1.2微胶囊技术

1、食品高新技术 第一章 食品微粒化分散化技术 第二节 微胶囊技术 1 第二节 微胶囊技术 概述概述 基本概念基本概念 物理法微胶囊造粒物理法微胶囊造粒 物化法微胶囊造粒物化法微胶囊造粒 化学法微胶囊造粒化学法微胶囊造粒 微胶囊技术的在食品中应用举例微胶囊技术的在食品中应用举例 2 一、概述 微胶囊含意微胶囊含意:一种具有聚合物壁壳的微型容器或包 装品. 什么是微胶囊造粒技术什么是微胶囊造粒技术:将固体,液体或气体物质 包埋, 封存在一种微型胶囊内成为一种固体微粒 产品的技术. 3 概述 微胶囊的历史微胶囊的历史： 胶囊化:源于十九世纪, 微胶囊化:源于上世纪三十年代, 微胶囊化的突破: 50-7

2、0年代 微胶囊的应用领域微胶囊的应用领域：制药,食品,饲料,精细化工,照 相器材,机械制造业等. 4 概述 食品工业中应用微胶囊的目的食品工业中应用微胶囊的目的 最大限度地保持原有的色香味、性能和生物活性 防止营养物的损失与破坏. 使不稳定的气体液体食品变成稳定的固体 掩盖食品自身的异味 5 二、基本概念 微胶囊粒子的形态微胶囊粒子的形态 微胶囊粒子的材料微胶囊粒子的材料 微胶囊造粒的基本步骤微胶囊造粒的基本步骤 微胶囊造粒方法分类微胶囊造粒方法分类 微胶囊的释放微胶囊的释放 微胶囊产品的质量评定微胶囊产品的质量评定 6 1.微胶囊粒子的形态 尺 度: 一般 5200 有些0.51000 不宜

3、过大过小： 300 表面静电作用 减小 形 状: 形,肾形,粒 状,谷粒状,絮状,和 块状 结 构 囊壁厚度: 0.2 - 10 微米 2.微胶囊粒子的材料 心材(囊心物质) -微胶囊内部装载的物料 组成-固体,液体,气体(香精,香料等易挥发配料或添加物) 固液, 液液,固固,或气液混合体等 食品工业中心材举例(水溶性居多) 壁材(包囊物质) -外部包囊的壁膜物料 组成-有机和无机, 天然与合成的高分子材料 食品工业中壁材举例 壁材的选材原则 8 食品工业中心材举例(水溶性居多): 生物活活性物生物活活性物-氨基酸，维生素，矿物元素氨基酸，维生素，矿物元素 食用油脂食用油脂 酒类酒类 酶和微生

4、物细胞酶和微生物细胞 甜味剂甜味剂,酸味剂酸味剂,防腐剂防腐剂 香精香油香精香油 色素色素 9 食品工业中壁材举例 植物胶植物胶-阿拉伯胶阿拉伯胶,琼脂琼脂,藻酸盐藻酸盐,瓜儿胶瓜儿胶,罗望子罗望子 胶和卡拉胶等胶和卡拉胶等 多多 糖糖-黄原胶黄原胶, 阿拉伯聚半乳糖阿拉伯聚半乳糖, 淀淀 粉粉-玉米玉米,马玲薯马玲薯 交联改性交联改性 接枝共聚接枝共聚 纤维素纤维素- 羧甲基羧甲基 羧乙基羧乙基 乙基乙基 二醋酸二醋酸 丁基醋酸丁基醋酸 硝酸等硝酸等 蛋白质蛋白质-明胶明胶 酪蛋白酪蛋白 玉米蛋白玉米蛋白 大豆蛋白大豆蛋白 聚合物聚合物-聚乙烯醇聚乙烯醇, 聚氯乙烯聚氯乙烯 蜡与类脂物蜡与类

