超臨界二氧化碳注入法制備葉黃素殼聚糖微粒

洪 流，趙亞平

(上海交通大學化學化工學院，上海200240)

超臨界二氧化碳注入法制備葉黃素殼聚糖微粒

洪 流，趙亞平*

(上海交通大學化學化工學院，上海200240)

以殼聚糖粒子為載體，葉黃素為原料，采用超臨界二氧化碳注入法成功地制備了葉黃素殼聚糖微粒，考察了過程參數如溫度、壓力和時間對葉黃素在葉黃素殼聚糖微粒中負載量的影響。結果表明，隨著溫度的升高，葉黃素負載量減小;隨著壓力的增大，葉黃素負載量增大。當溫度為35℃，壓力為25MPa時，葉黃素負載量達到最大值。當溫度和壓力一定時，時間由1h增至4h，葉黃素負載量也隨之增加。

超臨界二氧化碳注入法，葉黃素，殼聚糖粒子

Abstract:The chitosan microparticles loaded with lutein was prepared using supercritical CO2impregnation technology.The effects of process parameters on the loading of lutein in the microparticles，such as temperature，pressure and time were studied.Results showed the impregnation amount of lutein increased with pressure increased but decreased with temperature increasing.The impregnation amount of lutein reached maximum when temperature was 35℃ and pressure was 25MPa.When temperature and pressure were constant，the impregnation amount of lutein increased with time increasing from 1h to 4h.

Key words:supercritical CO2impregnation technology;lutein;chitosan particles

葉黃素是一種含氧的類胡蘿卜素，廣泛存在于香蕉、獼猴桃、玉米和萬壽菊中，葉黃素在人體內自身不能夠合成，完全依賴飲食攝取，葉黃素具有多種生理功能，尤其以抗氧化、防止心血管疾病、提高免疫力和抗癌作用突出，受到廣泛的關注［1－4］。葉黃素屬脂溶性色素，對溫度、光照、氧氣等因素非常敏感，易被氧化，因此在目前工業應用生產工程中，一般都是將葉黃素與具有生物相容性的聚合物載體制成微納米混合物，有助于增大葉黃素水溶解性、方便葉黃素產品的處理、控制葉黃素劑量和提高葉黃素的穩定性［5－7］。目前主要有以下幾種方法:氣流粉碎、滾動球磨、噴霧干燥、重結晶(溶劑蒸發法或液體抗溶劑法)，但這些方法都有如下一些缺點:在制備過程中可能會破壞和降解葉黃素，并有有機溶劑殘留在葉黃素和聚合物載體當中，會對人體產生很大的害處［7］。近幾年來，超臨界二氧化碳注入技術作為一種清潔、有效的技術已經引起了很大的關注，超臨界二氧化碳由于低的臨界溫度和其惰性氣體性質可避免破壞和降解熱敏性物質，通過改變過程參數溫度、壓力和時間方便控制調節熱敏性物質的劑量，且無需使用有機試劑，不需要任何的后續操作，如干燥，溶解清除等等，大大節省了時間和提高了效率［8－10］。殼聚糖是甲殼素脫乙酰基后的產物，具有良好的生物相容性、生物黏附性和多種生物活性，無毒無免疫原性，可被體內多種酶生物降解，其降解產物無毒，且能被人體完全吸收，這些特點使殼聚糖成為一種理想的藥物載體材料［11－12］。本工作采用超臨界二氧化碳注入法，以殼聚糖粒子為載體，葉黃素為原料，制備葉黃素殼聚糖微粒，考察了過程參數溫度、壓力和時間對葉黃素負載量的影響，通過改變過程參數，制備不同葉黃素負載量的葉黃素殼聚糖微粒，為葉黃素作為營養強化劑和天然色素在制藥工業和食品中的應用提供新方法和新工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖(脫乙酰度≥90%)，冰醋酸(≥99.5%)、三聚磷酸鈉(TPP)、氫氧化鈉 均為分析純，均購于國藥集團化學試劑有限公司;葉黃素 80%，上海融禾醫藥科技發展有限公司;二氧化碳氣體 純度為99.9%，上海瑞利化工氣體有限公司。

