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应用技术 明胶在脂类微胶囊化中的应用 黄崇军 北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029 摘要:本文研究了明胶在油脂微胶囊化过程中 的应用,通过微胶囊化作用使油脂的应用范围 得到了拓宽。 关键词:明胶;油脂;微胶囊化 不饱和脂肪酸对光、 氧、 热等因素较为敏 感,易发生氧化、 聚合、 转位重排等反应,但是 某些脂肪酸是人体必需的,在人体内不能合 成,只能从食物当中获取,如亚油酸;有些脂肪 酸具有明显的降血压、 降血脂、 改善心脑血管 疾病等功效。因此,研制多样化的油脂产品, 提高油脂的稳定性,是一个亟待解决的问题。 微胶囊技术(又称 “微胶囊造粒技术”)给 这一问题的解决带来了突破性的进展。微囊 剂最大优点是,可将易氧化、 有异味(口味不 佳)、 易分解或其它不适合加工成常规剂型的 药物或保健食品加工成为可长期贮存、 服用方 便的制剂形式 1 ,2 。 明胶是一种亲水性高分子胶体,乳化性、 成膜性能好,理化性能稳定,且不易与油脂类 分子发生反应,因此经常会被用作微胶囊壁 材。 1 微胶囊化技术 微胶囊化技术是一种微包装技术,传统做 法是在固体、 液滴或固体在液体中的分散体小 颗粒上包覆聚合物薄层。简单地说,就是将某 种活性成分加以微胶囊包封 3 。 1. 1 微胶囊技术的历史 早在150多年前,就有人把药物装入明胶 制成微胶囊,但对微胶囊技术的研究约始于 20世纪30年代。1936年已有微胶囊技术的 专利出现,内容是在液体石蜡中制备鱼肝油的 微胶囊 4 。而到50年代初,美国NCR公司首 次应用微胶囊技术制备成功无炭复写纸,这是 对微胶囊技术实现商业化应用的一大突破。 50年代末到60年代初,人们开始研究把合成 高分子的聚合方法应用于微胶囊制备,发表许 多以高分子聚合反应为基础的用化学方法制 备微胶囊的专利,拓宽了微胶囊制备技术。到 70年代,胶囊制备技术的工艺日益成熟,应用 范围也逐渐扩大。近20年来,日本等对微胶 囊技术的大力开发和微胶囊所具有的独特性 能,使微胶囊技术不断向前发展。目前,微胶 囊应用技术还在不断发展,其理论也在不断深 化 3 ,5 。 1. 2 微胶囊化的基本原理 微胶囊技术的基本原理是针对不同的芯 材和用途,选用一种或几种复合的壁材进行包 覆。一般来说,油溶性芯材应采用水溶性壁 材,而水溶性芯材必须采用油溶性壁材 5 。 1. 3 微胶囊化的主要特点与功能 微胶囊化的主要特点与功能如下所列: (1)改善物质的物理性能(如液相变固 相 ) ; (2)控制释放(采用机械、 物理、 化学等方 法定时或逐步按定速度释放芯材物质 ) ; (3)防止一种组分同系统其他化合物相互 作用,产生降解或聚合作用; (4)提供稳定性,保护芯材免受氧化、 酸 性、 碱性、 湿度或蒸发作用的影响; 第27卷第2期 2007年6月 明 胶 科 学 与 技 术 The Science and Technology of Gelatin Vol.27.No.2 Jun.2007. (5)屏蔽不愉快的味道和气味; (6)防止工作者或使用者暴露于危险物品 影响中 3 。 1. 