Fluidized-bed granulation of spray-dried skim milk powder encapsulating Lactobacillus rhamnosus GG

Abstract

The intake of probiotics with health functionalities is now common in everyday life. However, the probiotics encapsulated powder produced by the spray-drying has a low flowability, form a lump at rehydration, and causes a caking at storage due to small particle size and strong cohesive force between particles. Thus, the attempts have been made to overcome these shortcomings by making spray-dried powder into granule using fluidized-bed granulator. But the granulation of spray-dried powder in the fluidized-bed granulator is difficult to proceed due to the strong cohesion between the particles. Furthermore, because the probiotics are encapsulated in powder, it must be run in low temperature to minimize the cell loss during the process. In this study, the objective is to produce granule of spray-dried microencapsulated powder by conventional fluidized-bed through mixing different powder and moisture-activated dry granulation processes. And measure the effect of granulation to evaluate how much shortcomings of powder has improved by comparing the changes in physicochemical properties of granule and primary powders. To prepare a spray-dried microencapsulating powder, Lactobacillus rhamsnosus GG (LGG) was incubated in the medium containing reconstituted skim milk 10% (w/w), glucose 2% (w/w), yeast extract 1% (w/w), then spray-dried after added more skim milk powder (SMP) to avoid stickiness. Since this spray-dried LGG encapsulated powder (LRP) was not fluidized due to cohesiveness in the fluidized-bed granulator, well-fluidizing SMP was mixed in 50% (w/w). That LRP-SMP mixture showed particle size increase, but particle size distribution was broad and yield was low to 42.8% (w/w). Thus, moisture-activated dry granulation and dehydration were carried out to create sintered bridges between particles of the LRP-SMP mixed in 50:50 (w/w). Through these serial processes, the particle size increased from 33.70 μm to 141.67 μm with almost mono-modal distribution, the cell survivability reached to 80.22%, and yield to 60.78% (w/w). Through scanning electron microscope (SEM), granule with grape grain shaped was also confirmed. To investigate the effect of granule formation on the change of physicochemical properties of the original particles, moisture content, water activity, dispersibility, flowability / cohesiveness, glass transition temperature, and sticky point temperature were studied. The SMP used as fluidization aid, was also analyzed to correlate its effect on properties of granule. As a result, the water content and water activity of granule did not increase significantly although water as binder sprayed for whole operation time (15-min, 24% of load mass). And dispersibility in water increased from 49.68% of LRP to 91.64% of granule. The flowability and cohesiveness of LRP were bad and high, respectively, but granule showed fair flowability and intermediate cohesiveness. As a result of the glass transition temperature measurement by differential scanning calorimetry (DSC), the glass transition temperature of granule (69.67 ℃) was higher than LRP (64.16 ℃). And the composition ratio of LRP and SMP in granule was confirmed by using the Couchmann and Karasz (1978) equation substituting the heat capacity change measured at the glass transition; SMP : LRP = 1.08 : 1. Consequently, LRP was granulated in the fluidized-bed granulator through serial processes of mixing with well-fluidizing SMP, moisture-activated dry granulation, dehydration. Granule resulted in increased yield with high survivability. In addition, granulation improved dispersibility, flowability, and decreased cohesiveness. It also led to an increase in glass transition and sticky point temperature which affects that caking phenomenon during storage.

