CN109012520A - 一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，属于微胶囊制备技术领域。本发明以卵磷脂为乳化剂，海藻酸钠或琼脂或k‑卡拉胶为分散相，中链甘油三酯为连续相的油包水乳液，通过离子或温度变化固化分散相成为凝胶颗粒，然后将含有固化凝胶颗粒的乳液加入到溶于酒精的玉米醇溶蛋白溶液中，基于凝胶网络的弹性及渗透压的平衡，凝胶颗粒中的水作为反溶剂缓慢渗出，降低玉米醇溶蛋白溶液的酒精浓度，从而使溶于酒精中的玉米醇溶蛋白析出，在凝胶颗粒表面自组装形成外壳，最终形成以玉米醇溶蛋白为壳层‑凝胶颗粒为核体的核壳结构微胶囊。本发明所使用的材料全部为天然可食用材料，制备方法简单，形成核壳结构的微胶囊可用于易氧化、易潮解物质的贮藏，风味物质及药物的缓释。

Description

一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法

技术领域

本发明涉及核壳结构微胶囊制备技术领域，具体的说是一种基于凝胶网络受限反溶剂的亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备方法。

背景技术

微胶囊壁材性质与其贮藏、稳定及控释等多方面性能密切相关，是决定其功能特性的关键因素。根据微胶囊制备工艺、芯材及壁材性质的不同而形成不同包覆结构的微胶囊。在食品加工过程中，微胶囊壁材的选择通常需要考虑芯材的亲、疏水性。例如，当芯材为油溶性物质时，宜选用如海藻酸钠、阿拉伯胶、明胶及酪蛋白等亲水性或两亲性壁材进行包埋；而芯材为水溶性物质时，则需要选取疏水性壁材，如疏水蛋白、硬脂酸及纤维素等。

目前，国内外研究人员主要采用单一亲水、疏水和两亲性材料作为壁材包裹食品功能因子，而较少关注亲水-疏水核壳结构的微胶囊壁材。事实上，与上述材料相比，采用亲水-疏水核壳结构壁材制备的微胶囊能够通过整合内外两种材料的亲水、疏水特性，达到性能互补和协同增效的作用，从而进一步丰富和增强微胶囊的功能特性，并能够实现在微观尺度上对微胶囊结构的设计和剪裁，可预测其在食品功能因子的荷载/输送特性上能够表现出比单一亲水或疏水壁材微胶囊更强的优势，本发明对于促进微胶囊技术在食品微型包装技术领域的发展具有较高的应用价值。

海藻酸钠(sodium alginate)是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，其分子由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic，M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic，G)按(1→4)键连接而成，是一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。海藻酸钠已经在食品工业和医药领域得到了广泛应用。海藻酸钠能与除镁汞以外的二价金属离子发生快速的离子交换反应，生成海藻酸盐凝胶，其中以与氯化钙形成的凝胶薄膜强度为最大。形成的凝胶性能因M/G值、海藻酸钠的浓度、结合的钙量、凝胶化的条件的不同而有显著的差异。

琼脂(Agar)，是植物胶的一种，是由海藻中提取的多糖体，是目前世界上用途最广泛的海藻胶之一。琼胶的结构是β-D-半乳糖之间以1,3-糖苷键形成链。在链的末端是以1,4-糖苷键同α-D-葡萄糖硫酸酯连接。琼胶无色、无味、能吸水膨胀，溶于热水，冷却后形成凝胶。由于其与水有很强的结合力，在低浓度时也能形成凝胶。所以在食品工业中是果冻制品的胶凝剂，在糖果制作中作为软糖基，在果汁饮料中作为浊度稳定剂使用。

卡拉胶(Carrageenan),是从麒麟菜、石花菜、鹿角菜等红藻类海草中提取出来的亲水性胶体，它的化学结构是由半乳糖及脱水半乳糖所组成的多糖类硫酸酯的钙、钾、钠、铵盐。根据硫酸酯结合形态的不同，可分为κ型(Kappa)、ι型(Iota)、λ型(Lambda)，广泛用于制造果冻、冰淇淋、糕点、软糖、罐头、肉制品、八宝粥、银耳燕窝、羹类食品、凉拌食品等。κ型和ι型卡拉胶的热溶液在阳离子存在条件下，冷却到40-70℃，形成一系列的凝胶。这些凝胶在室温下稳定，但加热为凝胶温度的5–20℃以上时熔融。食品体系中的离子成分对于卡拉胶的有效利用是非常重要的。例如，κ型卡拉胶与钾离子作用，形成硬且脆的凝胶。ι型卡拉胶选择钠离子在相邻链间形成桥梁，得到典型的柔软有弹性的凝胶。

