RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2019 | 22 | XLVII | november 2019 | 22 | XLVII Boštjan ŠUMIGA 1 , Barbara ŠUMIGA 2 , Bojana BOH PODGORNIK 1 FUNKCIONALIZACIJA PAPIRJA Z MIKROKAPSULIRANIMI ETERIČNIMI OLJI FUNCTIONALISATION OF PAPER WITH MICROENCAPSULATED ESSENTIAL OILS 1 UVOD Papir je cenovno ugoden material z ob- novljivimi lastnostmi, ki se proizvaja v velikih količinah. Z uporabo tehnologij mikrokapsuliraja je možno papir opleme- nititi z različnimi funkcionalnostmi. Gre za tehnologije z visoko dodano vredno- stjo in veliko možnosti uporabe. Lastnos- ti eteričnih olj ne omogočajo neposredne uporabe na papirju. Z zaščito na mikro- nivoju - izdelavo mikrokapsul - lahko dosežemo njihovo uporabo v papirni industriji s funkcionalnostjo odišavlje- nosti, protimikrobnosti ali drugih želenih lastnosti. Mikrokapsuliranje je tehnologija obda- janja majhnih delcev fino zmletih trdnih snovi, kapljic tekočin ali plinskih kom- ponent z zaščitno membrano/ovojem - steno mikrokapsul [1, 2]. Prvi zapisi o mikrokapsuliranju segajo v sredino 20. stoletja, ko sta Green in Schleicher [3] patentirala uporabo mikrokapsuliranih barvil za samokopirni papir (carbon- less copy paper). Od začetkov raziskav do industrializacije prvega proizvoda z mikrokapsulami, to je komercialno ime- novanega NCR samokopirnega papirja, je minilo približno devet let, kar naka- zuje na zahtevnost tehnologije in njeno visoko dodano vrednost. Mikrokapsule z levko barvili v jedru za NCR samokopirni papir so bile prvi in do danes še vedno količinsko največji komercialni proizvod tehnologije mikrokapsuliranja. Že od prvih začetkov se tehnologije mikro- kapsuliranja stalno izboljšujejo, spremi- njajo in prilagajajo za različne namene in uporabe, okarakterizirane z intenzivno rastjo patentiranih aplikacij, katerim v preteklih treh desetletjih eksponetno sle- dijo tudi znanstvene publikacije. Slednje nakazuje vedno večji interes akademske sfere za tehnologije mikrokapsuliranja, konstantno industrijsko inovativnost in uporabnost. Glavni razlogi za mikro- kapsuliranje oziroma mikropakiranje materialov so: ločevanje (deaktivacija) reaktivnih komponent v zmeseh, zaščita pred dejavniki okolja, pretvorba tekočin ali lepljivih trdnin v prah, maskiranje ne- prijetnega vonja ali okusa, kontrolirano, trajno ali časovno načrtovano sprošča- nje, ciljno usmerjanje aktivnih kompo- nent k specifičnim mestom učinkovanja, ter zagotavljanje delno prepustnih mem- bran za kontroliran transport ali ločeva- nje molekul. Mikrokapsule so delci mikronskih dimen- zij, sestavljeni iz jedra (core material, active agent, internal phase) in stene ali ovojnice (wall, shell, coating). Lahko so različnih oblik in struktur: pravilnih sfe- ričnih ali nepravilnih oblik, z enojedrno ali večjedrno zgradbo. Najznačilnejši sta tako imenovana struktura jedro-stena (core-shell) in struktura matriksa (ma- trix structure). Jedrni material se lahko sprosti iz mikrokapsul na različne načine. Običajno se način sproščanja načrtuje vnaprej in je predvsem odvisen od na- mena mikrokapsuliranja. Analiza več sto patentnih dokumentov [4, 5] je razkrila, da je prvi razvit in še vedno najpogosteje uporabljen mehanizem sproščanja me- hansko odprtje, ko pod zunanjim priti- skom stena mikrokapsule poči in sprosti jedrni material. Klasifikacija mehanizmov sproščanja, zasnovana glede na lastnosti stene, je predstavljena na sliki 1. Zanimiv jedrni material za mikrokapsule predstavljajo eterična olja, ki so hlapne v olju topne snovi, pridobljene večino- ma iz rastlin. Uporabljajo se predvsem v kozmetiki, prehrani, aromaterapiji