微膠囊加工技術(shù)分析

1、微膠囊加工技術(shù)及其在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,基本概念微膠囊的功能微囊化原理、方法微膠囊技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,一、基本概念,1.微膠囊（MCS,microcapsule）的概念：是指利用天然或合成的高分子材料，將分散的固體、液體或氣體物質(zhì)包裹起來，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子。其直徑一般在1～1000um范圍，小于1um的稱納米微膠囊，大于1000um的一般稱為大膠囊或微粒。制備微膠囊的過程稱為微膠囊化。2.微膠囊的形態(tài)：與

2、囊內(nèi)容物有關(guān)，含液體或氣體的MCS一般為球形，含固體粒子的形狀與與囊內(nèi)固體形狀接近。有粒狀、塊狀、針狀、腎形、不規(guī)則形等,一、基本概念,3.微膠囊的結(jié)構(gòu)：一般將被包埋的物質(zhì)稱為心材或囊心，包埋心材實(shí)現(xiàn)微囊膠化的物質(zhì)稱為壁材或囊壁。結(jié)構(gòu)有多種：,單核微膠囊：連續(xù)的心材被連續(xù)的壁材包埋。,多核微膠囊：心材被分隔成若干部分，嵌在壁材的連續(xù)相中。,雙壁（或多膜）微膠囊：連續(xù)的心材被雙層或多層連續(xù)的壁材環(huán)繞。,復(fù)合微膠囊：連續(xù)的壁材包裹多個(gè)微膠囊

3、。,芯材：可為油溶性、水溶性化合物或混合物,其狀態(tài)可為粉末、固體、液體或氣體?？砂椅锏钠贩N極其繁多,如交聯(lián)劑、催化劑、化學(xué)反應(yīng)劑、顯色劑、給濕劑、藥物、殺蟲劑、礦物油、水溶液、染料、顏料、洗滌劑、食品、液晶、溶劑、氣體、疏水化合物及無機(jī)膠體等。壁材：可用作微膠囊包囊材料的有天然高分子、合成和半合成高分子材料,視所包囊物質(zhì)(囊心物)的性質(zhì)而定。 即包囊材料應(yīng)不與囊心物反應(yīng),不與囊心物混溶。高分子包囊材料本身的性能也是選擇包囊材料所要考

4、慮的因素,如滲透性、穩(wěn)定性、溶解性、可聚合性、粘度、電性能、吸濕性及成膜性等。,4.微膠囊的命名：主要有3種方法“心材名稱” + “微膠囊”，如維生素E微膠囊?！氨诓拿Q（或其縮寫）” + “微膠囊”，如明膠微膠囊，適于對(duì)壁材比心材了解更多的情況?！靶牟拿Q”+“壁材名稱（或其縮寫）”+“微膠囊”，如維生素E-明膠微膠囊，,微膠囊技術(shù)中常用壁材種類,二、微膠囊的功能,1. 改善物質(zhì)的理化性質(zhì)，如溶解性（疏水、親水）、密度、顏色、外

5、觀等，及使氣、液固態(tài)化。2. 保護(hù)心材，提高物質(zhì)的穩(wěn)定性(易氧化，易見光分解，易受溫度或水分影響的物質(zhì))3. 屏蔽氣味或味道掩味4. 控制釋放 隔離不相容的成分（如同一食品中不同添加劑、營養(yǎng)強(qiáng)化劑降低某些藥物對(duì)健康的損害。如阿司匹林，可通過控制其在消化道的釋放速度，減輕胃的疼痛。還可利用該方法制造靶制劑，到達(dá)定向釋放的效果,其控制釋放的類型：可基于一種或幾種機(jī)制，概括起來可分為兩類：緩慢釋放和瞬間釋放。1） 緩釋MCS：其

6、壁材大多具有半透性，心材可通過溶解、滲透、擴(kuò)散、生物降解等過程，不斷緩慢的透過壁膜而釋放到環(huán)境中。2） 瞬間釋放（爆釋）：通過各種物理、化學(xué)或生化（酶反應(yīng)）等方法使囊壁破裂，使心材迅速釋放到環(huán)境中。壓敏型MCS：如壓敏復(fù)寫紙熱敏型：如烘烤到最后使甜味劑釋放可避免形成焦糖物質(zhì)pH敏感性：如腸溶型MCS在胃酸性環(huán)境中幾乎不釋放膨脹型：壁材為高氣密性物質(zhì)，心材為易揮發(fā)低沸物，當(dāng)溫度升到高于其沸點(diǎn)而蒸發(fā)使其膨脹。其它……,三、微膠囊

