CN1942239A - 油的凝聚囊化法 - Google Patents

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T·E·弗里德曼恩
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    • B01J13/02—Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/06—Making microcapsules or microballoons by phase separation
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Abstract

本发明描述了通过凝聚法使水不溶性油囊化，从而降低这些微囊形式的油的氧化降解。本发明方法中所用的水不溶性油包括多不饱和脂肪酸油(PUFA)等食用油、香料油及农用和药用活性油。

Description

油的凝聚囊化法
                      发明领域
本发明的领域为通过凝聚法使油微囊化。
                      发明背景
凝聚法为许多类型活性成分的囊化提供了广泛的应用范围。此类活性成分可包括例如PUFA(多不饱和脂肪酸)油、其它食物成分(香料油(flavor oil)、维生素和其它疏水组分)、农业化学品活性成分和卫生保健品成分。加深对凝聚囊外壳抗渗性的了解，控制外壳的热稳定性和机械稳定性，还能为该技术提供各种专项应用，包括控释、掩味和防止微囊化油发生化学变质的能力。食物和香料类中的许多油具有气味浓郁和对氧化不稳定的性质，因此，通常有必要将这些油囊包封在核心-外壳材料中，使之适口并降低氧化降解作用。可用于实现该作用的一项技术是复凝聚法[B.K.Green；L.Schleicher，美国专利2 800 457，1957]。这是一项已知技术，早已用于许多商业应用[T.G.Lunt，Leatherhead Food RA Research Reports，No.181，1972和R.D.Harding，Leatherhead Food RA Research Reports，No.194，1973]。本发明提供通过凝聚法使油微囊化的改进方法及产品，以及对囊材(coating)性能进行定量的表征技术。
                      发明概述
本发明描述了水不溶性油的微囊化方法，该方法包括以下步骤：
(a)在淀粉存在下，形成含所述水不溶性油和复合多糖的细乳状液；
(b)在约40℃至约50℃的温度下，向步骤(a)的乳状液中加入蛋白质；
(c)调节步骤(b)组合物的pH使其低于所述蛋白质等电点；
(d)通过将步骤(c)的组合物冷却至温度40℃以下，使所述组合物增稠；和
(e)调节步骤(d)组合物的pH至约pH 10以下。
本发明还描述了包括以下另外任选步骤的方法：
(f)向步骤(e)的组合物中加入交联剂；
(g)浓缩微囊化组合物；和
(h)喷雾干燥步骤(g)的组合物，得到干的微囊化油颗粒。
本发明还涉及通过所述方法制备的产品及这些产品的组合物。
                      附图简述
图1是表示pH对本发明颗粒归一化表面电荷的影响的图。
图2(a)为平均直径14.6μm的凝聚颗粒的光学显微照片。
图2(b)是表示图2(a)中凝聚颗粒的粒径分布图。
图3是用明胶喷雾干燥的凝聚颗粒的光学显微照片。
图4是表示VLE(蒸汽-液体-平衡)室中，温度对压降随时间而变化的影响的图。
图5是表示压降随丙醛浓度而变化的图。
图6是表示每凝聚液滴表面积的耗氧浓度随时间而变化的图。
图7是表示具特定直径的喷雾干燥凝聚颗粒的微压缩数据的图。
                      发明详述