4 微胶囊化的主要方法 用于制备微胶囊的方法大概有200多种。 习惯上,人们喜欢按照传统的分类方法涂 层方法进行分类。大致可分为化学法(如界面 聚合法、 原位聚合法、 锐孔-凝固浴法,化学 镀)、 物理化学法(如凝聚法,油相分离法,复相 分离法,溶化分散冷凝法,粉末床法)和物理机 械法(如空气悬浮成膜法,喷雾干燥法,真空蒸 发沉淀法,静电结合法 )3 种 6 ,7 。 明胶对油脂进行微胶囊化主要应用的方 法有复凝聚法和喷雾干燥法。 2 明胶在脂类微胶囊化中的应用 2. 1 鱼油微胶囊化 鱼油富含- 3多不饱和脂肪酸EPA(二 十碳五烯酸)与DHA(二十二碳六烯酸)。研 究表明 8 ,9 ,10 ,11 ,EPA和DHA具有多种生理功 能,如降低人体内血清胆固醇及低密度脂蛋白 含量,减少心血管疾病发生,抗凝血、 消炎及抗 癌等,其中DHA还具有健脑益智、 提高视力功 效。将DHA和EPA作为营养强化剂添加于 日常食品中,如乳制品、 焙烤食品、 人造奶油、 蛋黄酱及饮料等,不仅可增强食品营养价值, 且可提高食品附加值。 1999年,殷小梅等以产品的产率、 效率和 贮存稳定性(包括产品的抗氧化性和芯材的持 留率)为评定指标 8 ,选用多种蛋白质(明胶、 浓缩乳清蛋白、 大豆分离蛋白、 大豆水解蛋白 和酪蛋白酸钠等)同麦芽糊精和蔗糖等碳水化 合物作为EPA、DHA微囊化壁材,并进行了比 较。结果表明:大豆分离蛋白作为壁材对制得 的微胶囊产品具有较高的产率和效率,但其贮 存稳定性很差;而明胶、 大豆分离蛋白(水解度 为 8) 和浓缩乳清蛋白3种壁材制得的产品具 有较好的贮存稳定性,其中,又以明胶为最佳 (对EPA和DHA的持留率分别为86. 4 %和 88. 6 %)。 2000年,吴克刚等人采用微胶囊化技术 将鱼油DHA微胶囊化,然后添加到明胶乳糖 中,制成新型保健结果 9 。鱼油DHA微胶囊 化的基本原理就是带不同电荷的物质间的凝 聚反应。明胶和阿拉伯胶混合胶体水溶液,当 pH值降至45时,明胶呈正电荷,阿拉伯胶 呈负电荷,于是二者在乳化的鱼油DHA微滴 表面发生聚凝反应,将鱼油DHA微滴包封起 来,实现微胶囊化。影响微胶囊化的因素主要 有乳化效果、 体系pH值、 温度等。其中微胶 囊化的操作要点为: (1)溶胶。用蒸馏水将食用胶配成10 % 浓度,加热使其完全溶解,然后冷却室温备用; (2)均质乳化。在搅拌桶中鱼油与食用胶 液预先混合均匀,然后于工作压力为40 MPa 的高压均质机中均质23次,得到稳定的乳 化液。 (3)凝聚反应。预先配制pH 4. 05. 0的 酸化蒸馏水,并加热至4050。然后,在不 断搅拌的情况下缓慢地把酸化蒸馏水加入上 述乳化液,直至出现白色微粒,即形成微胶囊。 继续搅拌,保持温度40501015min。 (4)冷却固化。于冷库降温至510, 使形成的微胶囊固化23h。 (5)离心分离。10002000rmin离心,收 集微胶囊,然后用510、pH4. 05. 0的蒸 馏水洗涤23次。 (6)脱水。微胶囊于两倍重的饱和食盐溶 液中充分搅拌分散。脱水1015min ,滤干。 (7)浸渍。在与脱水微胶囊等重的70 % 糖液中充分搅拌分散,浸渍2h ,滤干。 (8)冷藏备用。制备好的鱼油DHA微胶 囊于510 冷藏备用。 