7、化原理（微膠囊的制備方法）,——根據(jù)涂層的方法分：化學(xué)法、物理化學(xué)法、物理與機(jī)械法,（一） 化學(xué)法：是建立在化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)之上的微膠囊制備技術(shù)。主要利用單體小分子發(fā)生聚合反應(yīng)生成高分子成膜材料并將芯材包覆。主要有界面聚合法和原位聚合法。,1. 界面聚合法：一般采用縮聚反應(yīng)。特點(diǎn)為：兩種含有雙（多）官能團(tuán)的單體，分別溶解在不相混容的兩種液體中，縮聚反應(yīng)在兩相界面上進(jìn)行。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,1. 界面聚合法：,1） 基本過

8、程：,在反應(yīng)前，先將兩種單體分別溶于水相或有機(jī)溶劑相（或稱油相）；然后根據(jù)心材的溶解性選擇水相與有機(jī)相的相對(duì)比例，數(shù)量較少的作為分散相，較多的作為連續(xù)相，囊心溶解在分散相中。把兩種不相混容的液體混入乳化劑后混合以形成水包油或油包水型乳液，即水溶性囊心形成油包水型乳液，而油溶性囊心形成水包油型乳液。兩種聚合反應(yīng)的單體分別從兩相內(nèi)部向乳化液滴的界面移動(dòng)，并迅速在相界面處發(fā)生反應(yīng)生成聚合物，將囊心包覆形成微膠囊。,有時(shí)需加入催化劑,三、微

9、膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,1. 界面聚合法：,2） 微膠囊大小的控制：決定于乳化液滴的大小，為得到微小的微膠囊顆粒，必須在反應(yīng)前加入適量乳化劑，并充分進(jìn)行機(jī)械攪拌。,3） 囊壁厚度的控制：可通過控制單體的濃度和接觸的時(shí)間決定。,2. 原位聚合法：該方法要求單體和催化劑全部位于囊心的內(nèi)部或外部，且單體在單一相是可溶的，而聚合物在整個(gè)體系是不可容的。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,2. 原位聚合法：,1） 單體位置：,當(dāng)心材為

10、固體時(shí)，單體和催化劑位于心材外部的介質(zhì)（連續(xù)相）中。當(dāng)心材為液滴時(shí)，單體和催化劑位于液滴中或連續(xù)相介質(zhì)中均可。聚合反應(yīng)開始時(shí)產(chǎn)生相對(duì)較低的預(yù)聚體，隨聚合、交聯(lián)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，預(yù)聚體的尺寸逐漸增大，沉積在心材物質(zhì)表面，最終形成膠囊外殼。當(dāng)單體位于心材液滴中時(shí)，在乳化劑作用下心材液滴均勻分散于連續(xù)相，隨反應(yīng)進(jìn)行，聚合物溶解度逐漸降低被推向心材表面，直至單體耗盡。,,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,2. 原位聚合法：,1） 單體位

11、置：,當(dāng)單體位于連續(xù)相介質(zhì)時(shí)，為保證聚合反應(yīng)發(fā)生在囊心周圍，可巧妙地將催化劑包覆在囊心表面；或在溶劑中加入單體或催化劑的非溶劑，使其溶解度降低而聚集在囊心表面。,2） 原位聚合法的主要反應(yīng)類型均聚反應(yīng)：由一種單體加成聚合。共聚反應(yīng)：由兩種以上單體加成聚合?？s聚反應(yīng)：一般由一種多官能團(tuán)單體或其低聚物自身縮合而成。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,3. 銳孔-凝固浴法：,該方法不是以單體為原料通過聚合反應(yīng)生成膜材料，而一般是以可

12、溶性高聚物為原料包覆囊心，再使其在凝固浴中固化成囊壁。該固化過程一般是化學(xué)反應(yīng)（也可是物理過程）。,1） 基本過程—— 一般由以下3各階段組成形成液滴。聚合物交聯(lián)：囊膜表面聚合物通過交聯(lián)形成共價(jià)鍵，而使液滴逐漸固化。產(chǎn)品回收：可通過浮選、過濾、離心等。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,3. 銳孔-凝固浴法：,2） 銳孔裝置的基本類型,雙層銳孔型：由一根同軸的內(nèi)外管組成。囊心液體由內(nèi)管流下，壁材從外管流下，并在管的下端使囊心

