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Issue
Lait
Volume 83, Number 3, May-June 2003
Page(s) 237 - 250
DOI http://dx.doi.org/10.1051/lait:2003013
Lait 83 (2003) 237-250
DOI: 10.1051/lait:2003013

Optimization of dynamic loop mixer operating conditions for production of O/W emulsion for cell microencapsulation

Arnaud Picota and Christophe Lacroixb

a  Dairy Research Centre STELA, Pavillon Paul Comtois, Université Laval, Québec, PQ, Canada G1K 7P4
b  Laboratory of Food Biotechnology, Institute of Food Science and Nutrition, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zentrum, 8092 Zurich, Switzerland

(Received 2 October 2002; accepted 7 February 2003)

Abstract
Emulsification and spray-drying were selected to develop a low-cost cell microencapsulation method adaptable to large-scale production to improve the stability of sensitive probiotic bacteria. The aim of the present study was to determine the optimum operating conditions to produce anhydrous milk fat/whey protein emulsion using a dynamic loop mixer as a first step for the microencapsulation process. The effect of various parameters of the two-phase dispersion process on fat globule size and their distribution measured at steady state was examined: the rotation speed of the helical impeller in the mixer (2000, 2500 and 3000 rpm), hydrophilic/hydrophobic phase ratio (95/5, 92.5/7.5 and 90/10 w/w), and percentage of dry material to encapsulate in the hydrophobic phase (5, 10 and 15% w/w). Fat globule size distribution was found to be only dependent on the internal mixing speed in the dynamic loop mixer ( P < 0.05). A rotation speed of 2500 rpm, corresponding to a fat globule population with D [3, 2] of 23 $\mu$m, D( $\nu$, 0.1) of 15 $\mu$m, D( $\nu$, 0.5) of 25 $\mu$m, and D( $\nu$, 0.9) of 49 $\mu$m was selected for the production of multiphase spray-dried microcapsules with a diameter smaller than 100 $\mu$m, containing micronized powder particles of freeze-dried bacteria. This research showed that anhydrous milk fat/whey protein emulsions with controlled fat-globule size distribution and small size dispersion can be prepared with a continuous mode and high productivity with a dynamic loop mixer.

Résumé
Optimisation des conditions d'opération d'un mélangeur à boucles pour la production d'une émulsion de type huile-dans-eau pour l'encapsulation cellulaire. L'émulsification et le séchage par atomisation ont été sélectionnés pour développer une méthode de microencapsulation cellulaire à faible coût adaptable à une production à grande échelle pour améliorer la stabilité des bactéries probiotiques sensibles. Le but de la présente étude était de déterminer les conditions d'opération optimales permettant de produire une émulsion huile de beurre/protéines sériques en utilisant un mélangeur à boucles comme première étape du procédé de microencapsulation. L'effet de différents paramètres du procédé de dispersion de phase sur la taille des globules gras et leur distribution, mesuré à l'état stationnaire, a été par la suite étudié : vitesse de rotation de la turbine hélicoïdale dans le mélangeur (2000, 2500 et 3000 rpm), rapport phase hydrophile/phase hydrophobe (95/5, 92,5/7,5 et 90/10 p/p), pourcentage de matériel sec à encapsuler dans la phase hydrophobe (5, 10 et 15 % p/p). Il a été montré que la distribution de taille des globules gras était uniquement dépendante de la vitesse de recirculation dans le mélangeur à boucles ( P < 0,05). Une vitesse de rotation de 2500 rpm, correspondant à une population de globules gras avec un D[3, 2] de 23 $\mu$m, un D( $\nu$,0,1) de 15 $\mu$m, un D( $\nu$,0,5) de 25 $\mu$m, et un D( $\nu$,0,9) de 49 $\mu$m a été sélectionnée pour la production par séchage-atomisation de microcapsules multiphasées possédant un diamètre inférieur à 100 $\mu$m, contenant des particules de poudre micronisée de bactéries lyophilisées. Cette recherche a montré que le mélangeur à boucle permet de produire, en continu et avec une productivité élevée, une émulsion huile de beurre/protéines sériques avec un contrôle élevé de la taille des globules de gras et une faible dispersion.


Key words: Emulsification / dynamic loop mixer / whey protein / anhydrous milk fat / microencapsulation

Mots clés : Émulsification / mélangeur à boucles / protéine de lactosérum / huile de beurre / microencapsulation

Correspondence and reprints: Christophe Lacroix Tel.: (41) 1 632 4867; fax: (41) 1 632 14 03;
    e-mail: christophe.lacroix@ilw.agrl.ethz.ch

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