魔芋葡甘聚糖基緩釋包膜尿素的制備及性能檢測

錢 虹， 劉 毅， 王 勖， 余文潔， 姜發堂，2， 倪學文，2

(1.湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068； 2.武漢力誠生物科技有限公司，湖北武漢 430070)

隨著優質、高產、高效現代持續農業的發展，如何充分發揮化肥的作用，是現代農業持續發展需要解決的最突出問題之一[1]，水與肥料的合理高效使用是現代農業可持續發展的關鍵。緩控釋肥料具有肥效穩定且長久的特點，一次施用能基本滿足作物各個生長階段的養分需求。因此，開發可控制養分釋放速度、成本低、生產工藝簡單的緩控釋肥料是化肥研究的熱點[2]。流化床包衣技術因可控性好、操作簡單、連續高效而廣泛應用于食品、醫藥和化肥產業。經包衣后的肥效調節型肥料不僅具有與作物生理、生育模式相匹配的肥效，而且能夠有效控制肥效成分的釋放速率，改善土壤環境，防止環境污染。在國外，現已開發出流化床包衣技術用于腫瘤治療的微膠囊NCR、NCT、DSM等新型藥物[3]，另在現代食品工業中已得到廣泛應用[4-5]。

包膜肥的養分釋放特性是表征包膜產品質量的主要特性之一。在包衣過程中，流化床的霧化壓力、進風溫度、噴液速度等各工藝條件對包膜尿素緩釋性能具有不同的影響。本研究以天然產物魔芋葡甘聚糖(KGM)為基材，將水溶性的KGM與水不溶性的乙基纖維素(EC)復合制備KGM/EC包膜液。利用Mini型流化床包衣機制備緩釋包膜肥，通過單因素試驗考察流化床霧化壓力、進風溫度等多個因素對包膜肥7 d累積溶出率、外觀、著膜率的影響，篩選出顯著影響因素，再通過正交試驗設計，優化最佳反應條件，并分析緩釋包膜肥在水中的釋放特性，本研究將為新型包膜肥料的開發提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

顆粒尿素購自湖北省嘉魚縣風華化工有限公司，其含氮量≥46.4%；KGM/EC包膜液為實驗室自制；對二甲氨基苯甲酸(PDAB)、98%濃鹽酸等均為分析純。

1.2 儀器與設備

WBF-1型多功能流化床包衣機(重慶英格造粒包衣技術有限公司)；BEIJIBAO空氣壓縮機(上海名馬空壓機有限公司)；BT50-1J型蠕動泵(河北省保定蘭格恒流泵有限公司)；KQ-100B型超聲波清洗器(江蘇省昆山市超聲儀器有限公司)；Delta320型pH計(北京科林恒達科技發展有限公司)；LD電子分析天平(遼寧省沈陽龍騰電子有限公司)；鍍鉻游標卡尺(D=0.02 mm)(杭州工具量具廠)；UV-2401型紫外-可見分光光度計(北京山峰萬泰科技發展有限公司)；恒溫恒濕箱(上海博訊實業有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 包膜尿素的制備 將顆粒尿素過篩，得到粒徑為 1.20～3.00 mm完整均一尿素顆粒。準確稱量200 g顆粒尿素，放入WBF-1型多功能流化床包衣機物料桶中，開啟風機及加熱裝置，將霧化壓力(A)、進風溫度(B)及BT50-1J型蠕動泵的轉速(C)調整到指定數值。待顆粒尿素在流化床中預熱一段時間后，物料溫度達到指定數值，以底噴方式將優化后的KGM/EC緩釋包膜液按設計的包膜量(D)均勻噴覆到顆粒尿素上。噴覆完成后，樣品分成3份，使用不同方式(E)進行熱處理。1份放在干燥器中做空白對照，另外2份分別在流化床、烘箱中進行不同溫度(F)的熱處理。為了減小試驗誤差，在同一試驗條件下，重復試驗3次。設計KGM/EC緩釋包膜液的包膜量分別為10%、15%、20%、25%、30%，這5種待測包膜肥樣品分別用D1、D2、D3、D4、D5表示。考察工藝條件對包膜尿素緩釋性能的影響，用正交試驗進行優化處理。