5、脂物-石蜡石蜡 蜂蜡蜂蜡 硬脂酸硬脂酸 和甘油酸脂等和甘油酸脂等 10 壁材的选材原则 能 与 心 材 配 伍 但 不 发 生 化 学 反 应能 与 心 材 配 伍 但 不 发 生 化 学 反 应 , 满 足 安 全 卫 生 要 求满 足 安 全 卫 生 要 求 , 有 适 当 的 渗 透 性 、有 适 当 的 渗 透 性 、 吸 湿 性 、 溶 解 性 和 稳 定 性 等 。吸 湿 性 、 溶 解 性 和 稳 定 性 等 。 11 3.微胶囊造粒的基本步骤 将心材分将心材分 散于微胶散于微胶 囊化的介囊化的介 质中质中 将壁材放将壁材放 入该分散入该分散 体 系 中体 系 中 将 壁 材 聚

6、将 壁 材 聚 集集, 沉渍或沉渍或 包包 在心材在心材 的周围的周围 进行化学进行化学 或物理方或物理方 法处理法处理 (获获 得一定的得一定的 机械强度机械强度) 4.微胶囊造粒方法分类 物理方法 喷雾干燥 喷雾凝冻 空气悬浮 真空蒸发沉积静电结合 多孔离心 物理化学方法 水相分离 油相分离 囊心交换 挤压 锐孔 粉末床 熔化分散 复相乳液 化学方法 界面聚合 原位聚合 分子包囊 辐射包囊 13 5.微胶囊的释放 微胶囊释放的时间微胶囊释放的时间 立即立即 延时延时 微胶囊释放的机理与方法微胶囊释放的机理与方法 微胶囊释放的模型微胶囊释放的模型 14 微胶囊释放的机理与方法 机理 通过囊壁

7、膜扩散释放 囊膜破裂释放出心材 囊膜降解而释放出心材 方法 机械方法( 加压 破碎 摩擦) 加热 燃烧 熔化 电磁 用酶、 溶剂或水使壁材溶解 15 微胶囊释放的模型 零级模型零级模型 一级模型一级模型 时间平方根倒数模型时间平方根倒数模型 微胶囊释放的零级模型 0 k dt dM t 17 微胶囊释放的一级模型 tkM dt dMt 10exp t t MMk dt dM 01 微胶囊释放的方根倒数模型 t k dt dM t0 19 6.微胶囊产品的质量评定微胶囊产品的质量评定 心材溶出速度心材溶出速度 反映囊心物质释放速度的指标 测定方法：食品工业尚未建立标准，尚借助其 它行业方法.因产

8、品具体形式而定. 如：对片剂 药物中的微胶囊可有 美国药典一九版中描述的转蓝式释放仪， 国产片剂仪 改进的烧杯法 20 微胶囊产品的质量评定微胶囊产品的质量评定 心材含量心材含量 测定方法也因产品不同而异，多用采用溶剂或 水提取法进得测定。如：挥发性油类心材含量 常用索氏提取法测定 微胶囊尺寸微胶囊尺寸 胶囊大小可用显微镜进行测量，也可用别的粒 度测定方法测定 21 三、物理法微胶囊造粒三、物理法微胶囊造粒 喷雾干燥法喷雾干燥法 喷雾冻凝法喷雾冻凝法 空气悬浮法空气悬浮法 22 1.喷雾干燥法微胶囊造粒 原理原理 特点特点 初始液的类型初始液的类型 装置装置 应用举例应用举例 23 原理 用喷

9、雾干燥手段使心材壁材混合液成囊并固化 喷雾干燥法微胶囊造粒 混合液混合液 （初始液）（初始液） 心材心材 （分散相）（分散相） + 壁材溶液壁材溶液 （连续相）（连续相） 喷雾（小液滴）喷雾（小液滴） 干燥（颗粒成品）干燥（颗粒成品） 24 特点 优点：优点： 简单，易工业化流水作业，生产能力大，成本低 （较广泛应用的一种技术） 缺点：缺点： 包囊率低，心材可能在壁材外面，影响质量 设备 造介高、能耗大。 喷雾干燥法微胶囊造粒 25 初始液的类型初始液的类型 类型类型壁材相壁材相胶囊化否胶囊化否喷雾的作用喷雾的作用 水溶液型水溶液型水溶液水溶液未未成囊固化成囊固化 有机溶液型有机溶液型有机液有

