（化学工程专业论文）软饮料胶囊及中药胶囊的研究.pdf

中文摘要 本文主要研究了双锐孔法制备胶囊的工艺过程及方法，采用海藻酸钠为壁 材，c a c l ：水溶液为固化液，以市场销售的食物油为芯材。在实验中，分析了芯 壳比( 体积) 、下滴高度、下滴速度、海藻酸钠溶液浓度等实验参数对于粒度分 布、平均粒径、囊壳厚度、包封率、产率等产品特性参数的影响，并确定了胶囊 化的最佳工艺条件。最后，初步研究了用该方法制备中药胶囊的可行性。 关键词：锐孔法胶囊软饮料中药 a b s t r a c t t h ea r t i c l er e l a t e st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e sa b o u tm a n u f a c t u r i n g c a p s u l e sw i t hp i e r c i n gm e t h o do fd o u b l eh o l e su s i n gs o d i u ma l g i n a t e ，c a c l z a n dv e g e t a ti v eo i l i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r s ，s u c h a sv o l u m er a t i 0o fc o r et os h e l l ，h e i g h t ，s p e e da n dc o n c e n t r a t i o no fs o d i u m a l g i n a t e ，t ot h ec h a r a c t e ro fp r o d u c t ，f o re x a m p l e ，d i s t r i b u t eo fd i a m e t e r a v e r g g ed i a m e t e r ，t h i c k n e s so fs h e l l ，e n v e l o p i n gr a t i oa n dp r o d u c i n g r a t i 0a n ds oo n ，a r ea n a l y z e d a n dd e t e r m i n e st h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a c o n d i t i o n so fm a k i n gc a p s u l e s a tl a s t ，p r i m a r ys t u d i e so fm a n u f a c t u r i n g c a p s u l e so f c h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e w i t ht h es a m em e t h o da r e p e r f o r m e dt ot e s tt h ef e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：p i e r c i n gm e t h o d ，c a p s u l e ，b e v e r a g e ，c h i n e s et r a d i t i o n a l e m e d i c i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：烈乏良 签字日期：。f 年月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密霸适用本授权说明) 学位论文作者签名：4 毫孓 签字日期：“年月认日 导师签名：1 签字日觏：。，年f 玛1 日 天津大学硕士学位论文 胶囊工艺在工业领域已经应用了几十年，遍布医药、食品、燃料、燃料等多 个行业。胶囊化方法多种多样，合成胶囊的材料多种多样。时至今日，胶囊工艺 已经成为使用广泛而成熟的重要工艺之一。而软饮料市场近期不断推陈出新，除 传统的果汁饮料、碳酸饮料、矿泉水等饮料又有新品种以外，功能型饮料的出现 成为软饮料业的一大亮点。从消费者的消费趋势来看，健康饮食越来越成为更多 的消费者所追求的目标之一，而功能型饮料正是因为含有营养物质而成为了软饮 料界中的新贵。但是，营养物质并不是都能溶于水的，许多蛋白类、油脂类的大 分子物质在水溶液中是不能溶解的，而油性饮料在国内外还没有一个成功的先 例，这说明人们的消费心理还是趋向于水性饮料。将不溶的营养物质胶囊化解决 了这个难题。一方面，饮料里放进了营养物质，形成了类似珍珠奶茶式的新型功 能饮料，符合消费者对于功能型饮料的趋势；另一方面，营养物质通过胶囊化， 被保护了起来，不与环境相接触，可以更长久的保存，直接通过饮用摄入。可以 预见，只要口味适合，胶囊型软饮料必然在未来的市场上占有一席之地。本实验 采用双锐孔法作为制各胶囊的方法，对于制备工艺做了一定的探索和研究，并对 于产品的性能做了测定，通过探讨实验参数和产品性能之间的关系，确定了在本 实验条件下的最佳实验条件。另外，本实验还探索了胶囊工艺在中药方面的应用， 并得出了相关的成果。