《微胶囊化技术》 (2)ppt课件

1、第八章第八章 食品的微胶囊技术食品的微胶囊技术Special Topic of Food ProcessingEncapsulation I. Introduction1. definition (1) microencapsulation (微胶囊技术) 指将物质细微分散包覆后，并在所需的时候将其释放出来的方法capsules-粒径大于1000mmicrocapsules (or microcells)-粒径分布在11000mnanocapsules-粒径小于1m2.Principle：微胶囊技术主要是根据Bungenbergde Jong所提的聚集(coacervation)原理 (1)

2、运用高分子的聚集是微胶囊构成主要方式 (2) 它是利用分子间的化学或物理产生的边境作用力，让分子自行构成微胞的一种方法 3. 微胶囊技术在食品工业上的意义(1) 将液体方式的食品转变成固体，以利于枯燥食品中运用(2) 留滯挥发性物，以供最正确条件时释放(3) 防止蒸发及受水分影响(4) 使不容(incompatible)成分均匀混合(5) 掩蔽不良味道(6) 藉由特定的溶释机构，到达特殊效果(7) 改动固体物质的质地与密度 (8) 维护敏感物质II. 微胶囊构造 1. 微胶囊的组成部分：nucleus & shell(1) core material (蕊物质或蕊材)或nucleus (中心物

3、质)：包覆于壁膜内的物质。 分量约占整个微胶囊的80-99%，并于 适当的时候被释放出來。(2) wall material(壁膜资料或囊壁)或shell (外壳) a. 如蕊内物质为亲油性物质，那么囊壁材 料选择亲水性资料 b. 如蕊内物质为亲水性物质，那么囊壁材 料用水不溶性的合成聚合物2. 核/壳比值(1) 典型的胶囊含有70-90%wt的中心物质，外壳厚度约为0.1-200 m a. 胶囊外壳的厚度与颗粒大小和相 对密度有关 b. 微胶囊中中心物质和外壳的关系 有许多表示方法 最常见的是中心量和核/壳 比值两种表示方式(2) 中心量a.心材在整个微胶囊中所占百分比b.中心量可作为商品的

4、重要准那么(3) 核/壳比值a.定义：中心与外壳的分量比值b.核/壳比值是假设中心是一完美的球体，胶囊外壳厚度也是均匀不变的。Idealized encapsulated particle. r = radii of the respective spheres 由中心与外壳的分量比，可得由中心与外壳的分量比，可得其中其中W：分量；：分量；r：半径；：半径；w：外壳；：外壳；n： 中心；中心；d：密：密度度假设外壳及中心的密度相等，則可改写为r2与r1的线性关系式 * 在一定的Ww/Wn比值下，外壳的厚度与中心的半径r1呈线性关系* 要有核/壳比值及中心大小，才可求得微胶囊的大小和外壳厚度*

5、制造微胶囊必需求控制外壳厚度和核/壳比值- 壳厚度对储存稳定性和释放行为有重要的影响- 核/壳比值对废品的效果也有影响- 较高的核/壳比，更为经济 III. manufacturing1.微胶囊的资料微胶囊的资料 (1) 蕊物质：大部分的亲水或亲油性固蕊物质：大部分的亲水或亲油性固体、液体、气体均可作为包覆物。依其体、液体、气体均可作为包覆物。依其性质分为：性质分为： * 溶剂类溶剂类(Solvents)：水、醇、苯类、酯：水、醇、苯类、酯类、醚类、酮类、甘油等。类、醚类、酮类、甘油等。* 助塑剂助塑剂(Plasticizers)：磷酸酯类、硅酮：磷酸酯类、硅酮类、氯化石蜡等。类、氯化石蜡等。

6、 * 酸碱类酸碱类(Acid and base) * 催化剂(Catalysts) * 粘著剂(Adhesives) * 色料(Colorants) * 香料(Perfumes) * 记录资料(Recording materials) * 药品(Medicines)：阿司匹林、维生素、氨基酸等 * 微生物(Organisms)：细菌、酵母以及病毒等 * 食品类(Foods)：油、脂肪、各种调味品、发酵粉等* 农业化学品(Agricultural chemicals)：除草剂、杀虫剂、化肥等* 膨胀剂(Swelling agents)* 防锈剂(Rust inhibitors)* 燃料(Fuel

