亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊的制備及表征

楊安源 ，胡恩燁 ，周紅軍，2，周新華 ，2，舒緒剛 ，2

（1.仲愷農業工程學院化學化工學院,廣東 廣州 510225；2.廣東省普通高校農用綠色精細化學品重點實驗室,廣東 廣州 510225）

硒是人和動物必需的微量元素之一，參與人和動物機體的各項代謝［1-2］，具有重要的生物學作用，而且硒具有抗氧化、抗病毒、抗衰老、抗癌、調節免疫等作用，可防治克山病［3］、心腦血管疾病和腫瘤等諸多疾病［4］。因此，適當補充硒元素對人和動物的健康均起到積極意義。動物主要通過口服和靜脈注射等途徑進行補硒，其中口服硒營養劑是動物補硒較為常用的方法。而價廉易得的亞硒酸鈉是一種被廣泛使用的口服硒營養劑。但由于亞硒酸鈉穩定性欠佳，在一定條件下可與飼料中的還原性物質（如維生素C）發生氧化還原反應［5］，導致硒元素在飼料儲藏、使用過程中流失嚴重。同時，亞硒酸鈉在反應過程中會對飼料品質及營養價值產生潛在的負面影響。因此，人們往往需向飼料添加過量的亞硒酸鈉，以確保動物攝入足夠的硒元素。然而亞硒酸鈉的過量攝入會導致動物機體中毒，甚至死亡［6］。同時，過量使用亞硒酸鈉對環境存在潛在污染。綜上，亞硒酸鈉的性質限制了其在飼料硒營養劑的高效利用。目前，研究者主要通過改善亞硒酸鈉在飼料中的穩定性，進而提高其在飼料中的利用效率。

研究表明，微膠囊技術可以有效改善物質的穩定性，提高物質的利用效率。目前，該技術已被廣泛應用于食品［7］、漁業［8］和飼料加工［9］等行業。研究者已開發出不同的微膠囊制備方法。He等［10］采用噴霧干燥法，制備了辛烯基琥珀酸淀粉和黃原膠包埋共軛亞油酸緩釋微膠囊。Liu等［11］通過靜電沉積法，制備了高細胞密度藻酸鹽-聚-L-賴氨酸（PLL）微膠囊。Lupo等［12］采用內源乳化法，制備了以海藻酸鈉為壁材、可可為芯材的微膠囊。其中，內源乳化法因工藝簡單、設備簡易、制備條件溫和等優點而備受研究者關注。該法的成囊材料海藻酸鈉是一種聚陰離子型天然高分子，其結構是由α-L-古洛糖醛酸（G）和β-D-甘露糖醛酸（M）通過（1→4）連接形成的線性嵌段共聚物。其中G嵌段可與Ca2+、Pb2+、Ba2+等二價陽離子發生膠凝，形成“蛋格”結構［13］。海藻酸鈉凝膠在改善物質穩定性方面有著廣泛應用［14-15］。

為改善亞硒酸鈉在飼料中的穩定性，降低其對環境的污染，本研究以亞硒酸鈉為芯材、海藻酸鈉為壁材，通過內源乳化法制備亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊（sodium selenite/sodium alginate microcapsules， SSSAM）。借助傅立葉紅外和X射線衍射儀對SSSAM的結構進行分析，以SSSAM的載藥率（LC）和包封率（EE）為指標，優化SSSAM的制備工藝，以期獲得高LC和EE的SSSAM，為后續進一步探究SSSAM的相關性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

海藻酸鈉（SA，化學純），購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；98%亞硒酸鈉，購自西亞化學試劑廠；納米碳酸鈣（Nano-CaCO3，化學純），≤19 μm，購自佛山市源磊粉體有限公司；Span 80（化學純），購自天津市福晨化學試劑廠；冰醋酸（分析純），購自國藥集團化學試劑有限公司；液體石蠟（化學純）、無水乙醇（分析純），購自天津富宇精細化工有限公司；硫代硫酸鈉、碘化鉀（分析純），購自廣州光華化學試劑廠。