in v zadnjih letih kot naravna protimikrobna sredstva. Predvsem zaradi hlapnosti in tekoče oblike jih ni možno neposredno uporabiti/aplicirati, kar pa lahko omogo- či uporaba tehnologij mikrokapsuliranja. Naš cilj in namen raziskave je bil izdelati papir s funkcionalnimi lastnosti z upo- rabo eteričnih olj in tehnologij mikro- kapsuliranja v naslednjih korakih: izbor in optimizacija tehnik mikro- kapsuliranja eteričnih olj, izbor tehnik apliciranja na papir, ovrednotenje funkcionalnih lastnosti. IZVLEČEK Z izdelavo mikrokapsul lahko dosežemo zaščito eteričnih olj na mikro-nivoju in njihovo uporabo v papirni industriji s funkcional- nostjo odišavljenosti, protimikrobnosti ali drugih želenih lastnosti. Prispevek opisuje rezultate lastnih raziskav in razvoja dveh teh- nologij mikrokapsuliranja eteričnih olj za uporabo v papirni industriji. Za šest eteričnih olj z znanimi protimikrobnimi učinki smo modificirali in optimizirali tehniki mikrokapsuliranja s kompleksno koacervacijo in z in situ polimerizacijo. Mikrokapsule smo aplici- rali na dva načina, z vgrajevanjem v papirno snov in s površinskim klejenjem/premazovanjem na površino papirja. Ovrednotili smo morfološke in funkcionalne lastnosti izdelanih papirjev. Rezultati so pokazali kontrolirano sproščanje eteričnih olj s pritiskom in ustvarjanje odišavljenosti oz. protimikrobnosti funkcionalnih papirjev. Ključne besede: funkcionalizacija, papir, mikrokapsule, eterična olja, kontrolirano sproščanje, antimikrobnost, odišavljenost ABSTRACT By producing microcapsules, essential oils can be protected on the micro-level, and used in the paper industry with the functionalities of fragrance, antimicrobial activity or other desired properties. This paper describes the results of our own research, and the development of two technologies for the microencapsulation of essential oils for application in the paper industry. For six essential oils with known antimicrobial effects, complex coacervation and in situ polymerisation microencapsulation techniques were modified and optimised. Microcapsules were applied in two ways, by incorporation into the paper pulp, and by sizing/ coating on the surface of the paper. Morphological and functional properties of the produced papers were evaluated. The results showed the controlled pressure-sensitive release of essential oils, and the creation of a fragrance and antimicrobial effects of functional papers. Keywords: functionalisation, paper, microcapsules, essential oils, controlled release, antimicrobial, fragrances Slika 1: Klasifikacija mehanizmov sproščanja jedra iz mikrokapsul Figure 1: Classification of release mechanisms from the core of microcapsules EKSPERIMENTALNI DEL Za izdelavo mikrokapsul z eteričnimi olji želenih velikosti smo izbrali dve tehno- logiji mikrokapsuliranja, ki spadata pod kemijske postopke mikrokapsuliranja: koacervacijo in in situ polimerizacijo. Uporabili smo šest eteričnih olj: limonske trave (Cymbopogon citratus), čajevca (Melaleuca alternifolia), sivke (Lavan- dula angustifolia), rožmarina (Rosmari- nus officinalis), evkaliptusa (Eucalyptus globulus) in žajblja (Salvia officinalis). Izdelava mikrokapsul po postopku kompleksne koacervacije želatine in gumi arabike Koacervacija je proces, pri katerem se v koloidnem sistemu izloči s koloidom bo- gata faza - koacervat. V postopku izde- lave mikrokapsul najprej v vodi emulgira- mo hidrofobno učinkovino (npr. eterično olje), nato pa koacervacijo sprožimo z dodatki, ki povzročijo tanjšanje hidra- tacijskega ovoja makromolekularnega koloida, na primer