微胶囊造粒技术与冷冻干燥
组合获取干燥微球
微胶囊应用
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简介
微胶囊化广泛应用于掩盖气味、延长保质期、增加存活率或改变理化性质的过程。由于其易于处理、接触二价和三价阳离子时立即凝胶化以及温和的凝胶条件等优点，海藻酸盐在生物医药、食品和饲料等领域经常用于多种封装应用中。通过将海藻酸盐滴液滴入 CaCl2 浴中，可以轻松制备钙海藻酸盐微胶囊。为了提高海藻酸盐微胶囊及其内容物的储存周期，一个重要步骤是将它们干燥至低水分含量，可以通过多种干燥方法，如空气干燥、烤箱干燥、流化床干燥或冷冻干燥，其中冷冻干燥因其温和而闻名。有报道称，从钙海藻酸盐珠中去除水分可能会导致形态发生变化，如形状失真、尺寸不均、机械强度损失和孔隙率增加。这些缺陷对于某些应用来说是可以接受的，但它们也可能导致外观不佳和处理困难。在本文中，我们的目标是通过在海藻酸盐微胶囊中加入淀粉作为固体填料来改善冷冻干燥的海藻酸盐微胶囊的物理性质。选择淀粉作为填料材料是因为它易于获得、经济成本且可食用。
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设备
冷冻干燥机 Lyovapor™ L-200 Pro, BUCHI
Lyovapor™ 软件, BUCHI
带有可加热隔板的干燥室, BUCHI
微胶囊造粒仪 B-395 Pro, BUCHI
▲ 图1. BUCHI 冷冻干燥机 Lyovapor TM L-200 Pro（左），微胶囊造粒仪 B-395 Pro（右）
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试剂和耗材
食用级玉米淀粉
低粘度海藻酸钠
无水氯化钙
蒸馏水
（为了安全处理，请注意所有相应的MSDS）
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实验步骤
4.1 生产含有淀粉填充剂的藻酸钙微胶囊
制备 2% 的海藻酸钠溶液和 0.2M CaCl2 溶液。使用手持搅拌器将淀粉分散在 2% 的海藻酸钠溶液中。测试了两种不同淀粉浓度（15 % W/V 和 20% W/V）的明矾溶液。使用微胶囊造粒仪 B-395 Pro 设备生产微珠，参数见 表1。为了防止淀粉粉末沉降，在实验期间应用外部搅拌器保持淀粉-海藻酸钠溶液均匀。
表1. 微胶囊造粒仪 B-395 Pro 过程设置
15% 淀粉 | 20% 淀粉 | 对照组(不添加淀粉) | |
喷嘴种类 | 单喷嘴 | ||
喷嘴直径(μm) | 450 | 750 | 450 |
压力(mbar) | 250 | 330 | 200 |
震动频率(Hz) | 95 | 40 | 110 |
海藻酸钠浓度% | 1.7 | 1.6 | 2.0 |
固化液 | 0.2M CaCl2 溶液，搅拌 | ||
固化后，海藻酸钙微胶囊通过筛分和两次用蒸馏水冲洗去除额外的 CaCl2 。然后将微胶囊转移到金属托盘中，在﹣24℃ 下冷冻。
4.2 冷冻干燥含有淀粉填充剂的藻酸钙微胶囊
将带有金属托盘和搁板的样品从冰箱取出并转移到 LyovaporTM L-200 Pro 冷冻干燥机中。使用 LyovaporTM 软件编程进行初级和次级干燥步骤，如 表2 所示。在这个冷冻干燥过程中，使用带有加热搁板和空气的干燥室，干燥温度设置为 -35℃，总冷冻干燥时间为 28h。
表2. 使用 LyovaporTM L-200 Pro 的参数
初级干燥 | 次级干燥 | |
时长(hrs) | 22 | 6 |
隔板温度(℃) | -15 | 30 |
加热梯度(℃/min) | 0.17 | 0.38 |
真空度(mbar) | 0.200 | 0.200 |
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实验结果和讨论
当采用冷冻干燥法处理时，海藻酸钙微球无法保持其结构，从而发生塌陷。这导致了形态学上的变化，如形状失真和不均匀的大小（见 图2）。为了提高冷冻干燥微球的质量，我们研究了淀粉作为不可溶填料，用作微球的支架。
▲ 图2. 冷冻干燥的海藻酸钙微球的电镜图（左）和显微镜图（右）
在微胶囊造粒仪 B-395 Pro 设备中，海藻酸钙微球中添加了 15% 和 20% 的淀粉作为填料材料，并成功地生产出来。如图3所示，使用 450μm 和 750μm 的喷嘴，分别生产出了直径约为 900μm 和 1500μm 的微球，海藻酸钙微球显示出均匀的球形形态和光滑的表面。
▲ 图3. 未干燥的微球（左）和对应的显微镜图像（右）。上部含有 20% 淀粉，底部内含有 15% 淀粉
冷冻干燥后，微球的结构得以保持，如图3所示。使用 SEM 显微镜对冷冻干燥结构进行分析（见图4），进一步证实了这一点。添加了15%和20%淀粉的微球冷冻干燥后的尺寸约为 1.2mm 和 1.5mm，如 图4 所示。微球在 LyovaporTM L-200 Pro 设备中进行冷冻干燥后，保持了原有的尺寸和形态，淀粉颗粒可以在微球表面均匀分布。填料很可能在微球内部也呈现均匀分布，因此可以通过填充间隙和充当支撑结构来强化凝胶网络 。
▲ 图4. 添加15%淀粉（上）和20%淀粉（下）的冷冻干燥微球结构。
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实验结论
在本应用中，使用了不溶性填料来改性冷冻干燥海藻酸钙微球特性。添加淀粉作为填料，能够在冷冻干燥过程中保持微球的结构，发现它能够改善微球的球形度、流动性以及视觉质量。这些特性对于加工、处理和客户使用都是非常重要的。扫描电子显微镜观察显示，淀粉颗粒在微球表面的分布均匀，不仅能够填充海藻酸盐网络的间隙，又能在冷冻干燥过程中起到骨架作用，并能增强水凝胶结构。可以像对淀粉一样也对其他不溶性填料，如二氧化硅 SiO2、二氧化钛 TiO2 或微晶纤维素进行类似的配方设计，以增强冷冻干燥微球的结构。这些微球将来作为生物稳定剂，用作如封装活细胞或酶的载体材料。
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参考文献
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.
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.
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.
