常溫下制備豌豆淀粉微球的方法及對亞甲基藍的吸附性能研究

張 磊，李明生,3，張 健，靳冬武，鄭 榮，馬忠仁,3，馮玉萍,3*

（1.西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學生物工程與技術國家民委重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省動物細胞工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730030）

常溫下制備豌豆淀粉微球的方法及對亞甲基藍的吸附性能研究

張 磊1,2，李明生1,2,3，張 健1，靳冬武1，鄭 榮1，馬忠仁1,2,3，馮玉萍1,2,3*

（1.西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學生物工程與技術國家民委重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省動物細胞工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730030）

以普通豌豆淀粉為原料，在常溫下利用WO乳化方法制備交聯淀粉微球(CSM)為吸附載體。研究了制備豌豆淀粉微球的最優制備工藝條件。利用紅外(FT-IR)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)對微球進行表征。結果表明當淀粉溶液濃度為7%，攪拌速度為500 rpm，交聯劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時，制備出的淀粉微球成球率最高，粒徑均一，大小約為150 μm。以亞甲藍為載藥模型，吸附實驗表明淀粉微球對亞甲基藍的吸附行為符合Langmiur方程。表明該淀粉微球在吸附藥物等領域有廣闊的應用前景。

豌豆淀粉；淀粉微球；亞甲基藍，吸附性能

淀粉微球是天然高分子淀粉的一種衍生物，其外形規則，粒度大小均勻，具有適度的膨脹性、高的比表面積和良好的機械強度[1]，具有可生物降解、無毒性、原料來源廣泛、價格低廉等優點，已經作為靶向制劑的藥物載體在醫藥衛生領域等獲得了應用[2-4,12-15]。但目前交聯淀粉微球以環氧氯丙烷、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、對苯二甲酰氯為主要交聯劑[5-6,10-15]，但存在有毒性，交聯過程繁雜，有粒度分布不均勻，微球機械強度差，且需要升溫至一定溫度才可交聯的缺點，這很大程度上影響了淀粉微球的應用前景。

聚乙二醇二縮水甘油醚（PGDE）作為交聯劑，該分子結構上具有兩個醚環，可以和氨基、羥基、羧基發生反應。因此通過醚環與淀粉分子結構上的羥基、羧基的反應，可以制備出具有交聯結構的淀粉微球，且毒性遠遠低于其他常用交聯劑，是醫用合格范圍內的交聯劑[7-9]，且材料具有良好的柔韌性[8-9]。但未見關于PGDE交聯淀粉微球的文獻報道。

本研究以豌豆淀粉為原料，采用聚乙二醇二縮水甘油醚（PGDE）作為交聯劑，在常溫下利用WO乳化體系合成交聯淀粉微球(CSM)，其機械強度好、高比表面積，具有較強吸附性能，是一種天然環保的高分子吸附材料，同時通過對亞甲藍的吸附實驗，表明該淀粉微球作為藥物載體有優良的吸附性能，因此在吸附藥物和金屬離子吸附分離或廢水處理等領域有廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

豌豆淀粉（普通市售）、異辛烷、機油（殼牌喜力HX3）、聚乙二醇二縮水甘油醚（廣州一夫化工有限責任公司）、無水乙醇、Span-80、Tween-80、OP-10、亞甲基藍均為分析純試劑，試驗用水為去離子水。

JSM6460型掃描電子顯微鏡（日本電子）；VECTOR-22型傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津）；D/max-2200pc型X射線衍射儀（日本理學）；THZ-82A臺式恒溫振蕩器（上海躍進醫療器械廠）；AA-6800型原子吸收分光光度計（日本島津）。

1.2 試驗方法

1.2.1 交聯淀粉微球的制備 在250 mL燒杯中加入50mL異辛烷、50mL機油，同時加入表面活性劑2 g(m (Span-80)∶m(Tween-80)＝1∶1），在常溫下攪拌使充分溶解，成均一油相，待用。稱取一定量的淀粉加入適量的去離子中，加熱溶解糊化同時用3 mol/LNaOH溶液調pH為13左右，待冷卻至室溫緩慢加入到上述油相中，保持一定的攪拌速度，攪拌30min形成均勻混合相，再加入一定量的聚乙二醇二縮水甘油醚，攪拌反應4 h，靜置，除去上層油層，下層交聯聚合物依次用2%OP-10、無水乙醇、去離子水洗滌2～3次，30%乙醇4℃保存。