13、被壁材包覆而一起落下?？赏ㄟ^改變內(nèi)外管的孔徑大小控制心材和壁材的比例。,同軸雙銳孔的改進(jìn)型：不同于②之處在于內(nèi)管末端在外管內(nèi)部，心材液滴下落一段時(shí)間后撞擊到外管末端的壁材液面上而被包覆。,單銳孔型：由一根可裝滿液體的管子和細(xì)口噴嘴組成。囊心在成膜材料中充分液化分散，在擠壓和重力作用下，由噴嘴逐滴下落，形成的球形液滴進(jìn)入凝固浴后很快固化。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（二） 物理化學(xué)法： 是通過改變條件(溫度

14、、ｐＨ值、加入電解質(zhì)等)使溶解狀態(tài)的成膜材料從溶液中聚沉出來并將芯材包覆形成微膠囊。 主要有水相分離法、油相分離法、復(fù)相乳液法。,1. 水相分離法 該方法是目前對(duì)油溶性固體或液體進(jìn)行微膠囊化的一種常用方法。是以水為介質(zhì)，形成微膠囊的壁材的起始原料為水溶性聚合物，通過凝聚從水溶液中分離出來，形成囊殼的過程。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（二） 物理化學(xué)法：,1. 水相分離法,1）基本過程,

15、三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（二） 物理化學(xué)法：,1. 水相分離法,2）具體方法：可分為單凝聚法和復(fù)凝聚法,① 單凝聚法：在溶有單一的高分子包囊材料的水溶液中，加入油溶性囊心，使之分散，再加入強(qiáng)親水性電解質(zhì)（如硫酸鈉、硫酸銨等）或非電解質(zhì)（如乙醇、丙酮等）凝聚劑，使水與其結(jié)合，導(dǎo)致高分子包囊材料溶解度降低凝聚出來，形成微膠囊。,注：若選擇適當(dāng)?shù)臏囟?、pH值、鹽或溶劑等條件，任何聚合物的水溶液都能發(fā)生單凝聚。 若凝聚劑使用醇，

16、則要求囊心既不溶于水，也不溶于醇,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（二） 物理化學(xué)法：,1. 水相分離法,②復(fù)凝聚法：是利用兩種帶相反電荷的高分子包囊材料相互交聯(lián)，使包囊材料溶解度降低從溶液中凝聚析出，形成微膠囊。最常用的材料為明膠與阿拉伯樹膠,明膠的性質(zhì)：—— 一種水溶性蛋白根據(jù)制法不同，其等電點(diǎn)范圍在4.8～9.0之間，當(dāng)pH值高于其等電點(diǎn)帶負(fù)電，反之帶正電。40℃以上可任意溶解于水；＞1%的濃度，常溫可形成粘稠溶膠， 3

17、0℃轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)性好的溶膠，遇冷可變?yōu)槟z。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,②復(fù)凝聚法：,阿拉伯樹膠的性質(zhì)：—— 多種單糖的縮聚物 PH值＞3時(shí)，在水中都帶負(fù)電荷，易溶于水,當(dāng)PH值在明膠等電點(diǎn)以上時(shí)，將其與阿拉伯樹膠溶液混合，由于二者都帶負(fù)電，所以不發(fā)生凝聚。當(dāng)把溶液PH值調(diào)到明膠等電點(diǎn)以下（一般4.0～4.5）時(shí)，明膠離子帶正電荷，二者發(fā)生電性中和相互吸引而發(fā)生凝聚，并對(duì)溶液中分散的囊心進(jìn)行包覆形成微膠囊。,（二） 物理

18、化學(xué)法：,1. 水相分離法,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,與水相分離法相對(duì)，水溶性固體或液體心材不能以水作為分散介質(zhì)，只能用有機(jī)溶劑將其分散，再用油溶性壁材進(jìn)行包覆形成微膠囊。,1）基本過程 與前者相似，一般包括：將心材分散在聚合物（壁材）的有機(jī)溶劑溶液中；通過加入沉淀劑或冷卻的方法，使聚合物壁材凝聚在分散的囊心顆粒周圍。(該法一般不需進(jìn)行固化),（二） 物理化學(xué)法：,2. 油相分離法,2）具體方法有：①加入壁材的非溶

