1.2微胶囊技术

食品高新技术第一章食品微粒化分散化技术第二节微胶囊技术1第二节微胶囊技术一．概述二．基本概念三．物理法微胶囊造粒四．物化法微胶囊造粒五．化学法微胶囊造粒六．微胶囊技术的在食品中应用举例2一、概述•微胶囊含意:一种具有聚合物壁壳的微型容器或包装品.•什么是微胶囊造粒技术:将固体,液体或气体物质包埋,封存在一种微型胶囊内成为一种固体微粒产品的技术.3概述•微胶囊的历史：–胶囊化:源于十九世纪,–微胶囊化:源于上世纪三十年代,–微胶囊化的突破:50-70年代•微胶囊的应用领域：制药,食品,饲料,精细化工,照相器材,机械制造业等.4概述•食品工业中应用微胶囊的目的–最大限度地保持原有的色香味、性能和生物活性–防止营养物的损失与破坏.–使不稳定的气体液体食品变成稳定的固体–掩盖食品自身的异味5二、基本概念1.微胶囊粒子的形态2.微胶囊粒子的材料3.微胶囊造粒的基本步骤4.微胶囊造粒方法分类5.微胶囊的释放6.微胶囊产品的质量评定61.微胶囊粒子的形态尺度:一般5~200μ有些0.5~1000μ不宜过大过小：5μ布朗运动不易收集300μ表面静电作用减小形状:形,肾形,粒状,谷粒状,絮状,和块状结构囊壁厚度:0.2-10微米2.微胶囊粒子的材料•心材(囊心物质)•----微胶囊内部装载的物料•组成----固体,液体,气体(香精,香料等易挥发配料或添加物)固液,液液,固固,或气液混合体等•食品工业中心材举例(水溶性居多)•壁材(包囊物质)•----外部包囊的壁膜物料•组成---有机和无机,天然与合成的高分子材料•食品工业中壁材举例•壁材的选材原则8食品工业中心材举例(水溶性居多):•生物活活性物--氨基酸，维生素，矿物元素•食用油脂•酒类•酶和微生物细胞•甜味剂,酸味剂,防腐剂•香精香油•色素9食品工业中壁材举例•植物胶---阿拉伯胶,琼脂,藻酸盐,瓜儿胶,罗望子胶和卡拉胶等•多糖---黄原胶,阿拉伯聚半乳糖,•淀粉---玉米,马玲薯交联改性接枝共聚•纤维素----羧甲基羧乙基乙基二醋酸丁基醋酸硝酸等•蛋白质----明胶酪蛋白玉米蛋白大豆蛋白•聚合物----聚乙烯醇,聚氯乙烯•蜡与类脂物----石蜡蜂蜡硬脂酸和甘油酸脂等10壁材的选材原则能与心材配伍但不发生化学反应,满足安全卫生要求,有适当的渗透性、吸湿性、溶解性和稳定性等。113.微胶囊造粒的基本步骤将心材分散于微胶囊化的介质中将壁材放入该分散体系中将壁材聚集,沉渍或包在心材的周围进行化学或物理方法处理(获得一定的机械强度)4.微胶囊造粒方法分类•物理方法喷雾干燥喷雾凝冻空气悬浮真空蒸发沉积静电结合多孔离心•物理化学方法水相分离油相分离囊心交换挤压锐孔粉末床熔化分散复相乳液•化学方法界面聚合原位聚合分子包囊辐射包囊135.微胶囊的释放•微胶囊释放的时间立即延时•微胶囊释放的机理与方法•微胶囊释放的模型14微胶囊释放的机理与方法•机理–通过囊壁膜扩散释放–囊膜破裂释放出心材–囊膜降解而释放出心材•方法–机械方法(加压破碎摩擦)–加热燃烧熔化–电磁–用酶、溶剂或水使壁材溶解15微胶囊释放的模型•零级模型•一级模型•时间平方根倒数模型微胶囊释放的零级模型024681005101520时间囊心物释放速度0kdtdMt17微胶囊释放的一级模型020406080100120050100150200时间囊心物释放速度tkMdtdMt10expttMMkdtdM01微胶囊释放的方根倒数模型0.00.51.01.52.02.53.03.5020406080100120时间囊心物释放速度tkdtdMt0196.微胶囊产品的质量评定•心材溶出速度–反映囊心物质释放速度的指标–测定方法：食品工业尚未建立标准，尚借助其它行业方法.因产品具体形式而定.如：对片剂药物中的微胶囊可有美国药典一九版中描述的转蓝式释放仪，国产片剂仪改进的烧杯法20微胶囊产品的质量评定•心材含量–测定方法也因产品不同而异，多用采用溶剂或水提取法进得测定。