玉米醇溶蛋白(Zein)是Gorhamin在1821年首次从玉米中提取的一种能溶解于乙醇的蛋白质，并将这种蛋白质取名为玉米醇溶蛋白，简称醇溶蛋白。作为一种天然蛋白质，醇溶蛋白有着广泛的应用。玉米醇溶蛋白具有良好的成膜性、黏接性和防水、防湿性能,还具有耐酸、耐油等特性,可广泛应用于医药、食品及化工等其它行业。在食品工业中,醇溶蛋白可以作为被膜剂,即以喷雾方式在食品表面形成一个涂层,可防潮、防氧化、从而延长食品货架期,喷在水果上,还能增加光泽。它是一种无毒且能强化食品的保鲜剂。在医药方面,由于玉米醇溶蛋白的憎水性,所以可以涂在药片的外面,作防潮层；另外又由于对胃酸稳定,可以作肠溶药片的包衣。此外,如果将玉米醇溶蛋白与纸张复合,可以制成防水防潮的包装材料,还可以作为工业上的黏接剂、发泡剂和乳化剂等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于凝胶网络受限反溶剂法制备以亲水材料为核体、疏水材料为壳层的新型结构微胶囊；从而使微胶囊兼具亲水材料与疏水材料共同的特性，对于包埋的香精物质、功能因子等具有更好的缓释效果，对于易氧化、易潮解物质的保护效果更好。

一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，该方法包括制备亲水胶体核体、固化亲水胶体核体、制备核壳结构微胶囊三个步骤，以海藻酸钠、琼脂及κ-型卡拉胶中的一种作为核体材料，壳层材料为玉米醇溶蛋白，具体制备方法如下：

(1)制备亲水凝胶核体：海藻酸钠溶液与含有2％卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使海藻酸钠均匀分散于油相中，搅拌速率600-10000r/min，搅拌时间为15-45min，所述的海藻酸钠溶液中含有50mmol/L的CaCO₃；

或：

琼脂溶液并与含有2％卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使琼脂均匀分散于油相中，60℃水浴中搅拌，搅拌速率200-1000r/min的，搅拌时间为15-45min；

或：

κ-卡拉胶溶液并与含有2％卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使k-卡拉胶均匀分散于油相中，搅拌速率300-500r/min，搅拌时间为15-45min；

(2)固化亲水凝胶核体：将含有0.45mol/L冰醋酸的中链甘油三酯油溶液缓慢滴加入步骤(1)中制备的海藻酸钠凝胶核体中，且搅拌速度降低为50-80r/min，持续搅拌15分钟；

或：

将(1)中制备好的琼脂凝胶核体迅速转移至冰浴中降温，使琼脂固化形成凝胶颗粒，搅拌速度降低为50-80r/min；

或：

将含有2mol/L KCl的中链甘油三酯油溶液搅拌均匀后缓慢滴加入步骤(1)中制备好的卡拉胶凝胶核体中，且搅拌速度降低为50-80r/min，持续搅拌15分钟；

(3)制备核壳结构微胶囊：将步骤(2)固化后的凝胶颗粒乳液滴加到溶有玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液中混合，在50-80r/min的转速下均匀搅拌1h，之后静置1h，使凝胶中的水与乙醇-水溶液进行可控互换，使溶液中的乙醇浓度降低从而使玉米醇溶蛋白析出，其中凝胶颗粒乳液滴入速率为<3ml/min，优选2ml/min。

优选地，如上所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，所述步骤(1)中海藻酸钠的质量浓度1-3％，琼脂的质量浓度0.2-1.5％，κ-型卡拉胶的质量浓度1.0-2.5％。

优选地，如上所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，步骤(3)中所述玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液，其中乙醇的体积浓度为70％，玉米醇溶蛋白的质量浓度为1.0-3.0％。

优选地，如上所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，所述步骤(3)中乙醇-水溶液中乙醇的浓度从70％降低至30％，优选45％。

