食品配料纳米喷雾干燥的材料、加工及应用

文丨睿先生随笔

编辑丨睿先生随笔

前言

目前，生物活性食品成分的消费及其在功能性食品生产中的应用呈增长趋势。由于这些生物活性成分对工艺和环境条件非常敏感，并且要将它们适当地输送到我们的体内，因此封装技术已成为实现这些目标的有希望的解决方案。

喷雾干燥是食品配料的封装和干燥最常见和流行的技术之一。

传统喷雾干燥的问题是获得粉末纳米颗粒的可能性有限，因为旋风分离装置不能收集那些非常小的颗粒。纳米喷雾干燥机的设计成功地解决了这一问题。

介绍

由于生活方式的改变和超重/肥胖、癌症、糖尿病和许多其他疾病的增加趋势，近年来促进健康/功能食品的市场正在扩大，对生物活性食品成分和营养保健品如酚类化合物、类胡萝卜素、精油、必需脂肪酸、矿物质、维生素的需求很高。

如果以纯形式添加到食品和补充剂中，这些化合物在加工和储存过程中会被降解，因为它们对环境条件非常敏感，包括高温、氧气、水分和低/高pH值。

另一方面，这些生物活性成分中的大多数会对食品的感官特性产生不利影响，因为它们具有苦味和不利的香气，而且极易腐烂。

最好的策略之一是将营养药品和植物化学物质封装在输送系统和不同的载体中，这样可以安全地保护它们，并在正确的时间和目标位置释放它们。

许多不同的生物活性成分，从益生菌/益生元到维生素和矿物质，在过去已经被这种技术封装。

值得一提的是，在纳米医学和药物纳米递送中，纳米载体的尺寸应该小于100纳米，因此生产的粉末的最终粒径应该在这个范围内，这是纳米喷雾干燥机可以实现的;然而，对于食品和保健品，即使是亚微米颗粒也可以被认为是纳米载体。

喷雾干燥对食品配料的封装的好处

目前，许多食品成分以微胶囊和纳米胶囊的形式生产，以保存它们，实现高稳定性和控释的可能性。

在这种简单的方法中，液体原料在干燥室内雾化，在干燥室中，由于与热空气接触，水从产生的液滴中蒸发。

传统喷雾干燥技术的优缺点

干燥物料与热空气的接触时间很短(几秒钟)，使热敏性物料脱水成为可能。通过这种方法干燥和封装热不稳定材料的另一个原因是非常快速蒸发的冷却效果。

在并行流中，当干燥空气与液滴/颗粒沿同一方向流动时，多应用于食品物料，液滴/颗粒的温度不超过出口空气的温度，通常在70-90℃的水平;而进口空气温度范围从150到200◦C的传统喷雾干燥机。

目前应用的喷雾干燥改性的优点和缺点

因此，喷雾干燥成功地应用于商业规模的食品成分的封装，包括热敏性化合物。

然而，饲料乳化液/溶液的组成和性能，以及干燥参数必须针对每种材料单独优化，以获得最佳的粉末特性:物理性能，封装效率，以及合适的释放脆弱性。粉末材料最重要的性能之一是粒度和粒度分布。

传统喷雾干燥机与纳米喷雾干燥机在实验室规模上的主要区别

目前，除湿空气辅助喷雾干燥、真空喷雾干燥、超声喷雾干燥和NSD等新方法的应用备受关注。这些方法中的每一种都可以最大限度地减少传统喷雾干燥的一些限制。

进口空气湿度的减少为水蒸发提供了额外的驱动力，从而可以降低干燥温度，甚至达到75/50◦C进口/出口。这反过来又有助于降低材料的粘性，并有可能降低载流子含量。

常规和NSD雾化方法的不同导致了颗粒形态、尺寸和尺寸分布的变化。

颗粒的形状和表面特性还取决于原料(例如，富含糖的材料产生较少褶皱的表面)、干燥温度(例如，较高的温度导致刚性表面的形成)、壁材料的类型(例如，成膜特性)和表面活性剂的存在(它们能够形成光滑的表面)。

在NSD后，如果粉末储存在干燥和受控的条件下，则封装产品的活性得以保留。通常，稳定剂也被添加到饲料配方中。由于干燥时间短，大多数NSD粉末都是无定形的。为了防止再结晶，粉末储存在干燥和受控的条件下。

