流体震动技术制备海藻酸钙微胶囊与性能研究

张玉冬，雷 虹，李元敬，诸 琳，王 淼

(黑龙江大学 生命科学学院,哈尔滨 150080)



流体震动技术制备海藻酸钙微胶囊与性能研究

张玉冬，雷 虹*，李元敬，诸 琳，王 淼

(黑龙江大学 生命科学学院,哈尔滨 150080)

利用流体震动技术来制备海藻酸钙微胶囊，研究了制备过程中的7个关键因素对微胶囊的表观以及结构特点的影响关系。分析结果表明，微胶囊主要呈现出4种不同的表观特征：圆形和光滑的表面、圆形表面褶皱、非圆形和光滑的表面以及非圆形褶皱的表面，主要受到海藻酸钠浓度、氯化钙浓度以及交联时间的影响；各条件制备出的微胶囊的直径为0.16～1.06 mm，喷嘴大小对微胶囊粒径的影响最大，海藻酸钠浓度和压力值的影响次之；各条件制备出的微胶囊的硬度为137.4～935.1 g，受到喷嘴大小、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、交联时间以及电场强度等因素的影响。虽然震动频率对微胶囊的表征无显著影响，但在制备微胶囊的过程中是一个不可忽略的因素。

海藻酸钙微胶囊；流体震动技术；微胶囊壳;表现特征

图1 流体震动过程示意图Fig.1 Schematic illustration of fluid-vibration process

在食品工业中微胶囊技术主要用来封装食品活性成分或益生菌，广泛应用在干燥或冷冻熟食制品、饮料、酸奶以及食品补充剂中[1]。而常规的微胶囊技术如喷雾干燥法会对食品活性成分和益生菌的活性产生不利影响[2]；冷冻干燥法则使生产成本大大增加[3]。而在食品领域中电共挤一直被视为最有效的制备微胶囊的封装技术[4]。电共挤技术是将含有活性物质的核心包含在一个聚合体外壳内，在此过程中，核壳液分别同时通过同轴喷嘴内部和外部通道，生成核壳结构的液滴悬垂在喷嘴的尖端，然后在高压电场的作用下下降或喷入交联液或干燥室形成球形核-壳胶囊[5]。电共挤技术方法简单、成本低廉、常温下即可生产制备，产生的胶囊大小和形状均匀，但其主要局限性是由于高压电场的使用，制备过程中只能使用一些不可燃物质[6]。而新近发展的一种流体震动技术是在电共挤的基础上发展起来的更加完善的技术。与电共挤技术相比流体震动技术有两个方面的改进，首先对流体施加一定的压力，这样层流液体的流速恒定，品控也更加稳定。其次，在喷嘴部位施加一定的震动效应，这样层流液体在震动频率以及电场强度共同作用下液滴之间分散的效果更好[7]。流体震动技术制备海藻酸钙微胶囊过程见图1，当壁材和芯材是相容的物质时，壁材与芯材共混合后的层流液体通过单喷嘴，在电场以及高频震动的共同作用下使之形成伞状分散的小液滴，然后小液滴喷入交联液或干燥室形成球形核-壳胶囊。

流体震动技术制备的微胶囊的外观、尺寸、厚度、结构、核心物质的释放以及稳定性等特性，其主要影响因素不仅与微胶囊的壳流体有关，如聚合物浓度、粘度、密度、表面张力以及电导率等，而且还与过程因素有关，如核和壳震动频率、电压、温度、喷嘴直径、交联剂浓度、交联时间、干燥方法[8]。然而，所有这些因素对微胶囊特征的影响，还没有被系统地研究。例如，Supaporn等人利用5.2 μm孔径的亲水性的管状多孔玻璃膜生产微胶囊，当海藻酸钠浓度增加时微胶囊的粒径也随之增加，而氯化钙浓度以及交联时间却对微胶囊的粒径未有显著影响，且对于微胶囊粒径的影响Supaporn等人只考虑了这3个因素[9]。

本研究的目的是利用流体震动技术在制备微胶囊的过程中的7个关键因素：海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、交联时间、喷嘴大小、震动频率、电场强度以及压力值对微胶囊的外观、直径、硬度等的影响。探究微胶囊制备条件对微胶囊性质的影响关系，进而揭示他们之间的规律性，以期对微胶囊的实际生产有所帮助。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻酸钠与无水氯化钙均购自天津科密欧化学试剂有限公司。

