食品加工中新技术的应用
<p>食品加工学,Food Processing,上海水产大学 食品学院Tel: 021-65710221Fax: 021-65710222E-mail: xcwangshfu.edu.cnWebsite: spxy.shfu.edu.cn,第十三章 食品加工中的新技术应用,挤压/膨化-Slide 003超微粉碎-Slide 019微胶囊化-Slide 032超临界萃取技术-Slide 066电磁波技术-Slide 088现代生物技术-Slide 099非破坏性品质评价技术-Slide 113食品加工领域废水处理技术-Slide 138,膨化是利用相变和气体的热压效应原理，使被加工物料内部的液体迅速升温汽化、增压膨胀，并依靠气体的膨胀力，带动组分中高分子物质的结构变性，从而使之成为具有网状组织结构特征，定型的多孔状物质的过程。以膨化工艺过程生产的食品称之为膨化食品。 按膨化加工的工艺条件对膨化方法进行分类一类是利用高温，如油炸、热空气、微波膨化等。另一类是利用温度和压力的共同作用，如挤压膨化、低温真空油炸等。由于挤压膨化可实现连续化、自动化的操作生产，产量大而稳定，现已被广泛应用于食品工业中。挤压膨化（Extrusion Puffng）：一般食品物料在压力作用下，定向地通过一个模板，连续成型地制成食品的方法，被称为“挤压”。挤压食品有膨化和非膨化两种。按膨化加工的工艺过程对膨化方法进行分类直接膨化法：又称一次膨化法，是指把原料放入加工设备（目前主要是膨化设 备）中，通过加热、加压再降温减压而使原料膨化。间接膨化法：又称二次膨化法，就是先用一定的工艺方法制成半熟的食品毛坯，再把这种坯料通过微波、焙烤、油炸、炒制等方法进行第二次加工，得到的酥脆的膨化食品。,§13-1 挤压膨化技术,挤压膨化食品加工 挤压食品的加工工艺主要靠挤压机来完成。 挤压成型的定义：物料经过预处理（粉碎、调湿、预热、混合等）后，在螺杆的强行输送和推动下，通过一个专门设计的小孔（模具），从而形成一定形状和组织状态的产品。 食品挤压膨化的机理：膨化食品的加工原料主要是含淀粉较多的谷物粉、薯粉或生淀粉等。这些原料由许多排列紧密的胶束组成，胶束间的间隙很小，在水中加热后因部分溶解空隙增大而使体积膨胀。当物料通过供料装置进人套筒后，利用螺杆对物料的强制输送，通过压延效应及加热产生的高温、高压、使物料在挤压筒中被挤压、混合、剪切、混炼、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理，胶束即被完全破坏形成单分子，淀粉糊化，在高温和高压下其晶体结构被破坏，此时物料中的水分仍处于液体状态。当物料从压力室被挤压到大气压力下后，物料中的超沸点水分因瞬间的蒸发而产生膨胀力，物料中的溶胶淀粉也瞬间膨化，这样物料体积也突然被膨化增大而形成了酥松的食品结构。 食品挤压膨化的定义：挤压膨化食品是指将原料经粉碎、混合、调湿，送入螺旋挤压机，物料在挤压机中经高温蒸煮并通过特殊设计的模孔而制得的膨化成型的食品。 在实际生产中一般还需将挤压膨化后的食品再经过烘焙或油炸等处理以降低食品的水分含量，延长食品的保藏期，并使食品获得良好的风味和质构；同时还可降低对挤压机的要求、延长挤压机的寿命、降低生产成本。,食品挤压膨化的工艺流程：原料混合 调理挤压蒸煮、膨化、切割焙烤或油炸冷却调味称重、包装将各种不同配比的原料预先充分混合均匀，然后送入挤压机，在挤压机中加人适量水，一般控制总水量为15左右。挤压机螺杆转速为200350转分，温度为120160，机内最高工作压力为0.81兆帕，食品在挤压机内的停留时间为1020秒钟。食品经模孔后因水蒸汽迅速外逸而使食品体积急剧膨胀，此时食品中的水分可下降到8一10。为便于贮存并获得较好的风味质构，需经烘焙、油炸等处理使水分降低到3以下。为获得不同风味的膨化食品，还需进行调味处理，然后在较低的空气湿度下，使膨化调味后的产品经传送带冷却以除去部分水分（目前一般成品冷却包装车间都有空调设备）再立即进行包装。,挤压过程中物料成分的变化 物料在挤压机中发生复杂的物理、化学、生物反应使最终产品在质构、组成、表现等理化特性及营养上发生很大变化。目前，挤压技术在食品工业，尤其是在生产快餐、早餐食品、固态饮料及小食品等行业上应用较广泛。根据挤压特性，就食品中的三大营养素一一碳水化合物、蛋白质及脂肪在挤压过程中的变化做一简单阐述。,挤压过程中的碳水化合物 碳水化合物是食品中的主要组成成分，通常在食品中占70% 或70%以上，因此是影响挤压食品特性的主要因素。碳水化合物根据其分子量大小、结构及理化性质差异常可分为纤维、淀粉、亲水胶体及糖四类，它们在挤压过程中的变化作用各不相同。（一）纤维 纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，它们在食品中通常充当填充剂。由于用于挤压的纤维原料及挤压采用的设备和工艺条件不同，对挤压过程中纤维数量的变化文献报道差异较大。有的对荞麦与大麦的挤压研究，有的对小麦和小麦麩的研究，挤压后的纤维质量较低；而有的分别对全麦粉及大麦粉的挤压研究结果正好同上述相反；但也有研究认为全麦粉在挤压过程中其总纤维质量不发生变化。但对挤压过程中纤维含量变化的研究结果较为一致，均表明纤维经挤压后其可溶性膳食纤维的量相对增加，一般增加量在3左右，这是挤压过程中的高温、高压、高剪切作用促使纤维分子间价键断裂，分子裂解及分子极性变化所致。由于可溶性膳食纤维对人体健康具有特殊的生理作用，因此采用挤压手段开发膳食性纤维无疑是一个很好的方法。 食品工业中的纤维原料主要来源于甜菜、玉米、水果、燕麦、豌豆、稻谷、大豆及小麦等。在挤压过程中纤维主要是影响食品的膨化度，其规律一般是膨化度随纤维添加量增加而降低用不同来源的纤维或纤维纯度不同均对膨化度的影响有明显差异，其中以豌豆和大豆纤维的膨化能力为好，它们在以淀粉为主原料的食品中添加量达到30，对最终产品的膨化度也无显著影响；而像燕麦麩及米糖，由于它们含有较高的蛋白质及脂肪，其膨化能力就很差。