簡介

微膠囊化廣泛應(yīng)用于掩蓋氣味、延長保質(zhì)期、增加存活率或改變理化性質(zhì)的過程。由于其易于處理、接觸二價和三價陽離子時立即凝膠化以及溫和的凝膠條件等優(yōu)點，海藻酸鹽在生物醫(yī)藥、食品和飼料等領(lǐng)域經(jīng)常用于多種封裝應(yīng)用中。通過將海藻酸鹽滴液滴入 CaCl₂ 浴中，可以輕松制備鈣海藻酸鹽微膠囊。為了提高海藻酸鹽微膠囊及其內(nèi)容物的儲存周期，一個重要步驟是將它們干燥至低水分含量，可以通過多種干燥方法，如空氣干燥、烤箱干燥、流化床干燥或冷凍干燥，其中冷凍干燥因其溫和而聞名。有報道稱，從鈣海藻酸鹽珠中去除水分可能會導(dǎo)致形態(tài)發(fā)生變化，如形狀失真、尺寸不均、機械強度損失和孔隙率增加。這些缺陷對于某些應(yīng)用來說是可以接受的，但它們也可能導(dǎo)致外觀不佳和處理困難。在本文中，我們的目標(biāo)是通過在海藻酸鹽微膠囊中加入淀粉作為固體填料來改善冷凍干燥的海藻酸鹽微膠囊的物理性質(zhì)。選擇淀粉作為填料材料是因為它易于獲得、經(jīng)濟成本且可食用。

設(shè)備

• 冷凍干燥機 Lyovapor™ L-200 Pro, BUCHI

• Lyovapor™ 軟件, BUCHI

• 帶有可加熱隔板的干燥室, BUCHI

• 微膠囊造粒儀 B-395 Pro, BUCHI

試劑和耗材

• 食用級玉米淀粉

• 低粘度海藻酸鈉

• 無水氯化鈣

• 蒸餾水

（為了安全處理，請注意所有相應(yīng)的MSDS）

實驗步驟

4.1 生產(chǎn)含有淀粉填充劑的藻酸鈣微膠囊

制備 2% 的海藻酸鈉溶液和 0.2M CaCl₂ 溶液。使用手持攪拌器將淀粉分散在 2% 的海藻酸鈉溶液中。測試了兩種不同淀粉濃度（15 % W/V 和 20% W/V）的明礬溶液。使用微膠囊造粒儀 B-395 Pro 設(shè)備生產(chǎn)微珠，參數(shù)見 表1。為了防止淀粉粉末沉降，在實驗期間應(yīng)用外部攪拌器保持淀粉-海藻酸鈉溶液均勻。

表1. 微膠囊造粒儀 B-395 Pro 過程設(shè)置

固化后，海藻酸鈣微膠囊通過篩分和兩次用蒸餾水沖洗去除額外的 CaCl₂ 。然后將微膠囊轉(zhuǎn)移到金屬托盤中，在﹣24℃ 下冷凍。

4.2 冷凍干燥含有淀粉填充劑的藻酸鈣微膠囊

將帶有金屬托盤和擱板的樣品從冰箱取出并轉(zhuǎn)移到 Lyovapor^TM L-200 Pro 冷凍干燥機中。使用 Lyovapor^TM 軟件編程進行初級和次級干燥步驟，如 表2 所示。在這個冷凍干燥過程中，使用帶有加熱擱板和空氣的干燥室，干燥溫度設(shè)置為 -35℃，總冷凍干燥時間為 28h。

表2. 使用 Lyovapor^TM L-200 Pro 的參數(shù)

實驗結(jié)果和討論

當(dāng)采用冷凍干燥法處理時，海藻酸鈣微球無法保持其結(jié)構(gòu)，從而發(fā)生塌陷。這導(dǎo)致了形態(tài)學(xué)上的變化，如形狀失真和不均勻的大小（見 圖2）。為了提高冷凍干燥微球的質(zhì)量，我們研究了淀粉作為不可溶填料，用作微球的支架。

在微膠囊造粒儀 B-395 Pro 設(shè)備中，海藻酸鈣微球中添加了 15% 和 20% 的淀粉作為填料材料，并成功地生產(chǎn)出來。如圖3所示，使用 450μm 和 750μm 的噴嘴，分別生產(chǎn)出了直徑約為 900μm 和 1500μm 的微球，海藻酸鈣微球顯示出均勻的球形形態(tài)和光滑的表面。

冷凍干燥后，微球的結(jié)構(gòu)得以保持，如圖3所示。使用 SEM 顯微鏡對冷凍干燥結(jié)構(gòu)進行分析（見圖4），進一步證實了這一點。添加了15%和20%淀粉的微球冷凍干燥后的尺寸約為 1.2mm 和 1.5mm，如 圖4 所示。微球在 Lyovapor^TM L-200 Pro 設(shè)備中進行冷凍干燥后，保持了原有的尺寸和形態(tài)，淀粉顆粒可以在微球表面均勻分布。填料很可能在微球內(nèi)部也呈現(xiàn)均勻分布，因此可以通過填充間隙和充當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)來強化凝膠網(wǎng)絡(luò) 。

實驗結(jié)論

在本應(yīng)用中，使用了不溶性填料來改性冷凍干燥海藻酸鈣微球特性。添加淀粉作為填料，能夠在冷凍干燥過程中保持微球的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它能夠改善微球的球形度、流動性以及視覺質(zhì)量。這些特性對于加工、處理和客戶使用都是非常重要的。掃描電子顯微鏡觀察顯示，淀粉顆粒在微球表面的分布均勻，不僅能夠填充海藻酸鹽網(wǎng)絡(luò)的間隙，又能在冷凍干燥過程中起到骨架作用，并能增強水凝膠結(jié)構(gòu)。可以像對淀粉一樣也對其他不溶性填料，如二氧化硅 SiO₂、二氧化鈦 TiO₂ 或微晶纖維素進行類似的配方設(shè)計，以增強冷凍干燥微球的結(jié)構(gòu)。這些微球?qū)碜鳛樯锓€(wěn)定劑，用作如封裝活細胞或酶的載體材料。

參考文獻

1. Chan, E.S; Lee, B. B, et al. Prediction models for shape and size of calcium-alginate microbeads produced through extrusion technique. Journal of Colloid and Interface Science, 2009, 338, 63 – 72.

2. Tal, Y.; van Rijn J., et al. Improvement of structural and mechanical properties of denitrifying alginate beads by freeze-drying. Biotechnology Progress, 1997, 13, 788 – 793.

3. Chan, E.S et al. Effects of starch filler on the physical properties of lyophilized calcium-alginate beads and the viability of encapsulated cells. Carbohydrate Polymers, 2011, 83, 255-232.