优选地，如上所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂的亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备方法，所述步骤(3)中凝胶颗粒与溶有玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液混合，转速进一步优选60r/min。

一种基于凝胶网络受限反溶剂的亲水-疏水核壳结构微胶囊，所述制备方法同样适用于淀粉颗粒或蛋白质纳米颗粒等天然材料，通过反溶剂的加入，形成其与玉米醇溶蛋白的核壳结构。

本发明中凝胶颗粒的制备方法不局限于乳液模板法，凡能够形成凝胶颗粒的方法均适用于本发明，如锐孔凝固浴法等。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明利用的凝胶网络控制的受限反溶剂法制备亲水-疏水核壳结构微胶囊，方法简便易行，采用的亲水性凝胶多糖和疏水性玉米醇溶蛋白，全部为食品级材料。

2、通过简单的改变搅拌速率和玉米醇溶蛋白浓度，有效地调控亲水-疏水核壳结构的微胶囊尺寸和壳层厚度。

3、制备得到的具有亲水-疏水核壳结构的微胶囊可用于易挥发风味物质、功能因子及药物的缓释，易氧化、易潮解物质的保护贮藏等应用。

附图说明

图1分别是以海藻酸钠、琼脂、卡拉胶制备出的不同凝胶机制的亲水凝胶核体和亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜及扫描电子显微镜下观察得到的图片。

图2为亲水-疏水核壳结构微胶囊内部结构及其疏水壳层扫描电子显微镜形貌图(以海藻酸钠微胶囊为例)。

图3为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片(以海藻酸钠微胶囊为例)。

图4为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片(以琼脂微胶囊为例)。

图5为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片(以k-型卡拉胶微胶囊为例)。图6为不同壳层厚度的亲水-疏水核壳结构微胶囊的激光共聚焦显微镜图片及其平均壳层厚度统计表(以k-型卡拉胶微胶囊为例)，其中玉米醇溶蛋白含量分别为1％、2％、3％，溶蛋白含量为1％时对应的壳层厚度为8.7μm，含量为2％时对应的壳层厚度为16.0μm，含量为3％时的壳层厚度为19.6μm。

图7为冷冻干燥后的无壳微胶囊与亲水-疏水核壳结构微胶囊复水后随时间的变化的光学显微镜图片(以海藻酸钠微胶囊为例)。

图8为动态水分吸附仪(DVS)测定的无壳微胶囊与亲水-疏水核壳结构微胶囊在不同水蒸气含量下质量变化百分比(以海藻酸钠微胶囊为例)。

图9为无壳微胶囊与亲水-疏水核壳结构微胶囊荷载维生素B6在水溶液中的释放速率对比图(以海藻酸钠微胶囊为例)。

图10为无壳微胶囊与亲水-疏水核壳结构微胶囊荷载乙酸乙酯在空气中的释放速率对比图(以海藻酸钠微胶囊为例)。

具体实施方式：

以下结合具体的实施案例与步骤来对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于这些实施例的范围。

本发明中凝胶颗粒的制备方法不局限于乳液模板法，凡能够形成凝胶颗粒的方法均适用于本发明，如锐孔凝固浴法等。

实施例1：

本发明适合用于能够形成凝胶的各种分子量海藻酸钠样品，一种以海藻酸钠为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备方法，包括如下步骤：

(1)亲水核体的制备：用去离子水配制含有50mmol/L碳酸钙的海藻酸钠溶液50g(3％w/w)。将配制好的海藻酸钠溶液按照质量比1:4与含有2％(w/w)卵磷脂的MCT混合。通过控制搅拌速率(600r/min、800r/min、10000r/min)和搅拌时间(1h、1h、5min)调控乳液粒径，之后将含0.45mol/L冰醋酸的MCT(20％乳液总质量)滴入乳液中并以60r/min下搅拌15min，对乳液颗粒进行固化。从而制备出多种颗粒尺寸的亲水凝胶核体，如图1中第1排第1张所示为600r/min制得的海藻酸钠凝胶颗粒核体的光学显微镜图片。

