微胶囊壁材的分类及其性质比较

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1、食 品 与 发 酵 工 业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES122 2009 V ol1 35 N o15 (Tot a l 257)微 胶 囊 壁 材 的 分 类 及 其 性 质 比 较 3杨 佳 ,侯 占 群 ,贺 文 浩 ,彭 强 ,袁 芳 ,高 彦 祥(中 国 农 业 大 学 食 品 科 学 与 营 养 工 程 学 院 ,北 京 ,100083)摘 要 近 年 来 微 胶 囊 技 术 发 展 迅 速 ,壁 材 作 为 其 重 要 组 成 部 分 受 到 了 更 广 泛 的 关 注 。 文 中 在 简 要 介 绍 微 胶 囊技 术 的 基 础 上 ,探 讨

2、 该 技 术 对 壁 材 的 要 求 ,综 述 了 碳 水 化 合 物 、 亲 水 胶 体 和 蛋 白 质 三 类 常 用 壁 材 的 特 性 。关 键 词 微 胶 囊 ,壁 材 ,碳 水 化 合 物 ,亲 水 胶 体 ,蛋 白 质第 一 作 者 :硕 士 研 究 生 (高 彦 祥 教 授 为 通 讯 作 者 ) 。3“ 十 一 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 (2006BAD27B00)收 稿 日 期 :2009 - 01 - 09 ,改 回 日 期 :2009 - 02 - 27微 胶 囊 技 术 (microencap sulation) 是 利 用 天 然 或合 成 的

3、 高 分 子 成 膜 材 料 把 分 散 均 匀 的 固 体 微 粒 、 液 体或 气 体 包 覆 形 成 微 小 固 体 颗 粒 的 技 术 。 其 中 ,包 裹 在微 胶 囊 内 部 的 物 质 称 为 芯 材 (或 囊 心 ) ,微 胶 囊 外 部 的包 覆 膜 称 为 壁 材 (或 囊 壁 、 壳 体 ) 。 通 常 微 胶 囊 产 品 直径 可 控 制 在 2 - 1 000 m ,但 随 着 纳 米 制 备 技 术 的 发展 ,制 备 纳 米 级 粒 径 的 微 胶 囊 已 经 成 为 可 能 。由 于 芯 材 与 外 界 环 境 隔 离 ,而 在 适 当 条 件 下 (如热 处

4、理 、 p H、 压 力 变 化 等 )才 释 放 出 来 ,使 得 微 胶 囊 技术 具 有 众 多 优 点 :保 护 活 性 物 质 ,减 少 外 界 不 良 因 素(如 光 、 热 、 氧 气 等 )与 芯 材 反 应 ;减 少 芯 材 向 外 界 环 境的 蒸 发 或 转 移 ;改 变 物 料 的 物 理 性 状 ,方 便 运 输 、 处 理等 ;控 制 芯 材 的 释 放 ;修 饰 、 掩 盖 芯 材 的 不 良 风 味 、 色泽 ;延 长 产 品 货 架 期 并 减 少 组 分 的 营 养 损 失 等 1 - 2 。微 胶 囊 制 备 的 过 程 中 ,壁 材 的 组 成 与 选

5、择 对 微 胶囊 的 性 质 至 关 重 要 ,而 这 也 是 获 得 高 微 胶 囊 化 效 率 、性 能 优 越 的 微 胶 囊 产 品 的 重 要 条 件 之 一 。 对 于 壁 材的 选 配 ,一 般 从 以 下 几 方 面 来 考 虑 ,首 先 要 能 与 芯 材相 配 伍 但 不 发 生 化 学 反 应 ;而 且 还 要 考 虑 高 分 子 包 埋材 料 自 身 的 物 理 2化 学 性 质 ,如 溶 解 性 、 吸 湿 性 、 稳 定性 、 机 械 强 度 、 成 膜 性 和 乳 化 性 等 ;此 外 ,壁 材 还 应 价格 合 理 ,且 容 易 制 备 3 。 常 用 的 壁

6、材 按 其 化 学 性 质 可分 为 碳 水 化 合 物 类 、 亲 水 性 胶 体 类 以 及 蛋 白 质 类 。 以下 将 对 这 三 类 壁 材 性 质 及 其 应 用 现 状 进 行 概 述 。1 碳 水 化 合 物 类碳 水 化 合 物 ,包 括 淀 粉 、 淀 粉 糖 浆 干 粉 、 麦 芽 糊精 、 壳 聚 糖 、 小 分 子 糖 类 等 常 被 用 作 微 胶 囊 壁 材 ,这 是因 为 它 们 在 高 固 体 含 量 时 仍 表 现 较 低 黏 度 ,且 具 有 很好 的 溶 解 性 。 然 而 ,除 淀 粉 外 ,大 都 缺 乏 达 到 高 微 胶囊 化 效 率 所 需 的

