羧甲基魔芋葡甘露聚糖/海藻酸鈉的微囊制備及拉伸性能研究

方 坤,李堅斌,2,*,魏群舒,聶 卉,劉培華,陳 雨,江寧寧

(1.廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004;2.廣西蔗糖產業協同創新中心,廣西南寧 530004)

魔芋葡甘露聚糖(koniac glucomannan,簡稱KGM)是由D葡萄糖和D甘露糖按1∶1.6的比例以β1,4糖苷鍵聚合的大分子多糖,具有優良的成膜特性和膠凝特性[15],已被廣泛應用于食品、醫藥,化工等領域[611]。但是,由于葡甘露聚糖分子量大、水溶性差、水溶膠不穩定,尤其是在高溫和冷凍條件下穩定性極差,使其應用受到限制[12]。為了改善其性能,擴大應用范圍,研究中通常需要對KGM進行改性,如脫乙酰[13]、氧化[14]、酯化[1516]、羧甲基化[17]等。

海藻酸鈉(sodium alginate,簡稱SA)存在于褐藻類中的一種天然高分子,由D甘露糖醛鏈段和L古洛糖醛鏈段交替結構組成[18]。作為一種天然多糖聚合物,由于其優異的性能,如它的生物相容性好,天然降解性好,無毒性[1920],近年來受到廣泛關注。海藻酸鈉可與許多化合物進行共混,已見有將海藻酸鈉與聚乙烯醇[21]、纖維素[22]、羧甲基殼聚糖[23]、羧甲基淀粉[24]、聚乳酸[25]、硫酸軟骨素[26]等共混制膜的報道。有研究表明[27],共混后KGM與殼聚糖、海藻酸鈉等之間,相互作用較強,相容性良好,共混之后,性能明顯改善。微囊的制備方法有很多,如物理法、化學法、物理化學結合法等。Gula等[28]用噴霧干燥法,以氨磷汀為模型藥物,制備腸溶微囊,具有較高的生物降解性。徐傳芳等[29]采用原位聚合法,將脲醛樹脂作為囊材,以茉莉香精為芯材,制得流動性好的粉末狀香精微膠囊。廖志平[30]用溶劑非溶劑法制備了維生素C微囊緩釋片,使用乙基纖維素作為囊材,二甲苯和乙醇作為溶劑,正己烷作為非溶劑,沉淀出乙基纖維素,包裹維生素C,形成微囊。微囊常用的制備方法對于不同的芯材性質,制備工藝條件,以及囊材的選擇上都有各自的局限性。而銳孔法[31]是利用聚合物的快速固化作用,先將芯材和壁材溶解成溶液,再通過銳孔成形,滴入固化溶液中,聚合物便產生沉淀凝結,形成囊壁,包裹芯材,其工藝簡單易操作。

本研究首先通過二步加堿法[32]將魔芋葡甘露聚糖進行改性,制備出羧甲基魔芋葡甘露聚糖(carboxymethyl konjac glucomannan,簡稱CMKGM),然后將改性后的魔芋葡甘露聚糖與海藻酸鈉共混,采用銳孔法制備微囊,探究其成膜的工藝條件并對其包封率和載藥率進行初步研究,為魔芋葡甘露聚糖與海藻酸鈉緩釋微囊在食品、醫藥、化工、材料等方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘露聚糖 北海多環保健品有限公司;海藻酸鈉 成都市科龍化工試劑廠;牛血清白蛋白(BSA)、CaCl2國藥集團化學試劑有限公司;其他試劑 皆為分析純。

