Particle Formation and Characterization of Oil-polymer Mixture using PGSS Process

Abstract

Many solid products used in the food industry are preferably applied in the form of fine-dispersed powders. Classical methods such as crystallization, (spray) drying, grinding, and sieving offer certain well-known possibilities to generate powders. However, if very small particle sizes are required, or non-brittle substances have to be reduced to the micro scale, limits of traditional processes are reached. In such cases, a solution can be found in modern high-pressure processes. One of these processes is called PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions). This process runs at low temperatures with pressurized carbon dioxide and is suitable for products that are sensitive to heat or oxidation. Inert packaging can easily be integrated. The use of organic solvents, emulsifying agents or other additives can be avoided. For these reasons the PGSS process operates at especially gentle conditions and is environmentally compliant. The possibilities of the PGSS process have successfully been demonstrated over the last years for numerous solids and liquids. Recently, it has been demonstrated, that the PGSS technology is suitable for generating fluid-filled particles for food applications. In this study as a polymer PEG (polyethylene glycol) and as a core material oil was used which was extracted from fish and plant source using supercritical carbon dioxide. After particle formation evaluated the characteristics of particle, core ingredient. Along them optimized the operation condition. The oil in mackerel muscle was extracted using an environment friendly solvent, supercritical carbon dioxide (SC-CO2) at a semi-batch flow extraction process and an n-hexane. The SC-CO2 was maintained at a temperature of 45oC under pressures ranging from 15 to 25 MPa. The flow rate of CO2 (27 g/min) was constant during the entire 2 h extraction period. The fatty acid composition of the oil was analyzed using gas chromatography (GC). Significant concentrations of Eicosapentaenoic acid (EPA) and Docosahexaenoic acid (DHA) were found in the SC-CO2 extracted oil. The highest amounts of EPA (C20:5) and DHA (C22:6) were 7.89 ± 0.16% and 13.69 ± 0.17%, respectively of the total fatty acids in SC-CO2 extracted oil at 45oC and 25 MPa. Particles of mackerel oil were formed together with the biodegradable polymer polyethylene glycol (PEG-8000) using a gas saturated solution process (PGSS). Different temperatures (45-55oC), pressures (15-25 MPa) and a nozzle size 400 µm were used for PGSS with a 1 h reaction time. There was a small change in the amount of EPA and DHA in oil particles formed at different temperatures and pressures. The stability of mackerel oil in the particles did not changed significantly. It is well known that omega-3 fatty acids like Docosahexenoic acid (DHA) and Eicosapentaenoic acid (EPA) have great potential effect on human health. There are few dietary sources of EPA and DHA other than oily fish. In this study, mackerel oil was reacted with enzyme at different system to improve the EPA and DHA. Different types of immobilized enzyme TL-IM, RM-IM, Novozyme 435 were assessed for improving polyunsaturated fatty acid (PUFAs). Best result was found at non-pressurized system using TL-IM. Formation of reacted oil particle different parameters like temperature, pressure, agitation speed and nozzle size effect were observed. SEM and PSA analysis showed small size non spherical particles. It was found that after particle formation poly unsaturated fatty acids (PUFAs) were present in particle as same in oil. PUFAs release from particle was almost linear against constant time duration. Oil stability in particle not changes significantly. As a plant source Asiasarum heterotropoides var. mandshuricum is used to treat diseases for more than two millenniums. It’s essential oil contain wide amount of methyleugenol. This oil display antioxidant, antimicrobial, anti-tumor, anti-inflammatory, and larvicidal activities. PGSS process also used to make particle with Asiasrum radix oil and PEG 1500. And optimized the operation condition to concerning the methyleugenol content. Box-Behnken experimental design (BBD) on three levels and three variables was used for optimization together with response surface methodology (RSM). Influence of temperature (40 to 50°C), pressure (100 to 300 bar) and oil polymer mixing ratio (1:5 to 1:10 g/g) was each response investigate. Experimentally obtained values were fitted to a second-order polynomial model and multiple regressions. ANOVA was used to evaluated model fitness and determine optimal conditions. Moreover, three-dimensional plots were generated from employed mathematical model. Optimum condition was found 200 bar pressure, 50°C and 1:5 mixing ratio. Temperature and mixing ratio were the major factor for getting high methyeugenol content particle. Particle average size was 83.44 μm. Particle morphology agglomerate structure was observed. Therefore PGSS process would be the good process for making particle of oil due to oil quality do not change significantly during operation and also possible to keep unchanged active compounds in particle. This particle can be used as a functional ingredient in the food, cosmetic and pharmaceutical industries.

