Pod enkapsulacijom se porazumijeva inkorporiranje nekog aktivnog materijala unutar strukture nosivog materijala, a cilj može biti zaštita od vanjskih uticaja, postepeno oslobađanje ili maskiranje neželjenih senzornih svojstava. Enkapsulacija je prvi put primjenjena 1950-tih godina, a od 1985. do danas broj istraživanja je u stalnom porastu. Prema podacima Web of Science iz 2016. ukupan broj publikacija u 1980-tim godinama iznosio je manje od 300 na godišnjem nivou, dok je u toku 2015. objavljeno čak preko 6000. Najintenzivnija istraživanja provedena su 2009. g kada je objavljeno više od 7000 radova.

Knjiga je nastala kao rezultat intenzivnog istraživanja navedene tematike. Iskustva o enkapslacijskim tehnikama stekla sam tokom rada na svojoj doktorskoj disertaciji, tačnije na enkapsulaciji beta karotena unutar kazeinske micele uz pomoć visokog hidrostatičkog pritiska. Glavni razlog zbog kojeg sam odlučila napisati ovu knjigu je nedostatak dovoljno specifične i kompletne literature na regionalnom nivou. U knjizi sam nastojala objediniti specifične enkapsulacijske tehnike, njihove prednosti i nedostatke, svojstva kapsula i konkretne primjere primjene u prehrambenoj tehnologiji. Knjiga je podijeljena u 7 poglavlja: 1. Osnovi enkapsulacije i tipovi kapsula, 2. Mehanizmi, faze i uspješnost enkapsulacije, 3. Enkapsulacijski nosači, 4. Fizička svojstva kapsula, 5. Enkapsulacijske tehnike, 6. Primjena enkapsulacije u tehnologiji hrane i 7. Tržište enkapsuliranih proizvoda.

Iako je enkapsulacija tehnologija koja se danas rapidno razvija, ipak su njene mogućnosti u prehrambenoj industriji još uvijek ograničene i/ili neistražene.

Upravo zbog toga, knjiga „Enkapsulacijske tehnike u prehrambenom inžinjerstvu“ namijenjena je svima onima koji se bave naučno-istraživačkim radom u oblasti prehrambenog inžinjerstva, prehrambene tehnologije, procesnog inžinjerstva, nanotehnologije, te hemijskog i farmaceutskog inžinjerstva. Knjigu će moći koristiti studenti master i doktorskih studija iz oblasti prehrambene tehnologije i inžinjerstva, koji slušaju predmet Prehrambeno inžinjerstvo.

Ovom prilikom želim se zahvaliti recenzentima, uglednim profesorima i mojim kolegama, prof. dr Zlatanu Sariću, prof. dr Sanji Oručević Žuljević i prof. dr Zoranu Hercegu na kolegijalnoj pomoći i korisnim savjetima pri završnom oblikovanju ovog rukopisa.

I na kraju, želim da ova knjiga bude inspiracija i pruži ideje svima onima koji žele i namjeravaju istražiti neistraženo i pomicati granice u nauci!!!

autor
DR. SCI. Jasmina Tahmaz

Sadržaj

Predgovor

.
1. OSNOVI ENKAPSULACIJE I TIPOVI KAPSULA

Tipovi kapsula
Ko-enkapsulacija
Oslobađanje aktivne supstance

.
2. MEHANIZMI, FAZE I USPJEŠNOST ENKAPSULACIJE

Faze enkapsulacijskog procesa
Uspješnost enkapsulacije

.
3. ENKAPSULACIJSKI NOSAČI

Ugljikohidrati
Skrob i derivati skroba
Maltodekstrin
Ciklodekstrini
Pektin
Guma arabika
Agar
Alginati
Kapa karagenan
Hitozan
Proteini
Kazein
Surutkini proteini
Želatin
Gluten
Zein
Lipidi

