毫米級(jí)殼聚糖/海藻酸鈣載水膠囊的制備及性能

趙瑾朝，黃 偉，郭 慶，熊 斌，熊國(guó)璽，肜 霖，王 婧，黃樂(lè)平

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毫米級(jí)殼聚糖/海藻酸鈣載水膠囊的制備及性能

趙瑾朝1，黃 偉1，郭 慶1，熊 斌3，熊國(guó)璽3，肜 霖3，王 婧1，黃樂(lè)平2

(1. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，生物質(zhì)纖維與生態(tài)染整湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200；2. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；3. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040)

以殼聚糖(CS)為改性劑，將CaCl2/CS混合溶液滴加到海藻酸(SA)溶液中，制備出毫米級(jí)CS/Ca-SA載水膠囊，通過(guò)紅外光譜分析膠囊囊膜結(jié)構(gòu)，并考察CS濃度對(duì)膠囊形貌、粒徑、球形度及失重率的影響。結(jié)果表明，SA與Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的同時(shí)還與CS產(chǎn)生靜電吸引形成聚電解質(zhì)，雙重交聯(lián)反應(yīng)增加了囊膜的交聯(lián)密度，與Ca-SA膠囊相比，CS/Ca-SA膠囊的失重率明顯降低，24 h失重率由96.17%降低至55.14%；CS/Ca-SA膠囊粒徑在4.2-5.0 mm之間可調(diào)；當(dāng)CS濃度大于1.25 wt.%時(shí)，可制備出球形度較好的膠囊。

海藻酸鈣；殼聚糖；水凝膠；膠囊；失重率

采用膠囊化技術(shù)將水或水溶性有效成分包裹密封起來(lái)形成膠囊，保持膠囊中水分在運(yùn)輸期和貨架期長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存無(wú)滲漏，一直是食品、醫(yī)藥、煙草等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1-3]。膠囊壁材的選擇決定了膠囊的力學(xué)性能和滲透性能[4]。海藻酸鈣鹽是食品及藥用膠囊中最常用的壁材，以鈣離子溶液為凝固浴，采用滴制法制備的海藻酸鈣膠囊已投入工業(yè)化生產(chǎn)并得到商業(yè)化推廣[5, 6]。近20年，美國(guó)、日本膠囊技術(shù)發(fā)展迅速[7,8]，相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的膠囊技術(shù)仍處于起步階段，因此進(jìn)一步深化膠囊實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及理論研究具有重大意義[9]。為了改善膠囊在非水環(huán)境儲(chǔ)存過(guò)程中失水嚴(yán)重的情況，本研究采用殼聚糖(CS)作為改性劑，將CaCl2/CS溶液滴加到海藻酸(SA)溶液中，制備殼聚糖/海藻酸鈣(CS/Ca-SA)載水膠囊。通過(guò)紅外光譜分析膠囊囊膜結(jié)構(gòu)，考察CS濃度對(duì)膠囊形貌、粒徑、球形度及失重率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品

海藻酸鈉，化學(xué)純，10 g /L，20℃黏度≥20 mPa·s；殼聚糖，生化試劑，脫乙酰度80.0-95.0 %，黏度50-800 mPa·s；無(wú)水CaCl2，分析純；以上藥品均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；水均為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 溶液的制備

SA溶液的制備：將0.5 g SA在99.5 g去離子水中室溫溶脹4 h，然后升溫至55℃攪拌6 h，靜置8 h，得到濃度為1 wt%的SA溶液。

CaCl2/CS溶液的制備：將2.0 g CS在98.0 g 2 wt.%醋酸溶液中室溫溶脹4 h，然后升溫至55℃攪拌6 h，靜置8 h，得到濃度為2 wt% CS溶液。再將1.0 g CaCl2溶于99.0 g CS溶液中，靜置消泡，得到CaCl2/CS溶液。

1.2.2 CS/Ca-SA膠囊的制備

將CaCl2/CS溶液通過(guò)單通道注射推泵，在0.5 mL/min的推進(jìn)速度，10 cm的滴加高度下，經(jīng)過(guò)內(nèi)外徑為0.69/1.07 mm的針頭垂直滴加到不斷攪拌的SA溶液中，滴加10 min后停止，繼續(xù)攪拌20 min，所得膠囊用去離子水洗滌三次，除去膠囊表面未反應(yīng)的SA溶液，再將膠囊浸漬在2.0 wt%CaCl2溶液中固化15 min，最后水洗，得到CS/Ca-SA膠囊。以上實(shí)驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2.3 單因素分析

