（应用化学专业论文）β—胡萝卜素微胶囊化工艺研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 含量、顺反异构体比例和粒径是影响肛胡萝h 素微胶囊产品质量的三个重要 指标，在b 胡萝h 素微胶囊化过程中，各种工艺条件都会不同程度地引起这三个 指标的变化。为此本文系统地研究了弘胡萝 素乳化液制备过程中涉及的温度、 表面活性剂、变性淀粉、水和抗氧化剂等因素对b 胡萝卜素含量、顺反异构体比 例和粒径的影响，以实现对b 胡萝t - 素微胶囊化工艺的优化。 实验发现，在1 6 0 以下处理0 0 2 5 质量浓度的6 胡萝卜素与油的混合物时， p 胡萝h 素不能完全熔融于油相中，而在1 7 0 以上时，争胡萝卜素能够在一定 时间内完全熔融，而且其平衡组成中各顺反异构体比例不随温度的变化而变化； 在4 0 8 0 处理p 胡萝卜素乳化液过程中，温度的变化对p 胡萝h 素乳化液中 顺反异构体比例及粒径基本没有影响。 表面活性剂的加入对b 胡萝卜素乳化液中顺反异构体比例及颗粒的大小影 响巨大，主要表现为亲水亲油平衡值( h l b ) 在3 。5 以下时，乳化液中顺反异构 体的比例随时间基本不变，且乳化液的粒径较小。随着h l b 值的增大，乳化液 中p 胡萝i - 素的异构化反应加速，其中全反式p 胡萝i - 素的比例随时间延长逐 渐增大，而9 顺和1 3 顺b 胡萝l - 素的比例逐渐下降，乳化液的粒径也不断增加。 合适的表面活性剂的用量在b 。胡萝卜素的量的5 0 以上。 在实验中涉及的几种变性淀粉中。除了变性淀粉h 对b 胡萝卜素乳化液影 响较大外，其他的影响不是很大；水量的变化在高速剪切下对乳化液基本没有影 响。 抗氧化剂的加入对乳化液中b 胡萝h 素顺反异构体的比例影响不是很大，对 粒径有少许影响，同其加入的量有关，但对b 胡萝卜素的含量影响很大。高温处 理油相时稳定化效果从大到小依次为t b h q 、舡生育酚和b h t ，充氮后有一定的 叠加效应；乳化液中抗氧化剂的效果从大到小依次为t b h q 、b h t 、抗坏血酸棕榈 酸酯、舡生育酚、抗坏血酸钠、抗坏血酸和异抗坏血酸。 关键词：争胡萝h 素微胶囊异构体表面活性剂变性淀粉抗氧化制温度 浙江大学硬士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r e p a r a t i o no f 3 - c a r o t e n em i c r o e n c a p s u l a t i o n , t h ed e g r a d a t i o nc a u s e db y o x i d a t i o n , t h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h es h r e em a j o ri s o m e r so f 脚a r o t e n ec a u s e db y i s o m e r i z a t i o na n dt h ep a r t i c l es i z eo fp c a r o t e n ee m u l s i o na r et h r e ea r e a sw h i c hm u s t b et a k e ni n t oa c c o u n t s oi nt h i sp a p e r , t e m p e r a t u r e ，s u r f a c t a n t , m o d i f i e ds t a r c h , w a t e r u s a g ea n da n t i o x i d e n tw h i c hw e r et h em a j o rf a c t o r si nt h ep r e p a r a t i o no f 即, a r o t e n e e m u l s i o nw e r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h et h r e ea s p e c t s w h e nt h et e m p e r a t m ew a sb e l o w1 6 0 c ， 3 - c a r o t e n ec o u l d n tm e l ta b s o l u t e l yi nt h e o i lp h a s e w h e nt h e 3 - c a r o t e n em e l t e dt h r o u g h l ya n dr e a c h e de q u i l i b r i u ms l a t e t h e e q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o no fc i s j a l l - t r a n s 3 - c a r o t e n ew o u l d n tc h a n g ew i t ht h ec h a n g e o ft e m p e r a t u r e w h e nt h ee m u l s i o