（化学工程专业论文）类胡萝卜素微胶囊化过程中的稳定性研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 本文以p 胡萝卜素为例，首先建立了对p 胡萝卜素行之有效的卸? l c 分析方 法；然后深入研究了其在微胶囊制备过程中固体状态、溶剂溶解状态和高温油溶 状态的稳定性；最后本文利用量子化学方法对p 胡萝卜素可能的反应机理进行了 理论探索，建立了反应网络。： 通过本文的研究工作，类胡萝卜素微胶囊化过程中不同阶段的样品都能得到 准确的检测；利用c 3 0 删c 方法，实现对p 胡萝卜素八种异构体的定性分析。 关于争胡萝卜素在微胶囊制备过程中的稳定性研究表明：p 胡萝卜素在固体 状态时，保持环境无氧比降低储存温度更有效，严格充氮保护下的结晶样品即使 在高温下也是非常稳定的；在正常加热温度下，p 胡萝卜素在溶解度好的溶剂( 二 氯甲烷和四氢呋喃) 中更稳定，溶剂充氮会抑制异构化反应并有助于提高p 胡萝 卜素的稳定性，添加单一抗氧化剂能显著影响除异构化反应外的其它副反应的进 程；在1 4 0 一1 8 0 的高温油脂中， 胡萝卜素的异构化反应主要发生在反应的 前2 4 小时，其后虽然保留率的自然对数与时间呈线性相关，却无法用一个简单 的一级反应动力学模型来描述肛胡萝卜素的变化规律，p 胡萝卜素的稳定性随温 度的升高而降低，同时减少高温油脂中的氧分压不一定能有助于提高p 胡萝卜素 的稳定性，p 胡萝卜素在油脂中的稳定性随着油脂不饱和度的增加而得到提高， 抗氧化剂只在较低的温度下才起积极作用。 最后本文又研究了p 胡萝卜素熔融过程异构化反应的反应机理，认为当不存 在其它外界因素时，三重态是主要的异构化反应的中间态；然后就以全反式d 胡萝卜素作为主要的反应起始物，建立了反应网络，从中发现：1 ) p 胡萝卜素 分子在有氧环境中更容易被引发为三重态；2 ) 三重态发生异构化、聚合和氧化 等副反应都是很容易的：3 ) 由对氧化过程的分析得到的副产物的结构很好地吻 合了第四章的实验结果：4 ) 不同溶剂对链引发和副反应的作用是不同的，第五 章的部分实验现象在此反应网络中都得到了解释。 关键词：类胡萝卜素，p 胡萝卜素，微胶囊，稳定性，异构化反应，g 卸s s i 觚0 3 l n 也i sp a p e r ，也c 唧l c 锄d y s i s 删。邛一c 踟咖w 邪f 删ye s t a b l i s h e d 也es t a i b i h t i 器0 fp - 掰0 t i 姐eo fs o l i ds 缸i 钯，i 1 1s 0 l m i o n 锄di i l 也e m l a lo i l sw i r es t i l l d i e d ， 龇l d 也e 坞廿o nm e c k m i s mo fp c 缸咖n ew 弱i n v e s t i g 砷e db yq w m t u md l e m i g n y m e l ：h o d s ，、j l ：b i l ea 撒脚帕r k w 弱f 锄e d 弱a r e s i l l t d i 丘e r 腽ts 锄p l c sd l l r i n gm i c r o e r i a 印姒a ：t i o no fc 缸0 t e n o i d sc o l l l db ew e u 砌) r z e d i nt h i s 粥觚dq u a l 妣锄l y s i so fe i 出i s o m e 璐w 嬲、e us t u d i e db yc 3 0 一瑚 l c h i g l l 鼬i l i ：t i e sw e 犍幻u n dd l l r i l 略h e a t i n g0 fn m g e n p r o t e c t i i l gp c 甜o t e o f s t o 随g c p c 黜) 钯w 淞m o 托s t a l b l ei nt h f 锄dd i c l l l o r 0 】嘁吐h a ，a n d 也e i 删丽z 撕0 nw 弱i 1 1 1 曲i t e di nn i 廿0 9 e n - b i i b b l e d l v e 鸲砌l eas i m p l ea 以o ) 【i 蛐 c o u l da f f e c ts i d e r e a c t i o 璐e x c e p ti m e r i 2 删o n hm 删l y 似e do i l s ，也e i i 嗽i z a ：t i o nt o o kp l eb c f 0 2 4h 叩瑙1 1 1 0 u g hl i n e 甜d 印吧1 1 d e n c ew 鹤南m l d b e 栅n 也en a n l r a l1 0 9 a 咖m0 fr e t 矗0 n0 fp c a r 0 钯鹏缸dt i m e ，m eo m - o r d e r k i n 砸c sw 勰i m p o s s i b l et 0e x p l a i nt l l er e a c t i o no fp c 锄咖鹏h i g h c rs 切b i l i t i e sw e 坞 f 0 u n di nl o w e rh e a t i n g 氏舶叫增暇船，l o w e ro x y g e n - p r e s s u r ea n do i l so fl a r g e ri o d m e v a l u e a 洲。