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 软饮料的发展历程和市场现状 1 l 1 软饮料发展历程 广义的软饮料是指非酒精类的饮用品的统称，包括茶、咖啡、苏打水、果汁、 矿泉水等等。软饮料诞生甚至比酒的问世更加久远，可以说它是伴随着人类一起 出现的。随着时代的变迁，软饮料的种类也越来越多样化，并且因为地域的不同 而具有了不同的特点。 果汁是最早的软饮料，直到现在，在饮料市场上依然占有相当大的份额，因 各地的水果的不同而具有不同的口味。东方人对茶的偏爱有着久远的历史，不仅 作为饮用品，茶文化在东方人的历史中也占有十分重要的地位。而在西方，咖啡 却是大部分人的最爱。和这些前辈相比，苏打水还是一个青年，但是其独特的口 味已经征服了全世界的饮用者。矿泉水的出现和现代倡导的健康饮食，回归自然 的概念密不可分，作为新兴的饮料家族的一员，其旺盛的生命力也是不可小视的 。 1 1 2 软饮料的市场现状 软饮料的种类繁多，不可尽数，从市场角度看，大体有以下几个特点： 1 它是一种大众消费品。 2 它是一种经常性消费品。 3 它是一种小量消费品。 4 它是一种低价位消费。 5 它也是一种大量消费品。 6 它是种感性消费品。 近年来，随着国内软饮料生产厂家的大量涌现和国外软饮料厂家的积极涌 天津大学硕士学位论文 第童文献综述 第一章文献综述 1 1 软饮料的发展历程和市场现状 1 1 1 软饮料发展历程 广义的软饮料是指非酒精类的饮用品的统称，包括茶、咖啡、苏打水、果汁、 矿泉水等等。软饮料诞生甚至比酒的问世更加久远，可以说它是伴随着人类一起 出现的。随着时代的变迁，软饮料的种类也越来越多样化，并且因为地域的不同 而具有了不同的特点。 粜汁是最早的软饮料，直到现在，在饮料市场上依然占有相当大的份额，凶 备地的水果的不同而具有不同的口味。东方人对茶的偏爱有着久远的历史，不仅 作为饮用品，茶文化在东方人的历史中也占有十分重要的地位。而在西方，咖啡 却是人部分人的最爱。和这些前辈相比，苏打水还是一个青年，但是其独特的r _ l 味已经征服了全世界的饮用者。矿泉水的出现和现代倡导的健康饮食，回归自然 的概念密不可分，作为新兴的饮料家族的员，其旺盛的生命力也是不可小视的 【1 1 1 1 2 软饮料的市场现状 软饮料的种类繁多，不可尽数，从市场角度看，大体有以下几个特点 l 它是种大众消费品。 2 它是一种经常性消费品。 3 它是一种小量消费品。 4 它是一种低价位消费。 5 它也是一种人量消费品。 6 它是一种感性消费品。 近年来，随着围内软饮料生产厂家的大量涌现和国外软饮料厂家的积极涌 近年来，随着围内软饮料生产厂家的大量涌现和国外软饮料厂家的积极涌 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 入，在传统软饮料市场上的竞争日趋激烈，已基本处于饱和状态。面对这一局面， 大多数的软饮料厂家向多元化的方向发展，即开发多种不同性质、不同功能的软 饮料，9 0 年代的矿泉水热潮，2 0 0 0 开始的水果蔬菜原汁热潮，以及2 0 0 4 年的功 能性饮料热潮就是这一战略方针的具体体现。 1 1 3 软饮料的发展趋势 1 多元化发展趋势更加明显。 2 赢科技技术的应用更加普遍。 3 营养型软饮料的市场份额扩大 2 1 。 1 1 4 胶囊型软饮料的前景 迎合市场的需求，随着胶囊技术的应用范围曰益广泛，胶囊型软饮料的诞生 已成为必然。和传统的软饮料相比，胶囊型软饮料具有以下优势： 1 当前软饮料市场上还没有胶囊型软饮料出现，作为个新面孔，它的 出现符合多元化的市场趋势，同时也迎合了现在消费者求新求异的心 理。一 2 胶囊化技术的应用日趋成熟，在食品工业中的应用也非常广泛，从技 术角度看，并不存在太大的难关。 3 目前软饮料市场上的营养型、功能性饮料中的营养成分多为水溶性， 一般多采用直接溶解的方式，许多不能溶解于水中的营养物质无法通 过饮用得到。而胶囊型软饮料能够克服这一缺点，通过胶囊的包裹， 使得营养物质能够长期存在于水性溶液中。 综上所述，胶囊型软饮料的市场前景相当乐观，应该具有强大的市场号召力。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 胶囊化技术概论 1 2 1 胶囊化的历史 包囊工艺在许多工业领域已经应用了许多年。机械包囊技术的历史可以追述 到1 9 世纪。制药工业是这个领域的先驱。制药工业开发了大的明胶胶囊，以作 为药物的一种特殊剂型。很多制药公司都应用了将药丸或药物固体颗粒涂层的技 术。很多机械涂层工艺，例如：盘涂、喷雾冻结、流化床等工艺，可用于制药工 业【3 】。 在2 0 世纪4 0 一5 0 年代人们越来越需要粒度更小的胶囊，而且要求能够提 高对于液体的保护性能及胶囊含量。当时比较有影响的是广为人知的“牢固的” 香料或喷雾干燥香料。然而这些类型的胶囊产品不是单芯的胶囊，而是具有类似 海绵的微小结构。这种开放的结构通常需要比较高的壳含量( 质量) ，芯材料的 含量低( 质量) ，同时不足以保护敏感的芯材料【4 】。 1 。2 。2 胶囊化的目的和意义 无论物质是具有亲水性还是具有亲油性，大多数气体、液体、固体均可以被 包囊。可以根据芯的物理性质和胶囊的应用来选择壳材料，一般可以选用天然或 合成高分子材料l ”。 广义地讲，胶囊具有改善和提高物质外观及其性质的能力。