（食品科学专业论文）明胶CMC复合凝聚微胶囊及新型固化剂研究.pdf

；。j j”、 学科、专业：工科、食品科学 硕士研究生姓名：张海洋 指导教师：张晓鸣教授 入学时间：2 0 0 8 年9 月1 日 答辩时间：2 0 1 0 年1 1 月1 9 同 授予学位时间： 摘要 复合凝聚微法具有有效载量高、可控制释放及缓释等优点。目前的复合凝聚微胶 囊多以明胶和阿拉伯胶为壁材，阿拉伯胶价格昂贵且性质不稳定。微胶囊的交联固化 通常采用有毒的甲醛，严重限制了产品的应用范围。寻找价格低廉的新型复合凝聚微 胶囊壁材，以及开发安全无毒的可食用固化剂意义重大。本论文研究了明胶羧甲基 纤维素( c m c ) 复合凝聚法制备球形多核微胶囊的工艺，以及以安全无毒的茶多酚作为 微胶囊固化剂进行固化条件优化，并对植物多酚的固化机理进行了研究。研究结果如 下： 以明胶和c m c 为壁材制备肉桂醛微胶囊时，最佳工艺参数如下：明胶c m c 比例 9 ：1 ，p h4 6 ，壁材浓度1 ，芯壁比2 ：1 。在此条件下制备得到的微胶囊球形较好，表 面光滑，粒径均一，微胶囊的产率、效率可达9 7 0 1 和8 6 5 5 。热重释放曲线表明 芯材肉桂醛经微胶囊化之后在1 5 0 的释放速率大大降低，在高温下具有很好的稳定 性；随着芯壁比的上升，微胶囊释放芯材的速度加快。 在以茶多酚为交联剂的固化过程中，反应p h 、反应时间、茶多酚添加量都对固 化效果有着显著的影响。固化条件优化的结果为：在p h1 0 0 、反应时间1 2h 、茶多酚 添加量0 1 g 明胶条件下，微胶囊的固化效果较好。机理研究实验的结果表明：多酚 需要氧化为醌才可以与蛋白发生反应；反应没有特定的位点，几乎所有的n 末端氨基 酸都会参与交联反应。 对不同壁材( 明胶c m c 与明胶阿拉伯胶) 制备的微胶囊的性质以及不同固化剂 ( 茶多酚，甲醛和谷氨酰胺转氨酶( t g ) ) 的固化效果进行了比较研究，实验结果如下： 明胶c m c 微胶囊与明胶n 拉伯胶微胶囊相比，形态相似，包埋率提高，耐热性好于 后者，而壁材成本大大降低。8 0 热水中的稳定性实验与t g 热释放实验结果显示 茶多酚与甲醛和t g 固化效果相近，能够很好地替代它们作为复合凝聚微胶囊的固化 剂。 对喷雾干燥微胶囊产品的理化性质进行了研究。喷干后微胶囊水分含量为3 3 2 ， 易于保存；休止角为3 8 2 0 ，流动性较好；有效载量为4 0 7 4 。扫描电子显微镜观察 结果表明微胶囊干燥后结构完整，囊壁没有破坏。热重实验的结果表明喷雾干燥法制 备的微胶囊产品具有良好的热稳定性。 关键词：微胶囊，复合凝聚，羧甲基纤维素，多酚 a b s t r a c t s t u d yo ng e l a t i n c m cc o m p l e xc o a c e r v a t em i c r o e n c a p s u l a t i o n a n dn e wc r o s s l i n k i n ga gentsll s u b j e c ta n ds p e c i a l i t y ：e n g i n e e r i n g ，f o o ds c i e n c e t i m eo fe n r o l l m e n t ：o1 - 0 9 - 2 0 0 8 m a s t e rg r a d u a t es t u d e n t ：h a i y a n gz h a n g t i m eo fd e f e n s e ：19 11 2 010 f a c u l t ya d v i s e r ：x i a o m i n gz h a n g ，p r o f t i m eo f c o n f e r r i n gd e g r e e ： a b s t r a c t c o m p l e xc o a c e r v a t i o nh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h eh i 曲p a y l o a d sa c h i e v a b l e ，t h e c o n t r o l l e dr e l e a s ea n ds u s t a i n e dr e l e a s ep o s s i b i l i t i e s ，e t c t h em o s tc o m m o n l yu s e d m i c r o c a p s u l ew a l lm a t e r i a l sa r eg e l a t i n & g u ma r a b i c ，h o w e v e r , g u ma r a b i ci se x p e n s i v e a