班i l l y ，也e 缸t i o 蛀d a n tw o l l l d 脚c tp r o t e n ea t1 0 w e r 钯m p e r 蛐 f i 彻l l y 也em e c h a m s mo f 也e m 谢i m e r i 2 嘶o n0 fp c 彻m mw 弱i n _ v e s t i g a t e d ， 讹a 他s u l tt h a tt h e 咖l 绷c 论dp - c 甜。咖ei sam a i ni n _ t e 】咂l e d i a ：t eo fi s o m 嘶刎o n 删1 l e rn l i l dc o 珊龇n s a s 也e 枷晚w 耐kw a s 篾；t 暑i b l i g k 泔，i tc o l l l db e1 o 堋m 也a ：tt b e 。 t r i p l e t e x c i t e dp - c 舡o t e n ew 嬲m o e 懿i l y 向加e di n 既m 姗e n to x y g e n w i 也 n l 嘶m ei 恤明溉i o n ，砌”m 疽蒯o n 锄do 】( i d a ：t i o n o ft h et r i p i e t - e x c i t e d p - c 扯m e n ew o l i i de a s i l yh a p p e n t h e 如呱：t i a lg r o u p so fb m 呔l u c t sw e r ed e d u d ， 衄d 也e s l l l t sw e 托i n9 0 0 da 星弦e m 髓t 、晡廿lm ef 0 珊e r 舱s i l l t s t h ee 日e c to f l v e n t o n 球= t 、融w 硒a l c a l 砌刮【e d 锄d 也ep l 蛾咖髓o no fs o l u 廿o nc 砌db ew e l l 饮p l a i m 觅b 敬do n 也c s e 他s u l _ t s k e ) 啊o i d s ：c 趾0 t 啪i d s ，争加自e 鹋，m i c r n c a p s l l i 痂n s t ；a b n i 饥i m e r 娩撕o n i i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 类胡萝卜素 1 1 1 栩i 述 类胡萝卜素( c a r o t i 啪o i 哟是由绿色植物的叶绿体或藻类合成的一大类天然色 素，它们广泛存在子植物的花、果实以及鸟、昆虫、哺乳动物中，赋予许多生物 特有的色彩。 早在1 9 世纪初期，欧洲就出现了许多关于类胡萝卜素的论述，但直到1 9 0 7 年，人们才通过燃烧法和经典的相对分子质量测定法，第一次准确地测出胡萝卜 素和叶黄素的分子式。随后不久，类胡萝卜素的颜色和其分子中共轭双键数量间 的关系也被证实。2 0 世纪3 0 年代，ne u l a r 和m o o 托明确了胡萝卜素和维生素a 的关系，从而有力地促进了类胡萝卜素和相关物质在生物化学领域的研究。迄今 为止，人类在自然界中已发现6 0 0 余种类胡萝卜素类化合物【l 】，其中有5 0 多种类 胡萝卜素可以作为维生素a 的前体，在体内转化成维生素a 。全球天然的类胡萝 卜素年产量大约为一亿吨，其中大多数以四种形式存在：岩藻黄素、叶黄素、紫 黄素和新叶黄素。岩藻黄素主要产于藻类，后三种主要来源于高等植物【2 】。除此 之外，其它类胡萝卜素虽然分布广泛，但产量都很低。 ， 类胡萝卜素中最重要的代表是p 胡萝卜素( p - c a r o t c n c ) 、虾青素( a s 切x a n n l 蛐、 番茄红素( 1 y c o p e ) 、角黄素a x 扰吐l i n ) 、叶黄素( 1 u t e i n ) 、玉米黄质( z e 觚a n 廿l 蛐， 此外还有p 阿朴8 胡萝卜醛、柠檬黄质、隐黄质和园红酵母素醛等。类胡萝卜 素一般可分为两大类：胡萝卜素和含氧类胡萝卜素，前者只含碳氢两种元素，如 胡萝卜素；后者是前者的含氧衍生物，如叶黄素等【2 】。几种主要的类胡萝卜素 的分子结构如图1 1 所示。 从图1 1 中可以看到，争胡萝卜素和番茄红素属于胡萝卜素，而虾青素和角 黄素则属于含氧类胡萝卜素，其中虾青素分子中还含有2 个手性碳原子( 3c 和3 c ) 。另外四种类胡萝卜素分子中都含有1 1 个共轭双键，其中共轭双键的存在直接 关系到类胡萝卜素分子的各种物理和化学性质。 第一章绪论 图1 1 几种类胡萝卜素的结构式 f i g 1 - l 蜘i c t i u o f l c c t i i dc a m t c n o i d s 1 1 2 类胡萝卜素的性质 类胡萝卜素的颜色一般介于红色到黄色间，熔点高于1 8 0 ，不溶于水，在 脂肪和油中的溶解性也不好，但可少量溶解于有机溶剂中网。 