工業DHA微膠囊物理性質的表征

汪碧峰，陳曉東

（廈門大學化學化工學院, 福建 廈門 36100 5）

DHA屬于ω-3系多元不飽和脂肪酸(ω-3 PUFA)，是一種對人體非常重要的多元不飽和脂肪酸。近年來，隨著人們健康意識的加強及對DHA保健功能和營養價值認識的加深，特別是在營養學家提出了必需脂肪酸的必要量和攝入ω-3型脂肪酸和ω-6型脂肪酸的比值(ω-3/ω-6)問題以后，DHA的提取開發已成為食物和藥物資源開發利用的熱點。眾多研究結果表明，DHA具有多種生理功能，如健腦益智、保護視力、抑制血小板凝聚，減少血栓形成，預防心血管疾病；降血脂、防動脈硬化；抗炎和抑制過敏反應；抑制腫瘤生長，降低癌癥發病率等。這些重要作用已經引起了食品、醫藥和保健品領域研究者的廣泛關注。因此，對DHA的研究和新產品的開發已成為了時下的熱點話題。

目前，DHA的開發利用主要存在2個問題：一是來源問題；二是穩定性問題。這兩大關鍵問題限制了其應用和推廣。尤其是穩定性問題(氧化和異腥味)，已成為其在食品中廣泛應用的瓶頸。DHA由于含有5個活潑的亞甲基，極易受光、氧、熱、金屬元素及自由基的影響而發生氧化。同時，氧化了的DHA不僅失去了原有的營養和醫藥價值，而且對人體有害。其中過氧化物能破壞人體中的DHA而引起癌變，氧化產物丙二醛能使蛋白質交鏈而使肌肉失去彈性，黑色素增多，是人體老化的重要因素。脂類氧化物還能使血管粥狀化，損壞血管內壁使之變脆，導致高血壓和腦溢血。同時，DHA的氧化也是產生異腥味的重要原因，其氧化的最終產物是各種具有揮發性的低級醛和酮,這些物質使食品出現魚腥味、油漆味、青草味以及金屬味等異味，因此，必須防止DHA被氧化。

微膠囊技術是一種用成膜材料將固體顆粒、液體顆粒或是氣體包覆使其形成微小粒子的技術。無論芯材物質具有親水性還是具有親油性，大多數均可以被包裹。其作為DHA的載體，具有很多特別的優勢。首先，它可以改善物質的形態(液態轉變成固態)；其次，可以控制物質的釋放過程；第三，提供穩定的環境，保護芯材物質不被氧化；第四，可以遮掩DHA釋放出來的異腥味。正是由于微膠囊技術具有這么多特別的優點，所以廣泛應用于食品和制藥領域[1]。

然而，有關DHA微膠囊性質的表征不足，使人們對生產出來的DHA微膠囊產品沒有一個完整的評價標準，這給工業生產和應用帶來了很多不便之處。例如，在生產中應該保證顆粒具有良好的表觀形態，均一的尺寸分布還有良好的流動性。同時，作為食品成分，微膠囊顆粒不應該具有特殊氣味，應該保持良好的親水性、分散性、溶解性以及熱穩定性。這些性質對于優化微膠囊的制備過程、包裝過程以及儲運過程具有重大影響。目前，有關DHA微膠囊物理性質的研究主要集中在對其表觀形態、粒徑分布、顏色、濕度、溶解度、水分活度、油含量、微膠囊化效率等方面[2～5]。而對其流動性，復水性質，熱力學性質的研究較少。同時，顆粒的震實密度是其基本性質之一，它對產品的儲存、進料以及壓縮過程都有重大影響。震動次數是影響其震實密度的重要因素之一，在較小的震動次數內，震動次數與震動過程中體積減少量的比值與震動次數之間存在著線性關系[6]；同時，隨著震動次數的增加，震實密度會趨于一個定值，通過適當的關系式可以預測震動過程中不同震動次數的震實密度值[7]。顆粒的尺寸分布[8]也是影響顆粒震實密度的重要因素，對于精細顆粒(50μm以下)，尺寸分布越廣，孔隙率就會越小，震實密度也就越大，而在顆粒累積含量達到50%對應的顆粒粒徑di50低于15μm時，顆粒的震實密度會隨著di50的增加而增加，而在di50大于15μm時，顆粒的震實密度不會隨di50的增加而變化。在顆粒粒徑分布滿足Andreasen方程的情況下，顆粒取得最大震實密度的粒度分布系數q介于0.7和0.9之間。同時，顆粒的形態對其震實密度也有重大影響，Miyajima等通過多元回歸分析對實驗結果進行討論，給出了床層孔隙率與顆粒的平均球形度、表面光滑度、真密度和粒徑之間的關系式。總體而言，目前有關顆粒震實密度的研究較少，而且，震 動方法和外力作用等條件的不同，會導致震實密度的測量結果各異。