2001年,邓宇峰采用喷雾干燥法制备精 炼鱼油微胶囊 10 。微胶囊化的工艺流程为: 先将复合壁材用水溶解,配成质量分数为 20 %的溶液,经组织捣碎机处理后进行巴氏杀 菌 (90 ,20min) ,待温度降至60 时加入鱼油 58第27卷第2期黄崇军:明胶在脂类微胶囊化中的应用 (占壁材质量的30 %)并进行充分混合,将此 混合溶液经过胶体磨、 均质机均质后喷雾干 燥。实验分别以蛋清粉、 环糊精、 蔗糖、 阿拉伯 胶为主要壁材,并用明胶、CMC等复配,进行 喷雾干燥试验,最终确定以明胶与环糊精为主 要壁材。通过正交实验获得最佳工艺参数:明 胶与环糊精的配比为m(明胶)m(糊精 ) = 1 7 ,喷雾干燥进出口温度为14080,原料的乳 化过程为2次细磨、1次均质。经过此工艺获 得的产品包埋率可达到90 %以上。 2002年,王海鸥采用复凝聚法、 以明胶与 阿拉伯胶为壁材制备精炼鱼油微胶囊 11 。按 鱼油 阿拉伯胶 明胶= 11. 20. 8比例投料, 称取一定量阿拉伯胶和明胶,加蒸馏水适量预 先溶胀后加热至沸,搅拌放冷 (40 50 ) , 将 鱼油加入胶液中,搅拌机进行充分乳化。形成 OW乳剂,用10 %醋酸调节pH至4. 3 ,再取同 比例阿拉伯胶与明胶液进行二次复凝聚,使膜 层加厚。水浴控制温度35,30min后取出, 置于冷水浴中用冰块降温控制温度,不断搅 拌,分次加入不同浓度Na2SO4作为凝聚剂、 稀 释剂,显微镜观察成囊情况,再滴加38 %甲醛 液固化,用水洗涤3次至中性,无醛味,微孔滤 膜过滤得鱼油微囊。 随着研究的进展,将会有更多利用明胶包 囊鱼油,以满足人们不同需要。在实际应用 中,应根据对产品性能不同要求、 工艺复杂程 度及生产成本高低进行综合考虑,以决定采用 何种方法及壁材。 2. 2 核桃粉(油)微胶囊化 核桃油脂含量在50 %70 % ,其中90 % 以上是油酸、 亚油酸、-亚麻酸等不饱和脂肪 酸,因此中医学认为有降低胆固醇、 防止动脉 硬化、 补气养血、 美容和抗衰老等作用。 薛文通过利用明胶、 大豆分离蛋白、 糊精 等水溶性壁材包裹核桃仁中的油脂 12 ,乳化 实验操作步骤如下: 最后经喷雾干燥除去壁材中的水分使之 成为OW型微胶囊,从而防止油脂与外界氧 的接触,得到了油脂含量高达35. 3 %、 包埋率 85. 7 %、 预测保质期12个月的核桃粉产品,并 且该产品具有浓香核桃味。此壁材组成为明 胶20、 大豆分离蛋白240、-环糊精80、 麦芽 糊精80、 蔗糖150 ,芯壁材比例为0. 72。 阎师杰等研究了以明胶和阿拉伯胶为壁 材 13 ,复凝聚法制备核桃油微胶囊。先取核 桃油300g ,10 %明胶溶液1200g混合乳化,然 后加入10 %阿拉伯胶溶液1200g混合乳化。 再将配料过胶体 磨 两 次,并 经 过 均 质 机 (25MPa)加工一次。用10 %醋酸调pH至4. 1 4. 4 ,并加入4050 的水1000g ,形成复凝 聚湿微胶囊,之后经喷雾干燥获得最终产品。 其中喷雾干燥法制备核桃油微胶囊时适宜的 工艺参数为:进料浓度20 %30 % ,进料温度 5060,进风温度160180,出风温度70 80。用此方法制得的产品为易回收、 粒度 好的浅黄色粉末。 2. 