JSM－7401F型場發射掃描式電子顯微鏡 日本電子株式會社;SP－752PC型紫外可見分光光度計上海光譜儀器有限公司;超臨界注入反應儀器 由實驗室組裝，反應儀器如圖1所示。

圖1 超臨界注入裝置流程圖

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖粒子的制備 參照文獻［13－15］的方法進行殼聚糖粒子的制備，具體實驗步驟如下:稱取0.3g殼聚糖溶于100mL醋酸(體積分數1%)，磁力攪拌子攪拌4h使殼聚糖充分溶解后，滴加0.5mol/L的氫氧化鈉溶液至殼聚糖醋酸溶液中，調節溶液pH為5.50，一邊攪拌，一邊向溶液中逐滴滴加三聚磷酸鈉溶液(1g/L)100mL，繼續攪拌30min，經過高速離心后，除上層清液。將沉淀層用去離子水洗滌三次后，冷凍干燥得固體殼聚糖粒子。

1.2.2 超臨界二氧化碳注入 將過量的葉黃素和所制備的殼聚糖粒子(用0.45μm過濾膜包裹住)分別放入圖1中注入釜6的不同層，葉黃素放在注入釜6的最底層，殼聚糖粒子放在注入釜6的中層，打開閥門2、4、8、9，通入二氧化碳排除系統裝置內的空氣后，關閉閥門9，將系統裝置密封。使用高壓泵3打入定量的二氧化碳，當達到所需的壓力和溫度時，關閉閥門2、4，打開閥門8，立即開動循環泵5，實驗結束后，關閉循環泵5，打開閥門9，緩慢泄壓至常壓，從注入釜6的中層取出樣品待分析。研究了過程參數溫度、壓力和時間對葉黃素負載量的影響，實驗方案如表1所示。

表1 超臨界注入過程實驗條件

1.2.3 葉黃素殼聚糖的鑒定和形貌測試 對殼聚糖粒子、超臨界二氧化碳注入的樣品和純葉黃素分別用照相機拍攝外觀形貌，并用JSM－7401F型場發射掃描式電子顯微鏡對超臨界二氧化碳注入的樣品進行觀察。

1.2.4 葉黃素負載量的測試 利用紫外測試并計算負載的葉黃素質量，具體步驟如下:取50mg超臨界二氧化碳注入的樣品，用定量無水乙醇超聲溶解，使負載的葉黃素充分溶解，利用紫外分光光度計測試，并用下面公式計算葉黃素負載量:

2 結果與分析

2.1 葉黃素殼聚糖的鑒定和形貌分析

對葉黃素殼聚糖形成前后的形貌拍攝，如圖2所示。由圖片對比可知，殼聚糖粒子為純白色(a)，純的葉黃素顏色為橘黃色(c)，而經過超臨界二氧化碳注入的樣品顏色均勻，呈黃色(b)，可知葉黃素已經成功地注入至殼聚糖當中，且分散均勻。此外，為了進一步驗證超臨界制備的葉黃素殼聚糖的形貌，本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)對葉黃素殼聚糖的形態進行了表征，如圖3所示，所制備的葉黃素殼聚糖顆粒大小均在微米范圍之內，因此采用超臨界二氧化碳注入法可以成功地制備出葉黃素殼聚糖微粒。

