微胶囊加工技术

微胶囊加工技术及其在食品产业中的应用基本概念微胶囊的功能微囊化原理、方法微胶囊技术在食品产业中的应用一、基本概念1.微胶囊（MCS,microcapsule）的概念：是指利用天然或合成的高分子，将分散的固体、液体或气体物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子。其直径一般在1～1000um范围，小于1um的称纳米微胶囊，大于1000um的一般称为大胶囊或微粒。制备微胶囊的过程称为微胶囊化。2.微胶囊的形态：与囊内容物有关，含液体或气体的MCS一般为球形，含固体粒子的形状与与囊内固体形状接近。有粒状、块状、针状、肾形、不规则形等一、基本概念3.微胶囊的结构：一般将被包埋的物质称为心材或囊心，包埋心材实现微囊胶化的物质称为壁材或囊壁。结构有多种：单核微胶囊：连续的心材被连续的壁材包埋。多核微胶囊：心材被分隔成若干部分，嵌在壁材的连续相中。双壁（或多膜）微胶囊：连续的心材被双层或多层连续的壁材环绕。复合微胶囊：连续的壁材包裹多个微胶囊。芯材：可为油溶性、水溶性化合物或混合物,其状态可为粉末、固体、液体或气体。可包囊物的品种极其繁多,如交联剂、催化剂、化学反应剂、显色剂、给湿剂、药物、杀虫剂、矿物油、水溶液、染料、颜料、洗涤剂、食品、液晶、溶剂、气体、疏水化合物及无机胶体等。壁材：可用作微胶囊包囊材料的有天然高分子、合成和半合成高分子材料,视所包囊物质(囊心物)的性质而定。即包囊材料应不与囊心物反应,不与囊心物混溶。高分子包囊材料本身的性能也是选择包囊材料所要考虑的因素,如渗透性、稳定性、溶解性、可聚合性、粘度、电性能、吸湿性及成膜性等。4.微胶囊的命名：主要有3种方法“心材名称”+“微胶囊”，如维生素E微胶囊。“壁材名称（或其缩写）”+“微胶囊”，如明胶微胶囊，适于对壁材比心材了解更多的情况。“心材名称”+“壁材名称（或其缩写）”+“微胶囊”，如维生素E-明胶微胶囊，微胶囊技术中常用壁材种类二、微胶囊的功能1.改善物质的理化性质，如溶解性（疏水、亲水）、密度、颜色、外观等，及使气、液固态化。2.保护心材，提高物质的稳定性(易氧化，易见光分解，易受温度或水分影响的物质)3.屏蔽气味或味道掩味4.控制释放隔离不相容的成分（如同一食品中不同添加剂、营养强化剂降低某些药物对健康的损害。如阿司匹林，可通过控制其在消化道的释放速度，减轻胃的疼痛。还可利用该方法制造靶制剂，到达定向释放的效果其控制释放的类型：可基于一种或几种机制，概括起来可分为两类：缓慢释放和瞬间释放。1）缓释MCS：其壁材大多具有半透性，心材可通过溶解、渗透、扩散、生物降解等过程，不断缓慢的透过壁膜而释放到环境中。2）瞬间释放（爆释）：通过各种物理、化学或生化（酶反应）等方法使囊壁破裂，使心材迅速释放到环境中。压敏型MCS：如压敏复写纸热敏型：如烘烤到最后使甜味剂释放可避免形成焦糖物质pH敏感性：如肠溶型MCS在胃酸性环境中几乎不释放膨胀型：壁材为高气密性物质，心材为易挥发低沸物，当温度升到高于其沸点而蒸发使其膨胀。其它……三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）——根据涂层的方法分：化学法、物理化学法、物理与机械法（一）化学法：是建立在化学反应基础之上的微胶囊制备技术。主要利用单体小分子发生聚合反应生成高分子成膜材料并将芯材包覆。主要有界面聚合法和原位聚合法。1.界面聚合法：一般采用缩聚反应。特点为：两种含有双（多）官能团的单体，分别溶解在不相混容的两种液体中，缩聚反应在两相界面上进行。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）1.界面聚合法：1）基本过程：在反应前，现将两种单体分别溶于水相或有机溶剂相（或称油相）；然后根据心材的溶解性选择水相与有机相的相对比例，数量较少的作为分散相，较多的作为连续相，囊心溶解在分散相中。把两种不相混容的液体混入乳化剂后混合以形成水包油或油包水型乳液，即水溶性囊心形成油包水型乳液，而油溶性囊心形成水包油型乳液。两种聚合反应的单体分别从两相内部向乳化液滴的界面移动，并迅速在相界面处发生反应生成聚合物，将囊心包覆形成微胶囊。