nw a sk e e p ta t4 0 8 0 c ，t h et e m p e r a t u r ed i d n t a f f e c tt h ee m u l t i o no b v i o u s l y t h es u r f a c t a n ta f f e c t e dt h ee m u l s i o nm a r k e d l y w h e nt h eh y d r o p h i l e l i p o p h i l e b a l a n c e ( h l b ) v a l u ew a sb e l o w4 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc i s a l l - t r a n s 3 - c a r o t e n ec o u l d n o tc h a n g ed u r i n gt h ep r o c e s s ，a n dt h ep a r t i c l es i z eo fe m u l s i o nw a ss m a l l b u ti f t h e h l bv a l u ew a sl a r g e r , t h ev e l o c i t yo fi s o m e r i z a t i o nw a sb i g g e r , a n dt h ep r o p o r t i o no f a i l t r a m 3 - c a r o t e n ea d d e da n dt h ep r o p o r t i o no f 9 - c i sa n d1 3 一c i s 3 c a r o t e n ed e c r e a s e d t h ep r o p e ru s a g eo f s u r f a c t a n tw a sm o r et h a n5 0p e r c e n t a g eo f 3 - c a r o t e n e t h em o d i f i e ds t a r c hu s e dd i d i l ta f f e c tt h ee m u l s i o nl a r g e l ye x c e p th t h eu 戤a g eo f w a t e rd i d n ta f f e c tt h ee m u l s i o ne i t h e r t h et h ec o n c e n t r a t i o no fc i s a l l t r a n sp c a r o t e n ed i d n tc h a n g em u c hw h e n a n t i o x i d e n t w a sa d d e d , b u tt h ep a r t i c l ec h a n g e dal i t t l e w h e na d d e di nt h ep r o c e s so f h e a t i n go i lp h a s e , t h ea n t i o x i d e n tf i o mg o o dt ob a d w a st b h q ，小t o c o p h e r o la n d b h t w h e na d d e di nt h ep r o c e s so fe m u l s i o n ，t h ea n t i o x i d e n tf r o m9 0 0 dt ob a dw a s t b h q ，b h t , a s c o r b y lp a l m i t a t e , a - t o c o p h e r o l ，s o d i u ma s c o r b a t e ，a s c o b i ca c i da n d i s o a s c o b i ca c i d k e yw o r d s ：f l - c a r o t e n e i s o m e r i z a t i o n m i c r o e n c a p s u l a t i o ns u r f a c t a n tt e m p e r a t u r e m o d i f i e ds t a r c ha n t i o x i d e n t 浙江大学硕士学位论文 前言 第1 章文献综述 类胡萝卜素( c a r o t e n o i d ) 是一类天然产物的总称，到目前为止，人类在自然 界中已发现6 0 0 余种类胡萝 素类化合物i l 】。类胡萝h 素分子由中央多聚共轭烯 链和位于两端的末端基团组成。根据其含氧与否，类胡萝卜素可分为含氧的类胡 萝h 素和不含氧的类胡萝卜素。不含氧的类胡萝卜素被称为胡萝h 素。常见的胡 萝h 素有： a - 、p 、丫胡萝卜素和番茄红素等。 其中b 胡萝卜素作为维生素a 的前体，是联合国粮农组织和世界卫生组织食 品添加剂联合专家委员会认定的a 类营养食品强化剂。世界上已有5 2 个国家和地 区批准使用该产品。并被美国食品化学品添加剂典范( f c c ) 收载。