinester-Extrakt enthaltender mizellarer Quillaja-Saponinlösungen und Nanoemulsionen
Die mizellaren Systeme und Nanoemulsionen wiesen eine unterschiedliche Effizienz hinsichtlich der Solubilisierung von Luteinester-Extrakt auf. Farbmessungen in Trans-mission belegten die höhere Beladung der Nanoemulsionen mit Luteinester-Extrakt im Vergleich zu der Mizelllösung aufgrund einer verringerten Helligkeit (L*) und erhöhten Farbintensität (C*) (s. Abbildung 5). Darüber hinaus konnte im Vergleich zu den mizel-laren Lösungen bei Nanoemulsionen anhand des Farbwinkels (H*) eine Verschiebung der Farbe in Richtung orange beobachtet werden, welches eine erhöhte Beladung in Nanoemulsionen bestätigt.
Die beladenen Mizellen zeigten zudem einen geringeren hydrodynamischen Durchmes-ser (ca. 150 nm) im Vergleich zu den Nanoemulsionstropfen (190 nm bzw. 200 nm mit einer höheren Luteinester-Extrakt-Konzentration; s. Abbildung 5). Dabei konnte für das mizellare System ein hoher Polydispersitätsindex ermittelt werden, der auf das zeitglei-che Vorhandensein von unbeladenen und beladenen Mizellen zurückzuführen ist (s.
Artikel II, Tabelle 1). Während die Form der Mizellen in Abhängigkeit der Konzentrati-onen der KompKonzentrati-onenten und Umgebungsbedingungen von sphärisch zu stäbchenförmig variieren kann, sind die Öltropfen in Nanoemulsionen stets sphärisch (McClements, 2011; s. Artikel I). Der niedrige Polydispersitätsindex der Nanoemulsionen zeigt daher eine monomodale Partikelgrößenverteilung und weist auf sphärische Strukturen hin.
Abbildung 5: Helligkeit (L*), Farbsättigung (C*), Farbwinkel (H*) und Partikelgröße von mizellaren Quillaja-Saponinlösungen (1 wt% Saponin) mit < 0,3 wt% Luteinester-Extrakt (LMS) und Nanoemulsionen mit 0,3 wt% (NE 1) sowie mit 1,0 wt% Luteinester-Extrakt (NE 2) in Doppelbestimmung
In Bezug auf die Verkapselung des Luteinester-Extrakts mittels Sprühtrocknung, wel-ches das Hinzufügen einer kohlenhydratbasierten Trägermatrix erfordert, wurde zusätz-lich der Einfluss des hier verwendeten Glukosesirups auf die optischen Eigenschaften untersucht. Die Zugabe von Glukosesirup zu Mizelllösungen hatte im Gegensatz zu Nanoemulsionen keinen Einfluss auf die Farbe oder Opazität, welches auf die hohe Transparenz der Mizelllösungen zurückgeführt werden kann (s. Artikel II, Abbildung 3B). In den Nanoemulsionen konnte aufgrund der erhöhten Partikelgröße eine deutlich höhere Opazität festgestellt werden. In Anwesenheit von Glukosesirup verändert sich der Brechungsindex der kontinuierlichen Phase, so dass sich die Brechungsindizes der Nanoemulsionstropfen und der kontinuierlichen Phase kaum unterscheiden (Chantrapornchai, Clydesdale, & McClements, 1998; Weiss & Liao, 2000). Dies führt zu einer reduzierten Streuung des Lichts und somit bei einem Gehalt von 0,3 wt%
Luteinester-Extrakt zu einer Abnahme der Opazität von 27 auf 7 Einheiten und bei 1,0 wt% Luteinester-Extrakt von 80 auf 22 Einheiten. Durch die verringerte Opazität steigt die Lichtdurchlässigkeit der Lösung, so dass L* und als Konsequenz der vermehr-ten Wechselwirkung des Lichts mit den Chromophoren auch C* ansteigt (s. Artikel II, Abbildung 3B).
Durch Erhöhung der Konzentration an Luteinester-Extrakt in den Nanoemulsionen nahm die Opazität zu, welches auf einen Anstieg der Partikelgröße zurückgeführt wer-den kann. Dieses bestätigt sich durch die Untersuchung des Einflusses der Partikelgröße
LMS NE 1 NE 2
0 50 100 150 200
0 50 100 150 200
Partikelgröße [nm]
L*, C* und H*
L* C*
H* Partikelgröße
auf die Opazität in 0,05 wt%igen n-Hexadecan/Wasser-Emulsionen, worin ein Anstieg der Trübung bis zu einer Tropfengröße von 2 µm ermittelt wird (Chantrapornchai et al., 1998). Unterschiede in der Opazität bewirken wiederum Unterschiede in dem Streuver-halten der Tropfen und beeinflussen damit die Helligkeit und Farbe (Chantrapornchai et al., 1998). Infolgedessen sanken die Werte für L* und C* bei höherer Beladung.
