多孔淀粉微球的制備及應(yīng)用

司 曉 菲， 呂 繼 祥， 李 沅， 劉 兆 麗， 孫 巖 峰

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.浙江吉華集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 311234 )

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多孔淀粉微球的制備及應(yīng)用

司 曉 菲1， 呂 繼 祥1， 李 沅1， 劉 兆 麗1， 孫 巖 峰2

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.浙江吉華集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 311234 )

對淀粉微球致孔方法及多孔淀粉微球的應(yīng)用性能進(jìn)行了研究，首先確定了微球制備的基本條件并且進(jìn)行了優(yōu)化。用于制備淀粉微球的最佳條件為：玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，交聯(lián)劑用量0.28 g/g，乳化劑用量為0.05 g/mL，油水相體積比3∶1，機(jī)械攪拌速度600 r/min，由這些因素組成了油包水反相乳液體系。在此基礎(chǔ)上，對微球致孔方法進(jìn)行了研究,分別使用冷凍干燥法和加入致孔劑法對微球致孔，得到了具有多孔結(jié)構(gòu)的微球，通過掃描電子顯微鏡觀察了成孔效果并且研究了不同PEG6000添加量對微球孔隙率的影響。以亞甲基藍(lán)作為模擬藥物，研究了多孔微球的藥物負(fù)載性能，在PEG6000添加量為淀粉質(zhì)量的30%時，多孔微球的孔隙率為89%，載藥量為 158 mg/g。

淀粉微球；致孔方法；孔隙率；載藥量

0 引 言

淀粉分子的結(jié)構(gòu)上存在許多活性中心，可以參與很多化學(xué)反應(yīng)，生成改性淀粉。在多種改性產(chǎn)物中，交聯(lián)淀粉微球表現(xiàn)出良好的吸附性，生物可降解性和生物相容性[1]。多孔淀粉微球相較于普通淀粉微球有很多優(yōu)勢，孔隙發(fā)達(dá)、質(zhì)地輕，所以負(fù)載能力更強(qiáng)，擴(kuò)散速率更快[2-4]。目前對于微球的致孔方法研究較少，本研究采用冷凍干燥法和添加致孔劑法以達(dá)到致孔目的。冷凍干燥過程中，微球表面及內(nèi)部的殘余水分冷凍成冰，經(jīng)過升華可形成孔隙，使得微球具有疏松多孔結(jié)構(gòu)；加入致孔劑法是先用致孔劑在聚合物中占位，然后將致孔劑洗脫出來留下孔隙的方法[5-7]。因此致孔劑的用量和種類成為影響孔結(jié)構(gòu)的主要因素。實(shí)驗(yàn)采用單因素法研究了玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)劑用量、乳化劑用量、油水體積比和機(jī)械攪拌速度對微球成形和粒徑大小的影響，獲得了制備淀粉微球的基本條件，在此基礎(chǔ)上研究了淀粉微球的致孔方法以及多孔玉米淀粉微球的載藥性能。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米淀粉，撫順市東洲區(qū)冬梅淀粉制品廠分裝；大豆油，益海嘉里食品營銷有限公司；氫氧化鈉、無水乙醇、三偏磷酸鈉、乙酸乙酯、丙酮、亞甲基藍(lán)、聚乙二醇6000，聚乙二醇二甲醚2000、聚乙烯吡咯烷酮K15，分析純；Span80，化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2 玉米淀粉微球制備

油相制備：取一定量大豆油，加入Span80作乳化劑，在60 ℃恒溫水浴中600 r/min機(jī)械攪拌至乳化劑分散均勻，降溫至50 ℃待用[8-9]。

水相制備：取一定量的玉米淀粉，加入1%的NaOH溶液，用玻璃棒攪拌至糊化透明；將淀粉質(zhì)量4%的Na3(PO3)3預(yù)先溶于1%的NaOH溶液中，然后加入糊化的淀粉液中，攪拌均勻。

將制備好的水相逐滴加入油相中，攪拌反應(yīng)5 h得到乳狀液。

后處理：將乳狀液離心后，分去油相，然后分別用乙酸乙酯，無水乙醇，丙酮洗滌，最后于40 ℃干燥過夜[10-11]。

1.3 單因素試驗(yàn)

固定其他條件不變，分別考察了玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3%，4%，5%，6%)，油水體積比(2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1)，交聯(lián)劑用量(0.12，0.16，0.2，0.24，0.28 g/g)，乳化劑用量(0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 g/mL)，攪拌速度(450，500，550，600，700 r/min)對淀粉微球形貌和粒徑的影響。

