（3）培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中；

　?。?）微生物在適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)；

　?。?）產(chǎn)物萃取和精制；

　?。?）過(guò)程中排出的廢棄物的處理。

　　六個(gè)部分之間的關(guān)系如圖所示。研究和發(fā)展計(jì)劃，總是圍繞著就逐步改善發(fā)酵的效益而進(jìn)行的。在建立發(fā)酵過(guò)程以前，首先要分離出產(chǎn)生菌，并改良菌種，使所產(chǎn)生的產(chǎn)物符合工業(yè)要求。然后測(cè)定培養(yǎng)的需求，設(shè)計(jì)包括提取過(guò)程在內(nèi)的工廠。以后的發(fā)展計(jì)劃，包括連續(xù)不斷的改良菌種、培養(yǎng)基和提取過(guò)程

　　3.4.2發(fā)酵過(guò)程示意圖

　　圖2典型的發(fā)酵過(guò)程示意圖

　　3.4.3發(fā)酵生產(chǎn)的條件

　?。?）某種適宜的微生物

　?。?）保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧pH等）

　?。?）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備

　　（4）提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備

　　4、發(fā)酵后期酒精回收

　　工業(yè)生產(chǎn)中常常采用下圖所示的流程進(jìn)行操作。連續(xù)精餾裝置主要包括精餾塔，蒸餾釜（或稱(chēng)再沸器）等。精餾塔常采用板式塔，也可采用填料塔。加料板以上的塔段，稱(chēng)為精餾段；加料板以下的塔段（包括加料板），稱(chēng)為提餾段。連續(xù)精餾裝置在操作過(guò)程中連續(xù)加料，塔頂塔底連續(xù)出料，故是一穩(wěn)定操作過(guò)程。

　　圖3簡(jiǎn)易回收塔

　?。?）塔板的作用

　　塔板的作用是提供氣液分離的場(chǎng)所；每一塊塔板是一個(gè)混合分離器，并且足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離。因此每一塊塔板是一個(gè)混合分離器，經(jīng)過(guò)若干塊塔板上的傳質(zhì)后（塔板數(shù)足夠多），即可達(dá)到對(duì)溶液中各組分進(jìn)行較完全分離的目的。

　　（2）回流的作用

　　回流的主要作用就是提供不平衡的汽液兩相，而構(gòu)成汽液兩相接觸傳質(zhì)的必要條件。

　　注意：工業(yè)用精餾塔內(nèi)由于塔頂?shù)囊合嗷亓骱退椎钠嗷亓?，為每塊塔板提供了汽、液來(lái)源。

　　三、DHA生產(chǎn)理論研究

　　1、DHA的代謝途徑

　　1.1DHA的分解代謝

　　天然不飽和脂肪酸多為順式，需轉(zhuǎn)變?yōu)榉词綐?gòu)型，才能被β-氧化酶系作用，進(jìn)一步氧化分解。在生物體內(nèi)，不飽和脂肪酸的氧化需要更多酶的參與才能順利進(jìn)行，由于雙鍵的存在，使DHA比飽和及單不飽和脂肪酸更難氧化分解。DHA不能在線粒體中β-氧化，而是被過(guò)氧化物酶體氧化，皮膚表皮15-脂氧合酶的活性非常高，將DHA轉(zhuǎn)化為17-羥基二十碳六烯酸。DHA被哺乳動(dòng)物吸收后，絕大部分結(jié)合成甘油三酯。

　　1.2DHA的合成代謝

　　哺乳動(dòng)物自身不能合成DHA，但可由攝食的油酸、亞油酸或亞麻酸轉(zhuǎn)化而成。在動(dòng)物體內(nèi)，攝食的油酸或亞油酸主要轉(zhuǎn)化為AA，而合成的DHA極少且緩，人體內(nèi)DHA主要由植物油亞麻酸轉(zhuǎn)化而來(lái)，由于轉(zhuǎn)化涉及3種酶（其中△6去飽和酶為限速酶）的代謝過(guò)程，因此轉(zhuǎn)化效率較低。