z dodatkom soli, do- dajanjem topila, spremembo pH ali do- dajanjem nasprotno nabitega polimera. Pri tem se koloidno bogata faza v obliki amorfnih tekočih koacervatnih kapljic začne nalagati na oljna jedra; združi se v homogen koacervatni sloj, ki popolnoma obda jedra in tvori ovojnico mikrokapsul. Koacervatne ovojnice mikrokapsul lahko utrdimo z zamreževali, ki tvorijo kova- lentne vezi (aldehidi, ketoni, encimi) ali z utrjevali, ki učinkujejo s tvorbo vodikovih vezi (naravne polikisline ali polifenoli) – slika 2. V naši raziskavi smo eterično olje mikro- kapsulirali po postopku kompleksne koa- cervacije želatine in gumi arabike - dveh naravnih makromolekularnih koloidov, ki pri natančno uravnani pH vrednosti koacervirata zaradi nasprotnega naboja. Nabrekanje želatine v destilirani vodi je potekalo 1 uro pri sobni temperaturi. V reaktorski posodi s turbinskim mešalom smo po segrevanju na 50°C v vodno raz- topino želatine fazo emulgirali eterično olje (T=50°C, 600 obr/min, 30 min). Do- dali smo vodno raztopino gumi arabi- ke (T=50°C, 800 obr/min). Koacervacijo smo sprožili z razredčevanjem z vodo in z uravnavo pH vrednosti z dodajanjem ocetne kisline do pH=3,9. Obdajanje olj- nih jeder s koacervatnimi kapljicami smo vzdrževali 2 uri (T=50°C, 600 obr/min). Po ohlajanju do sobne temperature (1°C/min, 600 obr/min) smo za utrjeva- nje ovojnice uporabili glutaraldehid ali kostanjev tanin in postopek zaključili po 2 urah mešanja. Izdelava mikrokapsul po postopku in situ polimerizacije In situ polimerizacija (ISP) spada v skupi- no polimerizacijskih postopkov mikro- kapsuliranja, kjer monomeri polimerizira- jo okoli kapljic v emulziji in naredijo trdno polimerno steno. Najpogosteje se upo- rabljajo monomeri oz. predkondenzati melaminske smole, značilna je dodatna prisotnost modifikatorja, brez katerega tvorba mikrokapsul ne bi bila mogoča. Za pripravo ISP mikrokapsul z eteričnimi olji v jedru smo uporabili lasten labora- torijski reaktorski sistem, opremljen z ogrevalno/hladilnim sistemom, 1000 ml reaktorsko posodo in Heidolph mešalom z nastavljivo hitrostjo 0–2000 obr./min. Postopek je potekal po naslednjih kora- kih: (a) priprava vodne raztopine modi- fikatorja, (b) emulgiranje eteričnih olj in tvorba emulzije olja v vodi, (c) dodajanje melaminskega predkondenzata za tvorbo stene, (d) segrevanje in polimerizacija pri povišani temperaturi (70–80°C), približno eno uro, (e) hlajenje in zaključek reakcije. Slika 2: Glavne faze v postopku mikrokapsuliranja s koacervacijo Figure 2: Main phases in the process of microencapsulation by coacervation Vgrajevanie in nanos mikrokapsul v/ na papir ter mehanska aktivacija Za vgrajevanje mikrokapsul v papir smo suspenzije mikrokapsul v laboratoriju umešali v papirno snov in iz nje izdelali papir z uporabo laboratorijskega obli- kovalnika listov (Metoda Rapid-Köthen ISO 5269-2). Dodali smo 5 % in 10 % mikrokapsul. Za nanos na papir je bil uporabljen labo- ratorijski premazovalnik s palico (K Con- trol Coater, RK PrintCoat Instruments Ltd.). Nanos je bil dosežen v obsegu od 2 do 30 g/m 2 . Mehansko aktivacijo mikrokapsul smo iz- vedli z uporabo testa s potegom uteži, ki je predstavljen na sliki 3. Uporabili smo 3 kg ali 5 kg uteži in jih trikrat potegnili v enaki smeri potega. RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2019 | 22 | XLVII | november 2019 | 22 | XLVII Ovrednotenje funkcionalizacije papirja Morfologijo mikrokapsul in premazanih papirjev pred in po aktivaciji smo pro- učevali pod svetlobnim mikroskopom (LTM) in vrstičnim elektronskim mi- kroskopom (SEM). Odišavljenost