本研究以SA和CS為壁材制備得到CS/Ca-SA膠囊，考察了CS濃度對(duì)膠囊形貌和性能的影響。其中，CS溶液濃度分別為1.0 wt.%，1.25 wt.%，1.5 wt.%，1.75 wt.%，2.0 wt.%。

圖1 CS/Ca-SA膠囊的制備裝置圖

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 紅外光譜

取一定數(shù)量的CS/Ca-SA膠囊壓碎，60℃烘干，用KBr壓片制備樣品，采用TENSOR-27(德國(guó)布魯克光譜儀器公司)進(jìn)行紅外測(cè)試。

1.3.2 形貌

隨機(jī)選取一定數(shù)量的Ca-SA膠囊，采用 BL-SM500 型數(shù)碼顯微鏡拍攝膠囊的數(shù)碼顯微圖。

1.3.3 粒徑

隨機(jī)選取15顆膠囊，采用數(shù)顯卡尺測(cè)其粒徑并取平均值。

1.3.4 球形度

膠囊的球形度通過(guò)SF值(Sphericity Factor)來(lái)表征[10, 11]。SF可由公式（1）計(jì)算得到，

SF= (Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin) （1）

其中，Dmax指的是膠囊的最大直徑，Dmin指的是垂直于Dmax的最小直徑。SF值變化范圍為0-1，SF值越小，膠囊形狀越接近球形，以SF<0.07作為判斷膠囊呈球形的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.5 膠囊失重率

隨機(jī)選取30顆膠囊置于培養(yǎng)皿，稱量膠囊質(zhì)量為m0，常溫放置24小時(shí)后稱量膠囊質(zhì)量mn。膠囊的失重率可由公式（2）計(jì)算得到：

失重率=(m0-mn)/m0*100 % （2）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為CS、SA和CS-SA聚電解質(zhì)復(fù)合物的紅外光譜圖。由圖可知，SA有羧基在1618 cm-1由不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的寬峰，在1417 cm-1處對(duì)稱伸縮引起的窄峰。CS在1653，1586，1324 cm-1有特征吸收峰，分別代表酰胺I帶，Ⅱ帶，Ⅲ帶，1635 cm-1是CS氨基基團(tuán)-NH2振動(dòng)吸收峰，其中，在3412 cm-1左右，出現(xiàn)了一個(gè)較寬的吸收峰。這是因?yàn)镃S是在酸性條件下溶解，CS的氨基帶上了電荷變成NH3+所產(chǎn)生的。CS與SA相互作用后，由于氨基與羧基間離子鍵及基團(tuán)間氫鍵的形成，SA的羧基不對(duì)稱吸收峰由1618 cm-1移至1639 cm-1，對(duì)稱吸收峰由1416 cm-1移至1384 cm-1。1324 cm-1酰胺Ⅲ帶吸收峰消失。表明CS的氨基在酸性條件下生成NH3+，與SA上的羧基負(fù)離子產(chǎn)生強(qiáng)的靜電作用而生成聚電解質(zhì)復(fù)合物。

圖2 CS膜、SA膜和CS-SA聚電解質(zhì)復(fù)合膜的紅外光譜圖

由圖3a可知，CS/Ca-SA膠囊為透明凝膠珠狀物，表面較光滑。圖3b所示是將膠囊浸泡于水中時(shí)的外觀形貌圖，可觀察到膠囊具有明顯的囊膜和液芯結(jié)構(gòu)。

圖3 CS/Ca-SA膠囊外觀形貌圖

表1為不同濃度CS制備CS/Ca-SA膠囊的形貌。由表中50倍的放大圖片可看出，CS/Ca-SA膠囊均具有良好的單分散性。近距離觀察，當(dāng)CS濃度由1.0 wt.%增大到2.0 wt.%時(shí)，膠囊粒徑增大。當(dāng)CS濃度<1.75 wt.%時(shí)，膠囊均帶“尾巴”；隨著CS濃度的增加，拖尾現(xiàn)象逐漸減小，當(dāng)CS濃度為2.0 wt.%時(shí)，得到單分散性及球形度均較好的球形膠囊。

