الكبسلة الدقيقة
(Nano and Micro encapsulation)
بسم الله الرحمن الرحيم والحمد لله رب العالمين وصلى الله وسلم على سيدنا محمد وعلى آله وصحبه وسلم وبعد
ففي هذه المقالة أود أن أعرفكم بموضوع من الموضوعات الصناعية الحديثة, والذي له تطبيقه في العديد من المجالات, ابتداءً من صناعة الحبر ومروراً بالصناعات الغذائية و انتهاءً بالصناعات الدوائية والبيوتكنولوجيا.
وسأستهل المقال بحول الله بدايةً بالتعريف العام بهذه التقنية, لكي أدخل من بعدها في تصنيف ما يندرج تحتها من مجالات التطبيق وخطواته وأشكال الدقائق (الكبسولات) التي نحصل عليها, لأختم المقال بمثال عن تطبيق هذه التقنية ألا وهو لمحة عن موضوع رسالة الماستر التي وفقني الله للقيام بها.
التعريف بالتقنية
الكبسلة الدقيقة: هي تقنية تهدف إلى تغليف الجزيئات الصغيرة الصلبة أو السائلة من رتبة الميكرومتر 10-6م (Microencapsulation) , حتى رتبة النانومتر 10-9م (Nanoencapsulation) بواسطة مواد مختلفة تشكل غلافاً أو جداراً.
تاريخ نشوء تقنية الكبسلة الدقيقة(1)
بدأ ظهور تقنيات الكبسلة الدقيقة في أواخر القرن التاسع عشر (أواخر 1800م), لكن الحصول على أول عينات ناجحة من هذه التقنية لم يتم إلا في عام 1931م حيث حيث قام الكيميائيان Bungenburg de Jong و Kaasبتطبيق هذه التقنية في مجال الغرويات colloïdes.
ما بين العامين 1940 – 1942 م قام B. Vert والذي يعمل كباحث في شركة National Cash Register Co. في الولايات المتحدة الأمريكية, بتطوير تقنية خاصة تسمح بنسخ النصوص على الورق بالضغط من خلال كبسلة الحبر المستخدم, ولكنَّ نقل الفكرة من المستوى المخبري إلى المستوى الصناعي استغرق ثماني سنوات.
وفي نهاية الخمسينيات من القرن الماضي دخلت هذه التقنية في مجال الصناعات الدوائية, وذلك من الأجل التحكم بتحرير المادة الفعالة دوائياً, ومنذ ذلك الحين شهدت هذه التقنية تطوراً هائلاً نتيجةً إلى الأبحاث الكثيرة التي أجريت في هذا المجال, مما فتح الباب أمام تطبيقات جديدة لهذه التقنية على المستوى الصناعي في مجالات مختلفة.
أنواع الدقائق المستخدمة ومجالات التطبيق
بناءً على الأغراض التقنية التي نبغي تحقيقها من خلال الكبسلة الدقيقة, فإننا نجد أنفسنا أمام مجموعة كبيرة من التقنيات والمواد المستخدمة, والتي بالتالي تعطينا أشكالاًمختلفةً من الدقائق المصنعة, حيث تختلف أحجام الدقائق من الميكرو إلى النانو, بالإضافة إلى اختلاف أشكالها (كروي , كبسولي , ليبوزومي) كما هو موضح في الشكل (1):
الشكل (1) يوضح الأشكال المختلفة للكبسولات الدقيقة مأخوذ من
Gibbsوزملاؤه (1999م) ضمن المرجع(2)
كما ويمكن حصر وظائف هذه الدقائق وتطبيقاتها في قسمين رئيسيين:
- الكبسلة الدقيقة الهادفة إلى تشكيل طبقة مانعة:
- تفصل المواد الفعالة بعضها عن بعض؛
- تحمي الدقائق من العوامل الخارجية (رطوبة , اوكسجين , ضوء , حرارة ...)؛
- تحبس المركبات الطيارة ضمن الدقيقة, مثل المركبات ذات الروائح غير المقبولة.
- الكبسلة الدقيقة الهادفة إلى التحكم:
- بتحرير المادة الفعالة (مواد فعالة دوائياً , منكهات …)؛
- بشكل الدقيقة, بحيث تصبح هدفاً لبعض الجزيئات الحيوية كمضادات الأجسام Antibodies.
المراحل والتقنيات المستخدمة
كما أوضحنا سابقاً فإن اختلاف أشكال الدقائق ناتج عن تنوع التقنيات المستخدمة. لذلك كان من المهم تصنيف هذه التقنيات وتوضيح مراحل تطبيقها والتي يمكن أن تحصر في ثلاث خطوات رئيسية تعتبر خطاً عاماً لجميع تقنيات الكبسلة والتي تبدأ دائماً بمرحلة خلط المواد الأولية. وبناءً على طبيعة هذه المواد (صلبة أو سائلة) وعلى ما نهدف للحصول عليه فإننا نختار في المرحلة التي تليها التقنية المناسبة لتحويل الخليط (محلول, معلق, كتلة …) إلى جزيئات دقيقة مغلفة من رتبة الميكرو أو النانو متر (الشكل 2). ثم تأتي المرحلة الثالثة والأخيرة لتثبيت ما حصلنا عليه من جزيئات مغلفة.