1.4 冷凍干燥致孔

將用乙酸乙酯、乙醇和丙酮洗滌過的淀粉微球在高速冷凍干燥機(jī)中充分干燥48 h，制成多孔的玉米淀粉微球。

1.5 加入致孔劑致孔

分別將淀粉質(zhì)量40%的PEG6000、PVPK15、DMPE2000；淀粉質(zhì)量10%、20%、30%、40%、50%的PEG6000與(NaPO3)3一起溶解于NaOH溶液中，然后加入糊化的淀粉糊液中，攪拌均勻。其余步驟與上述淀粉微球制備步驟相同。在后處理階段，乙酸乙酯洗滌過的淀粉微球用無水乙醇浸泡過夜，然后用索氏提取器在無水乙醇中回流24 h，40 ℃干燥過夜[12-13]。

1.6 玉米淀粉微球形態(tài)觀察

玉米淀粉微球的球形形態(tài)在光學(xué)顯微鏡100×的放大倍數(shù)下觀察。內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡觀察，首先將干燥后的樣品在紅外燈下用雙面膠固定在樣品臺上，然后噴金，測試時利用SEM掃描電子顯微鏡觀察多孔玉米淀粉微球樣品。

1.7 平均粒徑的測定

取少量樣品平鋪在載玻片上，蓋上蓋玻片，用多媒體光學(xué)顯微鏡選擇分散性較好的區(qū)域拍攝圖片。然后用粒徑測定軟件測定約200個微球的粒徑，算出粒徑的統(tǒng)計平均值[14]。

1.8 孔隙率的測定

用去離子水浸泡適量制備好的玉米淀粉微球，使其充分溶脹，每隔0.5 h稱其質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量不再變化時，就得到了吸水平衡的微球。取適量的達(dá)到吸水平衡的玉米淀粉微球，抽濾并用濾紙吸去多余的水分，稱其濕重為mw，體積為V。用冷凍干燥法除去微球內(nèi)部吸收的水分，稱其干重為md。多孔玉米淀粉微球的孔隙率P按以下公式進(jìn)行計算[15]。

V(H2O)=(mw-md)/ρ(H2O)

(1)

P=V(H2O)/V

(2)

1.9 藥物負(fù)載分析

用亞甲基藍(lán)(MB)代替藥物，測定致孔方法以及致孔劑添加量所得微球的載藥性能。首先在664 nm處測定MB溶液吸光度[16]。以質(zhì)量濃度ρ對吸光度A進(jìn)行線性回歸處理得到MB的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程為y=0.145x+0.08，R2=0.988 29。稱取0.2 g微球懸浮于100 mL 500 mg/L 的MB溶液中。將懸浮液在室溫下輕輕振蕩2.5 h。取1 mL吸附后的MB溶液稀釋50倍，然后測定其吸光度。用單位質(zhì)量微球的載藥量L表征微球的載藥能力。根據(jù)吸附前后MB溶液的濃度差計算載藥量[17]。

L=(ρ0-ρ1N1)V/m

(3)

式(3)中：L為載藥量，mg/g；ρ0為MB溶液初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρ(等于ρ1N1)為吸附2.5 h后MB溶液的質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1為稀釋后的MB質(zhì)量濃度，mg/L；V為MB溶液的體積，L；N1為稀釋倍數(shù)50；m為玉米淀粉微球的質(zhì)量，g；根據(jù)MB溶液濃度與吸光度關(guān)系曲線求出。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對微球形貌的影響

2.1.1 玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微球成球的影響

不同玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得的微球形貌如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)?shù)矸酆簼舛忍蜁r，淀粉鏈之間不能很好地進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，影響交聯(lián)反應(yīng)的速率和產(chǎn)率，不利于成球；而淀粉糊液濃度太高時，溶液因太黏稠而不能夠均勻地分散在油相中，不能形成乳液體系，因此不易成球，或者形成的微球粘連在一起。因此，本實(shí)驗(yàn)確定玉米淀粉糊液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