由于类胡萝卜素的不饱和结构，使其具有较强的抗氧化活性和清除自由基的 能力，因而具有较强的生理活性，同时也导致其遇氧、热和光时呈不稳定。由于 类胡萝卜素能对抗在光合作用时产生的氧化物或氧自由基以保护植物自身，因此 植物自进化的早期就一直保持生产类胡萝卜素的能力。如果没有类胡萝卜素的存 2 浙江大学博士学位论文 在，植物细胞就会发生不可修复的损伤，这一作用对人类同样重要。 氧是动植物机体生存所必需的物质基础，我们日常呼吸的氧为基态氧( 可表 示为3 0 2 ) ；同时氧对生命也有不利的一面：即以活性的形式使体内多种成分发生 氧化、显示毒性。生物体内与氧化有关的分子包括：自由基、单线态氧( 1 0 2 ) 、过 氧化物等。这些物质被统称为机体内源性活性氧( r o s ) ，主要源于细胞呼吸或 生物氧化过程中线粒体电子传递链上电子“漏出”。在正常情况下r o s 的生成量占 组织耗氧量的1 2 。 类胡萝卜素在生物体内不仅能淬灭自由基，还是自由基前体单线态氧自由基 ( 1 0 2 ) 的强大的淬灭剂，它的作用机理可简单表述为： 1 0 2 + c 盯c 盯 + 3 0 单线态氧类胡萝卜素活化类胡萝卜素三重态氧 类胡萝卜素淬灭单线态氧，单线态氧额外的能量转移到类胡萝卜素，类胡萝 卜素接受能量使之转化成三重态氧，然后活化类胡萝卜素通过放热的方式释放额 外的能量转到基态，同时也可能被继续氧化为其它副产物。 图1 2p 一胡萝卜素的异构体 f i g 1 - 2i s o m e 塔o fp 稍删肋c 3 第一章绪论 由于共轭双键的存在，类胡萝卜素在光照或加热条件下还容易发生顺反异 构，生成大量几何异构体：而含手性碳原子的少数类胡萝卜素分子除此之外还能 发生光学异构。图1 2 显示了争胡萝卜素常见的几种异构体。 因为一般顺式异构体中顺式双键附近的空间位阻较大，因此类胡萝卜素分子 主要还是以全反式异构体的形式存在，而9 顺异构体和1 3 顺异构体则是报道最 多的两种顺式异构体。 1 1 3 类胡萝卜素的应用 类胡萝卜素是一类重要的天然色素，它们构成从黄色到红色的一组彩色颜 料。除八氢番茄红素、六氢番茄红素等少数几种类胡萝卜素无色外，绝大多数类 胡萝卜素呈黄色、橙色或红色。许多植物的花、果实的颜色就是由类胡萝卜素的 积累造成的，如万寿菊、番茄、辣椒和柑橘等。由于它们具有安全、色泽自然鲜 艳、不受添加量的限制和使用范围广泛而得到迅速发展。 同时，类胡萝卜素具有很强的抗氧化性，对人体的多种疾病具有非常突出的 治疗、预防等药理作用和保健功能，这些一直未被充分开发和利用。近年来，对 于类胡萝卜素抗氧活性等方面的研究引起了专业人员的关注。不断出现的研究结 果和报道表明，类胡萝卜素是一类非常强的抗氧化剂，能有效地清除氧自由基。 由于许多疾病都是细胞、组织受体内过量氧自由基损伤所致，因此，类胡萝卜素 对很多疾病如心血管疾病、视力模糊和各种癌症等都有不同程度的防治作用。这 为类胡萝卜素的功能开发和应用研究提供了科学依据。 随着生活水平的提高，消费者越来越重视食品的质量，而食品的色泽和功用 是食品质量的重要方面。生产者通常是通过加入添加剂来达到这一目的。由于类 胡萝卜素在天然色素的种类、资源和色素的化学性质等方面不受制约，而且有较 强的保健作用，因此类胡萝卜素已成为食品添加剂的首选，并因其安全高效而备 受生产者的青睐，得到了广泛的应用。目前类胡萝卜素被不同程度地添加在我们 日常食用或饮用的各种油脂、啤酒、糕点、糖果、饮料、面包、雪糕和干制品等 食品中，也可作药片的着色剂和饲料的添加剂等。 目前对类胡萝卜素的功能研究已经越来越深入，大量研究成果表明。类胡萝 卜素对人类的生殖健康、免疫功能、抗氧化和抗衰老等都有着十分突出的影响作 4 浙江大学博士学位论文 用，并且日益引起人们的重视。除了在着色上的有效作用外，人们尤其关注它们 的保健功能。 1 1 3 1p 胡萝卜索 p 胡萝卜素作为最重要的食用天然色素之一，正被广泛地用于食品添加剂、 饲料添加剂及维生素a 缺乏症的防治等。p 胡萝卜素被美国食品与药物管理局 d a ) 确认为安全的，- 可用于食品、药品和化妆品的直接成分并适用于婴幼儿食 品配方，另外在临床上具有维生素a 的作用。 p 一胡萝卜素是重要的维生素a 前体。从理论上说，一分子p 胡萝卜素可分裂 形成两分子的维生素a 。而且人体中的p 胡萝卜素主要存在于血浆中，过多的p 胡萝卜素可以贮存在肝脏中，根据需要转化为维生素a ，不会因维生素a 过多而 产生毒害。所以p 胡萝卜素被认为是人体必需的胡萝卜素、无毒维生素。此外， 生物体中的p 胡萝卜素一般以顺反异构体混合物的形式存在。 作为抗氧化剂， 胡萝卜素能清除有毒的氧游离基，提高免疫力，减少致癌 病变几率，预防缺血性心脏病，预防黄斑病变，预防恶性肿瘤，预防爱滋病及其 感染等。b 咖撇等用细胞模型试验证明，p 胡萝卜素和其它类胡萝卜素可加强细 胞与细胞缝间联接交流能力，从而抑制或降低癌症的发生踟。w b l 征明：d 胡萝 卜素和视黄醇通过联接蛋白激活信息的交换，从而抑制癌症诱导细胞升级到恶化 阶段【4 | 。 维生素c 、维生素e 和p 胡萝卜素被医学专家推荐为三大最佳维生素。其中p 胡萝卜素的推荐量为1 5 2 5 毫克日人。