食品化学微胶囊化技术

微胶囊化技术

一、基本概念

微胶囊造粒技术：或称微胶囊是将固体、液体或气体物质包埋、封存在一种微型胶内成为一种固体微粒产品的技术，这样能够保护被包裹的物料，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。

二、微胶囊技术的优越性

1、可以有效减少活性物质对外界环境因素（如光、氧、水）的反应

2、减少心材向环境的扩散和蒸发

3、控制心材的释放

4、掩蔽心材的异味

5、改变心材的物理性质（包括颜色、形状、密度、分散性能）、化学性质等

对于食品工业，可以使纯天然的风味配料、生理活性物质融入食品体系，并能保持生理活性，它可以使许多传统的工艺过程得到简化，同时它也使许多用通常技术手段无法解决的工艺问题得到解决。

二、基本原理

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，而壁材的组成又决定了微胶囊产品的一些性能如：溶解性、缓释性、流动性等，同时它还对微胶囊化工工艺方法有一定影响，因此壁材的选择是进行微胶囊化首先要解决的问题。

微胶囊造粒技术针对不同的心材和用途，选用一种或几种复合的壁材进行包覆。一般来说，油溶性心材应采用水溶性壁材，而水溶性心材必须采用油溶性壁材。

?心材：微胶囊内部装载的物料。

?壁材：外部囊的壁膜。

一种理想的壁材必须具有如下特点：

?高浓度时有良好的流动性，保证在微胶囊化过程中有良好的可操作性能。

?能够乳化心材并能形成稳定的乳化体系。

?在加工过程以及储存过程中能够将心材完整的包埋在其结构中。

?易干燥以及易脱溶。

?良好的溶解性。

?可食性与经济性。

三、功能

1、液态转变成固态

液态物质经微胶囊化后，可转变为细粉关产物，称之为拟固体。在使用上它具有固体特征，但其内相仍是液体。

2、改变重量或体积

物质经微胶囊后其重量增加，也可由于制成含有空气或空心胶囊而使胶囊而使物质的体积增加。这样可使高密度固体物质经微胶囊化转变成能漂浮在水面上的产品。

3、降低挥发性

易挥发物质经微胶囊化后，能够抑制挥发，因而能减少食品中的香气成分的损失，并延长贮存的时间。

4、控制释放

微胶囊所含的心材可即刻释放出来，亦可逐渐地释放出来。

5、隔离活性成分

微胶囊具有保护心材物质，使其免受环境中温度、氧、紫外线等影响的作用。并且隔离了各成分，故能阻止两种活性之间的化学反应。

6、良好的分离状态

微胶囊呈高分散状态便于应用。例如，在等量浓度下，其粘度较低。

四、微胶囊造粒的分类与步骤

1、根据微胶囊造粒的原理不同，可将各种方法分成以下三类

2、用于食品用产中的微胶囊机理可以分为:

（1）通过迅速冷却或干燥、将心材包埋在不定形体（玻璃体）的壁材内。（2）蜡类、脂类做壁材的包埋。

（3）将心材包埋于粮的晶体中。

（4）通过聚合物的交联或凝聚包埋。

（5）物理吸附。

（6）化学吸附。

3、步骤：

形象地说，微胶囊造粒是物质微粒（核心）的包衣过程，可分为以下四个步骤：

a、将心材分散入微胶囊化的介质中。

b、再将壁材放入该分散体系中。

c、通过某一种方法将壁材聚集、沉渍或包在已分散的心材周围。

d、这样形成的微胶囊膜壁在很多情况下是不稳定的，尚需要用化学或物理的方法进行处理，以达到一定的机械强度。

五、在食品工业中的应用

1、在饮料工业中的应用

(1)制造固体饮料

a、配方

阿拉伯树胶160g,食用钛白粉70g，食用明胶182g，白糊精300g，桔子油香精182g，胡萝卜素57g，柠檬酸380g，柠檬酸钠45g，苯甲酸36g，白砂糖30，水适量。

b、工艺流程

白砂糖—>粉碎

↓

原料—>乳化—>混合—>造粒—>干燥—>冷却—>成型—>检验—>包装—>出厂

↑

添加剂

2、在乳制品中的应用

乳制品中添加的营养物质具有不愉快的气味，其性质不稳定易分解，影响产品质量。将这些添加物利用微胶囊技术包埋，可增强产品的稳定性，使产品具有独特的风味，无异味，不结块，泡沫均匀细腻，冲调性好，保质期长。利用此法制成的产品有果味奶粉、姜汁奶粉、可乐奶粉、发泡奶粉等。

3、在糖果中的应用

微胶囊技术可应用于糖果的调色、调香、调味以及糖果的营养强化和品质改善。糖果生产中的天然食用色素、香精、营养强化剂等物质易分解，利用喷雾干燥等方法将其微胶囊化以确保产品质量的稳定。

