微膠囊化技術(shù)課件

第八章食品的微膠囊技術(shù)

SpecialTopicofFoodProcessing—Encapsulation

第八章食品的微膠囊技術(shù)

SpecialTopicof1I.Introduction1.definition(1)microencapsulation(微膠囊技術(shù))指將物質(zhì)細(xì)微分散包覆后，并在所需的時(shí)候?qū)⑵溽尫懦鰜?lái)的方法capsules--粒徑大于1000μmmicrocapsules(ormicrocells)--粒徑分布在1~1000μmnanocapsules--粒徑小于1μmI.Introduction1.definition22.Principle：微膠囊技術(shù)主要是根據(jù)BungenbergdeJong所提的聚集(coacervation)原理(1)運(yùn)用高分子的聚集是微膠囊形成主要方式(2)它是利用分子間的化學(xué)或物理產(chǎn)生的邊界作用力，讓分子自行形成微胞的一種方法

2.Principle：微膠囊技術(shù)主要是根據(jù)Bungenbe33.微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)上的意義(1)將液體形式的食品轉(zhuǎn)變成固體，以利于干燥食品中使用(2)留滯揮發(fā)性物，以供最佳條件時(shí)釋放(3)避免蒸發(fā)及受水分影響(4)使不容(incompatible)成分均勻混合(5)掩蔽不良味道(6)藉由特定的溶釋機(jī)構(gòu)，達(dá)到特殊效果(7)改變固體物質(zhì)的質(zhì)地與密度(8)保護(hù)敏感物質(zhì)3.微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)上的意義4II.微膠囊結(jié)構(gòu)1.微膠囊的組成部分：nucleus&shellII.微膠囊結(jié)構(gòu)5(1)corematerial(蕊物質(zhì)或蕊材)或nucleus(核心物質(zhì))：包覆于壁膜內(nèi)的物質(zhì)。重量約占整個(gè)微膠囊的80-99%，并于適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被釋放出來(lái)。(2)wallmaterial(壁膜材料或囊壁)或shell(外殼)a.如蕊內(nèi)物質(zhì)為親油性物質(zhì)，則囊壁材料選擇親水性材料b.如蕊內(nèi)物質(zhì)為親水性物質(zhì)，則囊壁材料用水不溶性的合成聚合物(1)corematerial(蕊物質(zhì)或蕊材)或nuc62.核/殼比值(1)典型的膠囊含有70-90%wt的核心物質(zhì)，外殼厚度約為0.1-200μma.膠囊外殼的厚度與顆粒大小和相對(duì)密度有關(guān)b.微膠囊中核心物質(zhì)和外殼的關(guān)系有許多表示方法最常見的是「核心量」和「核/殼比值」兩種表示方式2.核/殼比值7(2)核心量a.心材在整個(gè)微膠囊中所占百分比b.核心量可作為商品的重要準(zhǔn)則(3)核/殼比值a.定義：核心與外殼的重量比值b.核/殼比值是假設(shè)核心是一完美的球體，膠囊外殼厚度也是均勻不變的。(2)核心量8Idealizedencapsulatedparticle.r=radiioftherespectivespheres

由核心與外殼的重量比，可得︰其中W：重量；r：半徑；w：外殼；n：核心；d：密度Idealizedencapsulatedparticl9假設(shè)外殼及核心的密度相等，則可改寫為r2與r1的線性關(guān)系式︰假設(shè)外殼及核心的密度相等，則10

*在一定的Ww/Wn比值下，外殼的厚度與核心的半徑r1呈線性關(guān)系*要有核/殼比值及核心大小，才可求得微膠囊的大小和外殼厚度*制作微膠囊必須要控制外殼厚度和核/殼比值--殼厚度對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性和釋放行為有重要的影響--核/殼比值對(duì)成品的效果也有影響--較高的核/殼比，更為經(jīng)濟(jì)*在一定的Ww/Wn比值下，外殼的厚度與核心的半徑r1呈11

III.manufacturing1.微膠囊的材料(1)蕊物質(zhì)：大部分的親水或親油性固體、液體、氣體均可作為包覆物。依其性質(zhì)分為：*溶劑類(Solvents)：水、醇、苯類、酯類、醚類、酮類、甘油等。*助塑劑(Plasticizers)：磷酸酯類、硅酮類、氯化石蠟等。*酸堿類(Acidandbase)III.manufacturi12*催化劑(Catalysts)*粘著劑(Adhesives)*色料(Colorants)*香料(Perfumes)*記錄材料(Recordingmaterials)*藥品(Medicines)：阿司匹林、維生素、氨基酸等*微生物(Organisms)：細(xì)菌、酵母以及病毒等*食品類(Foods)：油、脂肪、各種調(diào)味品、發(fā)酵粉等*催化劑(Catalysts)13*農(nóng)業(yè)化學(xué)品(Agriculturalchemicals)：除草劑、殺蟲劑、化肥等*膨脹劑(Swellingagents)*防銹劑(Rustinhibitors)*燃料(Fuel)*其它(Others)*農(nóng)業(yè)化學(xué)品(Agriculturalchemicals14