胶囊之所以被广 泛地应用于工业品，是由于通过对物质进行胶囊化可以实现许多目的：可改善被 包囊物质的物理性质；提高物质的稳定性，使物质免受环境的影响，改善被包裹 物质的反应活性、耐久性、压敏性、热敏性和光敏性：减少有毒物质对环境造成 的不利影响；使药物具有靶向功能；屏蔽气味；降低物质毒性；根据需要持续释 放物质进入外界环境；将不相容的化合物隔离等。 上述功能使得胶囊成为许多工业领域中的一种有效的商品化方法。通常胶囊 中包含的物质在控制条件下释放到周围环境中，但有时芯材料被包裹后直接以粉 末状形式应用。胶囊化的目的主要有以下7 点。 1 改善物质的物理性质 2 控制释放 3 提供稳定性，保护芯材料免受环境影响 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 4 降低对健康的危害，减少毒副作用 5 屏蔽味道和气昧 6 气味控制释放 7 用于特殊目的的不相容性物质的分离 到2 0 世纪7 0 年代中期，微胶囊技术已经在医药、农业和化工等方面得到了 广泛的应用。鉴于微胶囊化带来的巨大优越性，目前越来越多的科学工作者正把 微胶囊技术应用于更为广泛的领域中，来改善物质传递体系的运行，而且未来还 可能有其他用途。 1 2 3 胶囊化方法概述 胶囊化的技术与实践涉及多个学科，主要包括物理和胶体化学、高分子化学 及物理、材料科学、分散与干燥技术、胶囊的应用技术。这些领域中很多方面实 际上经常互相影响。 要想更好地了解和应用胶囊化技术，将已知的胶囊化方法进行分类是十分必 要的。对于已知的微胶囊化方法的了解，有助于决定采用何种胶囊化方法。通过 对于胶囊化的下列特征的了解，可以对胶囊化方法加以区分。 ( 1 ) 芯材料的性质。 ( 2 ) 壳材料的来源。 ( 3 ) 胶囊化介质。 ( 4 ) 胶囊的成形是通过一步还是多步方法完成的，包括调整形状、溶剂化等。 ( 5 ) 胶囊的囊壳性能。 ( 6 ) 胶囊具有单层还是多层的结构。 ( 7 ) 胶囊的应用要求。 ( 8 ) 胶囊化的原理属于化学，还是属于物理化学的。1 1 2 3 1 胶囊化方法的分类 用于制各胶囊的方法很多，目前文献报道的大约有2 0 0 多种，这些方法在细 节方各不相同。对于包囊工艺的分类主要有3 种方法：根据涂层方法进行分类， 根据悬浮介质的性质进行分类，根据胶囊壳材料的原料类别进行分类”1 。 1 根据涂层方法进行分类 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 根据途层方法进行分类，可以将胶囊的制备方法大致分为7 类，每类方法 根据所包裹囊芯材料的不同，所制胶囊应用性质的不同，可以应用于不同的工业 生产领域。胶囊粒径的大小与胶囊制造方法有着十分密切的关系，见表卜l 。 另外，也可以根据涂层方法的不同，将胶囊化分为化学法、物理法和物理化学法。化 学法主要包括界面聚合法、原位聚合法和锐孔法；物理化学法主要包括水相相分离法、油相 相分离法、干燥浴法等：物理法主要包括空气悬浮法、喷雾干燥法、真空蒸发沉积法等。 表卜1 胶囊的制造方法及相应的粒径喀1 t a b l e l 一1m a k i n g - m e t h o r da n d d i a m e t e ro fc a p s u l e 胶囊化工艺芯材料粒径范围u m 相分离法固体，液体 2 1 2 0 0 界面聚合法固体，液体 2 2 0 0 0 0 喷雾干燥和冻结法固体，液体 6 6 0 0 离心挤压法固体，液体 l 5 0 0 0 气体中悬浮包裹法固体 3 5 5 0 0 0 静电沉积法固体，液体 1 5 0 盘涂法固体 6 0 0 5 0 0 0 2 根据悬浮介质的性质进行分类 早期人们将胶囊方法分为化学法或物理法，这种分类方法存在一定的局限。 有许多称作化学法的工艺中包括物理现象，而称作物理法的工艺也应用了化学现 象。可根据悬浮介质的性质，将包裹方法分类为a 型工艺( 液态悬浮介质) 和b 型工艺( 气态悬浮介质) 哼1 。很多a 型工艺和b 型工艺是类似的。 大多数胶囊化体系可以结合几卜工艺。在实际应用中工艺的选择必须考虑体 系的物理性质。 3 根据壳材料的原料类别进行分类 很多单体和聚合物材料可以通过很多不同的聚合方法和微胶囊化工艺用于 制备胶囊。以单体为原料的主要胶囊化技术包括悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合 等。以聚合物为原料的主要胶囊化技术包括悬浮交联、凝聚一相分离、溶剂蒸发 萃取等。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 实际上，通过原料和制备技术的适当组合，可以制备具有各种不同组成和形 态特征的胶囊。在某些情况下，可以采用两种不同的制各技术来制备非常近似的 胶囊。有时采用同一种制备工艺，加工程序的变化也会导致形成多种不同外形的 产品。一般来说，制备技术的选择很大程度上取决于所使用的聚合物材料的性质 【1 】 o 1 - 2 3 2 本实验所涉及的胶囊化方法的基本原理 1 锐孔法 锐孔法是用来制备聚合物胶囊的方法，主要由3 个步骤组成。形成液滴。 将芯材料在聚合物溶液中溶解或分散，通过锐孔在重力和表面张力的共同作用下 形成液滴。聚合物交联。