1.2.2 淀粉微球成球率計算 淀粉微球經過洗凈之后抽濾，抽濾至完全無水分滴出，稱量出干球的質量，計算成球率。

1.2.3 結構表征 將CSM干燥后噴金制樣，用JSM6460型掃描電子顯微鏡觀測微球形貌及表面形態，將淀粉和淀粉微球KBr壓片后使用VECTOR-22型傅立葉紅外光譜儀進行紅外光譜分析；淀粉、CSM的X射線粉末衍射分析使用D/max-2200pc型X射線衍射儀（日本理學），試驗條件：CuKα，40 kV×40 mA，掃描速度16°·min-1，采樣寬度0.02°。

1.3 亞甲基藍標準工作曲線的建立

將亞甲基藍溶于一定量的去離子水中以配得10、20、40、60、80、90 mmol/L亞甲基藍標準溶液，精密量取5 mL標準液稀釋5倍，在波長655 nm[13]測定吸光度值。依次類推，以濃度C對吸光度A進行處理，即可得到標準工作曲線方程。

1.4 淀粉微球對亞甲基藍吸附試驗

準確稱取0.2 g抽濾之后的CSM，置于錐形瓶中，加入50 mL一定濃度的亞甲基藍溶液，蓋緊后置于已設定溫度318 K的恒溫振蕩器中，100 r/min下進行振蕩，直至吸附達到平衡，離心分離后取適量清液用紫外分光光度計測定亞甲基藍溶液吸光度，根據標準工作曲線方程計算吸附前后亞甲基藍溶液濃度，得到吸附容量Q(mmol/g)。

式中：C0和Ce分別為吸附前后亞甲基藍溶液濃度，mmol/L。

2 結果與討論

2.1 交聯淀粉微球條件的影響

2.1.1 淀粉溶液的質量分數 由圖1可知，淀粉質量分數為4%時，無法形成淀粉微球，有大量的團聚物；當淀粉質量分數增加到10%時，出現結塊現象，且有少量球形，顆粒大小不均勻。因為當淀粉濃度較小時，淀粉溶液無法與油相均一乳化；當淀粉濃度較大時，存在未乳化的淀粉溶液，在交聯劑作用下交聯成團聚物。

表1 淀粉溶液的質量濃度對微球形態的影響

圖1 不同淀粉溶液濃度的微球形態（a.4%；b.10%.標尺為100 μm。）

2.1.2 攪拌的速度 攪拌速度是分散乳化和淀粉微球粒徑大小的一個重要影響因素。當攪拌速度太低，會使淀粉溶液在油相中不易分散，不易形成微球形狀，更不利于淀粉微球的固化交聯；若攪拌速度增加，有利于水相分散，制備出的淀粉微球粒徑變小，但攪拌速度過快又會使已經分散的微球發生碰撞、凝結，造成大小不一，影響微球成球率。由圖2及表2可知，攪拌速度為300 rpm時，所得微球的粒徑較大，并有少量團聚，這是淀粉不易分散所致。攪拌速度在500～700 rpm之間時，所得微球為形狀良好。當攪拌速度達到900 rpm時制得的微球有結團狀，同時有碎片，這是因為劇烈的攪拌會產生部分凝聚作用和碰撞使成型的微球破碎。最適宜的攪拌速度應控制在以水相能夠均勻分散在油相中，乳化完全，同時易于固化成球。

表2 攪拌對交聯微球形態的影響

圖2 不同攪拌速度下的微球形態（a.300 rpm；b.900 rpm。標尺為100μm。）

2.1.3 水相與油相的體積比 水油相體積是影響微球成球率和微球粒徑的一個重要條件。由圖3和表3可知，隨著油相體積增加，制得的淀粉微球更小。油相體積太少，淀粉水相溶液不能在油相中很好地分散乳化，結團結塊較嚴重，反應不充分，成球率低。水油相的體積比為1∶4及以上時，制備出的微球為一定粒徑均勻的球狀，考慮到節省成本，及其成球率，選擇水油相體積比為1∶6。

表3 水相與油相體積比對微球形態的影響

圖3 不同水油相體積比下的微球形態（a.1∶4；b.1∶6.標尺為100μm。）

2.1.4 交聯劑的用量 交聯劑的用量是微球固化成球的重要因素。由表4和圖4可知，當交聯劑用量較少時，已經乳化的微球不能夠固化成球，也會影微球的機械強度；但當交聯劑用量為10%過高時，交聯出的微球會繼續團聚在一起，影響成球率。因此選擇合適的交聯劑用量是成球的關鍵影響因素。

表4 交聯劑用量對微球形態的影響

圖4 不同交聯劑用量下的微球形態（a.4%；b.8%.標尺為100 μm。）

2.1.5 淀粉微球制備工藝優化 采用L9(34)正交試驗，結合單因素試驗結果，選取淀粉水溶液體積為200 mL，進行單因素正交試驗，選取其中對淀粉成球影響較明顯的試驗因素，具體如下：淀粉溶液濃度（A）、交聯劑用量（B）、攪拌速度（C）、油水相比（D）4個水平，不考慮因素間交互作用。試驗方案見表5。