主要試驗儀器有Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform infrared spectroscopy， FTIR，美國PerkinElmer公司）、布魯克D8 Advance型X射線衍射儀（X-ray Powder diffractometer， XRD，德國Bruker公司）。

1.2 亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊的制備

稱取1.8 g SA與0.9 g Nano-CaCO3于燒杯中，加入100 mL去離子水，攪拌過夜，作為水相。量取150 mL液體石蠟于燒杯中，加入2%（W/W）Span 80和0.6 g Na2SeO3，乳化30 min，作為油相。取50 mL水相滴加到油相中，持續攪拌90 min；緩慢加入2 mL冰醋酸，持續攪拌40 min；過濾后用無水乙醇洗滌至試樣表面不出現油層，75℃干燥12 h，常溫真空干燥至無油狀液滴出現。依次改變表1中SSSAM的制備工藝，以載藥率（LC）和包封率（EE）為指標，優化SSSAM制備工藝，探索制備工藝對LC和EE的影響規律。同時制備SA微膠囊（SAM），除不加Na2SeO3外，其他步驟參照SSSAM制備方法。

表1 SSSAM的制備工藝單因素水平設置

1.3 亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊結構表征

采用傅立葉紅外光譜儀，利用KBr壓片法對樣品結構進行表征，掃描波數范圍為4 000～500 cm-1；采用X射線衍射儀分析樣品的晶體結構，測試條件為：LynxEye陣列探測器，電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°，測試速度0.1 s/step，銅靶，入射線波長0.15418 nm。

1.4 亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊載藥率和包封率的測定

0.100 mol/L硫代硫酸鈉溶液的配制、標定及稀釋參照文獻［16］中相關規定進行。SSSAM的LC測定參照文獻［17］稍作調整。準確稱取0.5 g SSSAM于燒杯中，加適量去離子水煮沸攪拌8 h，過濾濃縮，用去離子水定容至100 mL，移取該溶液25 mL置于碘量瓶中，加入40 mL去離子水、3 mol/L鹽酸溶液10 mL，用0.100 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定，近終點時加0.1 mol/L碘化鉀溶液（現配）2 mL，再加5 g/L淀粉指示液（現配）2 mL，繼續滴定至藍色消失，同時做空白試驗。其離子反應方程式如下：

由上述試驗步驟及離子反應方程式可得到SSSAM的LC計算公式：

式中，V1為試樣消耗硫代硫酸鈉體積（mL），V0為試劑空白消耗硫代硫酸鈉體積（mL），m為試樣質量（g），0.04323為硫代硫酸鈉與亞硒酸鈉轉換系數，c為硫代硫酸鈉實際濃度（mol/L）。

2 結果與分析

2.1 Na2SeO3、SAM和SSSAM的FTIR分析

從圖1可見，譜線Na2SeO3在730 cm-1附近出現明顯的尖峰，是SeO32-的伸縮振動吸收峰。譜線SAM在3 340 cm-1附近出現一個寬的吸收帶，此為SA的-OH伸縮振動峰；在2 926 cm-1附近出現強吸收峰，此為-CH2的伸縮振動峰；在1 626 cm-1處為羰基的伸縮振動峰，這一系列吸收峰為SA的紅外特征吸收峰。譜線SSSAM在3 340、2 926、1 625 cm-1處的特征吸收峰強度明顯增強，此為SeO32-與SA間存在較強的分子間相互作用所致。對比前二者可以看出，譜線SSSAM在730 cm-1附近出現了SeO32-的吸收峰，故在該試驗條件下，Na2SeO3已負載至微膠囊上。