BUCHI微胶囊造粒仪(Encapsulator B-395 Pro)、电子分析天平AB104-N、小熊电动搅拌机DDQ-A01G1、马尔文激光粒度仪Mastersizer 2000、物性测试仪TA.XTPlus。

1.2 试验方法

1.2.1 制备海藻酸钙微胶囊

海藻酸钠水溶液用来制备微胶囊壳液，配制不同浓度的海藻酸钠溶液，超声10 min以去除气泡后装入400 mL的压力瓶中，在不同的压力下形成层流液体，通过不同的震动频率和电压下滴入不同浓度的交联介质氯化钙水溶液中。层流液体通过不同直径的单喷嘴的时间为10 min。喷嘴和交联介质表面之间的距离为10 cm。在不同的交联时间固化后，形成的湿微胶囊用蒸馏水洗涤后通过真空过滤收集，然后在23±2 ℃烤箱里干燥过夜。将得到的干微胶囊存储在23±2 ℃的干燥箱中。

1.2.2 实验设计与数据分析

制备过程中，通过预实验以及微胶囊造粒仪的条件，设计一个7因素，5水平试验。7个因素分别为是X1海藻酸钠浓度(0.4%～1.2%，w/v)、X2氯化钙浓度(0.1～0.5 mmol/L)、X3交联时间(0～60 min)、X4喷嘴直径(80～400 μm)、X5震动频率(1 000～2 600 Hz)、X6电场强度(750～1 150 V)、X7压力值(10～50 kPa)。对微胶囊有3个主要的特性分析，包括外观、Y1直径以及Y2硬度。每个因素为5个水平，见表1。

表1 由7个因素所设计的分组以及其对应的海藻酸钙微胶囊特性数值

Table 1 Experimental characteristics values of calcium-alginate macrocapsule determined from groups by the seven designed factors

试验号X1X2X3X4X5X6X7Y1Y210.40.330200180095030338.36290.120.60.330200180095030224.41262.730.80.330200180095030269.98327.3410.330200180095030372.06544.251.20.330200180095030582.1967660.80.130200180095030255.59177.470.80.230200180095030263.27277.580.80.430200180095030253.62440.690.80.530200180095030264.59522.3100.80.30200180095030256.96137.4110.80.315200180095030260.73278.3120.80.345200180095030269.88439.2130.80.360200180095030279.18553.5140.80.33080180095030162.50181.7150.80.330120180095030188.43243160.80.330300180095030287.30502.7170.80.3304501800950301063.92935.1180.80.330200100095030251.39281.5190.80.330200140095030264.03285.1200.80.330200220095030284.53395.3210.80.330200260095030329.36429220.80.330200180075030235.73283.9230.80.330200180085030256.63290.1240.80.3302001800105030251.43290.1250.80.3302001800115030237.98293.2260.80.330200180095010490.17592.9270.80.330200180095020372.06552.5280.80.330200180095040284.53453.5290.80.330200180095050375.15519.4

1.2.3 形态学分析

微胶囊的外观用显微镜放大40倍观察。外观分为4类圆形和光滑的表面、圆形表面褶皱、非圆形和光滑的表面以及非圆形表面褶皱的表面。取1 g微胶囊通过粒度分布仪对其直径进行测定。

1.2.4 结构分析

微胶囊硬度利用质构分析仪测定。使用直径20 mm的圆形探头测量，硬度定义为微胶囊破裂所需的最大压缩力。

2 结果与分析

2.1 表观

微胶囊的显微观察表明，制备的微胶囊呈现出4种不同类型的表面外观，有代表性的例子示于图2(其余微胶囊显微观察图像未给出)：图2(a)(试验号13)圆形和光滑的表面，图2(b)(试验号5)圆形表面褶皱，图2(c)(试验号6)非圆形和光滑的表面，图2(d)(试验号10)非圆形表面褶皱的表面。

图2 显微镜下观察具有代表性表观的海藻酸钙微胶囊Fig.2 Microscopic photographs of the calcium-alginate macrocapsules