(2)壁膜材料不同有機(jī)及無(wú)機(jī)物皆可作為壁膜，但常用的是聚合物*蛋白質(zhì)(Proteins)*植物性膠(Vegetablegums)*纖維素(Cellulose)*混合聚合物(Condensationpolymers)*共聚物(Copolymers)*均質(zhì)聚合物(Homopolymers)*交織聚合物(Curablepolymers)*蠟質(zhì)(Waxes)*無(wú)機(jī)化合物(Inorganicmaterials)(2)壁膜材料152.微膠囊形成原理(1)界面理論a.微膠囊的形成至少需要兩相：一為芯材，一為壁材，二者不互溶b.若壁材與芯材均為液相，則在兩液相之間會(huì)有界面張力產(chǎn)生2.微膠囊形成原理16Antonoff提出當(dāng)兩液相互相飽和，則：γAB=γA-γB其中γA：A相之界面張力γB：B相之界面張力γAB：A、B兩相間之界面張力Good和Fowkes提出，若兩液相呈相異狀，則兩液相在界面相接著；其接著功為：WAB=γA+γB-γABAntonoff提出當(dāng)兩液相互相飽和，則：17若兩液相呈相同性質(zhì)狀，則兩液相于界面處相凝聚，產(chǎn)生凝聚功：WAA=2γA或WBB=2γBHarkins以此定義出A液滴在B液相表面擴(kuò)展現(xiàn)象，于擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)，每1cm2

擴(kuò)展面積的自由能減少量(S)稱為擴(kuò)展系數(shù)(Spreadingcoefficient)，其關(guān)系式如下：S=WAB-2γA在兩相情況下，兩界面間擴(kuò)展系數(shù)為：SA=WAB-2γASB=WAB-2γB若兩液相呈相同性質(zhì)狀，則兩液相于界面處相凝聚，產(chǎn)生凝聚功：18(2)擴(kuò)散方向a.SA*當(dāng)SA為正值，A相可散布在B相上*當(dāng)SA為負(fù)值，A相無(wú)法散布在B相上b.SB*SB為正值時(shí)，B相可散布在A相上*SB為負(fù)值時(shí)，B相無(wú)法散布在A相上c.若SA與SB兩者均為負(fù)值，則兩相互不散布(2)擴(kuò)散方向19(3)蕊材與壁膜間的擴(kuò)散a.高分子層(壁膜)需散布在核芯上，膜硬化后即可包覆核芯物。即若高分子相為A，核芯物為B時(shí)，SA要大于零，才有希望達(dá)到包覆目的b.當(dāng)高分子膜硬化的過程中也必須維持SA要大于零(3)蕊材與壁膜間的擴(kuò)散203.微膠囊形成的步驟(1)分散蕊物質(zhì)(2)加入壁膜物質(zhì)(3)形成壁膜(4)硬化壁膜

3.微膠囊形成的步驟214.微膠囊的制備方法(1)Chemicalmethods合成聚合物時(shí)，將此聚合物包覆在蕊物質(zhì)上，形成壁膜(2)Physico-Chemicalmethod添加溶劑及第三物質(zhì)(如鹽類)，或改變溫度、pH等，使高分子溶解度降低而沉淀披覆在蕊物質(zhì)上形成壁膜(3)Mechanicalmethods利用機(jī)械力將高分子包覆在蕊物質(zhì)上

4.微膠囊的制備方法22(1)Cerfacialorinsitupolymerization*是典型界面聚凝集聚合反應(yīng)(poly-condensationpolymerization)的應(yīng)用*界面聚合法制作微膠囊外殼的制法

--先形成乳化液，再以聚合反應(yīng)形成外殼--大部分商業(yè)化產(chǎn)品是在與水不互溶的溶劑中進(jìn)行界面和原位聚合反應(yīng)(1)Chemicalmethods23*這種聚合方法在早期就被用來(lái)制作無(wú)碳紙系統(tǒng)的微膠囊*PennwaltCo.也將此技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的殺蟲劑制作--利用機(jī)械攪拌方式將殺蟲劑和有機(jī)二氯酸分散在水中--待液滴型成至適當(dāng)大小，加入二胺(diamine)--二胺可以穿透膠囊外殼與二氯酸反應(yīng)，直到微膠囊穩(wěn)定形成*利用表面聚合法制作含香料的微膠囊

*這種聚合方法在早期就被用來(lái)制作無(wú)24b.聚合物快速固化法（rapidinsolubilizationofpolymermethods）預(yù)先調(diào)整好所需大小的微膠囊液滴↓由小管口（orifice）滴入高分子外膜的硬化劑中↓高分子硬化而得微粒膠囊*微膠囊粒徑較大*在工業(yè)上的應(yīng)用改良成extrusionmethod或multiorificcentrifugalprocess等機(jī)械法，以因應(yīng)大量微粒膠囊的生產(chǎn)需求b.聚合物快速固化法（rapidinsolubiliza25Orificemethod裝置示意圖Orificemethod裝置示意圖26(2)Physico-Chemicalmethoda.phaseorcoacervation-phaseseparation*相分離法主要牽涉三項(xiàng)系統(tǒng)(three-phasesystem)--制造媒介物(manufacturingvehicle)--膠囊壁物質(zhì)(wallmaterial)--核心物質(zhì)(corematerial)(2)Physico-Chemicalmethod27*相分離法可分為--水相系統(tǒng)相分離法（phaseseparationfromanaquroussolutionsystem）plexcoacervationprocess--有機(jī)相系統(tǒng)相分離法（phaseseparationfromanorganicsolution）*制備方法將核心物質(zhì)分散在外殼物質(zhì)溶液中，藉由改變狀態(tài)，讓含有核心物質(zhì)的外殼聚合物能產(chǎn)生凝集，而將其分離