1.3.2 肥料的基本性質檢測 (1)肥料水分含量測定[6]。在干燥的稱量瓶中，準確稱取2 g樣品，置于50 ℃的電熱恒溫真空干燥箱內干燥2 h后取出，在干燥器中冷卻至室溫，稱量。水分含量S的計算公式：

式中：S0為干燥前樣品的質量，g；S1為干燥后樣品的質量，g。

(2)肥料粒度測定。按照SN/T 0736.3—2011《進出口化肥檢驗方法 第3部分：粒度的測定》，將空盤、1.0、2.8 mm標準網篩從下到上依次疊好，分別準確稱取100 g顆粒尿素、包膜尿素置于2.8 mm金屬篩內，蓋上篩蓋，人工振蕩5 min，采用LD型電子分析天平分別稱量其在1.00～2.80 mm、1.00～4.75 mm內的試樣質量。粒度含量Z按公式：

式中：m1為粒度在1.00～2.80 mm之間的樣品質量，g；m0為樣品的總質量，g。

(3)包膜肥增質量測定。挑選顆粒完整、大小均一的樣品，分別稱取15 g顆粒尿素和包膜尿素，準確稱量其質量，包膜增質量m按公式：

式中：m0為15 g顆粒尿素的質量，g；m1為15 g包膜尿素的質量，g。

1.3.3 包膜肥的養分釋放特性 (1)尿素的波長分析及標準曲線繪制。根據埃利希反應(Ehrlich)，對二甲氨基苯甲醛[(CH3)2·N·C6H4CHO]在酸性條件下與尿素[CO(NH2)2]反應，生成的對二甲氨基甲醛脲[(CH3)2·N·C6H4CH=NCONH2]為檸檬黃色化合物，其顏色的深淺與尿素含量的高低成正比，可以比色測定緩釋液中溶出的尿素含量。

以尿素態氮含量為0的溶液為參比溶液，測定吸光度。以100 mL標準比色溶液中的尿素態氮的質量(mg)為橫坐標、對應的吸光度為縱坐標，繪制一條標準曲線圖，并對線性模型D=K0+K1×C作線性回歸分析。

回歸曲線方程為D=0.034 4C+0.001 1，式中：D為吸光度；C為尿素標樣的濃度，μg/mL。由圖1中的數據分析可以得出，尿素標準液的濃度范圍較寬泛，為25～125 μg/mL，對應的吸光度變化范圍為0.183～0.529，通過計算得出，線性系數r為0.999 9，吸光度對濃度的線性關系好。可依據此標準測定試樣的尿素溶液的濃度，試驗精確性高。

(2)包膜尿素中總尿素含量測定。參照GB/T 8572—2010《復混肥料中總氮含量的測定 蒸餾后滴定法》中規定的方法進行測定，取2次平行測定結果的算術平均值作為測定結果。

(3)包膜尿素養分的浸提與釋放量的計算。準確稱取10.0 g包膜肥樣品放入150 μm(100目)尼龍紗網做成的小袋中，封口后，將小袋放入250 mL玻璃瓶中，加入200 mL水，加蓋密封，置于25 ℃恒溫培養箱中靜置設定時間后取樣。取樣時，將瓶上下顛倒3次，使瓶內液體濃度一致，冷卻后移入 250 mL 容量瓶中定容，測定養分釋放量。然后向裝有樣品袋的玻璃瓶中再加入200 mL水，加蓋后放入恒溫培養箱繼續培養。各釋放率指標按下列公式計算：

1.3.4 數據分析 每個樣品至少重復測定3次，取“平均值±標準差”，采用Origin 8.0軟件和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 工藝參數對緩釋性能的影響

