酶制劑微膠囊的制備及工藝優化研究

趙小艷

（山西藥科職業學院，山西 太原 030031）

0 引言

作為從生物體中提取的酶制品，酶制劑帶有一定酶活力，在化工、食品、醫藥等行業應用能夠體現出較強專一性和催化性能。制備酶制劑微膠囊，可以通過酶固化選擇合適壁材，通過控制釋放時間對膠囊表面活性進行調解，增強酶作用選擇性和針對性。品質佳的酶制劑微膠囊大小均勻，同時擁有良好分散性，體現出較高酶活力。目前可以采用的制備方法包含流化床涂布法、干燥浴法、分子包埋法等，其中干燥浴法相對簡單，無需特殊設備，應用相對廣泛。

1 酶制劑微膠囊的制備工藝分析

利用微膠囊化方式對游離酶進行固定，能夠改善生物酶性能。但目前在酶制劑微膠囊制備方面，采用的制備工藝多存在一定缺陷。如采用流化床涂布法，需將粉末狀芯材懸浮在上升氣流中，使表面噴涂成膜液，然后利用溶劑揮發等方式干燥處理，促使表面形成包被區，達到一定厚度后獲得微膠囊化顆粒[1]。應用該方法可以加快生產速度，獲得較高純度產品，但需配備專門設備，產生較大能耗的同時，耗費較多成本，給工藝應用推廣帶來了阻礙。采用分子包埋法將環糊精當作載體，從分子水平上實施包結，同樣成本較高，且無法對大的酶分子進行包埋。相較于其他方法，干燥浴法劃分為水浴和油浴兩類，分別用于制備以水溶液和油性物質為芯材的微膠囊，由于酶制劑的壁材多選用疏水性高聚物，并使用二氯甲烷等沸點更低的有機溶劑，因此多選用水浴干燥法[2]。應用該方法，將壁材和芯材融合配為W/O 水型乳液，添加至外相溶液中，可以獲得W/O/W 多重乳液。經過加熱、攪拌、萃取、冷卻等處理，可以去除溶劑，獲得微膠囊。應用該方法制備酶制劑微膠囊，能夠在溫和反應條件下進行，整個流程較為簡單，能夠降低成本。但與此同時，要求保證多重乳液體系穩定，需要通過加強工藝過程控制保證產品質量，因此應深入研究工藝優化問題。

2 酶制劑微膠囊的制備工藝優化

2.1 實驗設計

2.1.1 實驗條件

采用α-淀粉酶液作為芯材，要求酶活性達到8 000 U/mL，使用聚己內酯作為載體，其相對分子質量（Mn）分別為20 000、50 000、80 000，另外，準備二氯甲烷、聚乙烯醇、可溶性淀粉、檸檬酸、碘、磷酸二氫鉀、乳化劑span80 等試劑，均為分析純。通過開展單因素實驗，對聚己內酯相對分子質量和質量濃度、乳化劑和聚乙烯醇質量分數、油水比幾項參數指標進行調整，確定各因素給酶制劑微膠囊形貌、粒徑帶來的影響，可以對最優工藝條件進行確認。實驗儀器包含T18 數顯均質機、PLS-1810 低溫恒溫水槽、DZF-6050 真空干燥箱、Eclipse E400POL 光學顯微鏡、HITACHI/TM-3030 掃描電子顯微鏡、7502-PC 分光光度計和AL104 電子天平。

