二十二碳六烯酸（DHA）生產(chǎn)工藝簡介（三）
五、DHA的微膠囊化1、概念生物微膠囊是一種將生物大分子或微生物、動植物細(xì)胞，包封在一層親水性的半透膜內(nèi)所形成的珠狀微膠囊。生物微膠囊制備技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)新型技術(shù)，它已在細(xì)胞和酶的固定化、微生物和動植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)、藥物控制釋放等諸多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。微膠囊技術(shù)是指把分散的固體、液體或氣體物質(zhì)完全包封在一層半透膜中形成微小粒子的技術(shù)。微膠囊通常是在囊壁內(nèi)填入囊心（又稱包容物）配制而成。壁材是決定微膠囊性能的最重要因素，不同的應(yīng)用條件對微膠囊壁材有不同的要求。原則上，只要能夠包囊芯材成膜的高分子材料都可作為微膠囊的壁材。天然或合成高分子材料是制作囊壁的良好基材。天然高分子材料主要有植物膠、阿拉伯膠、海藻酸鈉、卡拉膠、瓊脂等，其次是淀粉及纖維素衍生物，如糊精、低聚糖、甲殼素等。國外開發(fā)了乳化性、成膜性及致密性良好的淀粉衍生物作為包埋香精的壁材。此外明膠、酪蛋白、大豆蛋白、蠟(蟲蠟、石蠟、蜂蠟)等也是很好的壁材。這類材料無毒或毒性很小、黏度大、易成膜，但機(jī)械強(qiáng)度差，其中淀粉及纖維素不耐酸、不耐高溫、易水解。人工合成高分子材料主要有聚酯、聚醚、聚酰胺等。這類材料具有良好的機(jī)械性能，并且容易通過化學(xué)或物理修飾進(jìn)行控制。通常要根據(jù)芯材的物理性質(zhì)來選擇適宜的壁材，不同的芯材需要不同類型的壁材。一種理想的壁材必須具有如下特點(diǎn)：（1）高濃度時有良好的流動性，保證在微膠囊化過程中有好的可操作性能；（2）良好的溶解性能；（3）在加工過程中能夠乳化囊心形成穩(wěn)定的的乳化體系；（4）膠囊易干燥及容易脫落；（5）對于活性生物的微膠囊材料需有很好的生物相容性。 合成高分子壁材則可顯示化學(xué)“裁剪”的優(yōu)勢。微膠囊囊壁的形狀與所填物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，一般來說，含固體的微膠囊形狀與固體相同，含液體或氣體的微膠囊的形狀為球形。微膠囊的大小一般在2~1000μm范圍內(nèi)。囊壁因有許多微孔而具有良好的半透性。液體囊心或水溶性囊心可以通過溶解、滲透或擴(kuò)散過程，透過囊壁釋放出來。其釋放速度又可以通過改變囊壁材料的化學(xué)組成、厚度、硬度、孔徑大小等加以控制。即使是致密壁材內(nèi)的囊心，在控制壓力、紫外線強(qiáng)度等外界因素的作用下，也可以人們期望的速率釋放出來。微膠囊的特殊結(jié)構(gòu)使囊心與外界環(huán)境相互隔離，使其免受外界溫度、氧氣和紫外線等因素的影響；即便是性質(zhì)不穩(wěn)定的囊心，也不易發(fā)生化學(xué)變化。微膠囊的特殊結(jié)構(gòu)還可以使原本會發(fā)生反應(yīng)的幾種組分分開，使其“各自為政”，保持“原汁原味”，并可根據(jù)需要控制它們的分離或混合。因此，根據(jù)不同特殊應(yīng)用的要求，制備有特定結(jié)構(gòu)的含不同囊心的微膠囊，將它們攙雜到應(yīng)用體系中，能顯著改善產(chǎn)品性能，提高其附加值，起到非同尋常的效果。2、微膠囊技術(shù)的發(fā)展概況 微膠囊技術(shù)大概始于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時大西洋海岸漁業(yè)公司(Atlantic CoastFishers)提出了在液體石蠟中，以明膠為壁材制備魚肝油一明膠微膠囊的方法。20世紀(jì)50年代，微膠囊技術(shù)開始取得重大成果，其中利用機(jī)械方法制備微膠囊的先驅(qū)者是美國的Wurster，在40年代末他首先采用空氣懸浮法制備微膠囊，并成功的用于藥物包衣，至今仍常把空氣懸浮法成為Wurster法。美國NCR (國家先進(jìn)出納)公司的Green是利用物理化學(xué)原理制備微膠囊的先行者， 50年代初他發(fā)明了相分離復(fù)合凝聚法制備含油明膠微膠囊，取得了專利，并用于制備無碳復(fù)寫紙，在商業(yè)上取得了極大的成功，由此開創(chuàng)了以相分離為基礎(chǔ)的物理化學(xué)制備微膠囊的新領(lǐng)域。50年代末到60年代，人們開始將聚合法應(yīng)用于微膠囊的制備，發(fā)表了許多以高分子聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)的化學(xué)方法制備微膠囊的專利，其中以界面聚合反應(yīng)的成功最引人注目。70年代以來，微膠囊制備技術(shù)日益成熟，應(yīng)用范圍也由最初的藥物包覆和無碳復(fù)寫紙擴(kuò)展到食品、輕工、醫(yī)藥、石化、農(nóng)業(yè)及生物技術(shù)等領(lǐng)域。