7、)* 其它(Others) (2) 壁膜资料不同有机及无机物皆可作为壁膜，但常用的是聚合物 * 蛋白质(Proteins) * 植物性胶(Vegetable gums) * 纤维素(Cellulose) * 混合聚合物(Condensation polymers)* 共聚物(Copolymers)* 均质聚合物(Homopolymers)* 交错聚合物(Curable polymers)* 蜡质(Waxes)* 无机化合物(Inorganic materials)2. 微胶囊构成原理 (1) 界面实际 a. 微胶囊的构成至少需求两相： 一为芯材，一为壁材，二者不互溶 b. 假设壁材与芯材均为液

8、相，那么在两液 相之间会有界面张力产生Antonoff 提出当两液相互相饱和，那么： AB=A-B 其中A：A 相之界面张力 B：B 相之界面张力 AB：A、B 两相间之界面张力Good 和Fowkes提出，假设两液相呈相异状，那么两液相在界面相接着；其接着功为： WAB=A +B -AB假设两液相呈一样性质状，那么两液相于界面处相凝聚，产生凝聚功： WAA=2A 或 WBB=2BHarkins 以此定义出A液滴在B液相外表扩展景象，于扩展系统内，每1cm2 扩展面积的自在能减少量(S)称为扩展系数(Spreading coefficient)，其关系式如下： S=WAB-2A在两相情况下，两

9、界面间扩展系数为： SA=WAB-2A SB=WAB-2B(2) 分散方向 a. SA * 当SA为正值， A相可分布在B相上 * 当SA为负值， A相无法分布在B相上 b. SB * SB为正值时， B相可分布在A相上 * SB为负值时， B相无法分布在A相上 c. 假设SA与SB两者均为负值，那么两相互不 分布(3) 蕊材与壁膜间的分散a. 高分子层(壁膜)需分布在核芯上，膜硬化后即可包覆核芯物。即假设高分子相为A，核芯物为B时，SA要大于零，才有希望到达包覆目的 b. 当高分子膜硬化的过程中也必需维持SA要大于零 3. 微胶囊构成的步骤 (1) 分散蕊物质 (2) 参与壁膜物质 (3)

10、构成壁膜 (4) 硬化壁膜 4. 微胶囊的制备方法 (1) Chemical methods 合成聚合物时，将此聚合物包覆在蕊物质上，构成壁膜 (2) Physico-Chemical method 添加溶剂及第三物质(如盐类)，或改动温度、pH等，使高分子溶解度降低而沉淀披覆在蕊物质上构成壁膜 (3) Mechanical methods 利用机械力将高分子包覆在蕊物质上 (1) Chemical methodsa. interfacial or in situ polymerization* 是典型界面聚凝集聚合反响(poly-condensation polymerization)的运用

11、* 界面聚合法制造微胶囊外壳的制法 - 先构成乳化液，再以聚合反响构成外壳 -大部分商业化产品是在与水不互溶的溶剂中进展界面和原位聚合反响* 这种聚合方法在早期就被用来制造无 碳纸系统的微胶囊* Pennwalt Co.也将此技术运用在农业上 的杀虫剂制造 - 利用机械搅拌方式将杀虫剂和有机二氯酸分散在 水中 - 待液滴型成至适当大小，参与二胺(diamine) - 二胺可以穿透胶囊外壳与二氯酸反响，直到微胶 囊稳定构成* 利用外表聚合法制造含香料的微胶囊 b. 聚合物快速固化法rapid insolubilization of polymer methods预先调整好所需大小的微胶囊液滴由小

12、管口orifice滴入高分子外膜的硬化剂中高分子硬化而得微粒胶囊 * 微胶囊粒径较大 * 在工业上的运用 改良成extrusion method或multiorific centrifugal process等机械法，以因应 大量微粒胶囊的消费需求Orifice method安装表示图(2) Physico-Chemical method a. phase or coacervation-phase separation * 相分别法主要牵涉三项系统 (three-phase system) - 制造媒介物(manufacturing vehicle) - 胶囊壁物质(wall materia