2.1.2 實驗內容

在實驗過程中，利用W1/O/W2雙乳液進行微膠囊制備，在二氯甲烷中先添加適量聚己內酯，溶解后可以構成油相，聚已內酯質量濃度分別為20、30、40、50 mg/mL。對α-淀粉酶溶液進行配制，可以構成內水相，即W1。倒入油相中，添加乳化劑，質量分數分別為2%、2.5%、3.0%、3.5%。在冰水浴條件下，使均質機達到7 000 r/min 轉速，經過3 min 處理后可以獲得初乳液W1/O。制備聚乙烯醇溶液，即W2，向其中緩慢添加W1/O 初乳液，添加量分別占W2的2%、2.5%、3.0%、3.5%。使均質機達到5 000 r/min 轉速，經過5 min 處理后，可以獲得復乳液。溫度提升至38 ℃，在200 r/min條件下進行攪拌，促使二氯甲烷迅速揮發，懸浮液中將產生微膠囊球體。在5 000 r/min 條件下對懸浮液進行離心，經過10 min 后，反復洗滌、離心3 次，將產物移至燒杯中，在真空條件下干燥、冷凍，能夠獲得微膠囊。

2.1.3 測試方法

對酶制劑微膠囊的品質展開評價，主要從物理特性上進行分析，確定囊和囊之間能否較好分離，并確定顆粒大小是否均勻，保證結構具有良好彈性和可塑性。為此，需要對不同工藝條件下制備的微膠囊進行測試，將微膠囊放入到水中，利用激光粒度測試儀進行粒徑檢測。在形貌測試上，使用光學顯微鏡和掃描電鏡對表面形態和結構進行確認。此外，需要采用吸光度分析法對微膠囊載藥量進行測定。利用淀粉酶，可以將淀粉分子鏈中葡萄糖苷鍵切斷，生成葡萄糖、糊精、麥芽糖，促使淀粉對碘顯色的反應消失，由原本藍紫色轉變為紅棕色[3]。而酶活力越強，顏色變化越快。完成固定反應后，可知載藥量為酶體積和微膠囊質量的比值。對微膠囊釋放性能進行測試，可以在10 mL 磷酸緩沖液中添加50 mg 制備的微膠囊，在恒溫水浴鍋中經過30 min 加熱。取1 mL 上層清液，利用光度計進行酶的吸光度測試，可以確定釋放效果。

2.2 實驗結果

2.2.1 聚己內酯使用帶來的影響

實驗使用的聚己內酯作為高分子材料，具有半結晶的特點，用于制備微膠囊需要經過熔化、結晶處理。而材料結晶將受到相對分子質量的影響，即相對分子質量越高，材料結晶溫度越高。在聚己內酯質量濃度達到50 mg/mL，乳化劑質量占比達到3%，聚乙烯醇質量占比達到3%、油水比為1∶7 的條件下，逐漸增加聚己內酯的相對分子質量，可以發現制備的微膠囊粒徑平均值隨之增加。分析原因可知，在擁有更大相對分子質量時，意味著油相可以獲得較大黏度，促使微膠囊的殼層厚度隨之增加。在相對分子質量較小時，微膠囊可以快速結晶，但在溶劑難揮發的情況下，存在容易黏結的問題。在相對分子質量達到80 000時，可以確保微膠囊顆粒均勻，同時獲得良好分散性，但與相對分子質量達50 000 時制備的微膠囊比較，彼此間差異不顯著。為避免殼層過厚給后續活性酶釋放帶來困難，最終將聚己內酯相對分子質量設定為50 000。

從聚己內酯質量濃度變化上來看，在其他參數條件不變的情況下，可以得到濃度增加將促使微膠囊粒徑平均值有所增加，如表1 所示，但與此同時，也出現破裂量不斷增多情況。出現這一情況，主要是由于油相黏度的持續增加，將造成溶劑難揮發，成球過程中也容易因粘連發生破裂。而使用相同量的乳化劑，顆粒越大越難穩定，固化時越容易出現破裂情況。綜合考慮顆粒大小和完整性等問題，需要將聚己內酯濃度設定為30 mg/mL。