,（二）淀粉 挤压作用能促使淀粉分子内a1，4苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤压后产物淀粉含量下降，但挤压对淀粉的主要作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。淀粉在挤压过程中糊化度的大小受挤压温度、物料水分、剪切力、螺杆结构及在挤压机内的滞留时间、模头形状等因素影响。 淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表现出不同的特征。就膨化度而言，总的趋势是淀粉中直链淀粉含量升高则膨化度降低，据有关报道说50直链淀粉与50支链淀粉混合挤压可得到最佳的膨化效果。另外，来源不同的淀粉其挤压效果也存在差异，小麦、玉米、大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有很好的膨化性能，而且又具有十分好的粘结能力。（三）亲水胶体 阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、瓜儿胶、槐豆胶为食品中常用的亲水胶体，它们经挤压后其成胶能力将普遍下降。在挤压过程中其亲水特性还将影响常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷冻速率，提高产品的质构性能。对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时，胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化速率、分散性、口感、操作条件、粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。（四）糖 糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度，从而影响淀粉糊化。挤压的高温、高剪切作用使糖分解产生羧基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基酸或肽发生美拉德反应，影响产品的颜色。另外，在挤压过程中添加一定量的糖能提高物料在模口出口时的膨化效果。因此，在挤压食品中糖除了起提供能量作用外，主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调节剂、水分活度与产品着色调控剂而被应用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、淀粉糖浆、果汁、糖蜜、木糖和糖醇等。,挤压过程中的蛋白质 从物理特性来说，挤压使蛋白质转变成一种均匀的结构体系；从化学观点来说，挤压过程是以某种方式贮藏性蛋白质重新组合成有一定结构的纤维状蛋白体系。此外，挤压过程还会引起蛋白质营养的变化。大豆蛋白经热处理后会发生变化挤压过程使大豆蛋白处于热、压力和剪切力等综合作用下，在一定范围内，挤压温度上升，产品的组织化效果好。蛋白质经高热处理会引起结构的变化，如：肽键的水解、氨基链的变性和新共价异肽键的形成等。蛋白质在低水份条件下对热的抵抗力强些。通过一系列的研究得出的结论是挤压对蛋白质最大的影响在于，首先分离它们，然后又将其重新组合成一种经调整的纤维状结构。,挤压过程中的脂肪 在相同条件下，挤压食品与其他类型的食品相比往往具有较大的货架期，其原因与挤压加工的特点有密切关系。原因一：原料一般经过挤压加工之后，淀粉糊化、蛋白质变性、生长抑制因子被破坏，脂肪氧化酶和脂肪水解酶也被破坏。挤压过程是一个高温高压的过程，对产品起到了很好的杀菌作用。原因二：挤压产品的水分含量一般较低原因三：由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合物，而这些复合物又能降低挤压产品在保存时的氧化现象，所以在一定程度上起到了延长产品货架期的作用。 许多研究表明，在挤压过程中，原料中绝大多数脂肪与淀粉、蛋白质形成了复合物，降低了挤出物中游离脂肪的含量。例如玉米经挤压之后，游离脂肪的含量由3.11下降到0.98。 研究人员利用挤压机研究了原料经挤压之后，脂肪复合物形成的情况。所用的挤压原料中含有70淀粉、9蛋白质和5脂肪。对挤压后的样品，分别测定其膨化率和糊化率以及脂肪的变化。实验所采用的螺杆转速为700转分，进料速率为158克分。从实验结果分析可知，原料中大约有23的游离脂肪在挤压过程中变为复合体。实验中发现复合体生成量与挤压温度有直接关系，在较低的温度下（100以下），随挤压温度的升高，复合体生成量略有增多，但在高温下（100以上），随着温度升高，复合体生成量反而有较明显的下降。,另外，研究人员还研究了温度高于100时，脂肪复合体的生成情况。实验在不同温度、不同螺杆转速和不同水分含量的条件下进行。通过对实验结果的分析发现，挤压温度和水分含量是影响复合体生成量的主要因素，螺杆转速对复合体生成量的影响较小。挤压温度越高，挤出样品中的游离脂肪含量就越高，复合体的生成量越小。与此相仿，水分含量越高，挤出样品中的游离脂肪含量也越高，复合体的生成量也越小。挤出产品的游离脂肪含量高，易发生脂肪氧化酸败现象，缩短产品的货架期。脂肪复合体的作用：使得脂肪受到淀粉和蛋白质的保护作用，对降低脂肪的氧化速度和氧化程度，延长产品的货架期，起到了积极的作用；改善产品的质构和口感。 注意挤压过程中，虽然脂肪复合体的生成，降低了产品在保存过程中的氧化程度，延长了产品的货架期，但不能彻底防止脂肪的氧化酸败，产品在保存过程中仍会发生氧化现象，有时氧化现象仍较强烈。加入抗氧化剂可以帮助解决氧化现象的发生。,有研究者认为，小吃食品的含油量在20以上，会提高产品的口味，产生继续想吃的食欲。但脂肪含量过多又会产生油腻口感，并且给产品的保存带来麻烦。挤压小吃食品中加脂肪两种基本方法：一种是在挤压前将油脂均匀混合在原料中；另一种是在挤压后将油脂喷涂在挤压出的产品上。在产品最终含脂量相同的情况下，采用喷涂方法易产生腻口感，易产生氧化现象，并且油脂会粘涂在包装袋上，还会在包装袋上粘附微细的碎屑，从而影响产品的外观和影响消费者食欲。若在挤压前将油脂混合在原料中，则会因脂肪复合体的形成而减少以上现象的出现。