五倍子抗菌微膠囊的制備及其結(jié)構(gòu)探究*

張夢(mèng)星饒秉鈞高晶王富軍王璐吳靜 黃頌臣

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3. 海瀾之家股份有限公司，江蘇 江陰 214400

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五倍子抗菌微膠囊的制備及其結(jié)構(gòu)探究*

張夢(mèng)星1，2饒秉鈞1,2高晶1，2王富軍1，2王璐1，2吳靜1，2黃頌臣3

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3. 海瀾之家股份有限公司，江蘇 江陰 214400

以海藻酸鈉、殼聚糖為壁材，對(duì)采用銳孔造粒法制備五倍子抗菌微膠囊的工藝進(jìn)行研究。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，以包覆率、成形效果為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)探討制備五倍子抗菌微膠囊的最優(yōu)工藝配置，結(jié)果表明：當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5︰1.0時(shí)，所得五倍子抗菌微膠囊的包覆率高達(dá)(80.16±1.02)%，且外形良好、孔洞較多，為后續(xù)微膠囊抗菌性的深入探究奠定了基礎(chǔ)。

微膠囊，海藻酸鈉，殼聚糖，五倍子，包覆率

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微膠囊技術(shù)已引起人們極大的關(guān)注，其可廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、紡織品、食品等領(lǐng)域。雖然其起步較晚，其中有關(guān)微膠囊及其在紡織品上的應(yīng)用研究近年才嶄露頭角[1 - 10]，但發(fā)展速度迅猛；且與此同時(shí)，其在醫(yī)用紡織材料抗菌方面的應(yīng)用已引起科學(xué)界的廣泛研究與討論[11 - 12]。可以說，微膠囊技術(shù)現(xiàn)已逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

微膠囊一般由壁材和芯材兩部分組成。芯材通常與微膠囊的用途、使用場(chǎng)合有關(guān)，但壁材也扮演著極其重要的角色。不同的壁材會(huì)賦予微膠囊不同的性能，其原料、結(jié)構(gòu)與性能都會(huì)影響微膠囊各項(xiàng)基本性能的發(fā)揮[13]。天然高分子材料、半合成高分子材料、合成高分子材料、無機(jī)材料等都可作為壁材[14]，其中又以來源廣泛、無毒、生物性能良好的天然高分子材料最為常見。

海藻酸鈉和殼聚糖都是天然高分子材料，兩者均具有良好的生物性能，如生物相容性、生物可降解性、生物抑菌性、生物黏附性等，且安全無毒、可降解，在醫(yī)用敷料產(chǎn)品中早有應(yīng)用[15 - 16]。它們還經(jīng)常被作為天然高分子壁材應(yīng)用于包覆材料中[17]，如制備水溶性芯材微膠囊。加之，海藻酸鈉和殼聚糖分別為聚陽離子和聚陰離子的天然高分子材料[18]，海藻酸鈉分子鏈上有大量的羧基，殼聚糖分子鏈上有大量的伯氨基，兩者通過正負(fù)電荷吸引形成聚電解質(zhì)膜[19]，可有效防止被包覆物在釋放過程中因外界環(huán)境引起微膠囊過早破裂[20]。此外，殼聚糖還具有良好的廣譜抗菌性，其早已應(yīng)用到織物抗菌整理中[21]，且有研究表明其還具有明顯的抗靜電效果[22 ]，可作為織物抗靜電整理劑，與抗菌作用相輔相成，使效果倍增且耐久[23]。

目前，微膠囊技術(shù)已應(yīng)用到中草藥保健功能紡織品的開發(fā)中[24]。本文順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，選用中草藥五倍子提取物作為芯材，其所含鞣質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)70%以上[25]，且分子結(jié)構(gòu)中含有較多的酚羥基[26]，可與壁材即海藻酸鈉和殼聚糖的分子鏈上的羧基、伯氨基發(fā)生較好的價(jià)鍵結(jié)合，從而形成結(jié)構(gòu)與成形良好的抗菌微膠囊，為解決抗菌效果差、抗菌周期短的難題提供了良好的方案。