纳米喷雾干燥技术的基本原理

纳米喷雾干燥机

细滴的层流干燥

NSD上部的加热单元由多孔金属表面组成，并形成干燥气流的层压化，用于温和干燥细喷液滴。这是至关重要的，因为湍流会导致不受控制的喷雾形成和颗粒沉积在干燥室的侧壁上。

在120◦C的进口温度和40%的潮湿空气中，雷诺数在330和660之间。这导致气体在干燥室内的平均停留时间在短装置中约为3-6秒，在高装置中为7-15秒。

出口温度由干燥室内的热和质量平衡决定，并受入口温度、干燥气体流量、进料流量和喷射流体固体浓度的影响。液滴被注入到NSD顶部的干燥气体中。由于强烈的蒸发冷却作用，颗粒温度接近出口气体温度。

因此，根据经验，产品所经历的最高温度被认为是测量的出口温度。进口温度升高导致出口温度成比例升高。

为了获得具有低残余水分的最终产品，必须将进口温度设置得尽可能高，并且进口和出口的温差必须尽可能小。

静电粒子收集

独特的是将静电粒子收集器作为一种高效的粒子分离器。层流气流将干燥的颗粒导向静电颗粒收集器，静电颗粒收集器由光滑的不锈钢圆柱体(阳极=颗粒收集电极)和圆柱体内部的星形对电极(阴极)组成。

在完成NSD过程后，用刮粉器将干燥的粉末颗粒从收集电极筒的内表面轻轻地移走。

然后将颗粒填充到密封的玻璃小瓶中，并在受控和干燥的条件下储存(例如，在室温下将干燥器放在硅胶上)，直到进一步使用和检查。当用刮板手动收集粉末时，可以发生最小的损失，从而降低总体产量。

纳米喷雾干燥在食品配料中的应用

发表论文采用纳米喷雾干燥机不同用途

纳米喷雾干燥机(NSD)已在食品工业中用于具有生物活性和营养特性的成分的封装，但也作为一种干燥成分的方式。

如前所述，选择合适的壁材进行封装对于达到较高的封装效率和颗粒稳定性非常重要;然而，在某些情况下，还需要考虑一些有助于分散或增溶成分的成分，如油、表面活性剂或生物聚合物。

喷雾干燥SLNs粉末的SEM图像

此外，粘度，固体水平和吸湿性是选择壁材时应考虑的特性。需要强调的是，NSD也可用于干燥材料、生物聚合物和其他活性分子，而无需使用壁材。

使用NSD对食品配料进行封装可能需要一个中间步骤，在配料混合后和喷雾干燥步骤之前。这与生物活性化合物的类型有关，这可能受到溶剂极性和所用壁材的影响。

冻干(A和B)和纳米喷雾干燥(C和D)的SEM图像

这一中间步骤有助于提高胶囊的包封效率(EE)和载药量(LC)以及干燥后胶囊的最终性能。

因此，为了开发一种能够封装更多食品成分的结构，进料溶液可以是水包油分散体(例如纳米乳液和固体脂质纳米颗粒，sln)，也可以是以前生产的纳米颗粒，例如纳米复合物或纳米凝胶。

酚类化合物

酚类化合物在其结构中具有至少一个羟基的芳香环，其结构可以从简单分子变化到具有多个芳香环的复杂化合物。它们的分类方式还没有达成共识;其中一项建议是将它们细分为类黄酮和非类黄酮。

根据所要封装的酚类化合物，可以使用不同的方法。一些研究表明，碳水化合物和蛋白质是水溶性酚类化合物的良好壁材，可以通过NSD制备纳米胶囊。

纳米喷雾干燥工艺参数表

然而，当酚类化合物在水中溶解度较低时，需要使用有机溶剂来增加其溶解度。在这方面，已经进行了一些研究，不仅用高纯度的化合物，而且用一些天然提取物。

通过壁材提高SIE与水介质的亲和力，稳定提取物的能力以及获得的胶囊的大小，证明了这一结果是正确的。从这项研究中，可以清楚地看到纳米级的包封对低水溶性酚类化合物的生物利用度的影响。

除了交联之外，在喷涂过程之前使用不同pH值加热多层体系也有助于稳定和获得均匀颗粒。这两个例子表明，在干燥步骤之前涂覆纳米分散体可以改善NSD工艺。

姜黄素也可以用NSD干燥。为此，姜黄素需要在溶剂中溶解，然后在NSD中干燥。

在b chi实验室，他们研究了两种不同的配方，一种使用乙醇，另一种使用乙醇和丙酮的混合物。结果表明，不同的溶剂不影响颗粒的大小和形态，但会影响工艺吞吐量。

他们观察到，当使用乙醇时，通量从14.8 mL/h增加到使用乙醇和丙酮混合物时的20.4 mL/h (BÜCHI, 2017a)。这种增加可能与进料溶液蒸发温度的变化有关，乙醇:丙酮混合物的蒸发温度应低于乙醇溶液。