DVⅡ+Pro粘度計 美國Brookfield公司;電動厚度測定儀 四川省長江造紙儀器廠;D402F電動攪拌機、YQZ7擺錘式紙張抗張力實驗機 四川省長江造紙儀器廠;TA.XT.Plus質構儀 英國Stable Micro System公司;JY92IIN超聲細胞破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 CMKGM及CMKGM/SA膜的制備 參照張瑜等人[32]的二步加堿法,稱取5.0 g KGM置于500 mL三口燒瓶的濃度為70%乙醇溶液中,加入1.0 mol/L的NaOH溶液,使pH為11,堿化2 h。堿化處理后,加入0、1.25、2.5、3.75、5、10 g氯乙酸,進行醚化處理3 h,控制醚化溫度為50.0 ℃。用1.0 mol/L的鹽酸溶液,調節pH至7.0,減壓抽濾,用60%(v/v)、80%(v/v)和無水乙醇溶液洗滌濾餅數次,40.0 ℃下真空干燥,得到白色粉末產物,即CMKGM,并根據氯乙酸與KGM質量比分別編號為KGM(0∶1)、CMKGM1(0.25∶1)、CMKGM2(0.5∶1)、CMKGM3(1∶1)、CMKGM4(1.5∶1)、CMKGM5(2∶1)。稱取5.0 g CMKGM溶解于去離子水中,按照CMKGM∶SA為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1比例添加海藻酸鈉,放置在50.0 ℃水浴鍋中,攪拌,涂布于干凈的玻璃板上,置于60.0 ℃干燥箱中干燥3 h,冷卻,揭膜,得到CMKGM/SA膜。

1.2.2 取代度的測定 酸化滴定法是羧甲基取改性產物取代度測定的常用方法[33]。稱取CMKGM 1.0 g,溶于40.0 mL的2.0 mol/L鹽酸溶液,磁力攪拌,過濾,用無水乙醇洗滌樣品,直至濾液用硝酸銀檢測無氯離子為止。量取0.1 mol/L的NaOH標準溶液40.0 mL,溶解CMKGM,微熱,即用0.1 mol/L的HCl溶液滴定NaOH,用酚酞作指示劑,記錄消耗的HCl溶液體積。

A=(CNaOH×VNaOHCHCl×VHCl)/m

式(1)

DS=A×0.162/(10.058A)

式(2)

式中:A1.0 g樣品所消耗的NaOH的量,mmol;m稱樣量,g;DS取代度;0.162KGM的失水葡萄糖(或甘露糖)單元的毫摩爾質量,g/mmol;0.058失水葡萄糖(或甘露糖)單元的一個羥基被羧甲基取代后單元毫摩爾質量的凈增量,g/mmol。

1.2.3 取代度對膜拉伸性能的影響 由1.2.1的制備方法,得出不同取代度的CMKGM,研究不同取代度對膜拉伸性能的影響。

1.2.4 CMKGM與SA的質量比對膜拉伸性能的影響 選取CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5,研究其與海藻酸鈉在mCMKGM1∶mSA為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1條件下對CMKGM/SA膜拉伸性能的影響。

1.2.5 溫度對膜拉伸性能的影響 選取CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5,在CMKGM∶SA為3∶1,在溫度為40.0、50.0、60.0、70.0、80.0 ℃,測定其抗拉強度和伸長率,研究溫度對CMKGM/SA膜拉伸性能的影響。

1.2.6 pH對膜拉伸性能的影響 選取CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5,在CMKGM∶SA為3∶1,溫度為50.0 ℃,在pH為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0時,測定其抗拉強度和伸長率,研究pH對CMKGM/SA膜拉伸性能的影響。

1.2.7 膜力學性能的測定 參照GB/T1040.32006測量膜力學性能,使用擺錘式紙張抗張力儀測定其抗拉強度和延伸度,夾距10 cm,拉伸載荷為250 N,實驗速度為(100±10) mm/min,每個膜測定3個樣取平均值。

抗拉強度以U(MPa)表示,計算公式如下:

式(3)

式中:P最大負荷(N);b試樣寬度(mm);d試樣厚度(mm)。

伸長率以E(%)表示,按下式計算:

式(4)