　　微生物合成多價(jià)不飽和脂肪酸通常是在單不飽和脂肪酸基礎(chǔ)上開(kāi)始，合成機(jī)制與高等生物一致，包括延長(zhǎng)碳鏈和去飽和作用兩個(gè)過(guò)程，分別由相應(yīng)的膜結(jié)合延長(zhǎng)酶和脫飽和酶催化，使碳鏈增長(zhǎng)；脂肪酸脫飽和體系由微粒體膜結(jié)合的細(xì)胞色素b5、NADH-細(xì)胞色素b5還原酶和脫飽和酶組成。微生物合成DHA是從油酸開(kāi)始，其脫飽和途徑是ω-3；供體（乙酰CoA或丙二酰單酰CoA）提供兩個(gè)碳原子，在12、13位C原子之間引入一個(gè)雙鍵，形成亞油酸，再在15、16位碳原子間引入一個(gè)雙鍵，形成α-亞麻酸，再經(jīng)進(jìn)一步的碳鏈延長(zhǎng)和脫飽和而形成DHA，形成過(guò)程如下：

　　圖4代謝圖分析

　　2、影響微藻培養(yǎng)生產(chǎn)DHA的理化因素

　　2.1物理因素

　　影響微藻生長(zhǎng)生產(chǎn)DHA的物理因素有光照、溫度、溶氧量、鹽度、pH值等。

　　（1）光照：脂肪酸的合成具有藻種的特異性。

　?。?）溫度：不同的溫度對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)具有較大的影響。隨溫度的升高，藻細(xì)胞的代謝和呼吸作用加快，生長(zhǎng)速率增大。而隨溫度的減低，藻細(xì)胞的代謝和呼吸作用降低。細(xì)胞內(nèi)的多不飽和脂肪酸累積量逐漸增大，DHA含量也逐漸增大。

　?。?）鹽度：鹽度對(duì)微藻脂肪酸組成的影響因種而異。一般來(lái)說(shuō)，在高鹽濃度下，多不飽和脂肪酸的含量下降。而在適宜的鹽度時(shí)，DHA含量隨著鹽度的升高而增大。

　?。?）溶氧量：在脂肪酸的代謝途徑中，分子氧參與脂肪酸的去飽和過(guò)程是多不飽和脂肪酸合成過(guò)程的限 制因子，微藻發(fā)酵生產(chǎn)DHA的含量也受氧濃度的影響。一般來(lái)說(shuō)，高濃度的溶氧中生產(chǎn)的DHA含量大于低濃度中的DHA含量。

　?。?）pH值：不同的微藻都有其適宜的pH值。它不僅影響了微藻細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡，也影響了藻細(xì)胞膜的通透性。

　　此外，培養(yǎng)周期、培養(yǎng)密度、保存方式也對(duì)微藻生產(chǎn)DHA有影響。

　　2.2化學(xué)因素

　?。?）碳氮比：培養(yǎng)基中的氮源組成主要影響微藻細(xì)胞內(nèi)飽和及不飽和脂肪酸的比例，當(dāng)培養(yǎng)基中C/N比升高時(shí)，Chlorellasorokiniana細(xì)胞內(nèi)多不飽和脂肪酸的含量增大。同時(shí)培養(yǎng)基的碳、氮源的選擇也影響了微藻生產(chǎn)DHA的產(chǎn)量，這表現(xiàn)為不同的藻種對(duì)碳、氮源有不同的適應(yīng)性。

　?。?）氯化鈉：在海洋藻類(lèi)中，鈉離子的作用主要是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)中胞內(nèi)外的滲透壓。在高鹽濃度下，藻細(xì)胞的細(xì)胞膜的流動(dòng)性和滲透壓降低，多不飽和脂肪酸含量下降，DHA的含量也下降，而低鹽度下時(shí)DHA的含量較高。

　　2.3微藻生產(chǎn)DHA的方式

　?。?）自養(yǎng)方式

　　對(duì)光合自養(yǎng)的微藻進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)一些光合自養(yǎng)微藻能產(chǎn)生DHA。如光甲藻和隱甲藻中，DHA是磷脂酰膽堿的主要成分，特別是隱甲藻體內(nèi)，將近總脂肪酸的50%的成分為DHA。人們也已經(jīng)從海藻中發(fā)現(xiàn)DHA，含量占總脂肪酸的12%~36%。光合自養(yǎng)微藻的大規(guī)模培養(yǎng)多采用開(kāi)放式池、封閉式池和封閉式光合生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行培養(yǎng)。

　?。?）異養(yǎng)方式

　　與自養(yǎng)培養(yǎng)方式相比，其具有培養(yǎng)過(guò)程無(wú)需光照，減少能量；可具有較大的培養(yǎng)密度，可提高底物的轉(zhuǎn)化率，縮短了發(fā)酵周期；能控制溫度、溶氧等培養(yǎng)參數(shù)。