作为药物，b 胡萝h 素已被美国药典( u s p ) 1 9 9 0 版、1 9 9 5 版，欧洲药典1 9 9 7 版，英国药典 ( b p ) 1 9 9 8 版正式收载。中国卫生部部颁标准也已收载该产品，中国国家药品监督 管理局公布的第一批非处方药目录亦收载本品。 在自然界中，8 胡萝h 素广泛存在于胡萝h 、南瓜、水果、谷物和棕榄中。 而在人体内，p - 胡萝卜素主要分布在血浆和肝脏等组织中，并且人体内，p 胡萝 卜素的含量随年龄的增长而减少。人体自身无法合成b 。胡萝h 素，需要从外界补 充。p 一胡萝卜素不溶于水，在油中也是微溶的，争胡萝卜素本身又极易变质，因 此，在食品及其它应用中受到很大的限制。在实际应用中，根据不同的需要，一 般将p - 胡萝卜素制成不同的剂型，如油悬浮液、水分散性干粉、水分散性乳液和 微胶囊等。 1 1p - 胡萝卜素简介 p - 胡萝卜素是维生素a 的前体，故称维生素a 原。目前主要用于食品的调色 剂、添加剂、维生素a 原以及化妆品助剂，另外 胡萝卜素还作为药物，治疗红 细胞生成性原卟啉症、维生素缺乏型2 1 以及抑制肿瘤形成的抗癌药物脚。 浙江大学硕士学位论文 1 1 1p 一胡萝b 素的理化性质 争胡萝b 素属四帖类碳氢化合物，其分子含有两个1 3 酮芷环和四个异戊二烯 侧链，整个分子是对称的，即两个b 酮芷环在两端，在其中心断裂可产生两个v a 分子，分子中有多个双键而且双键之间彼此共轭，它的分子式为c 4 0 h 5 6 分子量 为5 3 6 8 8 ，熔点1 8 0 左右，呈深红色至暗红色的有光泽的斜六面体、板状微结 晶或结晶性粉末，有轻微异臭或异味。稀溶液呈橙黄色至橙色，浓度增大时带红 色。肛胡萝卜素遇氧、热和光时呈不稳定，而在弱碱下较稳定，不溶于水、丙二 醇、甘油、酸和碱，溶于二硫化碳、苯、氯仿、己烷及植物油，几乎不溶于甲醇 和乙醇。正是由于它的不饱和结构，使它具有较强的抗氧化活性和清除自由基的 能力，因而具有一定的生理活性。但是，也正是由于它的多双键结构，使得它的 化学性质不稳定，易在光照和加热时发生氧化变质及其异构化反应，因而应避免 直接光照，加热和与空气接触，应低温贮存在不活泼的气体( 如n 2 ) 中，其操作也 应在无光下进行。d 胡萝h 素的各种顺反异构体的分子结构式如下图所示。 9 - c i s - p - c a r o t e n e 2 浙江大学硕士学位论文 1 5 - c i s - p c a r o t e n e 图2 1b - 胡萝h 素顺反式异构体的结构 1 2p - 胡萝卜素的应用 1 2 1p 一胡萝卜素在医学上的应用 1 2 1 1i ) - 胡萝卜素作为v a 的前体补充v a 的不足 v a 是与健康密切相关的营养素，但人体摄入过量v a 会引起急性及慢性中 毒。1 9 2 8 年，发现一分子的b 胡萝卜素在体内酶的作用下可转变为两分子的v a 。 而p 胡萝卜素本身无毒性，当摄入大量的p 胡萝卜素时，会在体内积蓄，但不会 引起中毒。此转化过程主要在小肠和肝脏的黏膜中进行，转化酶能在体内v a 缺 乏时将b 胡萝 素转化为v a ，当体内v a 的增加达到需要量时，酶即停止转化。 因此，即使摄入过量的b 胡萝h 素，由于酶的自动控制，也不会导致血液循环中 v a 水平的显著增加。故服用b 胡萝卜素既可补充人体v a 的不足，也可避免v a 过量的毒性，尤其可避免直接应用v a 的不良反应【4 】。 1 2 2 2p 一胡萝卜素的抗氧化作用 近年来有关疾病预防与食物成分关系的研究指出，b 胡萝卜素在生物体内有 抗氧化营养素作用。生物体中自由基的积累对肌体的损伤成为发病的重要原因， 而b 胡萝卜素与自由基密切有关，这可由以下实例来说明。测试吸烟者与不吸烟 者血液中的p - 胡萝h 素，比较测试结果，发现吸烟者血液中p 胡萝卜素的浓度比 不吸烟者低3 0 ，推测这是由于吸烟时产生大量的自由基，为了猝灭自由基，吸 烟者体内较多的 胡萝素消耗于消除自由基。同时p 胡萝卜素不仅能猝灭自由 基，还是自由基前体单线态氧的最强猝灭剂【5 】： 3 浙江丈学硕士学位论文 0 2+q q + + 0 2 单线态氧胡萝h 素活化胡萝卜素三线态氧 由此可见p 胡萝h 素是消除自由基的极好的抗氧化剂，能清除游离态、减少 光敏氧化作用，可防止形成肿瘤及动脉粥样硬化。不仅如此，b 胡萝卜素也能与 过氧化基团发生化学反应，产生环氧化物，起保护机体的作用。 在人体中每日摄入1 5 m g 以上的1 3 - 胡萝卜素，较日摄入量不足6 m g 者脑卒中风 危险率可降低4 0 ，心肌梗死危险率可降低2 2 。根据免疫学调查，肛胡萝i - 素 对动物有免疫增强作用，主要对肺癌、胃癌、口腔癌有预防效果，得到有用性的 报告【6 】。日本和挪威等国家的居民膳食中常多吃富含b - 胡萝卜素的蔬菜、水果， 在人血清中的1 3 - 胡萝h 素高于平均水平，其居民患肺癌、结肠癌、子宫颈癌、乳 腺癌、胃癌、食道癌、前列腺癌的发病率较低。在美国，b 胡萝卜素已制成药丸， 取得美国食品药物管理局( f d a ) 的认可并列入美国药典。p 胡萝卜素可能占领5 0 的维生素a 市场。b 胡萝h 素在防治疾病的保健药品中有极大的新市场，而天 然品的作用更多。天然1 3 胡萝b 素以全反式为主，稍含有少量其它立体异构型。 