维生素和矿物质

维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素。

根据它们的溶解度，已经测试了不同的方法来使用NSD包封维生素。叶酸是叶酸(维生素B9)的合成形式，是水溶性的，用乳清浓缩蛋白(WPC)和一种商业抗性淀粉(RS)作为壁材进行包封。

结果表明，木塑复合材料的EE = 83.9%， RS复合材料的EE = 52.5%，两种材料都能提高叶酸的稳定性，但木塑复合材料的稳定性更好。

关于它们的形态和粒度，结果表明，两种情况下都可以获得球形胶囊，但在RS-based胶囊的情况下，获得了一些团聚体。

最初，他们通过高速均质化将维生素D3和维生素E封装在纳米乳液中(使用薄荷油)。然后，将水溶性维生素(维生素B3、B6、B12和C)和矿物质(柠檬酸钙、柠檬酸镁、柠檬酸钾和葡萄糖酸锌)溶解在果胶溶液中，然后加入酪蛋白酸钠(NaCas)。

然后在连续均质下混合两相。然后用NSD和冷冻干燥机干燥最终配方。

结果表明，使用高浓度的生物聚合物基质(NaCas/果胶)有利于获得更好的干粉形态，从而使颗粒尺寸更小，表面更光滑。

同样在这里，正如前面所示的酚负载纳米分散体，涂层纳米分散体的使用有助于NSD中的干燥步骤。

蛋白质

蛋白质和多肽在加工和储存过程中受到外界因素的高度影响，根据其化学构成，它们也可能受到导致其降解的微生物的影响。为了增加它们的稳定性，它们通常被干燥，从而形成具有更高储存稳定性的固体形式的蛋白质和肽。

一些研究报道了NSD对蛋白质和肽的干燥，但也有其他例子，蛋白质被用作包封其他化合物的壁材。这些示例将在其他部分中介绍，例如WPC、NaCas、WPI和乳铁蛋白。

NSD干燥的sln和NLCs涂层的SEM图像

牛血清白蛋白(BSA)是测试最多的蛋白质之一，在某些情况下用作模型。在b化学实验室进行的一项研究中，对浓度、雾化器大小和表面活性剂的存在的影响进行了评估。

用不同尺寸、不同浓度(10%、1%和0.1%)和添加0.05%吐温80的雾化器干燥牛血清白蛋白。

尽管影响了最终干燥颗粒的形态，但观察到，当使用较大的喷雾倾覆度和不含乙醇的干燥时，蛋白质表现出更高的储存稳定性。

喷雾干燥也是一种适合于蛋白质干燥的方法，在喷雾干燥的情况下，不影响蛋白质的主要结构;然而，应该进行更多的研究。在这些新的研究中，应该保证原料不会出现任何由以前的提取、分离或干燥步骤引起的结构变化，这些变化可能会掩盖NSD过程的任何可能影响。

结论

喷雾干燥封装是最常见和可用的技术之一，用于生产不同的封装粉末，其中含有天然食品成分，包括花青素，类黄酮，类胡萝卜素，维生素和矿物质。生产的粉末具有良好的保质期稳定性，可用于各种产品和功能性食品的浓缩/强化。

近年来，纳米技术在食品工业等多个领域得到了广泛应用，包括纳米胶囊化配料、纳米材料、纳米乳液等。传统的喷雾干燥机由于其旋风分离装置不能收集非常小的颗粒，导致粉末颗粒通常大于1 μm;就像在排气中丢失的空气。

此外，喷雾干燥机中常见的雾化器不能产生均匀的小液滴。因此，近年来出现了纳米喷雾干燥机技术，配备超声雾化器和静电分离装置，可以有效地生产出粒径分布较窄的粉末纳米颗粒。

它已被应用于一些食品配料的干燥和封装，该系统的主要优点之一是实验所需的初始饲料体积非常小，这在处理昂贵的原料时非常有用。一个挑战是这种仪器在许多研究中心和学术机构的可用性有限。

另一个问题是目前纳米喷雾干燥机的实验室规模，这使得相关食品难以商业化。当然，在这一领域需要更多的研究，中试规模甚至工业规模的纳米喷雾干燥机将很快可用。

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