7、 界 面 特 性 ,单 独 使 用 不 能 有 效 地 包 埋住 油 脂 ,因 此 它 们 通 常 与 蛋 白 、 胶 体 等 复 配 使 用 ,以 提高 微 胶 囊 膜 的 致 密 性 4 。111 变 性 淀 粉变 性 淀 粉 ,即 在 淀 粉 所 具 有 的 固 有 特 性 的 基 础上 ,为 改 善 淀 粉 的 性 能 和 扩 大 应 用 范 围 ,利 用 物 理 、 化学 或 酶 法 处 理 ,改 变 淀 粉 的 天 然 性 质 ,增 加 其 某 些 功能 性 或 引 进 新 的 特 性 ,使 其 更 适 合 于 一 定 应 用 的 要 求的 淀 粉 5 。 微 胶 囊 化 过 程

8、中 使 用 最 广 泛 的 变 性 淀 粉是 辛 烯 基 琥 珀 酸 淀 粉 酯 ( n2octenylsuccinate deriva2tised starch) ,简 称 n2OSA 淀 粉 。 它 是 在 淀 粉 链 的 基础 上 ,引 入 了 疏 水 侧 链 (辛 烯 基 ) ,从 而 具 有 了 两 亲 性质 。 n2OSA 淀 粉 乳 化 性 和 成 膜 性 能 高 ,具 有 溶 液 黏度 低 ,易 干 燥 ,不 易 吸 潮 等 优 良 性 能 6 。 其 主 要 靠 淀粉 大 分 子 产 生 的 空 间 位 阻 作 用 来 稳 定 乳 化 体 系 ,与 其他 生 物 高 聚 物

9、类 似 ,较 之 小 分 子 乳 化 剂 其 吸 附 到 油 水界 面 的 速 度 较 慢 ,适 宜 应 用 于 制 备 过 程 中 物 料 停 留 时间 较 长 的 设 备 ,如 多 级 高 压 均 质 机 、 胶 体 磨 等 ,以 便 与料 液 有 更 多 的 接 触 机 会 ;这 一 特 性 也 可 有 效 防 止 放 置阶 段 油 滴 的 重 聚 。喷 雾 干 燥 法 是 食 品 工 业 中 最 常 用 的 微 胶 囊 化 技术 之 一 。 通 过 喷 雾 干 燥 技 术 制 备 微 胶 囊 产 品 时 ,为 使料 液 获 得 较 高 的 固 形 物 含 量 并 防 止 过 多 的 空

10、 气 混 入微 胶 囊 产 品 ,低 黏 度 的 n2OSA 淀 粉 是 较 理 想 的 选择 7 。 Drusch 等 人 利 用 取 代 度 相 同 但 黏 度 不 同 的 2种 n2OSA 淀 粉 包 埋 鱼 油 ,表 明 低 黏 度 较 中 黏 度 淀 粉具 有 更 好 的 包 埋 特 性 。 因 为 淀 粉 黏 度 的 增 大 会 导 致乳 状 液 粒 滴 的 重 聚 ,从 而 增 加 大 油 滴 在 体 系 中 的 比例 ,造 成 稳 定 性 不 佳 的 问 题 8 。在 以 低 黏 度 n2OSA 淀 粉 为 壁 材 的 L2薄 荷 醇 、 D2柠 檬 油 精 等 微 胶 囊 化

11、 过 程 中 ,同 样 获 得 了 较 好 的 包 埋效 果 ,贮 藏 稳 定 性 也 优 于 或 等 同 于 阿 拉 伯 胶 等 传 统 壁综 述 与 专 题 评 论2009 年 第 35 卷 第 5 期 (总 第 257 期 ) 123材 制 备 的 微 胶 囊 产 品 9 。 与 阿 拉 伯 胶 溶 液 相 比 , n2OSA 淀 粉 溶 液 在 高 固 形 物 含 量 时 黏 度 更 低 ,因 此 可用 于 包 埋 油 相 含 量 较 高 的 体 系 ,这 也 有 利 于 喷 雾 干 燥过 程 的 进 行 。 因 为 过 高 的 物 料 黏 度 可 能 造 成 高 压 均质 机 料 流

