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微胶囊技术

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1000μmmicrocapsules (or microcells)--粒径分布在1~1000μmnanocapsules--粒径小于1μm2.Principle:微胶囊技术主要是根据Bungenbergde Jong所提的聚集(coacervation)原理(1) 运用高分子的聚集是微胶囊形成主要方式(2) 它是利用分子间的化学或物理产生的边界作用力,让分子自行形成微胞的一种方法3. 微胶囊技术在食品工业上的意义(1) 将液体形式的食品转变成固体,以利于干燥食品中使用(2) 留滯挥发性物,以供最佳条件时释放(3) 避免蒸发及受水分影响(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,达到特殊效果(7) 改变固体物质的质地与密度(8) 保护敏感物质(1)corematerial(芯材)或nucleus(核心物质):包覆于壁膜内的物质。

重量约占整个微胶囊的80-99%,并于适当的时候被释放出來。

(2)wallmaterial(壁膜材料或囊壁)或shell(外壳)a.如芯材为亲油性物质,则囊壁材料选择亲水性材料b.如芯材为亲水性物质,则囊壁材料用水不溶性的合成聚合物壁材选择基本原则芯材和壁材的溶解性能相反,芯材亲油、壁材一般要亲水,反之亦然。

壁料对芯材无不良影响壁材有适当的渗透性、溶解性、可降解性、弹性、流动性、乳化性等壁材成膜性能好、具有一定的机械强度与稳定性2.核/壳比值(1)典型的胶囊含有70-90%wt的核心物质,外壳厚度约为0.1-200μma.胶囊外壳的厚度与颗粒大小和相对密度有关b.微胶囊中核心物质和外壳的关系有许多表示方法,最常见的是「核心量」和「核/壳比值」两种表示方式(2)核心量a.心材在整个微胶囊中所占百分比b.核心量可作为商品的重要准则(3)核/壳比值a.定义:核心与外壳的重量比值b.核/壳比值是假设核心是一完美的球体,胶囊外壳厚度也是均匀不变的。

III.manufacturing1.微胶囊的材料(1)芯材:大部分的亲水或亲油性固体、液体、气体均可作为包覆物。

依其性质分为:*溶剂类(Solvents):水、醇、苯类、酯类、醚类、酮类、甘油等。

*助塑剂(Plasticizers):磷酸酯类、硅酮类、氯化石蜡等。

*酸碱类(Acidandbase)*催化剂(Catalysts)*粘著剂(Adhesives)*色料(Colorants)*香料(Perfumes)*记录材料(Recordingmaterials)*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(Agriculturalchemicals):除草剂、杀虫剂、化肥等*膨胀剂(Swellingagents)*防锈剂(Rustinhibitors)*燃料(Fuel)*其它(Others)(2)壁膜材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(Vegetablegums)*纤维素(Cellulose)*混合聚合物(Condensationpolymers)*共聚物(Copolymers)*均质聚合物(Homopolymers)*交织聚合物(Curablepolymers)*蜡质(Waxes)*无机化合物(Inorganicmaterials)二、微胶囊的质量对于微胶囊产品来说,针对不同的芯材,选用不同的壁材和不同的方法制得的微胶囊性能可能相差很大,有时对于同种壁材,由于微胶囊化工艺条件的差异,也会引起质量的不一致。

因此微胶囊的质量评价就很重要。

(1)微胶囊的形状测定微胶囊可采用光学显微镜、扫描或电子显微镜观察形状并提供照片,也可以采用图象分析仪测定形状。

微胶囊的形态一般为圆整球形或卵圆形的封闭囊状物。

(2)微胶囊的粒径及分布的测定不同用途的微胶囊对粒径有不同的要求。

微胶囊粒径的测定有多种方法如库尔特计数法、激光法等都可用于粒径及其分布的测定。

(3)芯材含量的测定芯材含量是评价微胶囊产品的重要指标之一,采用的方法根据具体产品及不同的芯材性质作具体的选择。

(4)溶出速率通过微胶囊溶出速率的测定可直接反映出芯材的释放速率,溶出速率也是评价微胶囊质量的主要指标之一。

(5)微胶囊的装载率和包埋率①装载率是指一定质量的固体微胶囊内装载芯材的百分数,装载率=(微胶囊内芯材质量/微囊的总质量)×100%。

②包埋率是指微胶囊内芯材的质量占投放芯材质量的百分数,可由下式计算:包埋率=(微胶囊内芯材质量/投放芯材质量)×100%。

3.微胶囊形成的步骤(1)分散芯材(2)加入壁膜物质(3)形成壁膜(4)硬化壁膜微胶囊制备的方法根据微胶囊造粒原理的不同,可将造粒方法归为三类。

但这种分类方法并未包括目前的所有方法,而且有些具体方法属于交叉的,因此分类是相对的。

①物理方法包括:喷雾干燥法、喷雾凝冻法、空气悬浮法、真空蒸发沉积法、静电结合法等;②物理化学方法包括:水相分离法、油相分离法、挤压法、囊心交换法、熔化分散法、复相乳液法等;③化学方法包括:界面聚合法、原位聚合法、分子包囊法和辐射包囊法等。

b.喷雾干燥(spraydrying)将核心物质分散在含聚合物的水溶液中↓喷出时利用热风在其表面形成一层聚合物薄膜↓利用热风将水分蒸发移去↓藉由气体分离作用达到固粒分散的效果喷雾干燥法的原理壁材在遇热时形成一种网状结构,起着筛分作用。