圖1 Na2SeO3、SAM和SSSAM的FTIR分析結果

2.2 Na2SeO3、SAM和SSSAM的XRD分析

圖2 中自上而下依次為SSSAM、SAM、Na2SeO3以及Na2SeO3標準卡的XRD譜圖。Na2SeO3標準卡在2θ為21.98、24.18、25.98和37.60處出現強衍射峰，表明Na2SeO3以晶體形式存在；Na2SeO3樣品在2θ為22.03、24.23、26.01和37.66處出現相似的衍射峰。而樣品SSSAM和SAM的XRD衍射譜線相似，均無強衍射峰出現。結合FTIR分析結果可知，SSSAM對Na2SeO3包埋，Na2SeO3由晶態向非晶態轉變。

圖2 Na2SeO3、SAMC和SSSAM的XRD分析結果

2.3 亞硒酸鈉/海藻酸鈉微膠囊制備工藝對LC和EE的影響

2.3.1 Nano-CaCO3質量分數對SSSAM LC和EE的影響 只改變Nano-CaCO3質量分數，其余制備條件不變，結果SSSAM的LC隨Nano-CaCO3質量分數增加而下降，EE隨Nano-CaCO3質量分數增加而先增后降。由于Nano-CaCO3質量分數增加，在改變體系pH過程中，SA液滴內部產生過量的CO2，漲破SA微膠囊使得部分溶解在SA液滴內部的SeO32-隨水分蒸發流失，導致其LC下降。而SSSAM的EE出現先升后降的趨勢，可能是增加Nano-CaCO3質量分數后SSSAM的理論LC下降，SSSAM的EE計算式中分母減少，導致EE增大。綜合考慮SSSAM的LC與EE間關系，在此試驗條件下，制備SSSAM以選取Nano-CaCO3質量分數為SA的1/2較適宜。

圖3 Nano-CaCO3質量分數對SSSAM LC和EE的影響

2.3.2 油水體積比對SSSAM LC和EE的影響只改變體系油水體積比，其余制備條件不變。SSSAM的LC和EE隨油水體積比增大呈先增后降趨勢，當油水體積比達到4:1時其LC和EE均達到極值。增加油相體積能有效降低SA液滴的粒徑，增加SA液滴的比表面積，進而提高SA液滴與Na2SeO3的接觸幾率，提高SSSAM的LC和EE。但油水體積比超過4:1后，液體石蠟在攪拌過程中被帶入到微膠囊內部，破壞微膠囊結構，使Na2SeO3部分流失至油相中；同時，隨油相體積不斷增加，SA液滴與Na2SeO3的接觸幾率逐漸受油相體積控制，使SA液滴與Na2SeO3的接觸幾率下降，導致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此試驗條件下，制備SSSAM以選取油水體積比為4:1較適宜。

2.3.3 Span 80質量分數對SSSAM LC和EE的影響 只改變體系中Span 80質量分數，其余制備條件不變。SSSAM的LC和EE隨Span 80質量分數增大呈先增后降趨勢，當Span 80質量分數達到為液體石蠟的3%時，其LC和EE均達到極值。乳化劑Span 80加入油相后能有效降低SA液滴的粒徑，增大SA液滴的比表面積，增加SA液滴與Na2SeO3的接觸幾率，提高SSSAM的LC和EE。但Span 80質量分數超過液體石蠟的3%后，此時SA液滴對Na2SeO3的接觸效率主導SSSAM的LC和EE。SA液滴粒徑持續下降，SA液滴與Na2SeO3間相對速率下降，二者接觸效率降低，導致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此試驗條件下，制備SSSAM以選取乳化劑Span 80質量分數為液體石蠟的3%較適宜。

