工业DHA微胶囊物理性质的表征

汪碧峰，陈晓东

（厦门大学化学化工学院, 福建 厦门 36100 5）

DHA属于ω-3系多元不饱和脂肪酸(ω-3 PUFA)，是一种对人体非常重要的多元不饱和脂肪酸。近年来，随着人们健康意识的加强及对DHA保健功能和营养价值认识的加深，特别是在营养学家提出了必需脂肪酸的必要量和摄入ω-3型脂肪酸和ω-6型脂肪酸的比值(ω-3/ω-6)问题以后，DHA的提取开发已成为食物和药物资源开发利用的热点。众多研究结果表明，DHA具有多种生理功能，如健脑益智、保护视力、抑制血小板凝聚，减少血栓形成，预防心血管疾病；降血脂、防动脉硬化；抗炎和抑制过敏反应；抑制肿瘤生长，降低癌症发病率等。这些重要作用已经引起了食品、医药和保健品领域研究者的广泛关注。因此，对DHA的研究和新产品的开发已成为了时下的热点话题。

目前，DHA的开发利用主要存在2个问题：一是来源问题；二是稳定性问题。这两大关键问题限制了其应用和推广。尤其是稳定性问题(氧化和异腥味)，已成为其在食品中广泛应用的瓶颈。DHA由于含有5个活泼的亚甲基，极易受光、氧、热、金属元素及自由基的影响而发生氧化。同时，氧化了的DHA不仅失去了原有的营养和医药价值，而且对人体有害。其中过氧化物能破坏人体中的DHA而引起癌变，氧化产物丙二醛能使蛋白质交链而使肌肉失去弹性，黑色素增多，是人体老化的重要因素。脂类氧化物还能使血管粥状化，损坏血管内壁使之变脆，导致高血压和脑溢血。同时，DHA的氧化也是产生异腥味的重要原因，其氧化的最终产物是各种具有挥发性的低级醛和酮,这些物质使食品出现鱼腥味、油漆味、青草味以及金属味等异味，因此，必须防止DHA被氧化。

微胶囊技术是一种用成膜材料将固体颗粒、液体颗粒或是气体包覆使其形成微小粒子的技术。无论芯材物质具有亲水性还是具有亲油性，大多数均可以被包裹。其作为DHA的载体，具有很多特别的优势。首先，它可以改善物质的形态(液态转变成固态)；其次，可以控制物质的释放过程；第三，提供稳定的环境，保护芯材物质不被氧化；第四，可以遮掩DHA释放出来的异腥味。正是由于微胶囊技术具有这么多特别的优点，所以广泛应用于食品和制药领域[1]。

然而，有关DHA微胶囊性质的表征不足，使人们对生产出来的DHA微胶囊产品没有一个完整的评价标准，这给工业生产和应用带来了很多不便之处。例如，在生产中应该保证颗粒具有良好的表观形态，均一的尺寸分布还有良好的流动性。同时，作为食品成分，微胶囊颗粒不应该具有特殊气味，应该保持良好的亲水性、分散性、溶解性以及热稳定性。这些性质对于优化微胶囊的制备过程、包装过程以及储运过程具有重大影响。目前，有关DHA微胶囊物理性质的研究主要集中在对其表观形态、粒径分布、颜色、湿度、溶解度、水分活度、油含量、微胶囊化效率等方面[2～5]。而对其流动性，复水性质，热力学性质的研究较少。同时，颗粒的震实密度是其基本性质之一，它对产品的储存、进料以及压缩过程都有重大影响。震动次数是影响其震实密度的重要因素之一，在较小的震动次数内，震动次数与震动过程中体积减少量的比值与震动次数之间存在着线性关系[6]；同时，随着震动次数的增加，震实密度会趋于一个定值，通过适当的关系式可以预测震动过程中不同震动次数的震实密度值[7]。颗粒的尺寸分布[8]也是影响颗粒震实密度的重要因素，对于精细颗粒(50μm以下)，尺寸分布越广，孔隙率就会越小，震实密度也就越大，而在颗粒累积含量达到50%对应的颗粒粒径di50低于15μm时，颗粒的震实密度会随着di50的增加而增加，而在di50大于15μm时，颗粒的震实密度不会随di50的增加而变化。在颗粒粒径分布满足Andreasen方程的情况下，颗粒取得最大震实密度的粒度分布系数q介于0.7和0.9之间。同时，颗粒的形态对其震实密度也有重大影响，Miyajima等通过多元回归分析对实验结果进行讨论，给出了床层孔隙率与颗粒的平均球形度、表面光滑度、真密度和粒径之间的关系式。总体而言，目前有关颗粒震实密度的研究较少，而且，震 动方法和外力作用等条件的不同，会导致震实密度的测量结果各异。