必须指出，原料中混入一定量脂肪虽可改善产品的质构和口感，但会影响到产品的膨化率。脂肪含量在10以下时，它对产品膨化率的影响很小，但含量较高时，会使产品的膨化率明显下降。脂肪含量相同的情况下，脂肪复合体的生成量越多，产品膨化率越高，两者有密切的关系。用蛋白质含量8、淀粉含量70、脂肪含量5的原料进行不同条件下的挤压，可得到不同的脂肪复合体的生成量和不同的产品膨化率。,挤压过程中的维生素和矿物质 相对于食品加工的其他方法而言，挤压过程中维生素的损失较小，原因是：挤压过程中物料的受热强度相对较小（挤压过程中的温度较高，物料在套筒中停留的时间较短，故该过程实际上是一种高温短时过程。物料从模具挤出后，由于水分的闪蒸，带走了大部分的热量，使物料能够在短时间内从挤压套筒中120200左右的高温迅速降至7080的相对低温）；物料在挤压机的套筒中与空气的接触少。故，一些容易发生氧化的维生素如维生素A、维生素C等不会因为氧化而产生过多的损失。谷物原料是维生素B族的重要来源。维生素B1受热时不太稳定，pH值高时其稳定性更差。维生素B2的热稳定性相对较好，烟酸的热稳定性相对也较好。 挤压过程中矿物质变化很小。在挤压小吃食品的加工过程中，有时会针对营养的需要进行一些矿物质的添加，如铁、钙、碘。镁、锌等。通常使用的添加剂有硫酸亚铁、硫酸锌、碳酸钙、三磷酸钙、碘盐等，它们在加工过程中一般不会发生变化，由于添加的量很少，因此对产品的组织结构、口感和膨化度等基本不产生影响。添加铁盐时，由于游离亚铁离子的存在，会与食品中的一些其他组分发生反应从而影响到产品的色泽和风味；另外，铁离子的存在会提高脂肪的氧化速度。有资料报道，盐的加入会提高淀粉的糊化率。,挤压过程中的其他成分在挤压食品的生产过程中，有时为了改变产品的口感、风味和色泽，加工过程中会经常用到甜味剂、调味料及色素等。常用的甜味剂有蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、淀粉糖浆、果葡糖浆、甜菊苷、糖精、阿斯巴甜等。糖在挤压过程中呈熔融状态，如果温度超过2500c就很容易产生焦糖化。焦糖色暗味苦，会影响到产品的口味及风味。另外在挤压过程中，糖的存在还易产生美拉德反应，造成氨基酸的损失。糖的加入会降低产品的膨化率，也会降低原料中淀粉的糊化率。一般情况下，挤压膨化小吃食品中糖的含量控制在1015，即可获得较为满意的口感。挤压膨化小吃食品的加工过程中，甜味剂的加入方法，一种是将甜味剂混在原料中，其在产品中混合得均匀，产品的风味柔和，但会影响到产品的膨化度和原料中淀粉的糊化度，因此此法，甜味剂的加人量要适当控制，不能太多；另外一种方法是将糖与其他的调味料一起均匀喷撒在产品的表面，产品往往入口较甜，容易吸潮。用喷撒方法时，要先将糖进行粉碎，制成精粉或晶粒很细的糖。在挤压膨化小吃食品的生产过程中，添加甜味剂时，许多厂家将两种方法相结合使用。为了使产品具有良好的口味，生产过程中加入调味料是相当普遍的。由于挤压过程是一个高温高压的过程，而调味料中的风味物质大部分是挥发性的，因此经挤压后，调味料的风味物质损失较大。正由于这个原因，挤压膨化食品生产过程中调味料的使用量较大。,为了增加食品的视觉吸引力，提高其商品价值，挤压膨化小吃食品在加工过程中也会用到色素。常用的色素有类胡萝卜素、姜黄素和红曲色素等，也有柠檬黄等合成色素。色素在食品生产中的应用量很少，故在使用过程中，保持色素的均匀性十分重要，否则会在产品中形成色淀、色斑，产生色泽不均匀的现象。,膨化设备挤压膨化机、气流膨化机、微波膨化设备和油炸膨化设备。 挤压膨化机食品挤压膨化机是指螺杆挤压机。螺杆挤压机实质上是一种装在卧式柱状机筒里的螺旋输送机，因出料模孔的开孔截面比机筒和螺杆横截面之间的空隙小得多，物料在出口模具处受阻而产生阻力，使物料在进入挤压机后的输送过程始终处于连续地被压缩状态。有的挤压机在机筒内具有轴向凸棱，可以限制物料的运动，增强螺杆对物料的剪切效果。多数挤压机的机筒被制成夹套式，夹套内通入蒸汽或液态加热介质，以控制机内物料的温度。产品的最终形状、膨胀程度和最终密度取决于挤出模孔的尺寸和形状以及挤压机的工作参数，如温度、压力、水分和螺杆转速等。,挤压技术发展趋势食品挤压技术是近年发展的新技术，是加工食品的新途径，蒸煮挤压机已在许多加工过程中运转，并受到各国的普遍重视。各国对食品挤压技术的主要研究方面有：1对挤压技术的工艺研究，开拓更广泛的应用领域。如用低值动物蛋白生产高价值的仿真食品，用挤压技术生产变性淀粉、糖果、巧克力、酪蛋白和发酵制品。2实现挤压机的自动化开机过程。开机时，由计算机自动调节挤压机的转速、加水量、蒸汽量、糊化物量和干物料量，使其在尽可能短的时间里就达到稳定的工作状态。此外，还可通过对挤压参数的连续测量对产品进行质量控制，将所测量的产品出口处温度、压力、机筒温度和机械比能耗等参数自动输人计算机，然后计算机把计算出来的最佳调节值反馈到挤压机的各执行部位，从而连续又稳定地控制产品质量。3探求采用特别耐磨的优质材料来制造螺杆元件和机筒，提高产品在加工过程中的稳定性。4研究一种自动开机阀，简化挤压机在开停机时的操作步骤，节省开停机时间和物料损失。,一、简介,超微粉碎是近20年迅速发展起来的一项高新技术，能把原材料加工成微米甚至纳米级的微粉，已经在化工、医药、食品、农药、化妆品、染料、涂料、电子、航空航天等许多领域得到了广泛的应用。,§13-2 超微粉碎技术概述,超微粉碎一般是指将3mm以上的物料颗粒粉碎至1025m以下的过程。由于颗粒的微细化导致表面积和孔隙率的增加，超微粉体具有独特的物理化学性能，例如良好的分散性、吸附性、溶解性、化学活性等，因此应用领域十分广泛。,二、应用,1.在中药加工中的应用 中药的超微粉碎，当前主要指细胞级粉碎，即指以动植物类药材细胞壁为目的的粉碎作业。运用现代超微粉碎技术，可将原生药粉碎到510m以下，在该细度条件下，一般药材细胞的破壁率95%，从而表现出增加药物吸收率，提高药效，节省原料等优势。,2.在食品加工中的应用 在软饮料加工、果蔬加工、粮油加工、水产品加工、功能性食品加工行业、巧克力生产、调味品加工等领域都有应用。经超微粉碎技术加工后的茶粉、面粉、珍珠粉、骨粉等产品具有易于吸收、口感好等优点。