식품 산업에서 사용되는 대부분의 고형 제품은 미세분말의 형태로 가급적 요구된다. 결정화, 분무 건조, 분쇄 및 체질 같은 전형적인 방법은 분말화하는데 잘 알려진 가장 확실한 방법이다. 그러나, 매우 작은 입자 크기가 요구되는 경우 혹은 분쇄가 어려운 물질의 미세 입자가 요구되면, 기존의 프로세스는 제한이 있다. 이 상황에서, 해답은 고압 공정에서 찾을 수 있다. 이런 프로세스 중 하나가 PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions)이다. 이 프로세스는 가압된 이산화탄소와 저온에서 반응하며, 열이나 산화에 민감한 제품에 적합하다. 불활성 포장도 쉽게 통합 될 수 있다. 유기 용매, 유화제 또는 다른 첨가제의 사용을 피할 수 있다. 이러한 이유로, PGSS 공정은 특히 완만한 조건에서 작동되며 환경에 무해하다. 지난 년간, PGSS 프로세스의 가능성이 여러 고체와 액체에 대해 성공적으로 입증되었다. 최근에 PGSS 기술은 식품분야의 적용에 할 수 있는 유체 충전 입자의 생성에 적합하다는 것을 입증하였다. 이 연구에서는 PEG (polyethylene glycol)를 중합체로, 주 재료를 어류와 식물에서부터 초임계 이산화탄소를 이용하여 추출한 오일을 사용하였다. 입자 형성 후, 입자의 특성, 핵심 성분을 분석 하고 그 데이터로 운전 조건을 최적화했다. 고등어 근육 내의 오일은 친환경 용매인 초임계 이산화탄소(SC-CO2)를 반회분식 추출 공정과 n-Hexane을 이용해 추출되었다. SC-CO2는 15-25 MPa 의 범위의 압력하에 45℃ 의 온도로 유지 하였다. 추출 시간(2시간)동안, CO2 (27g/min)의 유량은 일정하게 하였다. 오일의 지방산 조성은 Gas Chromatography (GC)를 이용하여 분석 하였다. Eicosapentaenoic acid (EPA) and Docosahexaenoic acid (DHA)는 SC-CO2 추출 오일에 함유되어 있었다. 450C 과 25 MPa 에서 SC-CO2로 추출한 오일이 총 지방산 중 EPA (C20:5)와 DHA (C22:6) 의 7.89±0.16% 와 13.69±0.17% 로서 함량이 가장 높았다. 고등어 오일 입자는 앞서 만들어진 고등어 오일과 생분해성 고분자 PEG-8000을 이용하여 PGSS 공정을 통해 제조되었다. PGSS 공정은 45-55℃, 12-25MPa 에서 400μm 크기의 노즐을 사용해 1 시간동안 진행되었다. 다른 온도와 압력으로 만들어진 오일미립자 내 EPA와 DHA는 약간 차이를 보였다. 고등어 오일미립자의 안정성은 크게 변하지 않았다. DHA 와 EPA 같은 오메가-3 지방산은 인체에 큰 잠재적인 영향을 미친다. EPA 와 DHA 는 기름진 생선에서 대부분 얻을 수 있다. 이 연구에서, 고등어 오일의 EPA 및 DHA 의 양을 향상시키기 위해, 다른 체제에서 효소와 반응시켰다. 고도 불포화 지방산 (PUFAs) 의 양을 향상시키기 위해 여러 종류의 고정화 효소 TL-IM, RM-IM, Novozyme 435를 평가 하였다. SEM 및 PSA 분석으로 작은 크기의 구모양 입자를 확인하였다. 입자 형성 후, 고도 불포화 지방산의 입자는 오일에서와 같음을 발견했다. 입자에서의 고도불포화지방산은 일정시간이 경과함에 따라 거의 직선형을 보였다. 입자 내 오일의 안정성 또한 크게 변하지 않았다. Asiasarum heterotropoides var. mandshuricum 은 식물원료로써 2 천년이 넘도록 질병 치료에 사용되었다. 그 에센셜 오일은 방대한 양의 methyleugenol을 함유하고 있다. 이 오일은 항산화, 항균, 항 종양, 항 염증 및 살 유충의 효능이 있다. PGSS 공정은 Asiasarum 뿌리 오일과 PEG 1500 을 이용해 미립자를 만드는데 사용되었으며, methyleugenol의 함량을 조절하기 위해 작동 조건을 최적화 하였다. Box-Behnken experimental design (BBD)의 세 가지 수준과 세 개의 변수는 response surface methodology (RSM) 와 함께 최적화를 위해 사용되었다. 온도 (40-50℃), 압력 (100-300bar) 과 오일미립자의 혼합 비율에 따른 영향(1:5 – 1:10g/g)은 각 조건에 대해 조사되었다. 실험적으로 얻어진 값은 2 차 다항식 모델과 다중회귀모델에 적합했다. ANOVA 모델은 적합함을 평가하고 최적의 조건을 결정하기 위해 사용되었다. 그리고, 수학적 모델을 사용해서 3차원 플롯을 만들었다. 최적조건은 압력 200bar, 온도 50℃, 비율 1:5임을 발견했다. 온도 및 혼합 비율은 높은 methyleugenol 함량의 미립자를 얻기 위한 주요 요인이었다. 입자의 평균 크기는 83.44㎛ 였다. 입자는 응집 구조로서 관찰되었다. 그러므로 공정 중 오일의 품질은 크게 변하지 않기 때문에 PGSS 공정은 오일의 미립자를 만드는데 좋은 공정이 될 것이며 변하지 않는 활성화합물을 미립자 내 넣는 것이 가능하다. 이 입자는 식품, 화장품 및 제약 산업에 기능성 성분으로서 사용될 수 있다.