八、微膠囊技術(shù)

微膠囊技術(shù)是一項(xiàng)用途廣泛而又發(fā)展迅速的新技術(shù)。自從1953年微膠囊技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家和專業(yè)公司的努力，微膠囊技術(shù)獲得不斷的發(fā)展和完善。微膠囊技術(shù)在國(guó)際先進(jìn)國(guó)家發(fā)展很快，已達(dá)到將此技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞載體及液晶等高精尖水平，技術(shù)方法也不斷完善，在食品、化工、醫(yī)藥、生物技術(shù)等許多領(lǐng)域中已得到成功地應(yīng)用，尤其在食品工業(yè)，許多由于技術(shù)障礙而得不到開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，通過(guò)微膠囊技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，使得傳統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)得到大大的提高，為食品工業(yè)高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)展現(xiàn)了良好的前景。

（一）微膠囊技術(shù)原理及意義

微膠囊技術(shù)又稱微膠囊化，是用特殊手段將固體、液體或氣體物質(zhì)包裹在一微小的、半透性或封閉膠囊內(nèi)的過(guò)程。

通過(guò)微膠囊技術(shù)的使用，可以保護(hù)被包裹的物質(zhì)，使之與外界不宜環(huán)境相隔絕，達(dá)到最大限度地保持原有的色香味、性能和生物活性，防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的破壞與損失。此外，有些物料經(jīng)膠囊化后可掩蓋自身的異味，或由原先不宜加工貯存的氣體、液體轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的固體形式，從而大大地防止或延緩產(chǎn)品劣變的發(fā)生。

1.微膠囊技術(shù)原理

微膠囊的直徑一般為2～200μm，囊壁厚10～20μm，此種微膠囊產(chǎn)品在一定條件下可有控制地將所包裹的材料（稱為芯材）釋放出來(lái)。

微膠囊可以簡(jiǎn)單地看做由芯材和壁材組成，食品工業(yè)中芯材的范圍很廣泛，如維生素、色素、揮發(fā)性香辛料、風(fēng)味物質(zhì)、油脂、抗氧化劑、防腐劑、緩沖鹽及無(wú)機(jī)鹽等；此外，食品中一些不易貯存的或?qū)ζ渌M分產(chǎn)生不良影響的物質(zhì)均可作為芯材。常用的壁材物質(zhì)有蛋白質(zhì)類、植物膠類、纖維素類、縮聚物類、油類、無(wú)機(jī)鹽等，這些壁材既可單獨(dú)使用，又可混合使用，同時(shí)還可添加一些增塑劑、表面活性劑、色素等改良劑來(lái)提高品質(zhì)。

2.微膠囊的功能

經(jīng)過(guò)微膠囊化后，可改變物質(zhì)的色澤、形狀、質(zhì)量、體積、溶解性、反應(yīng)性、耐熱性和貯藏性等性質(zhì)，能夠貯存微細(xì)狀態(tài)的芯材物質(zhì)并在需要時(shí)釋放出。由于這些特性，使得微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)上能夠發(fā)揮許多重要的作用。

（1）改變物料的存在狀態(tài)、物料的質(zhì)量與體積　液體芯材經(jīng)微膠囊化轉(zhuǎn)變成細(xì)粉狀固體物質(zhì)，因其內(nèi)部仍是液體相，故仍能保持良好的液相反應(yīng)性。部分液體香料、液體調(diào)味品、酒類和油脂等，可經(jīng)微膠囊化后轉(zhuǎn)變成固體顆粒，以便于加工貯藏與運(yùn)輸。微膠囊化后的物料質(zhì)量有所增加，且可通過(guò)制成含有空氣或空心膠囊而使體積增大。在食品加工上，這個(gè)特性有可能改善某些食品豐富配料間的混合均勻性，縮小由于各成分間比重的差異而帶來(lái)混合操作的困難。

（2）隔離物料間的相互作用，保護(hù)敏感性物料　在配料豐富的食品體系里，某些成分間的直接接觸會(huì)加速不良反應(yīng)的進(jìn)程，如某些金屬離子的存在會(huì)加速脂肪的氧化，也可能影響食品的風(fēng)味系統(tǒng)。通過(guò)微膠囊技術(shù)，可使易發(fā)生作用的配料相互隔離開(kāi)。對(duì)于一些不穩(wěn)定的敏感性物料，經(jīng)微膠囊化后可免受環(huán)境中濕度、氧氣、紫外線等不良因素的干擾，提高了貯藏加工時(shí)的穩(wěn)定性并延長(zhǎng)了產(chǎn)品的貨架壽命。