因此，本文研究的目的就是在對所選定的DHA微膠囊的各個物理性質進行綜合表征的同時，對測量過程中影響DHA微膠囊震實密度的3個因素(震動次數，震動頻率，震幅)進行分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

DHA微膠囊采購于中國某生物工程有限公司，其各方面物理性質代表著國內DHA微膠囊工業化產品的典型特征，其主要成分為乳清蛋白50%，蔗糖10%，麥芽糖糊精10%，DHA30%。通過噴霧干燥法造粒，壓縮空氣進口溫度為190℃，出口溫度為90℃，乳液乳化溫度為45～50℃，產量為180 kg·h-1。

1.2 實驗方法

1.2.1 表觀形態

DHA微膠囊形態學通過S-4800型掃描式電子顯微鏡觀測。將DHA微膠囊固定在雙面導電膠上，通過離子濺射儀在其表面噴涂一層金屬 鉑膜，電壓加速度為10.0kV。

1.2.2 粒徑分布

顆粒的粒徑分布通過Mastersizer 2000型激光粒度儀采用干法測量。進氣壓力為0Pa，進樣速率為30%，進樣震動強度是80%，遮光度設定在0.5%～6%之間，采用Mie氏散射理論分析，測量結果通過體積直徑表述。

1.2.3 密度

微膠囊顆粒松裝密度（ρb）和震實密度（ρb）通過BT-1000型粉體綜合性質測定儀，采用中國國家標準(GB 1479-84, GB/T21354-2008)來測量。震實密度測量選取的震動頻率250次·min-1，震幅為3mm。

震實密度（ρbt）隨震動次數、震動頻率以及震幅變化的實驗采用GP-01型粉體震實密度儀測量。震動頻率變化范圍為0～160次·min-1，震幅變化范圍為0～35 mm。將粉體注入上下可分離的圓柱形容器(容器下部分組件V= 100 cm3, m1=404.29 g)中，將其固定于震動裝置上，震動結束后將上下兩部分分離，用刮板除去下部組件上多余粉體，稱其重量m2。震實密度（ρbt）通過式（1）來計算：

微膠囊顆粒真實密度（ρt）通過3H-2000TD型全自動真密度分析儀采用阿基米德原理-氣體置換法來進行測量。進樣質量為7～8 g，選用氦氣作為分析氣體，進氣壓力為0.1 MPa，平衡時間為1 min。

1.2.4 孔徑分布和比表面積

顆粒孔徑分布和比表面積通過PM60-7-LP型全自動孔隙分析儀采用壓汞法測量，假定孔為圓柱形，采用Washburn方程進行計算，設定汞的接觸角和表面張力分別為140°和480erg·cm-2，壓力范圍在22.41kPa～206.85MPa之間。

1.2.5 流動性和噴流性

顆粒流動性和噴流性通過Carr流動指數法[9]綜合表征。其中，卡爾壓縮率、休止角、崩潰角、差角、平板角、分散度等參數通過粉體綜合性質測定儀測量。

休止角（θr）的測量：顆粒透過震動篩沿著漏斗從一定高度緩緩注入直徑為80mm的不銹鋼底座上，漏斗底部小孔直徑為1mm，固定在離底座45mm處，當物料落滿底座呈對稱的圓錐體并且不再堆高時，關閉震動篩，停止加料，休止角即為底座水平面與顆粒堆積形成的圓錐體錐線之間所形成的夾角。分別測量 0°，120°，240°這 3 處休止角，求取平均值θr，其中顆粒可否自由流動的休止角臨界值為40°。

卡爾壓縮率（CI）是表征顆粒流動性的一個重要指標。當CI小于15%時表示顆粒為非粘性顆粒，流動性很好；當CI大于25%時表示顆粒為粘性顆粒，流動性很差。卡爾壓縮率通過式（2）來計算：