凝聚法一般包括水包油乳液的形成，该乳液通过多糖和可溶性蛋白使之稳定。这些分子通过静电相互作用交织在一起，在分散的油滴周围形成核心-外壳材料。在以前的研究中，最初的水包油乳液用可溶性蛋白(例如明胶)使之稳定[W.M.McKeman，FlavourIndustry，第4卷，(2)，70-74，1973]。向分散体中加入多糖(例如阿拉伯胶)，再降低pH使其低于蛋白质等电点，使分子间产生强烈的静电相互作用。所得外壳通过冷却使之硬化，再加入交联剂(例如戊二醛)使之稳定。
然而，该经典油囊化凝聚法的应用令人不甚满意，因为在明胶存在下，乳液稳定性差。例如，发现在多糖(阿拉伯胶)而不是可溶性蛋白(明胶)的存在下，用转子-定子均化器在40℃下形成的水包油乳液更为稳定，通过加入蜡质玉米淀粉(支链淀粉含量高)进一步使之稳定。淀粉通常用作稳定剂，也有助于囊材的氧气抗渗性[R.Buffo，G.Reineccius，Perfumer & Flavorist，25(3)，37-51，2000]。在40℃下，通过向乳液中加入明胶溶液，产生凝聚作用。含明胶、阿拉伯胶、淀粉和PUFA油的分散体的正常pH约5.5。当用1.0M柠檬酸使pH降至4时，明胶分子的电荷由负变为正，使之与带负电的阿拉伯胶产生相互作用，见图1。
所得外壳可在5℃下冷却45分钟使之硬化，pH 9(加入1.0MNaOH后)时，再加入戊二醛能使之稳定，戊二醛在交联反应中，与明胶分子上的氨基位点结合。所得凝聚囊含直径介于2μm和40μm之间(取决于转子-定子的速度和成分的浓度)的球形液滴，在研究的时间框内(至少3个月)不相互聚结，见图2。
文献资料记载了凝聚囊具连续的外壳，虽然外壳的厚度并不一致[P.Vilstrup主编，“食物成分的微囊化(Microencapsulation of FoodIngredients)”，Leatherhead，Surrey，2001]。Paetznick[D.J.Paetznick，G.A.Reineccius，T.L.Peppard，2003年苏格兰格拉斯哥举行的控释学会第三十届总年会(Controlled Release Society 30th Annual GeneralMeeting，Glasgow，Scotland，2003)]报告多数市售的凝聚囊显示橄榄球形的形状。这一特殊形状无法有效地利用囊材，因为部分活性材料仅受一薄层保护，而大量的囊化材料集中在橄榄球形颗粒的两端。本发明的凝聚颗粒显示出球形形状，为囊化材料提供了更好的应用。相信凝聚过程中，混合和分散条件影响最终囊的形状。参见图2。
如果需要，最终的凝聚囊可进行喷雾干燥，除去多余的水分，得到直径约25μm～100μm的颗粒(图3)。
本发明中，还使用表面油测量，描述核心-外壳材料完整性的特征。本实验中，为了使任何未囊化或囊化差的PUFA油增溶，而充分搅拌凝聚囊和己烷。然后己烷经分离并蒸发至干，以便可检测出任何残余的PUFA油。在大多数情况下，发现凝聚囊中低于总油的1％为表面油。因此发现微囊法是非常有效的。
核心-外壳材料的一个主要目的是防止PUFA油滴氧化。氧化导致形成许多有臭味和臭气的降解产物(包括丙醛)。这一方面的试验可在VLE室中进行，参见C.-P.Chai Kao，M.E.Paulaitis，A.Yokozeki，液相平衡(Fluid Phase Equilibria)，127，191(1997)，VLE室使得能在连续搅拌下，在高温高压下进行工作。可通过记录随时间而变化的压降，测量耗氧量(图4)，我们在整个实验中，通过对水相进行GC分析，证实压降与丙醛产量呈正相关(图5)。值得注意的是，用十二烷基硫酸钠(SDS)稳定的未囊化PUFA乳液，6℃下仅经6个小时就完全降解(图4)。相比之下，相同温度下的凝聚颗粒两天后才开始降解。对于相同的凝聚制剂，温度从1℃增加到70℃时，降解速率几乎加倍，增加到80℃时，情况也是如此。然而即使在80℃，凝聚颗粒也比60℃时的SDS乳液更稳定。
图5中，对于用SDS稳定的PUFA乳液，将压降对丙醛浓度作图。线性相关证实PUFA的降解与耗氧量成正比。