表1 聚己內酯濃度實驗結果

2.2.2 乳化劑和聚乙烯醇使用影響

對乳化劑和聚乙烯醇用量進行調整，從實驗結果來看，同樣會給微膠囊性能帶來影響。對乳化劑用量進行調整，在其他參數不變的情況下，隨著乳化劑用量的增加，形成的乳液越穩定。在乳化劑質量分數為2%以下時，乳液將會迅速分層，且分層高度較大；在質量分數提升至3%的條件下，經過20 min 后乳液才開始分層，分層高度較小；而質量分數提高至3.5%，乳液也將在20 min 后緩慢分層，與3%比例下的分層效果接近。乳化劑的使用主要會對乳液穩定性產生影響，繼而對后續制備工藝產生影響，因此需要將乳化液用量設定為3%。而使用聚乙烯醇，將給微膠囊粒徑帶來直接影響，隨著質量分數從2%提升至3.5%，微膠囊平均粒徑值從5.3 μm 減小至2.7 μm。分析原因可知，在聚乙烯醇用量較少時，無法對乳液進行穩定，引發粒徑分布范圍寬的問題[4]。但從分散性角度來看，在聚乙烯醇質量分數達到3.5%時，由于配制的復乳黏稠度增加，同樣會引發乳液不穩問題，造成微膠囊在固化過程中出現粘連問題，因此最終需要將聚乙烯醇用量設定為3%。

2.2.3 油水比變化帶來的影響

所謂的油水比，實際就是油相和內水相的比值，將給微膠囊固化成球效果帶來影響。在實驗過程中，結合以往經驗，可以將油水比分別設定為1∶7、1∶8.7、1∶11.7 和1∶17.5，從對應的微膠囊粒徑平均值來看，分別為3.38、3.23、3.36、3.11 μm，彼此間的差異不大。但從溶液顆粒大小來看，油水比較小，將導致大顆粒存在。而適當增加內水相的比例，能夠避免乳液與大顆粒發生過多碰撞，保證乳液穩定。但內水相過大，將造成產量下降。綜合各項因素，最終需要將油水比設定為1∶8.7。

2.2.4 工藝優化效果分析

結合單因素實驗結果，最終能夠確定最佳工藝條件，將聚己內酯相對分子質量設定為50 000，質量濃度設定為30 mg/mL。與此同時，需要將聚乙烯醇和乳化劑質量分數統一設計為3%，油水比取1∶8.7，然后進行酶制劑微膠囊制備。從產品物理性能上來看，獲得的產品表面光滑、粒徑均勻，平均能夠達到3.1 μm，體現出良好的分散性。為確定微膠囊的載藥量，需要取3 份制備的微膠囊進行測試，在萃取液體積達到10 mL，微膠囊為0.05 g 的條件下，酶體積在2.2～2.7 μL間變化，載藥量在44～53 μL/g 范圍內。對微膠囊進行熱分析，可知聚己內酯熔點達到56 ℃，因此需在60～80 ℃條件下對懸浮液進行加熱，確定微膠囊釋放性能。如表2、圖1 所示，隨著溫度的增加，微膠囊釋放性能呈現出先增強后減弱趨勢。分析原因可知，剛開始隨著溫度的增加，微膠囊可以加快熔化，從而體現出良好釋放效果。但溫度超出70 ℃后，受淀粉酶溫度條件影響，將造成酶活性變差，因此需要將懸浮液加熱溫度設定為70 ℃，確保可以達到55%釋放性能。

圖1 不同工藝條件下制備微膠囊釋放性能

表2 最佳工藝條件下制備微膠囊釋放性能

3 結語

針對酶制劑微膠囊制備難題，通過開展α-淀粉酶和聚己內酯微膠囊制備實驗，確定聚己內酯相對分子質量、聚乙烯醇質量分數、油水比等單因素給微膠囊形貌、粒度和性能指標帶來的影響，能夠提出最優工藝條件。從分析結果來看，在聚己內酯相對分子質量達到50 000、質量濃度達到30 mg/mL，油水比為1∶8.7，聚乙烯醇和乳化劑質量分數均為3%的工藝條件下，可以制備出粒徑均勻、光滑致密且分散的酶制劑微膠囊，達到55%加熱釋放性能和44～53 μL/g 的載藥量，能夠為制備高品質生物酶膠囊產品提供支持。