有时需加入催化剂三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）1.界面聚合法：2）微胶囊大小的控制：决定于乳化液滴的大小，为得到微小的微胶囊颗粒，必须在反应前加入适量乳化剂，并充分进行机械搅拌。3）囊壁厚度的控制：可通过控制单体的浓度和接触的时间决定。2.原位聚合法：该方法要求单体和催化剂全部位于囊心的内部或外部，且单体在单一相是可溶的，而聚合物在整个体系是不可容的。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）2.原位聚合法：1）单体位置：当心材为固体时，单体和催化剂位于心材外部的介质（连续相）中。当心材为液滴时，单体和催化剂位于液滴中或连续相介质中均可。聚合反应开始时产生相对较低的预聚体，随聚合、交联反应的不断进行，预聚体的尺寸逐渐增大，沉积在心材物质面，最终形成胶囊外壳。当单体位于心材液滴中时，在乳化剂作用下心材液滴均匀分散于连续相，随反应进行，聚合物溶解度逐渐降低被推向心材表面，直至单体耗尽。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）2.原位聚合法：1）单体位置：当单体位于连续相介质时，为保证聚合反应发生在囊心周围，可巧妙地将催化剂包覆在囊心表面；或在溶剂中加入单体或催化剂的非溶剂，使其溶解度降低而聚集在囊心表面。2）原位聚合法的主要反应类型均聚反应：由一种单体加成聚合。共聚反应：由两种以上单体加成聚合。缩聚反应：一般由一种多官能团单体或其低聚物自身缩合而成。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）3.锐孔-凝固浴法：该方法不是以单体为原料通过聚合反应生成膜材料，而一般是以可溶性高聚物为原料包覆囊心，再使其在凝固浴中固化成囊壁。该固化过程一般是化学反应（也可是物理过程）。1）基本过程——一般由以下3各阶段组成形成液滴。聚合物交联：囊膜表面聚合物通过交联形成共价键，而使液滴逐渐固化。产品回收：可通过浮选、过滤、离心等。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）3.锐孔-凝固浴法：2）锐孔装置的基本类型双层锐孔型：由一根同轴的内外管组成。囊心液体由内管流下，壁材从外管流下，并在管的下端使囊心被壁材包覆而一起落下。可通过改变内外管的孔径大小控制心材和壁材的比例。同轴双锐孔的改进型：不同于②之处在于内管末端在外管内部，心材液滴下落一段时间后撞击到外管末端的壁材液面上而被包覆。单锐孔型：由一根可装满液体的管子和细口喷嘴组成。囊心在成膜材料中充分液化分散，在挤压和重力作用下，由喷嘴逐滴下落，形成的球形液滴进入凝固浴后很快固化。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（二）物理化学法：是通过改变条件(温度、ｐＨ值、加入电解质等)使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉出来并将芯材包覆形成微胶囊。主要有水相分离法、油相分离法、复相乳液法。1.水相分离法该方法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。是以水为介质，形成微胶囊的壁材的起始原料为水溶性聚合物，通过凝聚从水溶液中分离出来，形成囊壳的过程。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（二）物理化学法：1.水相分离法1）基本过程三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（二）物理化学法：1.水相分离法2）具体方法：可分为单凝聚法和复凝聚法①单凝聚法：在溶有单一的高分子包囊材料的水溶液中，加入油溶性囊心，使之分散，再加入强亲水性电解质（如硫酸钠、硫酸铵等）或非电解质（如乙醇、丙酮等）凝聚剂，使水与其结合，导致高分子包囊材料溶解度降低凝聚出来，形成微胶囊。