　　目前，已經(jīng)成功地進(jìn)行了隱甲藻異養(yǎng)及混養(yǎng)的研究。

　　2.4影響真菌合成DHA的因素

　　2.4.1培養(yǎng)基的組成

　　（1）碳源：真菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA時(shí)，不同的碳源對(duì)生物量、菌體脂質(zhì)量和脂質(zhì)DHA含量都有極大的影響。總體而言，葡萄糖是較佳的碳源，生物量、菌體脂質(zhì)量、脂質(zhì)DHA含量以及DHA產(chǎn)量都是較高的。葡萄糖也是油脂發(fā)酵生產(chǎn)中常使用的碳源，而且可被有效轉(zhuǎn)化為油脂。

　?。?）氮源：氮的數(shù)量和來(lái)源對(duì)真菌合成多不飽和脂肪酸有著重要的影響。酵母抽提物、谷氨酸鈉和胰蛋白胨有利于ThraustochytriumaureumATCC34304的生長(zhǎng)，其中以酵母抽提物的生物量高，谷氨酸鈉還有利于脂質(zhì)的積累，各種氮源對(duì)脂質(zhì)DHA的含量影響不是十分明顯，從DHA的產(chǎn)量看，酵母抽提物和谷氨酸鈉為較好的氮源。

　?。?）碳氮比：除了碳源、氮源外，培養(yǎng)基中碳氮比也影響真菌合成DHA。微生物生長(zhǎng)于碳源過(guò)剩、氮源不足，或者是剝奪氮源的環(huán)境，便會(huì)激發(fā)和促進(jìn)脂質(zhì)的積累作為碳及能源的備用庫(kù)。一般情況下高的碳氮比有利于脂質(zhì)的積累和促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)，但碳氮比過(guò)高，脂質(zhì)中DHA含量將會(huì)下降。

　?。?）無(wú)機(jī)鹽及微量元素：在培養(yǎng)海洋微生物時(shí)，除非培養(yǎng)基中含有足夠的所有必需微量元素，否則，好采用天然海水。由于破囊壺菌和裂殖壺菌均為海生真菌，因此培養(yǎng)基中添加一定量無(wú)機(jī)鹽是非常必要的。

　　（5）前體促進(jìn)劑：一些酸和維生素對(duì)真菌合成DHA也是十分有用的。

　　2.4.2通氣與攪拌

　　微生物合成多不飽和脂肪酸過(guò)程中的去飽和作用需要分子氧的參與，分子氧的有效性決定其產(chǎn)生脂肪酸的不飽和度。因此，提高培養(yǎng)基中氧濃度有利于不飽和脂肪酸的合成。機(jī)械攪拌對(duì)培養(yǎng)Thraustochytrium和Schizochytrium生產(chǎn)DHA有不同的影響。由于Thraustochytrium缺乏細(xì)胞壁和富含不飽和脂肪酸，細(xì)胞脆性大，機(jī)械攪拌抑制其生長(zhǎng)。但Schizochytrium的情況則不同，適當(dāng)提高攪拌速度能促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)。另外，攪拌器的葉輪類(lèi)型對(duì)菌體的生長(zhǎng)也有影響。

　　2.4.3初始pH值

　　真菌生產(chǎn)DHA時(shí)，選擇適宜的初始pH值也是十分重要的。

　　2.4.4溫度對(duì)DHA的生產(chǎn)有著極其重要的影響

　　嗜冷微生物比嗜溫微生物能合成更多的多不飽和脂肪酸。許多研究也表明，低溫能促進(jìn)微生物合成不飽和脂肪酸。Brown和Rose認(rèn)為，由于低溫增加氧的可溶性，產(chǎn)生大量胞內(nèi)分子氧，有利于需氧參與的長(zhǎng)鏈脂肪酸的去飽和作用。另外，低溫下，微生物產(chǎn)生大量多不飽和脂肪酸也是一種適應(yīng)低溫環(huán)境的手段，因?yàn)槎嗖伙柡椭舅幔貏e是EPA、DHA能保持微生物細(xì)胞膜低溫流動(dòng)性，從而維持細(xì)胞正常功能。

　　2.4.5種齡和接種量

　　種齡顯著影響ThraustochytriumaureumATCC34304的脂質(zhì)積累和DHA產(chǎn)量，對(duì)生物量和脂質(zhì)DHA含量影響不大，種齡24h和5%的接種量時(shí)脂質(zhì)積累和DHA產(chǎn)量高。

　　2.4.6光照

　　破囊弧菌和裂殖弧菌為具有光刺激生長(zhǎng)特性的海生真菌，因此，光照對(duì)其生產(chǎn)DHA也有影響，ThraustochytriumaureumATCC34304在33W熒光燈光照下的生物量、脂質(zhì)量和DHA產(chǎn)量都比黑暗培養(yǎng)時(shí)高。