因此，本文研究的目的就是在对所选定的DHA微胶囊的各个物理性质进行综合表征的同时，对测量过程中影响DHA微胶囊震实密度的3个因素(震动次数，震动频率，震幅)进行分析。

1 材料与方法

1.1 实验材料

DHA微胶囊采购于中国某生物工程有限公司，其各方面物理性质代表着国内DHA微胶囊工业化产品的典型特征，其主要成分为乳清蛋白50%，蔗糖10%，麦芽糖糊精10%，DHA30%。通过喷雾干燥法造粒，压缩空气进口温度为190℃，出口温度为90℃，乳液乳化温度为45～50℃，产量为180 kg·h-1。

1.2 实验方法

1.2.1 表观形态

DHA微胶囊形态学通过S-4800型扫描式电子显微镜观测。将DHA微胶囊固定在双面导电胶上，通过离子溅射仪在其表面喷涂一层金属 铂膜，电压加速度为10.0kV。

1.2.2 粒径分布

颗粒的粒径分布通过Mastersizer 2000型激光粒度仪采用干法测量。进气压力为0Pa，进样速率为30%，进样震动强度是80%，遮光度设定在0.5%～6%之间，采用Mie氏散射理论分析，测量结果通过体积直径表述。

1.2.3 密度

微胶囊颗粒松装密度（ρb）和震实密度（ρb）通过BT-1000型粉体综合性质测定仪，采用中国国家标准(GB 1479-84, GB/T21354-2008)来测量。震实密度测量选取的震动频率250次·min-1，震幅为3mm。

震实密度（ρbt）随震动次数、震动频率以及震幅变化的实验采用GP-01型粉体震实密度仪测量。震动频率变化范围为0～160次·min-1，震幅变化范围为0～35 mm。将粉体注入上下可分离的圆柱形容器(容器下部分组件V= 100 cm3, m1=404.29 g)中，将其固定于震动装置上，震动结束后将上下两部分分离，用刮板除去下部组件上多余粉体，称其重量m2。震实密度（ρbt）通过式（1）来计算：

微胶囊颗粒真实密度（ρt）通过3H-2000TD型全自动真密度分析仪采用阿基米德原理-气体置换法来进行测量。进样质量为7～8 g，选用氦气作为分析气体，进气压力为0.1 MPa，平衡时间为1 min。

1.2.4 孔径分布和比表面积

颗粒孔径分布和比表面积通过PM60-7-LP型全自动孔隙分析仪采用压汞法测量，假定孔为圆柱形，采用Washburn方程进行计算，设定汞的接触角和表面张力分别为140°和480erg·cm-2，压力范围在22.41kPa～206.85MPa之间。

1.2.5 流动性和喷流性

颗粒流动性和喷流性通过Carr流动指数法[9]综合表征。其中，卡尔压缩率、休止角、崩溃角、差角、平板角、分散度等参数通过粉体综合性质测定仪测量。

休止角（θr）的测量：颗粒透过震动筛沿着漏斗从一定高度缓缓注入直径为80mm的不锈钢底座上，漏斗底部小孔直径为1mm，固定在离底座45mm处，当物料落满底座呈对称的圆锥体并且不再堆高时，关闭震动筛，停止加料，休止角即为底座水平面与颗粒堆积形成的圆锥体锥线之间所形成的夹角。分别测量 0°，120°，240°这 3 处休止角，求取平均值θr，其中颗粒可否自由流动的休止角临界值为40°。