表5 L9(34)正交試驗方案

表6 正交試驗結果

結果表明當淀粉溶液濃度為6%，攪拌速度為500 rpm，交聯劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時，制備出的交聯淀粉微球成球率最高。

2.2 交聯淀粉微球（CSM）的形貌

圖5 a.交聯淀粉微球的掃描電鏡圖；b.交聯淀粉微球在倒置顯微鏡下的形貌圖。

由圖5可知淀粉微球形態圓整成球形，粒徑較小且比較均一，表面粗糙，結構較為致密，因而具有較大的比表面積，具有良好的吸附性能，為交聯淀粉微球對亞甲基藍的吸附提供了良好的條件。

2.3 紅外光譜（FTIR）和XRD分析

圖6 淀粉及淀粉微球的紅外光譜圖

圖6表明，CSM與豌豆淀粉3 417 cm-1左右處出現強而寬的－OH伸縮振動吸收帶，說明交聯反應前后都存在－OH，且生成的淀粉微球在3 417 cm-1附近要比大豆淀粉較顯著些，這是O－H伸縮振動吸收峰引起的。2 927 cm-1、1 099cm-1處的吸收峰分別歸屬于淀粉葡萄糖單元中的C－H伸縮振動和C－O－C的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動，交聯前后吸收峰未發生明顯變化；1 637 cm-1左右出現C＝O伸縮振動吸收峰，微球中含有大量的－OH等活性基團，有利于微球產生吸附作用。

圖7 淀粉和淀粉微球的X射線衍射圖譜

圖7中分別為淀粉、CSM的XRD圖譜。淀粉在2θ為14.7°、17.2°、22.9°附近存在明顯的特征衍射峰。而淀粉微球在2θ為14.7°、17.2°附近的衍射峰基本消失，在22.9附近的衍射峰強度明顯降低，已基本呈現非晶態的衍射曲線特征，這是由于交聯過程破壞了分子鏈的規整性，交聯過程抑制了淀粉分子的結晶能力，已基本處于無序的非晶態[10,12]。

2.4 淀粉微球對亞甲藍的吸附性能研究

2.4.1 亞甲基藍工作曲線回歸方程

式中：A為吸光度值；C為亞甲基藍溶液的濃度，mmol/L。

圖8 亞甲基藍工作曲線回歸方程

2.4.2 吸附等溫方程 吸附等溫方程描述恒溫下的吸附過程，反映平衡狀態及在參數影響下的變化趨勢，表征固定相對分離組分的吸附分離性能，并提供關于熱力學性能的基本數據[10]，其中Langmiur等溫吸附方程常用來描述溶液中亞甲基藍在顆粒物表面的吸附行為，其方程為：Ce/Qe=Ce/Qm+1/(Qmb)

式中：Qm為飽和吸附量；b為常數；Qe為平衡吸附量，mmol/g；Ce為平衡濃度，mmol/L。

圖9 淀粉微球對亞甲基藍的吸附等溫線

對318 K下淀粉微球對亞甲基藍的吸附實驗結果進行線形擬合，表現出結果為：

圖10 淀粉微球的Langmuir吸附等溫線

Ce/Qe=0.75Ce+25.53，相關系數為0.951。表明淀粉微球對亞甲基藍的吸附符合Langmiur等溫吸附方程，具有很好的吸附能力。

3 結論

本文以普通豌豆淀粉為原料，在常溫下利用WO乳化方法制備交聯淀粉微球(CSM)，制得淀粉微球形態圓整、結構致密、表面粗糙，結果表明當淀粉溶液濃度為6%，攪拌速度為500 rpm，交聯劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時，制備出的淀粉微球成球率最高；同時以亞甲藍為載藥模型，吸附實驗表明淀粉微球對亞甲基藍的吸附行為符合Langmiur方程。表明該淀粉微球作為藥物載體有優良的吸附性能，因此在吸附藥物等領域有廣闊的應用前景。

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（編輯：高真貞）

TS235.3

B

1006-799X(2016)23-0091-05

蘭州市科技計劃項目資助 (2014-1-158)，中央高校項目資助 (ZYP2015007)，甘肅省科技計劃資助（1504WKCA094）。

張 磊（1989-），男，甘肅臨洮人，在讀碩士研究生，研究方向為生物材料的開發與利用。

馮玉萍（1962-），女，寧夏銀川人，博士，教授，研究方向動物血清及動物細胞培養用生物材料的開發與應用。