10、机液未未成囊固化成囊固化 囊浆型囊浆型外层有粘性外层有粘性已已成双壁微胶囊，固化成双壁微胶囊，固化 喷雾干燥法微胶囊造粒 装置 实际上就是一套喷雾干燥器系统，由以下部分构成： 1. 初始溶液调制段 调制缸,搅拌器 2. 溶液输送雾化段, 泵, 雾化器 3. 空气输送加热段, 风机,过滤器 加热器 4. 气液接触干燥段 干燥室 5. 成品分离尾气净化段, 集料器, 粉尘回收器, 除尘器 喷雾干燥法微胶囊造粒 27 喷雾干燥系统一般构成示意 初始化液 调制缸 进料泵 雾化器 干 燥 塔 旋风分离器 排风机 进风机 加热器 28 雾化器 形形 式式离心式、 气流式 (压力式不适用) 离心式雾化器离心

11、式雾化器利用离心力将液体膜磨擦分裂作用 形式形式圆盘式 平滑式 多叶式 变形多叶式(形如离 心泵的叶片 特别适合于此) 影响雾滴因素影响雾滴因素 盘型, 盘速（1万-5万r/min）, 进 液量, 初始溶液浓度, 粘度与表面张力 29 雾化器 气流式雾化器利用高速气流使液膜磨擦分裂 高速气流: 一般压缩空气 也可用蒸汽 形 式: 二流(内混合式,外混合式), 三流 和 四流式 （图） 影响雾滴因素 雾化器结构、气液流量比(愈 大愈均匀, 0.1-10；低于0.1 不易雾化；高于10 能 耗过大, 液滴变化不明显）、气液相对速度 30 干燥室 干燥室型:立 式（卧式不行） 气流与液滴接触的方式:

12、 顺流式: 以较高温气流与液滴接触，以提高热效率和 干燥强度 逆流式和混流式：目的为了增加两流的相对速度, 延 长接触时间, 加速气化 31 顺流式喷雾干燥塔示意图 顺顺 流流 立立 式式 旋旋 流流 立立 式式 32 逆流式和混流式喷雾干燥塔示意图 33 集料器 重力沉降式 旋风分离器布袋过滤器 混合式 1气体入口 2气体排出口 3中央排气管 4布袋 34 喷干法微胶囊造料应用举例 壁材水溶液的调制 10-50% 的-环状糊精液 + 香味物质 糊精量的5-40% 均质乳化 液喷雾干燥 进风温度 130-190 排风温度 60-90 成品 35 2.喷雾冻凝法 原理原理： 壁材以熔融（而非溶解

13、）液体状与心材 混成混合液, 雾化液滴受冷却固态粒 特点特点：低温或常温颗粒化；用此法可以得到较精 确的粒度控制. 设备设备: 基本与干燥法相同。进入干燥室的是冷空 气, 配的是空气冷却(而非加热)系统 36 喷雾冻凝法 适用场合适用场合: 室温下为固态的物质, 如氢化植物油, 脂肪酸脂, 脂肪醇,蜡类,糖类和某些聚合物作为壁 材的场合. 特别热敏性物质: 如 维生素, 矿物元素 (硫酸亚铁)和风味物质等. 粒径影响因素粒径影响因素: （与干燥法相似）液体的粘度,浓 度,雾化方法, 进料速度及材料性质 37 3.空气悬浮法 美威斯康新大学D.E.Wurster提出,也称Wurster法 原理原

14、理:（预调好的）壁材溶液喷向（受空气作剧烈翻 动的）固体心材粉粒形成湿胶囊粒，干燥后成为微 胶囊成品 装置构成装置构成 局局 限限 性性: 心材状态须为固体液体先须变成固体 (冻干法,或先吸附于干粉上)；有湿颗粒互粘和干颗 粒碰碎的现象 38 Wurster微胶囊造粒装置 39 Wurster微胶囊造粒装置示意图 40 四、物化法微胶囊造粒技术 相分离法（水相，油相分离法） 囊心交换法 挤压法 锐孔法 粉末床法 熔化分散法 41 1.水相分离法 相分离原理 单凝聚法 复凝聚法 应用举例 42 相分离法基本原理 初始溶液 + 某种物质或采用某种手段 形成新相 分离 微胶囊 43 单凝聚法原理 （