현대인들은 다양한 건강기능성을 갖춘 프로바이오틱스를 일상에서 손쉽게 섭취하고있다. 하지만 이러한 섭취는 주로 액상이나 분말형태로 섭취하고있는데 이중 분말 형태는 다루기가 쉽고, 복용하기도 용이하며 장기간 보관이 가능하다는 장점을 지닌다. 그러나 이러한 분말은 주로 동결건조 방법으로 제작되다보니 시중에 판매되고 있는 프로바이오틱스의 단가는 비싼 편이다. 이에 단가를 낮추기위해 상대적으로 저렴한 분무건조방법이 많이 연구되었다. 하지만 분무건조 방식으로 생산되는 분말은 사이즈가 매우 작다보니 입자간의 응집력이 강해서 흐름성이 낮고, 재수화시 덩어리를 형성하며, 저장 중 케이킹 현상을 발생시킨다. 이러한 단점을 극복하기 위해 과립을 형성하는 방안이 많이 시도되어왔다. 과립화 방안 중에서 유동층 과립기의 경우 열 전도도가 높고 과립의 생성과 건조가 거의 동시에 이루어져 효율성이 높다는 장점을 지니고 있다. 하지만 이러한 유동층 과립기를 이용한 과립의 방법은 작은 입자를 지닌 분말의 경우 마찬가지로 응집력이 강해서 유동화가 어렵다는 단점이 있고 더욱이 프로바이오틱스가 포집된 분말의 경우 건조 온도를 높게 설정할 수 없다는 약점을 지니고 있다. 그래서 본 연구에서는 분무건조로 형성된 프로바이오틱스 분말을 유동층 과립기를 이용, 유동화를 위한 다른 분말과의 혼합 및 수분 활성 건조 과립 방법과 병행하여 과립화를 하고자하였다. 그리고 과립화를 통해 앞서 설명한 단점들이 얼마나 극복되었는지를 확인하기위해 입자의 물리화학적 변화를 추적하였다. 먼저 Lactobacillus rhamnosus GG가 포집된 분무건조 분말을 확보하기위해 탈지분유 10% (w/w), 포도당 2% (w/w), 효모추출물 1% (w/w)를 포함한 배지에 LGG 균을 배양한 후 분무건조를 위한 점착방지물 (탈지분유)을 일정부분 추가하여 분무건조를 실시하였다. 앞서 설명한대로 분무건조된 분말은 입자가 작고 응집성이 있기 때문에 유동층 과립기에서 유동화가 되지않아서 유동화가 잘 이루어지는 탈지분유를 10%, 30%, 40%, 50% (w/w) 비율로 혼합하여 유동층 건조기로 과립을 하고자하였다. 그 결과 50% 혼합한 혼합물의 입도크기 변화가 가장 크게 나타났으나 입도크기 분포가 넓고(사이즈가 다양), 수율이 42.8% (w/w)에 그쳤다. 이는 유동층 과립기 내에서 사이즈가 작고 밀도가 낮은 분말이 기류에 의해 공중으로 이송되면서 생기는 층 분리 현상 때문이다. 그래서 작은 입자의 이송을 감소시키기위해 수분 활성 건조 과립화 방법을 사용하였다. 이는 탈지분유 50%가 포함된 혼합물에 물 2.5% (w/w)를 분사한 후 임펠러로 혼합하는 방식으로 진행되었으며, 그 결과 입도분포에서 작은 사이즈를 지닌 입자 부피가 감소 (6.73%)하는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 수분 활성 건조 과립화된 혼합물은 유동층 과립기에서 과립화 결과 작은 입자의 경우 과립화가 지연되었는데 이는 입자 표면에 수분 부피가 증가되어 과립화에 방해요인으로 작용했기 때문이다. 그래서 입자 표면의 수분을 제거하기위해 유동층 과립기를 이용하여 건조공정을 진행하였으며 실험을 통해 5분 건조시 입자의 분열이나 셀의 손실을 방지할 수 있다고 결론내었다. 결국 탈지분유 50% (w/w) 혼합물은 수분 활성 건조 과립화 방법 및 건조 공정을 거쳐 유동층 과립기에서 과립화가 진행되었으며 공정시간 8-min과 15-min 동안 진행한 결과 과립화를 통한 입자 크기의 증가(33.70 μm에서 각각 85.82 μm, 141.67 μm)가 이루어졌으며 크기 증가는 공정시간에 비례하는 것을 확인하였다. 또한 입도크기 분포는 거의 단봉형으로 형성되었고 셀 생존율은 80.22%, 수율은 60.78% (w/w)로 상승하였다. 과립의 형성모양은 전자주사현미경을 통해 포도알과 같이 형성되었음을 확인하였다. 이러한 과립의 형성이 물리화학적으로 어떠한 변화를 유발하는 지를 확인하기 위해 수분함량, 수분활성도, 분산성, 흐름성 / 응집성, 유리전이온도, 점착온도를 측정하였다. 이 중에서 수분함량, 수분활성도는 생성된 직후에 측정하였으나, 나머지 척도는 수분의 영향을 배제하기위해 오산화인을 포함한 데시케이터에서 25도에서 수분활성도 0.0의 평형을 이룬 입자를 사용하여 측정하였다. 그 결과 수분함량과 수분활성도에서 과립은 유동층 과립기에서 15-min동안 수분이 분무 (중량의 24%)되었음에도 불구하고 대류건조가 동시에 발생하는 특성으로 인해 원물 (분무건조 분말, 탈지분유)에 비해 크게 증가되지않았다. 그리고 물에 분산성에 있어 분무건조 분말은 49.68%임에 반해 과립은 91.64%로 크게 증가하였는데 이는 과립의 구조로 인한 공극 크기의 증가와 함께 포함된 탈지분유의 분산성 (95.56%)에 기인한 것으로 판단된다. 흐름성과 응집성에 있어 분무건조 분말은 측정결과 흐름성이 나쁘고 응집성은 높게 측정되었는데 탈지분유는 둘다 양호로 측정되었다. 과립의 경우 흐름성과 응집성이 모두 보통으로 개선되었다. 이러한 과립의 개선은 입자의 크기가 증가됨에서 기인하였으나 탈지분유만큼의 개선이 이루어지지않은 것은 탈지분유는 둥근 모양을 지니고 있는데 반해, 과립은 무정형의 형태(전자주사현미경)이기때문으로 판단된다. 저장 중 케이킹을 형성하는데 중요한 요인인 유리전이온도 측정결과 과립은 분무건조 분말 (64.16 ℃)과 탈지분유 (75.06 ℃)의 중간지점인 69.76 ℃인 것으로 나타났으며 함께 측정된 유리전이시 열용량의 변화를 이용하여 코치만 및 카라즈 방정식을 이용하여 과립의 형성 분율을 계산하였다. 계산결과 과립에서 탈지분유와 분무건조 분말의 분율은 1.08:1로 나타났다. 점착온도의 경우 분무건조 분말, 탈지분유 및 과립에서 각각 83.15 ℃, 78.46 ℃, 85.98 ℃로 측정되었다. 과립의 점착온도는 분무건조 분말과 탈지분유의 그것 사이에 나타났으며, 기계적인 강제 교반에 의한 측정방식 및 분무건조 분말 및 탈지분유의 혼합으로 인해 편차가 크게 나타난 것으로 판단된다. 결과적으로 분무건조 분말은 탈지분유와 혼합할 경우 유동층 과립기에서 과립화가 가능하였으나 낮은 수율과 불규칙한 과립형성으로 인하 수분 활성 건조 과립화 및 건조 공정이 추가로 필요하였다. 하지만 이렇게 형성된 과립의 경우 향상된 수율과 높은 셀 생존율을 보였다. 게다가 분산성, 흐름성의 개선 및 응집성의 감소를 가져왔으며 유리 전이 및 접착점 온도도 상승시킬 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 LGG가 포집된 분무건조 탈지분유 분말의 경우 유동층 건조기에서 과립화가 가능하며 이러한 과립화를 통해 여러가지 단점을 극복할 수 있다고 판단된다.