3、微膠囊的特性表征及傳質(zhì)規(guī)律3.1 微膠囊的特性表征微膠囊的主要功能是保護(hù)膜內(nèi)物質(zhì)和控制物質(zhì)滲透，因此膜的強(qiáng)度和滲透特性是微膠囊的主要性能指標(biāo)。目前，國際上通用截割相對分子質(zhì)量作為微膠囊的重要性能表征。然而截割相對分子質(zhì)量只反映了微膠囊對不同相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的阻隔能力，對于低于截割相對分子質(zhì)量的溶質(zhì)分子就不能予以反映。鑒于微膠囊的阻隔作用與超濾膜(截留蛋白)和微濾膜(截留細(xì)胞)相仿，而微膠囊傳質(zhì)機(jī)理則與透析相似。因此可以建立以下特性表征參數(shù)。3.1.1 平衡分配系數(shù)K 平衡分配系數(shù)是平衡狀態(tài)下溶質(zhì)在微膠囊中的濃度和主體溶液的濃度之比。反映了微膠囊膜在平衡狀態(tài)下對物質(zhì)的整體透過能力。3.1.2 截留率R 截留率是溶質(zhì)在主體溶液中的濃度和溶質(zhì)在微膠囊中濃度之差占溶質(zhì)在主體溶液中的濃度的百分率。截留率反映了不同相對分子質(zhì)量溶質(zhì)通過微膠囊膜的透過特性。3.1.3 截割相對分子質(zhì)量 截割相對分子質(zhì)量被定義為微膠囊膜不能透過的大分子的最低相對分子質(zhì)量。3.1.4 最大孔徑dequ 截割相對分子質(zhì)量一定程度上反映了膜孔徑的大小，其最大孔徑不會超過截割相對分子質(zhì)量所對應(yīng)的分子的直徑。3.1.5 透過速率J 透過速率為單位時間單位膠囊外表面透過的溶質(zhì)的質(zhì)量。4、傳質(zhì)規(guī)律微膠囊不論用于什么方面，都涉及到物質(zhì)的截留和傳遞，而微膠囊的大小、微膠囊膜的厚度、微膠囊膜的孔徑都不同程度的影響微膠囊膜的滲透擴(kuò)散性能。4.1 擴(kuò)散系數(shù)的影響 微膠囊的擴(kuò)散過程包括兩部分：一是微膠囊膜中的傳遞過程，有效擴(kuò)散過程系數(shù)Dm(常數(shù))；二是微膠囊內(nèi)的傳遞過程，有效擴(kuò)散系數(shù)為Di(常數(shù))，兩者都為非穩(wěn)定擴(kuò)散。D是膜相有效擴(kuò)散系數(shù)和膜內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)的比值，反映了膜相和膜內(nèi)擴(kuò)散阻力的大小。D遠(yuǎn)大于1時，膜內(nèi)擴(kuò)散為控制擴(kuò)散；D為1時，則Dm=Di，底物在膜相與膜內(nèi)具有相同的擴(kuò)散能力；D遠(yuǎn)小于1時，膜相擴(kuò)散為速率控制步驟，傳質(zhì)阻力主要集中在膜相。4.2 微膠囊粒徑大小的影響 減小粒徑等效于延長擴(kuò)散時間。同時，粒徑的減小還會增加微膠囊的傳質(zhì)面積。4.3 膜厚的影響 D遠(yuǎn)大于1時，膜厚對擴(kuò)散沒有影響；D小于1時，膜越厚，越慢達(dá)到平衡，平衡濃度越低；D越小，膜厚影響越大，微膠囊內(nèi)部濃度分布越慢趨于平衡，平衡濃度越低。綜上所述，通過控制微膠囊的制備條件提高微膠囊膜的通透性以增大膜相擴(kuò)散系數(shù)，在制備條件允許的情況下盡量減小粒徑，在保證膜強(qiáng)度的前提下減小膜厚度。4.4 分類 微膠囊根據(jù)其囊壁材的不同可分為不透微膠囊和半透微膠囊。5、微膠囊制備 在工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室中，微膠囊化的具體制備方法很多，有化學(xué)方法、物理化學(xué)方法和物理方法。其中物理方法需要較復(fù)雜的設(shè)備，投資較大；化學(xué)法包括界面聚合、原位聚合、乳化、輻射化學(xué)法等；物理化學(xué)法一般有相分離法(含水溶液相分離和有機(jī)相分離兩種)、溶劑蒸發(fā)法、界面沉積法以及噴霧干燥法等；物理法包括靜電沉積法、氣相沉積法、流化床噴霧法、真空蒸汽沉積法等。化學(xué)方法和物理化學(xué)方法一般通過反應(yīng)釜即可進(jìn)行，因此應(yīng)用較多。 微膠囊的制作過程是先將芯材加工成微粉狀，分散在適當(dāng)介質(zhì)中，然后引入壁材(成膜物質(zhì))，使用特殊方法將壁材物質(zhì)在芯材粒子表面形成薄膜(也稱外殼或保護(hù)膜)，最后經(jīng)過化學(xué)或物理處理，達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度，形成穩(wěn)定的薄膜(也稱為壁膜的固化)。制作微膠囊最關(guān)鍵的是芯材物質(zhì)的選擇和成膜技術(shù)。選擇芯材的原則是既要考慮芯材的物性，又要兼顧芯材和壁材的相容性及二者的相互作用5.1 化學(xué)法5.1.1 界面聚合法 界面聚合的基本原理是將兩種帶不同活性基團(tuán)的單體分別溶于兩種互不相溶的溶劑中，當(dāng)一種溶液分散到另一種溶液中時，在兩種溶液的界面上單體相遇生成了一層聚合物膜。