.
4. FIZIČKA SVOJSTVA KAPSULA

Veličina kapsule
Zeta potencijal
PCS metoda
Viskozitet
Voluminoznost
Gustina čestice/kapsule
Nasipna gustina i nasipna poroznost
Rastvorljivost u vodi
Indeks rastvorljivosti u vodi
Sposobnost kvašenja
Moć bubrenja
Higroskopnost
Kapacitet apsorpcije vode i ulja
Kapacitet i stabilnost pjene
Kohezivnost i sposobnost proticanja

.
5. ENKAPSULACIJSKE TEHNIKE

Sušenje raspršivanjem
Enkapsulacija sušenjem raspršivanjem
Hlađenje i zamrzavanje raspršivanjem
Centrifugalna separacija
Enkapsulacija centrifugalnom sepaacijom
Liofilizacija – sušenje sublimacijom
Fluidizacija
Ekstruzija
Enkapsulacija ekstruzijom
Ko-ekstruzija
Centrifugala ko-ekstruzija
Ko-ekstruzija kroz dizne
Elektrostatička ko-ekstruzija
Visoki hidrostatički pritisak
Uticaj na skrob
Uticaj na proteine
Enkapsulacija visokim hidrostatikim pritiskom
Mikrovalna energija
Enkapsulacija mikrovalnom energijom
Superkritični fluidi
Primjena superkritičnih fluida u enkapsulaciji
Ko-kristalizacija
Ciklodekstrinske kapsule – molekularna inkluzija
Emulgovanje
Homogenizacija emulzije
Enkapsulacija emulgovanjem
Enkapsulacija višeslojnim emulgovanjem
Koacervacija
Liposomi
Građa i sinteza liposoma
Liposomske kapsule
Polimerizacija i polikodenzacija
Polimerizacija emulzije
Granična polimerizacija i polikondenzacija
Nanoprecipitacija – enkapsulacija istiskivanjem rastvarača
Enkapsulacija tehnikom isoljavanja

.
6. PRIMJENA ENKAPSULACIJE U TEHNOLOGIJI HRANE

Pekarski i konditorski proizvodi
Hljeb
Kolači i keksi od biskvitnog tijesta
Ekspandirane žitne pahuljice
Čokolada
Žele i gumene bombone
Proizvodi od voća i povrća
Vino
Mlijeko i mliječni proizvodi
Mlijeko
Jogurt
Sladoled
Sir
Gotova hrana
Meso i mesne prerađevine

.
7. TRŽIŠTE ENKAPSULIRANIH PROIZVODA

Literatura
Lista skraćenica
Indeks pojmova
Bilješka o autoru

1. Osnovi enkapsulacije i tipovi kapsula

Enkapsulacija je tehnika kojom se neki materijal ili mješavina materijala pakuje u strukturu drugog materijala. Danas se enkapsulacija najviše koristi u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji. Za potrebe prehrambene industrije najčešće se enkapsuliraju vitamini, minerali, boje, enzimi, probiotici, aromatične materije.

Enkapsulacijom se može poboljšati stabilnost, iskoristljivost i biodostupnost mnogih biološki vrijednih prirodnih sastojaka ili maskirati nepoželjna senzorna svojstva aktivne supstance. Cilj enkapsulacije je formiranje kapsula od prirodnih ili sintetičkih polimernih materijala unutar kojih se enkapsulira aktivna supstanca (Pegg i Shahidi 1999).

Svaka kapsula se sastoji od dva osnovna sistema (SLIKA 1), a to su:

• nosač (omotač, zidni materijal, školjka ili enkapsulacijski matriks)
• aktivna supstanca, enkapsulant, unutrašnja faza ili jezgro kapsule.

Aktivna supstanca ili enkapsulant je materijal koji se enkapsulira u unutrašnjost kapsule. Nosač je materijal unutar kojeg se enkapsulira aktivna supstanca. Uloga nosača je da stvori granični zaštitini sloj između enkapsulirane aktivne supstance i okoline. Od izbora nosača zavisi veličina i oblik kapsule, troškovi enkapsulacije i mehanizam oslobađanja aktivne supstance. Kao nosači se koriste jestive i neškodljive biopolimerne supstance, koje ne reaguju sa aktivnom supstancom.