,3.在生物制品中的应用 如用聚山梨酯-80修饰的纳米粒，能促使多肽类药物透过血-脑脊液屏障。4.其他方面的应用 如磁带用磁粉，涂料用TiO2等的超微粉已引起人们的重视。,三、主要设备及其应用,1.机械冲击式粉碎机 粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定，适合于中、软硬度物料的粉碎。这种粉碎机不仅具有冲击和摩擦两种粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用，产品细度一般可达到d9710m ，配以高性能的精细分级机后可以生产d97 510 m的超细粉体产品。由于是高速运转，要产生磨损问题，此外还有发热问题，对热敏性物质的粉碎要注意采取适宜措施。,2.气流粉碎机 原理：以压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作为颗粒的载体，颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性挤压、摩擦和剪切等作用，从而达到粉碎的目的。与普通机械冲击式超微粉碎机相比，可将产品粉碎得很细(d97 产品粒度可达240m)，粒度更均匀；又因为气体在喷嘴处膨胀可降温，粉碎过程没有伴生热量，所以粉碎温升很低。这一特性对于低熔点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。存在一些问题：设备制造成本高，一次性投资大，能耗高，能量利用率只有2左右，因而粉体加工成本太大，使得它在这一领域的使用受到了一定的限制；同时，它难以实现亚微米级产品粉碎，产品粒度在10m左右时效果最佳，在10m以下时产量大幅度下降，成本急剧上升。,3.普通球磨机 是用于超微粉碎的传统设备，其特点是粉碎比大、结构简单、机械可靠性强、磨损零件容易检查和更换、工艺成熟、适应性强，产品粒度可达2040m。但当产品粒度要达到20m 以下时，效率低、耗能大、加工时间长。例如，将珍珠磨到几百目，要十几个小时。,4.振动磨 原理：用弹簧支撑磨机体，由内带有偏心块的主轴使其振动，运转时通过介质和物料的一起振动，将物料进行粉碎。特点：介质填充率高一般为6080)，单位时间内的作用次数高(冲击次数为球磨机的45倍)，因而其效率比普通球磨饥高1020倍，而能耗比其低数倍。通过调节振动的振幅、振动频率、介质类型、配比和粒径等可加工不同粒度和粒度组成的产品。 产品的平均粒径可达23m以下，对于脆性较大的物质可比较容易的得到亚微米级产品。近年来通过实践，振动磨日益受到重视，原因就是振动磨对某些物料产品粒度可达到亚微米级，同时有较强的机械化学效应，且结构简单，能耗较低，磨粉效率高，易于工业规模生产。,5.搅拌磨 由球磨机发展而来，同普通球磨机相比，搅拌磨采用高转速和高介质充填率及小介质尺寸，获得了极高的功率密度，使细物料研磨时间大大缩短，是超微粉碎机中能量利用率最高、很有发展前途的一种设备。在加工小于20m的物料时效率大大提高，成品的平均粒度最小可达数微米。高转速搅拌磨机可用于最大粒度小于微米以下产品，在颜料、陶瓷、造纸、涂料、化工产品中已获得了成功。目前高转速搅拌磨在工业上的大规模应用有处理量小和磨损成本高两大难题。随着高性能耐磨材料的出现，相信这些问题都能得到解决。,四、前景展望,1.进一步开发保健滋补中药超微粉体 如大枣、龙眼肉、枸杞子等药食兼用的中药和花粉、孢子类等来源稀少、价格昂贵的滋补中药可提高疗效。2.开发新型的超微细中药散剂 目前散剂的加工技术多数水平较低，粉粒较大且不均匀，不利于药物的充分吸收，甚至产生局部刺激作用。采用超微粉碎技术可提高产品质量和提高药效。,3.逐步开发超微细中药粉体疗效型化妆品及日用品 如中药祛斑霜、中药美唇膏等前景十分可观。4.超微细胞与药物研制成新型的靶向制剂 将为一些疗效好而不良反应大的药物 开发与利用找到新的出路。,5.促进食品工业的深加工，提高产品附加值 提高食品的口感，且有利于营养物质的吸收；原来不能充分吸收或利用的原料被重新利用，配制和深加工成各种功能食品，开发新食品饮料，增加食品品种，提高资源利用率。,§13-3 微胶囊化技术,Microencapsulation processes,它是将固体、液体或气体包裹在一个微小的胶囊中。包封用的壁壳称为壁材；被包的囊芯称为芯材，芯材可以是单一的，也可以是复合的。囊壁厚度一般为0.1200m之间，微胶囊的粒子大小，因制备工艺及用途不同而不同，理论上可以制成0.01m1000m的微胶囊。,微胶囊食品,微胶囊的概念微胶囊技术的发展状况,微胶囊技术基础,微胶囊的心材与壁材微胶囊化方法的分类微胶囊化方法选择的依据微胶囊化的步骤微胶囊的功能,微胶囊化的方法,喷雾干燥法喷雾冷却法和喷雾冷冻法空气悬浮成膜法挤压法凝聚法复相乳液法熔化分散与冷凝法囊心交换法粉末床法界面聚合法原位聚合法锐孔-凝固浴法包结络合物法,微胶囊化香料和风味料微胶囊化酸味剂微胶囊化酶制剂和微胶囊化细胞微胶囊化防腐剂固体饮料胶囊饮料用-环糊精制取速溶茶用-环糊精脱除食品胆固醇其他方面的应用,微胶囊制品的制备及其在食品中的应用,微胶囊制备过程中常用的壁材,ContentsIntroductionApplicationWall materials of microcapsulesEncapsulated ingredients in animal productsNew capsule formsConclusion,Introduction,微胶囊化技术主要是利用一些可形成膜的物质，进行核心物质包埋及胶囊化的一种技术。目的：保护核心物质，避免直接受光、热、氧等影响而产生变化，并可依特定条件控制下释出核心物质，产生特殊的效果。,微胶囊的特性,囊壁：多由聚合物（polymer）构成，包覆与保护核心物质，常为无缝、固态的薄膜。采用天然高分子材料壳聚糖、聚赖氨酸、海藻酸钠等;大小：15000m。直径在50微米5毫米之间可控，膜厚度在120微米之间可控; 形状：以圆形为主，也有不规则形;物理形式：一般为粉末或悬浮体。