如：挥发性油类心材含量常用索氏提取法测定•微胶囊尺寸–胶囊大小可用显微镜进行测量，也可用别的粒度测定方法测定21三、物理法微胶囊造粒1.喷雾干燥法2.喷雾冻凝法3.空气悬浮法221.喷雾干燥法微胶囊造粒•原理•特点•初始液的类型•装置•应用举例23原理用喷雾干燥手段使心材壁材混合液成囊并固化喷雾干燥法微胶囊造粒混合液（初始液）心材（分散相）+壁材溶液（连续相）喷雾（小液滴）干燥（颗粒成品）24特点•优点：简单，易工业化流水作业，生产能力大，成本低（较广泛应用的一种技术）•缺点：包囊率低，心材可能在壁材外面，影响质量设备造介高、能耗大。喷雾干燥法微胶囊造粒25初始液的类型类型壁材相胶囊化否喷雾的作用水溶液型水溶液未成囊固化有机溶液型有机液未成囊固化囊浆型外层有粘性已成双壁微胶囊，固化喷雾干燥法微胶囊造粒装置实际上就是一套喷雾干燥器系统，由以下部分构成：1.初始溶液调制段调制缸,搅拌器2.溶液输送雾化段,泵,雾化器3.空气输送加热段,风机,过滤器加热器4.气液接触干燥段干燥室5.成品分离尾气净化段,集料器,粉尘回收器,除尘器喷雾干燥法微胶囊造粒27喷雾干燥系统一般构成示意初始化液调制缸进料泵雾化器干燥塔旋风分离器排风机进风机加热器28雾化器•形式——离心式、气流式(压力式不适用)•离心式雾化器——利用离心力将液体膜磨擦分裂作用–形式——圆盘式平滑式多叶式变形多叶式(形如离心泵的叶片特别适合于此)–影响雾滴因素——盘型,盘速（1万-5万r/min）,进液量,初始溶液浓度,粘度与表面张力29雾化器•气流式雾化器——利用高速气流使液膜磨擦分裂–高速气流:一般压缩空气也可用蒸汽–形式:二流(内混合式,外混合式),三流和四流式（图）–影响雾滴因素——雾化器结构、气液流量比(愈大愈均匀,0.1-10；低于0.1不易雾化；高于10能耗过大,液滴变化不明显）、气液相对速度30干燥室•干燥室型:立式（卧式不行）•气流与液滴接触的方式:•顺流式:以较高温气流与液滴接触，以提高热效率和干燥强度•逆流式和混流式：目的为了增加两流的相对速度,延长接触时间,加速气化31顺流式喷雾干燥塔示意图顺流立式旋流立式32逆流式和混流式喷雾干燥塔示意图33集料器重力沉降式旋风分离器布袋过滤器混合式1—气体入口2—气体排出口3—中央排气管4—布袋34喷干法微胶囊造料应用举例壁材水溶液的调制10-50%的β-环状糊精液+香味物质糊精量的5-40%↓均质乳化↓液喷雾干燥进风温度130-190℃排风温度60-90℃↓成品352.喷雾冻凝法•原理：壁材以熔融（而非溶解）液体状与心材混成混合液,雾化液滴受冷却固态粒•特点：低温或常温颗粒化；用此法可以得到较精确的粒度控制.•设备:基本与干燥法相同。进入干燥室的是冷空气,配的是空气冷却(而非加热)系统36喷雾冻凝法•适用场合:室温下为固态的物质,如氢化植物油,脂肪酸脂,脂肪醇,蜡类,糖类和某些聚合物作为壁材的场合.特别热敏性物质:如维生素,矿物元素(硫酸亚铁)和风味物质等.•粒径影响因素:（与干燥法相似）液体的粘度,浓度,雾化方法,进料速度及材料性质373.空气悬浮法—美威斯康新大学D.E.Wurster提出,也称Wurster法•原理:（预调好的）壁材溶液喷向（受空气作剧烈翻动的）固体心材粉粒形成湿胶囊粒，干燥后成为微胶囊成品•装置构成•局限性:心材状态须为固体——液体先须变成固体(冻干法,或先吸附于干粉上)；有湿颗粒互粘和干颗粒碰碎的现象38Wurster微胶囊造粒装置39Wurster微胶囊造粒装置示意图40四、物化法微胶囊造粒技术1.相分离法（水相，油相分离法）2.囊心交换法3.挤压法4.锐孔法5.粉末床法6.熔化分散法411.