通过加入交联剂，在适当温度下，在稳定的搅拌混合 条件下使得聚合物液滴固化。产品回收。通过浮选、过滤或离心的方法回收胶 囊并且用适当的溶剂洗涤并除区残存的物质”们。 2 、溶剂一非溶剂法 溶剂一非溶剂法是先将芯材料溶于有机溶剂中，再加入一种对芯材料不溶的 溶剂( 非溶剂) ，引起相分离，而将芯材料包裹成囊或成球。芯材料对溶剂和非 溶剂均不溶解，也不起反应。使用疏水囊材，要用有机溶剂溶解，疏水的芯材料 可与囊材混合溶解，如果芯材料是亲水性的，不溶于有机溶剂，可混悬在囊材溶 液中。加入争夺有机溶剂的非溶剂使囊材降低溶解度而从溶液中分离，形成囊膜 或囊球，过滤，除去有机溶剂即得胶囊或囊球。 3 、液中干燥法 从乳状液中除去分散相和挥发性溶剂以制备胶囊( 球) 的方法称为液中干燥 法，亦称溶剂挥发法。液中干燥法的干燥工艺包括两个基本过程，溶剂萃取过程 和溶剂蒸发过程。按操作，可分为连续干燥法、间歇干燥法和复乳法，前二者应 用o w 型、w o 型及0 1 0 型乳状液，复乳法应用w o w 型或o w o 型复乳。 以制备w o w 型复乳为例。先将壁材原料溶于有机溶剂制成油相溶液，将芯材 料溶于水制得水相溶液，在搅拌的条件下将两相均匀混合形成w o 型乳状液，冷 却以增大水相粘度，在搅拌的条件下加入含亲水性乳化剂的水作连续相制备 w o w 型复乳，然后蒸发除去材料的溶剂，最后分离、干燥得胶囊。 1 2 3 3 胶囊化工艺的选择 设计胶囊化工艺必须要全面地考虑整个系统：胶囊本身、释放机理以及各个 组分的有效利用率。如果要获得令人满意的结果，那么这些参数均要优化。用于 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 制备胶囊的方法很多，目前文章报道的大约有2 0 0 多种，这些方法在细节方面各 不相同，这些细节主要包括芯和壳聚合物的溶解度、胶囊粒度、壳厚度、壳渗透 性、芯物质释放类型及速度、物理性质以及制造的经济成本1 。 1 基本出发点 当考虑产品微胶囊化所需要的某些体系时，我们首先要考虑以下问题：如 果某产品要胶囊化，芯材料( 活性物及芯介质，后者是溶剂) 的性质：所需胶 囊化产品的性能；适宜的制造费用( 超过未胶囊化材料) 。 对于胶囊化技术的选择最重要的是选择用作胶囊膜的聚合物。影响胶囊壳材 料聚合物选择的因素包括： ( 1 ) 针对最后应用，聚合物的食用价值或其他方面； ( 2 ) 聚合物形成具有适宜物理性质和适当厚度的膜的能力； ( 3 ) 聚合物的溶解性； ( 4 ) 使用方便、具有适宜的经济合理的胶囊制造方法，所制得的聚合物具有 理想的化学、物理及物化性质； ( 5 ) 所形成的胶囊膜表面有固化的可能性，从而得到具有非粘性表面的固化 胶囊。 在选择实际应用的胶囊制备工艺时，必须综合考虑以下的一些物理性质。 ( 1 ) 芯材料的润湿性。 ( 2 ) 芯材料的溶解性。 ( 3 ) 胶囊壳的可塑性及弹性是由胶囊壳聚合物的性质、壳的厚度、胶囊的尺 寸决定的。 ( 4 ) 胶囊壳的渗透性取决于不渗透胶囊壳的破裂或渗透性胶囊壳的控制释 放，这一性质影响产品的经济性及贮藏期。 ( 5 ) 胶囊壳聚合物的粘合性受溶液温度和浓度影响。取决于壳聚合物的物理 性质。胶囊形成过程中的粘性和喷雾干燥过程中的粘稠性是影响胶囊制造和贮存 的主要问题。 ( 6 ) 胶囊产品的用途。 ( 7 ) 适宜的制造成本。 在充分考虑以上这些因素的基础上，应进一步考虑影响胶囊体系的因素。例 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 如：要选择有适当机械强度的聚合物，降低壳的厚度，增大胶囊粘度，以提高“有 效性”。每个活性物单元具有越小的表面积，则胶囊的渗透消耗会降低。 2 胶囊壳材料的选择 胶囊壳材料的选择对于胶囊产品性能影响起到决定性作用。针对不同的 应用，对于胶囊囊壁材料有不同的要求。选择胶囊囊壁材料的出发点是要考虑被 包囊物质的性质，胶囊产品的应用性能要求，聚合物对于被包囊物质以及对于周 围介质的溶解能力，聚合物的弹性、韧性、渗透性、熔点及玻璃化温度、溶解性 及单体的性质。 选择胶囊壳聚合物必须考虑的因素如下。 ( 1 ) 聚合物壳的弹性。 ( 2 ) 聚合物壳的渗透性。 ( 3 ) 聚合物壳的可降解性。 ( 4 ) 制备胶囊时，必须避开聚合物呈粘性或弹性的浓度及温度条件，以便于 降低胶囊壳的固化难度。 不同制备方法所得到的胶囊壳的性能有所差别。一般来说，界面反应制得的 以聚氨酯、聚酯、聚脲等作囊壁材料的胶囊致密性好；以流动床法、喷雾干燥法 制得的胶囊产品致密性差，且颗粒直径相对来说较大；而以水溶液相分离法制得 的以明胶作胶囊壁材料的胶囊机械强度差，有一定的缓释性。 目前，可以作为胶囊囊壁材料的物质有：天然高分子材料具有无毒、成膜性 好等特点；半合成高分子材料的优点是毒性小、粘度大、成盐后溶解度增加，缺 点是易水解不耐高温；全合成高分子材料其特点是成膜性好，化学稳定性好“”。 胶囊化系统的设计必须立足于整个系统，包括胶囊本身，释放机理和活性组 分的最终用途。要得到满意的产品，工艺参数必须优化。胶囊化方法在细节上各 不相同。 1 3 胶囊的性质 1 3 1 基本概念 1 3 1 1 胶囊的组成 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 包囊指将固体颗粒、液体微滴或气体作为胶囊的芯材料，在其外形成一层连 续而薄薄的包囊的过程。