papirja in trajnost izdelka smo preverjali po mehanski aktivaciji v različnih časovnih obdobjih, od pol ure do 10 let. Protimi- krobno učinkovitost smo ovrednotili po modificirani metodi na agarnih ploš- čah v petrijevkah, na testnih organiz- mih Escherichia coli in Saccharomyces cerevisiae, v nepremazanih papirnih matricah in v papirjih premazanih s formulacijami mikrokapsul z eteričnim oljem [5]. REZULTATI Z RAZPRAVO S kompleksno koacervacijo želatine in gumi arabike smo uspešno izdelali mikrokapsule eteričnega olja v dveh iz- vedbah – zamrežene z glutaraldehidom in utrjene s kostanjevim taninom, v ve- likosti 50 do 150 μm (slika 4). Ovojnice so iz naravnega materiala, prozorne in elastične, podobne celicam; ob stiku in sušenju se kroglaste oblike prilagodijo. Ovojnice zamrežene z glutaraldehidom so trdnejše; ovojnice utrjene s taninom ohranjajo veliko elastičnost. Mikro- kapsule obeh tipov dobro prenesejo sušenje na zraku in so odporne v va- kuumu, ki je potreben za SEM posnetke (slika 4). Po postopku in situ polimerizacije smo uspešno izdelali mikrokapsule z eterič- nimi olji sivke citronele, žajblja, evkalip- tusa, čajevca in rožmarina. Po končani sintezi so v obliki 30–35 % belih vodnih suspenzij primerne za neposredno indu- strijsko premazovanje na papir. Mikro- kapsule so lepih sferičnih oblik z značil- no gladko površino in velikosti 1–10 μm, kot je razvidno s slike 5. Mikrokapsule smo uspešno vgradili v papirno snov (slika 6) in jih s površin- skim klejenjem/premazovanjem nanesli na papir (Slika 7). Slika 5:Mikrokapsule z eteričnimi olji, izdelane po postopku in situ polimerizacije. Figure 5: Microcapsules with essential oils produced by in situ polymerisation a) osušene neaktivirane mikrokapsule (SEM, 500x) b) po mehanski aktivaciji – vidna notranjost mikrokapsule (SEM 10.000x) Slika 3: Mehanska aktivacija mikrokapsul s potegom uteži Figure 3: Mechanical activation of microcapsules with weight pulling test Slika 4: Mikrokapsule z eteričnim oljem citronela, izdelane po postopku kompleksne koacervacije želatine in gumi arabike Figure 4: Microcapsules with the essential oil of citronella produced by complex coacervation of gelatine and gum arabic a) zamrežene z glutaraldehidom, v vodni suspenziji, LTM, 100x b) zamrežene z glutaraldehidom, suhe, SEM, 100x c) utrjene s taninom, v vodni suspenziji, LTM, 100x d) utrjene s taninom, suhe, SEM, 200x Testiranje odišavljenga papirja z eterič- nim oljem sivke je pokazalo, da se še po desetih letih pod pritiskom iz mikro- kapsul sprosti eterično olje s svojo zna- čilno aromo. Testi antimikrobnosti so potrdili anti- mikrobno delovanje eteričnega olja ci- tronele po mehanski aktivaciji na papir- ju na testirane mikroorganizme E. coli in S. cerevisiae. Pri papirjih z nanosom 30 g/m 2 mikrokapsul s citronela oljem po 24 urah inkubacije ni bilo opaziti no- bene rasti testnih mikroorganizmov. 4 ZAKLJUČKI Mikrokapsuliranje eteričnih olj je bilo uspešno po obeh postopkih – s komple- ksno koacervacijo želatine in gumi ara- bike in z in situ polimerizacijo amino- aldehidnih smol. Izdelane koacervatne mikrokapsule so večje (50 do 150 μm), ovojnice so iz naravnega materiala, elastične, delno prepustne, ob stiku tvorijo strukture, podobne celicam v a) papir pred aktivacijo (SEM, 500x) Slika 6: ISP mikrokapsule z eteričnim oljem, vgrajene v papirno snov Figure 6: ISP microcapsules with essential oil incorporated into the paper pulp a) prerez papirja z vgrajenimi mikrokapsulami (SEM, 1500x) b) mikrokapsule med papirnimi vlakni (SEM, 4000x) tkivu. Mikrokapsule po in situ postopku z