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1、食品与发酵工业FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES122 2009 Vol135 No15 (Tot al 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(200
2、6BAD27B00) 收稿日期:2009 - 01 - 09 ,改回日期:2009 - 02 - 27微胶囊技术(microencapsulation)是利用天然或合成的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 000m ,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
3、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。常用的壁材按其化学性质可分为碳水化合物类、 亲
4、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
5、的淀粉5。微胶囊化过程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
6、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
7、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
8、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。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(DHA)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
9、浆等淀粉水解产物,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
10、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;而在高相对湿度条件下,海藻糖的结晶 化作用使样品快速氧化,限制了其应用15。2 亲水胶体亲水胶体通常是指能溶解于水,并在一定条件下充分水化形成黏稠、 滑腻或胶冻溶液的大分子物质, 在食品、 医药、 化工及其他许多领域中广泛应用16。 亲水胶体按来源可分为:植物分泌物,如果胶、 瓜尔豆 胶、 阿拉伯胶等;微生物发酵、 代谢产物,如黄原胶、 结 冷胶等;海藻
11、胶提取物,如卡拉胶、 琼脂、 海藻酸盐等。近些年,针对各种单体胶在微胶囊领域的应用已展开 了广泛的研究,许多学者也致力于胶体之间或胶体与 其他种类壁材的复配,以达到胶体单独使用时不具备 的性能。211 阿拉伯胶阿拉伯胶具有突出的乳化性能,是微胶囊及乳状 液领域使用最广泛的商业胶。阿拉伯胶约由98 %的 多糖和2 %的蛋白质组成,蛋白质片段的存在对其乳 化性有着不可或缺的作用,但因蛋白成分对高温较为 敏感,长时间高温加热会导致其乳化性能下降。阿拉伯胶易溶于水形成低黏度溶液,配置成50 %浓度的 水溶液时仍具有流动性,这是其他亲水胶体所不具备 的特性之一。Buffo等人指出,对于阿拉伯胶的前处理会
12、影响 所制备乳状液的稳定性,加热杀菌、 利用阳离子树脂去除矿物质都会促进乳状液的稳定,且二者具有交互 作用;此外,乳状液在p H值为215时不如在更高p H 值环境下(p H值为415和515)稳定,因为较高的离 子强度会使水相中液滴表面的电荷产生屏蔽效应,引 起乳状液失稳17。在实际微胶囊化过程中, Krish2nan等人分别以琥珀酰蜡状玉米淀粉、 麦芽糊精和阿 拉伯胶作为壁材包埋小豆蔻科油脂,结果表明,在贮 藏过程中阿拉伯胶显示出对芯材更好的保护作用,且 产品具有较好的流动性18。Shaikh等人通过检测黑 胡椒油脂微胶囊中的主要成分,表明阿拉伯胶较改性淀粉( HiCap100)对黑胡椒油
13、脂有更好的保护19。 阿拉伯胶虽然是使用最广泛的微胶囊壁材,但其 性能很难达到标准化,不同的植物品种、 地理及气候 差异、 采收后处理等都会造成其理化指标的改变。性 能的不稳定及昂贵的价格都在一定程度上限制了阿食品与发酵工业FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES124 2009 Vol135 No15 (Tot al 257)拉伯胶的应用。因此,寻找与阿拉伯胶具有相同包埋 效率的廉价壁材已成为许多研究者关注的问题。212 果胶 果胶是从植物细胞壁中提取的天然多糖类高分 子化合物,柑橘果皮、 苹果糊、 甜菜浆等是提取果胶最 常见的原料。各种果胶的主要差异在于它们的酯化
14、度不同,根据果胶分子中酯化的半乳糖醛酸基的比例 可将其分为高甲氧基果胶和低甲氧基果胶(酯化度50 %为区分值)。果胶分子的乳化性能与许多因素相 关,如分子量大小、 蛋白质含量、 乙酰基含量等。Akhtar等人采用酯化程度为70 %、 分子质量不 等(48 - 146 kg/ mol)的解聚柑橘果胶制备乳状液,结 果表明,p H值为417时,分子质量70 kg/ mol的果胶可在较少使用量下(4 %)制备稳定性较好的乳状液; 但当p H值为7 ,或使用分子质量过高或过低的果 胶,及在体系中加入Ca2 +的情况下,乳状液的稳定性 都会有所下降20。 不同来源的果胶在性能上也会存在差异。Ler2ou
15、x等人的研究表明,果胶(2 %)可在使用量远小于 阿拉伯胶(15 %)的情况下制备出性质相似的乳状液; 甜菜果胶较之柑橘果胶所制备的乳状液粒度分布更 窄且更稳定,这可能与其含有更多的蛋白和乙酰基团 有关,也可能是因为构象上的差异造成的21。此外,Sharma等人将番茄中提取的高甲氧基水溶性番茄果 胶与高甲氧基商业柑橘果胶进行比较,表明在凝胶和 乳化性能方面,柑橘果胶略优于番茄果胶;随体系中 蔗糖、 果胶含量增加,及p H值降低,二者凝胶强度均 有所增强22。直接利用果胶作为壁材的报道还不是很多,Dr2usch研究了以糖用甜菜果胶(212 %)复配葡萄糖浆 为壁材包埋鱼油,并表明甜菜果胶可被视为
16、1种新型 壁材用于亲脂性食品成分的包埋,以替代牛奶蛋白、 阿拉伯胶等传统壁材23。213 黄原胶 黄原胶是由细菌产生的阴离子细胞外多糖,在低 浓度时便可形成高黏度溶液。黄原胶与瓜尔豆胶共 存时产生增效作用,体系黏度增大,与角豆胶共同使 用则形成热可逆凝胶24。文献报道,在油/水乳状液中加入低浓度的黄原胶会增加油水体系分层的机会, 这可能与原位絮凝有关;而高浓度的黄原胶可起到减 缓乳状液分层的作用,因为连续相表观黏度的增加可 阻碍分散油滴的运动25。黄原胶多被用于与阿拉伯 胶或蛋白等成分复配共同制备乳状液,Sun等人考察了将黄原胶加入到以2 %乳清蛋白稳定的20 %的鲱 鱼油乳状液中,结果表明,在黄原胶为012 %时产生大量絮凝并导致乳状液胶凝;随黄原胶浓度继续增加 直至达到015 %时,乳状液又只有很少或没有絮凝发 生,但高浓度的黄原胶会加速乳状液中的油脂氧化, 因为其会与未吸附的乳清蛋白反应抑制其抗氧化作 用26。214 卡拉胶、 瓜尔豆胶、
