魔芋葡甘聚糖-乙基纖維素包膜尿素的制備及其緩釋性能

黃迪菲， 嚴文莉， 匡 映， 肖 滿， 姜發堂， 倪學文

(湖北工業大學食品與制藥工程學院，湖北武漢 430068)

尿素是使用最普遍和最經濟的含氮肥料，因為其較高的含氮量(46%)而被廣泛應用于全球農業[1]。但是，尿素中只有30%～50%的氮被植物吸收，大量氮的流失造成了嚴重的環境污染問題[2-3]。開發緩/控釋尿素肥料，可以改善氮的利用率，滿足植物的營養需要并保護環境。通過物理方式包膜尿素顆粒，制備緩/控釋包膜尿素肥料，不僅可以提高氮的利用率，還可以增加尿素抗壓強度，避免運輸時的破損。來源豐富、可生物降解的尿素包膜材料引起了大量研究者的興趣，如淀粉[4-5]、木質素[6]、纖維素[7]、殼聚糖[8]等。這些生物聚合物可以形成尿素顆粒表面的包衣，避免尿素在水中快速溶解，使其緩慢釋放。但是，這些材料存在缺陷，如因機械性能差導致包膜層破裂，使氮快速釋放[9]。有許多關于改善生物聚合物特性的研究，比如通過聚合物物理共混、化學改性以及添加增容劑等[10-11]。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是從魔芋根莖中提取的水溶性高分子多糖，具有較好的成膜性、凝膠性、生物相容性和生物降解性等特點[12-13]，是具有應用潛力的環保材料。通過化學改性或與其他生物聚合物共混，KGM的應用范圍得到擴展，可以廣泛應用于食品加工、包裝薄膜[14-15]、緩控釋藥物[16-17]、醫用繃帶[12]等。乙基纖維素(ethyl cellulose，EC)是一種線性多糖，可溶于大多數有機溶劑但不溶于水。EC因具有良好的成膜性、穩定性、生物降解性及高的機械強度，被廣泛應用于包裝材料[18-19]，EC還可作為緩控釋藥物和肥料的載體材料[20-21]。筆者前期研究發現KGM-EC復合膜具有良好的機械性能、耐水性、耐熱性和生物相容性，KGM-EC 復合膜可以作為尿素的包膜材料[22]。因此，本研究利用轉鼓包衣鍋噴霧熱固的方法制備KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC復合膜包膜尿素，對這3種包膜尿素進行比較；用質構儀測定包膜尿素的硬度，用掃描電鏡(SEM)觀察包膜尿素的表面和截面的微觀結構，對不同包膜尿素在水中的釋放行為進行比較分析，并將3種包膜尿素按照一定比例混合，形成組合包膜尿素，以期獲得理想的尿素緩釋效果。本研究將為KGM-EC復合膜作為包膜材料的應用提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

魔芋葡甘聚糖(KGM，武漢市力誠生物科技有限公司)，乙基纖維素(EC，成都市科龍試劑有限公司)，顆粒尿素(Urea，湖北產農用級別)，葵二酸二丁酯(DBS)、乙酸乙酯、濃硫酸、對二甲氨基苯甲醛(PDAB)均為國產分析純，HH-2型數顯恒溫水浴鍋(國華電器有限公司)，BY-400包衣鍋(湖南吉首市中湘制藥機械廠)，UV-2100紫外-可見光分光光度計(北京山峰萬泰科技發展有限公司)，TMS-PRO質構分析儀(美國FTC)，掃描電鏡(JSM-6390LV，X-650，Hitachi，日本)。

1.2 方法

1.2.1 包膜尿素制備 KGM包膜液：稱取一定質量的KGM，加入100 mL蒸餾水中，60 ℃水浴攪拌2 h，得到KGM水溶膠。

EC包膜液：稱取一定質量的EC，加入400 mL乙酸乙酯中，常溫攪拌20 min，再加入EC質量25%的DBS，繼續水浴攪拌30 min，得到EC油基相。

KGM-EC復合包膜液：將上述方法制備的KGM水溶膠加入到EC溶液中，快速攪拌30 min(700 r/min)，得到均勻的復合乳液。復合乳液于60 ℃恒溫保存備用。包膜液的總固形物含量為1%。

包膜尿素制備：過篩得到大小均勻、表面完整的顆粒尿素(粒徑范圍1.00～2.80 mm)，烘干后備用。調節風機頻率為40.00 Hz，打開包衣鍋的進風和加熱開關，調整包衣鍋進風溫度為70 ℃。將尿素顆粒倒入包衣鍋內；將配制的包膜液倒入液杯，打開液體出口閥，采用噴霧方式制備包膜尿素。按照設計包膜量分別為5%、10%、15%，制備不同包膜層尿素樣品。包膜量=(MA-MB)/MB×100%，其中MA是包膜尿素(尿素和包膜層)的質量(g)，MB是未包膜尿素的質量(g)。包膜尿素樣品配比如表1所示。