卡尔压缩率（CI）是表征颗粒流动性的一个重要指标。当CI小于15%时表示颗粒为非粘性颗粒，流动性很好；当CI大于25%时表示颗粒为粘性颗粒，流动性很差。卡尔压缩率通过式（2）来计算：

平板角 (θs)的测量：将物料缓缓堆积在放有细长平板的接料盘中，使物料呈自然松散状，使物料没过平板20～30 mm，将平板与接料盘缓缓分离，则物料在平板上形成一个堆积体，分别测量平板两端和中间处斜面与平板之间所形成的夹角，求取平均值θs1。将平板上附有的小铁锤慢慢提高至指定高度处(约10 mm)，使其落下，待新形成的堆积体稳定之后再次测量平板两端和中间处斜面与平板之间的夹角，求取平均值θs2，则平板角的大小通过式（3）来计算：

颗粒尺寸分布的均一性通过均齐度Cu来表示，Cu值的大小通过式（4）来计算：

Cu＜2：颗粒尺寸可以看作是均一的；Cu＞2：颗粒尺寸可以看作是分散的。

di60%和di10%分别是颗粒尺寸分布累积含量达到60%和10%时所对应的颗粒的直径。

崩溃角（θf）的测量：在休止角测定完成之后，将测定底座附有的小 铁锤慢慢提高到底座下部，使其落下，如此进行3次同样操作，待新形成的颗粒堆积体稳定之后，分别测量 0°，120°，240°三处底座水平面与颗粒堆锥线之间形成的夹角，求取平均值θf。

分散度（Ds）的测量：粉体在空气中的飘散程度称为分散度。称取10.00g物料注入内径为40mm的圆柱形容器，容器底部有一滑片堵住，容器下方15mm处有一内径100mm，高300mm的圆柱形有机玻璃管，玻璃管下方15mm处有一内径为100mm的接料盘，移开滑片，物料落入盘中，称量盘中物料质量M1，连续测量3次，求出平均值M。分散度的值通过式（5）来计算：

1.2.6 复水性

采用CX31型生物光学显微镜观测DHA微胶囊的复水过程，放大倍数为200倍，显微镜与DP21型CCD摄像机相连，通过Standard图像处理软件控制。将微胶囊颗粒分散于载玻片上，再用滴管移取水滴，滴于颗粒之上，复水完成后，停止视频采集。选取复水过程不同时刻（5s、10s、15s、20s）的图片。

1.2.7 热力学性质

采用TG 209F1型同步热分析仪进行热重分析，称取约5mg样品于TG的样品盒，从室温升至500℃，升温速率为10℃·min-1，氮气流量为100mL·min-1，测定微胶囊产品的TG-DTG曲线。

2 结果与讨论

2.1 表观形态观察

微胶囊许多性质都与其表观形态有关，颗粒的孔隙，表面完整性以及芯材在微胶囊中的分布影响着微胶囊对氧化性物质的保护及微胶囊的溶解性，同时微胶囊颗粒外部表面形态与微胶囊产品的流动性也密切相关。

图1 DHA微胶囊的表观形态Fig.1 SEM observation of surface morphology of DHA microcapsules

由图1(A)可以看出，DHA微胶囊尺寸分布很广，大部分已经破碎，少量颗粒粘结在一起，微胶囊化效率很低。图1(B)可以看出，圆形结构颗粒囊壁表面较为光滑，表面有凹陷、裂缝和孔洞现象，包埋效果不好。图1(C)可以看出，破碎的颗粒大小参差不齐，大部分壁材已与芯材分离。从图1(D)可以看出，破碎颗粒内部疏松多孔，有类似海绵的微小结构。

