微胶囊技术

八、微胶囊技术

微胶囊技术是一项用途广泛而又发展迅速的新技术。自从1953年微胶囊技术问世以来，经过许多科学家和专业公司的努力，微胶囊技术获得不断的发展和完善。微胶囊技术在国际先进国家发展很快，已达到将此技术应用于细胞载体及液晶等高精尖水平，技术方法也不断完善，在食品、化工、医药、生物技术等许多领域中已得到成功地应用，尤其在食品工业，许多由于技术障碍而得不到开发的产品，通过微胶囊技术得以实现，使得传统产品的品质得到大大的提高，为食品工业高新技术的开发展现了良好的前景。

（一）微胶囊技术原理及意义

微胶囊技术又称微胶囊化，是用特殊手段将固体、液体或气体物质包裹在一微小的、半透性或封闭胶囊内的过程。

通过微胶囊技术的使用，可以保护被包裹的物质，使之与外界不宜环境相隔绝，达到最大限度地保持原有的色香味、性能和生物活性，防止营养物质的破坏与损失。此外，有些物料经胶囊化后可掩盖自身的异味，或由原先不宜加工贮存的气体、液体转化为较稳定的固体形式，从而大大地防止或延缓产品劣变的发生。

1.微胶囊技术原理

微胶囊的直径一般为2～200μm，囊壁厚10～20μm，此种微胶囊产品在一定条件下可有控制地将所包裹的材料（称为芯材）释放出来。

微胶囊可以简单地看做由芯材和壁材组成，食品工业中芯材的范围很广泛，如维生素、色素、挥发性香辛料、风味物质、油脂、抗氧化剂、防腐剂、缓冲盐及无机盐等；此外，食品中一些不易贮存的或对其他组分产生不良影响的物质均可作为芯材。常用的壁材物质有蛋白质类、植物胶类、纤维素类、缩聚物类、油类、无机盐等，这些壁材既可单独使用，又可混合使用，同时还可添加一些增塑剂、表面活性剂、色素等改良剂来提高品质。

2.微胶囊的功能

经过微胶囊化后，可改变物质的色泽、形状、质量、体积、溶解性、反应性、耐热性和贮藏性等性质，能够贮存微细状态的芯材物质并在需要时释放出。由于这些特性，使得微胶囊技术在食品工业上能够发挥许多重要的作用。

（1）改变物料的存在状态、物料的质量与体积　液体芯材经微胶囊化转变成细粉状固体物质，因其内部仍是液体相，故仍能保持良好的液相反应性。部分液体香料、液体调味品、酒类和油脂等，可经微胶囊化后转变成固体颗粒，以便于加工贮藏与运输。微胶囊化后的物料质量有所增加，且可通过制成含有空气或空心胶囊而使体积增大。在食品加工上，这个特性有可能改善某些食品丰富配料间的混合均匀性，缩小由于各成分间比重的差异而带来混合操作的困难。

（2）隔离物料间的相互作用，保护敏感性物料　在配料丰富的食品体系里，某些成分间的直接接触会加速不良反应的进程，如某些金属离子的存在会加速脂肪的氧化，也可能影响食品的风味系统。通过微胶囊技术，可使易发生作用的配料相互隔离开。对于一些不稳定的敏感性物料，经微胶囊化后可免受环境中湿度、氧气、紫外线等不良因素的干扰，提高了贮藏加工时的稳定性并延长了产品的货架寿命。

（3）掩盖不良风味、降低挥发性　部分食品添加剂，如某些矿物质、维生素等，因带有明显的异味或色泽而会影响被添加食品的品质。如将这些添加剂制成微胶囊颗粒，即可掩盖它们所带来的不良风味与色泽，改善它们在食品工业中的使用性。部分易挥发的食品添加剂，如香精香料等，经微胶囊化后可以抑制挥发，减少其在贮藏加工时的挥发性，同时也减少了损失，节约了成本。

（4）控制释放　利用微胶囊控制释放的特点，用在食品工业可以滞留一些挥发性化合物，使其在最佳条件下释放。对于酸味剂来说，如在加工初始就与其他配料相混合，可能会使部分配料如蛋白质发生变性而影响产品的质地；经微胶囊化后就可控制它在需要时（如产品加工即将结束）再释放出来，这就避免它可能带来的不良影响。通过预先设计并选取适当的壁材，还可实现特殊的释放模式达到某种特殊的效果。如一种微胶囊化的低酸性杀菌剂，是利用微胶囊缓慢释放出乙醇，让定量的乙醇在包装容器中形成一定的蒸汽压，以收到长期的杀菌防腐效果。