2.1.1 霧化壓力對緩釋性能的影響 霧化壓力是決定包衣液霧滴粒徑的主要因素，噴霧液滴必須小于被包物的直徑[8]。由圖2可以看出，在本試驗范圍內霧化壓力與緩釋性能呈反向相關性，即隨著霧化壓力增加，累積釋放率降低。可能是由于當霧化壓力過低時，進料速度快，形成的液滴較大，則液滴不易干燥，接觸尿素顆粒表面后使之粘壁或結塊；當霧化壓力增大時，可以形成的霧滴較細，有利于包衣液在顆粒表面均勻鋪展[9]。

2.1.2 進風溫度對緩釋性能的影響 由圖3可知，進風溫度在一定范圍內升高，可減緩養分釋放的速率。進風溫度越低，溶劑揮發越慢，壁材損失越多，成膜時間越長，導致尿素顆粒之間相互黏結，會導致粘連增多[10]。隨著進風溫度的升高，可促使液滴噴覆到顆粒尿素快速干燥，避免黏結，加快包膜效率。但進風溫度過高，即當溫度上升到90 ℃時，養分釋放速度反而增大(圖3)。這是由于高溫液滴過快干燥，甚至有可能使部分液滴還沒來得及噴覆到顆粒尿素上就已經蒸發了，不利于液滴之間相互延展形成完整的膜，膜體表面裂紋增多增加了孔隙率，致使包衣膜不均勻，在試驗中水分更容易滲透到顆粒尿素的核心，加速養分釋放速率。

2.1.3 噴液速度對緩釋性能的影響 噴霧狀態連續均勻是獲得良好包膜效果的基礎。在一定范圍內，加大噴液速度，使液滴連續快速包覆到尿素顆粒上，會使包膜更加緊致，延長養分釋放時間。但是如果包衣液噴入速度過快，則會導致顆粒表面的包衣液干燥慢，粘連增多。如圖4所示，當噴液速度達到24 r/min時，部分顆粒尿素之間發生黏結，噴覆不均勻，導致養分過快釋放。

2.1.4 熱處理方式對緩釋性能的影響 乳液成膜時必須經過膜愈合過程，使聚合物粒子相互融合形成連續致密的衣膜。

雖然在包衣過程中伴隨著膜的愈合，但并不完全，須在包衣結束后進行進一步熱處理，使衣膜愈合完全。如圖5所示，未經熱處理的包膜尿素釋放養分的速度很快，幾天就完全釋放了。經過熱處理后的包膜尿素能持續釋放養分，與流化床熱處理方式相比，用烘箱熱處理的方式更能有效地延緩養分的釋放速率，可能由于流化床的流化狀態增加了包膜尿素的碰撞和摩擦，破壞了部分衣膜的完整性，在一定程度上影響了養分釋放速率。相比較而言，使用烘箱進行熱處理優勢更明顯。

2.1.5 熱處理溫度對緩釋性能的影響 熱處理的溫度是決定衣膜能否完全愈合的重要因素。由圖6可知，在40 ℃熱處理后，并沒有取得緩釋效果，包膜尿素的衣膜并未愈合。隨著熱處理溫度的升高，包膜尿素的養分釋放越來越緩慢。同時也可以看到，當溫度升到80 ℃時，包膜尿素的緩釋效果與 70 ℃ 時基本一樣。也就是說，當溫度升到一定程度，養分的釋放率不會發生明顯變化。一般來說，熱處理溫度要高于聚合物的玻璃化轉化溫度20～30 ℃才能有效促進聚合物粒子的愈合。兼顧緩釋效果和工藝的能耗問題，選擇70 ℃作為對包膜尿素進行熱處理的溫度。

2.1.6 包膜量對緩釋性能的影響 從圖7可以看出，包膜尿素受包膜量的影響很大，這一結論也得到了很多研究結果的證實。一定的衣膜厚度是維持藥物釋放的保證；衣膜過薄，易出現衣膜破裂，造成藥物釋放；衣膜過厚，則出現時滯現象。所以通過適當調節衣膜的厚度可達到控制養分釋放的要求。對同一種包膜材料來說，包膜量越大，則膜層越厚，增加了水分滲透到尿素核心的路程，延緩了養分釋放的速度。當包膜量為5%時，緩釋效果不理想，養分提前釋放；當包膜量增加到10%時，包膜尿素的28 d累積釋放率在80%左右，但7 d累計溶出率超過15%，不符合緩釋肥標準；當包膜量為15%以上時，包膜尿素的各項養分釋放指標均已達到緩釋標準，并隨著包膜量的增大，養分釋放周期越來越長。