圖2 殼聚糖粒子、葉黃素殼聚糖微粒與葉黃素外觀對比圖

圖3 葉黃素殼聚糖微粒的SEM圖

2.2 過程參數對葉黃素負載量的影響

2.2.1 溫度對葉黃素負載量的影響 保持壓力P分別為15、20、25MPa和時間2h不變，考察了溫度對葉黃素負載量的影響，如圖4所示。

當溫度由35℃升高至45℃時，葉黃素負載量均減少。依據 Kazarian和其同事報道［16－17］的超臨界注入技術有兩種機理，第一種機理是在系統泄壓過程當中，溶解在超臨界流體當中的溶質析出，從而將沉積在基質載體當中;第二種機理是由于溶解在超臨界流體當中的溶質與基質載體之間的作用力(如范德華力)，導致溶質在基質載體當中沉積。依據文獻中［18－20］葉黃素的溶解度與注入結果對比可知，該注入過程屬于第二種機理，說明葉黃素與殼聚糖粒子之間的作用力的影響對負載過程起重要的作用，隨著溫度的升高，葉黃素與殼聚糖粒子之間的作用力減弱，葉黃素負載量隨之減小。綜合上述得出超臨界二氧化碳的溫度變化可導致葉黃素負載量的變化，葉黃素負載量隨著溫度的增大而減小，當溫度為35℃時，葉黃素負載量最大。

圖4 溫度對葉黃素負載量的影響

2.2.2 壓力對葉黃素負載量的影響 保持溫度為35、40、45℃和時間2h不變，考察了壓力對葉黃素負載量的影響，如圖5所示。

圖5 壓力對葉黃素負載量的影響

超臨界二氧化碳壓力由10MPa上升到25MPa時，葉黃素負載量均有不同程度的增加，這是因為超臨界二氧化碳壓力升高，其密度增大，葉黃素在超臨界二氧化碳的溶解度提高，超臨界二氧化碳滲透能力也隨著提高，可將更多的葉黃素注入到殼聚糖粒子中，從而提高葉黃素負載量，同時圖5中還可以看出，在溫度分別為35、40、45℃時，壓力為15MPa時，葉黃素注入量之間的差距較大，當壓力為25MPa時，葉黃素注入量之間的差距很小。分析可知隨著壓力的升高，葉黃素的注入量之間差距逐漸縮小，超臨界二氧化碳的壓力變化對葉黃素負載量的影響較大。

2.2.3 時間對葉黃素負載量的影響 保持溫度為35℃不變，分別考察了壓力為20MPa和25MPa時，時間對葉黃素負載量的影響，由圖6所示。

當壓力分別為20MPa和25MPa時，葉黃素負載量隨時間的延長而增加。超臨界注入過程是由熱力學和傳質學相互作用的過程，這一過程和壓力、溫度密切相關，壓力和溫度不僅可以改變葉黃素的溶解度和傳質速度，還可以改變葉黃素在殼聚糖和超臨界二氧化碳的分配系數。在壓力為20MPa和25MPa，溫度為35℃時，葉黃素在超臨界二氧化碳的溶解度非常低，影響了葉黃素向殼聚糖粒子的傳質速度，使得葉黃素達到平衡濃度的時間較長，因此時間由1h增至4h，葉黃素注入量隨之增加。

圖6 時間對葉黃素負載量的影響

3 結論

采用超臨界二氧化碳注入法，制備了葉黃素殼聚糖微粒，研究了溫度、壓力和時間對葉黃素負載量的影響。結果表明，當時間一定，葉黃素負載量隨溫度升高而減小，葉黃素負載量隨著壓力的增加而增加，當溫度為35℃，壓力為25MPa時，葉黃素負載量達到最大值;當溫度和壓力一定時，隨著時間延長，葉黃素負載量也有不同程度的增加。超臨界二氧化碳注入法操作過程簡單，無需使用有機試劑，是一種清潔、方便和有效的綠色方法。

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Preparation of chitosan microparticles loaded with lutein using supercritical carbon dioxide impregnation technology

HONG Liu，ZHAO Ya－ping*
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

TS201.1

B

1002－0306(2010)08－0201－04

2009－08－31 *通訊聯系人

洪流(1984－)，男，碩士生，研究方向:超臨界流體的應用。

國家高技術研究發展計劃項目(2007AA10Z350)。