　　2.4.7培養(yǎng)時(shí)間

　　破囊弧菌和裂殖弧菌發(fā)酵初期的生物量和脂質(zhì)量呈線形增加，至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期達(dá)到高，此后，生物量保持平穩(wěn)，而脂質(zhì)量有所下降。DHA含量隨培養(yǎng)時(shí)間變化并不明顯。

　　目前，研究多不飽和脂肪酸的合成途徑、去飽和酶基因的性質(zhì)、藻細(xì)胞內(nèi)脂肪酸的組成、分布、DHA合成的途徑及合成前體物質(zhì)等也為多不飽和脂肪酸的工業(yè)化生產(chǎn)提供了更多的理論基礎(chǔ)。

　　四、DHA的分離提取

　　1、低溫分級(jí)法

　　利用不同的脂肪酸在過(guò)冷的溶劑中的溶解度差異來(lái)分離濃縮DHA。即將總脂肪酸置于1~10倍的無(wú)水丙酮中，并冷卻至-25℃以下，混合液的下層為飽和的脂肪酸和低度的不飽和脂肪酸結(jié)晶，而上層含有大量的高度的不飽和脂肪酸的丙酮溶液，將混合液過(guò)濾，濾液在真空下蒸餾除去丙酮，就可得到較純的DHA。

　　2、溶劑提取法

　　利用不同脂肪酸的金屬鹽在某種溶劑中的差異來(lái)分離濃縮DHA。該種方法是通過(guò)皂化后，在皂液加入H2SO4，并將pH調(diào)至1~2，分離上層粗脂肪酸乙醇混合液，加入回收乙醇，并反復(fù)水洗粗脂肪酸至pH為中性。即可得相對(duì)較純的DHA。

　　3、尿素包合法

　　脂肪酸與尿素的結(jié)合能力取決于其不飽和程度，脂肪酸的不飽和程度越高，其于尿素結(jié)合的能力越弱。因而可將飽和脂肪酸、低度不飽和脂肪酸、高度不飽和脂肪酸分離開(kāi)來(lái)。然后，利用適當(dāng)?shù)娜軇┹腿?，真空干燥后可得到DHA含量較高的不飽和脂肪酸。

　　4、超臨界CO2萃取法

　　超臨界流體萃取(supercriticalfluidextraction，簡(jiǎn)稱(chēng)SFE)是近代發(fā)展起來(lái)的一種新型化工分離技術(shù)。它原理主要是將DHA溶于超臨界狀態(tài)的CO2中，通過(guò)改變溫度和壓力，達(dá)到分離DHA的目的。它能夠分離出較純的DHA，但是對(duì)含有相同的碳數(shù)而雙鍵不同的脂肪酸卻效果較差。此外，現(xiàn)在還具有脂肪酶水解法、膜分離法、硝酸銀層析法、高 效液相色譜法等。

　　5、酶法破碎

　　細(xì)胞破碎的方法而言可分為機(jī)械法和非機(jī)械法，機(jī)械法包括珠磨法、高壓勻漿法、超聲波法和微波法等；非機(jī)械法包括溶酶法、酸熱法和自溶法等。

　　酶解法是一種研究較廣的細(xì)胞破碎方法，它利用酶反應(yīng)，分解破壞細(xì)胞壁上的特殊鍵，從而達(dá)到破壁的目的。

　　自溶法是一種特殊的溶酶方式，其所需的溶胞酶是由微生物本身產(chǎn)生的。事實(shí)上，在微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，大多都能產(chǎn)生一定的水解自身細(xì)胞壁上聚合物結(jié)構(gòu)的酶，以便使生長(zhǎng)繁殖過(guò)程進(jìn)行下去?？刂埔欢l件，可以誘發(fā)微生物產(chǎn)生過(guò)剩的溶胞酶或激發(fā)自身溶胞酶的活力，以達(dá)到細(xì)胞自溶的目的。目前常用的自溶促進(jìn)劑有食鹽、乙醇、甲苯、硫醇等。某些試驗(yàn)是通過(guò)在菌液加入NaCl使其達(dá)到一定的濃度進(jìn)行處理的。不溶固形物的含量隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而減少，這是因?yàn)镹aCl溶液中，存在滲透壓差，溶劑分子大量進(jìn)入細(xì)胞，引起細(xì)胞膜發(fā)生破裂，使得細(xì)胞水解酶與底物接觸而被激活，分解細(xì)胞，原生質(zhì)外溢，胞內(nèi)產(chǎn)物釋放致使不溶固形物減少。