当交联时间充足时(交联时间为60 min)，交联在液滴中发生的较丰富，此时外壳更厚且凝胶网络更加致密，从而形成圆润的微胶囊表面(图2(a))。海藻酸钠是一种迅速吸收超过自身重量很多倍水的凝胶[9]，在交联过程中，当海藻酸钠浓度过高时(1.2%)，液滴中的Na+含量较高，交联反应的较充分，由于海藻酸钠的吸收的水更多使得干燥后微胶囊急剧皱缩，从而导致微胶囊的表观褶皱(图2(b))。由于在液滴的壳层上发生的海藻酸钙凝胶比较迅速，当海藻酸钠浓度一定时，液滴中的Na+含量相同，如果氯化钙浓度较低(0.1 mmol/L)或者交联时间不足(0 min)，液滴内部发生的凝胶过程很少，且仅有外壳完全覆盖“蛋壳结构”，从而导致形成不规则的的微胶囊表面(图2(c)、图2(d))。由图2可见，海藻酸钠、氯化钙浓度以及交联时间，对微胶囊的表观影响较大。

2.2 直径

海藻酸钠是一个由β-α-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(G)组成的聚合分子，海藻酸钠的交联发生是海藻酸钠中的α-L-古洛糖醛酸与二价金属离子结合，交换Na+形成有特色的蛋壳状结构[10]。如图3(a)所示，当海藻酸钠浓度较低(0.4%，w/v)时微胶囊的粒径较大(338.36±1.80 μm)。如前所述，当层流液体移动到喷嘴时，一个正电位施加到喷嘴上，与此同时，在振动频率的共同作用下，层流液体在喷嘴尖端形成悬挂的液滴，而Na+被迫迁移到液滴的表面，导致所有液滴的表面均带正电荷从而互相排斥，使液滴脱离喷嘴并分散开来[11]。在同等条件下，粘度较低的层流液体在正常的压力情况下更容易通过喷嘴，这时流速变大，使得电场对液滴表面张力的降低并没有起到很好的效果。当海藻酸钠浓度增加到0.6%(w/v)时微胶囊的粒径为224.41±0.81 μm，与海藻酸钠浓度0.4%(w/v)时相比微胶囊的粒径减小，这是因为此时液体粘度的适当增加，层流液体通过喷嘴时的阻力也有所增加，层流液体通过喷嘴时流速相对正常，震动频率以及电场强度对层流液体的作用增强。但随着海藻酸钠浓度的逐步增加，虽然此时液滴中的Na+含量较多，理论上液滴表面的表面张力应该更低，然而此时溶液粘度变的更大，实际上并不利于液滴的分散[9]。所以随着海藻酸钠浓度的升高，液滴也越来越大。海藻酸钠浓度在0.6～0.8%(w/v)时微胶囊的粒径越来越大。Supaporn等人利用5.2 μm孔径的亲水性的管状多孔玻璃膜生产微胶囊，当海藻酸钠浓度增加时微胶囊的粒径也随之增加[9]。

由图3(d)可知，喷嘴直径对微胶囊直径的影响差异显著(p<0.01)，但有趣的是，喷嘴直径在80～300 μm微胶囊粒径由162.50±1.94 μm增加至287.30±0.80 μm几乎成线性关系，且变化有限。当喷嘴直径增加到450 μm时生产出来的微胶囊粒径突然急剧增大(1 056.47±22.85 μm)。这是由于喷嘴直径过大，在压力值一样的情况下，层流液体流速过快[12]，震动频率和电场强度对层流液体施加的影响不足以使其成正常的伞状分布，从喷嘴中流出的液体几乎成一条直线喷射进交联液里，因此微胶囊粒径突然急剧增大。

基质材料在密封瓶中通过压力泵送以形成液体射流，压力值对层流液体的流速有很大的影响[11]，但整个仪器所能承受的压力值有一定的限度[13]。压力值对微胶囊粒径的影响差异显著(p<0.01)。由图3(g)可见当压力值为10 kPa时微胶囊的粒径比较大(490.17±4.90 μm)，这是由于此时的压力不足以使浓度为0.8%的海藻酸钠溶液顺利的通过直径为200 μm的喷嘴，层流液体出现滞流现象，此时下落的液滴较大，震动单元以及施加的电场不足以使液滴分散，从而导致平均粒径较大。随着压力值的增加这种现象得到缓解(压力值由10 kPa升高至30 kPa时微胶囊的粒径由490.17±4.90 μm下降至269.97±1.37 μm)。但随着压力值升高至40 kPa时此时的压力值相对于0.8%浓度的海藻酸钠来说较大，使得层流液体流速过快，导致层流液体出现如前述低海藻酸钠浓度时相同的情况，微胶囊粒径随着压力值的增加开始逐渐变大(压力值由30 kPa升高至50 kPa时微胶囊的粒径由269.97±1.37 μm上升至375.15±5.45 μm)。