Während einer fünfwöchigen Lagerung der Nanoemulsionen und mizellaren Lösungen unter Tageslichteinfluss konnten keine Unterschiede in der Partikelgröße (s. Artikel II) und nur geringe Veränderungen der Farbe beobachtet werden (s. Tabelle 5). Denn Far-bunterschiede (ΔE*) zwischen 1,5 und 5 können zwar identifiziert werden, aber für das menschliche Auge klar ersichtlich wird der Unterschied erst, wenn ΔE* einen Wert von 5 überschreitet (Obón, Castellar, Alacid, & Fernández-López, 2009). Aufgrund der Überlagerung der bereits in Kapitel 3.1.3 beschriebenen Bräunung des Quillaja-Saponin-Extrakts und des Farbstoffabbaus war es nicht möglich Farbunterschiede durch die Lagerung zwischen mizellaren Systemen und Nanoemulsionen unabhängig von ih-rer Beladung zu identifizieren.
3.2.2 Charakterisierung der Prozessstabilität von Luteinester-Extrakt in mizellaren Quillaja-Saponinlösungen und Nanoemulsionen
Vor der Trocknung beinhaltet der Sprühtrocknungsprozess zunächst die Zerstäubung der flüssigen Dispersion. Dieses geht einher mit mechanischer Beanspruchung und einer Vergrößerung der Oberfläche durch Tropfenbildung, die zu einer veränderten Lokalisie-rung der Emulgatoren führen kann und folglich auch die Grenzflächeneigenschaften verändert. Für Quillaja-Saponine wird eine Desintegration jedoch nicht erwartet, da Quillaja-Saponinfilme eine hohe Viskoelastizität und damit Stabilität aufgrund ihrer Konfiguration an der Grenzfläche aufweisen (Golemanov et al., 2014).
Zur Untersuchung der Stabilität von mit Luteinester-Extrakt beladenen Mizellen wäh-rend der Zerstäubung wurde ein Versuch mit einer geringeren Quillaja-Saponin-konzentration (0,1 wt%) vorgenommen. Zur Variation der mechanischen Beanspru-chung wurden die Lösungen mehrfach bei unterschiedlichem Druck und verschiedenen Flüssigkeitsförderraten in einem Düsenstand mit außenmischender Zweistoffdüse zer-stäubt. Eine Varianzanalyse mit einem Signifikanzniveau von 0,05 ergab keinen signifi-kanten Einfluss auf die L*a*b*-Werte, das Zetapotential und die Partikelgröße der bela-denen Mizellen unabhängig von der An-/ Abwesenheit von Glukosesirup (s. Anhang, Abbildung A1).
Dies bestätigte sich für die mit Luteinester-Extrakt beladenen Mizelllösungen mit einer höheren Quillaja-Saponinkonzentration (1,0 wt%) (s. Artikel II). Dass die Vergrößerung der Oberfläche durch die Zerstäubung keine Destabilisierung der Mizellen hervorrief, kann neben der hohen Viskoelastizität des Grenzflächenfilms auch durch die Anwesen-heit unbeladener Mizellen, welche im Gleichgewicht mit einzelnen
Emulgator-molekülen stehen, erklärt werden. Die Vergrößerung der Oberfläche beeinflusst dieses Gleichgewicht, so dass weitere Monomere durch den Abbau der Mizellen für die Bele-gung der Grenzfläche zur VerfüBele-gung gestellt werden können (Liu & Zhang, 2006;
Sharma, 1996). Trotz der höheren Beladung konnten auch für Nanoemulsionen keine Veränderungen der Partikelgröße und Farbe durch die Zerstäubung beobachtet werden (s. Artikel II). Dieses bestätigt die hohe Stabilität der Grenzflächenfilme aus Quillaja-Saponinen.