1　試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)所用材料及儀器如表1所示。

表1　試驗(yàn)材料及儀器

2　測(cè)試方法和結(jié)果討論

2.1五倍子抗菌微膠囊的制備

銳孔造粒法[27]制備五倍子抗菌微膠囊的具體操作步驟：

(1) 一定溫度下取適量去離子水，加入海藻酸鈉，利用磁力攪拌器攪拌，配成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉溶液；

(2) 向攪拌均勻的海藻酸鈉溶液中加入一定量的五倍子提取物，繼續(xù)攪拌均勻，記為溶液A；

(3) 一定溫度下取適量去離子水，加入適量冰醋酸溶液，攪拌均勻后加入氯化鈣，攪拌至溶解均勻后加入殼聚糖，繼續(xù)攪拌均勻，記為溶液B；

(4) 使用一定規(guī)格的注射器以一定速率將溶液A逐滴加入溶液B中，繼續(xù)攪拌一定時(shí)間后，加入適量戊二醛溶液，待微膠囊成形，記為溶液C；

(5) 過濾溶液C，將制備成形的微膠囊置于烘箱中烘干，得到五倍子抗菌微膠囊成品。

2.2五倍子抗菌微膠囊包覆率的測(cè)定與計(jì)算

2.2.1五倍子提取物的紫外光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

五倍子提取物的紫外光譜曲線如圖1所示，其最大吸收波長(zhǎng)為256 nm；根據(jù)最大吸收波長(zhǎng)繪制出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下五倍子提取物的紫外光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)，其回歸方程：

y=2.547 76x+0.075 47

R2=0.997 08

式中：x——五倍子提取物的質(zhì)量濃度，mg/L；

y——吸光度。

圖1　五倍子提取物的紫外光譜曲線

圖2五倍子提取物的紫外光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.2五倍子抗菌微膠囊包覆率的測(cè)定

將制得的五倍子抗菌微膠囊置于研缽中研碎，精密稱取一定量的微膠囊粉末，加入適量甲醇溶液，利用超聲儀進(jìn)行超聲溶解；再使用微孔膜過濾，于最大吸收波長(zhǎng)256 nm處測(cè)定其吸光度；然后根據(jù)圖2的五倍子提取物的紫外光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線得出對(duì)應(yīng)的五倍子提取物質(zhì)量濃度，再換算成對(duì)應(yīng)的五倍子提取物質(zhì)量，即為五倍子抗菌微膠囊中的藥物質(zhì)量；再根據(jù)下式計(jì)算出五倍子抗菌微膠囊的包覆率(EF)：

2.3單因素試驗(yàn)

2.3.1氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

保持海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5∶1.0、溶液C的pH值為5.5、攪拌溫度為45 °C，分別選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的氯化鈣溶液制備五倍子抗菌微膠囊，所得包覆率結(jié)果如圖3所示。

圖3　氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率的影響

氯化鈣在五倍子抗菌微膠囊的形成過程中發(fā)揮著固化劑的作用。從圖3可以看出，氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)五倍子抗菌微膠囊的包覆率有顯著影響：當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，五倍子抗菌微膠囊外殼較為柔軟，故而在制備過程中易因轉(zhuǎn)子攪拌而破裂，造成包覆率較低；隨著氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3.0%，五倍子抗菌微膠囊的包覆率達(dá)到最高值；繼續(xù)增大氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，壁材間相互接觸的概率變大,芯材與壁材間相互接觸的概率變小,附著性能下降，包覆率降低，且生成的五倍子抗菌微膠囊壁材較厚。

2.3.2海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)

保持氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5 ∶1.0、溶液C的pH值為5.5、攪拌溫度為45 °C，在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的條件下制備五倍子抗菌微膠囊，所得包覆率結(jié)果如圖4所示。