联合国粮农组织和世界卫生组织食品添 加剂联合专家委员会认定其为优秀的、a 类有营养的食品添加剂，世界上已有5 2 个国家和地区批准使用。 p 一胡萝卜素是一种有效的着色剂和抗氧化剂，作为食品添加剂有着突出的保 健功能，在人类抗癌、防癌、预防疾病等方面将起到极为重要的作用，并因此具 有广阔的市场应用前景。 1 1 3 2 番茄红素 番茄红素近年来研究较多，它在自然界中呈红色，因最早在番茄中发现而得 第一章绪论 名。 番茄红素广泛分布于人体各种器官和组织中，在动物体内主要是顺式异构 体，而在植物体中几乎全是反式结构。1 9 9 5 1 9 9 9 年，国外有近3 0 0 篇文章涉及番 茄红素的功能研究，包括番茄红素在组织、乳汁、楮液中的分布；番茄红素猝灭 活性氧；番茄红素与消化道癌、宫颈癌、皮肤癌、前列腺癌；番茄红素与心脏病 等。这些研究表明番茄红素具有优越的生理功能。最新研究发现，番茄红素能产 生多种生物学作用，如猝灭单线态氧、清除自由基、诱导细胞间连接通讯、调控 肿瘤增殖等网。 类胡萝卜素清除单线态氧的能力主要取决于其分子中共轭双键的数量。根据 番茄红素的化学结构可知，它含有比其它类胡萝卜素更多的共轭双键数，因而具 有更强的清除单线态氧的能力，实验也证实了这一点。除此之外，番茄红素还可 以与过氧化氢以及二氧化氮等的活性氧碎片反应。研究表明，番茄红素在保护淋 巴细胞免受二氧化氮自由基造成的细胞膜损害或细胞致死方面的能力非常强p j 。 此外，人们通过番茄红素与一些退行性疾病的相关问题研究，发现摄入更多 番茄红素的人或血浆与脂肪组织中含有较高浓度番茄红素的人患某些慢性疾病 的危险会降低，包括癌症和心脏病；另外番茄红素有一定的调节胆固醇代谢的能 力，多摄入番茄红素或许是降低胆固醇的一种新途径。因而可以认定番茄红素具 有延缓衰老的作用，主要表现在人体器官中的番茄红素含量与大多数退行性疾病 呈负相关【5 】。 通过追踪研究紫外线照射后人体皮肤中类胡萝卜素的水平，发现番茄红素对 氧化胁迫介导的皮肤损害有保护效应；与衰老有关的斑点退化危险是与摄入富含 斑点类胡萝卜素、叶黄素与玉米黄质的食物较少有关，但在研究血清抗氧化剂与 衰老有关的斑点退化时发现，只有低水平的血清番茄红素才与这种病的高发性相 关，而与斑点色素中的类胡萝卜素水平无关，因而可以认为番茄红素水平是决定 斑点退化发生的主要因素；印度科学家还研究指出，番茄红素可令不育男子的精 子数目增多，精子的活跃性增强，从而医治不育问题【习。 日前更多的研究集中在番茄红素防治癌症的能力上。研究表明，番茄红素对 预防前列腺癌、胰腺癌、子宫癌、膀胱癌等具有显著的相关作用。最新的研究认 为，番茄红素是最有可能预防心脏病和癌症的物质。 6 浙江大学博士学位论文 通过食品添加剂的途径将番茄红素添加于日常食品中，无须刻意药服即能不 知不觉提高人体中番茄红素的含量，从而对人体健康产生积极影响。同时还能起 到改善食物色泽及口味的作用。目前国际上番茄红素多用于保健食品，相信通过 研究人员的工作，番茄红素必定能在国内得到应用，并最大限度地发挥其优越的 生理功能。 1 1 3 3 虾青素 j 虾青素也是一种广泛存在于生物体内的红色素，大多素甲壳类动物呈现的红 色均因虾青素积累所致。人们对类胡萝卜素的抗氧化性和抗氧化效率进行了广泛 研究。瓢n k l c r 等用体外血细胞研究了几种类胡萝卜素猝灭单线态氧的效率，发现 番茄红素最有效，虾青素次之嘲。虾青素清除自由基的效率与斑螯黄质相当，比 p 胡萝卜素和玉米黄质高5 0 r 7 1 ，清除过氧化氢自由基和防止脂质过氧化的能力 明显优于斑螯黄质、p 胡萝卜素和玉米黄质嘲。因此，虾青素对与自由基相关的 疾病，如肿瘤、衰老、炎症、老年痴呆症、帕金森病、共济失调毛细管扩张综合 症、肺气肿等等的防治有积极作用。同时虾青素与动物健康也有显著的影响作用 【6 】。 1 1 3 类胡萝卜素的生物利用率及影响因素 尽管类胡萝卜素拥有这么优越的生理功能，但如果生物不能很好地吸收利 用，那势必会丧失其作为食品添加剂的意义。这就牵涉到生物利用率的问题。 类胡萝卜素的生物利用率分为绝对利用率和相对利用率。绝对生物利用率是 指摄入一定量的类胡萝卜素后在体内形成的活性维生素a 的量；相对生物利用率 是指摄入某一种类胡萝卜素后，相对于参考物质，体内一些指标的变化。常用的 参考物质有油中的p 胡萝卜素或已知量的高效利用的预成维生素a 。由于很难找 到符合条件的测定绝对生物利用率的食物，已公布的生物利用率都是相对于参考 物质得出的相对生物利用率【9 】。 影响类胡萝卜素生物利用率的因素很多，它们或者影响类胡萝卜素的吸收， 如类胡萝卜素的结构形式、在食物中的物理结合形式、膳食中脂肪的含量、肠道 中胰酶及体内维生素a 的营养状况等，进而影响类胡萝卜素的转化；或者直接影 7 丫， 第一章绪论 响p 一胡萝卜素加双氧酶的活性；有些抑制剂也会降低类胡萝卜素的吸收【9 】。 在特定的类胡萝卜素、膳食结构和身体状况下，类胡萝卜素的物理结合形式 就显得格外重要。但由于类胡萝卜素有限的溶解性及对氧化的极度敏感性妨碍了 其合成产品在各种食品中的直接应用，因为合成产品都是粗粒结晶的形式，生物 体对此吸收很差，直接导致差劲的着色效果，并基本丧失保健意义。这些不利于 类胡萝卜素实际应用的因素在水介质中表现得特别突出，因为它们根本不溶于 水。