（5）降低食品添加剂的毒理作用　利用微胶囊控制释放的特点，可通过适当的设计实现对芯材的生物可利用性控制，实际应用时，这种人为控制作用能够降低部分食品添加剂（特别是化学合成产品）的毒性。以乙酰水杨酸为对象的实验表明，未微胶囊化和微胶囊化的乙酰水杨酸对小鼠的半数致死量LD50值分别为1750mg/kg和2823mg/kg，后者比前者提高了60%，说明毒副作用得以大幅度降低。

（6）微胶囊的局限　微胶囊的上述功能主要是由芯材与壁材的物理化学性质所引起的，但有时芯材释放后所剩下的残壳也会引起一些问题。如果芯材与壁材两者都能溶于水，则问题不大，但要选择一种不同溶解度的聚合物使壁壳可以从填充物相中遗留下来而呈现出不连续的分离相，同时要求两相均溶于水，这是相当困难的。如将控制释放的微胶囊用于悬浮液介质中，则壁壳还会引起另一个复杂的问题，即可能由于增加了囊壁的厚度而使芯材的释放变的困难。故在制备微胶囊时，需要权衡微胶囊释放速度和囊壁厚度两方面的因素。

（二）微胶囊化技术方法分类

1.微胶囊的组成

（1）芯材（囊心物质）　可以是单一的固体、液体或气体，也可以是固液、液液、固固或气液混合体等。既可以是食品中的天然组分，也可以是食品添加剂，其选择具有很大的灵活性。可作为芯材的物质有很多，在不同行业、不同用途中有不同的内容。在食品及饮料工业中，可作为芯材的物质有：生物活性物质（如活性多糖、茶多酚、SOD等），各种氨基酸、矿物质元素，各种食用油脂、微生物、香辛料香精，各种酶制剂、防腐剂。此外甜味剂、微生物细胞、酸味剂、色素、酱油等也可作为囊心物质。

（2）微胶囊的壁材　微胶囊技术实质上是一种包装技术，其效果的好坏与“包装材料”壁材的选择紧密相关。一种理想的壁材必须具有如下特点：

①高浓度时具有良好的流动性，保证在微胶囊化过程中有良好的可操作性能；

②能够乳化芯材并能产生稳定的乳化体系；

③在加工过程以及贮存过程中能够将芯材完整地包埋在其结构中；

④易干燥以及易脱落；

⑤良好的溶解性；

⑥可食性与经济性。

通常一种材料很难同时具备上述性能，因此在微胶囊技术中常常是采用几种壁材复合使用。常用的一些壁材如下。

①植物胶　阿拉伯胶、琼脂、藻酸盐、瓜儿胶、罗望子胶和卡拉胶等；

②多糖　黄原胶、阿拉伯半乳糖、半乳糖甘露聚糖和壳聚糖等；

③淀粉　玉米淀粉、马铃薯淀粉、交联改性淀粉和接枝共聚淀粉等；

④纤维素　羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、乙基纤维素、二醋酸纤维素、丁基醋酸纤维素和硝酸纤维素等；

⑤蛋白质　明胶、酪蛋白、玉米蛋白和大豆蛋白等；

⑥聚合物　聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺和聚苯乙烯等；

⑦蜡与类脂物石蜡、蜂蜡、硬脂酸和甘油酸酯等。

2.微胶囊化技术方法分类

（1）喷雾干燥法　首先是制备芯材和壁材的混合乳化液，然后将乳化液在干燥器内进行喷雾干燥而成。壁材在遇热时形成一种网状结构，起着筛分作用，水或其他溶剂等小分子物质因热蒸发而透过“网孔”顺利地移出，分子较大的芯材滞留在“网”内，使微胶囊颗粒形成。芯材通常是香辛料等风味物质和油类，壁材常选用明胶、阿拉伯胶、变性淀粉、蛋白质、纤维酯等食品级胶体。

（2）喷雾冷冻法与喷雾冷却法　这两者与喷雾干燥法的不同点在于干燥室所采用的空气温度以及所用的壁材性质不同。喷雾干燥法中采用热空气以去除水分，而在喷雾冷冻法与喷雾冷却法中，干燥室空气为室温或经冷却处理，远低于所用壁材如脂质或蜡质的凝固点。这两种工艺适应面较窄，一般用于水溶性芯材如矿物质、酶、水溶性维生素、酸味剂等的微胶囊化。喷雾冷冻法还可用于固体芯材，例如硫酸亚铁、酸味剂、维生素、固体风味料等的微胶囊化，也可用于一般溶剂中溶解困难的生理活性物质的微胶囊化，同样通过将液态物质冷冻成固态，可实现对液滴的微胶囊化。这两种方法所选壁材具有缓释功能的特点。