常用的活性單體有水溶性二(多)元醇、二(多)元胺、二(多)元酚和油溶性二(多)元酰氯、二(多)異氰酸酯等。反應(yīng)后分別形成聚酰胺、聚酯、聚脲或聚氨酯。如：如果被包裹物是親油性的，應(yīng)先將被包裹物和油溶性單體溶于有機(jī)溶劑，然后將此溶液在水中分散成很細(xì)的液滴，再在不斷攪拌下往水相中加入含有水溶性單體的水溶液，于是在液滴表面上很快生成一層很薄的聚合物膜。經(jīng)沉淀、過濾和干燥工序后，便得到包有液滴的微膠囊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。如果被包裹的是水溶性物，則整個過程正好與上述方法相反。圖5 界面聚合法制備微膠囊示意圖由于聚合反應(yīng)中常有小分子酸或堿生成，因此界面聚合法制備微膠囊時，要求被包裹物能耐酸堿性，并不會與單體發(fā)生反應(yīng)。此外，包入微膠囊中的微量多余單體的去除也是必須認(rèn)真對待的技術(shù)問題。界面聚合法所得微膠囊的壁薄，被包裹物滲透性較好，通過改變攪拌速度或加入不同的適量表面活性劑可以得到不同粒徑和分布的微膠囊。不同單體聚合時因交聯(lián)程度不同可以得到不同厚度、硬度的囊壁，壁材上的微孔大小也可得到控制。5.1.2 原位聚合法 即單體成分及催化劑全部位于芯材液滴的內(nèi)部或者外部，發(fā)生聚合反應(yīng)而微膠囊化界面聚合和原位聚合法均是以單體為原料，并經(jīng)聚合反應(yīng)形成囊壁。原位聚合法的必要條件是：單體是可溶的，而聚合物是不可溶的。與界面聚合法相比，可用于該法的單體很廣，如氣溶膠、液體、水溶性的或油溶性的單體或單體的混合物，低分子量的聚合物或預(yù)聚物等。因此，各種各樣的材料均可用來構(gòu)成囊壁。5.1.3 銳孔法銳孔法可采用能溶于水或有機(jī)溶劑的聚合物作壁材。其固化通常是采用加入固化劑或熱凝聚來完成，也可利用帶有不同電荷的聚合物絡(luò)合來實(shí)現(xiàn)。近來，多采用無毒且具有生物活性的殼聚糖陽離子與帶有負(fù)電荷的多酶糖如海藻酸鹽、羧甲基纖維素、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸等絡(luò)合來形成囊壁。銳孔法是因聚合物的固化導(dǎo)致微膠囊囊壁的形成，即先將線性聚合物溶解形成溶液，當(dāng)其固化時，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因?yàn)榇蠖鄶?shù)固化反應(yīng)即聚合物的沉淀作用，是在瞬間進(jìn)行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到固化劑中之前，預(yù)先成型，銳孔法可滿足這種要求，這也是該法的由來。5.2 物理法5.2.1 噴霧干燥法 噴霧干燥法將芯材分散于囊壁材料的稀溶液中，形成懸浮液或乳濁液。用泵將此分散液送到含有噴霧干燥的霧化器中，分散液則被霧化成小液滴，液滴中所含溶劑迅速蒸發(fā)而使壁材析出成囊；噴霧干燥法應(yīng)用于疏水性、親水性及與水反應(yīng)的物質(zhì)的微膠囊化。與其它工藝相比，該法操作簡單，只需一道工序就可獲得良好的粉末或顆粒。影響該過程的因素是芯材與壁材的比例、初始溶液的濃度、粘度及溫度。此外，壁材的物理性質(zhì)也決定著囊壁的性能。由于噴霧干燥的干燥速度很快，而且物料的溫度不會超過氣流的溫度，噴霧干燥法很適合于熱敏材料的微膠囊化。噴霧干燥法存在兩個缺點(diǎn)：一是蒸發(fā)溫度高且暴露在有機(jī)溶劑/空氣中，活性物質(zhì)易失活；二是由于溶劑的快速除去，囊壁上易有縫隙，致密性差。這些缺陷在低溫操作下可避免。5.2.2 空氣懸浮法 空氣懸浮法又稱流化床法或噴霧包衣法，其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，溶解或熔融的壁材通過噴頭霧化，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)到微膠囊化目的。5.2.3 真空蒸發(fā)沉積法該法是以固體顆粒作為芯材，壁材的蒸氣凝結(jié)于芯材的表面而實(shí)現(xiàn)膠囊化。5.2.4 靜電結(jié)合法 該法又稱復(fù)凝聚法，適用于對非水溶性的固體粉末或液體進(jìn)行包囊。先將芯材與壁材各制成帶相反電荷的氣溶膠微粒，而后使它們相遇通過靜電吸引凝結(jié)成囊。實(shí)現(xiàn)復(fù)凝聚的必要條件是：有關(guān)的兩種聚合物離子的電荷相反，且離子所帶電荷數(shù)恰好相等。此外，還必須調(diào)節(jié)體系的溫度和鹽的含量。該法多與其它方法融合來制備微膠囊。復(fù)凝聚法具有這樣一個優(yōu)點(diǎn)，即非水溶性的液體材料不僅能夠被微膠囊化，而且具有高效率和高產(chǎn)率。5.2.5 溶劑蒸發(fā)法 適用于非水溶性聚合物對活性物質(zhì)的包囊。即將芯材、壁材依次分散于有機(jī)相中，然后加到與壁材不相溶的溶液中，加熱使溶劑蒸發(fā)，壁材析出而成囊。