一 根据类胡萝卜素溶解度低而通透性高的特点，我们仅可通过减小类胡萝卜索 粒径的手段来达到促进吸收的目的。目前已有很多关于提高得色量和提高吸收率 或生物利用率方法的报道，所有这些方法都以将这些活性物质的粒径减小到 1 0 岬以下为目标，较为先进的已减小到l 岬以下，甚至有达到姗级的。因为类 胡萝卜素的着色效力和生物利用率与其在介质中的粒径和分散性直接相关。 f u l k 1 0 1 等曾比较了p 胡萝卜素三种食品添加方式在健康人体内引起的急性 血浆反应。三种添加方式分别是1 0 浓度的水溶性化学合成的p 胡萝卜素微胶 囊、化学合成的肛胡萝卜素胶丸和来源于天然盐生杜氏藻的混合类胡萝卜素胶 丸。结果表明，尽管胶丸添加方式中争胡萝卜素含量达到了约8 0 ，大大高于微 胶囊中p 胡萝卜素的含量，但微胶囊添加方式的急性血浆反应明显比两种胶丸补 充方式高出4 7 ，5 0 。微胶囊就是一种比较先进的制剂。 1 2 类胡萝卜素的微胶囊化 类胡萝卜素制剂既可以是溶液、增溶物和分散体，如乳液和悬浮液，也可以 是由它们制得的类胡萝卜素干粉。优选的制剂是分散剂，如乳液和悬浮液，特别 是含油的悬浮液。在食品领域，液体类胡萝卜素制剂可用于对人造奶油、烧烤食 品、面食制品、甜食等的染色，也可用油稀释后直接喷到己挤压的食品上，如鱼 类食品等；而粉末类胡萝卜素制剂一般添加到功能性食品中，或添加到饲料中影 响禽畜产品的色泽及营养价值等。由于类胡萝卜素粉末制剂易于生产、运输及贮 存便利，因而在实际生产中一般多将类胡萝卜素制备成粉末剂型。微胶囊即是一 种先进而又特殊的粉末制剂形式。 l 浙江大学博士学位论文 1 2 1 微胶囊技术简介 微胶囊技术是指利用成膜材料将固体、液体或气体囊于其中，形成直径从 几微米至上千微米的微小容器【1 1 1 。该技术从2 0 世纪3 0 年代发展至今已有6 0 多年 的历史，随着新材料的不断出现，到目前为止，微胶囊化的方法已有近2 0 0 种【1 2 】。 微胶囊通常是在囊壁内填入囊心( 又称包容物) 配制而成。天然或合成高分子 材料是制作囊壁的良好基材。前者主要是动植物蛋白，如明胶、琼脂、阿拉伯树 胶等，具有易降解、生物兼容及成膜性好等优点；合成高分子壁材则可显示化学 “裁剪”的优势。微胶囊囊壁的形状与所填物质状态有关，一般来说，含固体的微 胶囊形状与固体相同，含液体或气体的微胶囊的形状为球形。微胶囊的大小一般 在2 一1 0 0 0 p m 范围内。囊壁因有许多微孔而具有良好的半透性。液体囊心或水溶 性囊心可以通过溶解、渗透或扩散过程，透过囊壁释放出来。其释放速度又可以 通过改变囊壁材料的化学组成、厚度、硬度、孔径大小等加以控制。即使是致密 壁材内的囊心，在控制压力、紫外线强度等外界因素的作用下，也可以以人们期 望的速率释放出来。微胶囊的特殊结构使囊心与外界环境相互隔离，使其免受外 界温度、氧气和紫外线等因素的影响；即便是性质不稳定的囊心，也不易发生化 学变化。微胶囊的特殊结构还可以使原本会发生反应的几种组分分开，使其“各 自为政”，保持“原汁原味”，并可根据需要控制它们的分离或混合。因此，根据 不同特殊应用的要求，制备有特定结构的含不同囊心的微胶囊，将它们搀杂到应 用体系中，能显著改善产品性能，提高其附加值，起到非同寻常的效果。 无论物质具有亲水性或具有亲油性，大多数气体、液体、固体均可以被包囊。 微胶囊之所以被广泛地应用于工业品，是由于通过对物质进行胶囊化可实现许多 目的。广义地说，微胶囊具有改善和提高物质外观及其性质的能力。具体地讲， 其主要有以下六个方面作用：( 1 ) 改善物质物理性质：如可通过微胶囊将液态物 质改制成固态剂型，改变物质密度，改善流动性、可压性、分散性等。( 2 ) 缓释 控制：通过选择不同囊材组合和配比，一使囊心物在适当条件下缓慢或立即释放， 该性质已在医药、农业和化肥行业里得到广泛应用。( 3 ) 改善稳定性，保护囊心 物免受环境影响：有些物质很容易受氧气、温度、水分、紫外线等各种环境因素 影响，通过微胶囊化，使囊心物与外界环境相隔离。( 4 ) 降低对健康危害、减少 毒副作用：如硫酸亚铁、阿司匹林等药物包囊后，可通过控制释放速度以减轻对 9 第一幸绪论 肠胃副作用。对于制药工业来说，可采用微胶囊技术制造靶制剂，达到定向释放 效果。( 5 ) 屏蔽味道和气味：微胶囊化可用于掩饰某些化合物令人不愉快味道。( 6 ) 减少复方制剂配伍禁忌：对于原科中相拮抗的物质，采用微胶囊化隔离各成分， 阻止活性成分之间化学反应，故能保持其有效成分稳定性。 1 2 2 微胶囊的制备方法 依据囊壁形成的机理和成囊条件，微胶囊制各方法大致可分为三类，即化学 法、物理法和物理化学法。化学法一般包括界面聚合法、原位聚合法、锐孔法等； 物理法有喷雾干燥法、空气悬浮法、沸腾床涂布法、离心挤压法、旋转悬挂分离 法等；物理化学法有复凝聚法、水相分离法、油相分离法、干燥浴法( 复相乳化 法) 、熔化分散冷凝法等。 1 2 2 1 化学法 1 2 2 1 1 界面聚合法 界面聚合法指的是将两种带有不同活性基团的单体分别溶解在互不相溶的 溶剂中，当一种溶液被分散在另一种溶液中时，两种溶液中的界面会形成聚合物 膜。 