15、高分子聚合物性）壁材水溶液 + 水不溶性心材 调合 3相混合物 + 凝聚剂 壁材相溶解度降低而凝聚成微胶囊粒 44 凝聚剂 也称沉淀剂，作用是夺水或使聚合物失水,类型有 乙醇，乙醇， 丙酮，丙醇丙酮，丙醇 异丙醇异丙醇 之类的沉淀剂）之类的沉淀剂） 硫酸钠，硫酸铵之类的强亲水亲盐硫酸钠，硫酸铵之类的强亲水亲盐 酸碱之类酸碱之类pH值调节剂值调节剂 45 聚合物水溶液与沉淀剂的组合 聚合物水溶液沉淀溶剂（非溶剂） 明胶 琼脂 果胶 甲基纤维素 聚乙烯醇 乙醇， 丙酮 丙酮， 异丙醇 丙酮， 丙醇 复凝聚法 两带不同电荷胶体两带不同电荷胶体水溶液混合时会产生因受水溶液混合时会产生因受电荷电荷 作用

16、而成的复合物作用而成的复合物，这种复合因溶解度低而会产，这种复合因溶解度低而会产 生相分离现象，生相分离现象， 从而可从水溶液中析出成微胶囊从而可从水溶液中析出成微胶囊 47 复凝集法制备粉末化白兰香精复凝集法制备粉末化白兰香精 100ml3% 阿拉伯胶水溶液 混合乳化 12ml 白兰香精 100ml3% 明胶水溶液 复相混合 温度50- 53 pH8 10% 醋酸水溶液 调pH至4.07 250ml 水 稀释 形成凝集相 48 复凝集法制备粉末化白兰香精复凝集法制备粉末化白兰香精 固 化 水 洗 过 滤 干 燥 粉末化白兰香精 49 2.囊心交换法 基本原理: -用真正所需心材替换先被包囊心

17、材 操作步骤： 非极性溶剂预微胶囊化：用复凝聚法，用明胶 和阿拉伯胶作壁材 极性液的微胶囊化： (乘壁尚有高渗透性)用 (需胶囊化的)极性溶剂置换初始微胶囊中的非 极性溶剂 1. 微胶囊壁处理成非渗透性：再用明胶的非溶剂 (如乙醇,丙酮等)处理 50 囊心交换法 适 用: 大多数水溶液, 高极性液, 低沸点液体, 结构与比例非常易变的混合型囊心物 (如柠檬油) 51 3.挤压法 原 理受压力作用的心材壁材乳化液被挤出模 头成丝液丝进入冷却固化液，在固化的同时被打 断成粒再经分离，水洗和干燥后得到成品（图2- 23 ,图2-24) 特 点基本上在低温下操作 适合热不稳定性产 品 应 用已有香精香

18、料,维生素C等一百多种产品 用此法生产, 粉末产品货贺期大多超过了两年 52 通 过 挤 压 法 对 香 精 油 进 行 微 胶 囊 化53 挤压法示意图 A压力反应器 B挤压模头 C异丙醇溶液 54 4.锐孔法 原 理使初始液(如以藻酸钠作壁材的溶液)通 过锐孔成微粒状进入一种能使其固化的液体(如氯 化钙液)而造成固化(在囊外形成藻酸钙所至). 锐孔结构: 见(图2-25)(图2-26) 55 一种改进的锐孔法微胶囊造粒装置 56 锐孔法成型示意图 57 5.粉末床法 原 理：液滴进入干粉末会成球状。如使液球边 沿沾有被弄湿的粉末,可使得清晰而固定的相分 离现象持久存在。 产品大小: 毫米级