5.2.6 包結(jié)絡(luò)合物法 該法是利用β-環(huán)糊精中空且內(nèi)部疏水外部親水的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將疏水性芯材通過形成包結(jié)絡(luò)合物而形成分子水平上的微膠囊。5.2.7 擠壓法 擠壓法是一種比較新的微膠囊技術(shù)，特別適用于包埋各種風(fēng)味物質(zhì)、香料、維生素C和色素等熱敏感性物質(zhì)，因?yàn)槠涮幚磉^程采用低溫方式。原理是將混懸在一種液化的碳水化合物介質(zhì)中的芯材與壁材混合物經(jīng)過模孔，用壓力將其擠進(jìn)壁材的凝固浴，壁材析出并硬化成囊。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，在壓穿臺上利用壓力作用壓迫混合液通過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，液狀的壁材會脫水、硬化，將芯材包裹在里面成為絲狀固體，爾后將絲狀固體打碎并從液體中分離出來，干燥而成。5.3 物理化學(xué)法5.3.1 水相分離法 即由膠體間電荷的中和以及親水膠粒周圍水相溶劑層的消失而成囊的方法。水相體系中的相分離法可分為復(fù)凝聚法、單凝聚法、鹽凝聚法和調(diào)節(jié)pH值聚合物沉淀法。（1）復(fù)凝聚法利用兩種聚合物在不同PH時，電荷的變化（生成相反的電荷）引起相分離-凝聚，稱作復(fù)凝聚法。如用阿拉伯膠（帶負(fù)電荷）和明膠（pH在等電點(diǎn)以上帶負(fù)電荷，在等電點(diǎn)以下帶正電荷）作囊材，藥物先與阿拉伯膠相混合，制成混懸液或乳劑，負(fù)電荷膠體為連續(xù)相，藥物（芯材）為分散相，在40~60℃溫度下與等量明膠溶液混合(此時明膠帶負(fù)電荷或基本上帶負(fù)電荷),然后用稀酸調(diào)節(jié)pH4.5以下使明膠全部帶正電荷與帶負(fù)電荷的阿拉伯膠凝聚,使藥物被包裹。同阿拉伯膠一樣帶負(fù)電荷與明膠發(fā)生復(fù)凝聚作用，作制囊材料的天然植物膠有，桃膠、果膠、杏膠、海藻酸等，合成纖維素有CMC等。（2）單凝聚法將一種凝聚劑（強(qiáng)親水性電解質(zhì)或非電解質(zhì)，如硫酸鈉、硫酸鉸、乙醇、丙醇）加入某種水溶性囊材的溶液中（其中已乳化或混懸芯料），由于大量的水份與凝聚劑結(jié)合，使體系中囊材的溶解度降低而凝聚出來，最后形成微囊?；?qū)⑺幬锓稚⒃诤欣w維素衍生物的與水混溶的有機(jī)溶劑中，后加無機(jī)鹽類的濃溶液，使囊材凝聚成囊膜而形成微囊。高分子物質(zhì)的凝聚是可逆的，在某些條件下（如高分子物質(zhì)的濃度、溫度及電解質(zhì)的濃度等）出現(xiàn)凝聚，但一旦這些條件改變或消失時，已凝聚成的囊膜也會很快消失，即所謂解聚現(xiàn)象。這種可逆性在制備過程中可以利用，使凝聚過程多次反復(fù)，直至包制的囊形達(dá)到滿意為止。最后利用高分子物質(zhì)的某些理化性質(zhì)使凝聚的囊膜硬化，以免形成的微囊變形、囊結(jié)或粘連等。（3）揮散有機(jī)溶劑法將藥物均勻混懸或乳化于溶有囊材的有機(jī)溶劑中，然后將混合液加熱揮散有機(jī)溶劑，由于囊材沉積而形成微囊。5.3.2 油相分離法 其原理是向作為囊壁材料的聚合物有機(jī)溶劑溶液中，加入一種對該聚合物為非溶媒的液體，引發(fā)相分離形成微膠囊。該法適用于水溶性或親水性物質(zhì)的微膠囊化，所分離出來的聚合物的數(shù)量和狀態(tài)，取決于體系中聚合物的濃度、沉淀劑的用量及溫度。其膠囊化的關(guān)鍵是：在體系中形成可以自由流動的凝聚相，并使其能穩(wěn)定地環(huán)繞在芯材微粒的周圍。還有一點(diǎn)重要的是芯材在聚合物、溶劑和非溶劑中不溶解，且溶劑與非溶劑應(yīng)相互混溶。油相分離法存在污染、易燃易爆、毒性等問題。另一方面，溶劑價(jià)格高，產(chǎn)品成本高。5.3.3 干燥浴法(復(fù)相乳化法) 該法的基本原理是將芯材分散到壁材的溶劑中，形成的混合物以微滴狀態(tài)分散到介質(zhì)中，隨后，除去連續(xù)的介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)膠囊化。 根據(jù)所用介質(zhì)的不同，可分為W/O/W型和O/W/O型的復(fù)相乳液。（1）W/O/W復(fù)相乳液法 該法應(yīng)用于水溶物質(zhì)的微膠囊化。其操作過程包括：①將成膜聚合物溶解在與水不混溶的溶劑(此溶劑的沸點(diǎn)比水高)中；②芯材的水溶液分散在上述溶液中，形成W/O乳液；③加入做保護(hù)膠穩(wěn)定劑的溶液并分散開，形成W/O/W型復(fù)相乳液；4)除去囊壁中的溶劑，形成微膠囊。最后的溶劑通常用蒸發(fā)、萃取、沉淀、冷凍干燥等手段除去。起始溶液的粘度、攪拌速度、溫度及保護(hù)膠的用量對微膠囊的粒度大小和產(chǎn)率有很大影響。 