aminoaldehidno ovojnico so bistveno manjše (1 do 10 μm), ovojnice so trdne, obstojne in neelastične, kroglasto obli- ko ohranjajo tudi ob dotiku in med su- šenjem. Mikrokapsule obeh tipov dobro prenesejo sušenje na zraku in so odpor- ne v vakuumu, ki je potreben za SEM posnetke. Koacervatne mikrokapsule so primernejše za aplikacije, kjer so zaželeni povsem naravni materiali in postopno sproščanje eteričnega olja. In situ mikrokapsule so idealne za izdelke, kjer je s tehnološkega vidika potrebno doseganje dimenzij pod 10 μm, ter za izdelke, kjer je predvideno dolgotrajno shranjevanje eteričnega olja in načr- tna sprostitev z mehansko aktivacijo ob uporabi izdelka. Nanašanje mikrokapsul na papir se je izkazalo tehnološko primernejše in bolj smiselno kot vključevanje mikrokapsul v papirno snov. Stopnja protimikrobne učinkovitosti je odvisna predvsem od izbranega eterič- Slika 7: Površinski nanos ISP mikrokapsul z eteričnim oljem na papirju, nanos 2 g/m 2 Figure 7: Paper coating with ISP microcapsules with essential oil (2 g/m 2 ) b) papir po mehanski aktivaciji (SEM, 1000x) nega olja in količine nanosa na papir. Z večjimi nanosi (>20–30 g/m 2 ) je možno doseganje visoke stopnje protimikrob- nosti za bakterije in kvasovke. Z uporabo tehnologij mikrokapsuliranja lahko dodamo papirju kot osnovnemu nosilcu različne funkcionalne lastnosti. Mikrokapsule občutljive na pritisk omo- gočajo kontrolirano sproščanje eterič- nega olja in časovno/ciljno usmerjeno delovanje. S tem spremenijo papir v atraktiven produkt s posebnimi lastnost- mi – efektom odišavljenosti, aromate- rapije, ali pa zaščite proti mikroorganiz- mom. Razvite mikrokapsulirane oblike eteričnih olj so namenjene uporabi v različnih izdelkih, zlasti pa kot funkcio- nalni dodatek za papirno in kartonsko embalažo. Izbrana »esenca« oz. vonj lahko potencialno predstavlja zaščitni znak inovativnih produktov. Z izborom koacervacijske tehnologije mikrokapsuli- ranja se lahko končen produkt deklarira tudi kot popolnoma naraven in človeku/ okolju prijazen. Zahvala. Del raziskave je bil izveden v okviru ra- zvojno-raziskovalnega programa CEL. KROG: »Izkoriščanje potenciala biomase za razvoj naprednih materialov in bio- -osnovanih produktov« (številka pogod- be: OP20.00365), sofinancirano s strani Republike Slovenije, Ministrstvo za izo- braževanje, znanost in šport in Evrop- ske Unije, Evropski sklad za regionalni razvoj, 2016–2020. Literatura 1. DEASY P . B. Microencapsulation and related drug processes. New York; Basel: M. Dekker, 1984, 361 str. 2. ARSHADY R. in BOH B. Microcapsule pat- ents and products. London: Citus book, 2003, 320str. 3. GREEN B. K. in SCHLEICHER. L. Oil-contain- ing microscopic capsules and method of mak- ing them. US 2800457, 1957, NCR. 4. BOH B. Microencapsulation technology ap- plications : with special reference to biotech- nology : developing support for introducing knowledge intensive technologies. V: KORN- HAUSER, Aleksandra (ur.), DASILVA, Edgar (ur.). The integrating triangle : research - edu- cation - development : a challenge for higher education. Ljubljana: International Centre for Chemical Studies: Slovenian National Commis- ion for Unesco, 1996, str. 51-76. 5. PONCELET D., BOH B. Microcapsules deliv- er. Chem Ind-London, 2008, št. 2, str. 23-25. 6. ŠUMIGA, B.; ŠUMIGA, B.; RAVNJAK, D.; BOH PODGORNIK, B. Antimicrobial Paper Coatings Containing Microencapsulated Cym- bopogon citratus Oil. Coatings 2019, 9, 470 1 Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Aškerčeva 12, Ljubljana, 2 Inštitut za celulozo in papir, Bogišićeva 8, Ljubljana