n di t sq u a l i t yi si r r e g u l a r u s u a l l ya d o p t e dt o x i cc r o s s l i n k i n ga g e n tf o r m a l d e h y d el i m i t e d e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fm i c r o c a p s u l ep r o d u c t s i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o p l o w c o s tc o a c e r v a t i o nw a l lm a t e r i a l sa n dn o n t o x i cc r o s s l i n k i n ga g e n t s p r e p a r a t i o n m e t h o do fs p h e r i c a lm u l t i n u c l e a rm i c r o c a p s u l e sb yg e l a t i n c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ( c m c ) c o a c e r v a t i o nw a s i n v e s t i g a t e d c r o s s l i n k i n gp a r a m e t e r s i nt h e p r o c e s s o ft e a p o l y p h e n o l s - h a r d e n e dm i c r o c a p s u l e s w e r e o p t i m i z e d m e c h a n i s m o f p o l y p h e n o l s c r o s s l i n k i n gp r o t e i n sw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h eo p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rp r e p a r a t i o no fc i n n a m a l d e h y d em i c r o c a p s u l e s b yc o a c e r v a t i o no fg e l a t i n c m cw e r ea sf o l l o w s ：g e l a t i n c m cr a t i o9 ：1 ，p h 4 6 ，w a l l m a t e r i a lc o n c e n t r a t i o n1 c o r e w a l lr a t i o2 ：1 m i c r o c a p s u l e sm a d eu n d e rt h e s ep a r a m e t e r s h a v en i c es p h e r i c a ls h a p ea n du n i f o r mp a r t i c l es i z e t h ee n c a p s u l a t i o ny i e l da n de f f i c i e n c y w e r e9 7 0 1 a n d 8 6 5 5 ，r e s p e c t i v e l y t h eh e a t - s t a b i l i t y o fm i c r o c a p s u l e sw a s i n v e s t i g a t e d ，t g ac u r v e ss h o w e dt h a t a t15 0 。c ，t h er e l e a s er a t eo fc i n n a m a l d e h y d e d e c r e a s e dd r a m a t i c a l l ya f t e rm i c r o e n c a p s u l a t i o n ，w h i c hh a sd i r e c tr a t i or e l a t i o n so ft h e c o r e w a l lr a t i o t h eh a r d e n i n ge f f e c t i v e n e s sw a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ec h a n g eo ft h eh a r d e n i n g p h ，t