这种天然的立体异构混合型比合成的全反式在体内容易被吸收，因此起的作用更 大。天然1 3 胡萝h 素将随着人类环境意识的提高和回归大自然的渴望而身价倍 增。 1 2 2p 一胡萝卜素在食品业上的应用 p 胡萝卜素广泛存在于动植物和微生物之中，其稀溶液呈橙黄色至黄色，具 有很强的着色力，在与其他色素混合后呈现出各种颜色，色泽十分夺目。b 胡萝 卜素在植物、藻类和真菌中广泛存在，在人体内不能合成，因此，只能从外界中 摄取。b - 胡萝卜素来源广泛，在发展中国家的膳食中常可供维生素a 需要量的6 0 棚o 。此外，争胡萝h 素尚有防止衰老和增强免疫力等作用，也是重要的色 素，故近年来发展较快。国际上年需求量在1 0 0 0 吨以上，年增长率达1 0 1 5 。 由于p 胡萝h 素属油溶性物质，人体对1 3 胡萝卜素的吸收转化率较低，b 胡萝b 素的转化率只有1 6 ，即1 微克的b 胡萝卜素只能转换成0 1 6 7 微克维生素a ，需有 油脂同时存在下，方能被吸收利用，因此其强化对象也是人造奶油、色拉油、芝 麻油等含脂食品。 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 3b - 胡萝i - 素在日用化妆品上的应用 b - 胡萝卜素的提取物中含丰富的氨基酸、维生素、天然保湿因子、微量元素 和其它生物活性物质，受到国际权威美容专家的好评和消费者的青睐。在口红、 胭脂等化妆品中添加p 一胡萝h 素，色泽丰满自然，又能保护皮肤，b - 胡萝卜素护 肤品已有市售 1 2 4p - 胡萝卜素在饲料上的应用 p 一胡萝卜素、虾青素等类胡萝卜素是天然色素，而且是人和动物体内重要的 生物活性物质，具有增色和营养双重功效。作为饲料添加剂，能提高动物的生长 速率和肉类质量，提高牛、马、猪的繁殖能力，增强鲑鱼、虾的色质，加深禽蛋 的颜色。 1 3 微胶囊简介 微胶囊技术是指利用成膜材料将固体、液体或气体微粒囊于其中，形成直 径几微米至上千微米的微小容器的技术 7 1 。微胶囊通常是在囊壁内填入囊心( 又 称包容物) 配制而成。天然或合成高分子材料是制作囊壁的良好基材。前者主要 是动植物蛋白，如明胶、琼脂、阿拉伯树胶等，具有易降解、生物兼容及成膜性 好等优点；合成高分子壁材则可显示化学“裁剪”的优势。微胶囊囊壁的形状与 所填物质状态有关，一般来说，含固体的微胶囊形状与固体相同，含液体或气体 的微胶囊的形状为球形。微胶囊的大小一般在2 1 0 0 0 m 范围内。囊壁因有许多 微孔而具有良好的半透性。液体囊心或水溶性囊心可以通过溶解、渗透或扩散过 程，透过囊壁释放出来。其释放速度又可以通过改变囊壁材料的化学组成、厚度、 硬度、孔径大小等加以控制。即使是致密壁材内的囊心，在控制压力、紫外线强 度等外界因素的作用下，也可以以人们期望的速率释放出来。微胶囊的特殊结构 使囊心与外界环境相互隔离，使其免受外界温度、氧气和紫外线等因素的影响： 即便是性质不稳定的囊心，也不易发生化学变化。微胶囊的特殊结构还可以使原 本会发生反应的几种组分分开，使其“各自为政”，保持“原汁原味”，并可根 据需要控制它们的分离或混合因此，根据不同特殊应用的要求，制各有特定结 浙江大学硕士学位论文 构的含不同囊心的微胶囊，将它们搀杂到应用体系中，能显著改善产品性能，提 高其附加值，起到非同寻常的效果。 无论物质具有亲水性或具有亲油性，大多数气体、液体、固体均可以被包 囊。微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实现 许多目的。广义地说，微胶囊具有改善和提高物质外观及其性质的能力。具体地 讲，其主要有以下六个方面作用：( 1 ) 改善物质物理性质：如可通过微胶囊将液 态物质改制成固态剂型，改变物质密度，改善流动性、可压性、分散性等。( 2 ) 缓释控制；通过选择不同囊材组合和配比，使囊心物在适当条件下缓慢或立即释 放，该性质已在医药、农业和化肥行业里得到广泛应用。( 3 ) 改善稳定性，保护 囊心物免受环境影响：有些物质很容易受氧气、温度、水分、紫外线等各种环境 因素影响，通过微胶囊化，使囊心物与外界环境相隔离。( 4 ) 降低对健康危害、 减少毒副作用：如硫酸亚铁、阿司匹林等药物包囊后，可通过控制释放速度以减 轻对肠胃副作用。对于制药工业来说，可采用微胶囊技术制造靶制剂，达到定向 释放效果。( 5 ) 屏蔽味道和气味：微胶囊化可用于掩饰某些化合物令人不愉快味 道。( 6 ) 减少复方制剂配伍禁忌：对于原料中相拮抗的物质，采用微胶囊化隔离 各成分，阻止活性成分之间化学反应，故能保持其有效成分稳定性。 1 3 1 微胶囊的制备方法 依据囊壁形成的机理和成囊条件，微胶囊制备方法大致可分为三类，即化 学法、物理法和物理化学法。化学法一般包括界面聚合法、原位聚合法、锐孔法 等；物理法有喷雾干燥法、空气悬浮法、沸腾床涂布法、离心挤压法、旋转悬挂 分离法等；物理化学法有复凝聚法、水相分离法、油相分离法、干燥浴法( 复相 乳化法) 、熔化分散冷凝法等。 1 3 1 1 化学法 1 3 1 1 1 界面聚合法 界面聚合法指的是将两种带有不同活性基团的单体分别溶解在互不相溶的 溶剂中，当一种溶液被分散在另一种溶液中时，两种溶液中的界面会形成聚合物 膜。 