Technologien für die Herstellung von Nutrazeutika

Filtration formt die Nahrung der Zukunft

Ein Ausdruck löst derzeit eine Revolution in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie aus. Der Begriff „Nutrazeutika“ und alles, was er impliziert, wird die Ernährungsgewohnheiten der entwickelten Welt in den nächsten zwei Jahrzehnten mit Sicherheit verändern. Nutrazeutika sind essbare Produkte, die durch die Kombination von Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Bestandteilen entstehen. Diese hybriden Nahrungsergänzungsmittel, die auch als funktionelle, verschreibungspflichtige oder Designer-Lebensmittel bekannt sind, haben erhebliche gesundheitliche und krankheitsvorbeugende Vorteile und erfreuen sich weltweit zunehmender Beliebtheit.

Der Trend zu nutrazeutischen Nahrungsergänzungsmitteln entstand aus der Vorstellung, dass die Ernährung einen großen Einfluss auf die Gesundheit hat. Im späten 20. Jahrhundert erlag der entwickelte Mensch immer mehr modernen Krankheiten. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich unsere moderne Ernährung immer weiter von natürlichen Zutaten entfernt und auf verarbeitete und behandelte künstliche Substanzen mit begrenztem Nährwert umgestellt hat. Diese Forschungsergebnisse kommen zu dem Schluss, dass unsere Vorfahren sich gesünder ernährten als wir heute. Belege dafür finden sich in abgelegenen Gesellschaften und hundertjährigen Stämmen, die an Orten wie den Anden leben, wo primitive Ernährungsgewohnheiten das Geheimnis eines langen Lebens zu bergen scheinen. Es wird berichtet, dass diese Menschen ein hohes Alter erreichen und frei von Arthritis, Herzkrankheiten und Krebs sind.

Obwohl der Markt sehr schnell gewachsen ist, gibt es noch viele Hürden zu überwinden. Eine der Herausforderungen für die Hersteller ist die Methode zum präzisen Filtern und Trennen der verwendeten Extrakte und Verbindungen. Da das Nutrazeutikum aus kleinen Mengen der Inhaltsstoffe besteht, die genau gemischt werden müssen, muss die in der Prozessanlage verwendete Technologie auf dem neuesten Stand sein. Die verwendete Filtermethode muss diese Herausforderungen in der Herstellungsphase meistern.

Unter den weit gefassten Oberbegriff Nutrazeutika fallen verschiedene Produktarten. Dabei kann es sich um eine oder mehrere der folgenden Arten handeln: Vitamine, Mineralien und andere Nahrungsergänzungsmittel in Form von Pillen oder Kapseln; Lebensmittelextrakte mit medizinischem Nutzen; Wirkstoffe, die aus Lebensmitteln oder Getränken des normalen Gebrauchs gewonnen werden (beispielsweise eine manipulierte, patentierte und abgefüllte Form von Brokkoli, Kohl, Trauben oder Pilzen) oder natürliche Substanzen, die keine traditionellen Lebensmittel sind, wie z.B. kolloidales Silber. Eine neuere Entwicklung ist die zunehmende Beliebtheit von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen auch Phytochemikalien genannt, welche der Gesundheit zugute kommen aber keine energetische oder ernährungsphysiologische Funktion haben, wie beispielsweise Genistein aus Sojabohnen oder Bioflavonoide, die in Knoblauch, Zitrusfrüchten und Beeren vorkommen.

Generell kann man ein Nahrungsergänzungsmittel in „ganze Kräuter“ oder „Kräuterextrakte“ unterteilen. Manche Menschen bevorzugen gemahlene Kräuter, da sie glauben, dass es noch andere, noch unentdeckte Wirkstoffe gibt, die beim Extraktionsprozess verloren gehen könnten. Der größte Teil des Marktes ist jedoch der Ansicht, dass Extrakte die ernährungsphysiologisch wertvollen Inhaltsstoffe sind. Da die Mengen der Bestandteile im Rohmaterial selbst variieren, neigen Hersteller von Extrakten dazu, die Stärke dieser Wirkstoffe zu standardisieren, um ein einheitliches Produkt zu erzeugen; der Herstellungsprozess ist daher darauf ausgelegt, dies zu erreichen.

Die Herstellung von Nutrazeutika ist ein komplexer Prozess, der eine Klärung und Konzentration der Inhaltsstoffe und anschließende Trocknungsprozesse erfordert. Ein Problem, das die Hersteller derzeit beschäftigt, ist die beste Methode, um den oben genannten Standardisierungsprozess durchzuführen. Dabei werden in der Regel mehrere Technologien kombiniert, darunter Membrane, Verdampfung, Harzfilter und Destillation.

Membrane ermöglichen die erste Trennung des Extrakts vom Rohmaterial (Blüten, Samen, Wurzeln) und machen den Einsatz nicht erneuerbarer Filter wie Kieselgur und Perlite und die damit verbundenen Entsorgungsprobleme überflüssig. Membranen werden auch für die Molekularsiebung verwendet, um die im Extrakt gelösten Wirkstoffe weiter von anderen unerwünschten Bestandteilen zu trennen. In einigen Fällen geschieht dies gleichzeitig mit der Trennung des Rohextrakts, in anderen Fällen geschieht es später vor der Trocknung.