19、 类型: 心材液落入粉末状壁材 溶剂落入由心材壁材混合物构成的粉末床 心材相分散于壁材溶液的分散液滴入成膜材料粉末床 热熔化的心材液 滴入惰性粉末床 1. 装置 58 粉末床法微胶囊造粒装置之一 59 粉末床法微胶囊造粒装置之二 60 6.熔化分散法 原原 理理: 心材分散于热熔化型壁材液， 分散成微 滴并在冷却介质中冷却, 壁材(如蜡类物)固化而成 为微胶囊。 特特 点点: 特别适合于水溶性心材物的微胶囊化.冷 介质可是液体也可是气体 61 熔化分散法 用液体作冷却介质用液体作冷却介质： 壁材料(蜡状物) 心材物 加进温度高于壁材熔点的惰性液体 使壁熔化, 后搅拌条件下冷却,使在心材周围的壁

20、材硬化; 先使心材分散于熔化的壁材中, 而后将此混合物加到冷 却液体介质中 用气体作冷却介质用气体作冷却介质： 微滴状的心材与液化壁材混合物先悬浮在空气(或别的气体) 中, 然后然下降, 微滴冷却时被固化成非粘性的球状干燥 颗粒. 62 五、化学法微胶囊造粒技术 界面聚合法界面聚合法 原位聚合法原位聚合法 分子包囊法分子包囊法 辐射包囊法辐射包囊法 63 1.界面聚合法 原理：原理： n 分别溶解在不同溶剂中的两 种活性单体（和）， n 当一种溶液（）分散在另 一种溶液（）中时，两种 活性单体相互在界面发生聚 合反应而形成胶囊壁（薄膜） （ (A-B)n为缩聚物）。 界面聚合法微胶囊造粒示意图

21、 65 界面聚合法 特点特点 可使疏水性也可使亲水性材料的溶液或分散液微胶囊化 膜极薄(约20纳米)，有半透性，其物性受反应时间影响 微胶囊大小（1 至几微米）由第一种单体分散滴的大小决定也受搅拌速 度及乳化剂浓度影响 注意注意 聚合反应如为缩聚反应， 反应时会放酸，不适合易酸变性的材料； 用于酶时，要注意选择合适的单体 66 2.原位聚合法 也在心材滴液表面形成（不溶性的）聚合物膜，可溶的单体 及催化剂全由分散相或全由连续相提供。 心材 心材 67 3.分子包囊法 主要是指主要是指 利用-环状糊精分子环状糊精分子作为包覆介质，发生在分子水平上的微 胶囊化方法。 环状糊精包囊外来分子的方法：环

22、状糊精包囊外来分子的方法： 把环状糊精和外来分子混合在一起，然后搅拌混合 先使固体环状糊精与外来分子混合，再加水制成糊状 往环状糊精溶液中通入气体（囊心材料） 68 环糊精的平面与立体结构 69 4.辐射包囊法 利用聚乙烯醇聚乙烯醇或明胶明胶为壁材， 将壁材配成乳浊液 经辐射发生交联得到球状实体微囊， 微囊浸于心材水溶液，使其吸收心材 水分干燥后，得到微胶囊成品。 70 六、微胶囊技术的在食品中应用六、微胶囊技术的在食品中应用 固定化酶和固定化细胞 传统液体产品固体粉末化 食品添加剂包囊化过程 71 1.固定化酶和固定化细胞 微胶囊技术应用微胶囊技术应用 72 载体结合法 将酶或微生物结合到水

23、不溶性载体上加以固定化 的方法。按其结合方式又可分为物理吸附法、离 心结合法和共价结合法三种。对酶的固定化来说， 其中的共价结合法用得最多。可是，作为微生物 的固定化方法，载体结合法并不是一个好方法， 因为它存在着细胞易从载体上脱落以及因菌体自 溶而使酶渗漏出去等缺点。 73 2.传统液体产品固体粉末化 香精香料的粉末化 食用油脂的粉末化 微胶囊技术应用微胶囊技术应用 74 香精香料的粉末化 粉末化香精香料的优点 粉末香精香料的微胶囊化技术 香精香料的-环糊精-喷干微胶囊工艺 粉末化香精香料的用途 75 粉末化香精香料的优点 保护香味物质避免直接受热、光和温度和影响而 引起氧化变质; 避免有效成分因挥发而损失; 可有效地控制香味物质的释放; 提高贮存、运输和应用时的方便性。 76 粉末香精香料的微胶囊化技术 喷雾干燥法喷雾干燥法 分子包囊