W/O/W型復(fù)相乳液的優(yōu)點(diǎn)是體系穩(wěn)定，不必調(diào)節(jié)pH值或劇烈加熱，也不需特殊的反應(yīng)試劑，且包囊過程中不會引起任何質(zhì)變，適合于活性物質(zhì)的包囊。但也有一個缺陷，即形成W/O/W乳液后，需很長時間從包圍在水溶液周圍的聚合物溶液中排除溶劑，通常用萃取聚合物的溶劑或冷凍干燥法來克服此問題。（2）O/W/O復(fù)相乳液法 O/W/O型乳液法的實(shí)質(zhì)是用水溶性的成膜材料對油溶性物質(zhì)的微膠囊化。其操作過程與W/O/W復(fù)相乳液法相似，最后還要增加一步，即從囊壁中除去用作介質(zhì)的油。 干燥浴法(復(fù)相乳液法)制備微膠囊時，若成膜過程依賴于溶劑的揮發(fā)，則在所制備的微膠囊的囊壁上會形成小孔或氣泡，小孔大小及孔隙率與溫度(揮發(fā)速度)有關(guān)。如果欲獲得比較致密的囊壁，則揮發(fā)速度不能太快，固化過程可能要持續(xù)若干小時，這是干燥浴法的一個缺點(diǎn)。5.4 熔化分散冷凝法 即當(dāng)壁材(蠟狀物質(zhì))受熱時，將芯材分散在液態(tài)蠟中，并形成微粒(滴)。當(dāng)體系冷卻時，蠟狀物質(zhì)就圍繞著芯材形成囊壁，從而產(chǎn)生了微膠囊。除上述一些方法外，還有一些新的方法：5.5 超臨界流體快速膨脹法/超臨界抗溶技術(shù) 這是兩種基于超臨界流體(SCF)的新型微膠囊化方法，利用超臨界流體具有低粘度、低密度、高溶解力、高擴(kuò)散力、高分散性等優(yōu)點(diǎn)。超臨界流體快速膨脹法(RESS)常用來包埋熱敏性的物料，其過程與噴霧干燥法相似，將溶有壁材的超臨界流體噴霧到一個低壓噴嘴（噴霧塔）內(nèi)，活性組分經(jīng)小孔釋放，壓力的突降使得壁材中的溶劑蒸發(fā)并沉積在活性組分表面，形成微囊。5.6 分子包接法這是與以上方法不同的微膠囊技術(shù)，微囊化發(fā)生在分子水平上，是一個分子對一個分子的包埋。芯材（客體）與“空穴”壁材（主體）經(jīng)超分子作用，主要靠氫鍵、范德華力、熵驅(qū)動的憎水效應(yīng)等連接起來。目前食品工業(yè)中應(yīng)用的具有分子水平“空穴”的壁材主要是環(huán)狀糊精，有α、β、γ三種，分別由6、7、8個葡萄糖以α-1,4鍵結(jié)合而成，其分子外型呈圓臺，表面是親水區(qū)，內(nèi)有一中空的近似圓柱形的疏水區(qū)，其空穴尺寸為5~8能容納6～17個水分子。一些極性較低的芯材可取代空穴中的水形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，此絡(luò)合物在干燥情況下很穩(wěn)定，可以耐受200℃；在口腔的許多生物組分和適宜的溫濕度下，芯材可被釋放。β－環(huán)狀糊精是研究和應(yīng)用最多的，其相對分子質(zhì)量為1135，而空穴能容納的分子大小為150，理論上的最大包埋率約11%(w/w)，而比空穴大的分子不能完全被包埋，一端進(jìn)入腔中，親水端露在外面，另外環(huán)狀糊精的溶解度低、成本高也限制了這一技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。所以這一技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中困難較大，需要深入研究。 總之，在設(shè)計(jì)一種微膠囊時，必須依據(jù)芯材特性和對所需微膠囊的性能要求選擇適當(dāng)?shù)奈⒛z囊化方法。考慮選定方法下的各種因素，或綜合幾種微膠囊化方法，將其中的有益性能優(yōu)化，可望制備出適合實(shí)際需要的微膠囊產(chǎn)品。由于微膠囊的化學(xué)與物理性質(zhì)可根據(jù)需要選擇，具有其它物質(zhì)所不能具備的優(yōu)異功能。因此，微膠囊化技術(shù)作為一種有效的商品化技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。作為這一技術(shù)的延伸，納米微膠囊已經(jīng)受到關(guān)注，相信這一技術(shù)會具有更為寬廣的發(fā)展前景。6、微膠囊的應(yīng)用6.1 微膠囊在醫(yī)藥方面的應(yīng)用許多藥物分子結(jié)構(gòu)中的某些成分會對舌頭味蕾或鼻腔有刺激性，這種苦味或難聞的氣味給病人尤其是老人和兒童帶來了服用上的困難。微膠囊化技術(shù)使這一問題迎刃而解。該技術(shù)借助于人體消化系統(tǒng)不同部位消化液的組成和pH值的差異及不同囊壁溶解環(huán)境的不同要求，不僅可以達(dá)到控制不良味道的目的，還可以使藥物在所需部位控制釋放。例如，由鄰苯二甲酸醋酸纖維素制成的腸溶藥物微膠囊因其在中性口腔環(huán)境及酸性胃液中均不溶解，避免了食藥之苦和對胃壁黏膜的刺激。 另外，許多化學(xué)藥物都有一較佳療效濃度范圍，濃度過高會對人體產(chǎn)生較明顯的毒副作用；濃度過低則起不到應(yīng)有的治療效果而貽誤病情，同時造成藥物的浪費(fèi)。