圖1 玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微球成球的影響

2.1.2 油水比對玉米淀粉微球平均粒徑的影響

油水比對玉米淀粉微球平均粒徑的影響，如圖2所示。隨著油水體積比的增大，淀粉微球平均粒徑逐漸減小。在反相乳液中，每個分散的水相液滴都是一個合成微球的反應(yīng)器，微球的粒徑取決于液滴的尺寸，當(dāng)油水比逐步增大時，水相液滴被分散的越來越小，所以粒徑越來越小。當(dāng)油水體積比過高，微球產(chǎn)出率降低，浪費(fèi)油相，提高成本。采用的油水體積比為3∶1。

2.1.3 攪拌速度對玉米淀粉微球平均粒徑的影響

攪拌速度對玉米淀粉微球平均粒徑的影響如

圖2 油水體積比對微球平均粒徑的影響

Fig.2 Effects of the volume ratio of oil to water on the average particle size of the starch microspheres

圖3所示。在乳液交聯(lián)反應(yīng)過程中，攪拌起著重要的分散作用。攪拌產(chǎn)生的剪切力使淀粉水溶液在大豆油中均勻分散成小液滴，交聯(lián)反應(yīng)之后，得到同樣大小的微球。實(shí)驗(yàn)表明，微球的平均粒徑隨著攪拌速度的升高而減小。攪拌速度越快，剪切力越大，越容易克服表面張力，使得液滴越小，微球的平均粒徑也就越小。實(shí)驗(yàn)選擇攪拌速度為600r/min。

圖3 攪拌速度對淀粉微球平均粒徑的影響

2.1.4 交聯(lián)劑用量對玉米淀粉微球平均粒徑的影響

交聯(lián)劑用量對玉米淀粉微球平均粒徑的影響如圖4所示。隨著三偏磷酸鈉用量增加，一方面由于磷酸二酯鍵的增加，負(fù)電荷的排斥作用使得微球粒徑增大；另一方面，由于交聯(lián)得越來越緊密，使得微球粒徑減小。如圖4所示，當(dāng)三偏磷酸鈉用量增加，微球粒徑也隨著增大，此時磷酸二酯鍵的排斥作用起主導(dǎo)作用，當(dāng)三偏磷酸鈉加入量達(dá)到0.20g/g以后，隨著交聯(lián)劑的增加，微球粒徑減小，這是由于交聯(lián)得越來越緊密，后來變化很小，是因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到交聯(lián)飽和。為了使微球機(jī)械性能更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)選擇交聯(lián)劑用量為0.28g/g。

2.1.5 乳化劑用量對玉米淀粉微球平均粒徑的影響

乳化劑用量對玉米淀粉微球平均粒徑的影響

圖4 交聯(lián)劑用量對微球平均粒徑的影響

如圖5所示。乳化劑用量低于0.03g/mL時，不足以形成穩(wěn)定的反相乳液體系，部分液滴聚并、粘連。隨著乳化劑用量的增加，乳化劑形成的“種子”增加，油水界面張力減小，水相是一定的，所以形成更多更小的液滴，降低了微球的粒徑。當(dāng)乳化劑用量達(dá)到臨界膠束濃度，微球的粒徑便不再減小。而且過多的乳化劑會粘到微球表面上，不利于清洗。實(shí)驗(yàn)選擇乳化劑用量為0.05g/mL。

圖5 乳化劑用量對微球平均粒徑的影響

2.2 致孔方法對微球形貌的影響

采用兩種致孔方法制備了4種多孔微球，其SEM形貌如圖6。從圖6可以看出冷凍干燥法可以成功地制備多孔的玉米淀粉微球，但是致孔效果不明顯。選用聚乙烯吡咯烷酮作致孔劑時，玉米淀粉微球只是表面有很淺的孔洞。選用聚乙二醇二甲醚為致孔劑時，玉米淀粉微球形成表面和內(nèi)部貫穿的孔洞。選用聚乙二醇為致孔劑時，制備的玉米淀粉微球球形良好，孔隙發(fā)達(dá)，內(nèi)部呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)選擇聚乙二醇為致孔劑進(jìn)行后面的研究，因?yàn)樗酥驴仔Ч?，也符合作為致孔劑的條件：水溶性；化學(xué)惰性；反應(yīng)結(jié)束后，容易洗掉；毒性小等。

圖6 致孔方法對多孔玉米淀粉微球形貌的影響

Fig.6 Effects of different pore-forming methods on the morphology of the microspheres