3 磷脂微胶囊化 磷脂是一种具有重要生理功能的脂类化 合物,也是一种天然的表面活性剂,它在食品、 医药、 化工等领域有广泛的用途。其主要成 分:磷脂酰胆碱,俗称卵磷脂,简称PC;磷脂酰 乙醇胺,俗称脑磷脂,简称PE;磷脂酰肌醇,俗 称肌醇磷脂,简称PI;以及PA、PS等成分。磷 脂因其规律的结构和性质,作为动植物组织细 胞膜的重要组成部分,是参与细胞代谢和执行 功能的保证。卵磷脂PC参与身体组织各种 代谢活动,组成各种免疫物质。磷脂占大脑干 重的30 % ,是大脑中神经信息传递的重要物 质。磷脂在血浆中起到乳化剂作用,可有效地 使血清胆固醇颗粒变小,保证血液畅通。由于 68明 胶 科 学 与 技 术2007年6月 磷脂的上述功能特性,使磷脂具有能够降血 脂、 调节神经系统、 营养保健等功效,并且无毒 副作用,是一种极具开发潜力的营养保健食 品,引起研究者的广泛关注 14 ,15 。 2001年,张鑫等以微孔玉米淀粉明胶,微 孔玉米淀粉为主要壁材,以大豆磷脂为主要芯 材制取微胶囊 16 。他们称取100g粉末状大豆 磷脂,加入100mL温水搅拌乳化,置于40 水 浴锅中,加入一定量的微孔淀粉在搅拌下进行 吸附,然后缓慢加入一定体积的10 %明胶溶 液,定容至1500mL ,充分混合均匀最后用于喷 雾干燥法制取微胶囊。其中喷雾干燥法的工 艺参数为:进料温度50,进风温度170左 右,出风温度95。获得产品的最高包埋率 可达到71 %。 2003年,梁歧等人采用如下工艺制取磷 脂微胶囊 17 :大豆分离蛋白溶于水 加热至 7080,保温1020min 冷却至室温 加 入麦芽糊精、 蔗糖、 预先制好的食用明胶溶液 过胶体磨(2000r min) 加入磷脂 过胶体 磨(2000r min) 均质(10MPa ,2次)喷雾干 燥(喷雾干燥塔进风温度为185)冷却筛 分 包装。他们通过正交实验确定了壁材的 最佳组成:壁材占总固形物60 % ,其中大豆分 离蛋白与麦芽糊精和蔗糖的比例12 ,食用明 胶占总固形物0. 1 % ,芯材占总固形物40 %。 产品包埋率可达85 %以上。 2004年,于才源等人通过实验系统的分 析研究了原料配方、 乳化工艺条件及喷雾干燥 微胶囊化工艺条件对磷脂微胶囊产品性能的 影响 18 。他们采用的实验工艺包括如下几个 步骤:配料、 乳化、 高压均质、 喷雾干燥,最后制 得微胶囊。通过单因素实验与正交实验,他们 确定了最佳乳化工艺条件:以明胶系列作为制 备微胶囊的主壁材,明胶与麦芽糊精两种壁材 的质量比为13. 5 ;芯材与芯壁材总量的质量 比为41 ;固含量为25 %;选取乳化剪切速度 为5500rmin、 乳化剪切时间为12min、 乳化剪 切温度为45;采用蔗糖脂作为乳化剂并且 乳化剂含量为2. 5 %;采用均质二次,压力分 别为50MPa和20MPa。为保证喷雾干燥效果 较好,粘壁现象不重,微胶囊化包埋率和效率 较高 的 喷 雾 干 燥 工 艺 条 件 为:进 风 温 度 160,进料速度20mLmin ,出风温度114。 实验制备的磷脂微胶囊的粒径在10100m 之间,直径为5070m之间的占绝大多数,基 本呈正态分布,其平均粒径约为62m ,真正实 现了微胶囊化。磷脂微胶囊外观为乳黄白色, 无异味,根本克服了粉末磷脂有怪胡桃味难以 让人直接食用的缺点。