Sowohl die beladenen Mizellen als auch die Nanoemulsionen wiesen eine hohe Farbst-abilität während des Sprühtrocknens auf. Es konnte weder ein Unterschied der L*-, C*- und H*-Werte zwischen gefriergetrockneten und sprühgetrockneten Formulierungen noch zwischen den Proben vor und nach der Trocknung beobachtet werden, weshalb ΔE*Sprühtrocknung nur sehr geringe Unterschiede aufwies (s. Tabelle 5). Aufgrund der Va-riation der C*-Werte der mit Luteinester-Extrakt beladenen Mizelllösungen nach der Herstellung (s. Artikel II, Tabelle 4) kann ΔE*Sprühtrocknung = 2,8 nicht als deutliche Farb-veränderung beurteilt werden. Somit lässt sich weder durch die Zerstäubung noch durch thermische Einflüsse ein Abbau des Luteinester-Extrakts im mizellaren System und in den Nanoemulsionen belegen.
Tabelle 5: Farbveränderung von mizellaren Quillaja-Saponinlösungen (1 wt% Saponin) mit < 0,3 wt% Luteinester-Extrakt (LMS) und Nanoemulsionen mit 0,3 wt% (NE 1) sowie mit 1,0 wt% Luteinester-Luteinester-Extrakt (NE 2) nach fünfwöchiger Lagerung im flüssigen Zustand mit 50 wt% Glukosesirup im Hellen (ΔE*Lagerung Dispersionen), nach der Sprühtrocknung mit 45 wt% Glukosesirup bei einer Lufteintritts- und ausgangstemperatur von 180 °C und 68-70 °C mittels Rotationszerstäuber bei 4 bar und einer Flüssigkeitsförderrate von 50 ml/min (ΔE*Sprühtrocknung) und 24-wöchiger Lagerung der sprühgetrockneten Dispersionen im Dunkeln (ΔE*Lagerung Mikrokapseln)
ΔE*Lagerung Dispersionen ΔE*Sprühtrocknung ΔE*Lagerung Mikrokapseln
NE 1 1,3 0,6 3,5
NE 2 3,4 0,9 4,5
LMS 3,7 2,8 0,5
Die sprühgetrockneten Systeme zeigten eine hohe Stabilität gegenüber Farbveränderun-gen. So ist die Farbveränderung (ΔE*Lagerung Mikrokapseln) über eine 24-wöchige Lagerung der sprühgetrockneten Nanoemulsionen für das menschliche Auge nur schwer wahrzu-nehmen (Obón et al., 2009). Aus der Berechnung des ΔE*Lagerung Mikrokapseln für Nano-emulsionen mit 0,3 wt% und 1 wt% Luteinester-Extrakt geht eine größere Farbverände-rung für die höhere Beladung hervor. Dieses lässt sich damit begründen, dass Luteines-ter-Extrakt eine Suspension von Luteinestern in Pflanzenöl ist. Subagio et al. (2001) ermittelt mit steigender Luteinkonzentration einen stärkeren Abbau von Lutein in Mais-keimöl und begründet dieses mit einer prooxidativen Wirkung der Abbauprodukte des
Luteins in Bezug auf die Oxidation des Maiskeimöls und einer daraus resultierenden beschleunigten Oxidation des Luteins.
Der Farbunterschied ΔE*Lagerung Mikrokapseln des mizellaren Systems beträgt 0,5 Einheiten und ist damit nicht mehr für das menschliche Augen zu unterscheiden (Mesnier, Gregory, Fança-Berthon, Boukobza, & Bily, 2014; Obón et al., 2009). Die feine Vertei-lung des Luteinester-Extrakts durch die Mizellierung innerhalb der kohlenhydratbasier-ten Trägermatrix bietet eine gute physikalische Barriere aufgrund der geringen Sauer-stoffpermeabilität. Neben der verlangsamten Oxidation des Luteinester-Extrakts verzö-gert die Mikroverkapselung auch andere Oxidationsprozesse, so dass chemische Verän-derungen, der in dem Extrakt enthaltenden Phenole und damit eine Farbveränderung, reduziert werden.
Die Ergebnisse bestätigen die Erwartungen eines stabilen Saponin-Grenzflächenfilms, der die Integrität der kolloidalen Dispersionen bewahrt. Trotz starker mechanischer und thermischer Beanspruchung konnten mittels Sprühtrocknung stabile, mit Luteinester-Extrakt beladene Systeme hergestellt werden. Dabei konnte kein signifikanter Einfluss bezüglich der Art der kolloidalen Dispersion gezeigt werden, da weder in mizellaren Systemen noch in Nanoemulsionen eine Desintegration der Farbe zu beobachten war.
Insbesondere bei der Verkapselung von Farbstoffen muss allerdings der Einfluss der Trägermatrix auf den Farbeindruck berücksichtigt werden.