　　自溶作用是酶解的另一種方法，在一定程度上能用于工業(yè)生產(chǎn)，但對(duì)不穩(wěn)定的微生物則容易引起蛋白質(zhì)變性，自溶后細(xì)胞培養(yǎng)液過(guò)濾速度也會(huì)降低。

　　其使用方法為：溶菌酶是專(zhuān)門(mén)作用于微生物細(xì)胞壁的水解酶，酶解條件為：pH值7·2的0·2mol·L-1的磷酸鉀緩沖溶液，0·8mol·L-1的氯化鉀溶液，0·5%的溶菌酶。在30℃將菌體振蕩不同時(shí)間后離心，菌體酶解后加入丙酮。影響因素：溫度、PH、自溶時(shí)間等對(duì)自溶效果都有影響，根據(jù)菌體的不同而有不同的影響。

　　酶法破碎的缺點(diǎn)：酶法避免了大量溶劑的使用，但酶作用的條件比較苛刻，這給過(guò)程的操作帶來(lái)麻煩。

　　目前很多是將酶法與其它各種細(xì)胞破碎方法結(jié)合起來(lái)，如酶解-超聲波法，酶解-高壓破碎法等。

　　五、DHA的微膠囊化

　　1、概念

　　生物微膠囊是一種將生物大分子或微生物、動(dòng)植物細(xì)胞，包封在一層親水性的半透膜內(nèi)所形成的珠狀微膠囊。生物微膠囊制備技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型技術(shù)，它已在細(xì)胞和酶的固定化、微生物和動(dòng)植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)、藥物控制釋放等諸多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

　　微膠囊技術(shù)是指把分散的固體、液體或氣體物質(zhì)完全包封在一層半透膜中形成微小粒子的技術(shù)。微膠囊通常是在囊壁內(nèi)填入囊心（又稱(chēng)包容物）配制而成。壁材是決定微膠囊性能的重要因素，不同的應(yīng)用條件對(duì)微膠囊壁材有不同的要求。原則上，只要能夠包囊芯材成膜的高分子材料都可作為微膠囊的壁材。

　　天然或合成高分子材料是制作囊壁的良好基材。天然高分子材料主要有植物膠、阿拉伯膠、海藻酸鈉、卡拉膠、瓊脂等，其次是淀粉及纖維素衍生物，如糊精、低聚糖、甲殼素等。國(guó)外開(kāi)發(fā)了乳化性、成膜性及致密性良好的淀粉衍生物作為包埋香精的壁材。此外明膠、酪蛋白、大豆蛋白、蠟(蟲(chóng)蠟、石蠟、蜂蠟)等也是很好的壁材。這類(lèi)材料無(wú)毒或毒性很小、黏度大、易成膜，但機(jī)械強(qiáng)度差，其中淀粉及纖維素不耐酸、不耐高溫、易水解。人工合成高分子材料主要有聚酯、聚醚、聚酰胺等。這類(lèi)材料具有良好的機(jī)械性能，并且容易通過(guò)化學(xué)或物理修飾進(jìn)行控制。通常要根據(jù)芯材的物理性質(zhì)來(lái)選擇適宜的壁材，不同的芯材需要不同類(lèi)型的壁材。一種理想的壁材必須具有如下特點(diǎn)：（1）高濃度時(shí)有良好的流動(dòng)性，保證在微膠囊化過(guò)程中有好的可操作性能；（2）良好的溶解性能；（3）在加工過(guò)程中能夠乳化囊心形成穩(wěn)定的的乳化體系；（4）膠囊易干燥及容易脫落；（5）對(duì)于活性生物的微膠囊材料需有很好的生物相容性。

　　合成高分子壁材則可顯示化學(xué)“裁剪”的優(yōu)勢(shì)。微膠囊囊壁的形狀與所填物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，含固體的微膠囊形狀與固體相同，含液體或氣體的微膠囊的形狀為球形。微膠囊的大小一般在2~1000μm范圍內(nèi)。囊壁因有許多微孔而具有良好的半透性。液體囊心或水溶性囊心可以通過(guò)溶解、滲透或擴(kuò)散過(guò)程，透過(guò)囊壁釋放出來(lái)。其釋放速度又可以通過(guò)改變囊壁材料的化學(xué)組成、厚度、硬度、孔徑大小等加以控制。即使是致密壁材內(nèi)的囊心，在控制壓力、紫外線強(qiáng)度等外界因素的作用下，也可以人們期望的速率釋放出來(lái)。微膠囊的特殊結(jié)構(gòu)使囊心與外界環(huán)境相互隔離，使其免受外界溫度、氧氣和紫外線等因素的影響；即便是性質(zhì)不穩(wěn)定的囊心，也不易發(fā)生化學(xué)變化。微膠囊的特殊結(jié)構(gòu)還可以使原本會(huì)發(fā)生反應(yīng)的幾種組分分開(kāi)，使其“各自為政”，保持“原汁原味”，并可根據(jù)需要控制它們的分離或混合。因此，根據(jù)不同特殊應(yīng)用的要求，制備有特定結(jié)構(gòu)的含不同囊心的微膠囊，將它們攙雜到應(yīng)用體系