平板角 (θs)的測量：將物料緩緩堆積在放有細長平板的接料盤中，使物料呈自然松散狀，使物料沒過平板20～30 mm，將平板與接料盤緩緩分離，則物料在平板上形成一個堆積體，分別測量平板兩端和中間處斜面與平板之間所形成的夾角，求取平均值θs1。將平板上附有的小鐵錘慢慢提高至指定高度處(約10 mm)，使其落下，待新形成的堆積體穩定之后再次測量平板兩端和中間處斜面與平板之間的夾角，求取平均值θs2，則平板角的大小通過式（3）來計算：

顆粒尺寸分布的均一性通過均齊度Cu來表示，Cu值的大小通過式（4）來計算：

Cu＜2：顆粒尺寸可以看作是均一的；Cu＞2：顆粒尺寸可以看作是分散的。

di60%和di10%分別是顆粒尺寸分布累積含量達到60%和10%時所對應的顆粒的直徑。

崩潰角（θf）的測量：在休止角測定完成之后，將測定底座附有的小 鐵錘慢慢提高到底座下部，使其落下，如此進行3次同樣操作，待新形成的顆粒堆積體穩定之后，分別測量 0°，120°，240°三處底座水平面與顆粒堆錐線之間形成的夾角，求取平均值θf。

分散度（Ds）的測量：粉體在空氣中的飄散程度稱為分散度。稱取10.00g物料注入內徑為40mm的圓柱形容器，容器底部有一滑片堵住，容器下方15mm處有一內徑100mm，高300mm的圓柱形有機玻璃管，玻璃管下方15mm處有一內徑為100mm的接料盤，移開滑片，物料落入盤中，稱量盤中物料質量M1，連續測量3次，求出平均值M。分散度的值通過式（5）來計算：

1.2.6 復水性

采用CX31型生物光學顯微鏡觀測DHA微膠囊的復水過程，放大倍數為200倍，顯微鏡與DP21型CCD攝像機相連，通過Standard圖像處理軟件控制。將微膠囊顆粒分散于載玻片上，再用滴管移取水滴，滴于顆粒之上，復水完成后，停止視頻采集。選取復水過程不同時刻（5s、10s、15s、20s）的圖片。

1.2.7 熱力學性質

采用TG 209F1型同步熱分析儀進行熱重分析，稱取約5mg樣品于TG的樣品盒，從室溫升至500℃，升溫速率為10℃·min-1，氮氣流量為100mL·min-1，測定微膠囊產品的TG-DTG曲線。

2 結果與討論

2.1 表觀形態觀察

微膠囊許多性質都與其表觀形態有關，顆粒的孔隙，表面完整性以及芯材在微膠囊中的分布影響著微膠囊對氧化性物質的保護及微膠囊的溶解性，同時微膠囊顆粒外部表面形態與微膠囊產品的流動性也密切相關。

圖1 DHA微膠囊的表觀形態Fig.1 SEM observation of surface morphology of DHA microcapsules

由圖1(A)可以看出，DHA微膠囊尺寸分布很廣，大部分已經破碎，少量顆粒粘結在一起，微膠囊化效率很低。圖1(B)可以看出，圓形結構顆粒囊壁表面較為光滑，表面有凹陷、裂縫和孔洞現象，包埋效果不好。圖1(C)可以看出，破碎的顆粒大小參差不齊，大部分壁材已與芯材分離。從圖1(D)可以看出，破碎顆粒內部疏松多孔，有類似海綿的微小結構。

2.2 粒徑分布

顆粒尺寸大小對其表觀形態、流動性和溶解性有重要影響。一般而言，粒度小，則易溶于水，但粒度太小，則產品分散性不好，易結團；粒度大，內部有蜂窩狀空隙，則產品的溶解性好。

DHA微膠囊顆粒的尺寸分布如圖2所示，粒徑分布在1～400μm之間，體積平均粒徑為81μm，中位徑粒度為66μm，di10%為24μm，di60%為79μm，Cu值為3.31，顆粒尺寸分布是發散的。

圖2 DHA微膠囊的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of DHA microcapsules