,微胶囊的基本制备流程,Microencapsulation processes,Spray drying喷雾干燥法Air suspension coating空气悬浮成膜法Extrusion挤压法Spray cooling and Spray chilling喷雾冷却法和喷雾急冷法Coacervation (phase separation)凝聚Centrifugal extrusionRotational suspension separationInclusion complexation包结络合物法,Spray drying,Spray drying system,Air suspension coating,Schematic of a conventional air suspension system,Extrusion,Schematic of extrusion process,Spray cooling and Spray chilling,Spray cooling 45 67Spray chilling 32 42,Spray drying system,Coacervation (phase separation),Simple coacervationComplex coacervation,Schematic flow diagram of encapsulation process based on phase separation,Centrifugal extrusion,Particle encapsulated by centrifugal extrusion(Benoit et al., 1996; Dziezak, 1988),Rotational suspension separation,Rotational suspension separation system(Benoit et al., 1996; Dziezak, 1988),Inclusion complexation,-Cyclodextrin molecule with planar representation of structure (Dziezak,1988) -环糊精,Application,Wall materials of microcapsules-Whey protein乳清蛋白,Oxygen uptake by microencapsulated milkfat with different core loads (50-WPI, 75-WPI), and by wall (BW) and core (B-AMF) materials stored at 50 with light (A) and without light (B) (Moreau and Rosenberg, 1996),Wall materials of microcapsules-Casein 酪蛋白/干酪素,Biodegradable, harmless and cheapPrevent the UV exposure Some biological antibiotics that are very sensitive to UV light,Core: PyrrolnitrinWall: CaseinMethod: Coacervation (phase separation),硝吡咯菌素,生物所能分解的,Encapsulated ingredients,Encapsulated salt,Wall material: Hydrogenated soybean oilApplication: Meat, baking, snake food, pizza,氢化处理,Bifidobateria （双歧杆菌）,Core: Bifidobacterium pseudolongumWall: CAP (cellulose acetate phthalate)Method: Coacervation (phase separation),胃液Gastric juice: pH 1.33肠液Intestinal juice: pH 7.43MRS肉汤MRS broth: pH 6.06蛋白胨Peptone water: pH 7.13,醋酸纤维素, 纤维素乙酸酯;邻苯二甲酸盐(或酯)酞酸盐(或酯),Bifidobateria,Survival of freeze-dried B. pseudolongum in simulated gastric juice (Rao et al., 1989),Vitamins,Microencapsulated vitamins:Vit. A, B1, B2, B3, B6, B12, C, D2, D3, E, K, Biotin, Folic Acid and 维生素H, 生物素 叶酸, 维生素BCalcium Pantothenate, etc.泛酸钙Applications:Microencapesulation provides stability, tastemasking, prevents interactions and is suitable for capsule filling, tableting and different food applications.,Vitamins,Storage stability of carotene encapsulated in maltodextrin by spray-drying,Minerals,Microencapsulated minerals:Iron, copper and iodine, etc.Applications:Microencapesulation provides taste masking, avoid interactions and improve stability,Microencapsulated amino acids:Methionine蛋氨酸, valine缬氨酸, cysteine半胱氨酸, leucine亮氨酸, isoleucine异亮氨酸, glutamine谷氨酸盐, etc.Applications:Tablets, capsules, dry