2.2 粒径分布

颗粒尺寸大小对其表观形态、流动性和溶解性有重要影响。一般而言，粒度小，则易溶于水，但粒度太小，则产品分散性不好，易结团；粒度大，内部有蜂窝状空隙，则产品的溶解性好。

DHA微胶囊颗粒的尺寸分布如图2所示，粒径分布在1～400μm之间，体积平均粒径为81μm，中位径粒度为66μm，di10%为24μm，di60%为79μm，Cu值为3.31，颗粒尺寸分布是发散的。

图2 DHA微胶囊的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of DHA microcapsules

2.3 密度

松装密度是指颗粒在特定容器中处于自然充满状态后单位体积的质量。松装密度过低，加大了颗粒的包装、储存和运输成本。颗粒的真实密度是指颗粒的质量除以不包括颗粒内部任何孔隙的体积所得的密度。震实密度是指一定质量(或体积)的粉体装填在特定容器后，对容器进行一定强度的震动，从而破坏粉体颗粒间的空隙，使颗粒处于紧密状态，这时单位体积粉体的质量叫做粉体的震实密度。颗粒的震实密度也是颗粒的一项基本性质，它与颗粒的团聚、流动、压缩等性质密切有关。同时，对其进料、包装以及储运过程都有重大影响。

表1 DHA微胶囊密度Tab.1 The density of DHA microcapsules

然而，震动方法和外力作用等条件的不同，会导致其震实密度的测量结果各异。图3所示为震实密度随震动次数变化之间的关系，当震动次数达到一定数值(1000)之后，颗粒的震实密度将不会发生明显变化，这与Miyajima等人的研究结果一致。图4和图5分别表示震实密度随震动频率和震幅变化之间的关系图，从图中可以看出，当震动频率和震幅分别达到112min-1和9mm之后，震实密度也不会再发生明显变化。

图3 震实密度随震动次数的变化关系Fig.3 Relation between tapping number and tap density(f =128 min-1, A=3 mm)

图4 震实密度随震动频率的变化关系Fig.4 Relation between tapping frequency and tap density(N=1000, A=3 mm)

图5 震实密度随震幅的变化规律Fig.5 Relation between amplitude and tap density (N=1000,f=128 min-1)

2.4 孔径分布与比表面积

微胶囊颗粒的孔径分布和比表面积直接影响其吸水性以及功能性组分的传递过程，它是微胶囊颗粒的加工性质及产品质量的重要参数。孔隙率及比表面积的大小直接影响着功能性组分的崩解和溶出，溶出越快，越易吸收，功能性组分的生物利用度也就越高。因此，孔隙率和比表面积大小的确定对微胶囊产品的应用及其应用范围的 扩大有着重大意义。

颗粒中的微孔包括颗粒与颗粒之间的微孔和颗粒内部的微孔。这2种微孔在通过压汞法测量时，一般会出现2个峰，如图6所示。低压对应着颗粒与颗粒之间的孔隙，该孔隙孔径较大，允许汞蒸气在低压状态下进入，而颗粒内部孔隙孔径较小，只有通过高压才可以将汞蒸气压入。从图6中可以看出，DHA微胶囊的2种微孔分布明显，孔径分界点为0.3μm。其中，颗粒与颗粒之间的孔容为0.56cm3·g-1，比表面积为 4.73m2·g-1，颗粒内部孔容为 3.03 cm3·g-1，比表面积为 0.83m2·g-1，总孔隙率为84%。

图6 DHA微胶囊颗粒孔径分布图Fig.6 Typical pore size distribution of DHA microcapsules

2.5 流动性和喷流性

在食品生产过程中，颗粒流动性和喷流性随生产工艺、粒度大小、水分含量、颗粒形状、压实力大小和压实时间长短等因素的不同而有明显的变化。同时，食品颗粒的流动性和喷流性决定了食品颗粒的输送、筛选、干燥等环节的操作。因此，准确评定DHA微胶囊颗粒的流动性和喷流性对其工业化生产和应用具有重要意义。