图3 7因素设计分组的微胶囊粒径柱形图Fig.3 Column charts of calcium-alginate macrocapsule particle sizes determined from groups by the seven designed factors

图4 7因素设计分组的微胶囊硬度大小的柱形图Fig.4 Column charts of calcium-alginate macrocapsule hardness sizes determined from groups by the seven designed factors

由图3(b)、(c)、(e)和(f)可见，氯化钙浓度、交联时间、震动频率以及电场强度对微胶囊粒径的影响差异不显著。Supaporn等人利用5.2 μm孔径的亲水性的管状多孔玻璃膜生产微胶囊也表明氯化钙浓度以及交联时间对微胶囊的粒径无影响[9]。但是，Natthiya等人利用电共挤技术制备微胶囊时表明，电场强度对微胶囊的粒径有负相关的影响(p<0.05)，这是因为其所使用的喷嘴直径较大导致的(外壳管内径1.07 mm，本试验所采用的喷嘴直径仅0.2 mm)。喷嘴直径较大产生的液滴较大，液滴中的Na+含量较多，电场强度对液滴的作用效果增强[11]。综上所述，喷嘴直径、海藻酸钠浓度、压力值对微胶囊的粒径都有显著影响(p<0.01)。且喷嘴直径对微胶囊粒径大小的影响最大，海藻酸钠浓度和压力值的影响次之。

2.3 质构特性

微胶囊应用范围不同，其物理机械性能的要求也有很大差异。在微胶囊制作过程中，微胶囊性能的表征一直受到广泛关注[14-15]。利用质构仪对所得的微胶囊进行结构分析。由图4(a)可见，海藻酸钠浓度对微胶囊的硬度影响和其对粒径的影响趋于一致(差异显著，p<0.01)，然而其原因有不同之处。首先，根据之前的说明，在电场作用下，液滴中海藻酸钠溶液的钠离子被迁移到液滴的表面，液滴被分散后进入到交联液，液滴表面形成海藻酸盐凝胶。理论上随着海藻酸钠浓度的升高，液滴表面的Na+也增加，使液滴更容易与交联液交联，形成更致密的蛋壳结构，微胶囊的硬度应该与海藻酸钠浓度成正相关。然而由于之前所述当海藻酸钠浓度为0.4%时液滴相对较大，其硬度略有增加(290.1±0.11 g)。

由图4(b)可知，CaCl2浓度对微胶囊硬度的影响差异显著(p<0.01)(硬度为177.4±0.08～522.3±0.15 g)。这是归因于较高的Ca2+浓度所带来的丰富的海藻酸盐凝胶使得微胶囊表面的“蛋壳结构”更加的致密[9]。在CaCl2的浓度较低时(0.1 mmol/L)，Ca2+大部分是由海藻酸钠微球表面吸收，硬度较小(177.4±0.08g)。但当CaCl2浓度较高时(0.5 mmol/L)，液滴的表面交联和内部交联可同时发生[16]，所以硬度更大(522.3±0.15 g)。由图4(c)可见，交联时间对微胶囊硬度的影响成正相关，差异显著(p<0.01)。与氯化钙对微胶囊硬度的影响原理相似，当交联时间为较短时微胶囊只有表面少量的Ca2+得以与海藻酸钠交联形成一层较薄的“蛋壳”。随着交联时间足够长，微胶囊的硬度随着Ca2+的深入固化使硬度变得更大[17]。

由图4(d)可见，喷嘴直径对微胶囊硬度的影响差异显著(p<0.01)。理论上来说，相同条件下，微胶囊的粒径越小其硬度越大[18]。但是在此生产工艺条件下，随着喷嘴直径的增加，液滴也越来越大，液滴里面包含的Na+越多，液滴交联的Ca2+也越多，交联形成的“蛋壳”结构也越致密，相应的硬度也越大。