Die Rohrfiltrationsmethode (tubular filtration) toleriert die in Extrakten aus Stängel, Samen oder Blättern vorhandenen Schwebstoffe. Sie erfordert nur eine minimale Vorfilterung, während andere Membranfiltertechnologien eine umfangreiche vorgeschaltete Feststoffentfernung benötigen, um ein Verstopfen der Membrane zu vermeiden. In vielen Fällen ist mit Rohrmembranen auch eine erste Trennung möglich, während die Membranen den Extrakt klären. Beispielsweise können Rohr-Ultrafiltrationsmembranen (UF) die Verbindungen mit höherem Molekulargewicht und gleichzeitig auch die unerwünschten Feststoffe zurückhalten. Dies reduziert die Belastung anderer nachgeschalteter Trenn- und Reinigungsstufen.

„Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Rohrmembrane eine höhere Filtratrückgewinnung als andere Membrane aufweist und daher kostengünstiger ist, insbesondere wenn der Rohstoff teuer ist.“

Zusätzlich kann eine zweite Phase einer Rohrmembranfiltration genutzt werden, um die gewünschten Verbindungen im Permeat der ersten Filtrationsstufe zu konzentrieren. Dies erhöht die Ausbeute der Rohstoffe weiter und verhindert Abfall.

Die antioxidativen Bestandteile der meisten natürlichen Arzneimittel, die bei der Herstellung von Nutrazeutikas verwendet werden, heißen Phenole (auch Polyphenole) und ihre verwandten Verbindungen. Diese neigen dazu, die Membranen und andere Trennvorrichtungen wie Harze zu verschmutzen. Die Rohrmembran mit ihren hohen Querströmen verringert diese Tendenz zur Verschmutzung (Fouling) und lässt sich nach Abschluss des Filtrationszyklus leicht reinigen. Eine gängige Methode ist die Verwendung einer Rohrmembran für die UF-Stufe, gefolgt von einer Spiralmembran für die Umkehrosmose-Stufe.

Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie höhere Temperaturen verträgt als die anderen Alternativmethoden und daher die empfindlichen antioxidativen Materialien schneller und präziser verarbeiten kann.

Durch Verdampfung kann der gefilterte Extrakt auch vor dem Trocknen konzentriert werden, um die Größe des Trockners und die damit verbundenen Energiekosten zu reduzieren. In einigen Fällen können unerwünschte Verbindungen, die in der Größe den gewünschten Verbindungen ähneln, getrennt und mit Harzen entfernt werden. Destillation wird auch zur Lösungsmittelrückgewinnung sowie zur möglichen Trennung gelöster Verbindungen verwendet.

Wie in Diagramm 1.1 zu sehen, wird Rohmaterial in den Zulauf eines Förderbands geschüttet, das es in den Extraktionstank fördert. Falls gewünscht, kann eine Siebtrennung durchgeführt werden, um die Samen oder Feststoffe vom Rest des Rohmaterials zu trennen, wenn dies für das jeweilige Rezept erforderlich ist. Eine weitere Option während dieses Siebprozesses ist das Waschen des Rohmaterials. Alle resultierenden gesiebten Feststoffe können dann kompostiert werden und sind als solche vollständig recycelbar.

Der Extraktionstank kann auf atmosphärischen Druck und Umgebungstemperatur eingestellt oder nach Wunsch beheizt werden (es können auch Schnellkochtöpfe verwendet werden). Es kann auch Lösungsmittel wie Ethanol verwendet werden, um die Extraktion der gewünschten Wirkstoffe zu verbessern.

Wenn die Extraktion abgeschlossen ist, kann der Extrakt erneut gesiebt werden, um den Extrakt von den verbrauchten Feststoffen (Blüten, Wurzeln, Samen usw.) zu trennen. Wassersprays während der Siebung oder Gegenstromextraktionsphasen können ebenfalls verwendet werden, um alle gelösten Wirkstoffe aus den verbrauchten Feststoffen zu entfernen. Diese verbrauchten Feststoffe können auch dann noch einmal gepresst werden, um den Extrakt noch weiter aus den verbrauchten Feststoffen zu entfernen. Der gepresste Extrakt kann dann mit dem zuvor gesiebten Extrakt kombiniert werden, und der Presskuchen kann kompostiert werden.

Der aus diesem zweiten Siebprozess gewonnene Extrakt wird einer Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsphase unterzogen. An diesem Punkt werden alle verbleibenden Schwebstoffe aus dem Extrakt entfernt. Je nach der gewünschten Konzentration der Wirkstoffe im Endprodukt können zusätzliche Trenn- und Konzentrationsschritte angewendet werden. Diese zusätzlichen Schritte können erforderlich sein, um nicht nur eine höhere Konzentration, sondern auch eine gleichbleibende standardisierte Konzentration im Endprodukt zu erreichen. Hier können, wie zuvor besprochen, Verdampfungs-, Harzsäulen- und Destillationstechnologie eingesetzt werden. Nach dieser Phase kann dann eine weitere Membrantrennung und -konzentration erfolgen. Das Permeat aus einem Membrankonzentrationsschritt kann im Extraktionsschritt wiederverwendet werden, und wenn das Permeat Lösungsmittel enthält, können diese vor der Wiederverwendung in einer Destillationsphase konzentriert werden.

Mit dem rasanten Wachstum des Nutrazeutika-Sektors in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie nimmt die Verwendung der Rohrmembrantechnologie weltweit zu. Zu den vielen Produkten, die mit dieser Filtrationsmethode hergestellt werden, gehören u.a. nutraceutische Nebenprodukte aus Obst, Gemüse und Kräuterextrakten. Die Vielfalt der Extraktionsanwendungen, bei denen die Rohrmembranen von PCI Membranes zum Einsatz kommen, spiegelt den wachsenden Trend zu nutrazeutischen Inhaltsstoffen wider, der derzeit unsere Gesundheits- und Ernährungsgewohnheiten revolutioniert.