*相分離法可分為28*coacervation

于聚合物溶液中添加某種物質(zhì)，使整個(gè)溶液系統(tǒng)分離成高稠度溶液及稀薄溶液兩相，此種相分離稱為coacer-vation(凝聚或膠凝作用，或膠粒堆積作用)--coacervate高分子濃度高的相稱為coacernate(凝聚層)，即為微膠囊的殼壁材質(zhì)--凝聚現(xiàn)象可經(jīng)由液相中出現(xiàn)混濁、形成液滴、相分離等來(lái)確認(rèn)。--凝聚可以分為簡(jiǎn)單及復(fù)合式兩類型*coacervation29*簡(jiǎn)單凝聚：只含一種膠體溶質(zhì)--簡(jiǎn)單凝聚系統(tǒng)i.可利用部分互溶效應(yīng)產(chǎn)生相分離ii.可利用溫度的改變、高分子的添加或電解質(zhì)的加入產(chǎn)生相分離--易受溫度、非溶質(zhì)濃度的影響，使制作過程不易控制

*簡(jiǎn)單凝聚：只含一種膠體溶質(zhì)30*復(fù)合式凝聚：不只含一種的膠體--復(fù)合式聚集系統(tǒng)i.可利用兩種相反電位膠體互相吸引，中和表面電位現(xiàn)象ii.polymer-polymerinteractionmethod--微膠囊制程包含三個(gè)階段︰i.活性成份的分散物先溶于聚電解質(zhì)水溶液中ii.水溶液中加入第二種電解質(zhì)或相反電位的交替使核心物質(zhì)能聚集沉降iii.聚集物膠化形成微膠囊--這種利用電性中和的原理可以使用在許多聚合物的微膠囊制作中

*復(fù)合式凝聚：不只含一種的膠體31第八章微膠囊化技術(shù)課件32*凝膠相分離法的利用性--優(yōu)點(diǎn)i.微粒子的粒徑大小控制相當(dāng)方便ii.所形成的顆粒均勻而呈現(xiàn)圓形的球體--缺點(diǎn)在工業(yè)上不易量產(chǎn)，而限制其經(jīng)濟(jì)價(jià)值*凝膠相分離法的利用性33b.以食品香料工業(yè)上常用的相分離法為例，主要操作步驟可分為四項(xiàng)：*混合（mixing）為了促進(jìn)聚合物的溶解，可先將制造媒介物(水)事先加熱，在加入核心物質(zhì)前冷卻*乳化（emulsification）愈佳的乳化程度，則微膠囊粒度愈小*硬化（solidificationandhardening）可以物理或化學(xué)方法來(lái)達(dá)到囊壁固化的效果*分離干燥（separationanddrying）b.以食品香料工業(yè)上常用的相分離法為34(3)Mechanicalmethodsa.空氣懸浮涂布（airsuspensioncoating）*原理—在一不穩(wěn)定平衡下，于一向上流動(dòng)的空氣流中將溶化或融熔聚合物涂布在顆粒表面的技術(shù)*制作過程--整個(gè)過程有兩大部分︰i.核心固體顆粒利用涂布室底部所產(chǎn)生的循環(huán)氣流懸浮分散于涂布室中ii.經(jīng)槽底噴嘴噴出的聚合物，將核心包覆(3)Mechanicalmethods35利用噴嘴的氣流將懸浮固粒帶入涂布區(qū)↓由噴嘴所噴出的流體，可能是聚合物溶液或融熔聚合物↓在核心固粒表面上形成外殼包覆物↓核心顆粒順著氣流流向槽頂再離開涂布區(qū)↓核心顆粒降至槽底↓再順著噴嘴氣流流入涂布區(qū)利用噴嘴的氣流將懸浮固粒帶入涂布區(qū)36第八章微膠囊化技術(shù)課件37b.噴霧干燥（spraydrying）將核心物質(zhì)分散在含聚合物的水溶液中↓噴出時(shí)利用熱風(fēng)在其表面形成一層聚合物薄膜↓利用熱風(fēng)將水分蒸發(fā)移去↓藉由氣體分離作用達(dá)到固粒分散的效果b.噴霧干燥（spraydrying）38第八章微膠囊化技術(shù)課件39*提高微膠囊的核心與外殼比例(Brenner專利)利用聚醇類或糖來(lái)增加富油噴霧干燥膠囊的核心量到60%*噴霧干燥法的優(yōu)點(diǎn)--能完全控制制成產(chǎn)品的大小、核心與外殼比例、溶液黏度及濃度--能用于不穩(wěn)定物質(zhì)的微膠囊制作*提高微膠囊的核心與外殼比例40*噴霧冷凝干燥法先將核心物質(zhì)與融溶的蠟或脂肪混合↓再乳化或分散在水或不相容的溶液中↓再降低溫度至蠟或脂肪的凝固點(diǎn)以下↓微膠囊制品*噴霧冷凝干燥法41c.離心噴擠centrifugalextrusionprocess使用附有集中噴嘴的旋轉(zhuǎn)擠壓頭將液體包覆成微膠囊

流動(dòng)態(tài)的核心物質(zhì)經(jīng)由中心管擠出↓流動(dòng)態(tài)的外殼物質(zhì)流經(jīng)外圍的同心管將擠出的核心物包覆↓流經(jīng)同心圓模口時(shí)，外殼物質(zhì)在核心外圍形成薄膜↓流入儲(chǔ)存槽中硬化↓過濾將微膠囊分離c.離心噴擠centrifugalextrusionp42第八章微膠囊化技術(shù)課件43d.平盤包裹（pancoating）將固粒置于轉(zhuǎn)動(dòng)平盤底部↓在固定溫度下將涂布層的聚合物緩慢加入制程↓于固粒的表面形成膠囊