i m ea n dt e ap o l y p h e n o l sc o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m u mh a r d e n i n gp a r a m e t e r sw e r ea s f o l l o w s ：h a r d e n i n gp h10 0 ，h a r d e n i n gt i m e 12h ，t e ap o l y p e n o l sc o n c e n t r a t i o no 1 g g e l a t i n t h em e c h a n i s mr e s e a r c hs h o w e dt h a tp o l y p h e n o l sc a no n l yr e a c tw i t hp r o t e i n s a f t e rt h e yw e r eo x i d i z e dt op o l y q u i n o n e s ，t h e r ew e r en os p e c i f i cr e a c t i o ns i t e sa n da l m o s t a l ln t e r m i n a la m i n oa c i dp a r t i c i p a t e di nt h ec r o s s l i n k i n gr e a c t i o n p r o p e r t i e so fm i c r o c a p s u l e sm a d eo fd i f f e r e n tw a l lm a t e r i a l s ( g e l a t i n c m ca n d g e l a t i n g u ma r a b i c ) a n dt h eh a r d e n i n ge f f e c to fd i f f e r e n tc r o s s l i n k i n ga g e n t s ( p o l y p e n o l s ， f o r m a l d e h y d ea n dt r a n s g l u t a m i n a s e ( t g ) ) w e r ec o m p a r e d c o m p a r i n gw i t hg e l a t i n g u m a r a b i cm i c r o c a p s u l e s ，g e l a t i n c m c m i c r o c a p s u l e s h a v es i m i l a r m o r p h o l o g y , b e t t e r e m b e d d i n ge f f e c t ，t h e r m a ls t a b i l i t y , a n dm u c hl o w e rc o s t 1 1 1 er e s u l to f8 0 w a t e r - b a t h a n dt g as h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t hf o r m a l d e h y d ea n dt gt e ap o l y p h e n o l se x h i b i t e d s i m i l a rh a r d e n i n ge f f e c t i v e n e s s ，a n dc a nr e p l a c et h e ma sc r o s s l i n k i n ga g e n to fc o a c e r v a t i o n m i c r o c a p s u l e s p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs p r y d r i e dm i c r o c a p s u l e sw e r es t u d i e d t h e i i a b s t r a c t m o i s t u r ew a s3 3 2 a n df i tf o rs t o r a g e ；t h er e p o s ea n g l ew a s3 8 2 0 ，a n dt h ef l u i dw a sg o o d ； t h el o a d i n go f m i c r o c a p s u l e sw a s4 0 7 4 t h em i c r o s t r u c t u r ev a l u e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p