俘获指用胶体、晶体等模块俘获胶囊的过程，少量被俘 获成分可能会暴露于表面。 胶囊是由天然或合成高分子制成的微型容器。胶囊化是指用涂层薄膜或壳材 料敷涂微小的固体颗粒、液滴或气泡。含固体粒子的胶囊的形状几乎与囊内固体 形状一样，而含液体或气体的胶囊的形状是一般球形的。 胶囊是由被包囊材料和包囊材料组成的。包于内部的材料一般称作活性物、 活性剂、芯材料、内相、核、有效载荷或填充物。包囊材料通常称作壁、载体、 壳、涂层或膜，它可以是有机聚合物、水溶胶、糖、蜡、脂肪、金属或无机氧化 物等。 随着被包囊材料性质的不同，以及制各胶囊产品方法的不同，胶囊的形状和 结构变化较大。对于连续的芯材料被连续的涂层环绕的胶囊称为单油滴或单芯。 对于具有芯材料被分成若干部分，嵌在壳材料的连续相中结构的胶囊称为絮集或 模块形式，其中包括多核、多核无定形、微胶囊簇等情况。连续芯材料被多层连 续的涂层环绕的胶囊称为多膜胶囊。对于用连续的壳材料包囊多个胶囊的胶囊称 为复合胶囊。 l3 1 2 应用形式 胶囊化产品可以以干燥、易流动的粉末形式或以浆料形式加以应用。被包囊 的物质可以是单一化合物，也可以是混合物。胶囊的芯可以是被包囊原料本身， 也可以是它的溶液、乳液或悬浮液( 即被包囊原料在介质中分散) 。由于胶囊化 有许多优点并能改善产品的性质与应用，所以很多物质可以被胶囊化。 按照壳材料与芯材料性能的不同，可以将胶囊按用途主要分为下列几种类型 1 3 】 o ( i ) 缓释型胶囊 ( 2 ) 压敏型胶囊 ( 3 ) 热敏型胶囊 ( 4 ) 光敏型胶囊 ( 5 ) 膨胀型胶囊 1 3 l3 胶囊材料 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 芯材料。3 无论是亲水性还是亲油性，大多数气体、液体、固体均可以被包囊，其中主 要包括溶剂、增塑剂、酸和碱、助剂、胶粘剂、色素、香料、食品、药物、农用 化学品、记录材料、生物材料类、燃料类、防锈剂等。 2 壳材料 很多种无机材料和有机材料均可用作壳材，但高分子材料最为常用。表卜2 中列举了用于制备比较重要的胶囊的壳材料“”。 目前，可以作为胶囊囊壳材料的物质有许多，主要分为天然高分子材料、半 合成高分子材料和全合成高分子材料。要根据芯材的物理性质来选择适宜的壳 材，如果芯材是亲油性的，则宜选用亲水性聚合物作壳材；当取水溶性的物质作 芯材时，则应选用非水溶性的合成高分子材料作壳材“1 。 表1 2 用于制各重要胶囊的壳材料 t a b l e l 一2s h e l1m a t e r i a lo fm a k i n gi m p o r t a n tc a p s u l e 壳材料食用性化学类别包囊工艺 应用 阿拉伯胶可食多糖喷雾干燥食品香料 明胶可食蛋白质喷雾干燥 维生素 明胶一阿拉伯胶不可食蛋白质一多糖复合凝聚无碳纸 物 乙基纤维素 可食 纤维素酯w u r s t e r i 艺或 口服药物 聚合物一聚合物 不相容法 界面聚合 聚脲和聚酰胺 不可食 交联聚合物 农用化学品 原位聚合 氨基塑料不可食交联聚合物无碳纸，香料和 喷雾干燥或脱胶粘剂 麦芽糖糊精可食低分子量碳水化合溶剂法香料 物流化床 氢化植物油 可食甘油酯食品组分 ( 1 ) 天然高分子材料 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 可以用于胶囊囊壳材料的天然高分子材料主要是蛋白质类和植物胶类，其中 主要包括：明胶、阿拉伯树胶、琼脂等。这些天然高分子材料具有无毒、成膜性 好等特点。 ( 2 ) 半合成高分子材料 可以用于胶囊囊壳材料的半合成高分子材料主要是纤维素衍生物，例如羧甲 基纤维素、羧甲基纤维素钠、邻苯二甲酸醋酸纤维素等。其特点是毒性小、粘度 大、成盐后溶解度增大；由于易水解，故不宜高温处理，需在临床时现配制。另 外，还有氢化牛脂、氢化蓖麻油、十四醇等油类。 ( 3 ) 全合成高分子材料 可以用于胶囊囊壳材料的全合成高分子材料分为可生物降解的和不可生物 降解的两类，主要包括聚氯乙烯、聚丁二烯、聚醋酸乙烯等。全合成高分子材料 的特点是成膜性好，化学稳定性好。 ( 4 ) 无机材料 可以用于胶囊囊壳材料的无机材料包括硫酸钙、石墨、硅酸盐等。 1 3 2 胶囊的物理性质 胶囊有许多种外形与结构，胶囊的特征参数包括粒径大小，粒度分布，外形， 活性物的含量、组成及其分布，贮存稳定性，芯材料释放速度和其他参数“5 ，1 6 1 。 1 3 2 1 粒度分布 胶囊的粒度总是不一致的，而且变化范围相当宽。工艺参数条件的变化对于 最终产品的粒度分布影响很大。可以采用许多粒度测量技术来测定粒度分布，人 们曾经用显微镜和计数器研究了胶囊的粒度分布。 在胶囊化工艺中，一般首先是将芯材料分散成细粒，然后再用胶囊的壳材料 包敷。在细分被包封的芯材时，若芯材为液态，而胶囊化所用介质也为液态，则 可应用乳化法，即可采用机械搅拌、超声振动或其他的手段。如果胶囊化所用介 质为气体，则可应用喷雾法、离心力法、重力法或流化床法等方法细分芯材料。 如若芯材为固态，可将其研磨成粉末并过筛；亦可将其先制备成溶液，然后按照 纯液态芯材的情况，以同样的方式形成小液滴。