该法制备微胶囊的过程包括：( 1 ) 通过适宜的乳化剂形成油水乳液或水 油乳液，使被包囊物乳化；( 2 ) 加入反应物以引发聚合，在液滴表面形成聚合物 膜；( 3 ) 微胶囊从油相或水相中分离。在界面反应制备微胶囊时，影响产品性能 的重要因素是分散状态。搅拌速度、黏度及乳化剂、稳定剂的种类与用量对微胶 囊的粒度分布、囊壁厚度等也有很大影响。做壁材的单体要求均是多官能度的， 如多元胺、多异氰酸酯、多元醇等。反应单体的结构、比例不同，制备的微胶囊 性能也不相同。如可将不同量的洳淀粉酶和牛血清蛋白溶解在缓冲液中，加入 s p 矾8 0 、环己烷，搅拌乳化，再加入含有对苯二甲酰氯的氯仿溶液，搅拌3 0 m i n ， 洗涤后得微胶囊。 该法的优点是反应物从液相进入聚合反应区比从固相容易，所以界面反应制 备微胶囊适宜于包囊液体，制得的微胶囊致密性较好。在聚合过程中，分散相和 连续相均为提供活性单体的库源，与原位聚合法相比，该法的反应速率较快，反 l o 浙江大学博士学位论文 应条件温和，在室温下即可进行，而且聚合物相对分子质量高，对单体纯度和配 比要求不严格，即单体纯度和配比不是影响聚合物相对分子质量的主要因素，无 抽提、脱气工序，缩聚反应不可逆。 该法的其缺点是经常会有一部分单体未参加成膜反应而遗留在微胶囊中，故 在制备含水微胶囊时，经常混合无毒的乙二醇或甘油，既可起成膜单体的作用， 又可作为水的阻滞剂。另外要求被包裹物能耐酸碱性，不能与单体发生反应。 1 2 2 1 2 原位聚合法 原位聚合法指的是单体、引发剂或催化剂以原位处于介质中，加入单体的非 溶剂使单体沉积在原微颗粒表面上，引发聚合物形成微胶囊。 实现原位聚合法的必要条件是单体可溶，聚合物不可溶。与界面聚合法相比， 可用于该法的单体很多，如气溶胶、液体、水溶性或油溶性单体或单体的混合物， 低相对分子质量的聚合物或预聚物等。因此，各种各样的材料均可用以构成囊壁。 如用n a 0 i h 调节柠檬酸水溶液的p h 为4 0 ，加入由氧化聚合而得的聚苯胺颗粒，于 4 0 4 5 搅拌2 小时，加人蜜胺甲醛树脂的预聚物，继续加热搅拌，再经后处理 得聚苯胺微胶囊。 原位聚合法建立在单体或预聚体聚合反应形成不溶性聚合物壁材的基础上， 如何将形成的聚合物沉淀包覆在囊心表面上是该法的关键。 1 2 2 1 3 锐孔法 锐孔法指的是聚合物溶解，加入活性物质分散其中，将分散液用锐孔装置加 到另一种溶液中，使胶囊析出。 该法因聚合物的固化导致微胶囊囊壁的形成，即先将线性聚合物溶解形成溶 液，当其固化时，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因为大多数聚合物的沉淀作用 是在瞬间进行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到引化剂中之 前，预先成型，锐孔法可满足这种要求。锐孔法可采用能溶于水或有机溶剂的聚 合物作壁材，通常加入固化剂或采用热凝聚，也可利用带有不同电荷的聚合物络 合实现固化。近来，多采用无毒且具有生物活性的壳聚糖阳离子与带有负电荷的 多聚糖如海藻酸盐【1 3 ，1 4 1 、羧甲基纤维素1 5 1 、硫酸软骨烈阍、透明质酸【1 7 】络合以 形成囊壁。 该法的优点是操作简单，无需高速搅拌，且所得的胶囊机械强度大，胶囊颗 第一章绪论 粒小。适于对紫外光敏感的生物活性体的包囊。 1 2 2 2 物理化学法 1 2 2 2 1 复凝聚法 复凝聚法适用于对非水溶性的固体粉末或液体进行包囊。实现复凝聚的必要 条件是有关的两种聚合物离子的电荷相反，且离子所带电荷数恰好相等。此外， 还必须调节体系的温度和盐的含量。该法多与其他方法融合来制备微胶囊。以明 胶与阿拉伯胶为例，将明胶溶液p h 值自等电点以上调至等电点以下，使之带正 电( p h 4 o q 5 ) ，而阿拉伯胶仍带负电，由于电荷互相吸引交联，形成正、负离子 的络合物，溶解度降低而凝聚成囊。复凝聚法是经典的微胶囊化方法，操作简单， 适用于难溶性药物的微胶囊化。 复凝聚法还具有这样一个优点，即非水溶性的液体材料不仅能够被微胶囊 化，而且具有高效率和高产率。 1 2 2 2 2 油相分离法 有机相体系的相分离法适用于水溶性或亲水性物质的微胶囊化，分离出来的 聚合物量和状态取决于体系中聚合物浓度、沉淀剂用量及温度。其胶囊化的关键 是在体系中形成可自由流动的凝聚相，并使其能稳定地环绕在芯材微粒的周围。 还有一点是芯材在聚合物、溶剂和非溶剂中不溶解。溶剂与非溶剂应相互混溶。 由于采用油性溶剂作分散介质，因此油相分离法存在污染、易燃易爆、毒性等闯 题。另一方面，存在溶剂价格高，产品成本高的问题。 1 2 2 2 3 水相分离法 在水相分离法中，形成微胶囊囊壳的起始原料为水溶性的聚合物，聚合物 的凝聚相自水溶液中分离出来，形成了微胶囊壳。水相分离法的生产不需特殊设 备，以水为介质，是目前对油溶性固体或液体进行微胶囊化的一种常用方法。水 相分离法又分为复凝聚法和单凝聚法。复凝聚法是由至少两种带相反电荷的胶体 彼此中和而引起的相分离。单凝聚是由凝聚剂引起单一一种聚合物的相分离。 该法的优点是降低了个体的挥发性，通过改变水溶液体系的p h 值，使聚合 物不溶解并沉淀，适用于热敏性物质的包囊。 