2.3 致孔劑的選擇

冷凍干燥、PVPK15、DMPE2000、PEG6000對MB吸附量分別為53、61、110、132mg/L?？梢钥闯?添加致孔劑的效果比冷凍干燥好，這是由于冷凍干燥致孔，孔徑較小，而且當(dāng)交聯(lián)劑加入過多時，微球表面致密無孔；交聯(lián)劑加入過少時，則出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。加入相同質(zhì)量的3種致孔劑時，PEG6000致孔效果最好，制得的微球藥物負(fù)載量最大。實(shí)驗(yàn)選擇PEG6000作為致孔劑。

2.4 PEG6000添加量對微球孔隙率的影響

分別加入不同質(zhì)量的PEG6000，考察了制得的微球的孔隙率如圖7所示。可以看出隨著致孔劑用量的增加，微球的孔隙率先升高后降低。這是由于，開始時隨著致孔劑用量的增加，微球的孔徑變大或者孔變多，孔隙率升高；后來當(dāng)微球的孔徑達(dá)到最大化，繼續(xù)增加致孔劑用量會使微球的機(jī)械性能變差，表面或內(nèi)部出現(xiàn)塌陷，孔隙率降

圖7 PEG6000添加量對多孔微球孔隙率的影響

低。此外，過量的致孔劑會使水相黏度變大，后來形成的乳液相對穩(wěn)定性下降，使液滴呈不規(guī)則形狀分布，在固化成球后得到形貌不規(guī)則的產(chǎn)物。

2.5 PEG6000添加量對微球載藥能力的影響

分別加入不同質(zhì)量的PEG6000，考察所得微球的載藥量，如圖8所示。從圖8可以看出，隨著PEG6000用量的增加，微球的載藥量先增加，達(dá)到最大值后開始減少。這是由于隨著致孔劑用量的增加，微球的孔隙率越來越高，達(dá)到最大以后，再加入致孔劑，就會降低微球的機(jī)械性能，導(dǎo)致部分塌陷，降低孔隙率。致孔劑添加量為0.3g/g時，微球的載藥效果最好。

圖8 PEG6000添加量對微球載藥量的影響

3 結(jié) 論

玉米淀粉微球的制備通過水/油乳液交聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。微球表現(xiàn)出相對一致的大小分布，而且球形較好。制備條件是玉米淀粉為原料，Span80作乳化劑，三偏磷酸鈉作交聯(lián)劑，50 ℃機(jī)械攪拌5h。使用冷凍干燥和分別加入致孔劑PEG6000，PVPK15和DMPE2000對微球致孔，發(fā)現(xiàn)PEG6000可使微球的表面及內(nèi)部形成多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著致孔劑用量的增加，微球形貌由少孔到密集多孔到多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變化，但是過量的致孔劑會導(dǎo)致微球骨架塌陷，孔隙率下降。在藥物負(fù)載方面，當(dāng)使用PEG6000作致孔劑時，發(fā)現(xiàn)在致孔劑添加量為0.3g/g淀粉時，多孔微球孔隙率最大為89%，載藥量為158mg/g。

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Preparation and application of porous starch microspheres

SI Xiaofei1, LYU Jixiang1, LI Yuan1, LIU Zhaoli1, SUN Yanfeng2

( 1.School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China； 2.Zhejiang Jihua Group Company Limited, Hangzhou 311234, China )

The pore-forming method and applied performance of starch microspheres were studied and the preparation conditions of the microspheres were optimized. The optimum conditions were as follow: corn starch concentration of 5%, the dosage of cross-linking agent of 0.28 g/g, emulsifier dosage of 0.05 g/mL, the volume ratio of oil to water of 3∶1 and the agitation rate of 600 r/min. The pore-forming method of the microspheres was studied using freeze drying method and adding pore-forming agent PEG, DMPE and PVP to the aqueous phase. The microspheres with porous structure using scanning electron microscope and the influence of different amount of PEG6000 on the porosity was studied. The loading performance of the porous microspheres was studied using methylene blue as a model drug. The porosity of the porous microspheres and the amount of drug loading could reach to 89% and 158 mg/g when the amount of pore-forming agent was 30%.

starch microspheres; method of pore-forming; porosity; drug loading

2015-03-09.

遼寧省科技廳工業(yè)攻關(guān)計劃項(xiàng)目(2011223010).

司曉菲(1989-)，女，碩士研究生；通信作者：劉兆麗(1970-)，女，教授.

TS236.9；TQ317.4

A

1674-1404(2016)06-0452-05

SI Xiaofei, LYU Jixiang, LI Yuan, LIU Zhaoli, SUN Yanfeng. Preparation and application of porous starch microspheres[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 452-456.