2)亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备：配制1％-3％(w/w)的玉米醇溶蛋白于70％(v/v)的乙醇水溶液中并超声15min。将步骤(1)中制备得到的固化亲水凝胶颗粒乳液缓慢滴入(滴入速度：2ml/min)玉米醇溶蛋白溶液中，通过控制加入的凝胶颗粒数量使玉米醇溶蛋白溶液的乙醇浓度从70％(v/v)降至45％(v/v)。混合溶液低速搅拌1h得到包裹均匀的亲水-疏水核壳结构微胶囊，如图1中第1排第2-4张所示为600r/min制得的以海藻酸钠凝胶颗粒为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜图片，可以清晰的观察到核壳结构已经形成。利用扫描电子显微镜对冷冻干燥的微胶囊进行形貌观测，如图2所示为亲水-疏水核壳结构微胶囊内部结构及其疏水壳层扫描电子显微镜形貌图，从图片上能够清晰看到凝胶颗粒表面有形成了玉米醇溶蛋白壳层。

向上述混合溶液中加入大量的水使形成的亲水-疏水核壳结构微胶囊从混合溶液中洗脱出来，通过离心、过滤、冷冻干燥等手段收集得到核壳结构微胶囊。如图3所示为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片，因此，通过控制搅拌速率可以有效的调控核壳结构微胶囊的尺寸。

将冷冻干燥得到无壳微胶囊和核壳结构微胶囊进行复水及动态水分吸附实验，从而对比分析无壳和核壳结构微胶囊在阻湿性能上的差异，如图7-8所示为海藻酸钠微胶囊冷冻干燥后的无壳微胶囊与亲水-疏水核壳结构微胶囊复水后随时间的变化的光学显微镜对比图片，以及在不同水蒸气含量下质量变化百分比对比图片。与无壳微胶囊相比，核壳结构微胶囊具有优良的阻湿性能。

图9-10为无壳微胶囊和核壳结构微胶囊在包埋功能因子维生素B6和风味物质乙酸乙酯后释放特性的测定对比，核壳结构微胶囊能够对包埋功能因子在溶液中的释放及风味物质在空气中的释放起到显著的缓释作用。

实施例2

一种以琼脂为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备，包括如下步骤：

(1)亲水核体的制备：用去离子水配制琼脂溶液50g(0.5％w/w)，将配制好的琼脂溶液按照质量比1:4与含有2％(w/w)卵磷脂的MCT混合。在60℃水浴中通过控制搅拌速率(200r/min、500r/min、1000r/min)和搅拌时间(30min)调控乳液粒径，之后取出并立即置于4℃冰水中并以60r/min下搅拌15min，对乳液颗粒进行固化。从而制备出不同颗粒尺寸的亲水凝胶核体，如图1中第2排第1张所示为200r/min制得的琼脂凝胶颗粒核体的光学显微镜图片。

2))亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备：配制1％-3％(w/w)的玉米醇溶蛋白于70％(v/v)的乙醇水溶液中并超声15min。将步骤(1)中制备得到的固化亲水核体乳液缓慢滴入(滴入速度：2ml/min)玉米醇溶蛋白溶液中，通过控制加入的凝胶颗粒数量使玉米醇溶蛋白溶液的乙醇浓度从70％(v/v)降至45％(v/v)。混合溶液低速搅拌1h得到包裹均匀的亲水-疏水核壳结构微胶囊，如图1中第2排第2-4张所示为200r/min制得的以琼脂凝胶颗粒为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜图片。

向上述混合溶液中加入大量的水使形成的亲水-疏水核壳结构微胶囊从混合溶液中洗脱出来，通过离心、过滤、冷冻干燥等手段收集得到核壳结构微胶囊。如图4所示为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片，因此，通过控制搅拌速率可以有效的调控核壳结构微胶囊的尺寸。

实施例3

本发明暂时仅适用于k-型卡拉胶，并未对其他型号卡拉胶进行尝试，但不限定本发明的保护范围。

一种以k型卡拉胶为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备方法，包括如下步骤：

(1)亲水核体的制备：用去离子水配制k-型卡拉胶溶液50g(1.5％w/w)。将配制好的溶液按照质量比1:4与含有2％(w/w)卵磷脂的MCT混合。通过控制搅拌速率(300r/min、400r/min、500r/min)和搅拌时间(30min)调控乳液粒径，之后将含2mol/g KCl溶液(4％乳液总质量)的MCT(20％乳液总质量)滴入乳液中并以60r/min下搅拌15min，对乳液颗粒进行固化。从而制备出不同颗粒尺寸的亲水凝胶核体，如图1中第3排第1张所示为250r/min制得的k-卡拉胶凝胶颗粒核体的光学显微镜图片。