19、劑、 ②加入高分子聚合物、 ③改變溫度等的油相分離法,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,①加入壁材非溶劑的油相分離法,將心材溶液在壁材（親油性聚合物）的非極性溶液中乳化分散。（心材一般為可凝膠的憎油性聚合物，分散后可形成凝膠液滴）向親油性聚合物的溶液中加入壁材聚合物的非溶劑，（原則為：非溶劑與介質(zhì)可以互溶，但對(duì)壁材聚合物是不溶的）使親油性聚合物的壁材在心材凝膠液滴上沉淀形成微膠囊。,注：將心材分散到壁材的有機(jī)溶劑中，已分散的細(xì)小顆

20、粒有時(shí)會(huì)再次結(jié)合形成較大的顆粒而使MCS粒子較大。解決：可在體系中加入表面活性劑以保持乳液的分散與穩(wěn)定。也可通過降低溫度或加入一些惰性物質(zhì)（如硅石粉等）吸附在分散粒子表面，以減少顆粒間的相互結(jié)合。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,②加入高分子聚合物的油相分離法： 過程與①法相似，是通過加入另一種聚合物引發(fā)相分離,③改變溫度的油相分離法： 該工藝僅使用一種聚合物成膜材料，溶解在介質(zhì)中，不使用相分離引發(fā)劑。當(dāng)溶液冷卻至某

21、一溫度時(shí)，成膜壁材會(huì)沉淀在分散的囊心微粒上。,3）油相分離法的缺點(diǎn),難以從壁膜中除去溶劑與非溶劑有機(jī)溶劑耗費(fèi)量大，價(jià)格昂貴有機(jī)溶劑還存在一定毒性與環(huán)境污染等問題,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,可分為水浴干燥法和油相干燥法。,1）基本工藝過程——以水浴干燥法為例：,（二） 物理化學(xué)法：,3. 復(fù)相乳液法（干燥浴法）,適用于以水溶液或水分散液為囊心制備微膠囊,選擇一種與水不相混溶的沸點(diǎn)比水低的易揮發(fā)有機(jī)溶劑，將壁材聚合物溶在其中

22、；通過攪拌、加表面活性劑等手段，將囊心水溶液分散到上述溶液中，形成W/O型乳液；另單獨(dú)制備一種含有保護(hù)性膠體作穩(wěn)定劑的水溶液作為微膠囊化的介質(zhì)溶液；在攪拌作用下，將W/O型乳液加到介質(zhì)溶液中并分散形成（W/O)/W復(fù)相乳液。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,可分為水浴干燥法和油相干燥法。,1）基本工藝過程——以水浴干燥法為例：,（二） 物理化學(xué)法：,3. 復(fù)相乳液法（干燥浴法）,適用于以水溶液或水分散液為囊心制備微膠囊,通過

23、加熱、減壓、溶劑萃取等方法，使壁材溶液中的有機(jī)溶劑排除，溶液濃縮，以致壁材從溶液中析出，包覆在囊心周圍并固化，形成微膠囊。,油相干燥法：與水浴干燥法相對(duì)，是以豆油等作為分散介質(zhì)，使O/W型乳液分散到其中，再用加熱等方法除去溶劑水，使水溶性壁材凝聚將囊心包覆形成微膠囊。,2）復(fù)相乳液法的缺點(diǎn)：需將壁材溶劑從溶液中除去，且耗時(shí)較長，不易控制，產(chǎn)量低。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（三） 物理與機(jī)械法： 是利用物理

24、和機(jī)械原理的方法制備微膠囊,主要有空氣懸浮成膜法、噴霧干燥法等。,1. 噴霧干燥法 噴霧干燥一般指將溶液、乳液、懸浮液或漿狀物以液滴狀態(tài)噴入熱空氣中，當(dāng)溶劑（水分）蒸發(fā)后，分散在液滴中的固體即被干燥，形成球形的粉末。主要用于奶粉、速溶咖啡等的生產(chǎn)。,噴霧干燥微膠囊化的基本過程：制備載體或成膜材料的濃溶液，即將囊壁材料溶解于溶劑中；將被包覆的心材分散在壁材溶液中；噴霧干燥、收集。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法