注：若选择适当的温度、pH值、盐或溶剂等条件，任何聚合物的水溶液都能发生单凝聚。若凝聚剂使用醇，则要求囊心既不溶于水，也不溶于醇三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（二）物理化学法：1.水相分离法②复凝聚法：是利用两种带相反电荷的高分子包囊材料相互交联，使包囊材料溶解度降低从溶液中凝聚析出，形成微胶囊。最常用的材料为明胶与阿拉伯树胶明胶的性质：——一种水溶性蛋白根据制法不同，其等电点范围在4.8～9.0之间，当pH值高于其等电点带负电，反之带正电。40℃以上可任意溶解于水；＞1%的浓度，常温可形成粘稠溶胶，30℃转变为流动性好的溶胶，遇冷可变为凝胶。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）②复凝聚法：阿拉伯树胶的性质：——多种单糖的缩聚物PH值＞3时，在水中都带负电荷，易溶于水当PH值在明胶等电点以上时，将其与阿拉伯树胶溶液混合，由于二者都带负电，所以不发生凝聚。当把溶液PH值调到明胶等电点以下（一般4.0～4.5）时，明胶离子带正电荷，二者发生电性中和相互吸引而发生凝聚，并对溶液中分散的囊心进行包覆形成微胶囊。（二）物理化学法：1.水相分离法三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）与水相分离法相对，水溶性固体或液体心材不能以水作为分散介质，只能用有机溶剂将其分散，再用油溶性壁材进行包覆形成微胶囊。1）基本过程与前者相似，一般包括：将心材分散在聚合物（壁材）的有机溶剂溶液中；通过加入沉淀剂或冷却的方法，使聚合物壁材凝聚在分散的囊心颗粒周围。(该法一般不需进行固化)（二）物理化学法：2.油相分离法2）具体方法有：①加入壁材的非溶剂、②加入高分子聚合物、③改变温度等的油相分离法三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）①加入壁材非溶剂的油相分离法将心材溶液在壁材（亲油性聚合物）的非极性溶液中乳化分散。（心材一般为可凝胶的憎油性聚合物，分散后可形成凝胶液滴）向亲油性聚合物的溶液中加入壁材聚合物的非溶剂，（原则为：非溶剂与介质可以互溶，但对壁材聚合物是不溶的）使亲油性聚合物的壁材在心材凝胶液滴上沉淀形成微胶囊。注：将心材分散到壁材的有机溶剂中，已分散的细小颗粒有时会再次结合形成较大的颗粒而使MCS粒子较大。解决：可在体系中加入一些惰性物质（如硅石粉等）吸附在分散粒子表面，以减少颗粒间的相互结合。也可通过降低温度或加入表面活性剂以保持乳液的分散与稳定.三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）②加入高分子聚合物的油相分离法：过程与①法相似，是通过加入另一种聚合物引发相分离③改变温度的油相分离法：该工艺仅使用一种聚合物成膜材料，溶解在介质中，不使用相分离引发剂。当溶液冷却至某一温度时，成膜壁材会沉淀在分散的囊心微粒上。3）油相分离法的缺点难以从壁膜中除去溶剂与非溶剂有机溶剂耗费量大，价格昂贵有机溶剂还存在一定毒性与环境污染等问题三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）可分为水浴干燥法和油相干燥法。1）基本工艺过程——以水浴干燥法为例：（二）物理化学法：3.复相乳液法（干燥浴法）适用于以水溶液或水分散液为囊心制备微胶囊选择一种与水不相混溶的沸点比水低的易挥发有机溶剂，将壁材聚合物溶在其中；通过搅拌、加表面活性剂等手段，将囊心水溶液分散到上述溶液中，形成W/O型乳液；另单独制备一种含有保护性胶体作稳定剂的水溶液作为微胶囊化的介质溶液；在搅拌作用下，将W/O型乳液加到介质溶液中并分散形成（W/O)/W复相乳液。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）可分为水浴干燥法和油相干燥法。1）基本工艺过程——以水浴干燥法为例：（二）物理化学法：3.复相乳液法（干燥浴法）适用于以水溶液或水分散液为囊心制备微胶囊通过加热、减压、溶剂萃取等方法，使壁材溶液中的有机溶剂排除，溶液浓缩，以致壁材从溶液中析出，包覆在囊心周围并固化，形成微胶囊。