该法制备微胶囊的过程包括：( 1 ) 通过适宜的乳化剂形成油水乳液或水 6 浙江大学硕士学位论文 油乳液，使被包囊物乳化；( 2 ) 加入反应物以引发聚合，在液滴表面形成聚 合物膜；( 3 ) 微胶囊从油相或水相中分离。在界面反应制备微胶囊时，影响产 品性能的重要因素是分散状态。搅拌速度、黏度及乳化剂、稳定剂的种类与用量 对微胶囊的粒度分布、囊壁厚度等也有很大影响。作壁材的单体要求均是多官能 度的。如多元胺、多异氰酸酯、多元醇等。反应单体的结构、比例不同，制备的 微胶囊性能也不相同。l a r i o n o v a 笔 将不同量的小淀粉酶和牛血清蛋白溶解在缓冲 液中，加a s p a n 8 0 、环己烷，搅拌乳化，再加入含有对苯二甲酰氯的氯仿溶液， 搅拌3 0 m i n ，洗涤后得微胶囊。 该法的优点是反应物从液相进入聚合反应区比从固相容易，所以界面反应制 备微胶囊适宜于包囊液体，制得的微胶囊致密性较好。在聚合过程中，分散相和 连续相均为提供活性单体的库源，与原位聚合法相比，该法的反应速率较快，反 应条件温和，在室温下即可进行，而且聚合物相对分子质量高，对单体纯度和配 比要求不严格，即单体纯度和配比不是影响聚合物相对分子质量的主要因素，无 抽提、脱气工序，缩聚反应不可逆。 该法的其缺点是经常会有一部分单体未参加成膜反应而遗留在微胶囊中，故 在制备含水微胶囊时，经常混合无毒的乙二醇或甘油，既可起成膜单体的作用， 又可作为水的阻滞剂。另外要求被包裹物能耐酸碱性，不能与单体发生反应。 1 3 112 原位聚合法 原位聚合法指的是单体、引发剂或催化剂以原位处于介质中，加入单体的非 溶剂使单体沉积在原微颗粒表面上，引发聚合物形成微胶囊。 实现原位聚合法的必要条件是单体可溶，聚合物不可溶。与界面聚合法相比， 可用于该法的单体很多，如气溶胶、液体、水溶性或油溶性单体或单体的混合物， 低相对分子质量的聚合物或预聚物等。因此，各种各样的材料均可用以构成囊壁。 c h o l 等用n a o h 调节柠檬酸水溶液的p r 为4 0 ，加入由氧化聚合而得的聚苯胺颗 粒，于4 0 4 5 c 搅拌2 d , 时，加人蜜胺甲醛树脂的预聚物，继续加热搅拌，再经 后处理得聚苯胺微胶囊。 原位聚合法建立在单体或预聚体聚合反应形成不溶性聚合物壁材的基础 上，如何将形成的聚合物沉淀包覆在囊心表面上是该法的关键。 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 1 3 锐孔法 锐孔法指的是聚合物溶解，加入活性物质分散其中，将分散液用锐孔装置 加到另一种溶液中，使胶囊析出。 该法因聚合物的固化导致微胶囊囊壁的形成，即先将线性聚合物溶解形成 溶液，当其固化时，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因为大多数聚合物的沉淀作 用是在瞬间进行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到引化剂中之 前，预先成型，锐孔法可满足这种要求。锐孔法可采用能溶于水或有机溶剂的聚 合物作壁材，通常加入固化剂或采用热凝聚，也可利用带有不同电荷的聚合物络 合实现固化。近来，多采用无毒且具有生物活性的壳聚糖阳离子与带有负电荷的 多聚糖如海藻酸盐啦9 1 、羧甲基纤维素1 0 1 、硫酸软骨素【1 1 1 、透明质酸【1 习络合以形 成囊壁。 该法的优点是操作简单，无需高速搅拌，且所得的胶囊机械强度大，胶囊 颗粒小。适于对紫外光敏感的生物活性体的包囊。 1 3 1 2 物理化学法 1 3 12 1 复凝聚法 复凝聚法适用于对非水溶性的固体粉末或液体进行包囊。实现复凝聚的必要 条件是有关的两种聚合物离子的电荷相反，且离子所带电荷数恰好相等。此外， 还必须调节体系的温度和盐的含量。该法多与其他方法融合来制备微胶囊。以明 胶与阿拉伯胶为例，将明胶溶液p h 值自等电点以上调至等电点以下，使之带正 电( p h 4 o q 5 ) ，而阿拉伯胶仍带负电，由于电荷互相吸引交联，形成正、负离子 的络合物，溶解度降低而凝聚成囊。复凝聚法是经典的微胶囊化方法，操作简单， 适用于难溶性药物的微胶囊化。 复凝聚法还具有这样一个优点，即非水溶性的液体材料不仅能够被微胶囊 化，而且具有高效率和高产率。 1 3 12 2 油相分离法 有机相体系的相分离法适用于水溶性或亲水性物质的微胶囊化，分离出来的 聚合物量和状态取决于体系中聚合物浓度、沉淀剂用量及温度。其胶囊化的关键 是在体系中形成可自由流动的凝聚相，并使其能稳定地环绕在芯材微粒的周围。 还有一点是芯材在聚合物、溶剂和非溶剂中不溶解。溶剂与非溶剂应相互混溶。 8 浙江大学硕士学位论文 由于采用油性溶剂作分散介质，因此油相分离法存在污染、易燃易爆、毒性等问 题。另一方面，存在溶剂价格高，产品成本高的问题。陈红梅等利用油相分离法 及天然高分子材料甲壳糖包裹天然抗氧化剂茶多酚制备的微胶囊不仅起保护作 用，且延长了抗氧化时间。 1 3 1 2 3 水相分离法 在水相分离法中，形成微胶囊囊壳的起始原料为水溶性的聚合物，聚合物 的凝聚相自水溶液中分离出来，形成了微胶囊壳。水相分离法的生产不需特殊设 备，以水为介质，是目前对油溶性固体或液体进行微胶囊化的一种常用方法。