mixes and nutritional food applications,Amino acids,The unpleasant taste of amino acids is perfectly masked to produce “a user friendly” amino acid which can be consumed in large doses.,Flavor,Reduce the reactivity of the core with regards to the outside environment;Decrease the evaporation or transfer rate of the core material to the outside environment;Promote the ease of handling of the core material;Control the release of the core material;Taste mask风味掩饰 the core,Micrograph shows an encapsulated oil using a starch-based product ( Donald, 1998),Acidulants酸化剂,Consistent control of the acid level (pH) in fermented meats;Production rate;Protection against microbial growth;Excessive fermentation time eliminated消除过多发酵时间;Easy to use;Improved shelf-life,Acidulants,Commercial acidulants versus fermentation using the starter culture process,相关研究,New capsule forms:,Rumen stable delivery systems;Provide nutrients to the small intestinein the ruminant animal;Improved milk production.,Microencapsulated choline,“Seeded” product,This product offers a two-stage release: 1. The seeds release their contents; 2. The active ingredient in the core is released.,Browning agent,Maillard reaction;Giving food attractive color;Decreased cook time;Improved texture;Application: Meats, bread, and microwaved foods,Conclusion,Fitting wellFactors: Functional properties desired in the finished product; Type of coating material; Processing conditions; Type of release.Encapsulation can solve certain problems which cannot be solved otherwise.,超临界CO2萃取是八十年代以来国际上取得迅速发展的分离新技术，以天然产物为原料生产较昂贵的纯天然产物。超临萃取具有萃取速度快、选择性好、提取分离可在室（低）温下进行、不存在溶剂残留污染、CO2便宜等一系列优点，克服了传统的溶剂分离、水蒸汽蒸馏、压榨等分离方法存在的弊病，保存了天然产物原有的风味和营养成份，顺应了人们崇尚天然食品和回归大自然的世界潮流。超临界CO2萃取技术主要应用在香料、食品和医药工业，对于一些用常规方法难以提取和纯化的物质，超临界萃取方法更能显示其独特的优势。,§13-4 超临界CO2萃取、精制技术,Supercritical Fluid CO2 Extraction and Refining (SFE-CO2),超临界CO2的溶解能力超临界状态下， CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说由一下规律：1 亲脂性、低沸点成分可在低压萃取(104Pa), 如挥发油、烃、酯等。2 化合物的极性基团越多，就越难萃取。3 化合物的分子量越高，越难萃取。 超临界CO2的特点超临界CO2成为目前最常用的萃取剂，它具有以下特点：1 CO2临界温度为31.1，临界压力为7.2MPa，临界条件容易达到。 2 CO2化学性质不活波，无色无味无毒，安全性好。 3价格便宜，纯度高，容易获得。 因此， CO2特别适合天然产物有效成分的提取。,超临界流体萃取的特点1萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不存在物料的相变过程，不需回收溶剂, 操作方便；不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。 2压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。临界点附近，温度压力的微小变化，都会引起CO2密度显著变化，从而引起待萃物的溶解度发生变化，可通过控制温度或压力的方法达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离；因此工艺流程短、耗时少。对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。