25、）,（三） 物理與機(jī)械法： 是利用物理和機(jī)械原理的方法制備微膠囊,主要有空氣懸浮成膜法、噴霧干燥法等。,1. 噴霧干燥法,注：噴霧前初始溶液組成的分散體系可分為3種：,水溶液型：即油溶性囊心或固體分散在水溶性壁材溶液中形成水包油型乳液或分散液。（此為多數(shù)）有機(jī)溶液型：即水溶性囊心分散在壁材的有機(jī)溶液中形成油包水型乳液囊漿型：用其它方法制成的濕微膠囊濃漿液。,在制備微膠囊時(shí)利用上述噴入熱空氣的方法也稱“狹義噴霧干燥法

26、”，有時(shí)也用噴霧冷卻和噴霧冷凍的方法實(shí)現(xiàn)微膠囊化。,三、微膠囊化原理（微膠囊的制備方法）,（三） 物理與機(jī)械法,2 .空氣懸浮成膜法,該法是最老的MCS化方法之一。主要針對(duì)固體微粒和吸附了液體的多孔微粒。,應(yīng)用流化床將囊心固體粉末懸浮在空氣中；再用壁材溶液以噴霧形式加到流化床上，在懸浮滾動(dòng)的狀態(tài)下，逐漸對(duì)囊心進(jìn)行包覆、干燥而制得,1）基本工藝過程,注：采用一步涂布過程較為迅速，但所得MCS囊壁有厚度不均，對(duì)控制釋放有影響；

27、 采用循環(huán)步驟進(jìn)行涂布，可降低囊壁缺陷，但較費(fèi)時(shí)間。,具體工藝可分為：頂噴、側(cè)噴和底噴裝置。,四、微膠囊技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,（一） 粉末酒類：,粉末酒類具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小，便于攜帶、運(yùn)輸、貯存，適用于旅行、郊游，飲用前臨時(shí)加水即可。提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，減少香味成分揮發(fā)。可開發(fā)不同種類的酒類新產(chǎn)品，如滋補(bǔ)酒、保健酒。適合對(duì)飲酒無嗜好，但在營養(yǎng)保健方面有特殊要求的群體。改善食品品質(zhì)。如：酒心巧克力，可提高含酒量達(dá)5%（液體酒僅

28、能含1%）添加在家畜飼料中，可促進(jìn)食欲，加快生長將啤酒酒基MCS化后與奶粉、發(fā)泡劑碳酸氫鈉按一定比例混合后干燥包裝，可制得啤酒奶粉。,（二） 粉末油脂： 傳統(tǒng)油脂特點(diǎn)：遇空氣容易氧化變質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量及貨架期；且難以在食品中混合均勻；生產(chǎn)用具、加工機(jī)械難以清洗。,微膠囊化的粉末油脂具有如下特點(diǎn)：穩(wěn)定性高：可防止氧化、不易酸敗。使用方便：能以任何比例與其他物料混合，且方便稱量。良好的水溶性：因以水溶性壁材包埋，易分

29、散在水中，不會(huì)浮在水溶液上面?？蛇M(jìn)行營養(yǎng)強(qiáng)化：可科學(xué)的將油脂與其它生物活性物質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、藥物等有效匹配，還可強(qiáng)化DHA、EPA等特定成分可選用壁材種類很多：羧甲基纖維素鈉、明膠、卡拉膠、阿拉伯膠、酪蛋白、植物蛋白、麥芽糊精、淀粉、玉米糖漿、乳糖多種用途：可廣泛應(yīng)用于不同人群適用的乳制品、嬰兒食品、糕點(diǎn)、冷飲、糖果、巧克力、肉制品、速凍水餃、包子等。,四、微膠囊技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,（三） 微膠囊化飲料：,1）果味奶粉：

30、 果汁中含有有機(jī)酸、單寧等成分，會(huì)使奶粉蛋白質(zhì)變性。若先將其微膠囊化，可避免其與蛋白質(zhì)接觸引起結(jié)塊等現(xiàn)象，從而影響沖調(diào)性。,四、微膠囊技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,2）可樂奶粉： 將可樂飲料中的香精、磷酸等先進(jìn)行包埋，再與奶粉混合，可避免其揮發(fā)、結(jié)塊，不影響沖調(diào)性，使其泡沫豐富、細(xì)膩、持久,3）茶葉加香： 傳統(tǒng)茶葉加香一般將香料溶于惰性可食性溶液中，然后噴霧于茶葉上；或?qū)⒉枞~與香料的固體混合。但前者茶葉表面香料易