12、 不 畅 ,或 喷 雾 干 燥 器 的 堵 塞 ,影 响 设 备 的 正常 工 作 。 此 外 ,与 全 天 然 获 取 的 壁 材 原 料 (如 阿 拉 伯胶 等 )相 比 , n2OSA 淀 粉 表 现 出 性 能 的 高 度 一 致 性 ,所 以 n2OSA 淀 粉 可 部 分 或 完 全 取 代 传 统 原 材 料 作 为微 胶 囊 化 的 壁 材 9 。112 壳 聚 糖壳 聚 糖 是 由 甲 壳 素 经 浓 碱 处 理 脱 乙 酰 基 后 的 产物 ,其 分 子 的 刚 性 结 构 更 使 其 适 合 应 用 在 微 胶 囊 领域 。 研 究 者 针 对 壳 聚 糖 在 药 物 的

13、 缓 释 方 面 已 开 展 了大 量 的 研 究 工 作 ,但 在 食 品 或 食 品 配 料 的 包 埋 方 面 相关 的 报 道 还 不 是 很 多 。在 微 胶 囊 的 制 备 过 程 中 ,壳 聚 糖 与 二 醛 或 三 羧 酸的 交 联 物 常 被 作 为 壁 材 使 用 ,其 脱 乙 酰 程 度 、 分 子 量大 小 、 黏 度 等 都 会 影 响 产 品 的 性 能 。 Higuera 等 人 以壳 聚 糖 交 联 戊 二 醛 包 埋 虾 青 素 ,在 不 同 的 贮 藏 温 度 下保 存 8w 内 ,色 素 没 有 发 生 明 显 异 构 化 且 稳 定 性 较好 10 。

14、Bustos 等 人 分 别 采 用 脱 乙 酰 程 度 不 同 的 高 、低 分 子 量 的 壳 聚 糖 与 醋 酸 的 交 联 物 ,并 添 加 吐 温 20为 乳 化 剂 包 埋 富 含 虾 青 素 、 二 十 五 碳 五 烯 酸 ( EPA) 、二 十 二 碳 六 烯 酸 (D HA)的 磷 虾 油 ,结 果 表 明 ,低 分 子量 的 壳 聚 糖 较 高 分 子 量 的 壳 聚 糖 对 虾 青 素 有 更 好 的保 护 性 11 。113 其 他一 些 乳 化 性 较 差 甚 至 没 有 乳 化 性 的 碳 水 化 合 物 ,如 麦 芽 糊 精 、 玉 米 糖 浆 等 淀 粉 水 解

15、 产 物 ,或 是 蔗 糖 、 葡萄 糖 、 乳 糖 等 小 分 子 碳 水 化 合 物 可 以 作 为 填 充 剂 与 大分 子 壁 材 复 配 ,起 到 补 充 包 埋 的 作 用 ,又 因 为 它 们 来源 广 泛 ,价 格 低 廉 ,有 助 于 降 低 微 胶 囊 产 品 的 成 本 。麦 芽 糊 精 的 葡 萄 糖 当 量 ( dextrose equivalent ,DE)值 较 低 ,即 体 系 中 存 在 较 少 的 还 原 糖 ,所 以 在 与蛋 白 质 共 存 的 高 温 条 件 下 发 生 褐 变 反 应 的 程 度 较 小 ,可 作 为 惰 性 壁 材 用 于 敏 感

16、性 化 学 物 质 ,如 香 精 香 料 、药 物 等 的 微 胶 囊 化 12 。 麦 芽 糊 精 还 具 有 抑 制 结 晶 性糖 ,如 蔗 糖 等 晶 体 析 出 的 作 用 ,以 保 证 产 品 的 玻 璃态 13 。以 小 分 子 糖 作 为 复 配 壁 材 制 备 的 微 胶 囊 产 品 在贮 藏 过 程 中 会 遇 到 结 块 、 结 构 塌 陷 及 重 结 晶 的 问 题 。Le Meste 等 人 将 结 块 解 释 为 当 表 面 黏 度 达 到 一 个 临界 值 时 ,邻 近 粒 子 间 内 部 键 和 所 致 14 。 Drusch 利 用n2OSA 淀 粉 分 别 与 葡 萄 糖 或 海 藻 糖 为 复 合 壁 材 包 埋鱼 油 ,结 果 表 明 ,海 藻 糖 较 葡 萄 糖 显 示 出 更 好 的 包 埋特 性 ,在 低 相 对 湿 度 时 ,海 藻 糖 作 壁 材 的 样 品 氧 化 速率 明 显 降 低 ;而