2.2 影響緩釋性能重要工藝條件確定與優化

從以上6個工藝條件對包膜尿素的緩釋性能的影響曲線可以看出，熱處理方式及溫度的影響最明顯，且未與其他因素發生交互作用。依據曲線可以確定在70 ℃烘箱內進行熱處理是最佳方案。其他因素包膜尿素的緩釋性能也影響較大，在單因素分析基礎之上，選擇15%的包膜量，以7 d累積溶出率、外觀、著膜率為綜合評價標準對產品進行評分，選擇霧化壓力(A)、進風溫度(B)、噴液速度(C)3個因素進行L9(33)正交試驗，因素水平表見表1，產品評分標準見表2，L9(33)正交試驗安排和結果見表3。

表1L9(33)正交試驗因素水平

表2正交試驗所得樣品的評分標準

表3L9(33)正交試驗結果與分析

由以上數據可知，即包衣量相同的情況下，霧化壓力為2.4 kg/cm2，進風溫度為77.5 ℃，噴液速度為18 r/min，包衣結束后用烘箱在70 ℃條件下對包膜尿素進行熱處理可得到緩釋性能最佳的產品。

2.3 包膜尿素的基本性質

2.3.1 外觀形態 本試驗包膜尿素的水分含量為1.91%，遠低于顆粒尿素中4.62%的水分含量，有效地防止了尿素的結塊現象。包膜尿素整體松散，大小均一，顆粒完整，無機械雜質，符合我國標準GB/T 23348—2009《緩釋肥料》要求。

2.3.2 包膜尿素的粒徑 從圖8中可以看出，包膜尿素的粒徑隨著包膜量的增加而提高。同時，包膜尿素的理論粒徑明顯高于實際粒徑。這可能是由于包膜過程中尿素在流化床中呈流化狀態，尿素顆粒之間相互碰撞摩擦，致使部分KGM/EC包膜液損失。

2.3.3 包膜尿素的質量增加 包膜量是控制養分釋放速率的重要指標。在包膜尿素的制備工程中，物料不可避免有所損失，表4列出了緩釋層D1、D2、D3、D4、D5這5種不同包膜量包膜尿素的設計包膜量與實測包膜量，并計算包膜尿素的著膜率。由表4可知，包膜尿素的著膜率都在90%左右，說明此工藝具有合理性。但實際包膜量與設計包膜量有一定程度的差異，5種包膜尿素的實際包膜量均小于設計包膜量，這個結果有2個方面的原因：其一可能是包膜過程中尿素在流化床中呈流化狀態，尿素顆粒之間相互碰撞摩擦，致使一部分KGM/EC包膜液損失；其二可能是部分KGM/EC包膜液沒有噴覆到顆粒尿素上，可能附著在流化床物料桶中或包衣鍋的鍋壁上。

表4包膜尿素理論包膜量與實際包膜量比較

2.4 包膜尿素在水中緩釋特性

依據“2.2”節優化后的工藝條件制備KGM/EC包膜量為15%包膜尿素，按照“1.3.3.3”節的方法，在430 nm波長處測定其各項養分溶出指標，其釋放曲線如圖9所示。