表1 CS濃度對(duì)膠囊形貌的影響

注：表中所有標(biāo)尺均為3 mm

圖4為不同濃度CS制備的CS/Ca-SA膠囊的粒徑和SF。結(jié)合表1的顯微鏡圖片可知，當(dāng)CS濃度由1.0 wt.%增加到2.0 wt.%時(shí)，膠囊粒徑由4.220 mm增大到4.935 mm，增大了16.94 %。因?yàn)樵谀z囊的形成過(guò)程中，不僅有SA與Ca2+的離子交聯(lián)，還有CS與SA生成聚電解質(zhì)復(fù)合物的反應(yīng)。隨著CS濃度提高，液滴中CS濃度增加，與SA反應(yīng)生成的聚電解質(zhì)復(fù)合物增多，因此膠囊粒徑增大。膠囊SF由0.151減小到0.042，降低了72.19 %。隨著CS濃度增加，溶液粘度提高，減小了液滴在與SA溶液表面的碰撞過(guò)程中的變形程度，因此膠囊的SF逐漸減小，最終得到球形膠囊。

圖4 CS濃度對(duì)CS/Ca-SA膠囊的粒徑(a)和SF(b)的影響

表2為CS濃度對(duì)CS/Ca-SA膠囊失重率的影響。由表可知， Ca-SA膠囊的24 h失重率為96.17 %，不同濃度CS制備的CS/Ca-SA膠囊的24 h失重率在55%-63 %之間，表明陽(yáng)離子溶液中CS的加入，增加了囊膜的交聯(lián)密度，明顯降低了膠囊的24 h失重率。同時(shí)，隨著CS濃度的增加，CS/Ca-SA膠囊的24 h失重率逐漸減小，由62.06 %減小到55.14 %，降低了11.16 %。這是因?yàn)殡S著CS濃度的升高，液滴中可與SA發(fā)生反應(yīng)的CS增多，生成更多的聚電解質(zhì)復(fù)合物，形成更加致密的囊膜結(jié)構(gòu)，減小了膠囊的失重率。

表2 CS濃度對(duì)CS/Ca-SA膠囊失重率的影響

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)反滴法將CaCl2/CS溶液滴加到SA溶液中，成功制備出毫米級(jí)CS/Ca-SA載水膠囊，對(duì)膠囊囊膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外光譜分析，研究了CS濃度對(duì)膠囊形貌、粒徑、球形度及失重率的影響。囊膜紅外分析表明，CS的氨基在酸性條件下形成 NH3+，與SA上的羧基負(fù)離子產(chǎn)生強(qiáng)的靜電作用生成了聚電解質(zhì)復(fù)合物，增大了膠囊囊膜的交聯(lián)密度。隨著CS濃度升高，膠囊粒徑逐漸增大，SF逐漸減小，失重率也逐漸降低，且CS/Ca-SA膠囊的失重率比Ca-SA膠囊降低30%以上，說(shuō)明經(jīng)過(guò)CS改性后，膠囊囊膜交聯(lián)密度升高，能夠明顯降低CS/Ca-SA膠囊在常溫非水環(huán)境下芯層的擴(kuò)散速率，延長(zhǎng)了膠囊的儲(chǔ)存期。

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Preparation and Performance of Millimeter Chitosan/Calcium Alginate Hydrogel Capsules

ZHAO Jin-chao1, HUANG Wei1, GUO Qing1, XIONG Bin3, XIONG Guo-xi3, RONG Lin3, WANG Jing1, HUANG Le-ping2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Hubei Biomass Fibers and Eco-dyeing & Finishing Key Laboratory, Wuhan Textile University , Wuhan Hubei 430200, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 3. China tobacoo Hubei inductrial LLC., Wuhan Hubei 430040, China )

The chitosan/Calcium alginate(CS/Ca-SA) capsules were prepared by dropping the CaCl2/CS solution into SA solution successfully. The structure of the capsules membrane was analyzed by FTIR. The effects of CS concentration on size, shape and weight loss rate of capsules were investigated. The results showed that SA not only reacted with Ca2+but also CS. The capsules diameter could be adjusted in 4.2-5.0 mm under control. Uniform and spherical capsules could be formed when the CS concentration were >1.25 wt.%. Compared to Ca-SA capsules, the weight loss rate of CS/Ca-SA capsules decreased significantly from 96.17% to 55.14% when the test time was 24 h.

Calcium alginate; chitosan; hydrogel; capsule; weight loss ratio

趙瑾朝（1981-），女，副教授，博士，研究方向：生物質(zhì)纖維及功能紡織品.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51303138)，湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2014CFB762).

TQ021.4

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2095－414X(2018)05－0007－05