圖5 Span 80質量分數對SSSAM LC和EE的影響

2.3.4 乳化時間對SSSAM LC和EE的影響 只改變體系中的乳化時間，其余制備條件不變。SSSAM的LC和EE隨乳化時間延長呈先增后降趨勢，當乳化時間為40 min時，SSSAM的LC和EE均達到最大值。乳化時間低于40 min時，SA液滴與Na2SeO3的接觸幾率是影響SSSAM LC和EE的主導因素。SA液滴的粒徑隨乳化時間延長而下降，SA液滴的比表面積隨SA液滴粒徑下降而增加，SA液滴與Na2SeO3接觸幾率增加，進而提高SSSAM的LC和EE。但乳化時間超過40 min后，此時SA液滴與Na2SeO3的接觸效率主導SSSAM的LC和EE。SA液滴粒徑持續下降，SA液滴與Na2SeO3間相對速度差縮小，SA液滴截留Na2SeO3的能力下降，二者的有效接觸降低，導致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此試驗條件下，制備SSSAM以選取乳化時間為40 min較適宜。

圖6 乳化時間對SSSAM LC和EE的影響

2.3.5 交聯時間對SSSAM LC和EE的影響 只改變體系中的交聯時間，其余制備條件不變。SSSAM的LC和EE隨交聯時間延長而下降趨勢，當交聯時間為15 min時，SSSAM的LC和EE均達到極大值。加入冰醋酸后，體系pH值迅速下降，SSSAM液滴表面形成凝膠薄膜，阻止油相中的Na2SeO3繼續鑲嵌到SA液滴表面；同時凝膠薄膜阻礙了外部H+滲透至SA內部，導致SSSAM出現外部緊密而內部疏松的結構。隨著交聯時間延長，溶解在SSSAM內部未固定的SeO32-沿著SSSAM的孔道、孔隙重新釋放至油相中，交聯時間越長，SSSAM中的SeO32-流失率越高，造成SSSAM的LC和EE下降。因此，在該試驗條件下，制備SSSAM以選取交聯時間為15 min較為適宜。

圖7 交聯時間對SSSAM LC和EE的影響

3 結論與討論

硒的生物學意義早已得到各界的認可［18-19］。我國是世界上較為缺硒的國家之一，且國內硒元素分布不均，國民硒營養攝入明顯不足，需要通過其他途徑額外補硒，其中一個重要補硒途徑是通過食用富硒動植物。亞硒酸鈉是目前國內飼料行業使用較為廣泛的硒營養劑。但是亞硒酸鈉穩定性欠佳，在應用過程中對飼料品質和環境都存在潛在的不良影響。同時，亞硒酸鈉服用過量會導致動物機體中毒甚至死亡［6］。目前，采用技術途徑提高亞硒酸鈉在飼料中的穩定性，是解決上述問題的重要途徑。研究表明，微膠囊技術是提高藥物穩定性的有效方法。Sanna等［20］采用雙乳液法制備了負載白藜蘆醇微膠囊，結果顯示白藜蘆醇經過微膠囊化后穩定性顯著提高。 Albadran等［21］對植物乳桿菌在干燥微膠囊中加速貯存的穩定性進行了探究，結果表明微膠囊結構能提高植物乳桿菌的穩定性。徐華等［22］以乙基纖維素為壁材、毒死蜱為模型藥物，采用乳化-溶劑揮發法制備毒死蜱/乙基纖維素微膠囊，該微膠囊具有良好的緩釋性能。微膠囊技術確能有效提高藥物的穩定性，增強藥物在應用過程中的可控性，顯著降低藥物用量。

本研究采用內源乳化法成功制備負載Na2SeO3的海藻酸鈉微膠囊。FTIR和XRD 分析表明：Na2SeO3以物理包埋的形成存在于SSSAM中，并且晶態Na2SeO3在包埋至SSSAM過程中，Na2SeO3在海藻酸鈉與液體石蠟間界面發生溶解，在交聯和干燥過程中轉變為非晶態的Na2SeO3。通過單因素法，以SSSAM的LC和EE為指標，優化其制備工藝：Nano-CaCO3質量比為1/2，油水體積比為4:1，Span 80質量分數為3%，乳化40 min，交聯15 min。在此條件下，SSSAM的LC和EE分別為16.2%和52.7%。SSSAM可替代Na2SeO3作為硒營養劑添加到飼料中。而SSSAM在不同環境下的穩定性及模擬環境中的釋放有待后續進一步探討。