小分子物质如水或其他溶剂,因热蒸发而透过“网孔”顺利地移出,而分子较大的心材则滞留在“网”内。

通过选择不同物质或几种物质的混合作为壁材,可以人为地控制“网”孔的大小,达到包裹不同分子大小物质的目的。

喷雾干燥的基本流程喷雾干燥微胶囊化包括两个基本过程:1.制备心材和壁材的混合乳化液,保证心材能够均匀地分布在壁材的溶液中。

2.将心材分散于壁材溶液中,适当地加入乳化剂,制备成油水型乳化液。

把这种乳化液置于高温的干燥器内,通过喷雾头雾化成微小的液滴,这些小液滴与热空气接触时,溶解壁材的水分受热迅速蒸发,使壁材凝固,从而将心材包裹起来。

这样制备出来的微胶囊颗粒一般呈球形。

喷雾干燥机简介喷雾干燥机用特殊设备将液料喷成雾状,使其与热空气接触而被干燥。

用于干燥有些热敏性的液体、悬浮液和粘滞液体,如牛奶、蛋、单宁和药物等。

也用于干燥燃料、中间体、肥皂粉和无机盐等工作原理空气经过滤和加热,进入干燥器顶部空气分配器,热空气呈螺旋状均匀地进入干燥室。

料液经塔体顶部的高速离心雾化器,(旋转)喷雾成极细微的雾状液珠,与热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。

成品连续地由干燥塔底部和旋风分离器中输出,废气由引风机排空。

产品特点干燥速度快,料液经雾化后表面积大大增加,在热风气流中,瞬间就可蒸发95%-98%的水份,完成干燥时间仅需数秒钟,特别适用于热敏性物料的干燥生产过程简化,操作控制方便。

喷雾干燥的优缺点优点:设备易得,操作成本低,可选用的壁材种类多,产品质量好,可包埋热敏性物质且包埋量大,生产能力高,工艺简单,适宜连续化、自动化的工业化大生产。

能控制制成产品的大小、核心与外壳比例、溶液黏度及浓度。

尽管用喷雾干燥法实现微胶囊化存在这些缺点和不足,但由于它突出的优点,仍不失为一种微胶囊化的好方法,因此应用很广泛。

缺点:包埋率低,芯材有可能粘附在微胶囊颗粒的表面从而影响产品的质量,设备尺寸大,造价高,能耗大。

锐孔--凝固浴法基本原理锐孔—凝固浴法微胶变化的基本原理是,芯材和壁材溶液借助外力作用通过一锐孔装置(如细嘴滴管、注射器等)成型,并在凝固浴中通过与CaCl2等无机盐或醛类交联反应,或与带相反电荷的聚合物凝聚反应,或者通过热改性,使壁材凝聚沉淀成膜将芯材包埋,形成微胶囊。

锐孔--凝固浴法特点锐孔法制备的微胶囊较大,一般在500μm以上,甚至超过1㎜。

同喷雾干燥法相比较,锐孔法装置较简单,投资少。

锐孔法在食品工业中的应用尚不是十分广泛。

类胡萝卜素的微胶囊化鉴于类胡萝卜素的不稳定性及其水溶性差的特点,国内外许多专家学者对β胡萝卜素、番茄红素、辣椒红素、虾青素等类胡萝卜素的微胶囊化进行了广泛而深入的研究壁材:糊精+麦芽糖浆心材:天然胡萝卜素心材:壁材=4:6条件:40MPa压力下均质乳化3次,单甘脂为乳化剂喷雾干燥微胶囊化工艺参数:进风口温度200℃,出风口温度90℃,风量为900m3/hV.应用(application)1.固体香料(dryflavors)(1)固体香料是微胶囊技术应用于食品工业的最典型代表(2)喷雾干燥是固定(fixation)香味物质最便宜的方法2.密封香料(encapsulatedflavors)相分离(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干燥更温和的油溶性、水溶性香料的微胶囊技术(1)coacervation(相分离或胶粒堆积作用)(2)solvent-dehydration(溶剂脱水法)溶剂脱水法操作过程均保持低温,且能在控制的钝气下进行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(Propyleneglycol)等极性溶液中制备液中的水分被移出而干燥形成结构坚实的微胶囊颗粒沉降下来3.密封酸化剂encapsulatedacidulants(1)delayingcontact食品中某些成分对于柠檬酸、丁烯二酸(fumaricacid)、酒石酸及己二酸(adipicacid)较为敏感(2)抗结团(anti-caking)某些酸味剂,例如柠檬酸,极富吸湿性,在有水气存在时会导致产品的结块或脱色4.密封营养成分(encapsulatednutrients)(1)避免添加的营养素促进食品劣变a.某些无机盐类,当以enrichment目的添加到食品粉末时,常会造成香味或其他形式的劣变b.例如ferroussulfate添加于面粉或烘焙粉时,会催化氧化酸败的进行(2)遮盖不良风味:某些维生素具有今人不悦的气味,此气味可以微胶囊技术来加以掩蔽5.密封盐(encapsulatedsalt):应用于肉制品及烘焙制品,减低或延迟盐的溶解性,避免盐在此等产品中快速溶解,造成的不良副作用6.密封钠(encapsulatedsodium):已为肉品业者所使用,于肉(腌渍)制品中逐渐释放硝盐,作为亚硝酸(发色剂)补充剂7.密封重碳酸钠(encapsulatedsodiumbicarbonate)作为膨胀剂的重碳酸钠在适当温度才会溶释出来,使烘焙制品具有较佳的膨松外貌VI.微胶囊技术的选择与限制(1)particlesize (2)degreeofencapsulation (3)payload (4)methodofrelease (5)economics。

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