es h o w e dt h a tm i c r o c a p s u l e sw e r ei n t e g r a la n dt h es u r f a c ew a sn o td e s t r o y e d t h r o u g hs p r y d r y i n g t g ac u r v e ss h o w e dt h a tm i c r o c a p s u l e sm a d eb ys p r y d r y i n gh a v ef i n e t h e r m a ls t a b i l i t y k e y w o r d s ：m i c r o c a p s u l e s ，c o a c e r v a t i o n ，c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ，p o l y p h e n o l s a b s t r a c t i v 目录 目录 摘要l a b s t r a c t i i l 引言1 1 1 微胶囊技术概论1 1 1 1 微胶囊的定义及作用l 1 1 2 微胶囊的主要技术简述2 1 2 复合凝聚法的定义t 研究进展及应用2 1 2 1 定义与方法。2 1 2 2 国内外研究进展。3 1 2 3 复合凝聚微胶囊技术的应用5 1 3 肉桂醛的介绍。：5 1 4 立题背景和意义5 1 5 课题主要研究内容6 2 材料与方法_ 7 2 1 材料与设备：7 2 1 1 实验材料与主要试剂7 2 1 2 主要仪器与设备：7 2 2 实验方法7 2 2 1 复合凝聚物吸光度随p h 变化测定方法7 2 2 2 复合凝聚物的制备及产率计算o 7 2 2 3z e t a 电位的测定8 2 2 4 微胶囊的制备- 8 2 2 5 微胶囊形态观察8 2 2 6 微胶囊粒径测定9 2 2 7 微胶囊包埋效果测定方法。9 2 2 8 微胶囊干燥方法1 0 2 2 9 多酚氧化酶的提取1 0 2 2 1 0 微胶囊在热水中的稳定性1 0 2 2 1 l 干燥微胶囊的热释放曲线10 2 2 1 2 氨基酸分析方法1 0 2 2 1 3 扫描电子显微镜( s e m ) 观察微胶囊的超微结构1 0 2 2 1 4 微胶囊产品理化指标的测定1 1 3 结果与讨论1 3 3 1 微胶囊制备工艺优化1 3 3 1 1 取代阿拉伯胶的多糖的选择1 3 3 1 2 明胶c m c 胶体凝聚现象分析1 3 目录 3 1 3 壁材比例和p h 的确定1 4 3 1 4 壁材浓度的确定1 9 3 1 5 芯壁比的确定2 0 3 1 6 反应温度的确定2 2 3 1 7 明胶c m c 微胶囊的热稳定性2 2 3 1 8 明胶c m c 微胶囊与明胶邝可拉伯胶微胶囊的比较一2 3 3 2 植物多酚固化剂的研究2 4 3 2 1 固化剂的选择2 4 3 2 2 反应p h 的选择2 5 3 2 3 反应时间的选择：2 6 3 2 4 茶多酚用量的选择2 7 3 2 5 茶多酚与甲醛及t g 的固化效果比较：2 8 3 2 6 固化机理的探索2 9 3 3 喷雾干燥微胶囊理化性质：3l 3 3 1 明p i 交c m c 微胶囊的超微结构( s e m ) 3 1 3 3 2 明胶c m c 微胶囊产品的理化指标3 2 3 3 3 喷雾干燥微胶囊产品的热稳定性分析3 2 主要结论3 5 问题与展望3 6 致谢j 。3 7 参考文献3 8 附录4 3 l i 引言 1 引言 1 1 微胶囊技术概论 1 1 1 微胶囊的定义及作用 微胶囊技术是指利用天然或合成高分子材料，将分散的固体、液体，甚至是气体 物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技术。成膜材料称为壁材， 被包裹的材料称为芯材，包裹的过程即为微胶囊化，形成的微小粒子称为微胶囊。微 胶囊的粒径一般在l 1 0 0 0 肛m 范围内，形状一般为球形，也有米粒状、块状或不规则 状。微胶囊的结构也有很多种，典型的有单核微胶囊、多核微胶囊、多层壁微胶囊及 复合微胶囊i l 捌。 微胶囊技术已经广泛应用于食品加工中，如：掩饰不良味道或气味；延长风味 物质或其它感官标记物的感官效果【3 1 ；在贮藏或烹调环境中保护化学性质不稳定的食 品组分1 4 1 ；制备功能性微胶囊使其能承受特定的环境( 如咀嚼，高温低湿环境或低温 高湿环境【5 】) 。各种各样的微胶囊技术，如喷雾干燥，流化床，复合凝聚，脂质体， 以及基于超临界流体的技术越来越普及地用于包埋食品组分【6 1 。 微胶囊技术具有这些功能，是因为它具有改善和提高芯材物质外观及性质的能 力。