式中:L0試樣原始標線間距離(mm);L試樣斷裂時距離標線間距離(mm)。

1.2.8 微囊的制備 稱取3.0 g CMKGM溶于去離子水中,攪拌,加入1.0 g的海藻酸鈉,繼續攪拌至混勻,再分別稱取10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 mg牛血清蛋白(BSA),加入并攪拌均勻,用1 mL注射器以30 r/min的速度滴入CaCl2溶液中,固化,去離子水沖洗,真空干燥。

1.2.9 微囊載藥率和包封率測定

1.2.9.1 BSA標準曲線的繪制 準確稱取0.2500 g BSA,用去離子水溶于250 mL容量瓶中,得到1 mg/mL的BSA標準溶液,分別移取2.0、4.0、6.0、8.0、10.0和12.0 mL的BSA標準溶液定溶于50 mL容量瓶中,得到40、80、120、160、200、240 μg/mL的溶液。在最大吸收波長279 nm[34]處,以去離子水作參比液的條件下進行測定,將結果作BSA濃度與吸光度的曲線,并用最小二乘法進行線性回歸。得到標準曲線為:C=1548.5A+0.6372,R2=0.9998;其中C為濃度,A為吸光度。

1.2.9.2 樣品測定 精確稱取15 mg的微囊,研碎,分散于100 mL的磷酸緩沖液中,充分溶解。精密量取l.0 mL濾液,置于50 mL容量瓶中,加釋放液至刻度,搖勻。以空白磷酸釋放液為對照,在波長279 nm處測定濾液吸光度A,根據BSA標準曲線計算藥物含量,計算得出載藥率、包封率。載藥率、包封率由下式求得:

式(5)

式(6)

1.3 數據處理

實驗數據處理采用Origin 8.5軟件來完成。

2 結果與討論

2.1 CMKGM的取代度

由1.2.1的方法制備得到CMKGM,取代度結果如表1所示。

表1 CMKGM的取代度Table 1 Degree of substitution of CMKGM

由表1可知,隨著氯乙酸與KGM比例的升高,CMKGM的取代度也隨之升高,最高達到75%。

2.2 CMKGM/SA成膜性能的研究

2.2.1 取代度對CMKGM拉伸性能的影響 由圖1可知,CMKGM與KGM相比,膜抗拉強度增大,在取代度為75%時達到最大,因為羧甲基取代KGM分子中的羥基,分子間作用力增大,從而制得的膜抗拉強度大。隨著取代度的增加,伸長率先減小后增大,取代度為27%和40%的CMKGM的伸長率比原KGM小,取代度為57%、71%和75%的CMKGM的伸長率比原KGM大。因為取代度小時,分子內部基團之間相互作用力小,因此伸長率小。當羧甲基數量增大時,基團間的作用力增大,伸長率增大,這與之前肖蕊等[35]的報道相一致。

圖1 不同取代度CMKGM膜抗拉強度和伸長率Fig.1 Tensile strength and extension of films of CMKGM with different DS

2.2.2 CMKGM與SA的質量比對拉伸性能的影響 由圖2可知,CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5膜的抗拉強度和伸長率隨著CMKGM∶SA的增大而先升后降。在CMKGM∶SA為3∶1時,CMKGM與SA的協同作用最強,分子結構緊密,抗拉強度和伸長率達到最大。當CMKGM∶SA繼續增大時,由于CMKGM分子數量增多,SA分子數量相對小,分子間結合不完全,導致抗拉強度和伸長率下降。

圖2 CMKGM/SA膜抗拉強度和伸長率Fig.2 Tensile strength and extension of films of CMKGM/SA

2.2.3 溫度對拉伸性能的影響 由圖3可知,CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5膜的抗拉強度和伸長率隨溫度的增大先升后降。溫度較低時,CMKGM和SA溶脹不完全,分子間結合不牢固,制備的薄膜抗拉強度小,抗拉強度和伸長率低,當溫度為50.0 ℃時達到最大。溫度繼續升高到80.0 ℃,分子運動加劇,分子間結合困難,剛性結構差,抗拉強度下降,水分蒸發較快,膜含水量過少,質地硬脆,伸長率明顯下降,抗拉強度和伸長率達到最小。成膜溫度以50.0 ℃為宜,制備的薄膜抗拉強度較高,伸長率較大。