Prilikom planiranja enkapsulacije potrebno je uzeti u obzir sljedeće činjenice (Zuidam i Shimoni, 2010; Pegg i Shahidi, 1999):

1. Koja je uloga kapsule i enkapsuliranog sastojka u proizvodu u koji će se dodati?
2. Koji materijali bi se mogli koristit kao nosači za željenu aktivnu supstancu?
3. Koji su to procesni uslovi pri kojima aktivna komponenta mora zadržati svoje osobine do trenutka kada je predviđeno da se oslobodi iz kapsule?
4. Koja je optimalna koncentracija aktivne supstance u kapsuli?
5. Na koji način se aktivna supstanca oslobađa iz kapsule?
6. Koji su zahtjevi u pogledu osobina i stabilnosti za kapsulu i enkapsulirani sastojak?
7. Koliko će iznositi troškovi enkapsulacije i proizvodnje kapsula?

Najčešći razlozi za primjenu enkapsulacije su:

1. Zaštita aktivne supstance od vanjskih uticaja tj. od degradacije pod uticajem vanjskih faktora (toplota, oksidacija, vlaga, zrak, svjetlost, hemijski sastojci sa kojima može reagovati).
2. Obogaćivanje prehrambenih proizvoda biološki vrijednim aktivnim sastojcima (vitamini, minerali, omega masne kiseline), a koji su često osjetljivi i lako se razgrađuju.
3. Modifikacija fizičkih karakteristika i strukture originalnog materijala, čime je moguće postići lakše rukovanje, poboljšanje teksture proizvoda u koji se doziraju i bolje reološke osobine. Npr. tečne supstance se enkapsulacijom mogu umetnuti u čvrste materijale. Moguće je spriječiti nastajanje grudica, umanjiti higroskopnost, poboljšati sposobnost proticanja, te modifikovati konzistenciju medija u koji se dodaju kapsule.
4. Kontrolisano oslobađanje aktivne supstance (postepeno, sporo ili
   u tačno željenom trenutku). Oslobađanje aktivne supstance u proizvodu je sporije ako je supstanca enkapsulirana. Npr. enkapsulacijom zaslađivača postiže se postepeno oslobađanje slatkog okusa.
5. Ujednačena raspodjela aktivne supstance kada se dodaje u različite prehrambene proizvode.
6. Enkapsulacijom se može razblažiti koncentracija aktivne supstance, što je značajno onda kada je potrebno ujednačeno pomiješati veoma niske koncentracije aktivne supstance u veću količinu proizvoda.
7. Maskiranje neželjenog okusa, mirisa i arome (npr. enkapsulirano riblje ulje, gorke materije i sl.)
8. Sprječavanje neželjenih reakcija aktivne komponente sa sastojcima unutar proizvoda.

Pored čitavog niza prednosti enkapsulacija je praćena i brojnim nedostacima (Tarun et al. 2011):

1. Visoki troškovi enkapsulacije,
2. Teškoće, komplikacije i veliki troškovi vezani za industrijsku primjenu,
3. Oblaganje može biti nepotpuno i neujednačeno,
4. Ne postoji jedinstvena metoda primjenjiva za enkapsulaciju svih aktivnih supstanci,
5. Mnoge metode zahtijevaju primjenu štetnih hemikalija, kao što su organski rastvarači, što loše utiče na bezbjednost prehrambenog proizvoda i
6. Mikrokapsule nisu pogodne za parenteralno1 doziranje.