2.3 密度

松裝密度是指顆粒在特定容器中處于自然充滿狀態后單位體積的質量。松裝密度過低，加大了顆粒的包裝、儲存和運輸成本。顆粒的真實密度是指顆粒的質量除以不包括顆粒內部任何孔隙的體積所得的密度。震實密度是指一定質量(或體積)的粉體裝填在特定容器后，對容器進行一定強度的震動，從而破壞粉體顆粒間的空隙，使顆粒處于緊密狀態，這時單位體積粉體的質量叫做粉體的震實密度。顆粒的震實密度也是顆粒的一項基本性質，它與顆粒的團聚、流動、壓縮等性質密切有關。同時，對其進料、包裝以及儲運過程都有重大影響。

表1 DHA微膠囊密度Tab.1 The density of DHA microcapsules

然而，震動方法和外力作用等條件的不同，會導致其震實密度的測量結果各異。圖3所示為震實密度隨震動次數變化之間的關系，當震動次數達到一定數值(1000)之后，顆粒的震實密度將不會發生明顯變化，這與Miyajima等人的研究結果一致。圖4和圖5分別表示震實密度隨震動頻率和震幅變化之間的關系圖，從圖中可以看出，當震動頻率和震幅分別達到112min-1和9mm之后，震實密度也不會再發生明顯變化。

圖3 震實密度隨震動次數的變化關系Fig.3 Relation between tapping number and tap density(f =128 min-1, A=3 mm)

圖4 震實密度隨震動頻率的變化關系Fig.4 Relation between tapping frequency and tap density(N=1000, A=3 mm)

圖5 震實密度隨震幅的變化規律Fig.5 Relation between amplitude and tap density (N=1000,f=128 min-1)

2.4 孔徑分布與比表面積

微膠囊顆粒的孔徑分布和比表面積直接影響其吸水性以及功能性組分的傳遞過程，它是微膠囊顆粒的加工性質及產品質量的重要參數。孔隙率及比表面積的大小直接影響著功能性組分的崩解和溶出，溶出越快，越易吸收，功能性組分的生物利用度也就越高。因此，孔隙率和比表面積大小的確定對微膠囊產品的應用及其應用范圍的 擴大有著重大意義。

顆粒中的微孔包括顆粒與顆粒之間的微孔和顆粒內部的微孔。這2種微孔在通過壓汞法測量時，一般會出現2個峰，如圖6所示。低壓對應著顆粒與顆粒之間的孔隙，該孔隙孔徑較大，允許汞蒸氣在低壓狀態下進入，而顆粒內部孔隙孔徑較小，只有通過高壓才可以將汞蒸氣壓入。從圖6中可以看出，DHA微膠囊的2種微孔分布明顯，孔徑分界點為0.3μm。其中，顆粒與顆粒之間的孔容為0.56cm3·g-1，比表面積為 4.73m2·g-1，顆粒內部孔容為 3.03 cm3·g-1，比表面積為 0.83m2·g-1，總孔隙率為84%。

圖6 DHA微膠囊顆粒孔徑分布圖Fig.6 Typical pore size distribution of DHA microcapsules

2.5 流動性和噴流性

在食品生產過程中，顆粒流動性和噴流性隨生產工藝、粒度大小、水分含量、顆粒形狀、壓實力大小和壓實時間長短等因素的不同而有明顯的變化。同時，食品顆粒的流動性和噴流性決定了食品顆粒的輸送、篩選、干燥等環節的操作。因此，準確評定DHA微膠囊顆粒的流動性和噴流性對其工業化生產和應用具有重要意義。

流動性指數Fw是單項檢測項目（休止角θr，卡爾壓縮率CI，平板角θs，均齊度Cu）指數化后的累加。休止角表征食品粉體顆粒堆積層的自由表面在靜止狀態下可以形成的最大角度。它對食品顆粒的流動性影響最大，休止角愈小，食品粉體顆粒的流動性愈好。卡爾壓縮率是震實密度與松裝密度之差與震實密度之比，卡爾壓縮率越小，顆粒的流動性就越好。平板角是指將埋在顆粒中的平板向上垂直提起，顆粒在平板上的自由表面（斜面）和平板之間的夾角與受到震動后的夾角的平均值稱為平板角。平板角越小，粉體的流動性越強，一般平板角比休止角大。均齊度是以一定的粒度分布判定粉體顆粒均一性的指標。它間接反映了粉體壓縮性對流動性的影響。均齊度系數愈小，顆粒愈均勻，粉體流動性愈好。表2是本研究中測定的卡爾流動性指數的結果，參照卡爾指數法[9]得到對應于每項測量結果的單項卡爾指數值，將其數值累加，計算出總流動性指數Fw，用以正確綜合評價出顆粒的流動性質。本文中的DHA微膠囊顆粒的總流動性指數Fw為64.5，表明其流動性質一般。