对于芯材料为固态的情况，胶囊 的粒径取决于初始的芯材料颗粒的粒径。对于芯材料为液态的情况，胶囊的粒度 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 取决于初始液滴的形成情况。 通过实验发现，影响胶囊粒度分布的主要因素包括乳化条件、反应原料的化 学结构、聚合反应温度、粘度、表面活性剂的浓度和类型、容器及搅拌器的构造、 有机相和水相的量。 1 悬浮参数的影响 在两相悬浮液体系中，液滴的形成是一个动力学过程，在几分钟或更长时间 内，液滴的粒度分布趋向于稳定状态。在稳定状态下，粒度分布的关键因素是悬 浮混合物被搅拌或混合的均匀性，这种均匀性取决于容器和搅拌器的结构设计。 搅拌或混合越均匀，液滴及最终胶囊产品的粒度分布越狭窄。 2 反应器设计的影响 悬浮介质中粒度分布取决于容器和搅拌器的构造。 3 乳化条件的影响 4 原料化学结构的影响 5 聚合反应温度的影响 聚合温度升高也会对粒度分布产生显著影响。这是因为温度升高聚合速率加 快，作为胶囊壳材料的聚合物的分子量也会提高。胶囊的粒度与膜聚合物的特性 粘度具有密切关系。当特性粘度减小时，会导致胶囊粒度的增大。通过降低反应 物的浓度或在双官能团反应物溶液中加入单官能团反应物作链终止剂，可降低聚 合物的特性粘度。 6 粘度的影响 粘度对于胶囊产品粒径及其分布的影响主要包括两方面：被包囊液滴相的粘 度影响以及分散、悬浮介质的粘度的影响。 ( 1 ) 被包囊液滴相粘度的影响 在液滴相中，液滴浓度越高，粘度越大，越容易形成大液滴，这是因为液体 粘度越大越难以打碎成小液滴。表1 - 3 表明在异戊烷中进行白蛋白悬浮交联时， 液滴相粘度对于蛋白质微粒粒径的影响【1 7 j 。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 3 液滴相粘度对于蛋白质微粒粒径的影响 t a b l e l - 3i n f l u e n c et od i a m e t e ro fp r o t e i nc a p s u l eb yi n u e o s i t yo fl i q u i d 白蛋白浓度相对粘度平均粒径白蛋白浓度相对粘度平均粒径 mu m o 1 0 2 1 0 2 0 55 5 51 4 3 4 0 2 05 0 07 5 ( 2 ) 悬浮介质粘度的影响 人们研究了在环己烷中乙基纤维素凝聚时，稳定剂聚异丁烯( p 1 b ) 的浓度 对于液滴粒度的影响，结果见表1 - 4 。这些数据表明凝聚介质的粘度对于液滴粒 度的影响较大。 液滴稳定性的提高以及介质粘度的增加均会降低粘度。但是数据表明，主要 影响因素是悬浮介质的粘度，悬浮介质的粘度越高，液滴粒径越小。 表1 - 4 稳定剂聚异丁烯的浓度对于液滴粘度的影响 t a b l e l 一4i n f l u e n c et om u c o s i t yo fd r i pb ys t a b i l i t yr e a g e n t p i b 浓度2 5 。c 时粘度m p a s凝聚液滴的平均直径um 3 0 m i n 后2 4 h 后 0 31 3 4 51 8 31 8 0 53 1 5 01 5 8 6 56 5 o o1 5 2 77 6 2 4 1 5 1 1 4 7 81 3 1 o o1 1 3 91 9 5 0 08 7 1 02 8 4 4 03 23 3 ( 3 ) 包囊材料的粘度 这种影响与聚合物溶液的浓度有关。聚合物分子量越高，其溶液粘度越高， 液滴及胶囊的尺寸越大。需要注意的是聚合物分子量同样会影响胶囊的孔隙率和 释放性能【1 9 】。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 5 聚合物及芯材料的浓度对于包含顺氯氨铂聚乳酸微胶囊粒度的影响 t a b l e l 5 i n f l u e n c e t od i a m e t e r o f c a p s u l e b y t h i c k n e s so f p o l y m e ra n dc o r e m a t e r i a l 序号聚合物浓度芯材料浓度粒度“1 t 1 17 1 622 4 2 2 1 2 8 9 52 2 42 8 0 31 0 7 4 2 2 43 3 9 48 ，9 50 9 81 7 0 58 9 52 2 42 8 0 68 9 55 9 03 3 1 表1 5 数据表明，随着聚合物和芯材料浓度的增加，粒度也会增大。对于这 两个因素来说，相对于芯材料的浓度而言，聚合物浓度对粒度的影响更显著。这 很明显地表明了粘度的影响。 1 3 2 2 囊膜厚度 一般来说，胶囊中芯材料的含量为7 0 9 0 ( 质量) 。相应地，胶囊的 壳厚度为0 ，1 2 0 0um 。胶囊壳厚与制法有关，一般来说相分离法制得的胶囊 壳厚为微米级，而用界面聚合制得的胶囊的壳厚则是纳米级( 由于反应物在被包 囊物中溶解度低) 。胶囊壳厚除了与胶囊的制法有关以外，还与胶囊粒度、胶囊 材料含量和密度、反应物的化学结构有关。 胶囊壳厚度随胶囊尺寸的降低和或随着有效胶囊数的增加而快速降低。直 径小于1 0 u m 的胶囊膜厚度易低于lu m ；甚至对于直径为1 0 0 一3 0 0 u m 的胶 囊，膜的厚度也只有2 l oum 。 