由图4(f)可见，电场强度对微胶囊的硬度呈现负相关，电场强度对微胶囊硬度影响差异显著(p<0.01)。随着电场强度的增加，在外壳层的钠离子迁移加速，表面张力降低，根据表面电荷密度的Lippman方程：dγ=-σdX3可以很好地解释随着电场强度的增加，液滴的表面张力降低[19]。此外，正常的电应力作用在液滴表面使得电压的作用更强。这些原因导致更小的液滴，薄的壳层，从而导致微胶囊的硬度变得更小。Natthiya等人利用电共挤技术制备微胶囊时也表明，电场强度对微胶囊的硬度有负相关的影响(p<0.05)[11]。

由以上结果可见微胶囊的硬度受到喷嘴直径、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、交联时间以及电场强度等因素的显著影响。由图3(e)和图4(e)可见，震动频率对微胶囊表征的影响无显著差异。但是在试验中发现，震动频率如果过低或者过高均会导致液滴出现粘黏或者贴壁现象，从而影响产品的均一性和产出率，同时对包埋的效果产生较坏的影响。在微胶囊制备过程中，震动频率也是一个值得考虑的因素。

在冻干LactobacillusbulgaricusL2时，当海藻酸钠浓度为6%时菌体的存活率几乎为100%，而海藻酸纳浓度分别为1.5%和3%时菌体存活率也达到80%以上。然而，高比例的海藻酸钠太过粘稠，不适用于商业生产[20]。另外，交联时间的提高可增加微胶囊的强度，使微胶囊的表面更加圆润光滑，耐存储效果更好。但是，当单位体积交联密度足够大，微胶囊的内部应力就使得微胶囊破裂，微胶囊内部核心物质就被暴露出来[9]，在实际的工业生产中需要统筹各因素的影响，这样才能获得理想的产品。

3 结 论

流体震动技术制备海藻酸钙微胶囊的表观特征主要受到海藻酸钠浓度、氯化钙浓度以及交联时间的影响；喷嘴直径对微胶囊粒径的影响最大，海藻酸钠浓度和压力值的影响次之；微胶囊的硬度主要受到喷嘴直径、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、交联时间以及电场强度等因素的影响。虽然震动频率对微胶囊的表征无显著影响，但在制备微胶囊的过程中是一个不可忽略的因素，其对微胶囊制备工艺中的其它可能潜在的影响有待发现。同时，各因素之间对微胶囊的包埋率、缓释以及耐存储等其它所有微胶囊特征系统的影响还有待进一步的研究。

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Calcium alginate microcapsule preparation technology and properties of fluid vibration system

ZHANG Yu-Dong，LEI Hong*，LI Yuan-Jing，ZHU Lin,WANG Miao

(CollegeofLifeSciences,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Fluid motion technique to prepare alginate microcapsules were studied during the preparation of the 7 key factors that affect the relationship between the apparent microcapsules and structural features.The results showed that the microcapsules main exhibit four different apparent characteristics: round and smooth surface,rounded surface wrinkles,smooth surface and a non-circular and non-circular surface wrinkles surface,mainly by alginate sodium concentration,and the effect of calcium chloride concentration of crosslinking time; diameter ranges for respective conditions prepared microcapsules is 0.16～1.06 mm,the impact on the size of the nozzle the maximum particle size of microcapsules,sodium alginate and pressure values impaction; each condition prepared hardness range microcapsules 137.4～935.1 g,affected nozzle size,concentration of sodium alginate,calcium chloride concentration,crosslinking time and the electric field strength and other factors.While the vibration frequency had no significant effect on the characterization of the microcapsules,but in the process of preparing microcapsules is a non-negligible factor.

calcium alginate microcapsules；fluid vibration technology；microcapsule shell;apparent characteristics

10.13524/j.2095-008x.2016.04.059

2016-09-25;

2016-10-10

黑龙江省科技厅重大攻关项目(GB09C302)；黑龙江大学研究生创新科研项目产学研专项(YJSCX2016-162HLJU)

张玉冬(1991-)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：微生物生物化学与分子生物学，E-mail：985818068@qq.com；*通讯作者：雷 虹(1971-)，女，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，研究方向：食品微生物，E-mail：leihong1971@aliyun.com。

O636.1;TB302.4

A

2095-008X(2016)04-0059-09