（3）空气悬浮法（硫化床法或喷雾包衣法）　工作原理是将芯材颗粒置于硫化床中，冲入空气使芯材随气流做循环运动，溶解或熔融的壁材通过喷头雾化，喷洒在悬浮上升的芯材颗粒上，并沉积于其表面。这样经过反复多次的循环，芯材颗粒表面可以包上厚度适中且均匀的壁材层，从而达到微胶囊化的目的。

（4）相分离法（凝聚法）　主要用于无碳复写纸的生产。主要原理为，将作为壁材的液相从连续相中分离，包覆于芯材表面，形成囊壁结构。

（5）挤压法　特别适用于包埋各种风味物质、香辛料、维生素C和色素等热敏性物质，因为其处理过程采用低温方式。工艺流程为：先将芯材分散到熔融的碳水化合物中，然后将混合液装入密封容器，在压穿台上利用压力作用压迫混合液通过一组膜孔而呈丝状液，挤入吸水剂中。当丝状混合液与吸水剂接触后，液状的壁材会脱水、硬化，将芯材包裹在里面成为丝状固体，而后将丝状固体打碎并从液体中分离出来，干燥而成。

（6）包接络合法（分子包埋法）　利用具有特殊分子结构的壁材进行包埋而成。如常用的β-环糊精进行分子包埋取得了令人满意的效果。一般将环糊精配置成饱和溶液，加入等摩尔量的芯材，混合后充分搅拌30分钟，即得到所需络合物。对一些溶解度大的芯材分子，其络合物在水中的溶解度也比较大，可加入有机溶剂促使析出沉淀，对不溶于水的固体芯材，需要先用少量的溶剂溶解后，再混入环糊精的饱和溶液中。

（7）界面聚合法　发生在两种不同的聚合物溶液之间，将两种活性单体分别溶解在不同的溶剂中，当一种溶液被分散在另一种溶液中时，相互间可发生聚合反应。利用界面聚合法可使疏水材料的溶液或分散液微胶囊化，也可以使亲水材料的水溶液或分散液微胶囊化。常见过程为：单体A存在于与水不相混溶的有机溶剂中，称为油相。然后将含单体A的油相分散到水相中，搅拌整个体系时，则在水相和油相界面处发生聚合反应，结果在油滴表面上形成了聚合物的薄膜，油被包埋在该薄膜之内，得到含油的微胶囊。反之当把含有单体B的水溶液分散到油相中去，则可获得含水的微胶囊，由于界面聚合法中连续相和分散相均必须提供活性单体，因此微胶囊化的效率高。由于界面聚合法所用的壁材不具备可食性，因此在食品工业中还不具备实用价值。

（8）复相乳液法　将壁材与芯材的混合物乳化后再以液滴形状分散到介质中，形成双重乳液，随后，通过加热、减压、搅拌、溶剂萃取、冷冻、干燥等手段将壁材中的溶剂除去，形成了囊壁，再与介质分离得到微胶囊产品。根据所用微胶囊化介质的不同，此方法又可分为水浴干燥法和油浴干燥法。

（三）微胶囊技术在食品加工中的应用示例

利用微胶囊技术，以海藻酸钠作为壁材，在温度为55℃～65℃制得的芒果胶囊，有较好的稳压性，外形也比较固定，能够较好地包埋芒果原浆，有效地保留了芒果原有独特的风味。

1.工艺流程

2.生产方法

（1）芒果原料处理　选用外表鲜黄，成熟度九成以上的芒果作原料。将芒果洗干净放入沸水中热烫1分钟左右，去皮去核，然后将果肉放入打浆机打浆，放入少量抗氧化剂Na₂SO₃，所得果浆经胶体磨均质即可得到颗粒微小的均匀的果浆均质体。

（2）微胶囊的生产　将含海藻酸钠1.2%，糖8%的溶液，按1∶1的比例与芒果浆均质体混合均匀，混合溶液转入胶囊生产成型机。将3%CaCl₂溶液注入钙化器中，搅拌，使CaCl₂溶液在钙化器内形成环流，打开胶囊生产成型机使混合浆料均匀滴下，速度为200滴/分钟，钙化器内温度控制在55℃～65℃。浆料滴到钙化器内遇到CaCl₂即形成大量圆形的胶囊颗粒。定时将胶囊颗粒移出，用去离子水冲洗5～6次，除去胶囊上残余的钙盐溶液，即可得到芒果浆胶囊颗粒。

（3）液体配制　用去离子水配制10%糖溶液，加入0.1%山梨酸作防腐剂，加入少量果胶或琼脂，添加一定量芒果浆均质体，充分混合作为饮料配料液。按照配料液与芒果浆胶囊为9∶1的配方，生产出的饮料从口感、风味及颜色等方面都比较好，特别在口感上基本保留原来芒果的特色。

（4）成品　将配料液按不同的比例与芒果浆胶囊颗粒进行混合、装瓶、压盖封口、杀菌消毒即可得成品饮料。