流动性指数Fw是单项检测项目（休止角θr，卡尔压缩率CI，平板角θs，均齐度Cu）指数化后的累加。休止角表征食品粉体颗粒堆积层的自由表面在静止状态下可以形成的最大角度。它对食品颗粒的流动性影响最大，休止角愈小，食品粉体颗粒的流动性愈好。卡尔压缩率是震实密度与松装密度之差与震实密度之比，卡尔压缩率越小，颗粒的流动性就越好。平板角是指将埋在颗粒中的平板向上垂直提起，颗粒在平板上的自由表面（斜面）和平板之间的夹角与受到震动后的夹角的平均值称为平板角。平板角越小，粉体的流动性越强，一般平板角比休止角大。均齐度是以一定的粒度分布判定粉体颗粒均一性的指标。它间接反映了粉体压缩性对流动性的影响。均齐度系数愈小，颗粒愈均匀，粉体流动性愈好。表2是本研究中测定的卡尔流动性指数的结果，参照卡尔指数法[9]得到对应于每项测量结果的单项卡尔指数值，将其数值累加，计算出总流动性指数Fw，用以正确综合评价出颗粒的流动性质。本文中的DHA微胶囊颗粒的总流动性指数Fw为64.5，表明其流动性质一般。

表2 卡尔流动指数Tab.2 Table of Carr’ s flow indexes

喷流性指数FD是单项检测项目（流动性指数Fw，崩溃角θf，差角θd，分散度Ds）指数化后的累加。颗粒的流动性影响着颗粒的喷流性质，流动性越强其喷流性质也就越强。崩溃角表征食品粉体堆积状态颗粒受到震动发生崩溃时的角度。它直观地表示了食品粉体颗粒的喷流特性，崩溃角愈小，喷流性愈强。差角是休止角与崩溃角之差，差角愈大，粉体的流动性和喷流性就愈强。分散度表征粉体在空气中分散的难易程度称为分散度，分散度越大其喷流性质也就越强。表3是本研究中测定的卡尔流动性指数的结果，参照卡尔指数法[9]得到对应于每项测量结果的单项卡尔指数值，将其数值累加，计算出总喷流性指数FD，用以正确综合评价出颗粒的喷流性质。本文中的DHA微胶囊颗粒的总喷流性指数FD为91.5，表明其流动性非常强。

表3 卡尔喷流指数Tab.3 Table of Carr’ s floodability indexes

2.6 复水性

复水性是微胶囊颗粒的一个重要性质，整个复水过程大致可以分为4步[10]：润湿(颗粒吸收水分)，溶胀(颗粒吸水后体积变大)，分散(颗粒分散成单个小颗粒)和溶解(颗粒完全溶解)。然而，复水过程中的这4个阶段之间界限并不明显，几乎都是连续或者是同时进行的，而且相互影响。

从图1(A)中可以看出，DHA微胶囊内部存在孔隙，所以在溶解过程中会有气泡产生。从图7(A)中可以看到，已有气泡产生，说明水分已深入颗粒内部，开始吸水溶胀，壁面部分由于与水接触较多，已开始溶解。从图7(B)中可以看出，颗粒内部瓦解，大颗粒开始分散成小颗粒。小颗粒再进一步分散溶解在水中，如图7(C)所示。在达到20 s时，颗粒已完全溶解。

图7 DHA微胶囊复水过程的显微形态Fig.7 Optic microscope photograph of DHA microcapsules be rehydrated in water.