胶囊囊壳的厚度可以采用直接法或间接法测定。直接法是指用装有测微计和 浸没物镜的光学显微镜对胶囊直接测定；间接法是指将胶囊产品包埋后切片或冻 凝后切片，制成电子显微镜的试样进行间接测定。 1 3 2 3 胶囊壳的渗透性能 1 重要性 对于胶囊的众多用途来说，胶囊壳的渗透性能是胶囊最重要的性能之一。通 常胶囊要么需要较低的渗透性能，以防止芯材料流失或防止外界材料的侵袭；要 15 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 么胶囊需要有一定的渗透性能，从而使得胶囊能缓慢地或可控制地释放。 当芯材料是液体时，胶囊壳对内相的渗透性对于保持芯材料是极其重要的。 当芯材料是固体时，防止或控制外界材料对胶囊的渗透是十分重要的。通过胶囊 化可防止水对材料的溶解。通过胶囊化也可减缓水与材料的反应。 当内相易受氧气、水蒸气或其他气体环境影响而导致降解的情况下，胶囊壳 必须防止这些外在因素的渗透。虽然胶囊化还不能完全屏蔽材料，使之在氧气或 湿性条件下避免降解，但可以限制降解速度，从而可以提高产品性能。 2 影响因素 胶囊的渗透性与囊壳厚度、胶囊直径、囊壳透过性能、囊壳材料种类及芯物 质分子量的大小等许多因素有关。c a f i n c h 归纳了影响胶囊聚合物膜的渗透性 的主要因素，见表1 6 。 必须研究不同条件下，包括非零体积流的情况下，胶囊的渗透性与胶囊大小、 膜厚度、温度、通过膜的溶质浓度梯度以及溶质的分子大小等的关系。将所获得 的数据与一般较厚的聚合物膜的数据加以比较。 表1 - 6 影响聚合物膜渗透性的因素 t a b l e l 一6i n f l u e n c er e a s o n st op o l y m e rf i l t e rq u a l i t y 聚合物参数对渗透性的影响效胶囊参数对渗透性的影响 果效果 密度增加降低膜厚度增加降低 结晶度增加降低粒度变大降低 取向性提高降低高比例的球形物固降低 交联性提高降低化等后处理降低 切塑性提高增加形成多膜降低 均填性提高可能增加粒度分布变大随胶囊变化 使用适宜溶剂降低 由于胶囊壳膜与聚合物之间在聚合物分子的排列方式方面不含有原则性差 别，因此对聚合物膜材料科学的了解是对胶囊的研究有利的。在聚合物膜中以含 一o h 、一c n 等极性基团的单体，聚合形成的膜透过系数小，这是由于聚合物分子 天津火学硕士学位论文第一章文献综述 中氢键的作用。以含卤素的单体聚合形成的聚合物膜透过系数也比较小，这是由 于空间效应的原因。聚合物膜的透过系数随温度升高而升高。高分子与有机溶剂 的亲和性能也是渗透性的最重要因素。由构成高分子的化学结构计算所得的高分 子溶解系数及有机液体的溶解度参数愈接近，亲和性愈大，渗透性也越大f 2 1 】。 1 3 2 4 芯材料的释放性能 控释技术首先应用于制药工业，而现在已被广泛用于农药、肥料、兽药及食 品工业。控释是指一种或多种活性物或成分以一定的速率在指定的时间和位置的 释放。控释技术的出现使得一些对热、温度p h 值等环境敏感的添加剂能更方便 地用于各种工业领域中。它们通常被制成胶囊的形式，在特定的刺激下释放出来。 1 4 胶囊化在食品方面应用的不足 1 方法单一。虽然在化工领域中，胶囊化的方法层出不穷，但是在食品行业 被应用的新方法却是很少。 2 产率低下。受制于制备方法的单一，胶囊化在食品行业的产率一直在一个 较低的水平。 3 经济成本高。在制各过程中，一方面，产率过低提高了成本。另一方面， 无法完全包封使得制各过程中的浪费严重。 4 生产效率低。胶囊化起源于化工技术，不是为食品行业量身定做，又由于 食品制造企业很少进行这方面的公关，因此在生产过程中，生产效率一直不高。 5 应用范围窄。虽然胶囊化技术在一些行业较广泛地应用，但是在食品加工 方面的应用还是比较少的，特别是在软饮料行业，还基本是一片空白。 1 5 制备胶囊方法的选择 1 5 1 制备胶囊方法的选择依据 1 芯材料的性质 制备胶囊型软饮料，从制备工艺角度衡量，关键是制备合适的胶囊。这种新 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 型饮料的芯材料瞄准的是油容性的营养物质。其芯材料的具体物性必须根据实际 需要具体测定，在目前的工艺探索阶段，主要考虑的是其油容性，这就决定了无 论使用何种包囊方法，壳材料必然是亲水性的。 在工艺的探索中，选用食用油作为芯材料，这主要是因为其具有可食用，成 本低，可作为营养物质溶剂的特点。 2 胶囊化产品的性能 考虑到目标胶囊是用于软饮料中，它的性能主要包括以下几个要点 ( 1 ) 具有一定的机械强度 ( 2 ) 囊壳的渗透性必须很低 ( 3 ) 可以食用 ( 4 ) 外形美观，颜色鲜明 ( 5 ) 粒径适中 ( 6 ) 在水性溶液中不发生粘连 3 经济成本 软饮料是一种大众消费品，即使作为营养型饮料，在市场的价位也不会太高。 因此，胶囊型软饮料的生产成本，特别是胶囊制各的经济成本不宜过高。那些工 艺复杂，能源消耗高的制各方法应该放弃，而壳材的选择在经济标准上也应该物 美价廉【2 2 。 4 现代的消费趋势 现代消费者越来越注重身体的健康，尤其在饮食方面，偏爱绿色饮品，抵触 各种含有化学添加剂的产品。