　　中，能顯著改善產(chǎn)品性能，提高其附加值，起到非同尋常的效果。

　　2、微膠囊技術(shù)的發(fā)展概況

　　微膠囊技術(shù)大概始于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)大西洋海岸漁業(yè)公司(AtlanticCoastFishers)提出了在液體石蠟中，以明膠為壁材制備魚(yú)肝油一明膠微膠囊的方法。20世紀(jì)50年代，微膠囊技術(shù)開(kāi)始取得重大成果，其中利用機(jī)械方法制備微膠囊的先驅(qū)者是美國(guó)的Wurster，在40年代末他首先采用空氣懸浮法制備微膠囊，并成功的用于藥物包衣，至今仍常把空氣懸浮法成為Wurster法。美國(guó)NCR(國(guó)家出納)公司的Green是利用物理化學(xué)原理制備微膠囊的先行者，50年代初他發(fā)明了相分離復(fù)合凝聚法制備含油明膠微膠囊，并用于制備無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙，在商業(yè)上取得了極大的成功，由此開(kāi)創(chuàng)了以相分離為基礎(chǔ)的物理化學(xué)制備微膠囊的新領(lǐng)域。50年代末到60年代，人們開(kāi)始將聚合法應(yīng)用于微膠囊的制備，發(fā)表了許多以高分子聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)的化學(xué)方法制備微膠囊的資料，其中以界面聚合反應(yīng)的成功引人注目。70年代以來(lái)，微膠囊制備技術(shù)日益成熟，應(yīng)用范圍也由初的藥物包覆和無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙擴(kuò)展到食品、輕工、醫(yī)藥、石化、農(nóng)業(yè)及生物技術(shù)等領(lǐng)域。

　　3、微膠囊的特性表征及傳質(zhì)規(guī)律

　　3.1微膠囊的特性表征

　　微膠囊的主要功能是保護(hù)膜內(nèi)物質(zhì)和控制物質(zhì)滲透，因此膜的強(qiáng)度和滲透特性是微膠囊的主要性能指標(biāo)。目前，國(guó)際上通用截割相對(duì)分子質(zhì)量作為微膠囊的重要性能表征。然而截割相對(duì)分子質(zhì)量只反映了微膠囊對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的阻隔能力，對(duì)于低于截割相對(duì)分子質(zhì)量的溶質(zhì)分子就不能予以反映。鑒于微膠囊的阻隔作用與超濾膜(截留蛋白)和微濾膜(截留細(xì)胞)相仿，而微膠囊傳質(zhì)機(jī)理則與透析相似。因此可以建立以下特性表征參數(shù)。

　　3.1.1平衡分配系數(shù)K

　　平衡分配系數(shù)是平衡狀態(tài)下溶質(zhì)在微膠囊中的濃度和主體溶液的濃度之比。反映了微膠囊膜在平衡狀態(tài)下對(duì)物質(zhì)的整體透過(guò)能力。

　　3.1.2截留率R

　　截留率是溶質(zhì)在主體溶液中的濃度和溶質(zhì)在微膠囊中濃度之差占溶質(zhì)在主體溶液中的濃度的百分率。截留率反映了不同相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)通過(guò)微膠囊膜的透過(guò)特性。

　　3.1.3截割相對(duì)分子質(zhì)量

　　截割相對(duì)分子質(zhì)量被定義為微膠囊膜不能透過(guò)的大分子的低相對(duì)分子質(zhì)量。

　　3.1.4大孔徑dequ

　　截割相對(duì)分子質(zhì)量一定程度上反映了膜孔徑的大小，其大孔徑不會(huì)超過(guò)截割相對(duì)分子質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的分子的直徑。