概括来说，微胶囊技术应用于食品工业可以起到以下作用： ( 1 ) 改善芯材的物理性质： 能将液态、气态或半固态物料转变为能自由流动的粉末，如粉末油脂、粉末香精、 固体饮料等，以提高其溶解性、流动性和贮藏稳定性【7 1 。这种固体产品可以很容易地 与其它原料均匀混合，便于加工处理，也便于运输和保存。 ( 2 ) 实现芯材的控制释放与缓释： 在可以控制的条件下，微胶囊中活性组分的释放可以采用立即释放、延时定时释 放或适当的长效释放等释放形式。微胶囊产品可以通过预先设计的溶解和释放机理， 在最适时间、最适地点以最适速率释放芯材物质【8 】。 ( 3 ) 保护芯材免受外界环境影响： 微胶囊化可使某些不稳定的食品组分免受外界不良因素，如光、氧气、温度、湿 度、p h 等的影响，大大提高了其耐光、热、湿、氧的能力，增强稳定性，确保营养 成分不损失、特殊功能不丧失【9 j 。 ( 4 ) 降低或掩蔽不良风味： 某些营养物质具有令人不愉快的气味或滋味、如腥味、苦味、臭味、辛辣味等， 这些味道可以用微胶囊技术加以降低或掩盖。制得的微胶囊产品在口腔中不分解，而 在消化道中溶解，释放出内容物，发挥营养作用。 微胶囊技术应用于食品工业，可以使纯天然的风味配料、生理活性物质融入食品 体系，并能保持生理活性。它可以使许多传统工艺得到简化，同时也使许多常规技术 无法处理的问题得到了解决1 1o j ，推动了食品工业由低级加工业向高级深加工业的转 江南人学硕上学位论文 变。 1 1 2 微胶囊的主要技术简述 表1 - 1 微胶囊的主要制备方法 t a b 1 lm e t h o do fm i c r o c a p s u l ep r e p a r a t i o n 物理化学法 相分离法( p h a s es e p a r a t i o n ) 复相乳液法( d u p l i c a t e l a t i c e sm e t h o d ) 粉末床法( p o w d e rb e dm e t h o d ) 熔化分散冷凝法( m e l t i n g - d i s p e r s i o n c o n d e n s a t i o nm e t h o d ) 界面聚合法( i n t e r f a c i a lp o l y m e r i z a t i o n ) 化学法 原位聚合法( i n s i t up o l y m e r i z a t i o n ) 锐孔凝i 捌浴法( p i e r c i n g - s o l i d i f y i n gi n c u b e rm e t h o d ) 在食品中常用的微胶囊化方法有很多种，根据其原理主要可分为物理法、物理化 学法和化学法三个大类( 见表1 - 1 ) 。在每大类方法中依据不同的操作工艺又可进一步 分成若干种制备方法。有些具体方法跨越两类或居于两类的边缘，因此分类是相对的。 各种制备方法都具有各自的特点、适用范围和适用对象，微胶囊化方法的选择要根据 所使用芯材的特性和所需微胶囊的性质要求、壁材的类型和性质以及微胶囊的用途等 决定【1 l 】。 1 2 复合凝聚法的定义、研究进展及应用 1 2 1 定义与方法 复合凝聚法是物理化学法中相分离法的一种。相分离法的微胶囊过程可解释为： 原来存在于某相中的聚合物分子，由于温度、p h 、离子强度等环境因素的变化，而 使其亲水亲油性质发生变化，从原来的溶液中分离出来，形成一个富含凝聚物的相 和一个凝聚物很少的相。在富含凝聚物的相中，聚合物包覆着芯材，就形成了微胶囊 【1 2 】。相分离法根据其溶剂不同可以分为水相分离法和油相分离法。其中水相分离法根 据参与凝聚反应的聚合物数目又可以分为单凝聚法和复合凝聚法【l 引。 复合凝聚法是由两种或两种以上高分子聚合物为壁材，在适当的条件下，使带相 反电荷的聚合物发生静电吸附作用，从而包埋芯材的一种微胶囊化方法【1 4 1 。复合凝聚 法主要包括以下几个步骤：乳化、凝聚、成囊和固化。g r e e n 在美国专利2 8 0 0 4 5 7 中详 细介绍了复合凝聚法制备微胶囊的步骤i l 引。 2 , - 3 i 言 1 2 2 国内外研究进展 相对于其它微胶囊技术而言，关于复合凝聚微胶囊技术的研究并不是很多、很深 入。目i ；i 已有的研究主要集中在以下几个方面：新型壁材的使用，新固化剂的开发以 及对不同种类芯材的包埋。 ( 1 ) 新型壁材的使用： 壁材是指用于包裹、制备微胶囊所需的材料，是决定微胶囊性能的关键因素之一。 一般对其要求主要有：成膜性好，性质稳定，无毒、无刺激性，能与芯材配伍且不影 响芯材的作用及含量，对芯材有合适的释放速率，有一定的强度及可塑性，具有符合 要求的粘度、渗透性、亲水性和溶解性等。对于生物环境中应用的微胶囊，壁材还应 具备良好的生物相容性，有些则需具有生物可降解性等。