由于KGM是水溶性大分子多糖，EC是水不溶性大分子多糖。KGM/EC膜利用KGM乳化作用將油溶性EC水性化，形成KGM/EC復合緩釋膜，從圖9中可以看出，尿素釋放曲線主要分為2個過程，前10 min主要是滯后階段(水在滲透壓的作用下穿過半滲透性包膜；尿素顆粒緩慢溶解，包膜開始溶脹，同時膜內的高滲透壓將膜脹裂形成微孔；尿素通過微孔溶出)，初始時尿素溶出緩慢，隨著時間延長，進入第2個過程(尿素持續釋放階段，水分在滲透壓的作用下穿過半滲透性包膜；通過包膜滲透進入內部，在核上凝聚并使尿素部分溶解，同時內部壓力升高，尿素在濃度梯度和壓力梯度的推動下通過擴散而釋放)。擴散和滲透都是分子熱運動的宏觀表現，前者是溶質分子逃逸，后者是溶劑分子逃逸[11]。可能 15 min 后膜材料的微孔穩定成型，使釋放量最終達到平穩。從表5可以看出，KGM基緩釋包膜尿素的各項指標均達到國家緩釋肥標準。

3 結論

本研究以天然產物KGM為基材代替難以降解的化工材料，利用KGM的結構特點設計以顆粒尿素為核心的KGM基緩釋包膜尿素，表面為致密光滑耐水性較強的KGM/EC緩釋膜，采用Mini型流化床包衣機，以KGM/E為包膜液制備包膜尿素，即緩釋包膜尿素。考察流化床包膜工藝條件霧化壓力、進風溫度、噴液速度、熱處理方式、熱處理時間及包膜量對緩釋層性能的影響。樣品的緩釋性通過包層的厚度及性質來調節，并研究包膜肥在水中的緩釋特性，為實現養分從緩釋到控釋打下了理論基礎。本研究通過正交試驗對工藝條件進行進一步優化，在霧化壓力為2.4 kg/cm2、進風溫度為77.5 ℃、噴液速度為18 r/min、包衣結束后用烘箱在70 ℃條件下對包膜尿素進行熱處理可得到緩釋性能最佳的產品。按國家標準對優化后制備的包膜尿素進行各項指標測試，結果顯示，優化后的包膜尿素顆粒完整，無機械雜質，總氮含量37.88%，水分含量為1.91%，粒度為2.49 mm，初期養分釋放率為14.2%，28 d累積釋放率為74%，符合國家GB/T 23348—2009《緩釋肥料》的標準。

表5KGM基緩釋包膜尿素的綜合指標

參考文獻：

[1]孟憲章，劉 巍，施繼紅，等. 緩釋肥料流化床包膜機包膜工藝的試驗研究[J]. 農業與技術，2009，29(4)：154-156.

[2]許秀成，李菂萍，王好斌. 包裹型緩釋/控制釋放肥料專題報告第三報包膜(包裹)型控制釋放肥料各國研究進展(續)3.歐洲[J]. 磷肥與復肥，2001，16(2)：10-12.

[3]Jono K，Ichikawa H，Miyamoto M，et al. A review of particulate design for pharmaceutical powders and their production by spouted bed coating[J]. Powder Technology，2000，113(3)：269-277.

[4]Dewettinck K，Huyghebaert A. Fluidized bed coating in food technology[J]. Trends in Food Science & Technology，1999，10(4/5)：163-168.

[5]劉愛紅，姜發堂. 魔芋超強吸水劑(KSAP)的結構分析[J]. 材料科學與工程學報，2007，25(6)：826-829.

[6]復混肥料中游離水含量的測定真空烘箱法：GB/T 8576—2010[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[7]中華人民共和國緩釋肥料國家標準：GB/T 23348—2009[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[8]Chen Y H，Yang J，Dave R N，et al. Granulation of cohesive Geldart group C powders in a Mini-Glatt fluidized bed by pre-coating with nanoparticles[J]. Powder Technology，2009，191(1/2)：206-217.

[9]宋順宗，辛 聰，宮國華，等. 利用流化床制備中藥包衣顆粒的工藝研究[J]. 時珍國醫國藥，2007，18(11)：2714-2715.

[10]孟憲章，劉 巍，施繼紅，等. 控釋肥料流化床包膜工藝研究[J]. 安徽農業科學，2010，38(18)：9795-9796.

[11]Cabrera R I. Comparative evaluation of nitrogen release patterns from controlled-release fertilizers by nitrogen leaching analysis[J]. HortScience，1997，32(4)：669-673.