13、l) - 中心物质(core material)* 相分别法可分为 - 水相系统相分别法phase separation from an aqurous solution system i. simple coacervation ii. complex coacervation process - 有机相系统相分别法phase separation from an organic solution * 制备方法 将中心物质分散在外壳物质溶液中，藉 由改动形状，让含有中心物质的外壳聚 合物能产生凝集，而将其分别 * coacervation 于聚合物溶液中添加某种物质，使整 个溶液系统分别成高

14、稠度溶液及稀薄 溶液两相，此种相分别称为 coacer- vation (凝聚或胶凝作用，或胶粒堆积 作用) - coacervate 高分子浓度高的相称为coacernate(凝 聚层)，即为微胶囊的壳壁材质 - 凝聚景象可经由液相中出现混浊、 构成液滴、相分别等来确认。 - 凝聚可以分为简单及复合式两类型 * 简单凝聚：只含一种胶体溶质- 简单凝聚系统 i. 可利用部分互溶效应产生相分别 ii. 可利用温度的改动、高分子的添加或电解质的参与产生相分别- 易受温度、非溶质浓度的影响，使制造过程不易控制 * 复合式凝聚：不只含一种的胶体- 复合式聚集系统i. 可利用两种相反电位胶体相互吸引，中

15、和外表电位景象ii. polymer-polymer interaction method - 微胶囊制程包含三个阶段i. 活性成份的分散物先溶于聚电解质水溶液中ii. 水溶液中参与第二种电解质或相反电位的交替使中心物质能聚集沉降iii. 聚集物胶化构成微胶囊- 这种利用电性中和的原理可以运用在许多聚合物的微胶囊制造中 * 凝胶相分别法的利用性 - 优点 i. 微粒子的粒径大小控制相当方便 ii. 所构成的颗粒均匀而呈现圆形的 球体 - 缺陷 在工业上不易量产，而限制其经 济价值b. 以食品香料工业上常用的相分别法为 例，主要操作步骤可分为四项： * 混合mixing 为了促进聚合物的溶解，可

16、先将制造 媒介物(水)事先加热，在参与中心物质 前冷却 * 乳化emulsification 愈佳的乳化程度，那么微胶囊粒度愈小 * 硬化solidification and hardening 可以物理或化学方法来到达囊壁固化 的效果 * 分别枯燥separation and drying(3) Mechanical methodsa.空气悬浮涂布air suspension coating * 原理在一不稳定平衡下，于一向上流动的空气流中将溶化或融熔聚合物涂布在颗粒外表的技术* 制造过程 - 整个过程有两大部分 i. 中心固体颗粒利用涂布室底部所产生的循环气流悬浮分散于涂布室中 ii. 经

17、槽底喷嘴喷出的聚合物，将中心包覆利用喷嘴的气流将悬浮固粒带入涂布区由喷嘴所喷出的流体，能够是聚合物溶液或融熔聚合物在中心固粒外表上构成外壳包覆物中心颗粒顺着气流流向槽顶再分开涂布区中心颗粒降至槽底再顺着喷嘴气流流入涂布区b. 喷雾枯燥spray drying 将中心物质分散在含聚合物的水溶液中喷出时利用热风在其外表构成一层聚合物薄膜利用热风将水分蒸发移去藉由气体分别作用到达固粒分散的效果* 提高微胶囊的中心与外壳比例 (Brenner专利) 利用聚醇类或糖来添加富油喷雾 枯燥胶囊的中心量到60%* 喷雾枯燥法的优点 - 能完全控制制成产品的大小、核 心与外壳比例、溶液黏度及浓度 - 能用于不稳