（3）掩蓋不良風(fēng)味、降低揮發(fā)性　部分食品添加劑，如某些礦物質(zhì)、維生素等，因帶有明顯的異味或色澤而會(huì)影響被添加食品的品質(zhì)。如將這些添加劑制成微膠囊顆粒，即可掩蓋它們所帶來(lái)的不良風(fēng)味與色澤，改善它們?cè)谑称饭I(yè)中的使用性。部分易揮發(fā)的食品添加劑，如香精香料等，經(jīng)微膠囊化后可以抑制揮發(fā)，減少其在貯藏加工時(shí)的揮發(fā)性，同時(shí)也減少了損失，節(jié)約了成本。

（4）控制釋放　利用微膠囊控制釋放的特點(diǎn)，用在食品工業(yè)可以滯留一些揮發(fā)性化合物，使其在最佳條件下釋放。對(duì)于酸味劑來(lái)說(shuō)，如在加工初始就與其他配料相混合，可能會(huì)使部分配料如蛋白質(zhì)發(fā)生變性而影響產(chǎn)品的質(zhì)地；經(jīng)微膠囊化后就可控制它在需要時(shí)（如產(chǎn)品加工即將結(jié)束）再釋放出來(lái)，這就避免它可能帶來(lái)的不良影響。通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)并選取適當(dāng)?shù)谋诓?，還可實(shí)現(xiàn)特殊的釋放模式達(dá)到某種特殊的效果。如一種微膠囊化的低酸性殺菌劑，是利用微膠囊緩慢釋放出乙醇，讓定量的乙醇在包裝容器中形成一定的蒸汽壓，以收到長(zhǎng)期的殺菌防腐效果。

（5）降低食品添加劑的毒理作用　利用微膠囊控制釋放的特點(diǎn)，可通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)芯材的生物可利用性控制，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這種人為控制作用能夠降低部分食品添加劑（特別是化學(xué)合成產(chǎn)品）的毒性。以乙酰水楊酸為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)表明，未微膠囊化和微膠囊化的乙酰水楊酸對(duì)小鼠的半數(shù)致死量LD50值分別為1750mg/kg和2823mg/kg，后者比前者提高了60%，說(shuō)明毒副作用得以大幅度降低。

（6）微膠囊的局限　微膠囊的上述功能主要是由芯材與壁材的物理化學(xué)性質(zhì)所引起的，但有時(shí)芯材釋放后所剩下的殘殼也會(huì)引起一些問(wèn)題。如果芯材與壁材兩者都能溶于水，則問(wèn)題不大，但要選擇一種不同溶解度的聚合物使壁殼可以從填充物相中遺留下來(lái)而呈現(xiàn)出不連續(xù)的分離相，同時(shí)要求兩相均溶于水，這是相當(dāng)困難的。如將控制釋放的微膠囊用于懸浮液介質(zhì)中，則壁殼還會(huì)引起另一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，即可能由于增加了囊壁的厚度而使芯材的釋放變的困難。故在制備微膠囊時(shí)，需要權(quán)衡微膠囊釋放速度和囊壁厚度兩方面的因素。

（二）微膠囊化技術(shù)方法分類

1.微膠囊的組成

（1）芯材（囊心物質(zhì)）　可以是單一的固體、液體或氣體，也可以是固液、液液、固固或氣液混合體等。既可以是食品中的天然組分，也可以是食品添加劑，其選擇具有很大的靈活性?？勺鳛樾静牡奈镔|(zhì)有很多，在不同行業(yè)、不同用途中有不同的內(nèi)容。在食品及飲料工業(yè)中，可作為芯材的物質(zhì)有：生物活性物質(zhì)（如活性多糖、茶多酚、SOD等），各種氨基酸、礦物質(zhì)元素，各種食用油脂、微生物、香辛料香精，各種酶制劑、防腐劑。此外甜味劑、微生物細(xì)胞、酸味劑、色素、醬油等也可作為囊心物質(zhì)。

（2）微膠囊的壁材　微膠囊技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種包裝技術(shù)，其效果的好壞與“包裝材料”壁材的選擇緊密相關(guān)。一種理想的壁材必須具有如下特點(diǎn)：