水 相分离法又分为复凝聚法和单凝聚法。复凝聚法是由至少两种带相反电荷的胶体 彼此中和而引起的相分离。单凝聚是由凝聚剂引起单一一种聚合物的相分离。 该法的优点是降低了个体的挥发性，通过改变水溶液体系的p h 值，使聚合 物不溶解并沉淀，适用于热敏性物质的包囊。 1 3 1 3 物理及机械法 1 3 131 溶剂蒸发或溶液萃取 溶剂蒸发或溶液萃取技术要追溯至l j 2 0 世纪6 0 年代后期，w i e l a n d 和d e t e r m a n 于1 9 6 8 年用该技术来制备纤维素小圳1 3 】，v r a n k e n 和c l a e y s 于1 9 7 0 年制备装有 染料的聚苯乙烯微胶囊【1 4 】。一般来说，制备芯材料为水溶液的微胶囊是困难的。 界面聚合反应虽然也能用于水溶液微胶囊化，但是对单体进行改性才能将水溶液 微胶囊化。通过油相相分离法制备的油包水型乳液的水溶液微胶囊，尚存着许多 工艺上的困难，难以获得干燥的粉末产品。而采取溶剂蒸发或溶液萃取技术制备 微胶囊的方法则具备上述方法所没有的优势，特别是不必调p h 值及剧烈的加热 和冷却，也不需要特殊的反应试剂，对于酶、血红蛋白、摄影用的乳剂等活性材 料，均可用此法微胶囊化，且在包囊过程中不会引起任何的质变。 1 3 1 3 2 熔化分散冷凝法 熔化分散冷凝法是利用蜡状、脂肪和聚合物溶液等可熔融材料( 如石蜡) 在受热时的独特性质来实现微胶囊化的。一般来说，典型的蜡状物质具有较低的 软化点。当这种蜡状物质受热时，会软化并变成液态。当壳材料变成液态后，可 将芯材料分散到液态蜡中，并形成分散液。当体系冷却时，蜡状壳材料就围绕着 芯材形成固态壳膜，从而产生了微胶囊。该法可分为三种类型：在液态介质中微 9 浙江大学硕士学位论文 胶囊化；在气态介质中微胶囊化；应用锐孔成型为微胶囊。 该法对水溶性材料的微胶囊化特别有效，具有一定的实用价值。另外，为 了获得较好的产品，芯材必须有球状的几何外形，这需要在胶囊化之前进行造粒。 当胶囊壁不能被迅速固化时会产生一些问题。因为壁材如是晶态材料，在贮藏过 程中，结晶的百分比及晶型转变容易受影响，因此壳材料必须能够快速凝固。 1 3 1 3 3 流化床法 流化床工艺。又称为空气悬浮喷涂法。空气悬浮喷涂是一种老的微胶囊化方 法。空气悬浮成膜法是由美国威斯康星大学药物学教授d e w u r s t e r 发明的，所以 该法通常称为w u r s t e r 法。流化床包囊工艺是将所喷的壳材料以溶液或热熔融物 形式，喷到悬浮在热气流中的固体颗粒上。流化床包囊工艺主要是对固体颗粒或 者吸附了液体的多孔微粒进行胶囊化。在空气悬浮喷涂工艺中，颗粒被可溶解或 熔融的聚合物涂层。该聚合物以不稳定的平衡形式悬浮在向上移动的空气中。 w u r s t e r 工艺可以采用三种流化床装置，即侧喷、顶喷和底喷。在顶喷装置中， 热的熔融、壳材料喷到固体颗粒流化床的顶部，然后将固体颗粒冷却，制成具有 固体壳的微胶囊。这种技术可用于各种水溶性食物组分的包囊。 1 3 134 喷雾干燥法 喷雾干燥法是一种较早采用且很实用的制备微胶囊的方法。其原理是：对形 成的心材、壁材溶液两相体系，心材分散于壁材溶液之中且被壁材所包围，该两 相体系通过压力或离心方式以微滴状被喷入干燥室中，遇到热空气壁材溶液迅速 蒸发，壁材脱去溶剂之后在心材外收缩覆盖于心材之外形成一层膜。干燥时，由 于溶剂能从壁材中迅速蒸发从而保证了心材温度不会很高【1 5 1 ，且雾化原料和热 空气的接触时间最长不超过十几秒钟。通过喷雾干燥法生产的微胶囊粉末近似圆 形，粉粒直径在5 6 1 n n 之间。 喷雾干燥的主要优点是：( 1 ) 干燥速率高、时间短。由于物料被雾化成粒 径为几十微米的液滴，所以液体的比表面积很大。例如，如果以平均直径5 0 1 a m 计算，则每升液体可以分散成为1 4 6 亿个微小液滴，其总面积可以达到5 4 0 0 m 2 。 这么大的表面积有助于进行热交换和质交换，具有非常高的速度，可在瞬间( 几 秒到几十秒) 干燥完毕。( 2 ) 物料温度低。对于喷雾干燥工艺来说，虽然采用 较高温的干燥介质，但是当液滴中有大量溶剂存在时，物料的表面温度一般不超 1 0 浙江大学硕士学位论文 过热空气的湿球温度。因此非常适用于热敏性物质的干燥。( 3 ) 产品具有良好 的分散性和溶解性。根据工艺的要求，可以选用适当的雾化器，从而使得产品为 粉末状。因此，产品的疏松性、分散性好，不经过粉碎也可以在溶剂中迅速溶解。 ( 4 ) 产品纯度高。由于干燥的过程是在密闭的容器中进行的，所以杂质不会混 入产品中。( 5 ) 生产过程简单，操作控制方便。大部分产品干燥后不需要粉碎 和筛选，生产工艺流程简化。而且，通过改变操作条件可以调整产品的粒度和含 溶剂量。( 6 ) 适用于连续化生产。干燥后的产品连续排料，在后处理上结合冷 却器可以组成连续的生产线，有利于实现自动化大规模生产。由于喷雾干燥具有 上述优点，所以该技术特别适用于食品的干燥，例如乳、蛋制品、糖类及粮食制 品，果蔬制品，肉类、水产制品。 喷雾干燥的缺点为单位产品的耗热量大，设备的热效率低，介质消耗量大。 另外一个主要缺点是单位容积干燥强度小，所以干燥器的体积较大，基建费用高。 