通过将每液滴表面积耗氧的摩尔数对时间作图(图6)，可确定穿过囊层的分子流量。根据具Hydro 2000S成像装置(presentation unit)的Malvern Mastersizer 2000测得的粒径分布，计算出表面积。这些线的斜率直接表示囊材的质量。
低浓度配方成分的凝聚囊(曲线D)显示陡的斜率，提示囊材的厚度不足以防止氧化。成分浓度增加时(曲线A)，斜率变平，证实囊材厚度是氧化稳定性的关键因素。曲线E表示穿过用SDS表面活性剂稳定的乳液的流量。这提供了最小的氧化屏障，使得呈高流量地进出液滴。
使用Shimadzu微型压缩装置(MCTM-500，具500μm触头(tip))，该装置测量随施加在颗粒上的荷载而变化的位移，对围绕单个喷雾干燥颗粒的囊材的完整性进行测量，见图7。在每次压缩实验后，颗粒破裂，可看到游离油周围的外壳碎片。
本文所用的术语“乳液”是指一种液体在另一不混溶液体中的稳定分散体系。
本文所用的术语“乳化”是指使一种液体在另一种不混溶液体中分散的过程。通常，形成乳滴需要剪力，可通过多种分散装置制备乳滴，分散装置包括但不限于高压微射流分散装置(microfluidizers)、高压均化器、胶体磨、转子-定子系统、微孔膜、超声装置和高速搅拌机(impeller blades)。
本文所用的“水溶性”是指平衡温度和压力下，每升水中可溶解溶质的摩尔数。
本文所用的“水不溶性油”是水中的溶解度一般低于约4％(重量)的油类。此类油的非限制性实例(不论是作为液体，还是作为活性成分的载体油溶液)包括：海产油(鲸油、海豹油、鱼油、海藻油)；植物源性油(果浆油，例如橄榄油和棕榈油；种子油，例如向日葵油、大豆油、棉籽油、油菜籽油、花生油和亚麻籽油)；微生物源性油；多不饱和脂肪酸(PUFA)油；香料油(柠檬油、浆果油、包括醛、乙酸酯等的香料油；(R)-(+)-苧烯)；药用油(包括营养保健油(nutraceuticals))和作物保护化学品油(例如杀虫剂、除草剂和杀真菌剂)。
本文所用的“淀粉”是指作为贮藏糖广泛分布在植物器官中的复合糖。典型的淀粉原料为玉米、蜡质玉米、马铃薯、木薯、小麦、大米和糯米。淀粉一般为两种葡聚糖(直链淀粉和支链淀粉)的混合物，可通过理化方法调节其性质以生产改性淀粉。发现当本发明使用的淀粉与多糖用作水溶液时，将使水包油乳液稳定。
本文所用的“多糖”是指单糖通过糖苷键彼此结合的多聚体。多糖与淀粉一起使用可使水包油乳液稳定。本发明所用多糖的非限制性实例包括：阿拉伯胶、鹿角菜胶、黄原胶、果胶、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、海藻酸盐、帚叉藻聚糖、亚榄仁树胶、西黄蓍胶、瓜尔豆胶、角豆胶、罗望子粉、阿拉伯半乳聚糖。
本文所用的“蛋白质”是指众多天然存在的复杂物质中的任一种，该物质由通过肽键连接的氨基酸残基组成，含元素碳、氢、氮、氧，一般含硫，有时含其它元素(如磷或铁)，并含许多必需的生物化合物(如酶、激素或免疫球蛋白)。本发明中，一般向水包油乳液中加入蛋白质的水溶液。非限制性实例包括明胶、β-乳球蛋白、大豆和酪蛋白。
本文所用的“微囊化”是指为了控制分子从颗粒内扩散出或扩散进入颗粒的目的，在颗粒材料周围形成一层外壳。外壳的厚度不一定一致。本发明中，外壳可用于防止囊化油发生氧降解。也可用于控制香料或作物保护活性成分从颗粒中释放出来。本发明微囊化颗粒的直径取决于乳化过程中的剪力，一般在1μm和100μm之间。通常，剪力越高，颗粒越小。
本文所用的“交联剂”是任选使用的。该交联剂通过在醛部分的羧基和蛋白质部分的氨基之间形成键，用于使外壳材料中的蛋白质分子交联。虽然可以使用许多不同的交联剂，但本发明特别有用的一种交联剂为戊二醛，戊二醛已通过FDA的批准，以低浓度用于特殊食品的应用中(参见21 CFR 172.230)。
本发明任选使用喷雾干燥。喷雾干燥包括将液体原料雾化成为液滴喷雾，在干燥室中使液滴与热空气接触。喷雾通常或由旋转(轮)雾化器产生，或由喷嘴雾化器产生。在控制温度和气流的条件下，从液滴蒸发湿气，形成干燥颗粒。食品业的许多成分都是喷雾干燥的，例如奶粉、速溶咖啡、大豆蛋白、明胶、香料和维生素。其它干燥方法包括气动干燥法、真空冷冻干燥法。