Tipovi kapsula

Osnovni tipovi kapsula su šematski predstavljeni na SLICI 1. S obzirom na strukturu i način na koji je nosač raspoređen oko aktivne supstance razlikuju se tri osnovna tipa kapsula (Zuidam i Shimoni 2010; Pegg i Shahidi 1999 ):

• Tip agregata, matriksa ili mikrosfere. To su kapsule koje imaju nekoliko odvojenih jezgri aktivne supstance ili još češće veći broj središnjih čestica (molekule ili skupine molekula aktivne supstance) ugrađenih unutar kontinuirano raspoređenog matriksa ili nosača. Ovo je najčešći tip kapsule i dobiva se primjenom najvećeg broja enkapsulacijskih tehnika. Molekule enkapsulanta se mogu naći i na površinskim slojevima kapsule. Zato je ovo
  najslabije učinkovit način enkapsulacije. 1 Način doziranja direktno u tkivo (vene, mišići ili ispod kože) bez prolaza kroz probavni trakt
• Tip centralne akumulacije. To je najjednostavniji i najočitiji vid strukture kapsula. Jezgro sa enkapsuliranim sadržajem je sfernog oblika, okruženo je omotačem ili membranom ujednačene debljine poput kokošijeg jajeta i ljuske.
• Tip višeslojnog omotača. Omotač je obavijen oko jezgre u obliku dva ili više koncentričnih slojeva od različitih materijala. Ovakve kapsule se dizajniraju da bi se omogućilo kontrolisano oslobađanje aktive supstance.

Kapsule ne moraju biti uvijek sfernog ili drugog pravilnog oblika, a aktivna supstanca ne mora biti ravnomjerno raspoređena unutar kapsule (Bakry et al. 2014). Također, postoje slučajevi da se sitnije kapsule enkapsuliraju unutar krupnijih kapsula (kapsula unutar kapsule), a razlog za to je postepeno kontrolisano oslobađanje aktivne supstance. Zbog toga se ova tri osnovna tipa kapsula mogu razlikovati po obliku, strukturi i veličini (SLIKA 2).

Osim toga, u zavisnosti od enkapsulacijskog nosača i načina formiranja, kapsule mogu imati različitu unutrašnju strukturu (Rodriguez et al. 2016). Na SLICI 3 je ilustrovan izgled kapsula različite strukture sa i bez enkapsulirane aktivne supstance.

Kapsula tipa matriksa se često naziva mikrosferom. Liposomske kapsule su kapsule tipa centralne akumulacije kod kojih enkapsulacijski nosač potpuno oblaže enkapsuliranu supstancu. Kod liposomskih kapsula nosač (omotač) je formiran od dvosloja molekula fosfolipida koji u vidu filma oblaže aktivnu supstancu. Fosfolipidni dvosloj u liposomskoj kapsuli nastaje tako što se nepolarni krajevi fosfolipidnih molekula međusobno povezuju, pri čemu formiraju sfernu česticu (liposom), dok pri tome polarne grupe ostaju orjentisane prema površini i u unutrašnjosti čestice. Ciklodekstrinska kapsula predstavlja hemijski kompleks kod kojeg je aktivna supstanca enkapsulirana u praznom unutrašnjem dijelu prstena ciklodekstrinske molekule. Na taj način aktivna supstanca obrazuje hemijski kompleks sa molekulom ciklodekstrina, zbog čega se ovaj način enkapsulacije naziva molekularna inkluzija. Kapsule u emulziji predstavljaju čestice aktivne supstance obložene sa svih strana česticama površinski aktivne tvari (emulgator ili stabilizator). Na ovaj način hidrofobna aktivna supstanca se stabilizuje u hidrofilnoj sredini ili obratno (Rodriguez et al. 2016).

.

SLIKA 1. Tri osnovna tipa kapsula (Zuidam i Shimoni, 2010)

.

SLIKA 2. Različiti tipovi kapsula (Bakry et al. 2016)

.