الشكل(2)مأخوذ ومعدل من المرجع(3)
مثال على تطبيق تقنية الكبسلة الدقيقة في مجال الصناعات الغذائية
(لمحة عن رسالتي في إطار شهادة الماستر)
حفظ زيت سمك السلمون عن طريق تغليفه بوساطة بروتينات اللبن المنحلة (بروتينات مصل اللبن) وسكر اللاكتوز, وذلك لحماية الزيت الغني بالمواد الدسمة ذات الروابط المتعددة غير المشبعة (أوميغا 3)من الأكسدة
إن تطور الاكتشافات العلمية في الحقل الطبي, أدى إلى إعادة تقييم الكثير من الأغذية المتناولة. حيث صار الكثير من المستهلكين يطالبون الصناعيين بتأمين منتجات غذائية أكثر فائدة لصحة البدن. ومن العناصر الغذائية التي أخذت حيزاً مهماً في هذ المجال, الحموض الدسمة غير المشبعة ذات الروابط المتعددة أوميغا 3, والتي تم إثبات فوائدها الصحية من قبل بعض الباحثين لا سيما في مجال تحسين صحة وعمل جهاز الدوران الدموي(4).
المشكلة الرئيسية التي تواجه الصناعيين عند تغذيتهم للأطعمة بحموض الأوميغا 3 هي خطر الأكسدة, والتي ينتج عنها نقصان القيمة الغذائية للمنتج وتشكل مواد طيارة غير مرغوبة الطعم والرائحة من قبل المستهلك شبيهة بتلك الناتجة عن تزنخ السمك حتى ولو كانت من مصدر نباتي. لذلك كان على الباحثين أن يسعوا إلى استخدام تقنيات حديثة تمكنهم من تغذية المواد والأطعمة بالحموض الدسمة أوميغا 3 مع الحفاظ على جودتها الغذائية والحول دون تشكل مواد التزنخ غير المرغوب فيها إضافةً إلى تجنب أو الحد من استخدام مضادات الأكسدة غير الطبيعية.
انطلاقاً من هذه المشكلة الصناعية, فقد تم تحديد مضمار رسالتي للماستر, وذلك باختيار زيت سمك السلمون كمادة غذائية غنية بالحموض الدسمة من العائلة أوميغا 3, وتم اختيار بروتينات مصل اللبن واللاكتوز (سكر اللبن) كمواد مغلفة للزيت.
الفكرة كانت بأن نصمم في هذه الدراسة خليطاً يشبه إلى حد ما مكونات اللبن, ولكن من خلال تبديل دسم اللبن الغني بالمواد الدسمة المشبعة بدسم أكثر فائدة مكون من حموض دسمة غير مشبعة أوميغا 3, لنشكل حولها (أي المواد الدسمة) ترساً حامياً يحميها من خطر الأكسدة, ومن ثم نحول هذا الخليط إلى لبن مجفف (بودرة) لتثبيته.
خطوات هذه التقنية كانت تبدأ بإعادة ترطيب بودرة بروتينات مصل اللبن وبودرة سكر اللاكتوز. من ثم يتم خلط المحاليل الناتجة مع زيت السمك بنسب محددة وفقاً لخلائط تم تصميمها سابقاً باستخدام برنامج NemrodW, ومن بعدها نقوم بتحويل المستحلب الناتج إلى (ميكرو مستحلب) من خلال استخدام تقنية الخلط تحت ضغط مرتفع (1500 بار تقريباً). لنقوم أخيراً بتحويل الميكرو مستحلبات إلى بودرة من خلال تقنية التجفيد (Freeze-Drying).
بعد الإنتهاء من عملية التصنيع, نشرع بتوزيع البودرة الناتجة إلى عدة مجموعات ليتم تخزينها في شروط مختلفة من حيث الحرارة والمدة الزمنية, ومن ثم نقوم باستخدام تقنيات تحليل مختلفة للكشف عن ثباتية الزيت المكبسل في البودرة لمعرفة تأثير تغير نسب الخليط وشروط التخزين على ثبات الزيت.
هذه كانت باختصار فحوى رسالة الماستر التي قمت بها بفضل الله. وأحب التنويه إلى أنه عند الكلام عن هذه التقنية بهذا الشكل فقد يخيل للبعض بأنها الحل السحري. ولكن الواقع والتجربة تقول أن البحث العلمي هو عمل مليء بالصعوبات وبالمفاجآت ويحتاج إلى الصبر والمتابعة. أسأل الله أن يوفقني أن أستفيد من هذه التجربة الصغيرة كمدخل لطلب العلم والإفادة.
المراجع :
1- Boh B. : Développement et applications industrielles des microcapsules. In Vandamme T., Poncelet D., Subra-Paternault P. : Microencapsulation : Des sciences aux technologies. Lavoisier Editions TEC & DOC (2007) (P. 9-10, 13-14).
2- Gharsallaoui A., Roudaut G., Chambin O., Voilley A., Saurel R. : Review : Applications of spray-drying in microencapsulation of food ingredients: An overview. Food Research International 40 (2007) 1107–1121.
3- Poncelet D. et Dreffier C. : Les méthodes de microencapsulation de A à Z (ou presque) ; In Vandamme T., Poncelet D., Subra-Paternault P. : Microencapsulation : Des sciences aux technologies. Lavoisier Editions TEC & DOC (2007) (P. 23-24).
4- Psota T. L., Gebauer S. K., and Kris-Etherton P., PhD, RD : Dietary Omega-3 Fatty Acid Intake and Cardiovascular Risk. The American Journal of Cardiology (www.AJConline.org) Vol 98 (4A) August 21, 2006.
مواضيع مشابهة:
اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة محمد عثمان يوسف