作为一种胶囊型软饮料，在制备过程中，化学物质 的加入是不可避免的，但考虑到消费者的心理，应尽量少地加入化学物质，尤其 是那些很少用于食品方面的化学物质，至于那些可能对消费者存在危害的化学 品，更要杜绝。这就决定了胶囊的制各过程，必须考虑减少化学物品的使用f 2 3 1 。 1 5 2 制备方法的确定 虽然制各胶囊的方法种类繁多，但是大多数方法存在明显的缺陷和不足。 1 工艺复杂 很多胶囊制备方法工艺流程过于烦琐，不适合大批量的制备产品，特别是一 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 些比较尖端的方法，复杂的工艺和苛刻的制各条件使得其在软饮料业无法使用。 l v , 7 如离心挤压法、静电沉积法等。 2 成本昂贵 有些方法虽然制备流程比较简单，但是制备的成本很高，这主要分为工艺成 本和材料成本两部分。而高成本对于软饮料这种附加值较低的大众消费品来说， 无疑会降低其市场竞争力，从而无法立足。比如真空蒸发沉积法、冻结法等【2 引。 3 有毒物质 由于大多数的胶囊制备过程中需要加入各种化学试剂，而这些试剂中的大部 分对人体而言都是有害的。因此，这也成为胶囊技术应用于软饮料业的最大瓶颈 【2 6 】。 而锐孔法确可以克服以上的缺点，具有以下几点优势： 1 适用于制备各种性质的胶囊 无论芯材料是水溶性还是油容性，只要选择对应的壳材料，使用锐孔法，尤 其是选择芯材溶液和壳材溶液分别流动的双锐孑l 器，都能够制备出需要的胶囊。 2 能够满足产品性能的要求 锐孔法制备的胶囊的粒径很大程度上取决于锐孔的大小，因此，控制胶囊的 尺度比较容易。使用双锐孔器时，还可以通过控制芯材溶液和壳材溶液的流量来 达到控制膜厚的目的，对于保障胶囊的渗透性和机械强度有很好的效果。 3 经济成本比较低 ( 1 ) 锐孔器的构造并不复杂，锐孔法的步骤较少，生产设备的投资较低。 ( 2 ) 锐孔法制备胶囊需要添加的辅助物质少，在制备过程中，一般不需要大 规模的换热、加压设备，操作成本很低。 ( 3 ) 锐孔法的制各过程中基本没有生产资料的浪费，包封率也可以达到 1 0 0 。 4 顺应消费趋势 除了壳材溶液和凝固浴中的化学品，在整个生产过程中，从胶囊制备的角度 来说，锐孔法不需要任何其他的化学物质的加入，这是其他方法所没有的优势， 相信在未来的市场竞争中会成为一个卖点。 5 生产效率高 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 因为锐孔法的生产步骤简单，可以进行连续生产，能源的消耗很低，操作人 员少，因此生产效率能够得到很大的提高。 1 5 3 壳材料的确定 确定了制备方法后，就要选择适当的壳材料，需要考虑的因素和方法的选择 类似，通过查阅文献，并考虑到芯材料的性质，海藻酸钠是一种比较理想的壳材 料。其具有以下几点优势： 1 海藻酸钠是一种常用水溶性的胶囊壳材，关于它的文献记载很多，使 用技术十分成熟。 2 海藻酸钠作为胶囊壳材，在食品加工领域比较常见，不会对消费着存 在潜在威胁。 3 海藻酸钠是天然高分子材料，比较容易被消费者接受。 4 用海藻酸钠制备出的胶囊，圆润，透明，具有较好的视觉效果，囊膜 具有一定的机械强度。 5 囊膜的渗透性低，在一般的酸碱环境下，不发生反应，可长期保存。 6 海藻酸钠的市场价格适中。 7 反应迅速，能够适用于锐孔法。1 2 7 因此，本文采用锐孔法，以海藻酸钠作为壁材研究应用于软饮料的胶囊的制 各过程。 1 6 中药胶囊工艺的探索 2 1 世纪是生命科学的世纪，中医药在我国历经千年而不衰，积累了深厚的 传统文化与知识底蕴，其科技化和产业化不仅是生命科学领域的一项重大课题， 而且还是一门新兴的高科技产业。中医药科技化对于中国还具有可持续发展的特 殊意义，体现了绿色科技和可持续发展的思想。挖掘中医药独特的医学理论，建 立国际认可的传统医药标准规范体系，将极大的推进具有自主知识产权的中药， 并以治疗药物身份进入国际医药主流市场。同时，有利于弘扬中国传统民族文化， 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 扩大中国文化的国际影响力1 2 8 , 2 9 , 3 0 】。 传统中药也存在着极其明显的缺点和不足，存在着难以口服、刺激胃消化等 缺点。而中药胶囊化后可达到掩盖药物的不良气味及口味、提高药物的稳定性、 防止药物在胃内失活或减少对胃的刺激性、便于应用与贮存等目的【3 1 】。 本文中分别采用了锐孔法、溶剂一非溶剂法和液中干燥法来进行中药胶囊制 备的探索，并确定了在实验条件下的最佳工艺条件。 天津大学硕士学位论文第二章；实验部分 2 1 软饮料胶囊的制备 2 1 1 实验药品 第二章实验部分 海藻酸钠( 壳材；天津市大茂化学试剂厂；化学纯) ；无水氯化钙( 固化剂； 天津市塘沽邓中化工厂；分析纯) ：大豆油( 芯材；天津市北海粮油工业有限公 司；福临门牌) 。 2 1 2 实验仪器 架盘药物天平( h c t p l l b 1 0 ；o 1 9 ；北京医用天平厂) ：同轴双锐孔器 ( 自制) ( 如图2 1 所示) ；光学显微镜( o y m p u sc x 4 0 ；日本o l y m p u s 公司) ； 电热干燥箱( 1 0 1 1 ；天津市泽庆电炉工贸有限公司) ：螺旋测微器 2 1 3 实验步骤 2 1 3 1 壳材的选择和壳材溶液的