常用的壁材有水溶性食用胶、环状糊精、纤维素衍生物、明胶、酪蛋白等物质，用此法生产的糖果颜色鲜亮持久，产品货架期长。

4、在食品添加剂中的应用

（1）酸味剂：

用作微胶囊化酸味剂的壁材一般是氢化油，心材的释放借助于热和水。具体包括肉制品用酸味剂、面团品质改良剂（主要指抗坏血酸）、其它用途的酸味剂如磷酸。

（2）风味与调味料：

这方面是微胶囊技术在食品工业中应用最广的领域。最常见的如：柠檬油、薄荷油、蒜油、咖喱油等。

（3）甜味剂：

如阿斯巴甜。

（4）色素：

一些天然色素在应用中存在溶解性与稳定性差的问题，微胶囊化后不仅可以改变溶解性能同时也提高了她的稳定性。

超临界萃取技术

一、超临界萃取的基本原理

1、萃取剂

超临界萃取所用的萃取剂为超临界流体。

?超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。

?超临界流体的密度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。

2、超临界流体的溶剂强度取决于萃取的温度和压力

利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力和温度，就可以把样品中的不同组分按在流体中溶

解度的大小，先后萃取出来。

（1）在低压下弱极性的物质先萃取，随着压力的增加，极性较大和大分子量的物质与基本性质，所以在程序升压下进行超临界萃取不同萃取组分，同时还可以起到分离的作用。

（2）温度变化体现在影响萃取剂的密度与溶质的蒸汽压两个因素，在低温区（仍在临界温度以上），温度升高降低流体密度，而溶质蒸汽压增加不多，因此，萃取剂的溶解能力时的升温可以使溶质从流体萃取剂中析出，温度进一步升高到高温区时，虽然萃取剂的密度进一步降低，但溶质蒸汽压增加，挥发度提高，萃取率不但不会减少反而有增大的趋势。

（3）除压力与温度外，在超临界流体中加入少量其他溶剂也可改变它对溶质的溶解能力。其作用机理至今尚未完全清楚。通常加入量不超过10％，且以极性溶剂甲醇、异丙醇等居多。加入少量的极性溶剂，可以使超临界萃取技术的适用范围进一步扩大到极性较大化合物。

二、超临界萃取的实验装置与萃取方式

1、超临界萃取的实验装置设备图片

多功能超临界多元流体分步萃取、重组萃取、有毒物成份萃取囘收、超低微量成份萃取回收、精馏、萃取精馏、逆溛萃取、液液萃取、萃取冷冻结晶、多元溶媒的全封闭循环系统以及保健食品的膨化、脫色、脱硫、脱腥异味、着色、加香等的精制加工工业试验装置。

單纯超临界CO2萃取成套设备

2、超临界流体萃取的流程如附图所示，它包括：

（1）超临界流体发生源，由萃取剂储瓶、高压泵及其他附属装置组成，其功能是将萃取剂由常温压态转化为超临界流体。

（2）超临界流体萃取部分，由样品萃取管及附属装置组成，处于超临界态的萃取剂在这里将被萃取的溶质从样品基质中溶解出来，随着流体的流动，使含被萃取溶质的流体与样品基体分开。

（3）溶质减压吸附分离部分，由喷口及吸收管组成，萃取出来的溶质及流体，必须由超临界态经喷口减压降温转化学常温常压态，此时流体挥发逸出，而溶质在吸收管内多孔填料表面，用合适溶剂洗吸收管，就可把溶质洗脱收集备用。

高压泵-- 萃取管-- 吸收管-- 收集器--超临界流体钢瓶--溶剂洗脱泵

2、超临界萃取的方式

超临界流体萃取的方式可分为：

a、动态法：简单、方便、快速，特别适合于萃取在超临界流体萃取剂中溶解度很大的物质，而且样品基体又很容易被超临界流体渗透的场合。

b、静态法：适合于萃取与样品基体较难分离或在萃取剂流体内溶解度下大的物质，也适合于样

品基体较为致密、超临界流体不易渗透的场合，但萃取速度较慢。

三、超临界流体及萃取条件的选择

1、超临界流体的选择

基本原理为：

CO2的临界温度（Tc）和临界压力（Pc）分别为31.05℃和7.38MPa，当处于这个临界点以上时，此时的CO2同时具有气体和液体双重特性。它既近似于气体，粘度与气体相近；又近似于液体，密度与液体相近，但其扩散系数却比液体大得多。是一个优良的溶剂，能通过分子间的相互作用和扩散作用将许多物质溶解。同时，在稍高于临界点的区域内，压力稍有变化，即引起其密度的很大变化，从而引起溶解度的较大变化。因此，超临界CO2可以从基体中将物质溶解出来，形成超临界CO2负载相，然后降低载气的压力或升高温度，超临界CO2的溶解度降低，这些物质就沉淀出来（解析）与CO2分离，从而达到提取分离的目的。

不同的物质由于在CO2中的溶解度不同或同一物质在不同的压力和温度下溶解状况不同，使这种提取分离过程具有较高的选择性。

CO2是目前用得最多的超临界流体，它不但是很强的溶剂，可以萃取食品加工中范围很广的化合物，而且相对来说，性质稳定，价格便宜，无毒，不燃烧，可循环使用。因此特别适用于萃取挥发和热敏性物质。与传统溶剂正己烷、二氯甲烷相比，具有显著的优越性。