通過調(diào)整微膠囊壁的厚度、材料、微孔大小等，可以控制藥物向外擴(kuò)散的速度，使囊內(nèi)藥物與體內(nèi)藥物呈現(xiàn)一種動態(tài)平衡，適時向人體內(nèi)釋放藥物，保證藥物維持較佳藥效濃度?；畹纳锛?xì)胞經(jīng)微膠囊化以后，可以保持其生物活性，這項(xiàng)微膠囊化人造細(xì)胞已經(jīng)取得了成功。例如，用有生物活性的胰島素制成的微膠囊，可以有效地控制糖尿病患者體內(nèi)的血糖水平。在這方面，特別令人振奮的是將酶、蛋白質(zhì)或其他生物活性物質(zhì)、藥物與磁性材料一起微膠囊化，這種微膠囊化的“航空母艦”，在外加磁場的“精確制導(dǎo)”下，通過血液循環(huán)等能夠迅速駐扎于人體的特定位置，對病變組織進(jìn)行針對性的“轟炸”，避免了“傷及無辜”，從而有效地控制藥物在人體內(nèi)的按需分布，提高藥物釋放的靶向性和藥用效率。 利用活性炭過濾血液，吸附其中的毒廢物是醫(yī)學(xué)上常用的血液凈化方法。但當(dāng)活性炭與血液直接接觸時，除了會有細(xì)小的活性炭混入血液中造成毛細(xì)管堵塞外，活性炭還會對血細(xì)胞特別是血小板有很強(qiáng)的凝聚副作用。采用高分子半透膜把活性炭包覆起來形成的活性炭微膠囊，可以很方便地將活性炭與血細(xì)胞隔離，而又保持活性炭對血液中毒廢物的吸附作用。這種方法去除毒廢物效果較傳統(tǒng)的透析法要好，而且速度比透析法還快得多。因此，此技術(shù)可望在不遠(yuǎn)的將來替代傳統(tǒng)的透析法。6.2 微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 微膠囊在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要包括食品微膠囊化、食品添加劑微膠囊化、營養(yǎng)素微膠囊化及酶的微膠囊化。微膠囊技術(shù)在食品及調(diào)味品方面的應(yīng)用十分廣泛。6.2.1 香料 長期以來，人們都是將天然香辛料直接加入菜肴調(diào)味，而有些香辛料如花椒、大料等，由于本身的特性決定了它在菜肴中不能被充分利用，造成了很大的浪費(fèi)，同時又不便于使用。在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人們對調(diào)味品提出了更高的要求，要求使用方便，易于攜帶，儲存時間長。除了將食品添加劑微膠囊化，食品營養(yǎng)素、酶等也可進(jìn)行微膠囊處理。茉莉花茶是我國的特產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年茉莉花茶的年加工量均保持在11萬噸左右，并暢銷國內(nèi)外。但傳統(tǒng)加工花茶的方法是在茉莉花開花季節(jié)，采鮮花與干茶層層相間疊壓窨制，一定時間后再將茶葉與花分開，棄去殘花。吸附花香的茶葉需烘干，脫去窨花時帶進(jìn)去的水分，這使香氣損失不少。而且這種作坊式的加工手續(xù)繁雜，常受季節(jié)與地域的限制，損耗高，生產(chǎn)量也極為有限。如采用生物微膠囊技術(shù)將天然提取的茉莉花香氣成分固定化，并添加于干茶中，不但可避免季節(jié)和地域?qū)ιa(chǎn)茉莉花茶的限制，而且保香期長，不易變質(zhì)。同時簡化窨制工藝，提高生產(chǎn)效率。6.2.2 乳制品 在乳品生產(chǎn)中，應(yīng)用微膠囊技術(shù)，可生產(chǎn)各種風(fēng)味奶制品，如可樂奶粉、果味奶粉、姜汁奶粉、發(fā)泡奶粉、啤酒奶粉、粉末乳酒及膨化乳制品等。將大麥牙、啤酒花、香精以一定比例混合包埋后再與奶粉、NaHCO3等以一定比例混合后干燥、包裝，制得保健啤酒奶粉，具有沖調(diào)性好、啤酒風(fēng)味突出、泡沫潔白細(xì)膩等特點(diǎn)。6.2.3 茶飲料 β-CD較適合于包埋茶湯中的兒茶素等物質(zhì)，有利于茶湯原有的風(fēng)味和色澤，將紅茶用水經(jīng)95℃萃取后迅速冷卻至35℃再用β-CD處理，過濾后可得澄清透明、風(fēng)味良好的茶飲料。在綠茶中，加入β-CD可包埋芳香物質(zhì)，減少其在加熱殺菌中的變化和包埋臭味物質(zhì)。β-CD還可提高速溶茶香氣、防止茶葉提取物乳化、有利于速溶茶賦形和防潮、延長保質(zhì)期、包埋芳香物質(zhì)、給茶葉調(diào)香等。6.2.4 糖果 在糖果生產(chǎn)中，用β-CD包埋胡蘿卜素、核黃素、葉綠素銅鈉、甜菜紅等，對糖果進(jìn)行調(diào)色，經(jīng)日光照射不褪色。營養(yǎng)素經(jīng)包埋后加入糖果中，可強(qiáng)化糖果營養(yǎng)，產(chǎn)品亦不會產(chǎn)生風(fēng)味劣變、氧化酸敗，并能延長保質(zhì)期。用β-CD包埋大豆磷脂，并進(jìn)行均質(zhì)和噴霧于燥后加入糖果中，可明顯掩蓋其異味。香精經(jīng)β-CD包埋后加入糖果中，其揮發(fā)性、熱分解和氧化作用顯著減慢。經(jīng)微膠囊化的香精具有較大的穩(wěn)定性和特殊的水溶性，制成干劑后利于生產(chǎn)加工。