圖3 溫度對膜抗拉強度和伸長率的影響Fig.3 Effect of temperature on tensile strength and extension of films

2.2.4 pH對拉伸性能的影響 由圖4可知,CMKGM1、CMKGM3和CMKGM5膜的抗拉強度和隨pH的增大先升后降。當pH低時,溶液中的氫離子會與CMKGM和SA中的羧甲基結合,影響CMKGM和SA分子間的結合,膜的抗拉強度和伸長率均不高；隨著pH的增加，膜的抗拉強度和伸長率增大,當pH為7.0時,達到最大;當pH大于7.0時,CMKGM的溶脹不完全,與SA的協同作用減弱,膜的抗拉強度和伸長率降低。

圖4 pH對膜抗拉強度和伸長率的影響Fig.4 Effect of pH on tensile strength and extension of films

2.3 CMKGM/SA微囊制備的研究

由2.2結果可知,當CMKGM和SA復配后,膜拉伸性能會有所改變。進一步研究其對微囊包封率和載藥率的影響。

2.3.1 羧甲基葡甘露聚糖與海藻酸鈉質量比對微囊包封率和載藥率的影響 由圖5可知,隨著CMKGM∶SA的增大,微囊包封率和載藥率都呈現先增大后減小的趨勢。這可能由海藻酸鈉與Ca2+離子的結合造成的。每個海藻酸和衍生物的大分子中都有許多自由的羥基和羧基,能夠與Ca2+等大多數金屬離子發生化學反應,形成凝膠。將海藻酸鈉滴入CaCl2溶液中,Ca2+將海藻酸鈉中的Na+和H+置換出來。隨著Ca2+逐漸滲入凝膠丸內部,凝膠丸內部逐層發生膠凝,影響其包封率和載藥率[36]。當CMKGM∶SA為3∶1時，各微囊的包封率和載藥率達到最大。

圖5 羧甲基葡甘露聚糖與海藻酸鈉質量比對微囊包封率和載藥率的影響Fig.5 Effect of CMKGM∶SA on encapsulation efficiency and drugloading rate of microcapsule

2.3.2 牛血清蛋白的質量對微囊包封率和載藥率的影響 由圖6可知,隨著牛血清蛋白質量的增大,微囊包封率和載藥率先增大后減小,當牛血清蛋白質量為30.0 mg時達到最大,包封率分別為72%、75%、74%,載藥率分別為63%、72%、76%。當牛血清蛋白質量為30.0 mg以上時,由于載體無法完全包裹住過量的藥物,所以包封率和載藥率降低。

圖6 牛血清蛋白的質量對微囊包封率和載藥率的影響Fig.6 Effect of BSA’s quality on encapsulation efficiency and drugloading rate of microcapsule

3 結論

將葡甘露聚糖采用羧甲基改性并與海藻酸鈉復配后,將對葡甘露聚糖/海藻酸鈉共混膜產生影響,研究發現:在取代度為75%,羧甲基魔芋葡甘露聚糖與海藻酸鈉質量比為3∶1,溫度為50.0 ℃,pH為7.0時,羧甲基魔芋葡甘露聚糖/海藻酸鈉共混膜具有較強的拉伸作用。進一步利用該共混膜和模型藥物(牛血清蛋白)制備葡甘露聚糖/海藻酸鈉緩釋微囊后發現,當牛血清蛋白質量為30.0 mg時,微囊包封率和載藥率達到最大,分別為74%和76%。這種良好的拉伸性能和優良的載藥效果,將拓寬羧甲基魔芋葡甘露聚糖/海藻酸鈉緩釋微囊在醫藥等方面的應用。

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