在以下实施例中，所有使用的化学品和试剂都来自AldrichChemical Co.，Milwaukee，Wl，除非另有说明。
“草莓果酱(Strawberry jammy)”香料来自USA Flavors，Dayton，NJ(含乙酸的香料化合物，003A422)。
“柑桔”香料来自USA Flavors，Dayton，NJ(含D-苧烯、乙酸甲酯和丙醛的香料化合物，48364)。
PUFA-RoPUFA′30′n-3食用油，Roche公司。
明胶-Polypro 5000，Liener-Davis USA。
阿拉伯胶-TIC Pretested预水合阿拉伯胶喷雾FCC干粉(Pre-hydrated Gum Arabic Spray Dry FCC Powder)，TICGums，Belcamp，MD。
淀粉-National Starch & Chemical Co.，Bridgewater，NJ。
戊二醛-EM Science，25％的水溶液，Gibbstown，NJ。
                       实施例
                       实施例1
用含明胶、阿拉伯胶、淀粉和交联剂的制剂，制备平均直径范围为1μm～100μm的微囊。
(A)制备水溶液
40℃下，通过磁力搅拌15分钟，制备含2％-10％(重量)阿拉伯胶和2％-10％(重量)淀粉的蒸馏水溶液。40℃下，再制备单独的10％-20％(重量)明胶的蒸馏水溶液。
(B)乳化
然后将45g阿拉伯胶/淀粉溶液与5g多不饱和脂肪酸(PUFA)油，在6500-13500rpm(Ultra-Turrax T25 Basic-IKA Werke)下机械搅拌5分钟进行乳化。
(C)凝聚
然后，将50g明胶溶液加入(液面下)到经磁力搅拌的乳液中，用1M柠檬酸溶液调低pH至4。然后在水/冰浴中经连续磁力搅拌30分钟，使该分散液冷却至5℃。
(D)交联
从冰浴上取出样品，用1M NaOH溶液调高pH至9。然后在连续磁力搅拌下，加入5ml交联剂(4％-8％(重量)水溶液)。
(E)离心
然后，将微囊化颗粒以2000G离心5分钟进行浓缩，然后，通过撇取使浓缩乳膏与析出的水相分离。该乳膏的囊化油含量介于35％和55％之间，未微囊化油含量低于1％。
通过测量耗氧量及在高温(70℃)和高压(100psia)下丙醛的释放，确定微囊的氧化屏障性能。显示出耗氧量与丙醛释放成正比。通过将每液滴表面积的耗氧摩尔数对时间作图，测出通过囊化外壳的氧流量，见图6。
                       实施例2
用含明胶、阿拉伯胶、淀粉和交联剂的制剂，制备平均直径范围为1μm～100μm的微囊。
重复实施例1所述的方案，但用香料油(R)-(+)-苧烯代替多不饱和脂肪酸(PUFA)油。该方案得到乳黄色分散液，含球形液滴，无游离未囊化油。囊化液滴的大小至少1周保持不变。
                       实施例3
用含明胶、阿拉伯胶、淀粉和交联剂的制剂，制备平均直径范围为1μm～100μm的微囊。
重复实施例1所述的方案，但用农用活性成分例如IN-KN128(Indoxacarb公司市售产品)代替多不饱和脂肪酸(PUFA)油，IN-KN128是一种杀虫剂，溶于甲基化种子油中。该方案得到不透明的分散液，含球形液滴，无未囊化油。液滴的大小同样至少1周保持不变。
                     实施例4
重复实施例1的方案，但用含β-乳球蛋白(而不是明胶)、阿拉伯胶和淀粉的制剂制备形成平均直径范围为1μm～100μm的PUFA油微囊。该制剂中不使用交联剂。将凝聚颗粒在60℃烤箱中存放4天后，分析颗粒周围连续水相中的丙醛。未检出丙醛。相同条件下，明胶凝聚颗粒也防止可检出的丙醛释放。丙醛被认为是PUFA油降解的产物。
                     实施例5
重复实施例1的方案，但用含纤维素(而不是阿拉伯胶)、淀粉和明胶的制剂制备形成平均直径范围为1μm～100μm的PUFA油微囊。检测出最少量的表面油(＜0.25％)，液滴至少1周保持稳定。