在果汁奶糖的生產(chǎn)中，將果汁包埋后再加入奶粉、煉乳中制成奶糖，可防止果汁中的單寧、有機(jī)酸等成分與奶中蛋白質(zhì)反應(yīng)而變性和降低營養(yǎng)價(jià)值，并能改善產(chǎn)品品質(zhì)，提高人體對蛋白質(zhì)的吸收率。6.2.5 油脂 油脂是人們?nèi)粘Ｉ詈褪称芳庸さ闹匾镔|(zhì)，但油脂易氧化變質(zhì)，氧化后的油脂會產(chǎn)生不良風(fēng)味，并引起機(jī)體的氧化，從而引發(fā)癌癥和人體衰老。另外，油脂的流動性差，給調(diào)料和湯料在包裝和食用時帶來很大不便。經(jīng)微膠囊化處理后，可將油脂制成粉末，克服了油脂本身的缺點(diǎn)。使其成為性質(zhì)穩(wěn)定、取用方便、流動性好且營養(yǎng)價(jià)值高的優(yōu)質(zhì)原料。6.2.6 甜味劑、防腐劑和抗氧化劑 微膠囊化是一種穩(wěn)定食品添加劑的方法。阿斯巴甜作為一種廣泛應(yīng)用的甜味劑，通常將其以微膠囊的形式包裹在脂肪、油、淀粉等材料內(nèi)，以防因水、高溫等而帶來的甜味喪失。為防止食品污染，可將檸檬酸、抗壞血酸、乳酸等膠囊化，作為殺菌劑，起到食品防腐作用。茶多酚是一種天然的食品抗氧化劑，它還具有降血糖血脂、抗菌消炎、清除人體自由基、、等一系列藥理作用。但茶多酚易溶于水，難溶于油。微膠囊技術(shù)既可提高茶多酚的穩(wěn)定性，以免遭外界因素的破壞，又使其適用于油溶性食品的抗氧化，擴(kuò)大其使用范圍。天然維生素E作為一種抗氧化劑，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，為增加其穩(wěn)定性，用水包油的乳化系統(tǒng)對其加以乳化包囊，使其應(yīng)用更為廣泛、有效。6.2.7 飲料 利用微膠囊技術(shù)制備固體飲料，可使產(chǎn)品顆粒均勻一致，具有獨(dú)特濃郁的香味，在冷熱水中均能迅速溶解，色澤與新鮮果汁相似，不易揮發(fā)，產(chǎn)品能長期保存。如蘆薈( Aloe)中含有多種游離氨基酸和生物活性物質(zhì)，其營養(yǎng)價(jià)值和有效成分都很高。但新鮮的蘆薈液汁中有效成分的性質(zhì)不穩(wěn)定，易揮發(fā)，而且蘆薈汁中有一種令人難以接受的青草味和苦澀味，直接用于食品不宜被人們接受。采用微膠囊技術(shù)將其包埋處理，可減少或消除異味、穩(wěn)定其性質(zhì)，并能延長保存期。6.2.8 酶制劑 酶為生物催化劑極不穩(wěn)定，在食品加工過程中易受外界因素影響而失活。控制酶釋放的常用方法是用脂質(zhì)體將其包埋，常用的脂質(zhì)體為磷脂。脂質(zhì)體包埋的酶除作為控制釋放系統(tǒng)外，還可作為固定酶反應(yīng)器，提高酶的穩(wěn)定性，允許反應(yīng)底物和產(chǎn)物自由進(jìn)出，并利于酶的回收。6.2.9 膨松劑 利用微膠囊技術(shù)對膨松劑進(jìn)行包埋，可有效地控制氣體的產(chǎn)氣速度，林家蓮等用淀粉和固體奶油采用復(fù)相乳化法對Ca(H2PO4)·H2O進(jìn)行包埋，并在饅頭中應(yīng)用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可改善膨松劑的產(chǎn)氣性能，效果佳。6.2.10 微膠囊化微生物 雙歧桿菌必需到達(dá)人體腸道才能發(fā)揮生理功能，而其對營養(yǎng)條件要求高、對氧極為敏感、對低pH值的抵抗力差以及胃酸的殺菌作用等使得產(chǎn)品中絕大多《現(xiàn)代食品科技》Modern Food Science and Technology Vol。21 No。3(總85)數(shù)活菌被殺死。采用微膠囊技術(shù)可以保護(hù)雙歧桿菌以抵抗不利的環(huán)境，有報(bào)道采用雙層包裹法，用棕櫚油作內(nèi)層壁材將雙歧桿菌包裹起來，再用大分子明膠溶液包裹制成雙層微囊，活菌數(shù)高、保存性好，可到達(dá)人體腸道，發(fā)揮相應(yīng)的生理功能，真正起到有益于健康的作用。6.3 在卷煙生產(chǎn)上的應(yīng)用 國外微膠囊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到卷煙工業(yè)的生產(chǎn)中，在我國，微膠囊技術(shù)應(yīng)用于卷煙工業(yè)尚處于研究階段。微膠囊技術(shù)在卷煙工業(yè)中的應(yīng)用有著廣闊的前景，它將對傳統(tǒng)的卷煙添加劑產(chǎn)生創(chuàng)新的變革。煙草在加工精制過程中需在煙絲中添加不同組合的香料物質(zhì)，以制成多種風(fēng)味不同的卷煙，因此，香煙的香料配方與添加工藝一直受到格外重視。目前存在的問題是煙卷點(diǎn)燃后，煙頭溫度可達(dá)800℃，靠吸附作用粘附于煙絲的香氣物質(zhì)，受高溫的影響極易揮發(fā)，致使煙卷的香氣總是剛開始抽時可被明顯感受到，而后則銳減，這對煙草風(fēng)味的顯現(xiàn)十分不利。 在卷煙的加香過程中，采用微膠囊技術(shù)將液體香料轉(zhuǎn)變成固體粉末香料，改善了卷煙的理化特性，使消費(fèi)者獲得特定的味覺、嗅覺和觸覺的感受，并增進(jìn)卷煙的可接受性。