2)亲水-疏水核壳结构微胶囊的制备：配制1％-3％(w/w)的玉米醇溶蛋白于70％(v/v)的乙醇水溶液中并超声15min。将1)中制备得到的固化亲水核体乳液缓慢滴入(滴入速度：2ml/min)玉米醇溶蛋白溶液中，通过控制加入的凝胶颗粒数量使玉米醇溶蛋白溶液的乙醇浓度从70％(v/v)降至45％(v/v)。混合溶液低速搅拌1h得到包裹均匀的亲水-疏水核壳结构微胶囊，如图1中第3排第2-4张所示为300r/min制得的以κ-卡拉胶凝凝胶颗粒为核体的亲水-疏水核壳结构微胶囊的光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜图片。

向上述混合溶液中加入大量的水使形成的亲水-疏水核壳结构微胶囊从混合溶液中洗脱出来，通过离心、过滤、冷冻干燥等手段收集得到核壳结构微胶囊。如图5所示为不同粒径尺寸的亲水-疏水核壳结构微胶囊在光学显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜下的图片，因此，通过控制搅拌速率可以有效的调控核壳结构微胶囊的尺寸。

Claims (5)

1.一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，其特征在于：该制备方法中的核体材料为海藻酸钠、琼脂及k-型卡拉胶中的任一种，壳层材料为玉米醇溶蛋白，制备方法包括如下步骤：

（1）制备亲水凝胶核体：海藻酸钠溶液与含有2%卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使海藻酸钠均匀分散于油相中，搅拌速率600-10000r/min，搅拌时间为15-45min，所述的海藻酸钠溶液中含有50mmol/L的CaCO₃；

或：

琼脂溶液并与含有2%卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使琼脂均匀分散于油相中，60℃水浴中搅拌，搅拌速率200-1000r/min的，搅拌时间为15-45min；

或：

k-卡拉胶溶液并与含有2%卵磷脂的中链甘油三酯溶液按照质量比1:4混合，通过机械搅拌或高速剪切乳化机使k-卡拉胶均匀分散于油相中，搅拌速率300-500r/min，搅拌时间为30min；

（2）固化亲水凝胶核体：将含有0.45mol/L冰醋酸的中链甘油三酯油溶液缓慢滴加入步骤（1）中制备的海藻酸钠凝胶核体中，且搅拌速度降低为50-80r/min，持续搅拌15分钟；

或：

将（1）中制备好的琼脂凝胶核体迅速转移至冰浴中降温，使琼脂固化形成凝胶颗粒，搅拌速度降低为50-80r/min；

或：

将含有2mol/L KCl的中链甘油三酯油溶液搅拌均匀后缓慢滴加入步骤（1）中制备好的卡拉胶凝胶核体中，且搅拌速度降低为50-80r/min，持续搅拌15分钟；

（3）制备核壳结构微胶囊：将步骤（2）固化后的凝胶颗粒乳液滴加到溶有玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液中混合，在50-80r/min的转速下均匀搅拌1h，之后静置1h，使凝胶中的水与乙醇-水溶液进行可控互换，使溶液中的乙醇浓度降低从而使玉米醇溶蛋白析出，其中凝胶颗粒乳液滴入速率为<3ml/min，优选2ml/min。

2.如权利要求1所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，其特征在于：所述步骤（1）中海藻酸钠的质量浓度1-3%，琼脂的质量浓度0.2-1.5%，k-型卡拉胶的质量浓度1.0-2.5%。

3.如权利要求1所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，其特征在于：步骤（3）中所述玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液，其中乙醇的体积浓度为70%，玉米醇溶蛋白的质量浓度为1.0-3.0%。

4.如权利要求1所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，其特征在于：所述步骤（3）中乙醇-水溶液中乙醇的浓度从70%降低至30%，优选45%。

5.如权利要求1所述的一种基于凝胶网络受限反溶剂制备核壳结构微胶囊的方法，其特征在于：所述步骤（3）中凝胶颗粒与溶有玉米醇溶蛋白的乙醇-水溶液混合，转速进一步优选60r/min。