2.7 热力学性质

从图8中可以看出，DHA微胶囊颗粒失重主要分为3个阶段。第一个阶段：在升温开始时有一干燥和初挥发段，水分和少量的小分子物质逸出，温度范围从室温到115.2℃。在此阶段，DTG的失重速率峰与TG的曲线都明显对应，样品失重3.5% （从100%到96.5%），质量损失很小说明产品水分含量低。第二个阶段：水分和小分子物质挥发后，样品开始发生分解反应，在115.2～252.9℃范围内，样品失重30.9% （从96.5%到65.6%）。根据对壁材的DSC分析，应为蔗糖和部分麦芽糊精分解。第三个阶段：随着温度的升高，样品进一步发生分解，温度范围为252.9～480.0 ℃，在此阶段，样品的失重为38.8% （从65.6%到26.8%)，分析应是麦芽糊精、乳清蛋白和DHA的分解。以上说明微胶囊化产品热分解主要经过两个阶段，失重率分别为30.9%和38.8%，由于分解反应连续进行，TG曲线连续下滑，每一阶段分界点不明显，主要通过DTG曲线分析产品的热解过程。

图8 DHA微胶囊的TG和DTG曲线Fig.8 The TG curve and DTG curve of DHA microcapsules

3 结论

实验结果表明，对于类似该DHA微胶囊的产品，通过Carr流动指数法可以很好地描述其流动性质和喷流性质；该DHA微胶囊震实密度起初会分别随震动次数、震动频率、震动幅度的增加而增加，次数、频率和震幅分别达到1000次，112 min-1和 9 mm之后趋于稳定。显微镜观测可以很好地描述DHA微胶囊的复水性质。

[1] Weiss J, Takhistov and McClements P.Functional materials in food nanotechnology [J].Journal of Food Science,2006(71)：107-116.

[2] Wan Yuting, Joseph David Bankston Jr, Peter J, Bechtel and Subramaniam Sathivel.Microencapsulation of Menhaden Fish Oil Containing Soluble Rice Bran Fiber Using Spray Drying Technology[J].Journal of Food Science, 2011(76)：348-356.

[3] Gan CheeYuen, Cheng LaiHoong and Azhar Mat Easa.Evaluation of microbial transglutaminase and ribose cross-linked soy protein isolate-based microcapsules containing fish oil [J].Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2008(9)：563-569.

[4] Wanwimol Klaypradit and Huang YaoWen.Fish oil encapsulation with chitosan using ultrasonic atomizer [J].Food Science and Technology, 2007(41)：1133-1139.

[5] Sri Haryani Anwar and Benno Kunz.The influence of dryin g methods on the stabilization of fish oil microcapsules:Comparison of spray granulation, spray drying, and freeze drying [J].Journal of Food Engineering, 2011(105)：367-378.

[6] Yamashiro, Yuasa Y and Kawakita K.An Experimental Study on the Relationships between Compressibility, Fluidity and Cohe sion of Powder Solids at Small Tapping Numbers[J].Powder Technology, 1983(34)：225-231.

[7] Miyajima Toshiaki, Yamamoto Ken-Ichi and Sugimoto M asunori.Effect of particle shape on packing properties during tapping[J].Advanced Powder Technology, 2001(12)：117-134.

[8] Suzuki, Sato H, Hasegawa M and Hirota M.Effect of size distribution on tapping properties of fine powder [J].Powder Technology, 2001(118)：53-57.

[9] Carr.Evaluating flow properties of solids [J].Chem Eng,1965(7 2)：163-167.

[10] Barbara Freudig, Stefan Hogekamp and Helmar Schubert.Dispersion of powders in liquid in a stirred vessel[J].Chemical Engineering and Processing, 1999(38)：525-532.

[11] Levine H and Slade L.Interpreting the behavior of lowmoisture foods /Hardman TM Water and food quality [M].London：Elsevier Applied Science, 1989.71-134.

[12] Slade L, Levine H, FINLEY J W.Protein-water interactions:water as a plasticizer of gluten and other protein polymers/Phillipsrd: Protein quality and the effects of processing[M].New York: Marcel Dekker Inc, 1989.9-124.