富含香氣成分的生物微膠囊可降低高溫對香氣物質(zhì)的影響，將其均勻?yàn)⒉荚跓熃z或過濾嘴中，可使吸食煙卷的整個過程都能明顯地感受到香味。不僅可防止抽吸前香味的揮發(fā)，而且防止了成分直接燃燒而改變香味。同時，對于容易變質(zhì)和敏感性高的香料，經(jīng)微膠囊化后使之免受外界因素的影響，提高了貯藏穩(wěn)定性。煙葉在調(diào)制、存貯及自然陳化過程中許多成分會發(fā)生變化，如蛋白質(zhì)、淀粉、煙堿等在陳化過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解反應(yīng)形成可溶性的糖和氨基酸。微膠囊能使活性生物物質(zhì)的外面形成保護(hù)層包膜，這樣能避免活性生物物質(zhì)直接與空氣接觸從而避免影響生理活性，同時還能有效地控制活性物質(zhì)的釋放速度。另外，為了提高煙葉的質(zhì)量，添加活性物質(zhì)來改變煙葉中某些組分，從而達(dá)到有舒服口感的目的。6.4 在紡織工業(yè)中的應(yīng)用 在紡織工業(yè)上，已有微膠囊技術(shù)的應(yīng)用和研究，給紡織染整技術(shù)帶來了極大的革新和進(jìn)步。具體應(yīng)用表現(xiàn)在微膠囊染料和涂料的染色和印花、微膠囊功能整理劑、微膠囊加工制劑(包括消毒劑、洗滌劑、漂白劑等)方面。以染料為芯材，各種天然或合成的高分子作壁材，制作的微膠囊染料根據(jù)織物的不同需要及工藝，結(jié)合轉(zhuǎn)移印花、多色微粒印花、靜電印花技術(shù)，較傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)移印花技術(shù)，具有勻染性好、上染速度快、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。利用微膠囊技術(shù)可以提高紡織品的舒適性和增加其功能性。對紡織品的功能整理包括柔軟、防皺、防水、防油、防污、防老化、阻燃、阻熱、抗靜電、抗菌殺蟲、芳香等。由于織物必需耐洗，對于開發(fā)具有高附加值的微膠囊技術(shù)來說，條件極為苛刻，技術(shù)難度較大。對于微膠囊表面上的何種官能團(tuán)，應(yīng)予導(dǎo)入織物表面并與織物表面上的何種官能團(tuán)結(jié)合，以及活性微膠囊本身的固著問題，都有待解決。6.5 微膠囊在化妝品中的應(yīng)用 目前由于化妝品的功能化，常在傳統(tǒng)的油質(zhì)或水基的膏、霜、奶、乳、液等化妝品中加入一些以微膠囊形式使用的維生素、氨基酸、激素、酶營養(yǎng)劑等功能性物質(zhì)。其中的酶微膠囊對皮膚有增加柔軟和潤濕作用的木瓜蛋白酶、對皮膚有保健作用的胃蛋白酶、具有殺菌功能的溶菌酶；洗發(fā)劑中加入微膠囊化的潤濕劑及營養(yǎng)劑，在洗發(fā)時，微膠囊破裂粘附于頭發(fā)表面起到潤濕及營養(yǎng)作用。6.6 微膠囊在攝影材料中的應(yīng)用 在感光材料中，鹵化銀常以明膠混合物為囊芯、以纖維素類為壁材的微膠囊形式使用，可以提高成像分辨率。同樣可以將感光劑鹵化銀與成色劑進(jìn)行組合成囊芯，然后進(jìn)行包覆。通常相片的顯影與定影均在顯影液和定影液中進(jìn)行，將上述兩種溶液經(jīng)微膠囊化后涂覆在底版或相紙上，可很方便地用壓輥壓破微膠囊進(jìn)行顯影和定影。 微膠囊技術(shù)從20世紀(jì)50年代進(jìn)入實(shí)用階段以來，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展大大地提高了其它行業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量，然而對于微膠囊技術(shù)本身，在理論上和應(yīng)用方面還有一些問題需要深入研究。首先，有必要完善表征微膠囊性能。能夠全面準(zhǔn)確地表征微膠囊的性能，是微膠囊深人研究的基礎(chǔ)，也是其有效應(yīng)用的關(guān)鍵。其次，要研究芯材的擴(kuò)散機(jī)理。另外，從目前研究狀況來看，生物微膠囊要獲得進(jìn)一步的應(yīng)用，其關(guān)鍵問題是制備出生物相容性好、性能參數(shù)適宜和制備成本低的微膠囊。同時生物微膠囊在應(yīng)用上必須滿足以下條件：（1）對生物物質(zhì)沒有毒害作用；（2）必須使氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)等小分子物質(zhì)順利通過半透膜，并具有良好的傳質(zhì)性質(zhì)和截留性質(zhì)；（3）物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度。
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2018-09-28
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