圖4　海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率的影響

從圖4可以看出：在形成五倍子抗菌微膠囊的過程中,當(dāng)殼聚糖與氯化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低會(huì)導(dǎo)致壁材強(qiáng)度偏低，加之芯材處于溶脹狀態(tài)，五倍子抗菌微膠囊易破裂；而海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高則易造成溶液A黏度過大，針孔易堵塞，擠出較困難,這會(huì)使五倍子提取物利用率降低，進(jìn)而造成包覆率降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),五倍子抗菌微膠囊的包覆率可達(dá)到最大。

2.3.3殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

保持氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5 ∶1.0、溶液C的pH值為5.5、攪拌溫度為45 °C，在殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的條件下制備五倍子抗菌微膠囊，所得包覆率結(jié)果如圖5所示。

圖5　殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率的影響

從圖5可以看出殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)微膠囊包覆率的影響頗為明顯：當(dāng)殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，壁材中殼聚糖緊缺，造成囊壁過薄易破裂、芯材包覆不完全，故而包覆率較低；隨著殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，囊壁逐漸增厚，其強(qiáng)度也隨之提高；但當(dāng)殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，過厚的囊壁易在干燥后開裂，造成芯材外露，包覆率降低。

2.3.4海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比

保持氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、溶液C的pH值為5.5、攪拌溫度為45 °C，在海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比分別為1.5∶1.0、2.5∶1.0、 3.5∶1.0、4.5∶1.0、5.5∶1.0的條件下制備五倍子抗菌微膠囊，所得包覆率結(jié)果如圖6所示。

圖6　海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比

對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率的影響

從圖6可以看出：海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比較低時(shí)，芯材無法被完全包覆，故而五倍子抗菌微膠囊包覆率較低；但當(dāng)兩者的投料質(zhì)量比過高時(shí)，海藻酸鈉會(huì)使得溶液A的黏稠性增加，造成制得的五倍子抗菌微膠囊之間易黏連、團(tuán)聚，而分離這些微膠囊易引起破損，導(dǎo)致包覆率降低；只有在海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為2.5∶1.0時(shí)達(dá)到最佳匹配，所得五倍子抗菌微膠囊的包覆率最大。

2.4正交試驗(yàn)確定最佳工藝條件

由上述單因素試驗(yàn)可知，氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比等對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率的影響較大。因此本文對(duì)這4個(gè)因素各選取3個(gè)水平，按照L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以包覆率來衡量五倍子抗菌微膠囊的優(yōu)異性，優(yōu)化其制備工藝。選取試驗(yàn)因素水平見表2，正交試驗(yàn)結(jié)果及分析見表3和表4。

表2　因素水平表

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果

表4　方差分析結(jié)果

由表3和表4可知：4種因素對(duì)五倍子抗菌微膠囊包覆率影響的程度順次為D(海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比)>B(海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù))>A(氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù))>C(殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù))；制備五倍子天然抗菌微膠囊的最佳工藝配置為A2B2C1D2，即氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、 海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5∶1.0。

為進(jìn)一步說明，對(duì)所得最佳工藝條件進(jìn)行了驗(yàn)證。在此工藝條件下制備3批五倍子抗菌微膠囊，考察其包覆率、形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。結(jié)果表明，在此最優(yōu)工藝條件下制備的微膠囊成形效果好、粒徑穩(wěn)定、平均包覆率為(80.16±1.02)%。

2.5五倍子天然抗菌微膠囊的形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)表征

2.5.1SEM照片分析

選取最佳工藝配置及表3中3種包覆效果較好的五倍子抗菌微膠囊的工藝配置，并在相同工藝配置下制備了4種未包覆五倍子提取物的微膠囊，用于比較(表5和圖7)。

表5　包覆/未包覆五倍子提取物的微膠囊的制備及其包覆率

從表5和圖7可以看出：包覆五倍子提取物的a、b、c、d微膠囊的表面孔洞相對(duì)于未包覆五倍子提取物的e、f、g、h微膠囊的多，而更多孔洞的存在有利于芯材五倍子提取物的對(duì)外釋放；此外，隨著a、b、c、d這4種五倍子抗菌微膠囊包覆率的降低，微膠囊的表面光滑度和形狀規(guī)則度都隨之下降。