3萃取温度低, CO2的临界温度为31.265 ,临界压力为 7.18MPa, 可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发渡、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。4. 临界CO2 流体常态下是气体, 无毒, 与萃取成分分离后, 完全没有溶剂的残留, 有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染, 100%的纯天然。5超临界流体的极性可以改变, 一定温度条件下, 只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质, 可选择范围广。,前景 超临界CO2萃取分离技术是一项获得健康、高品质产品和对环境友好的高新技术，随着人们对自身健康的重视和环保意识的日益提高，可以预料超临界CO2萃取分离技术将得到广泛的工业应用，CO2萃取产品将成为人们喜爱的产品。 工艺流程及主要设备CO2气体净化-压储装置-换热装置-萃取釜-解析釜-产品,中国科学院生态环境研究中心,超临界技术实验室,931型实验室超临界流体萃取仪(10毫升),951型超临界流体萃取小试设备(2升),TK 型 超临界流体萃取中试设备(20升),温州市中制药机械设备厂萃取压力最高可达40Mpa；萃取温度为室温080，分离温度为-1080；精馏温度为室温080；上述参数也可根据用户进行适 当调整；2. 设计有一个或多个萃取釜（1升、241000升）、分离釜的不同组合方式，液体等物料的萃取研究和生产。,超临界流体萃取技术的应用 1. 在食品方面的应用 目前已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂，这种方法比传统的压榨法的回收率高，而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。2. 在医药保健品方面的应用在抗生素药品生产中，传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂，但要将溶剂完全除去，又不是要变质非常困难。若采用SCFE法则完全可符合要求。另外，用SFE法从银杏叶中提取的银杏黄酮，从鱼的内脏，骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸（DHA，EPA），从沙棘籽提取的沙棘油，从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效 3. 天然香精香料的提取 用SFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分，而且还可以提高产品纯度，能保持其天然香味，如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精，从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不仅可以用作调味香料，而且一些精油还具有较高的药用价值。啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物，具有独特的香气、清爽度和苦味。传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油，破坏了啤酒的风味，而且残存的有机溶剂对人体有害。超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景。,4. 在化工方面的应用 在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂，在Pc=100atm, Tc=400-440条件下进行萃取，在SFE溶剂分子的扩散作用下，促进煤有机质发生深度的热分解，能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外，从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。 美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把SFE法用于油料脱沥青技术。还可以用于提取茶叶中的茶多酚；提取银杏黄酮、内酯；提取桂花精和米糖油。5.在天然药物研制中的应用目前，国内外采用CO2超临界萃取技术可利用的资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、废油等。在超临界流体技术中，超临界流体萃取技术(Supercritical fluid extraction，SFE)与天然药物现代化关系密切。SFE对非极性和中等极性成分的萃取，可克服传统的萃取方法中因回收溶剂而致样品损失和对环境的污染，尤其适用于对温热不稳定的挥发性化合物提取；对于极性偏大的化合物，可采用加入极性的夹带剂如乙醇、甲醉等，改变其萃取范围提高抽提率。,超临界CO2萃取产品及其技术 * 香料类：桂皮油、茉莉花头香精油、桂花净油、丁香、八角油、小茴香油等 ； * 食品类：小麦胚芽油、姜油、芹菜籽油、芫荽籽油、花椒油、鱼油等； * 中草药类：丹参酮、厚朴酚、青蒿素、当归油、砂仁油、薏米油、紫苏籽油等 。,超临界CO2萃取产业化若干问题,超临界流体技术是近30年来引起人们极大兴趣的化工新技术，在化学反应和分离提纯领域开展了广泛深入的研究，取得了很大进展。国际上每三年召开一次超临界流体学术会议。1996年10月，我国召开了“第一届全国超临界流体技术学术及应用研讨会”，第二届研讨会将于1998年11月召开。作为新一代化工分离技术，超临界CO2萃取已列入“八*五”国家科技攻关计划。经过科技人员的努力，在医药、化工、食品、轻工及环保等领域完成了一批很有价值的课题，初步形成了一个新的产业。,装置的设计和规模,超临界流体萃取装置设计的总体要求是：1)工作条件下安全可靠，能经受频繁开、关盖(萃取釜)，抗疲劳性能好；2)一般要求一个人操作，在10 min内就能完成萃取釜全膛的开启和关闭一个周期，密封性能好；3)结构简单，便于制造，能长期连续使用(即能三班运转)；4)设置安全联锁装置。 