SLIKA 3. Šematski prikaz različitih enkapsulacijskih struktura: plava boja označava enkapsulacijski nosač, a žuta enkapsuliranu aktivnu supstancu (Rodriguez et al. 2016)

Micele su složene čestice nastale agregacijom ili samoudruživanjem istih ili sličnih molekula (najčešće proteini, npr. kazein). Agregacija i samoudruživanje u micelarnoj strukturi se ostvaruje hidrofobnim i/ili elektrostatičkim interakcijama. Glavna osobina micele je hidrofilan karakter na površini i hidrofobna unutrašnjost. Pod uticajem fizičkih faktora micele se mogu disocirati na sastavne dijelove i ponovo reasocirati tj. udruživati. Upravo zbog toga unutar micelarne strukture moguća je enkapsulacija sitnijih molekula. Dendrimeri su čestice polimerne prirode sa jako izraženim grananjem polimernih lanaca unutar trodimenzionalne čestične strukture. Razgranati dijelovi polimernih lanaca dendrimera su orjentisani prema površini dendrimerske čestice. Struktura dendrimera podsjeća na krošnju drveta. takva struktura u vidu krošnje podrazumijeva postojanje šupljina pogodnih za enkapsulaciju sitnijih molekula
(Rodriguez et al. 2016).

Ko-enkapsulacija

Ko-enkapsulacija je proces istovremene enkapsulacije više različitih aktivnih supstanci unutar jedne kapsule (SLIKA 4). U ovim kapsulama se obično enkapsuliraju supstance koje imaju međusobno sinergično djelovanje, kao što su probiotici, vitamini, antioksidansi i arome. Sinergično djelovanje može biti u nutritivnom (npr vitamini međusobno ili minerali i vitamini), antioksidativnom ili senzornom smislu (npr. aromatične supstance). Tipične metode za ko-enkapsulaciju su sušenje raspršivanjem, složena koacervacija, ko-ekstruzija, emulgovanje, primjena liposoma i dr. (TABELA 1).

TABELA 1. Primjeri ko-enkapsulacije (Chawda et al. 2017, Matouškova et al. 2016)

.

SLIKA 4. Šematski prikaz ko-enkapsulacije više različitih aktivnih supstanci (Chawda et al. 2017)

.

SLIKA 5. Šematski prikaz oslobađanja enkapsuliranog ulja iz kapsule (Bakry et al. 2016)

.

SLIKA 6. Šematski prikaz oslobađanja aktivne supstance iz kazeinske micele pod uticajem niske pH vrijednosti i proteolitičkih enzima tokom probave (modifikovano prema Picchio et al. 2018)

Oslobađanje aktivne supstance

Do oslobađanja aktivne supstance (SLIKA 5) iz kapsule dolazi usljed različitih fizičkih i hemijskih faktora (pH vrijednost, rastvorljivost u vodi ili u mastima, visoka temperatura, oksidacija, svjetlost, djelovanje enzima). Uslovi pod kojima će doći do oslobađanja aktivne supstance zavise od fizičko-hemijskih karakteristika enkapsulacijskog nosača i vrste proizvoda u koji se dodaju. Tako npr. ako je nosač rastvorljiv u vodi, aktivna supstanca će se osloboditi doziranjem kapsula u vodenu sredinu kao što su npr sokovi, mlijeko i sl. Ako je nosač osjetljiv na djelovanje niske pH vrijednosti, do njegovog razaranja će doći kada se kapsule doziraju u kiselu sredinu (sokovi, jogurt).

Enkapsulirana supstanca može da se oslobađa u samom proizvodu u koji se dodaje pri čemu oslobađanje utiče na osobine kao što su boja, tekstura, aroma). Oslobađanje unutar proizvoda može biti u toku proizvodnje (npr. tokom zrenja sira) ili nakon završetka proizvodnje u gotovom proizvodu. U prehrambenoj industriji enkapsulirane supstance se najčešće koriste da bi se umanjila degradacija pod uticajem visokih temperatura tokom pečenja, prženja ili kuhanja. U drugim slučajevima enkapsulirana supstanca ostaje u zaštićena u kapsuli i oslobađa se tek nakon konzumiranja u organizmu. Do oslobađanja aktivne supstance u organizmu najčešće dolazi tokom probave pod uticajem probavnih enzima
(SLIKA 6).