圖7　包覆/未包覆五倍子提取物的微膠囊SEM照片

2.5.2微膠囊粒徑分析

圖8就a～h這8種微膠囊進(jìn)行了粒徑對(duì)比與分析。

圖8　包覆/未包覆五倍子提取物的微膠囊粒徑分布

結(jié)合圖7和圖8可以看出：包覆五倍子提取物的a、b、c、d這4種微膠囊在粒徑上皆比相應(yīng)的未包覆五倍子提取物的e、f、g、h這4種微膠囊大；第一對(duì)照組(即a與e)在粒徑上表現(xiàn)出較小的波動(dòng)和差異，兩者包覆效果更優(yōu)異。

2.5.3FTIR-ATR分析

就芯材五倍子提取物和a、e微膠囊，采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，對(duì)它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和比較，波數(shù)掃描范圍為4 000～500 cm-1(圖9和圖10)。

結(jié)合圖9和圖10可以看出，包覆五倍子提取物的a微膠囊在1 617、1 326、1 039、757 cm-1處均出現(xiàn)了五倍子提取物的特征吸收峰，這有效證明了微膠囊已包覆五倍子提取物。此外，圖10 中，包覆五倍子提取物的a微膠囊保留了未包覆五倍子提取物的e微膠囊的原有基團(tuán)，這充分說明了包覆過程未改變?cè)形⒛z囊的分子結(jié)構(gòu)。

圖9　芯材五倍子提取物的紅外光譜

圖10　a與e微膠囊的紅外光譜

3　結(jié)論

利用銳孔造粒法制備五倍子抗菌微膠囊，經(jīng)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到制備五倍子抗菌微膠囊的最佳工藝配置：氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、海藻酸鈉與五倍子提取物的投料質(zhì)量比為3.5∶1.0，所得五倍子抗菌微膠囊的包覆率高達(dá)(80.16±1.02)%，且外形良好、孔洞較多。并通過藥物包覆率、SEM分析、粒徑分析、FTIR分析發(fā)現(xiàn)，五倍子提取物包覆效果較好，且包覆過程并未改變無芯材狀態(tài)時(shí)微膠囊的分子結(jié)構(gòu)，這為后續(xù)抗菌性的研究提供了理論依據(jù)。

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Preparation and structure research of gallnut antibacterial microcapsules

ZhangMengxing1，RaoBingjun1, 2，GaoJing1，2，WangFujun1，2，WangLu1，2，WuJing1，2，HuangSongchen3

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science and Technology, Ministry of Education, Donghua University， Shanghai 201620, China;3. Heilan Home Co., Ltd., Jiangyin 214400, China

The preparation technology using orifice granulation methods of gallnut antibacterial microcapsule with sodium alginate and chitosan as wall materials was studied.Using cladding rate and forming effect as main evaluation indexes, the optimum process condition for preparation of the gallnut antibacterial microcapsule was systematically discussed with single factor experiment and orthogonal experiment.And the results showed that when calcium chloride was at 4.0%wt.,sodium alginate was at 1.5%wt., chitosan was at 0.1%wt., sodium alginate and gallnut drug weight ratio was at 3.5 ∶1.0, gallnut antibacterial microcapsule’s encapsulation efficiency could reach (80.16± 1.02)%， and it had good appearance and more holes，which laid a foundation for subsequent study on antibacterial property of microcapsule.

microcapsule, sodium alginate, chitosan, gallnut, encapsulation efficiency

2016-04-26

張夢(mèng)星，女，1993年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒛z囊的制備方法與技術(shù)

王富軍，E-mail:wfj@dhu.edu.cn

TS195.5

A

1004-7093(2016)07-0028-07

* 江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014036)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31100682)