目前研究报道中使用较多的 壁材主要包括天然材料、半合成材料和高分子材料三大类【l o 】。现在研究的最为透彻的 复合凝聚壁材体系就是明胶1 1 1 - - j 拉伯胶体系。但是一些其它凝聚体系也具有很好的性 质： w e i n b r e c k 1 6 】以乳清分离蛋白和阿拉伯胶为壁材，以葵花籽油、柠檬油和橘油为 芯材，通过复合凝聚法制备微胶囊，并对壁材的凝聚性质进行了研究。l i i l7 j 以明胶和 羧甲基纤维素( c m c ) 为壁材包埋四氯乙烯，添加了十二烷基磺酸钠( s d s ) 。s d s 的存在增加了明胶和c m c 间的反应，促进了复凝聚反应。1 w a s a k i t l 8 】使用酸水解明胶 与至少一种羧基化的纤维素衍生物为壁材，通过复合凝聚产生的亲水性胶体包埋疏水 性物质。m i y a k e t l 9 】也有使用明胶并i c m c 为壁材制备微胶囊，明胶c m c 匕l 例1 0 ：1 ，温 度5 0 c 。s t r a u s s l 2 0 】以明胶和果胶为壁材，得到了分散性好，高度耐热的微胶囊。 d a v i d t 2 1 】以明胶和解聚多糖( 如卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、果胶的解聚物) 为 壁材，通过复合凝聚法制备得到了可流动、分散的干燥微胶囊。b a k k e r l 2 2 j 使用明胶和 c m c 为壁材，通过复合凝聚法包埋风味物质，研究了c m c 理化性质对微胶囊工艺条 件的影响。 国内方面，黄耀州【2 3 1 以明胶与中药车前子中提取的车前子胶作为壁材，以大蒜油 包油率为指标选择最佳包囊条件。李强1 2 4 】以明胶和壳聚糖为壁材，八角茴香油为芯材， 采用复凝聚法制备了八角茴香油微胶囊。闰向阳【2 5 】采用海藻酸钠和明胶为壁材研究了 凝聚法制备薄荷脑微胶囊的工艺过程和方法。通过正交实验确定了微胶囊化的最佳工 艺条件。王广远【2 6 j 以明胶桃胶复合凝聚法制备辛硫磷微胶囊，研究了多种条件对微 胶囊化反应的影响。由于用桃胶代替了阿拉伯胶，使生产成本降低，提高了其商品化 的可能性。 ( 2 ) 新型固化剂的开发 初步复合凝聚形成的微胶囊，连接壁材物质的主要为静电吸引力、分子问作用力 及氢键等较弱的非共价键。当体系p h 、温度升高时，这些键都会遭到破坏，胶囊稳 定性较低。所以在微胶囊形成之后，还要经过固化过程，在壁材中蛋白质分子的赖氨 酸、羟赖氨酸和组氨酸残基之间形成共价连接【2 7 】，囊壁膜的机械强度和耐热性大大增 强【2 8 】，才能够在高温、高湿的环境中保持稳定的结构。 江南火学硕上学位论文 在微胶囊的固化剂方面，目前工业上使用较为广泛的是醛类交联剂甲醛【2 9 1 、戊二 醛等【3 0 】。其优点为用量少、成本低、固化时间短。但是它们都是有毒、致癌性的，对 环境和人体健康都造成很大威胁【3 1 1 。目前食品领域中应用最多的可食用固化剂是谷氨 酰胺转氨酶( t g ) ，可以达到和甲醛近似的固化效果【3 2 1 。但t g 价格高，用量大， 限制了其在工业生产中的应用。研究安全无毒且成本低廉的新型固化剂对于微胶囊的 工业化推广具有重大意义。 h u a n g 3 3 】使用甘油代替有毒的甲醛作为固化剂，甘油用量达到6 时，制备的单 核微胶囊与使用甲醛制得的没有差别。v a n d e l l i l 3 4 j 用d ，l 甘油醛固化明胶微球，包埋 药物盐酸可乐定，交联剂浓度上升，或交联时间延长，都会降低微球的膨胀率和体外 药物释放速率。c o r t e s i t ”】通过实验证明氧化的右旋糖苷葡聚糖有交联明胶的作用， 可以形成交联的明胶网络，用于制备缓释药物微胶囊。k y o g o k u 3 6 1 从中药栀子挥发油 中提取到一种环烯醚萜类化合物，可以在酸性条件下交联蛋白质，可用作微胶囊的交 联剂。在国内方面，姚芳莲1 37 j 研究了传统中药杜仲的活性成分之一，京尼平对于壳聚 糖和明胶的交联作用。它不仅能形成稳定的交联制品，还具有细胞毒性小、生物相容 性好、应用领域广泛等优点，是一种非常有前途的交联剂。 据报道植物多酚也具有交联蛋白的效果，这方面进行的研究有：f i l i p p a l 3 8 j 通过绿 原酸氧化物与巯基抑制剂对酶活抑制效果的对比，基本排除了巯基基团作为蛋白主要 反应位点的可能性，对醌和蛋白的反应是基于n h 2 和- n h 的假说提供了佐证。m a s o n 和p e t e r s o n l 3 9 j 对邻苯二酚氧化生成的邻苯醌与n 末端为脯氨酸的蛋白质的反应的研究 表明：醌类物质和仲胺在中性p h 下可以进行较快的反应。h a i d e r t 4 0 l 在氧化条件下使不 同酚类物质与各种氨基酸、肽以及牛血清蛋白反应。实验结果表明只有a - n h 2 参与了 与多酚氧化产物的反应。