18、定物质的微胶囊制造* 喷雾冷凝枯燥法先将中心物质与融溶的蜡或脂肪混合再乳化或分散在水或不相容的溶液中再降低温度至蜡或脂肪的凝固点以下微胶囊制品c. 离心喷挤centrifugal extrusion process 运用附有集中喷嘴的旋转挤压头将液 体包覆成微胶囊 流动态的中心物质经由中心管挤出流动态的外壳物质流经外围的同心管将挤出的中心物包覆流经同心圆模口时，外壳物质在中心外围构成薄膜流入储存槽中硬化过滤将微胶囊分别d. 平盘包裹pan coating 将固粒置于转动平盘底部 在固定温度下将涂布层的聚合物缓慢参与制程 于固粒的外表构成胶囊 * 制程重点运用- 整个制程的关键步骤在于聚合物参与

19、时的速度、方式及种类- 医药工业上，主要用来消费能控制释放剂量的药物e. 乳化液硬化emulsion hardening process 中心物质如药物、蛋白质等需易溶于聚合物溶液或构成稳定乳化液。 中心物与聚合物溶液溶化混合或制成乳化液参与与聚合物溶液不互溶的液体搅拌构成乳化液将聚合物溶液中的溶剂(不互溶的液体)移去聚合物硬化成微胶囊f. 静电气溶胶electrostatic aerosol g. 多孔离心centrifugal multi-orificeemulsion hardening process IV. release mechanism of corematerial1.mec

20、hanical rupture：利用内外压力、挤压或内在气压等机械压力破坏壁膜而释放之2.Temperature：利用不同温度的差别而破裂壁膜释放出来 3. chemical action (1) 利用enzyme或lysis等方法破坏壁 膜而达释放的目的 (2) 以bioerodible controlled release ( 生物溶蚀控制释放)为例 a. 分解或溶解 当蕊内物质被包覆在生物可降解 性的高分子内时，高分子会在溶 液中分解或溶解后，才将核物质 缓慢释出b. 释出*释出速度可由高分子的溶解(分解)速度及膜内核芯物质的分散速度而有效的控制，故较为复杂*蕊内物质释出并非与时间成正比

21、*生物溶蚀型(bioerosion type)的蕊内物质的释放形状- bulk erosion- surface erosion微小球的降解与药物释放关系4. through the wall diffusion (1) 利用不同浓度的差别而浸透释放 出来 (2) 以diffusion controlled release (扩 散控制释放)为例 a. 定义 被包覆或分散于不溶性高分子微 粒胶囊中的蕊内物质，藉由分散 而自高分子膜内释出的机制，称 为分散式控制释放b. 单一分散式系统(monolithic system)主要原理* 由接近微胶囊外表的蕊物质先释放出，然后内部的蕊物质才依序逐次释

22、出* 释出速度随着时间而減少，为一次释放(first order release)分散式药物控制释放表示图 由于释放机制不同，使得运用的工程及目的各异，故在制造过程中应思索下述影响释放胶囊包覆物的要素： (1) 蕊物质与膜量之比例关系 (2) 运用的壁膜资料 (3) 溶剂 (4) 温度 (5) 蕊内物质的溶解度 (6) 颗粒大小或外表及大小 (7) 助塑剂(Plasticizer)的运用V. 运用运用application1. 固体香料dry flavors (1) 固体香料是微胶囊技术运用于食品工业的最典型代表(2) 喷雾枯燥是固定(fixation)香味物质最廉价的方法2. 密封香料enc

23、apsulated flavors 相分别(coacervation) 及至少两种以上利用溶剂脱水(solvent-dehydration)的低温微胶囊技术是比喷雾枯燥更温暖的油溶性、水溶性香料的微胶囊技术(1) coacervation (相分别或胶粒堆积作用)(2) solvent-dehydration(溶剂脱水法)溶剂脱水法操作过程均坚持低温，且能在控制的钝气下进展 制备适当含被覆剂或胶囊壁物质的 水溶性香料溶液或乳化液 喷入或挤入酒精、甘油或丙烯乙二醇(Propylene glycol)等极性溶液中 制备液中的水分被移出而枯燥 构成构造坚实的微胶囊颗粒沉降下来 3. 密封酸化剂encapsulated acidulants (1) dela