　　3.1.5透過(guò)速率J

　　透過(guò)速率為單位時(shí)間單位膠囊外表面透過(guò)的溶質(zhì)的質(zhì)量。

　　4、傳質(zhì)規(guī)律

　　微膠囊不論用于什么方面，都涉及到物質(zhì)的截留和傳遞，而微膠囊的大小、微膠囊膜的厚度、微膠囊膜的孔徑都不同程度的影響微膠囊膜的滲透擴(kuò)散性能。

　　4.1擴(kuò)散系數(shù)的影響

　　微膠囊的擴(kuò)散過(guò)程包括兩部分：一是微膠囊膜中的傳遞過(guò)程，有效擴(kuò)散過(guò)程系數(shù)Dm(常數(shù))；二是微膠囊內(nèi)的傳遞過(guò)程，有效擴(kuò)散系數(shù)為Di(常數(shù))，兩者都為非穩(wěn)定擴(kuò)散。D是膜相有效擴(kuò)散系數(shù)和膜內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)的比值，反映了膜相和膜內(nèi)擴(kuò)散阻力的大小。D遠(yuǎn)大于1時(shí)，膜內(nèi)擴(kuò)散為控制擴(kuò)散；D為1時(shí)，則Dm=Di，底物在膜相與膜內(nèi)具有相同的擴(kuò)散能力；D遠(yuǎn)小于1時(shí)，膜相擴(kuò)散為速率控制步驟，傳質(zhì)阻力主要集中在膜相。

　　4.2微膠囊粒徑大小的影響

　　減小粒徑等效于延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間。同時(shí)，粒徑的減小還會(huì)增加微膠囊的傳質(zhì)面積。

　　4.3膜厚的影響

　　D遠(yuǎn)大于1時(shí)，膜厚對(duì)擴(kuò)散沒(méi)有影響；D小于1時(shí)，膜越厚，越慢達(dá)到平衡，平衡濃度越低；D越小，膜厚影響越大，微膠囊內(nèi)部濃度分布越慢趨于平衡，平衡濃度越低。綜上所述，通過(guò)控制微膠囊的制備條件提高微膠囊膜的通透性以增大膜相擴(kuò)散系數(shù)，在制備條件允許的情況下盡量減小粒徑，在保證膜強(qiáng)度的前提下減小膜厚度。

　　4.4分類(lèi)

　　微膠囊根據(jù)其囊壁材的不同可分為不透微膠囊和半透微膠囊。

　　5、微膠囊制備

　　在工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室中，微膠囊化的具體制備方法很多，有化學(xué)方法、物理化學(xué)方法和物理方法。其中物理方法需要較復(fù)雜的設(shè)備，投資較大；化學(xué)法包括界面聚合、原位聚合、乳化、輻射化學(xué)法等；物理化學(xué)法一般有相分離法(含水溶液相分離和相分離兩種)、溶劑蒸發(fā)法、界面沉積法以及噴霧干燥法等；物理法包括靜電沉積法、氣相沉積法、流化床噴霧法、真空蒸汽沉積法等?；瘜W(xué)方法和物理化學(xué)方法一般通過(guò)反應(yīng)釜即可進(jìn)行，因此應(yīng)用較多。

　　微膠囊的制作過(guò)程是先將芯材加工成微粉狀，分散在適當(dāng)介質(zhì)中，然后引入壁材(成膜物質(zhì))，使用特殊方法將壁材物質(zhì)在芯材粒子表面形成薄膜(也稱(chēng)外殼或保護(hù)膜)，后經(jīng)過(guò)化學(xué)或物理處理，達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度，形成穩(wěn)定的薄膜(也稱(chēng)為壁膜的固化)。制作微膠囊關(guān)鍵的是芯材物質(zhì)的選擇和成膜技術(shù)。選擇芯材的原則是既要考慮芯材的物性，又要兼顧芯材和壁材的相容性及二者的相互作用

　　5.1化學(xué)法

　　5.1.1界面聚合法

　　界面聚合的基本原理是將兩種帶不同活性基團(tuán)的單體分別溶于兩種互不相溶的溶劑中，當(dāng)一種溶液分散到另一種溶液中時(shí)，在兩種溶液的界面上單體相遇生成了一層聚合物膜。常用的活性單體有水溶性二(多)元醇、二(多)元胺、二(多)元酚和油溶性二(多)元酰氯、二(多)異氰酸酯等。反應(yīng)后分別形成聚酰胺、聚酯、聚脲或聚氨酯。如：

　　如果被包裹物是親油性的，應(yīng)先將被包裹物和油溶性單體溶于溶劑，然后將此溶液在水中分散成很細(xì)的液滴，再在不斷攪拌下往水相中加入含有水溶性單體的水溶液，于是在液滴表面上很快生成一層很薄的聚合物膜。經(jīng)沉淀、過(guò)濾和干燥工序后，便得到包有液滴的微膠囊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。如果被包裹的是水溶性物，則整個(gè)過(guò)程正好與上述方法相反。