*制程重點(diǎn)應(yīng)用--整個(gè)制程的關(guān)鍵步驟在于聚合物加入時(shí)的速度、方式及種類--醫(yī)藥工業(yè)上，主要用來(lái)生產(chǎn)能控制釋放劑量的藥物d.平盤包裹（pancoating）44e.乳化液硬化emulsionhardeningprocess核心物質(zhì)如藥物、蛋白質(zhì)等需易溶于聚合物溶液或形成穩(wěn)定乳化液。

核心物與聚合物溶液溶化混合或制成乳化液↓加入與聚合物溶液不互溶的液體↓攪拌形成乳化液↓將聚合物溶液中的溶劑(不互溶的液體)移去↓聚合物硬化成微膠囊e.乳化液硬化emulsionhardeningpro45f.靜電氣溶膠（electrostaticaerosol）g.多孔離心（centrifugalmulti-orifice）emulsionhardeningprocessf.靜電氣溶膠（electrostaticaerosol46

IV.releasemechanismofcorematerial1.mechanicalrupture：利用內(nèi)外壓力、擠壓或內(nèi)在氣壓等機(jī)械壓力破壞壁膜而釋放之2.Temperature：利用不同溫度的差別而破裂壁膜釋放出來(lái)IV.releasemechanismofcore473.chemicalaction(1)利用enzyme或lysis等方法破壞壁膜而達(dá)釋放的目的(2)以bioerodiblecontrolledrelease(生物溶蝕控制釋放)為例a.分解或溶解當(dāng)蕊內(nèi)物質(zhì)被包覆在生物可降解性的高分子內(nèi)時(shí)，高分子會(huì)在溶液中分解或溶解后，才將核物質(zhì)緩慢釋出3.chemicalaction48b.釋出*釋出速度可由高分子的溶解(分解)速度及膜內(nèi)核芯物質(zhì)的擴(kuò)散速度而有效的控制，故較為復(fù)雜*蕊內(nèi)物質(zhì)釋出并非與時(shí)間成正比*生物溶蝕型(bioerosiontype)的蕊內(nèi)物質(zhì)的釋放形態(tài)--bulkerosion--surfaceerosionb.釋出49微小球的降解與藥物釋放關(guān)系微小球的降解與藥物釋放關(guān)系504.throughthewalldiffusion(1)利用不同濃度的差別而滲透釋放出來(lái)(2)以diffusioncontrolledrelease(擴(kuò)散控制釋放)為例a.定義被包覆或分散于不溶性高分子微粒膠囊中的蕊內(nèi)物質(zhì)，藉由擴(kuò)散而自高分子膜內(nèi)釋出的機(jī)制，稱為擴(kuò)散式控制釋放4.throughthewalldiffusion51b.單一分散式系統(tǒng)(monolithicsystem)主要原理*由接近微膠囊表面的蕊物質(zhì)先釋放出，然后內(nèi)部的蕊物質(zhì)才依序逐次釋出*釋出速度隨著時(shí)間而減少，為一次釋放(firstorderrelease)b.單一分散式系統(tǒng)(monolithicsystem)主52擴(kuò)散式藥物控制釋放示意圖擴(kuò)散式藥物控制釋放示意圖53

由于釋放機(jī)制不同，使得應(yīng)用的項(xiàng)目及目的各異，故在制造過程中應(yīng)考慮下述影響釋放膠囊包覆物的因素：(1)蕊物質(zhì)與膜量之比例關(guān)系(2)使用的壁膜材料(3)溶劑(4)溫度(5)蕊內(nèi)物質(zhì)的溶解度(6)顆粒大小或表面及大小(7)助塑劑(Plasticizer)的使用由于釋放機(jī)制不同，使得應(yīng)用的項(xiàng)目及目的各異，故在54V.應(yīng)用（application）1.固體香料（dryflavors）(1)固體香料是微膠囊技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)的最典型代表(2)噴霧干燥是固定(fixation)香味物質(zhì)最便宜的方法2.密封香料（encapsulatedflavors）相分離(coacervation)及至少兩種以上利用溶劑脫水(solvent-dehydration)的低溫微膠囊技術(shù)是比噴霧干燥更溫和的油溶性、水溶性香料的微膠囊技術(shù)V.應(yīng)用（application）1.固體香料（dry55(1)coacervation(相分離或膠粒堆積作用)(2)solvent-dehydration(溶劑脫水法)溶劑脫水法操作過程均保持低溫，且能在控制的鈍氣下進(jìn)行

制備適當(dāng)含被覆劑或膠囊壁物質(zhì)的水溶性香料溶液或乳化液↓噴入或擠入酒精、甘油或丙烯乙二醇(Propyleneglycol)等極性溶液中↓制備液中的水分被移出而干燥↓形成結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的微膠囊顆粒沉降下來(lái)