1 3 2 微胶囊尺寸和质量的影响因素 很多因素都影响着微胶囊的尺寸和质量，其中的某些因素甚至还会影响药物 和其他应用中活性组分的控制释放性能。 在微胶囊制备过程中，影响微胶囊质量的主要因素为：溶剂的选择与混合， 芯材料在水中的溶解性，溶剂的回收速度，壳材料聚合物的类型及分子量，壳材 料聚合物的结晶度等。 在微胶囊制备过程中，影响微胶囊粒径的主要因素为：乳化的条件，反应原 料的化学结构，有机相的固含量，相关物质的粘度，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，聚合物反应制备时的温度。 微胶囊化完全与否是微胶囊的关键影响因素。对它的检测可以采用化学方法 也可采用现代仪器进行分析，然而最简单的方法是化学方法，它是在微胶囊化胶 囊中加入含变色基团的物质。微胶囊化后，通过检测变色物质是否存在来确定微 胶囊化是否完全。例如可以在胶粘剂微胶囊的包囊过程中加入结晶紫内酯，微胶 囊化后用3 0 的对苯基苯酚一甲苯溶液来处理涂布过的基材，如果没有颜色变化 则说明微胶囊化进行得完全。 浙江大学硕e 学位论文 1 4p 一胡萝卜素制剂化介绍 1 4 1 研磨法 研磨法一般是将1 3 胡萝卜素的油溶液研磨成悬浊液后加入含明胶、抗氧化 剂、表面活性剂和蒸馏水的溶液；也有将两者混合后一起研磨的。当充分研磨成 稳定的乳化液后进行喷雾干燥得到成品。颗粒粒径一般在2 p m 左右，很难达到 l p m 。 研磨法最大的优势在于其生产过程中不需要有机溶剂的加入，基本没有带入 有害物质，是一种比较安全、环保的方法。但由于研磨机械本身的局限性，存在 三个主要的缺点：第一个就是产品颗粒大，一般研磨后的颗粒只能达到 2 印1 l o 岬l 的水平，极难研磨至0 1 p m ，因而极大影响了产品的生物利用率；第二， 由于要进行机械研磨，需要大量的能量；最后就是在研磨的过程中虽然有抗氧化 剂的存在，b 胡萝h 素的氧化降解相比其他的方法还是比较厉害的。 如欧洲专利e p 0 4 9 8 8 2 4 中介绍了一种利用研磨法制备水分散性的类胡萝卜 素制剂方法【l 们。该法的缺点是：由于在制剂过程中缺少有效的冷却装置，在研 磨过程中，活性成分会因为温度的升高而受到损害。另一方面，活性成分在研磨 过程中易氧化，这是很难避免的。 研磨法作为一种很有优势的制剂途径，想要达到完全的应用，急需解决上述 的几个问题。只有当产品的粒径达到生物利用的要求，降低了使用过程中的能耗， 限制了生产过程中的氧化降解等，才能被广泛的用于工业化的生产中。因此，除 了研制新型高效的研磨粉碎设备之外，另一重要途径就是加入粉碎助剂。粉碎助 剂大都是一些有机或无机化合物，添加在物料中以增加粉碎效率。 1 4 2 高温高压处理法 由于在争胡萝卜素中添加增溶性的油类或者有机溶剂都存在一定的缺点，美 国专利u s 2 8 6 1 8 9 1 介绍了一种通过加入增溶性的油类物质来得到所期望的颗粒 大小的方澍1 r l ，但是这种方法受到了一定的限制，比如这些油类物质对人体的 健康会有一定影响，由于p - 胡萝h 素有限的溶解性，利用这种方法生产具有高效 浙江大学硕士学位论文 粉末状的活性成分也不是最佳的。因此，就需要开发一种具有高效粉末状活性成 分的制备方法，这种方法不需要使用有机溶剂和或增溶性的油类，这就避免了 上述缺点。此外，活性成分是易于分散在水溶性的介质中。 欧洲专利e p 0 8 0 7 4 3 1 介绍了一种生产类胡萝b 素粉末的方法【瑚。该方法是在 高温和高压下进行的，该过程不需要使用有机溶剂和或增溶性的油类，最终颗 粒的粒径在0 1f t m , - o 5 t t m 2 _ 间，并具有良好的稳定性和生物利用率。该发明是固 体类胡萝b 素粉末，其重量为1 0 - - 2 5 ，其粒径大小为0 1 加5 目。在不需要有 机溶剂或增溶油的情况下，采用高温高压的方法将熔融的类胡萝卜素，例如1 3 胡萝h 素，在悬浮液和保护性胶体中，加热到1 8 0 - - 2 5 0 在9 6 6 - - - 2 7 5 9 b a r 的压力 下，类胡萝卜素悬浮液均质化获得乳化液，干燥得到类胡萝卜素粉末。当前的发 明还包含一个新颖的高温高压处理过程，产生高效( 重量为2 5 ) 的类胡萝卜素 粉末( 微胶囊) ，并有良好的稳定性和生物利用率，不需要在类胡萝卜素中使用 增溶性的油或有机溶剂。 1 4 3 溶剂法 有机溶剂法可分为传统有机溶剂法和改进有机溶剂法。传统有机溶剂法一般 首先是将明胶、蔗糖、抗氧化剂、乳化剂等在温水中充分溶解，同时把肛胡萝卜 素溶解在有机溶剂中；然后在保持高速高剪切条件下把溶剂相缓慢倒入水相中， 在充分乳化一段时间后逐步升温，直至把溶剂蒸完；最后在调节适当的粘度后送 至喷雾干燥设备，得到成品。 美国专利u s 3 9 9 8 7 5 3 介绍了一种含水可分散类胡萝b 素粉末的批量制备方 法，其中类萝卜素的颗粒粒径达到了o 1 t t m l 悖】。该法的缺点是：需要使用大量的 有机溶剂，不可能完全除去有机溶剂，而且这些溶剂在制剂过程中具有潜在的危 害，并在最终产品中仍有残留，同时使用有机溶剂还需要有特殊的回收装置。 卤代脂肪烃等有机溶剂与水不混溶，在常温常压下即可溶解相当量的b 胡萝 b 素，因而工艺条件简单，制备的b 胡萝b 素粉末粒径都很小。