　　圖5界面聚合法制備微膠囊示意圖

　　由于聚合反應(yīng)中常有小分子酸或堿生成，因此界面聚合法制備微膠囊時(shí)，要求被包裹物能耐酸堿性，并不會(huì)與單體發(fā)生反應(yīng)。此外，包入微膠囊中的微量多余單體的去除也是必須認(rèn)真對(duì)待的技術(shù)問(wèn)題。界面聚合法所得微膠囊的壁薄，被包裹物滲透性較好，通過(guò)改變攪拌速度或加入不同的適量表面活性劑可以得到不同粒徑和分布的微膠囊。不同單體聚合時(shí)因交聯(lián)程度不同可以得到不同厚度、硬度的囊壁，壁材上的微孔大小也可得到控制。

　　5.1.2原位聚合法

　　即單體成分及催化劑全部位于芯材液滴的內(nèi)部或者外部，發(fā)生聚合反應(yīng)而微膠囊化界面聚合和原位聚合法均是以單體為原料，并經(jīng)聚合反應(yīng)形成囊壁。原位聚合法的必要條件是：?jiǎn)误w是可溶的，而聚合物是不可溶的。與界面聚合法相比，可用于該法的單體很廣，如氣溶膠、液體、水溶性的或油溶性的單體或單體的混合物，低分子量的聚合物或預(yù)聚物等。因此，各種各樣的材料均可用來(lái)構(gòu)成囊壁。

　　5.1.3銳孔法

　　銳孔法可采用能溶于水或溶劑的聚合物作壁材。其固化通常是采用加入固化劑或熱凝聚來(lái)完成，也可利用帶有不同電荷的聚合物絡(luò)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。近來(lái)，多采用無(wú)毒且具有生物活性的殼聚糖陽(yáng)離子與帶有負(fù)電荷的多酶糖如海藻酸鹽、羧甲基纖維素、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸等絡(luò)合來(lái)形成囊壁。

　　銳孔法是因聚合物的固化導(dǎo)致微膠囊囊壁的形成，即先將線性聚合物溶解形成溶液，當(dāng)其固化時(shí)，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因?yàn)榇蠖鄶?shù)固化反應(yīng)即聚合物的沉淀作用，是在瞬間進(jìn)行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到固化劑中之前，預(yù)先成型，銳孔法可滿足這種要求，這也是該法的由來(lái)。

　　5.2物理法

　　5.2.1噴霧干燥法

　　噴霧干燥法將芯材分散于囊壁材料的稀溶液中，形成懸浮液或乳濁液。用泵將此分散液送到含有噴霧干燥的霧化器中，分散液則被霧化成小液滴，液滴中所含溶劑迅速蒸發(fā)而使壁材析出成囊；噴霧干燥法應(yīng)用于疏水性、親水性及與水反應(yīng)的物質(zhì)的微膠囊化。與其它工藝相比，該法操作簡(jiǎn)單，只需一道工序就可獲得良好的粉末或顆粒。影響該過(guò)程的因素是芯材與壁材的比例、初始溶液的濃度、粘度及溫度。此外，壁材的物理性質(zhì)也決定著囊壁的性能。由于噴霧干燥的干燥速度很快，而且物料的溫度不會(huì)超過(guò)氣流的溫度，噴霧干燥法很適合于熱敏材料的微膠囊化。噴霧干燥法存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是蒸發(fā)溫度高且暴露在溶劑/空氣中，活性物質(zhì)易失活；二是由于溶劑的快速除去，囊壁上易有縫隙，致密性差。這些缺陷在低溫操作下可避免。

　　5.2.2空氣懸浮法

　　空氣懸浮法又稱(chēng)流化床法或噴霧包衣法，其工作原理是將芯材顆粒置于硫化床中，沖入空氣使芯材隨氣流做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，溶解或熔融的壁材通過(guò)噴頭霧化，噴灑在懸浮上升的芯材顆粒上，并沉積于其表面。這樣經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的循環(huán)，芯材顆粒表面可以包上厚度適中且均勻的壁材層，從而達(dá)到微膠囊化目的。

　　5.2.3真空蒸發(fā)沉積法

　　該法是以固體顆粒作為芯材，壁材的蒸氣凝結(jié)于芯材的表面而實(shí)現(xiàn)膠囊化。

　　5.2.4靜電結(jié)合法

　　該法又稱(chēng)復(fù)凝聚法，適用于對(duì)非水溶性的固體粉末或液體進(jìn)行包囊。