表2 卡爾流動指數Tab.2 Table of Carr’ s flow indexes

噴流性指數FD是單項檢測項目（流動性指數Fw，崩潰角θf，差角θd，分散度Ds）指數化后的累加。顆粒的流動性影響著顆粒的噴流性質，流動性越強其噴流性質也就越強。崩潰角表征食品粉體堆積狀態顆粒受到震動發生崩潰時的角度。它直觀地表示了食品粉體顆粒的噴流特性，崩潰角愈小，噴流性愈強。差角是休止角與崩潰角之差，差角愈大，粉體的流動性和噴流性就愈強。分散度表征粉體在空氣中分散的難易程度稱為分散度，分散度越大其噴流性質也就越強。表3是本研究中測定的卡爾流動性指數的結果，參照卡爾指數法[9]得到對應于每項測量結果的單項卡爾指數值，將其數值累加，計算出總噴流性指數FD，用以正確綜合評價出顆粒的噴流性質。本文中的DHA微膠囊顆粒的總噴流性指數FD為91.5，表明其流動性非常強。

表3 卡爾噴流指數Tab.3 Table of Carr’ s floodability indexes

2.6 復水性

復水性是微膠囊顆粒的一個重要性質，整個復水過程大致可以分為4步[10]：潤濕(顆粒吸收水分)，溶脹(顆粒吸水后體積變大)，分散(顆粒分散成單個小顆粒)和溶解(顆粒完全溶解)。然而，復水過程中的這4個階段之間界限并不明顯，幾乎都是連續或者是同時進行的，而且相互影響。

從圖1(A)中可以看出，DHA微膠囊內部存在孔隙，所以在溶解過程中會有氣泡產生。從圖7(A)中可以看到，已有氣泡產生，說明水分已深入顆粒內部，開始吸水溶脹，壁面部分由于與水接觸較多，已開始溶解。從圖7(B)中可以看出，顆粒內部瓦解，大顆粒開始分散成小顆粒。小顆粒再進一步分散溶解在水中，如圖7(C)所示。在達到20 s時，顆粒已完全溶解。

圖7 DHA微膠囊復水過程的顯微形態Fig.7 Optic microscope photograph of DHA microcapsules be rehydrated in water.

2.7 熱力學性質

從圖8中可以看出，DHA微膠囊顆粒失重主要分為3個階段。第一個階段：在升溫開始時有一干燥和初揮發段，水分和少量的小分子物質逸出，溫度范圍從室溫到115.2℃。在此階段，DTG的失重速率峰與TG的曲線都明顯對應，樣品失重3.5% （從100%到96.5%），質量損失很小說明產品水分含量低。第二個階段：水分和小分子物質揮發后，樣品開始發生分解反應，在115.2～252.9℃范圍內，樣品失重30.9% （從96.5%到65.6%）。根據對壁材的DSC分析，應為蔗糖和部分麥芽糊精分解。第三個階段：隨著溫度的升高，樣品進一步發生分解，溫度范圍為252.9～480.0 ℃，在此階段，樣品的失重為38.8% （從65.6%到26.8%)，分析應是麥芽糊精、乳清蛋白和DHA的分解。以上說明微膠囊化產品熱分解主要經過兩個階段，失重率分別為30.9%和38.8%，由于分解反應連續進行，TG曲線連續下滑，每一階段分界點不明顯，主要通過DTG曲線分析產品的熱解過程。

圖8 DHA微膠囊的TG和DTG曲線Fig.8 The TG curve and DTG curve of DHA microcapsules

3 結論

實驗結果表明，對于類似該DHA微膠囊的產品，通過Carr流動指數法可以很好地描述其流動性質和噴流性質；該DHA微膠囊震實密度起初會分別隨震動次數、震動頻率、震動幅度的增加而增加，次數、頻率和震幅分別達到1000次，112 min-1和 9 mm之后趨于穩定。顯微鏡觀測可以很好地描述DHA微膠囊的復水性質。

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