①高濃度時(shí)具有良好的流動(dòng)性，保證在微膠囊化過(guò)程中有良好的可操作性能；

②能夠乳化芯材并能產(chǎn)生穩(wěn)定的乳化體系；

③在加工過(guò)程以及貯存過(guò)程中能夠?qū)⑿静耐暾匕裨谄浣Y(jié)構(gòu)中；

④易干燥以及易脫落；

⑤良好的溶解性；

⑥可食性與經(jīng)濟(jì)性。

通常一種材料很難同時(shí)具備上述性能，因此在微膠囊技術(shù)中常常是采用幾種壁材復(fù)合使用。常用的一些壁材如下。

①植物膠　阿拉伯膠、瓊脂、藻酸鹽、瓜兒膠、羅望子膠和卡拉膠等；

②多糖　黃原膠、阿拉伯半乳糖、半乳糖甘露聚糖和殼聚糖等；

③淀粉　玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、交聯(lián)改性淀粉和接枝共聚淀粉等；

④纖維素　羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、乙基纖維素、二醋酸纖維素、丁基醋酸纖維素和硝酸纖維素等；

⑤蛋白質(zhì)　明膠、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蠟與類脂物石蠟、蜂蠟、硬脂酸和甘油酸酯等。

2.微膠囊化技術(shù)方法分類

（1）噴霧干燥法　首先是制備芯材和壁材的混合乳化液，然后將乳化液在干燥器內(nèi)進(jìn)行噴霧干燥而成。壁材在遇熱時(shí)形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起著篩分作用，水或其他溶劑等小分子物質(zhì)因熱蒸發(fā)而透過(guò)“網(wǎng)孔”順利地移出，分子較大的芯材滯留在“網(wǎng)”內(nèi)，使微膠囊顆粒形成。芯材通常是香辛料等風(fēng)味物質(zhì)和油類，壁材常選用明膠、阿拉伯膠、變性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維酯等食品級(jí)膠體。

（2）噴霧冷凍法與噴霧冷卻法　這兩者與噴霧干燥法的不同點(diǎn)在于干燥室所采用的空氣溫度以及所用的壁材性質(zhì)不同。噴霧干燥法中采用熱空氣以去除水分，而在噴霧冷凍法與噴霧冷卻法中，干燥室空氣為室溫或經(jīng)冷卻處理，遠(yuǎn)低于所用壁材如脂質(zhì)或蠟質(zhì)的凝固點(diǎn)。這兩種工藝適應(yīng)面較窄，一般用于水溶性芯材如礦物質(zhì)、酶、水溶性維生素、酸味劑等的微膠囊化。噴霧冷凍法還可用于固體芯材，例如硫酸亞鐵、酸味劑、維生素、固體風(fēng)味料等的微膠囊化，也可用于一般溶劑中溶解困難的生理活性物質(zhì)的微膠囊化，同樣通過(guò)將液態(tài)物質(zhì)冷凍成固態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的微膠囊化。這兩種方法所選壁材具有緩釋功能的特點(diǎn)。

（3）空氣懸浮法（硫化床法或噴霧包衣法）　工作原理是將芯材顆粒置于硫化床中，沖入空氣使芯材隨氣流做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，溶解或熔融的壁材通過(guò)噴頭霧化，噴灑在懸浮上升的芯材顆粒上，并沉積于其表面。這樣經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的循環(huán)，芯材顆粒表面可以包上厚度適中且均勻的壁材層，從而達(dá)到微膠囊化的目的。

（4）相分離法（凝聚法）　主要用于無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙的生產(chǎn)。主要原理為，將作為壁材的液相從連續(xù)相中分離，包覆于芯材表面，形成囊壁結(jié)構(gòu)。

（5）擠壓法　特別適用于包埋各種風(fēng)味物質(zhì)、香辛料、維生素C和色素等熱敏性物質(zhì)，因?yàn)槠涮幚磉^(guò)程采用低溫方式。工藝流程為：先將芯材分散到熔融的碳水化合物中，然后將混合液裝入密封容器，在壓穿臺(tái)上利用壓力作用壓迫混合液通過(guò)一組膜孔而呈絲狀液，擠入吸水劑中。當(dāng)絲狀混合液與吸水劑接觸后，液狀的壁材會(huì)脫水、硬化，將芯材包裹在里面成為絲狀固體，而后將絲狀固體打碎并從液體中分離出來(lái)，干燥而成。