浙江大学博士学位论文 1 2 2 3 物理及机械法 1 2 2 3 1 溶剂蒸发或溶液萃取 溶剂蒸发或溶液萃取技术要追溯到2 0 世纪6 0 年代后期，w i e l 觚d 和d e t e 珊觚 于1 9 6 8 年用该技术来制备纤维素小斟1 8 1 ，v l 锄h n 和c l a e y s 于1 9 7 0 年制备装有 染料的聚苯乙烯微胶囊【1 9 1 。一般来说，制备芯材料为水溶液的微胶囊是困难的。 界面聚合反应虽然也能用于水溶液微胶囊化，但是对单体进行改性才能将水溶液 微胶囊化。通过油相相分离法制备的油包水型乳液的水溶液微胶囊，尚存着许多 工艺上的困难，难以获得干燥的粉末产品。而采取溶剂蒸发或溶液萃取技术制备 徽胶囊的方法则具备上述方法所没有的优势，特别是不必调p h 值及剧烈的加热 和冷却，也不需要特殊的反应试剂，对于酶、血红蛋白、摄影用的乳剂等活性材 料，均可用此法微胶囊化，且在包囊过程中不会引起任何的质变。 1 2 2 3 2 熔化分散冷凝法 熔化分散冷凝法是利用蜡状、脂肪和聚合物溶液等可熔融材料( 如石蜡) 在受热时的独特性质来实现微胶囊化的一般来说，典型的蜡状物质具有较低的 软化点。当这种蜡状物质受热时，会软化并变成液态。当壳材料变成液态后，可 将芯材料分散到液态蜡中，并形成分散液。当体系冷却时，蜡状壳材料就围绕着 芯材形成固态壳膜，从而产生了微胶囊。该法可分为三种类型：在液态介质中微 胶囊化；在气态介质中微胶囊化；应用锐孔成型为微胶囊。 该法对水溶性材料的微胶囊化特别有效，具有一定的实用价值。另外，为 了获得较好的产品，芯材必须有球状的几何外形，这需要在胶囊化之前进行造粒。 当胶囊壁不能被迅速固化时会产生二一些问题。因为壁材如是晶态材料，在贮藏过 程中，结晶的百分比及晶型转变容易受影响，因此壳材料必须能够快速凝固。 1 2 2 3 3 流化床法 流化床工艺，又称为空气悬浮喷涂法。空气悬浮喷涂是一种老的微胶囊化方 法。空气悬浮成膜法是由美国威斯康星大学药物学教授d e w 吣e r 发明的，所以 该法通常称为w l l r s t 盱法。流化床包囊工艺是将所喷的壳材料以溶液或热熔融物 形式，喷到悬浮在热气流中的固体颗粒上。流化床包囊工艺主要是对固体颗粒或 者吸附了液体的多孔微粒进行胶囊化。在空气悬浮喷涂工艺中，颗粒被可溶解或 熔融的聚合物涂层。该聚合物以不稳定的平衡形式悬浮在向上移动的空气中。 第一章绪论 w 蝴工艺可以采用三种流化床装置，即侧喷、顶喷和底喷。在项喷装置中， 热的熔融、壳材料喷到固体颗粒流化床的项部，然后将固体颗粒冷却，制成具有 固体壳的微胶囊。这种技术可用于各种水溶性食物组分的包囊。 1 2 2 3 4 喷雾干燥法 喷雾干燥法是一种较早采用且很实用的割备微胶囊的方法。其原理是：对形 成的心材、壁材溶液两相体系，心材分散于壁材溶液之中且被壁材所包围，该两 相体系通过压力或离心方式以微滴状被喷入干燥室中，遇到热空气壁材溶液迅速 蒸发，壁材脱去溶剂之后在心材外收缩覆盖于心材之外形成一层膜。干燥时，由 于溶剂能从壁材中迅速蒸发从而保证了心材温度不会很高【2 0 】，且雾化原料和热空 气的接触时间最长不超过十几秒钟。通过喷雾干燥法生产的微胶囊粉末近似圆 形，粉粒直径在5 “岬之间。 喷雾干燥的主要优点是：( 1 ) 干燥速率高、时间短。由于物料被雾化成粒径 为几十微米的液滴，所以液体的比表面积很大。例如，如果以平均直径5 0 岬计 算，则每升液体可以分散成为1 4 6 亿个微小液滴，其总面积可以达到5 4 0 0 m 2 。这 么大的表面积有助于进行热交换和质交换，具有非常高的速度，可在瞬间( 几秒 到几十秒) 干燥完毕；【2 ) 物料温度低。对于喷雾干燥工艺来说，虽然采用较高 温的干燥介质，但是当液滴中有大量溶剂存在时，物料的表面温度一般不超过热 空气的湿球温度。因此非常适用于热敏性物质的干燥；( 3 ) 产品具有良好的分散 性和溶解性。根据工艺的要求，可以选用适当的雾化器，从而使得产品为粉末状。 因此，产品的疏松性、分散性好，不经过粉碎也可以在溶剂中迅速溶解；( 4 ) 产 品纯度高。由于干燥的过程是在密闭的容器中进行的，所以杂质不会混入产品中； ( 5 ) 生产过程简单，操作控制方便。大部分产品干燥后不需要粉碎和筛选，生产 工艺流程简化。而且，通过改变操作条件可以调整产品的粒度和含溶剂量；( 6 ) 适用于连续化生产。干燥后的产品连续排料，在后处理上结合冷却器可以组成连 续的生产线，有利于实现自动化大规模生产。由于喷雾干燥具有上述优点，所以 该技术特别适用于食品的干燥，例如乳、蛋制品、糖类及粮食制品，果蔬制品， 肉类、水产制品。 喷雾干燥的缺点为单位产品的耗热量大，设备的热效率低，介质消耗量大。 另外一个主要缺点是单位容积干燥强度小，所以干燥器的体积较大，基建费用高。 1 4 浙江大学博士学位论文 1 2 3 微胶囊尺寸和质量的影响因素 很多因素都影响着微胶囊的尺寸和质量，其中的某些因素甚至还会影响药物 和其他应用中活性组分的控制释放性能。 在微胶囊制备过程中，影响微胶囊质量的主要因素为：溶剂的选择与混合， 芯材料在水中的溶解性，溶剂的回收速度，壳材料聚合物的类型及分子量，壳材 料聚合物的结晶度等。 在微胶囊制备过程中，影响微胶囊粒径的主要因素为：乳化的条件，反应原 料的化学结构，有机相的固含量，相关物质的粘度，表面活性剂的浓度和类型， 容器及搅拌器的构造，有机相和水相的量，聚合物反应制备时的温度。 