Bilješka o autoru

Dr sci. Jasmina Tahmaz

Dr sci. Jasmina Tahmaz je docent na Poljoprivredno-prehrambenom fakultetu Univerziteta u Sarajevu i nosilac nastavnih aktivnosti na predmetima: Tehnološke operacije u prehrambenoj industriji, Prehrambeno inžinjerstvo, Tehnologija gotove hrane, Dostignuća u tehnologiji gotove hrane i Tehnologija dječije hrane.

Rođena je 1977. godine u Sarajevu, gdje je završila osnovnu školu i gimnaziju. Zvanje diplomiranog inžinjera tehnologije poljoprivrednih i prehrambenih proizvoda stekla je 2001. godine na Poljoprivredno-prehrambenom fakultetu u Sarajevu. Na istom fakultetu je počela raditi 2001. godine kao asistent na predmetima Tehnološke operacije i Tehnologija gotove hrane.

Postdiplomski studij završila je 2005. godine, a zvanje Magistra poljoprivrednih nauka za oblast Tehnologije proizvoda biljnog porijekla stekla je nakon odbrane magistraskog rada pod nazivom „Tehnologija i kvalitet čipsa i srodnih proizvoda“.

Godine 2014. odbranila je doktorsku disertaciju pod naslovom „Primjena visokog hidrostatičkog pritiska u modifikaciji kazeina i enkapsulaciji beta karotena“. Istraživanje za doktorsku disertaciju je ralizovano u saradnji sa Univerzitetom Hohenheim u Stuttgartu.

Obavila je mnoge oblike profesionalnog usavršavanja u BiH i inostranstvu. U okviru DAAD programa stipendiranja 2002. Godine 2002. boravila je na Institutu za mljekarstvo pri Justus Liebig Univerzitetu u Giessenu (Njemačka) na tromjesečnooj specijalizaciji iz oblasti kvanitativnog određivanja mikotoksina (zearalenona, deoksinivalenola i okratoksina A) u snek proizvodima i dječjoj hrani. Rezultati istraživanja iskorišteni su kao dio rezultata njenog magistraskog rada.

Praktični dio doktorske disertacije uradila je u laboratorijama i pilot pogonima za Procesno inžinjerstvo na Univerzitetu Hohenheim u Stuttgartu (Njemačka) kao DAAD stipendista u sklopu četveromjesečnog studijskog boravka ak. god. 2009/10.

Kao autor ili ko-autor objavila je 28 naučnih i stručnih radova. Ko-autor je knjige Minimalno prerađeno voće i povrće koja je objavljena 2010 godine.

Učestvovala je u programima akademske mobilnosti u okviru programa Erasmus+ i Mevlana na Univerzitetu Uludag u Bursi (Turska) 2016., Univerzitetu u Bologni (Italija) 2017., Mugla Sitki Kocman Univerzitetu u Mugli (Turska) 2018. i Univerzitetu u Varšavi (Poljska) 2019. Godine 2013. u Bragi (Portugal) pohađala je radionicu na temu praktične primjene nanotehnologije. Na institutu Interdepartmental Centre for Agrifood Industrial Research u Ceseni (Italija) 2017. obavila je trening iz oblasti prehrambenog inžinjerstvu, a na univerzitetu Mugla Sitki kocman (Turska) oobavila je trening o dostignućima vezanim tehnologiju i kvalitet gotove hrane na bazi ribe i morskih plodova. Kao gostujući predavač boravila je na Univerzitetu Uludag u Bursi i na Univerzitetu u Varšavi, gdje je držala prezentacije o primjeni enkapsulacije u prehrambenoj tehnologiji; tehnološkim rješenjima za unaprijeđenje kvaliteta gotove hrane, te o kvalitetu tradicionalne gotove hrane.

Naučno-istraživački interesi dr. sci. Jasmine Tahmaz su vezani za: prehrambeno inžinjerstvo, fizička svojstva hrane, tehnološke operacije u prehrambenoj industriji, enkapsulacijske tehnike, tehnologju gotove hrane, snek proizvoda, tradicionalnu gotova hranu i tehnologiju dječje hrane.