(1)coacervation(相分離或膠粒堆積作用)56

3.密封酸化劑encapsulatedacidulants(1)delayingcontact食品中某些成分對(duì)于檸檬酸、丁烯二酸(fumaricacid)、酒石酸及己二酸(adipicacid)較為敏感(2)抗結(jié)團(tuán)（anti-caking）某些酸味劑，例如檸檬酸，極富吸濕性，在有水氣存在時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的結(jié)塊或脫色3.密封酸化劑encapsulatedacidulan574.密封營(yíng)養(yǎng)成分（encapsulatednutrients）(1)避免添加的營(yíng)養(yǎng)素促進(jìn)食品劣變a.某些無(wú)機(jī)鹽類，當(dāng)以enrichment目的添加到食品粉末時(shí)，常會(huì)造成香味或其他形式的劣變b.例如ferroussulfate添加于面粉或烘焙粉時(shí)，會(huì)催化氧化酸敗的進(jìn)行(2)遮蓋不良風(fēng)味：某些維生素具有今人不悅的氣味，此氣味可以微膠囊技術(shù)來(lái)加以掩蔽4.密封營(yíng)養(yǎng)成分（encapsulatednutrien585.密封鹽（encapsulatedsalt）：應(yīng)用于肉制品及烘焙制品，減低或延遲鹽的溶解性，避免鹽在此等產(chǎn)品中快速溶解，造成的不良副作用6.密封鈉（encapsulatedsodium）：已為肉品業(yè)者所使用，于肉(腌漬)制品中逐漸釋放硝鹽，作為亞硝酸(發(fā)色劑)補(bǔ)充劑7.密封重碳酸鈉（encapsulatedsodiumbicarbonate）作為膨脹劑的重碳酸鈉在適當(dāng)溫度才會(huì)溶釋出來(lái)，使烘焙制品具有較佳的膨松外貌5.密封鹽（encapsulatedsalt）：應(yīng)用于59VI.微膠囊技術(shù)的選擇與限制(1)particlesize(2)degreeofencapsulation(3)payload(4)methodofrelease(5)economicsVI.微膠囊技術(shù)的選擇與限制60W/O=1/2(×50)W/O=1/2(×50)61W/O=1/2(×100)W/O=1/2(×100)62W/O=1/2(×200)W/O=1/2(×200)63W/O=1/2(×200×2)W/O=1/2(×200×2)64W/O=1/4(×100)W/O=1/4(×100)65W/O=1/4(×200×2)W/O=1/4(×200×2)66W/O=1/2(×100)W/O=1/2(×100)67W/O=1/2(×3k)W/O=1/2(×3k)68W/O=1/4(×1k)W/O=1/4(×1k)69W/O=1/4(×3k)W/O=1/4(×3k)70第八章食品的微膠囊技術(shù)

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第八章食品的微膠囊技術(shù)

SpecialTopicof71I.Introduction1.definition(1)microencapsulation(微膠囊技術(shù))指將物質(zhì)細(xì)微分散包覆后，并在所需的時(shí)候?qū)⑵溽尫懦鰜?lái)的方法capsules--粒徑大于1000μmmicrocapsules(ormicrocells)--粒徑分布在1~1000μmnanocapsules--粒徑小于1μmI.Introduction1.definition722.Principle：微膠囊技術(shù)主要是根據(jù)BungenbergdeJong所提的聚集(coacervation)原理(1)運(yùn)用高分子的聚集是微膠囊形成主要方式(2)它是利用分子間的化學(xué)或物理產(chǎn)生的邊界作用力，讓分子自行形成微胞的一種方法

2.Principle：微膠囊技術(shù)主要是根據(jù)Bungenbe733.微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)上的意義(1)將液體形式的食品轉(zhuǎn)變成固體，以利于干燥食品中使用(2)留滯揮發(fā)性物，以供最佳條件時(shí)釋放(3)避免蒸發(fā)及受水分影響(4)使不容(incompatible)成分均勻混合(5)掩蔽不良味道(6)藉由特定的溶釋機(jī)構(gòu)，達(dá)到特殊效果(7)改變固體物質(zhì)的質(zhì)地與密度(8)保護(hù)敏感物質(zhì)3.微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)上的意義74II.微膠囊結(jié)構(gòu)1.微膠囊的組成部分：nucleus&shellII.微膠囊結(jié)構(gòu)75(1)corematerial(蕊物質(zhì)或蕊材)或nucleus(核心物質(zhì))：包覆于壁膜內(nèi)的物質(zhì)。重量約占整個(gè)微膠囊的80-99%，并于適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被釋放出來(lái)。(2)wallmaterial(壁膜材料或囊壁)或shell(外殼)a.如蕊內(nèi)物質(zhì)為親油性物質(zhì)，則囊壁材料選擇親水性材料b.如蕊內(nèi)物質(zhì)為親水性物質(zhì)，則囊壁材料用水不溶性的合成聚合物(1)corematerial(蕊物質(zhì)或蕊材)或nuc762.核/殼比值(1)典型的膠囊含有70-90%wt的核心物質(zhì)，外殼厚度約為0.1-200μma.膠囊外殼的厚度與顆粒大小和相對(duì)密度有關(guān)b.微膠囊中核心物質(zhì)和外殼的關(guān)系有許多表示方法最常見的是「核心量」和「核/殼比值」兩種表示方式2.核/殼比值77(2)核心量a.心材在整個(gè)微膠囊中所占百分比b.核心量可作為商品的重要準(zhǔn)則(3)核/殼比值a.定義：核心與外殼的重量比值b.核/殼比值是假設(shè)核心是一完美的球體，膠囊外殼厚度也是均勻不變的。(2)核心量78Idealizedencapsulatedparticle.r=radiioftherespectivespheres