（6）包接絡(luò)合法（分子包埋法）　利用具有特殊分子結(jié)構(gòu)的壁材進(jìn)行包埋而成。如常用的β-環(huán)糊精進(jìn)行分子包埋取得了令人滿意的效果。一般將環(huán)糊精配置成飽和溶液，加入等摩爾量的芯材，混合后充分?jǐn)嚢?0分鐘，即得到所需絡(luò)合物。對(duì)一些溶解度大的芯材分子，其絡(luò)合物在水中的溶解度也比較大，可加入有機(jī)溶劑促使析出沉淀，對(duì)不溶于水的固體芯材，需要先用少量的溶劑溶解后，再混入環(huán)糊精的飽和溶液中。

（7）界面聚合法　發(fā)生在兩種不同的聚合物溶液之間，將兩種活性單體分別溶解在不同的溶劑中，當(dāng)一種溶液被分散在另一種溶液中時(shí)，相互間可發(fā)生聚合反應(yīng)。利用界面聚合法可使疏水材料的溶液或分散液微膠囊化，也可以使親水材料的水溶液或分散液微膠囊化。常見(jiàn)過(guò)程為：?jiǎn)误wA存在于與水不相混溶的有機(jī)溶劑中，稱為油相。然后將含單體A的油相分散到水相中，攪拌整個(gè)體系時(shí)，則在水相和油相界面處發(fā)生聚合反應(yīng)，結(jié)果在油滴表面上形成了聚合物的薄膜，油被包埋在該薄膜之內(nèi)，得到含油的微膠囊。反之當(dāng)把含有單體B的水溶液分散到油相中去，則可獲得含水的微膠囊，由于界面聚合法中連續(xù)相和分散相均必須提供活性單體，因此微膠囊化的效率高。由于界面聚合法所用的壁材不具備可食性，因此在食品工業(yè)中還不具備實(shí)用價(jià)值。

（8）復(fù)相乳液法　將壁材與芯材的混合物乳化后再以液滴形狀分散到介質(zhì)中，形成雙重乳液，隨后，通過(guò)加熱、減壓、攪拌、溶劑萃取、冷凍、干燥等手段將壁材中的溶劑除去，形成了囊壁，再與介質(zhì)分離得到微膠囊產(chǎn)品。根據(jù)所用微膠囊化介質(zhì)的不同，此方法又可分為水浴干燥法和油浴干燥法。

（三）微膠囊技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用示例

利用微膠囊技術(shù)，以海藻酸鈉作為壁材，在溫度為55℃～65℃制得的芒果膠囊，有較好的穩(wěn)壓性，外形也比較固定，能夠較好地包埋芒果原漿，有效地保留了芒果原有獨(dú)特的風(fēng)味。

1.工藝流程

2.生產(chǎn)方法

（1）芒果原料處理　選用外表鮮黃，成熟度九成以上的芒果作原料。將芒果洗干凈放入沸水中熱燙1分鐘左右，去皮去核，然后將果肉放入打漿機(jī)打漿，放入少量抗氧化劑Na₂SO₃，所得果漿經(jīng)膠體磨均質(zhì)即可得到顆粒微小的均勻的果漿均質(zhì)體。

（2）微膠囊的生產(chǎn)　將含海藻酸鈉1.2%，糖8%的溶液，按1∶1的比例與芒果漿均質(zhì)體混合均勻，混合溶液轉(zhuǎn)入膠囊生產(chǎn)成型機(jī)。將3%CaCl₂溶液注入鈣化器中，攪拌，使CaCl₂溶液在鈣化器內(nèi)形成環(huán)流，打開(kāi)膠囊生產(chǎn)成型機(jī)使混合漿料均勻滴下，速度為200滴/分鐘，鈣化器內(nèi)溫度控制在55℃～65℃。漿料滴到鈣化器內(nèi)遇到CaCl₂即形成大量圓形的膠囊顆粒。定時(shí)將膠囊顆粒移出，用去離子水沖洗5～6次，除去膠囊上殘余的鈣鹽溶液，即可得到芒果漿膠囊顆粒。

（3）液體配制　用去離子水配制10%糖溶液，加入0.1%山梨酸作防腐劑，加入少量果膠或瓊脂，添加一定量芒果漿均質(zhì)體，充分混合作為飲料配料液。按照配料液與芒果漿膠囊為9∶1的配方，生產(chǎn)出的飲料從口感、風(fēng)味及顏色等方面都比較好，特別在口感上基本保留原來(lái)芒果的特色。

（4）成品　將配料液按不同的比例與芒果漿膠囊顆粒進(jìn)行混合、裝瓶、壓蓋封口、殺菌消毒即可得成品飲料。