但其毒性太大， 而且在蒸发除去溶剂时，在常规的工艺条件下达到生物安全要求有一定困难。所 以该方法有着很大缺陷，近年来研究者们改进了这种方法。 改进有机溶剂法主要有两种思路：减少溶剂的用量和寻找相对低毒的溶剂， 浙江大学硕士学位论文 这样会大大降低后期溶剂处理的难度。某些只含碳、氢、氧、可与水混溶的挥发 性溶剂，如醇类、醚类、酯类和缩醛类等，对b 胡萝i - 素有一定溶解度，同时毒 性远小于卤代烃，不失为理想的溶剂。根据研究发现，乙醇、正丙醇、异丙醇、 l ，2 丁二醇1 甲基醚、丙酮等是较为适合工业应用的几种溶剂。但是这样常温常 压下无法形成稳定的溶液，需要特定的工艺条件才能达到研究者们的目的。 现行工艺主要是采用热交换设备，在前期流程基本不变的情况下，通过热交 换器将两相流体在超过1 0 0 的高温和高压下瞬时乳化。这样得到的产品基本指 标都没有下降，而在溶剂安全上却有不小的进步。 b 胡萝卜素在有机溶剂中溶解性相对较好，工艺条件简单，成本不高，且所 得产品的粒径均在l l a n 以下，但它也有致命的缺点，就是溶剂用量大，势必会导 致有机溶剂在产品中的残留。由于有机溶剂大多是有毒物质，因此在越来越重视 食品安全和环境保护的今天，该种方法势必会受到限制。不过经过多年的研究， 已有很多可行的改进方法，使溶剂残留的问题得到尽可能的解决。 1 4 4 超临界处理法 超临界流体一般都具有很多特殊的性质，因而在各个领域的应用愈发广泛。 前面所列举的方法，无一例外都需要有一定的温度，而类胡萝卜素在高温下极易 变质。但超临界处理法可在常温下进行，在一定压力下，类胡萝i - 素溶解在超临 界流体中，通过类似溶剂法的步骤而得到产品。区别在于，溶剂法需要繁复的除 去溶剂的过程，而在超临界处理法中只要压力恢复到常压下，流体就会汽化而自 然与产品分离。 同时，通过选择不同的超临界流体可得到不同粒径的分散体系，可筛选的范 围很大。但是，超临界处理法对工艺条件的要求相当苛刻，不是一般企业所能企 及的水平，故一般只在理论上进行研究，实际应用价值不大。 一般采用的超临界流体有二氧化碳、氨、甲烷、二甲醚、甲苯、水、吡啶等， 得到的类胡萝h 素颗粒粒径在0 7 p m - 5 p m 之间。美国专利u s 6 0 5 6 7 9 1 中描述道 【2 0 】，在一定压力下，将类胡萝卜素与超临界流体混合，直到形成含5 - 9 0 超临 界流体的溶液。在此条件下，超临界流体迅速汽化，同时类胡萝i - 素颗粒的粒径 可达到一定的水平。通过后期步骤就可得到合格的类胡萝i - 素制剂产品。 1 4 浙江大学硕二t 学位论文 经过对众多文献的研究及整理，可以得出，在b 胡萝卜素微胶囊的研究进展 中，最主要的方法是喷雾干燥法，而在喷雾干燥法制备微胶囊的过程中，最关 键的步骤是p 胡萝卜素的乳化。在本论文中采用热熔法制备争胡萝b 素乳化液， 其中以甘油为油相中的分散载体，变性淀粉为乳化液的成膜材料，同时选用合适 的表面活性剂和抗氧化剂。在b 胡萝卜素的乳化工艺中，涉及到总多的因素，如 b 胡萝h 素的分析和检测、乳化温度、表面活性剂的种类和用量、变性淀粉的种 类和用量及抗氧化剂的种类及用量等。针对这些因素设计了下列实验内容。 1 5 本课题主要研究内容 ( 1 ) p - 胡萝h 素顺反异构体的分离：选择合适的流动相利用高效液相色谱对 p - 萝h 素进行顺反异构体的分离，选择合适的方法测定b 萝卜素乳化液中的p 萝卜素的含量。 ( 2 ) 筛选乳化温度。首先是筛选油相的处理温度，找出能使d 胡萝h 素完全 熔融的温度，并使b 胡萝卜素在热处理的过程中的损失较小，处理时问较短；另 外，考察乳化温度对乳化液的影响，寻找不影响粒径的最低乳化温度。筛选乳化 温度时以变性淀粉，麦芽糊精( 1 ：1 ) 为壁材，按固形物含量5 配比。 ( 3 ) 考察不同表面活性剂种类( 食品级，不同h l b 值) 及其配比( 三个水平) 对b 胡萝卜素乳化液的作用，寻找出合适的表面活性剂剂用量。 ( 4 ) 考察不同的变性淀粉对p 胡萝h 素乳化液的影响，寻找合适的变性淀粉 种类及与水的恰当配比。 ( 5 ) 筛选合适的抗氧化剂。由于b 胡萝卜素在处理的过程中容易发生氧化等 副反应，因此要选择合适的抗氧化剂种类及合适的用量，以最大限度地抑制这些 副反应，减少其对b - 胡萝b 素的破坏作用。 1 5 浙江大学硕士学位论文 第二章实验材料及分析方法 2 1 实验材料与设备 2 1 1 实验原料 表2 1 主要的实验原料 原料规格生产厂家 争胡萝卜素结晶 食品级浙江省新和成股份有限公司 b h t食品级浙江省新和成股份有限公司 舡生育酚食品级浙江省新和成股份有限公司 t b h q 食品级浙江省新和成股份有限公司 抗坏血酸食品级浙江省新和成股份有限公司 异抗坏血酸食品级浙江省新和成股份有限公司 抗坏血酸钠食品级浙江省新和成股份有限公司 抗坏血酸酯食品级浙江省新和成股份有限公司 2 1 2 实验试剂 表2 2 主要实验试剂 试剂规格生产厂家 甲醇色谱纯天津市四友生物医学技术有限公司 乙腈色谱纯天津市四友生物医学技术有限公司 石油醚 分析纯无锡市佳妮化工有限公司 ( 沸程3 0 , - , 6 0 ) 无水乙醇分析纯杭州瓶窑和顺化工试剂厂 二氯甲烷分析纯杭州瓶窑和顺化工试剂厂 丙三醇( 甘油)分析纯上海三鹰化学试剂有限公司