Development of encapsulation methods for biostimulants

Abstract

Stets steigende Sorgen um die Umwelt und Gesundheit haben dazu geführt, dass die Verwendung weniger synthetischer Wirkstoffe (Pestizide) berücksichtigt bzw. durch Biostimulanzien und biologische Kontrollmittel, die als Alternative zu oder in Kombination mit chemischen Wirkstoffen eingesetzt werden. Damit diese Wirkstoffe ihre Anwendung auf den Feldern finden, ist es jedoch sehr wichtig, dass sie in stabilen Matrizen verpackt oder verkapselt werden.Die Koazervation wurde zwischen verschiedenen Polymerstoffen wie Polysacchariden, Alginat, Guargummi und Chitosan sowie Proteinen, Fischgelatine, Molkenprotein und Sojaprotein zur Verkapselung von ätherischen Ölen, Mikroben und anderen Wirkstoffen in Abhängigkeit vom pH-Wert und im 1:1 Verhältnis untersucht. Die Koazervation zwischen positiv geladenem 3 %-igen Chitosan (pH 4 und pH 5,09) und negativ geladenem 5 %- (pH 6 und pH 6,85) bzw. 10 %-igen (pH 7,19) Sojaprotein erwies sich als die beste Kombination der getesteten Polymere sowie für die Kapselbildung.Die Verkapselung vom Öl im Alginat wurde durch Extrusion mit einem konzentrischen Düsensystem unter Verwendung des sog. Büchi Encapsulator durchgeführt. Dabei wurde untersucht, ob und wie verschiedene Extrusionsparameter wie Frequenz, Druck, Elektrodenspannung und Durchflussrate, sowie die Trocknungsmethoden und CaCl2-Aushärtungsbad inklusive Rührzeit, Konzentration, Tenside und Amino-Vernetzer die Morphologie und Verkapselungseffizienz der Kapsel beeinflussen. Die Größe der reinen Alginat-Kapseln schrumpfte mit zunehmender Frequenz. Die Zugabe von Xanthan Gummi und Reisstärke zu Alginat-Kapseln trug zu einer geringeren Reduktion der Kapselgröße während des Trocknens bei, während Stärke zur Rundheit der Kapsel einen Beitrag leistete. Eine Erhöhung der Verkapselungseffizienz wurde durch Zugabe von Xanthan Gummi und Reisstärke, Erhöhung der CaCl2 Konzentration sowie durch Zugabe von Tensiden und Amino-Vernetzern. Gramnegative Bakterien des Pseudomonas putida-Stammes DSM 6125 wurden durch einfache Extrusion in drei verschiedenen Alginats Matrizen mit Reisstärke, Milchpulver und Molkenprotein unter Verwendung eines Büchi-Encapsulator mit normaler Düse verkapselt. Dazu wurde die Quellfähigkeit im Wasser und die Lebensfähigkeit über 90 Tage der verkapselten Bakterien untersucht. Der Pseudomonas putida-Stamm DSM 6125, verkapselt in Alginat/Reisstärke/Milchpulver und Alginat/Reisstärke/Molkeprotein, zeigte die höchste Lebensfähigkeit der Mikroben während 90-tägiger Lagerung.Ätherische Öle, Thymian- und Pfefferminzöl, sowie Rhamnolipid wurden durch einfache Extrusion unter Verwendung eines Büchi-Encapsulator mit einer normalen Düse in Alginat-Kügelchen verkapselt. Die antimykotische Wirkung gegen den Pflanzenpathogen Phytophthora infestans 20 Tage lang bei 18°C untersucht. Alle getesteten Konzentrationen, 0,57 mg/mL ätherische Öle, 1,47 mg/mL Pfefferminzöl sowie 2,85 mg/mL und 7,14 mg/mL Rhamnolipid zeigten eine antimykotische Aktivität, während das Wachstum von Phytophthora infestans Mycel nur auf Platten ohne aktive Substanz beobachtet werden konnte.

Increasing concern for the environment and human health has resulted in the consideration of less and less use of synthetic agents (pesticides) and their replacement by bio-stimulants and biological control agents, which would be used alternatively to or in combination with chemical agents. In order for these active substances to be used in the field, however, it is very important that these active ingredients are packaged or encapsulated in stable matrices. The coacervation between various polymeric materials like polysaccharides, alginates, guar gum, and chitosan, and proteins, fish gelatin, whey protein and soy protein, for encapsulation of essential oils, microbes, and other active ingredients as a function of pH and in 1:1 ratio was investigated. Coacervation between positively charged 3 % chitosan (pH 4 and pH 5.09) and negatively charged 5 % (pH 6 and pH 6.85) and 10 % (pH 7.19) soy protein proved to be the best combination of tested polymers as well as for capsule formation.The encapsulation of oil in alginate was performed by extrusion with a concentric nozzle system using Büchi Encapsulator, where it was investigated if and how the extrusion parameters, such as frequency, pressure, electrode voltage, and flow rate, drying methods, as well as CaCl2 hardening bath including, agitation time, concentration, surfactants and amino-cross-linkers affect the morphology and encapsulation efficiency of the capsule. The change in frequency showed an effect on capsule size, where the size of pure alginate capsules decreased as the frequency increased. The addition of xanthan gum and rice starch to alginate capsules contributed to a smaller reduction in capsule size during drying, while starch also contributed to the capsule's roundness. An increase in encapsulation efficiency has been achieved by addition of xanthan gum and rice starch, by increasing the CaCl2 concentration as well as surfactants and amino-cross-linkers.Gram-negative bacteria Pseudomonas putida strain DSM 6125 was encapsulated by simple extrusion in three different alginate matrices, with rice starch, milk powder and whey protein, using a Büchi Encapsulator with a normal nozzle and their swellability in water and viability over 90 days were studied. Pseudomonas putida strain DSM 6125 encapsulated in alginate/rice starch/milk powder and alginate/rice starch/whey protein showed the highest viability of the microbes during 90 days of storage.Thyme and peppermint essential oils, as well as rhamnolipid, were encapsulated in alginate beads by simple extrusion using a Büchi Encapsulator with a normal nozzle. Their antifungal activity against plant pathogen Phytophthora infestans was examined for 20 days at 18°C. All tested concentrations, 0.57 mg/mL of essential oils, 1.47 mg/mL of peppermint oil as well as 2.85 mg/mL and 7.14 mg/mL of rhamnolipid showed antifungal activity, while the growth of Phytophthora infestans mycelium was observed only on plates without active substance.