高压泵有多种规格可供选择，值得高兴的是国产三柱塞高压泵能较好地满足超临界CO2萃取产业化的要求，但它的流量需要提高，有必要试制比40 MPa工作压力更高的新型高压泵，要搞系列化和标准化。同时，国产的适用于CO2流体的高压阀(包括手动和自动)也需进一步研究和提高。加快软件开发，采用PLC实现程序控制，PC机在线检测，提高装置的自动化和安全性。根据实践经验，结合我国的国情，我们认为，超临界CO2萃取装置宜以中小型较为实际。大型装置如单釜大于1 000l规模的就不宜盲目上马。每套装置配置23个萃取釜效率会高一些。有资料介绍，日本几家拥有超临界CO2萃取装置的公司其中大部分是中小型装置，只有一家是大于1 000 l容积的，详见下表。,日本有关公司超临界CO2萃取装置设置情况,在装置规模选择上建议注意如下两点：1.1根据生产对象选型：超临界萃取装置是一种分离技术的通用设备，作为一个企业，应根据经营目标和经营范围确定规模。例如，我们曾在一家食品公司工作，实践中体会到中型超临界萃取装置基本可满足生产需要。对某些产品，例如茶叶脱咖啡因或者提取啤酒花浸膏则需大型装置，笔者曾在瑞士参观过一家公司拥有的3×3 000 升装置就是例证。1.2决定装置规模：不仅要考虑技术上可行，而且更要考虑经济上可行。超临界萃取属高压设备，投资费用昂贵，规模越大，投资费用越高，这是一项风险投资。一般说来在35年内能够回收投资就是一个成功的项目，否则规模选择不当会造成企业经营的一个包袱，把好事办成坏事。,大连光明超临界技术开发中心大连光明超临界技术开发中心座落在大连高新技术产业园区，是一家致力推广超临界二氧化碳萃取技术及装置的高新技术企业，承担的国家攻关项目超临界二氧化碳萃取装置的研究与开发获国家八五科技攻关重大成果奖、科技进步二等奖，被列入国家级重大成果推广计划，可向用户提供1500升超临界萃取装置及相关的技术服务。 （2003年报价：1升装置, 17-25万元）,办公地址：大连甘井子区甘北路34号 邮编：116031传真：86 0411 6786317 移动电话：13941174163电话：86 0411 6672081-2008,萃取釜问题,按有关资料规定，以PN 10.0100.0 MPa为高压。目前国产萃取釜最高工作压力以32.0 MPa居多，但也有例外，我们正在设计的最高工作压力为50 MPa的萃取装置是为了提取某中药成分的。对于不同形态物料需选用不同的萃取釜。萃取釜结构的一个重要参数是长径比，对于固体形态物料，其长径比约在1415之间，对于液体形态物料其长径比约在110左右。前者装卸料是间歇式的，后者进卸料可以连续式。中草药萃取多为固体(切制成片状或捣碎成粉粒状等)，将物料装入吊篮内。如果物料是液体(例如传统法人参提取液脱除溶剂)，釜内尚需装入不锈钢环形填料。间歇式装卸料采用快开盖装置结构的釜盖。目前，国内全膛快开盖装置常用的有三类：一类是卡箍式，另一类是齿啮式，还有一类是剖分环式。卡箍式快开盖装置又可分为三种，一是手动式，即靠逐个拧紧或松开螺栓螺母；二是半自动式，靠手柄移动丝杆驱动卡箍；三是全自动式，靠气压/液压装置驱动卡箍沿导轨定向滑动。齿啮式快开盖装置也有两种，内齿啮式和外齿啮式。全自动卡箍式快开盖装置完成一次操作周期(即开盖、取出吊篮、放进装有物料的另一吊篮、关闭釜盖)约需5 min；齿啮式快开盖装置完成一次操作周期约需10 min。,萃取釜能否正常的连续运行在很大程度上取决于密封结构的完善性。当介质通过密封面的压力降小于密封面两侧的压力差时介质就产生泄漏，萃取釜就无法正常工作。由于CO2对橡胶的穿透性强，大多数用橡胶做密封的萃取装置，不管是采用什么规格型号的橡胶，通常只能使用35次就要更新。对于工业化萃取釜宜用卡箍结构釜盖，采用自紧式密封。我们使用一种新的密封材料，经过改进的O形环密封圈，密封效果好，装拆方便，便用寿命长，连续使用可达300次以上。吊篮与萃取釜之间的密封也是非常重要的，它直接影响到出品得率。设计萃取釜时，还要考虑到吊篮的装卸方便和安全问题。吊篮可以是组合式的。萃取釜是超临界萃取装置系统中的关键设备，承受压力高，研制高强度特种钢材，减小釜壁厚度，节省材料和费用很有必要。目前世界各国正在研究的高纯度特种钢就是例证。与萃取釜配套的分离釜研究正同步进行之中，以适应工业化生产的目的。分离釜可根据分离目的设置一级分离或多级分离。对于中草药，有时要三级、四级分离。分离可结合精馏、吸附等多种工序，达到提取、分离与纯化的目的。,装置的转产,超临界CO2萃取装置存在一个转产问题。为了防止交叉污染，实验室装置的清洗是容易实现的。但是工业化装置的清洗就困难多了，需要投入更多的人力、物力、财力，如果不充分认识这一点的艰巨性和重要性，清洗不彻底，可能会造成更大的浪费和损失。从工程设计考虑，为了防止高压泄漏，管件连接形式尽可能采用固定的，即焊接连接。但从生产实际调整产品结构考虑，尽可能采用螺纹法兰连接也许是最适宜的，便于拆洗。清洗的方法要根据不同对象而选定，统一不变的通用方法是没有的。可供选择的方法如下：1)热碱水自来水稀酸(如HNO3，但不能用HCl)去离子水；2)洗洁剂(如Nine×24+偏硅酸钠+氢氧化钾+水)去离子水；3)下列任何一种溶剂或它们的几种溶剂混合物(乙醇、己烷、松节油、丙酮、汽油、四氯化碳)去离子水；4)酒精+阿摩尼亚水+汽油去离子水；5)加有改性剂的CO2。洗涤溶液入口阀门设置在装置的最高点，出口为各釜的排放阀及管道的最低点排放阀，也可以用泵打循环的方法进行清洗，最后用氮气吹扫，再转入下一轮新产品的萃取。对于中草药全草萃取，必然会遇到叶绿素、蜡质等“杂质”像沥青一样粘着在设备和管道内壁，即使用上述方法清洗效果也不很理想，我们采用碱性高压蒸汽冲洗，发现其效果很好，不过需要添置辅助设备。工业化大型装置的清洗工作不是轻易就能搞好的，要费些时间，考虑到经济上的原因，经常转产会使成本提升，设备利用率下降，频繁转产是不可取的。但是，即便不转产，设备和管道也要每年至少清洗1次。,</p>
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