微胶囊化完全与否是微胶囊的关键影响因素。对它的检测可以采用化学方法 也可采用现代仪器进行分析，然而最简单的方法是化学方法，它是在微胶囊化胶 囊中加入含变色基团的物质。微胶囊化后，通过检测变色物质是否存在来确定微 胶囊化是否完全。例如可以在胶粘剂微胶囊的包囊过程中加入结晶紫内酯，微胶 囊化后用3 0 的对苯基苯酚一甲苯溶液来处理涂布过的基材，如果没有颜色变化 则说明微胶囊化进行得完全。 微胶囊技术的广泛应用极大地促进了食品、医药和饲料等工业的发展，很多 不适于直接应用于生物体的化合物可通过制成微胶囊而达到各种使用要求。目 前，适用于工业大规模生产的途径主要有喷雾干燥法、锐孔凝固浴法、凝聚相 分离法和流化床喷涂法【2 1 1 。 1 2 4 类胡萝卜索的微胶囊化方法 类胡萝卜素微胶囊化的研究已开展了5 0 多年，在国际上有较强研究优势的主 要还是瑞士的h e 公司( 现大部分技术已转让给d s m 公司) 和德国的b a s f 公 司。根据它们披露的专利，结合其他人的研究，按乳化液制备过程的差异，现行 的方法主要有三大类，分别是溶剂法，研磨法和超临界处理法。概述如下： 1 2 4 1 溶剂法 溶剂法一直以来都是研究者比较青睐的方法，因为类胡萝卜素在有机溶剂中 丫 第一章绪论 溶解性相对较好，工艺条件简单，成本不高，且所得产品的粒径均在1 岬l 以下。 但它也有致命的缺点，就是溶剂用量大，势必会导致有机溶剂在产品中的残留t 2 3 】 由于有机溶剂大多是高毒物质，因此在越来越重视食品安全和环境保护的今天， 该种方法势必会受到限制。不过经过多年的研究，已有很多可行的改进方法，使 溶剂残留的问题得到尽可能的解决。 1 2 4 1 1 传统有机溶剂法 前文已提到，类胡萝卜素不溶于水，在脂肪和油中的溶解性也很差，但在某 些有机溶剂中还是有一定溶解性的。据c h i m i a2 l ，3 2 9 ( 1 9 6 7 ) 披露，卤代脂肪烃、 环己烷、石油醚、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、苯等对类胡萝卜素的溶解能力都 在1 9 ，1 0 0 m l 以上矧。 例如美国专利u s3 9 9 8 7 5 3 介绍了一种含水且可分散的类胡萝卜素粉末的制 备方法，其中类胡萝卜素的颗粒粒径达到0 1 “m 。该方法包括：( a ) 形成类胡萝卜 素和抗氧化剂在一种挥发性溶剂中的溶液，该挥发性溶剂选自卤代脂肪烃，如氯 仿、四氯化碳和二氯甲烷；( b ) 形成十二烷基硫酸钠、水溶性载体组分如阿拉伯 胶、防腐剂和稳定剂的水溶液，调节该溶液的p h 值至1 肛l l ；( c ) 通过在高速和高 剪切条件下混合使步骤( a ) 和( b ) 的溶液形成乳液；除去有机溶剂，将得到的乳状 液进行喷雾干燥，即可使类胡萝卜素微胶囊化瞰l 。 比如制备2 5 的斑螯黄质喷雾干燥颗粒，专利中描述的具体方法如下： ( 1 ) 将3 3 0 9 阿拉伯胶，2 7 9 9 蔗糖，0 7 5 9 山梨酸和1 5 0 9 安息香酸钠加入到3 3 0 9 蒸馏水中，在5 0 下充分溶解并静置过夜； ( 2 ) 按2 2 5 9 抗坏血酸，0 7 5 9 e d l a ，1 2 o g 十二烷基硫酸钠和1 0 5 0 9 蒸馏水 的比例配成溶液。然后加入到( 1 ) 溶液中，形成水相乳液。用氢氧化钠调节其 p h 值至1 0 4 7 2 ； ( 3 ) 油相制备过程：首先将2 2 5 9 b h r 溶于2 2 5 9 d 1 吨- 生育酚中，保持8 0 ； 然后此溶液冷却到5 5 ，并加入5 2 5 9 氯仿混合溶解，得到一澄清的溶液；此时在 氮气氛的保护下加入2 3 3 9 斑螯黄质，直至完全溶解； ( 4 ) 水相、油相均加热至5 0 5 5 ，在保持高速高剪切的条件下将油相缓 慢加到水相中。加完后，温度保持在5 5 ，高速高剪切保持1 5 分钟。1 5 分钟后， 升温至7 5 ，将氯仿蒸发，蒸发过程中不断补充蒸馏水并调节合适的粘度以利于 1 6 浙江大学博士学位论文 喷雾造粒洲。 世界专利w o0 3 0 1 7 7 8 5 也是采用氯仿做溶剂，虽然配方有所不同，但产品的 粒径也达到了0 2 岬荡：右嘲。 卤代脂肪烃与水不混溶，在常温常压下即可溶解相当量的类胡萝卜素，因而 工艺条件非常简单，而且类胡萝卜素粉末制备效果也较好，粉末粒径都很小。但 其毒性太大，而且在蒸发去除溶剂时，在常规的工艺条件下很难达到食品安全要 求。所以该方法有着很大缺陷。近年来研究者们改进了这种方法。 1 2 4 1 2 改进有机溶剂法 改进上述方法主要是两种思路：减少溶剂用量和寻找相对低毒的溶剂。这样 会大大降低后期溶剂处理的难度。某些只含碳、氢、氧并可与水混溶的挥发性溶 剂，如醇类、醚类、酯类和缩醛类等，由于对类胡萝卜素有一定溶解度，同时毒 性远小于卤代烃，因此不失为理想的溶剂。据研究发现，乙醇、正丙醇、异丙醇、 l 。2 丁二醇1 甲基醚、丙酮等是较为适合工业应用的几种溶剂渊。但这样常温常 压下无法形成稳定的溶液，只有在特定的工艺条件下才有可能达到研究者们的目 的。 例如欧洲专利e p 9 8 1