由核心與外殼的重量比，可得︰其中W：重量；r：半徑；w：外殼；n：核心；d：密度Idealizedencapsulatedparticl79假設(shè)外殼及核心的密度相等，則可改寫為r2與r1的線性關(guān)系式︰假設(shè)外殼及核心的密度相等，則80

*在一定的Ww/Wn比值下，外殼的厚度與核心的半徑r1呈線性關(guān)系*要有核/殼比值及核心大小，才可求得微膠囊的大小和外殼厚度*制作微膠囊必須要控制外殼厚度和核/殼比值--殼厚度對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性和釋放行為有重要的影響--核/殼比值對(duì)成品的效果也有影響--較高的核/殼比，更為經(jīng)濟(jì)*在一定的Ww/Wn比值下，外殼的厚度與核心的半徑r1呈81

III.manufacturing1.微膠囊的材料(1)蕊物質(zhì)：大部分的親水或親油性固體、液體、氣體均可作為包覆物。依其性質(zhì)分為：*溶劑類(Solvents)：水、醇、苯類、酯類、醚類、酮類、甘油等。*助塑劑(Plasticizers)：磷酸酯類、硅酮類、氯化石蠟等。*酸堿類(Acidandbase)III.manufacturi82*催化劑(Catalysts)*粘著劑(Adhesives)*色料(Colorants)*香料(Perfumes)*記錄材料(Recordingmaterials)*藥品(Medicines)：阿司匹林、維生素、氨基酸等*微生物(Organisms)：細(xì)菌、酵母以及病毒等*食品類(Foods)：油、脂肪、各種調(diào)味品、發(fā)酵粉等*催化劑(Catalysts)83*農(nóng)業(yè)化學(xué)品(Agriculturalchemicals)：除草劑、殺蟲劑、化肥等*膨脹劑(Swellingagents)*防銹劑(Rustinhibitors)*燃料(Fuel)*其它(Others)*農(nóng)業(yè)化學(xué)品(Agriculturalchemicals84

(2)壁膜材料不同有機(jī)及無(wú)機(jī)物皆可作為壁膜，但常用的是聚合物*蛋白質(zhì)(Proteins)*植物性膠(Vegetablegums)*纖維素(Cellulose)*混合聚合物(Condensationpolymers)*共聚物(Copolymers)*均質(zhì)聚合物(Homopolymers)*交織聚合物(Curablepolymers)*蠟質(zhì)(Waxes)*無(wú)機(jī)化合物(Inorganicmaterials)(2)壁膜材料852.微膠囊形成原理(1)界面理論a.微膠囊的形成至少需要兩相：一為芯材，一為壁材，二者不互溶b.若壁材與芯材均為液相，則在兩液相之間會(huì)有界面張力產(chǎn)生2.微膠囊形成原理86Antonoff提出當(dāng)兩液相互相飽和，則：γAB=γA-γB其中γA：A相之界面張力γB：B相之界面張力γAB：A、B兩相間之界面張力Good和Fowkes提出，若兩液相呈相異狀，則兩液相在界面相接著；其接著功為：WAB=γA+γB-γABAntonoff提出當(dāng)兩液相互相飽和，則：87若兩液相呈相同性質(zhì)狀，則兩液相于界面處相凝聚，產(chǎn)生凝聚功：WAA=2γA或WBB=2γBHarkins以此定義出A液滴在B液相表面擴(kuò)展現(xiàn)象，于擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)，每1cm2

擴(kuò)展面積的自由能減少量(S)稱為擴(kuò)展系數(shù)(Spreadingcoefficient)，其關(guān)系式如下：S=WAB-2γA在兩相情況下，兩界面間擴(kuò)展系數(shù)為：SA=WAB-2γASB=WAB-2γB若兩液相呈相同性質(zhì)狀，則兩液相于界面處相凝聚，產(chǎn)生凝聚功：88(2)擴(kuò)散方向a.SA*當(dāng)SA為正值，A相可散布在B相上*當(dāng)SA為負(fù)值，A相無(wú)法散布在B相上b.SB*SB為正值時(shí)，B相可散布在A相上*SB為負(fù)值時(shí)，B相無(wú)法散布在A相上c.若SA與SB兩者均為負(fù)值，則兩相互不散布(2)擴(kuò)散方向89(3)蕊材與壁膜間的擴(kuò)散a.高分子層(壁膜)需散布在核芯上，膜硬化后即可包覆核芯物。即若高分子相為A，核芯物為B時(shí)，SA要大于零，才有希望達(dá)到包覆目的b.當(dāng)高分子膜硬化的過程中也必須維持SA要大于零(3)蕊材與壁膜間的擴(kuò)散903.微膠囊形成的步驟(1)分散蕊物質(zhì)(2)加入壁膜物質(zhì)(3)形成壁膜(4)硬化壁膜

3.微膠囊形成的步驟914.微膠囊的制備方法(1)Chemicalmethods合成聚合物時(shí)，將此聚合物包覆在蕊物質(zhì)上，形成壁膜(2)Physico-Chemicalmethod添加溶劑及第三物質(zhì)(如鹽類)，或改變溫度、pH等，使高分子溶解度降低而沉淀披覆在蕊物質(zhì)上形成壁膜(3)Mechanicalmethods利用機(jī)械力將高分子包覆在蕊物質(zhì)上

4.微膠囊的制備方法92(1)Cerfacialorinsitupolymerization*是典型界面聚凝集聚合反應(yīng)(poly-condensationpolymerization)的應(yīng)用*界面聚合法制作微膠囊外殼的制法

