壁材流变学特性对微胶囊物化性质的影响

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微胶囊技术的发展使微胶囊技术在食品工业上得到越来越广泛的应用,主要包括以下几个方面:即粉末化香料香精、粉末化油脂;微胶囊化食品添加剂;酶或细胞的固定化。而壁材作为构成微胶囊外壳的材料,对于一种微胶囊产品来说,合适的壁材非常重要,对微胶囊产品的功能和性质起着决定性的作用。壁材的流变学特性直接影响着微胶囊化的效果,而高分子结构是决定高分子溶液流变学性质的基础,因此探讨壁材流变特性对微胶囊物化性质的影响机理,具有重要的意义。本实验选用变性淀粉、阿拉伯胶、羧甲基纤维素、大豆分离蛋白、明胶为模型壁材,探讨了不同壁材的分子结构和流变学特性的对所制备的微胶囊物化性质的影响。利用高效液相色谱和红外光谱仪对壁材分子的分子量分布及特征分子基团进行了表征,结果表明:Mw(重均分子量)的大小依次为,变性淀粉3.069×105g/mol、阿拉伯胶2.493×105g/mol、羧甲基纤维素1.351×105g/mol、大豆分离蛋白6.368×103g/mol、明胶5.526×103g/mol,可见多糖类壁材的Mw明显大于蛋白类壁材。Mw/Mn(分子量分散系数)的大小为:变性淀粉2.780、阿拉伯胶1.73363、明胶1.32391、羧甲基纤维素1.28241大豆分离蛋白1.04206,分散系数越大,说明分子量分布越宽。通过红外光谱谱图分析了壁材分子的特征基团,对蛋白类壁材的酰胺带进行拟合,比较了大豆分离蛋白和明胶的二级结构,结果表明:两种蛋白质的二级结构存在较大差异,大豆分离蛋白分子二级结构中存在较多的有序结构,这可能意味着大豆分离蛋白分子具有较刚性的结构。利用乳化稳定指数法和显微镜研究了5种壁材乳状液的稳定性,实验结果表明,ESI(乳化稳定指数)的大小为:阿拉伯胶3898.33、变性淀粉2706.25、明胶2432.22、大豆分离蛋白23.72、羧甲基纤维素0。通过显微镜观察到五种壁材所成乳状液液滴的粒径分布为:阿拉伯胶25.4-39.0pix,变性淀粉25.5-31.1pix,明胶21-40.2pix,大豆分离蛋白41.0-136.1pix,羧甲基纤维素19.3-156.1pix。液滴的平均粒径越小,分布范围越窄,稳定性就越好,由此可知显微镜的观察结果与乳化稳定指数法的实验结果相符合。以变性淀粉、阿拉伯胶、羧甲基纤维素、大豆分离蛋白、明胶为原料,制备成壁材膜,并用模糊综合评价法对壁材膜的断裂伸长率、抗拉强度、水蒸气透过系数、空隙率和透油系数进行了综合评价,累加加权隶属度值的大小依次为:变性淀粉膜0.658,羧甲基纤维素膜0.5847,阿拉伯胶膜0.5047,大豆分离蛋白为膜0.4818,明胶膜0.4008。利用旋转流变仪研究了壁材溶液的表观黏度,动态模量和蠕变柔量。研究结果表明:壁材溶液的表观黏度-剪切应力流变曲线及剪切应力-剪切速率曲线都符合假塑性流体的特征曲线,从Herschel-Bulkley方程对流变曲线的拟合结果来看,流动特性指数n<1即表示剪切稀化,所测溶液为假塑性流体,呈现剪切稀化的现象。随着温度的上升壁材溶液的表观黏度逐渐下降。动态模量的实验结果表明:壁材的弹性模量G’和黏性模量G’’均随着振荡频率的增大而增大,其中大豆分离蛋白的G’>G’’,而其他壁材的G’’>G’。蠕变回复研究结果显示壁材的蠕变柔量J(t)大小为:变性淀粉>阿拉伯胶>明胶>羧甲基纤维素>大豆分离蛋白。用喷雾干燥法制备微胶囊,并对微胶囊的的水分含量、产率、效率、表观形态、粒径分布和容重等物化性质进行了测定。实验结果表明:不同壁材通过喷雾干燥所制备的微胶囊的物化性质不同,表观黏度比较低的壁材在喷雾干燥时可以配制成固形物含量比较高的料液,制备出的微胶囊的水分含量就会越小,体积平均粒径越大,容重越小。不同壁材所制备的微胶囊的产率和效率大小为:阿拉伯胶95.12%和90.77%,变性淀粉94.06%和89.64%,明胶92.15%和82.27%,大豆分离蛋白86.09%和78.50%,羧甲基纤维素77.60%和75.31%,可见微胶囊的产率和效率与壁材的乳化稳定性有关,乳化稳定性越高的壁材制备出的微胶囊的产率和效率也越高。不同壁材所制备的微胶囊的表观形态有很大的差别:变性淀粉为壁材的微胶囊成球形,表面光滑;以阿拉伯胶,明胶和大豆分离蛋白为壁材的微胶囊表面有凹陷;以羧甲基纤维素为壁材的微胶囊表面有褶皱。一方面是由喷雾干燥本身造成的;另一方面跟壁材的黏度和壁材分子的结构有关。
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