p i e r p o i n t 4 l 】的实验则表明：对于牛血清蛋白，它的n 末端氨 基酸和赖氨酸的一n h 2 都可以与酚氧化物邻苯醌反应。石碧、狄莹1 4 2 j 认为：在酶、高 价态金属离子或碱性溶液中，多酚易被氧化，形成非常活泼的邻醌或正碳离子，它们 是高亲电中心，很容易与蛋白质分子中的亲核基团( - n h 2 、s h ) 形成共价键结合。 杨贤强、王岳飞【4 3 】综合他人的研究成果，提出了多酚氧化为醌，醌继续和蛋白的氨基、 巯基、硫醚、咪唑基、甲硫氨酸残基等发生反应，从而将两个蛋白交联起来的反应机 理。交联反应的基础为邻苯二酚或邻苯醌结构，而邻苯二酚或邻苯醌多聚物的不同末 端也能与上述基团发生反应m j 。 尽管目前对于多酚和蛋白的共价结合研究进行得较多，但实际上将植物多酚用于 微胶囊固化剂的应用研究还不多见，主要研究进展如下：美国专利5 3 7 4 4 4 1 在使用酚 酸的同时加入氧化剂，酚酸可以起到交联蛋白的效果【4 引。美国专利5 9 9 3 8 8 8 使用了 酚酸含量较高的植物原料作为微胶囊的固化剂，交联反应在碱性p h 及氧气的联合作 用下进行，消除了添加氧化剂的必要【4 6 。美国专利1 0 2 2 4 4 4 1 使用一种富含取代或非 取代的多酚化合物的植物提取物固化微胶囊，交联后的蛋白质囊壁具有很好的热稳定 性。这类酚类固化剂无毒，成本低，而且不需要精密控制反应条件【47 1 。s t r a u s s l 2 0 1 将植 物中提取的酚酸、黄酮类物质用于交联明胶及明胶果胶微胶囊，处理过后的明胶具 4 引言 有更高的机械强度、更低的膨胀率和自由氨基含量。处理过的微胶囊亲脂性变强，可 以耐受2 0 0 高温。在国内方面，黄凤洪【4 8 】采用复合凝聚法包埋亚麻油，选择了没 食子酸作为壁材固化剂，制得一种粉末亚麻油产品。但到目前为止，尚未发现有用茶 多酚作为复合凝聚微胶囊固化交联剂的报道。 复合凝聚法微胶囊在食品领域实现工业化还需要进行更深入的研究。本课题对新 壁材组合和无毒的新型固化剂进行研究，对推广复合凝聚微胶囊在食品工业中的应用 具有重要意义。 1 2 3 复合凝聚微胶囊技术的应用 复合凝聚微胶囊可用于香精香料的粉末化，微胶囊化后的香精和风昧剂可用于焙 烤食品、膨化食品、汤粉食品和口香糖中，可以起到减少加工过程中的损失和延长释 放时间等作用。由于复合凝聚微胶囊的固化程度可以调节，它既可以起到控释作用， 包埋甜、酸味剂及防腐剂；也可以起到较好的隔离保护作用，包埋食品营养强化剂和 生理活性物质等【4 9 1 。另外，在食品工业之外，复合凝聚微胶囊由于其独特的特点：耐 热、控释、水不溶性，还在纺织、印花、洗涤剂、无碳复写纸等领域取得了一定的应 用。 1 3 肉桂醛的介绍 肉桂醛( c i n n a m a l d e h y d e ) 通称为桂醛，化学名为苯丙烯醛，为淡黄色油状液体， 具有浓郁的肉桂香气和烧焦芳香味。肉桂醛有良好的持香作用，可使主香料香气更清 香。因其沸点比分子结构相似的其它有机物高，因而常用作定香剂。在食品香料中可 用于调制各种口味的香精【5 0 1 。在卷烟中可增加辛暖甜香，改善烟草吸味，矫正吃味。 此外，肉桂醛还具有显著的抑菌抗真菌活性，是一种优良的天然防腐保鲜剂【5 。近年 的研究还证明肉桂醛具有抑制致癌物黄曲霉菌的作用【5 引，因此肉桂醛的应用前景十分 看好。 但是，肉桂醛容易挥发，遇光、热不稳定，在空气中易被氧化，导致杀菌作用不 持久，而且肉桂醛强烈的刺激性香辛味会影响食品的可接受度。如将肉桂醛微胶囊化 则可降低其挥发性、增强稳定性，也可适当遮盖其浓郁香辛味，改善口感。由于微胶 囊化产品为粉末状，可方便添加于方便面、口香糖、面包、蛋糕等食品，或烟草中， 可在改善口感的同时兼具防腐保鲜效果。 1 4 立题背景和意义 传统的喷雾干燥法制备的微胶囊在湿度大的环境中壁材会溶胀破裂，且单核单壁 结构的微胶囊几乎没有缓释性能。而复合凝聚法制备的微胶囊经固化后囊壁形成刚性 的交联网状结构，具有良好的稳定性，能够在高温、高湿环境中保护芯材，微胶囊具 有缓释和控制释放的功能；它还具有包埋率高，材料安全、易生物降解的优点；另外， 其制备工艺简单，条件温和，芯材物质损失较少。这种微胶囊密封性能好，特别适合 于对易挥发变质的香精香料的包埋，可以降低其挥发速率，提高其稳定性。 5 江南人学硕士学位论文 目前复合凝聚法的壁材基本都是选用明胶和阿拉伯胶，其它的壁材组合应用相对 较少。市售的阿拉伯胶由于产地气候变化或商业流通困难等原因，往往供应不足，导 致价格较高。另外，市售的阿拉伯胶质量不太稳定，这对微胶囊的生产条件影响也很 大。使用其它价格较低的多糖取代阿拉伯胶制备微胶囊时，它们与明胶的比例远低于 阿拉伯胶，一般为明胶的1 5 1 2 0 ，可显著降低壁材成本。