油相干燥法：与水浴干燥法相对，是以豆油等作为分散介质，使O/W型乳液分散到其中，再用加热等方法除去溶剂水，使水溶性壁材凝聚将囊心包覆形成微胶囊。2）复相乳液法的缺点：需将壁材溶剂从溶液中除去，且耗时较长，不易控制，产量低。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（三）物理与机械法：是利用物理和机械原理的方法制备微胶囊,主要有空气悬浮成膜法、喷雾干燥法等。1.喷雾干燥法喷雾干燥一般指将溶液、乳液、悬浮液或浆状物以液滴状态喷入热空气中，当溶剂（水分）蒸发后，分散在液滴中的固体即被干燥，形成球形的粉末。主要用于奶粉、速溶咖啡等的生产。喷雾干燥微胶囊化的基本过程：制备载体或成膜材料的浓溶液，即将囊壁材料溶解于溶剂中；将被包覆的心材分散在壁材溶液中；喷雾干燥、收集。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（三）物理与机械法：是利用物理和机械原理的方法制备微胶囊,主要有空气悬浮成膜法、喷雾干燥法等。1.喷雾干燥法注：喷雾前初始溶液组成的分散体系可分为3种：水溶液型：即油溶性囊心或固体分散在水溶性壁材溶液中形成水包油型乳液或分散液。（此为多数）有机溶液型：即水溶性囊心分散在壁材的有机溶液中形成油包水型乳液囊浆型：用其它方法制成的湿微胶囊浓浆液。在制备微胶囊时利用上述喷入热空气的方法也称“狭义喷雾干燥法”，有时也用喷雾冷却和喷雾冷冻的方法实现微胶囊化。三、微胶囊化原理（微胶囊的制备方法）（三）物理与机械法2.空气悬浮成膜法该法是最老的MCS化方法之一。主要针对固体微粒和吸附了液体的多孔微粒。应用流化床将囊心固体粉末悬浮在空气中；再用壁材溶液以喷雾形式加到流化床上，在悬浮滚动的状态下，逐渐对囊心进行包覆、干燥而制得1）基本工艺过程注：采用一步涂布过程较为迅速，但所得MCS囊壁有厚度不均，对控制释放有影响；采用循环步骤进行涂布，可降低囊壁缺陷，但较费时间。具体工艺可分为：顶喷、侧喷和底喷装置。四、微胶囊技术在食品产业中的应用（一）粉末酒类：粉末酒类具有如下优点：体积小，便于携带、运输、贮存，适用于旅行、郊游，饮用前临时加水即可。提高产品稳定性，减少香味成分挥发。可开发不同种类的酒类新产品，如滋补酒、保健酒。适合对饮酒无嗜好，但在营养保健方面有特殊要求的群体。改善食品品质。如：酒心巧克力，可提高含酒量达5%（液体酒仅能含1%）添加在家畜饲料中，可促进食欲，加快生长将啤酒酒基MCS化后与奶粉、发泡剂碳酸氢钠按一定比例混合后干燥包装，可制得啤酒奶粉。（二）粉末油脂：传统油脂特点：遇空气容易氧化变质，影响产品质量及货架期；且难以在食品中混合均匀；生产用具、加工机械难以清洗。微胶囊化的粉末油脂具有如下特点：稳定性高：可防止氧化、不易酸败。使用方便：能以任何比例与其他物料混合，且方便称量。良好的水溶性：因以水溶性壁材包埋，易分散在水中，不会浮在水溶液上面。可进行营养强化：可科学的将油脂与其它生物活性物质、矿物质、维生素、药物等有效匹配，还可强化DHA、EPA等特定成分可选用壁材种类很多：羧甲基纤维素钠、明胶、卡拉胶、阿拉伯胶、酪蛋白、植物蛋白、麦芽糊精、淀粉、玉米糖浆、乳糖多种用途：可广泛应用于不同人群适用的乳制品、婴儿食品、糕点、冷饮、糖果、巧克力、肉制品、速冻水饺、包子等。四、微胶囊技术在食品产业中的应用（三）微胶囊化饮料：1）果味奶粉：果汁中含有有机酸、单宁等成分，会使奶粉蛋白质变性。若先将其微胶囊化，可避免其与蛋白质接触引起结块等现象，从而影响冲调性。四、微胶囊技术在食品产业中的应用2）可乐奶粉：将可乐饮料中的香精、磷酸等先进行包埋，在与奶粉混合，可避免其挥发、结块，不影响冲调性，使其泡沫丰富、细腻、持久3）茶叶加香：传统茶叶加香一般将香料溶于惰性可食性溶液中，然后喷雾于茶叶上；或将茶叶与香料的固体混合。但前者茶叶表面香料易挥发，后者易与茶叶分离而堆积在贮存和运输容器的底部。若将香料与一种水溶性成膜材料及乳化剂混合，在喷雾于茶叶表面，其中水分被茶叶吸收，可在茶叶表面形成微胶囊，在冲泡时释放。其它：如各种添加剂经MCS化处理均可起到控制释放、隔离、保护等作用