--先形成乳化液，再以聚合反應(yīng)形成外殼--大部分商業(yè)化產(chǎn)品是在與水不互溶的溶劑中進(jìn)行界面和原位聚合反應(yīng)(1)Chemicalmethods93*這種聚合方法在早期就被用來(lái)制作無(wú)碳紙系統(tǒng)的微膠囊*PennwaltCo.也將此技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的殺蟲劑制作--利用機(jī)械攪拌方式將殺蟲劑和有機(jī)二氯酸分散在水中--待液滴型成至適當(dāng)大小，加入二胺(diamine)--二胺可以穿透膠囊外殼與二氯酸反應(yīng)，直到微膠囊穩(wěn)定形成*利用表面聚合法制作含香料的微膠囊

*這種聚合方法在早期就被用來(lái)制作無(wú)94b.聚合物快速固化法（rapidinsolubilizationofpolymermethods）預(yù)先調(diào)整好所需大小的微膠囊液滴↓由小管口（orifice）滴入高分子外膜的硬化劑中↓高分子硬化而得微粒膠囊*微膠囊粒徑較大*在工業(yè)上的應(yīng)用改良成extrusionmethod或multiorificcentrifugalprocess等機(jī)械法，以因應(yīng)大量微粒膠囊的生產(chǎn)需求b.聚合物快速固化法（rapidinsolubiliza95Orificemethod裝置示意圖Orificemethod裝置示意圖96(2)Physico-Chemicalmethoda.phaseorcoacervation-phaseseparation*相分離法主要牽涉三項(xiàng)系統(tǒng)(three-phasesystem)--制造媒介物(manufacturingvehicle)--膠囊壁物質(zhì)(wallmaterial)--核心物質(zhì)(corematerial)(2)Physico-Chemicalmethod97*相分離法可分為--水相系統(tǒng)相分離法（phaseseparationfromanaquroussolutionsystem）plexcoacervationprocess--有機(jī)相系統(tǒng)相分離法（phaseseparationfromanorganicsolution）*制備方法將核心物質(zhì)分散在外殼物質(zhì)溶液中，藉由改變狀態(tài)，讓含有核心物質(zhì)的外殼聚合物能產(chǎn)生凝集，而將其分離

*相分離法可分為98*coacervation

于聚合物溶液中添加某種物質(zhì)，使整個(gè)溶液系統(tǒng)分離成高稠度溶液及稀薄溶液兩相，此種相分離稱為coacer-vation(凝聚或膠凝作用，或膠粒堆積作用)--coacervate高分子濃度高的相稱為coacernate(凝聚層)，即為微膠囊的殼壁材質(zhì)--凝聚現(xiàn)象可經(jīng)由液相中出現(xiàn)混濁、形成液滴、相分離等來(lái)確認(rèn)。--凝聚可以分為簡(jiǎn)單及復(fù)合式兩類型*coacervation99*簡(jiǎn)單凝聚：只含一種膠體溶質(zhì)--簡(jiǎn)單凝聚系統(tǒng)i.可利用部分互溶效應(yīng)產(chǎn)生相分離ii.可利用溫度的改變、高分子的添加或電解質(zhì)的加入產(chǎn)生相分離--易受溫度、非溶質(zhì)濃度的影響，使制作過程不易控制

*簡(jiǎn)單凝聚：只含一種膠體溶質(zhì)100*復(fù)合式凝聚：不只含一種的膠體--復(fù)合式聚集系統(tǒng)i.可利用兩種相反電位膠體互相吸引，中和表面電位現(xiàn)象ii.polymer-polymerinteractionmethod--微膠囊制程包含三個(gè)階段︰i.活性成份的分散物先溶于聚電解質(zhì)水溶液中ii.水溶液中加入第二種電解質(zhì)或相反電位的交替使核心物質(zhì)能聚集沉降iii.聚集物膠化形成微膠囊--這種利用電性中和的原理可以使用在許多聚合物的微膠囊制作中