从溶剂强度考虑，超临界氨气是最佳选择，但氨很易与其他物质反应，对设备腐蚀严重，而且日常使用太危险。超临界甲醇也是很好的溶剂，但由于它的临界温度很高，在室温条件下是液体，提取后还需要复杂的浓缩步骤而无法采用，低烃类物质因可燃易爆，也不如CO2那样使用广泛。

2、萃取条件的选择

萃取条件的选择有几种情况：

（1）是用同一种流体选择不同的压力来改变提取条件，从而提取出不同类型的化合物；

（2）是根据提取物在不同条件下，在超临界流体中的溶解性来选择合适的提取条件；

（3）是将分析物沉积在吸附剂上，用超临界流体洗脱，以达到分类选择提取的目的；

（4）是对极性较大的组分，可直接将甲醇加入样品中，用超临界CO2提取，或者用另一个泵按一定比例泵入甲醇与超临界CO2，来达到增加萃取剂强度的目的。

影响萃取效率的因素除了萃取剂流体的压力、组成、萃取温度外，萃取过程的时间及吸收管的温度出会影响到萃取及收集的效率，萃取时间取决于两个因素：

（1）是被萃取物在流体中的溶解度，溶解度越大，萃取效率越高，速度也越快；

（2）是被萃取物质在基体中的传质速率越大，萃取越完全，效率也越高。收集器或吸收管的温度也会影响到回收率，降低温度有利于提高回收率。

超临界流体减压后，用于收集提取物的方法主要有两类：

（1）离线SFE：操作简单，只需要了解提取步骤，样品提取物可用其他合适的方法分析。

（2）在线SFE或联机SFE：不仅需要了解SFE，还要了解色谱条件，而且样品提取物不适用于其他方法分析，其优点主要是消除了提取和色谱分析之间的样品处理过程，并且由于是直接将提取物转移到色谱柱中而有可能达到最大的灵敏度。

三、超临界流体萃取在食品工业的应用实例

超临界流体萃取在食品中的应用，主要是近20年的事情。在食品加工中，几乎都采用CO2作为萃取剂。

1、植物油的萃取（大豆、向日葵、可可、咖啡、棕榈等的种子）

2、动物油的萃取（鱼油、肝油等）

3、从茶、咖啡中脱除咖啡因，啤酒花的萃取（可消除农药的污染）

茶叶中富含咖啡因，约占干物量的2%~5%，咖啡因是一种生物碱，对人体新陈代谢有着广泛的影响，有些是有益的，有些就是不很合乎需要，过量消费咖啡因会影响健康，有些人吃进很少的咖啡因也受不了。

早在50年代就出现了脱咖啡因红茶，起初都是使用有机溶剂法，该方法会改变茶叶的色、香、味、形，尤其是不可避免地存在有机溶剂残留。随着超临界流体萃取技术研究应用的深入，人们转而使用超临界CO2萃取技术来生产脱咖啡因红茶。

萃取技术在茶叶脱咖啡因的发展过程

4、食品的脱脂（无脂淀粉、油炸食品等）

5、香料的萃取

6、植物色素的萃取及各种物质的脱色、脱臭

超临界CO2的性质与正己烷的极性相似，因此特别适于萃取脂溶性成分。如β-胡萝卜素、辣椒红素、烟脂树橙、叶黄素等。此外，通过使用不同的夹带剂，可以改变CO2的极性，从而使萃取范围扩大。

利用超临界CO2萃取海藻中的胡萝卜素。用丙酮作夹带剂，可提高萃取率。

表1为胡萝卜在不同丙酮含量下胡萝卜素在CO2中的溶解度和提取率。

超临界CO2萃取胭脂树橙A.J.Degnan等研究了超临界CO2对烟脂树橙萃取的影响。纯胭脂树橙在CO2中的最大溶解度为0.003mg/g，而胭脂树种子色素的最大溶解度为0.026mg/g。温度增加色素在CO2中的溶解度增加，但相同温度时增中压力溶解度不增加（表3）。用植物油作夹带剂可提高胭脂树橙的萃取率。

表3 胭脂树种子中色素在不同条件超临界CO2中的溶解度

Roy R.Chao等用超临界CO2从胭脂树种子中萃取天然色素，结果表明萃取的色素主要是胭脂树橙和降胭脂树橙。胭脂树橙比降胭脂树橙更易萃取。胭脂树橙比降胭脂树橙更易萃取，萃取温度50℃，压力310bar可获得较高的总色素产量。

四、结论

尽管超临界流体萃取天然色素具有很多的优点，但目前我国在这一领域还未得到广泛的工业化应用。主要原因是超临界设备一次性投资较大，而且萃取天然色素的工艺尚不成熟。但是由于超临界流体萃取的种种优点，目前很多厂家已经或正准备投资购买超临界设备。超临界流体萃取天然色素工艺的研究是今后发展的一个重点。特别是随着人们对功能性天然色素的认识和重视，相信超临界流体萃取将取代传统的溶剂法提取天然色素，生产出高纯度、高品质的色素产品，以满足使用和出口的需要。