而且形成的微胶囊壁材中 明胶含量较高，比用明胶和阿拉伯胶制备的微胶囊更易于凝胶化和硬化。 微胶囊初步制备完成后，要使用固化交联剂对壁膜进行处理，使蛋白分子间产生 较强的共价交联，才可以耐受高温高湿的环境。目前使用较多的是甲醛、戊二醛等醛 类固化剂，它们固化效果虽好，但都具有一定的毒性，无法应用于食品、制药等对安 全性要求较高时行业。目前已有使用无毒的t g 作为微胶囊固化剂的报道，但其价格 较高，用量较大，会拉高生产成本。因此开发安全无毒且成本低廉的固化剂对于使微 胶囊技术能尽快在这些领域应用具有重大意义。 本课题通过对复合凝聚反应的研究，寻找一种价格较低的多糖能够代替阿拉伯 胶，和明胶发生复合凝聚反应，作为微胶囊的壁材。制备的微胶囊可以达到和传统的 明胶邝可拉伯胶微胶囊相近的包埋率和保护效果。通过对固化反应的研究，寻找一种 固化效果足以替代甲醛和酶，安全有效，且成本较低的可食用固化剂，使复合凝聚微 胶囊能够被安全地应用到食品和药品等领域，拓宽这项技术的应用范围。采用复合凝 聚与喷雾干燥相结合的方法制备固态粉末微胶囊，经济简便，易于工业化生产。 复合凝聚微胶囊具有可耐高温、高湿，以及可控制释放等许多优点，在食品领域 具有极大发展空间，有望在焙烤、汤料、口香糖、饮料、烟草等诸多领域得到应用， 赋予这些产品新的特点。因此这项技术必将产生很高的经济利益和社会效益。 1 5 课题主要研究内容 1 新型壁材明胶c m c 复合凝聚微胶囊的工艺优化。 2 明胶c m c 与明胶邝可拉伯胶复合凝聚微胶囊的性质比较。 3 植物多酚固化剂的选择、固化条件优化以及固化机理探索。 4 植物多酚固化剂与甲醛矛r l t g 固化效果的比较。 5 喷雾干燥微胶囊的理化性质研究。 6 材料j 方法 2 材料与方法 2 1 材料与设备 2 1 1 实验材料与主要试剂 明胶( 化学纯) 、c m c ( 化学纯) 、阿拉伯胶( 进分) 、冰醋酸( 分析纯) 、浓盐 酸( 3 7 ) 、氢氧化钠( 分析纯) 、盐酸羟胺( 分析纯) 、邻苯二酚( 化学纯) 、无水乙 。醇( 分析纯) 、石油醚( 3 0 6 0 ) ( 分析纯) 、无水硫酸钠( 分析纯) 、磷酸氢二 钠( 分析纯) 、磷酸二氢钠( 分析纯) ：上海国药集团化学试剂有限公司； 肉桂醛标准品：成都曼思特生物科技有限公司； 肉桂醛：江西省吉安市恒诚天然香料油提炼厂； 谷氨酰胺转氨酶：泰兴一鸣精细化工有限公司； 茶多酚( 纯度9 8 ) 、绿原酸( 纯度9 8 ) ：泸溪县晓园生物科技有限公司； 中性蛋白酶：日本天野酶制剂株式会社； 2 1 2 主要仪器与设备 a l 2 0 4 电子天平 f j 2 0 0 一s 数显高速分散机 r w 2 0 n 悬臂式搅拌器 d e l t a 3 2 0 p h 计 b x 51 研究级荧光生物显微镜 u v - 1 6 0 0 紫外可见分光光度计 m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度仪 z e t a s i z e 2 0 0 0z e t a 电位仪 a g i l e n t l1 0 0 氨基酸高效液相色谱仪 t g s d t a 8 5l 型热重分析仪 l g j 1 0 冷冻干燥机 q z 5 高速离心喷雾干燥机 q u a n t a 2 0 0 扫描电子显微镜 2 2 实验方法 上海梅特勒公司 上海标本模型厂 广州仪科公司 梅特勒托利多仪器公司 日本奥林巴斯公司 上海美谱达仪器有限公司 英国马尔文仪器有限公司 英国马尔文仪器有限公司 美国a g i l e n t 公司 英国m e t t l e r 公司 北京四环科学仪器厂 无锡市林洲喷雾干燥设备厂 荷兰f e i 公司 2 2 1 复合凝聚物吸光度随p h 变化测定方法 配制总浓度为0 1 的明胶c m c 溶液，在4 5 水浴中，3 0 0r m i n 搅拌下，用1 0 醋酸调节体系p h ，在不同的p h 点取样，在6 0 0n m 波长测量其吸光值。 2 2 2 复合凝聚物的制备及产率计算 配制不同比例的明胶c m c 溶液，胶体总浓度1 。在4 5 水浴中，3 0 0r m i n 搅拌下，滴加1 0 醋酸溶液调节溶液p h 至酸性，使其发生复合凝聚反应。反应5m i n 7 江南大学硕士学位论文 后，冷却至1 5 以下。在冰箱中静置1 2h ，冷冻离心( 8 0 0 0r m i n ，3 0m i n ) 。取离 心后的下层沉淀物冷冻干燥，称量干燥后的复合凝聚物的质量，计算产率。 2 2 3z e t a 电位的测定 分别配置浓度为o 0 1 ( w v ) 的明胶和c m c 溶液，控制温度4 5 士1 条件下将其 调到所需的p h 值。每次取1 0m l 溶液，使用粒径电位分析仪( 马尔文公司) 测定溶 液的z e t a 电位。 2 2 4 微胶囊的制备