磷脂微胶囊化的实现 使产品的吸潮性大大降低,克服了磷脂易吸 潮、 易被氧化变质的缺点。 2. 4 其他油脂的微胶囊化 陆晓滨等人 19 以-环状糊精和明胶为 壁材,以酥油和VE为芯材,采用喷雾干燥法 制取酥油微胶囊,并制得了即食酥油茶。微胶 囊的最佳工艺参数为:m(明胶)m(糊精 ) = 1 5 ,原料经2个月无氧化腐败现象。 -亚麻酸是一种人体必需的脂肪酸20, 由于人从膳食中摄取量很难满足机体需求,需 通过各种方法加以补充。月见草油是一种富 含 -亚麻酸油脂的天然资源 21 ,是生产- 亚麻酸油脂的重要原料,但月见草油因含有大 量的高度不饱和脂肪酸,在空气中极易氧化而 变成饱和的脂肪酸。徐丽琴等人采用阿拉伯 胶和明胶为壁材 22 ,将2 %的阿拉伯胶和2 % 的明胶混合组成混合液,月见草油与混合液1 4( 芯材占物料总量为20 %)混合,在pH7. 00 , 80 下乳化2min ,在pH为1. 004. 50时凝聚 0.5h ,固化1. 5h ,经离心干燥后制备的微胶囊 包埋率和油脂得率最好。 此外,黄凤洪等人 23 以明胶、 阿拉伯胶为 主要壁材,采用复合凝聚法原理,对亚麻油进 行微胶囊化,从而制得一种微胶囊化效率高的 粉末亚麻油产品;王承南等人以阿拉伯胶和明 胶为壁材采用凝聚法生产茶油微胶囊 24 ;葛 寒英以明胶、 阿拉伯胶为壁材,采用凝聚法进 行沙棘油微囊化,开发了沙棘油对人体强大的 78第27卷第2期黄崇军:明胶在脂类微胶囊化中的应用 医疗、 保健等作用,掩盖其本身的不良气味,大 大提高沙棘油的稳定性 25 。 3 展望 因油脂易氧化变性,微机囊技术可以很好 的解决这一问题,而明胶因其特有的理化性能 是良好的囊材,所以明胶在油脂微胶囊化上会 有更多的利用。今后基础理论研究将会进一 步推进,低成本且能工业化生产的产品将会逐 步涌向市场。 参 考 文 献 1 刘景艳,原现瑞,李巧玲.微胶囊技术在食 品工业中的应用J .山西食品业2005 ,4 : 2628 2 徐铮奎.微囊制剂技术开发新进展J .中 国医药情报2004 ,10(4) :3536 3 常英,李龙.微胶囊技术及其在医疗保健纺 织品中的应用新进展J .纺织科技展 2005 ,3 :8 4 宋嘉璋.浅谈微胶囊技术及其在食品工业 中的应用J .中国调味品1999 ,8 :4 5 焦剑岚,李亚男,钟辉,邹传品.微胶囊技术 简介J .防化研究2005 ,3 : :4347 6 梁治齐.微胶囊技术及其应用M.北京: 中国轻工业出版社,1999. 117 ,3940 , 210212 ,362371 7 宋健,陈磊,李效军.微胶囊技术及其应用 M.北京:化学工业出版社,2001. 13 ,23 24 8 殷小梅,许对婴. EPA、DHA的微胶囊化:壁 材的筛选J .食品与发酵工业2000 ,26 (1) :3336 9 吴克刚,柴向华,杨连生.微胶囊化鱼油 DHA明胶软糖的研制J .食品与机械 2000 ,6 :89 10 邓宇峰.采用复合壁材的- 3多不饱和 脂肪酸微化胶囊J .食品与发酵工业 2001 ,27(6) :3034 11 王海鸥.精制鱼油微囊稳定性考察J .实 用医技杂志2002 ,9(3) :172173 12 薛文通,刘晓毅,李寿佳.微胶囊核桃粉加