                    实施例6和实施例7
重复实施例1的方案，但用含5％(重量)调味油(草莓或柑桔)、8％(重量)阿拉伯胶、8％(重量)淀粉和20％(重量)明胶的制剂，制备形成平均直径范围为1μm～100μm的香料油微囊。不使用交联剂。均化速度为9500rpm(Ultra-Turrax T25 Basic-IKA Werke)。通过离心机(Beckman Coulter Allegra21R)在2000G下浓缩后分离出微囊，并进行喷雾干燥。
                    对比实施例A
用8mM SDS(十二烷基硫酸钠)的水溶液，使PUFA的水包油乳液稳定。SDS为阴离子表面活性剂(购自美国新泽西州Acros Chemical公司)。油滴直径取决于乳化速度，介于1μm和100μm之间。对于凝聚颗粒，此类油滴具相当的表面积，但不提供氧化屏障。

Claims (17)

1.水不溶性油的微囊化方法，该方法包括以下步骤：
(a)在淀粉存在下，形成含所述水不溶性油和复合多糖的细乳状液；
(b)向步骤(a)的乳状液中加入蛋白质；
(c)调节步骤(b)组合物的pH使其低于所述蛋白质等电点；
(d)使步骤(c)的组合物增稠；和
(e)调节步骤(d)组合物的pH至约pH 10以下。
2.权利要求1的方法，其中步骤(b)所述乳状液的温度约40℃至约50℃。
3.权利要求1的方法，其中步骤(d)的增稠作用是通过将所述组合物冷却至温度约40℃以下完成的。
4.权利要求1的方法，该方法还包括步骤(f)：向步骤(e)的组合物中加入交联剂。
5.权利要求4的方法，该方法还包括步骤(g)：浓缩步骤(e)或(f)的微囊化组合物。
6.权利要求5的方法，该方法还包括步骤(h)：喷雾干燥步骤(e)、(f)或(g)的组合物，得到干的微囊化油颗粒。
7.权利要求5的方法，其中在步骤(g)中，所述组合物是通过离心浓缩的。
8.权利要求1的方法，其中所述水不溶性油选自海产油、植物油、微生物油、多不饱和脂肪酸油(PUFA)、香料油、含农用活性成分的油和含药物的油。
9.权利要求1的方法，其中所述多糖选自阿拉伯胶、鹿角菜胶、黄原胶、果胶、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、海藻酸盐、帚叉藻聚糖、亚榄仁树胶、西黄蓍胶、瓜尔豆胶、角豆胶、罗望子粉和阿拉伯半乳聚糖。
10.权利要求1的方法，其中所述蛋白质选自明胶、β-乳球蛋白、大豆和酪蛋白。
11.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是PUFA；其中所述多糖是阿拉伯胶；其中所述蛋白质是明胶；其中所述交联剂是戊二醛。
12.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是PUFA；其中所述多糖是纤维素；其中所述蛋白质是明胶；其中所述交联剂是戊二醛。
13.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是PUFA；其中所述多糖是阿拉伯胶；其中所述蛋白质是明胶；其中不使用交联剂。
14.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是香料油；其中所述多糖是阿拉伯胶；其中所述蛋白质是明胶；其中所述交联剂是戊二醛。
15.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是农用活性成分；其中所述多糖是阿拉伯胶；其中所述蛋白质是明胶；其中所述交联剂是戊二醛。
16.权利要求4的方法，其中所述水不溶性油是药物；其中所述多糖是阿拉伯胶；其中所述蛋白质是明胶；其中所述交联剂是戊二醛。
17.一种产品，该产品通过权利要求1的方法制备。
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