*復(fù)合式凝聚：不只含一種的膠體101第八章微膠囊化技術(shù)課件102*凝膠相分離法的利用性--優(yōu)點(diǎn)i.微粒子的粒徑大小控制相當(dāng)方便ii.所形成的顆粒均勻而呈現(xiàn)圓形的球體--缺點(diǎn)在工業(yè)上不易量產(chǎn)，而限制其經(jīng)濟(jì)價(jià)值*凝膠相分離法的利用性103b.以食品香料工業(yè)上常用的相分離法為例，主要操作步驟可分為四項(xiàng)：*混合（mixing）為了促進(jìn)聚合物的溶解，可先將制造媒介物(水)事先加熱，在加入核心物質(zhì)前冷卻*乳化（emulsification）愈佳的乳化程度，則微膠囊粒度愈小*硬化（solidificationandhardening）可以物理或化學(xué)方法來(lái)達(dá)到囊壁固化的效果*分離干燥（separationanddrying）b.以食品香料工業(yè)上常用的相分離法為104(3)Mechanicalmethodsa.空氣懸浮涂布（airsuspensioncoating）*原理—在一不穩(wěn)定平衡下，于一向上流動(dòng)的空氣流中將溶化或融熔聚合物涂布在顆粒表面的技術(shù)*制作過程--整個(gè)過程有兩大部分︰i.核心固體顆粒利用涂布室底部所產(chǎn)生的循環(huán)氣流懸浮分散于涂布室中ii.經(jīng)槽底噴嘴噴出的聚合物，將核心包覆(3)Mechanicalmethods105利用噴嘴的氣流將懸浮固粒帶入涂布區(qū)↓由噴嘴所噴出的流體，可能是聚合物溶液或融熔聚合物↓在核心固粒表面上形成外殼包覆物↓核心顆粒順著氣流流向槽頂再離開涂布區(qū)↓核心顆粒降至槽底↓再順著噴嘴氣流流入涂布區(qū)利用噴嘴的氣流將懸浮固粒帶入涂布區(qū)106第八章微膠囊化技術(shù)課件107b.噴霧干燥（spraydrying）將核心物質(zhì)分散在含聚合物的水溶液中↓噴出時(shí)利用熱風(fēng)在其表面形成一層聚合物薄膜↓利用熱風(fēng)將水分蒸發(fā)移去↓藉由氣體分離作用達(dá)到固粒分散的效果b.噴霧干燥（spraydrying）108第八章微膠囊化技術(shù)課件109*提高微膠囊的核心與外殼比例(Brenner專利)利用聚醇類或糖來(lái)增加富油噴霧干燥膠囊的核心量到60%*噴霧干燥法的優(yōu)點(diǎn)--能完全控制制成產(chǎn)品的大小、核心與外殼比例、溶液黏度及濃度--能用于不穩(wěn)定物質(zhì)的微膠囊制作*提高微膠囊的核心與外殼比例110*噴霧冷凝干燥法先將核心物質(zhì)與融溶的蠟或脂肪混合↓再乳化或分散在水或不相容的溶液中↓再降低溫度至蠟或脂肪的凝固點(diǎn)以下↓微膠囊制品*噴霧冷凝干燥法111c.離心噴擠centrifugalextrusionprocess使用附有集中噴嘴的旋轉(zhuǎn)擠壓頭將液體包覆成微膠囊

流動(dòng)態(tài)的核心物質(zhì)經(jīng)由中心管擠出↓流動(dòng)態(tài)的外殼物質(zhì)流經(jīng)外圍的同心管將擠出的核心物包覆↓流經(jīng)同心圓模口時(shí)，外殼物質(zhì)在核心外圍形成薄膜↓流入儲(chǔ)存槽中硬化↓過濾將微膠囊分離c.離心噴擠centrifugalextrusionp112第八章微膠囊化技術(shù)課件113d.平盤包裹（pancoating）將固粒置于轉(zhuǎn)動(dòng)平盤底部↓在固定溫度下將涂布層的聚合物緩慢加入制程↓于固粒的表面形成膠囊

*制程重點(diǎn)應(yīng)用--整個(gè)制程的關(guān)鍵步驟在于聚合物加入時(shí)的速度、方式及種類--醫(yī)藥工業(yè)上，主要用來(lái)生產(chǎn)能控制釋放劑量的藥物d.平盤包裹（pancoating）114e.乳化液硬化emulsionhardeningprocess核心物質(zhì)如藥物、蛋白質(zhì)等需易溶于聚合物溶液或形成穩(wěn)定乳化液。

核心物與聚合物溶液溶化混合或制成乳化液↓加入與聚合物溶液不互溶的液體↓攪拌形成乳化液↓將聚合物溶液中的溶劑(不互溶的液體)移去↓聚合物硬化成微膠囊e.乳化液硬化emulsionhardeningpro115f.靜電氣溶膠（electrostaticaerosol）g.多孔離心（centrifugalmulti-orifice）emulsionhardeningprocessf.靜電氣溶膠（electrostaticaerosol116

IV.releasemechanismofcorematerial1.mechanicalrupture：利用內(nèi)外壓力、擠壓或內(nèi)在氣壓等機(jī)械壓力破壞壁膜而釋放之2.Temperature：利用不同溫度的差別而破裂壁膜釋放出來(lái)IV.releasemechanismofcore1173.chemicalaction(1)利用enzyme或lysis等方法破壞壁膜而達(dá)釋放的目的(2)以bioerodiblecontrolledrelease(生物溶蝕控制釋放)為例a.分解或溶解當(dāng)蕊內(nèi)物質(zhì)被包覆在生物可降解性的高分子內(nèi)時(shí)，高分子會(huì)在溶液中分解或溶解后，才將核物質(zhì)緩慢釋出3.chemicalaction118b.釋出*釋出速度可由高分子的溶解(分解)速度及膜內(nèi)核芯物質(zhì)的擴(kuò)散速度而有效的控制，故較為復(fù)雜*蕊內(nèi)物質(zhì)釋出并非與時(shí)間成正比*生物溶蝕型(bioerosiontype)的蕊內(nèi)物質(zhì)的釋放形態(tài)--bulkerosion--surfaceerosionb.釋出119微小球的降解與藥物釋放關(guān)系微小球的降解與藥物釋放關(guān)系1204.throughthewalldiffusion(1)利用不同濃度的差別而滲透釋放出來(lái)(2)以diffusioncontrolledrelease(擴(kuò)散控制釋放)為例a.定義被包覆或分散于不溶性高分子微粒膠囊中的蕊內(nèi)物質(zhì)，藉由擴(kuò)散而自高分子膜內(nèi)釋出的機(jī)制，稱為擴(kuò)散式控制釋放4.throughthewalldiffusion121b.單一分散式系統(tǒng)(monolithicsystem)主要原理*由接近微膠囊表面的蕊物質(zhì)先釋放出，然后內(nèi)部的蕊物質(zhì)才依序逐次釋出*釋出速度隨