水相分离法•相分离原理•单凝聚法•复凝聚法•应用举例42相分离法基本原理初始溶液+某种物质或采用某种手段形成新相分离微胶囊43单凝聚法原理（高分子聚合物性）壁材水溶液+水不溶性心材↓调合↓3相混合物↓+凝聚剂↓壁材相溶解度降低而凝聚成微胶囊粒聚合物与沉淀剂的组合44凝聚剂也称沉淀剂，作用是夺水或使聚合物失水,类型有①乙醇，丙酮，丙醇异丙醇之类的沉淀剂）②硫酸钠，硫酸铵之类的强亲水亲盐③酸碱之类pH值调节剂45聚合物水溶液与沉淀剂的组合聚合物水溶液沉淀溶剂（非溶剂）明胶琼脂果胶甲基纤维素聚乙烯醇乙醇，丙酮丙酮，异丙醇丙酮，丙醇复凝聚法•两带不同电荷胶体水溶液混合时会产生因受电荷作用而成的复合物，这种复合因溶解度低而会产生相分离现象，从而可从水溶液中析出成微胶囊47复凝集法制备粉末化白兰香精100ml3%阿拉伯胶水溶液→混合乳化←12ml白兰香精↓100ml3%明胶水溶液→复相混合←温度50-53℃pH8↓10%醋酸水溶液→调pH至4.07↓250ml水→稀释↓形成凝集相48复凝集法制备粉末化白兰香精↓固化↓水洗↓过滤↓干燥↓粉末化白兰香精492.囊心交换法•基本原理:----用真正所需心材替换先被包囊心材•操作步骤：1.非极性溶剂预微胶囊化：用复凝聚法，用明胶和阿拉伯胶作壁材2.极性液的微胶囊化：(乘壁尚有高渗透性)用(需胶囊化的)极性溶剂置换初始微胶囊中的非极性溶剂3.微胶囊壁处理成非渗透性：再用明胶的非溶剂(如乙醇,丙酮等)处理50囊心交换法•适用:–大多数水溶液,–高极性液,–低沸点液体,–结构与比例非常易变的混合型囊心物(如柠檬油)513.挤压法•原理——受压力作用的心材壁材乳化液被挤出模头成丝液丝进入冷却固化液，在固化的同时被打断成粒再经分离，水洗和干燥后得到成品（图2-23,图2-24)•特点——基本上在低温下操作适合热不稳定性产品•应用——已有香精香料,维生素C等一百多种产品用此法生产,粉末产品货贺期大多超过了两年52通过挤压法对香精油进行微胶囊化53挤压法示意图A——压力反应器B——挤压模头C——异丙醇溶液544.锐孔法•原理——使初始液(如以藻酸钠作壁材的溶液)通过锐孔成微粒状进入一种能使其固化的液体(如氯化钙液)而造成固化(在囊外形成藻酸钙所至).•锐孔结构:见(图2-25)(图2-26)55一种改进的锐孔法微胶囊造粒装置56锐孔法成型示意图575.粉末床法•原理：液滴进入干粉末会成球状。如使液球边沿沾有被弄湿的粉末,可使得清晰而固定的相分离现象持久存在。•产品大小:毫米级•类型:1.心材液落入粉末状壁材2.溶剂落入由心材壁材混合物构成的粉末床3.心材相分散于壁材溶液的分散液滴入成膜材料粉末床4.热熔化的心材液滴入惰性粉末床•装置58粉末床法微胶囊造粒装置之一59粉末床法微胶囊造粒装置之二606.熔化分散法•原理:心材分散于热熔化型壁材液，分散成微滴并在冷却介质中冷却,壁材(如蜡类物)固化而成为微胶囊。•特点:特别适合于水溶性心材物的微胶囊化.冷介质可是液体也可是气体61熔化分散法•用液体作冷却介质：壁材料(蜡状物)心材物加进温度高于壁材熔点的惰性液体使壁熔化,后搅拌条件下冷却,使在心材周围的壁材硬化;先使心材分散于熔化的壁材中,而后将此混合物加到冷却液体介质中•用气体作冷却介质：微滴状的心材与液化壁材混合物先悬浮在空气(或别的气体)中,然后然下降,微滴冷却时被固化成非粘性的球状干燥颗粒.62五、化学法微胶囊造粒技术1.界面聚合法2.原位聚合法3.分子包囊法4.辐射包囊法631.界面聚合法•原理：分别溶解在不同溶剂中的两种活性单体（Ａ和Ｂ），当一种溶液（Ａ）分散在另一种溶液（Ｂ）中时，两种活性单体相互在界面发生聚合反应而形成胶囊壁（薄膜）（(A-B)n为缩聚物）。界面聚合法微胶囊造粒示意图65界面聚合法•特点——可使疏水性也可使亲水性材料的溶液或分散液微胶囊化——膜极薄(约20纳米)，有半透性，其物性受反应时间影响——微胶囊大小（1至几微米）由第一种单体分散滴的大小决定也受搅拌速度及乳化剂浓度影响•注意—聚合反应如为缩聚反应，反应时会放酸，不适合易酸变性的材料；——用于酶时，要注意选择合适的单体662.原位聚合法也在心材滴液表面形成（不溶性的）聚合物膜，可溶的单体及催化剂全由分散相或全由连续相提供。心材