表1 不同包膜層尿素樣品配比

1.2.2 包膜尿素大小和硬度測定 包膜尿素的直徑采用游標卡尺進行測量。包膜尿素的硬度采用TMS-PRO質構分析儀檢測，初始壓力為2 N，以60 mm/s的速度來擠壓尿素顆粒，使顆粒破碎時的力即為樣品的硬度。

1.2.3 掃描電鏡觀察 將樣品切成兩半，置于干燥器中平衡24 h后進行SEM分析。將樣品置于銅臺，在13.3 Pa真空度下噴金，厚度約為20 nm，加速電壓為30 kV，觀察樣品表面和截面的微觀結構形態(30×～500×)。

1.2.4 尿素釋放率測定 為測定包膜尿素的釋放率，設計尿素在水中靜態釋放的裝置，見圖1。取10 g樣品放置在用支架固定的尼龍網中，尼龍網保持水平使樣品之間沒有擠壓，樣品完全浸入蒸餾水中(24 ℃)。在開始的24 h內，每隔2 h取1 mL溶液檢測；24 h后，每隔24 h取1 mL溶液檢測，持續 21 d。每次取溶液后，立即補充1 mL蒸餾水到原溶液中使其體積不變。將取出的1 mL溶液加入50 mL比色管中，再加入10 mL PDAB、5.0 mL硫酸(2.0 mol/L)，加蒸餾水稀釋至 25 mL，搖勻，在25～30 ℃靜置5 min后，用紫外-可見分光光度計測定D430 nm，通過標準曲線，計算出尿素的釋放量和釋放率。標準曲線方程：Cr=0.029 9×D430 nm+0.002 2(r2=0.997)，其中Cr為尿素的濃度(mg/mL)。

1.2.5 數據處理 每個試驗重復3次，統計數據采用Excel 2010軟件分析，采用OriginPro(8.5.0)和Photoshop CS6軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 包膜層的微觀結構

如圖2所示，未包膜的尿素、KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC包膜尿素的表面形貌有明顯的差別。未包膜的尿素顆粒表面凹凸不平，有許多孔隙；KGM包膜尿素顆粒的表面不規則、粗糙、多孔隙；EC包衣量為5%時，未能完全覆蓋尿素顆粒表面，存在許多孔洞；包衣量增加到10%、15%時，EC包衣層表面致密光滑。5%包衣量的KGM-EC包膜尿素，包膜層結構松散，有孔隙；當包衣量增加到10%、15%時，KGM-EC包膜層結構致密，均勻分布在顆粒表面。KGM-EC 包膜層結構均一，表明KGM與EC發生了相互作用，有較好的相容性[22]。

包膜尿素的截面形態如圖3所示。包膜層厚度隨著包膜量的增加而增加，EC包膜層厚度為49.18～144.22 μm，KGM-EC包膜層厚度為113.14～169.97 μm。KGM-EC包膜層比EC包膜層厚，且結構松散、有孔隙，可見在KGM-EC復合膜形成過程中由于分子間相互作用而形成了新的膜結構。

尿素溶出后包膜層的表面和截面的微觀結構見圖4。EC包膜層出現長裂縫，分裂成碎片(圖4-A、圖4-C)，可能是由于EC包膜層結構完全崩解，導致尿素溶出。KGM-EC包膜層在尿素溶出后顯示的結構是布滿孔洞的完整結構(圖4-B、圖4-D)，這些孔洞是包膜層中KGM的溶脹和溶解形成的，而EC不溶于水，可維持膜結構完整。由于水溶性KGM分散在不溶于水的EC連續相中，所以KGM-EC包膜層有一定的親水性，使尿素可以通過包膜層溶出；同時，包膜層又有一定的疏水性，使包膜層維持完整的結構。KGM-EC包膜層與EC包膜層的結構和特性是明顯不同的，有待后面的尿素釋放率試驗進一步證實這個結論。

2.2 包膜尿素的尺寸和硬度

尿素顆粒通過由外向內冷卻生產結晶，結構上存在粒子內部壓力和尿素顆粒硬度低的特點，尿素在貯藏、裝載、運輸和施肥過程中很容易破碎[23]。不同包膜尿素的大小和硬度如表2所示，EC包膜尿素和KGM-EC包膜尿素比未包膜的尿素尺寸和硬度都高，抗壓性好；KGM包膜尿素尺寸增大，但硬度降低，這可能是由于KGM水溶膠噴灑在尿素表面時使顆粒表面部分溶解導致硬度下降。隨著尿素包膜層包膜量的增加，包膜尿素的硬度增加(除KGM包膜尿素)。其中，5% KGM-EC包膜尿素的硬度大于5% EC包膜尿素，是由于5% EC包膜的尿素顆粒表面沒有被完全包裹(圖2)，因此硬度的提高并不明顯。當包膜量大于5%時，相同包膜量的尿素顆粒，EC包膜尿素顆粒尺寸小于KGM-EC包膜尿素顆粒，但硬度卻更高，這是由于EC的包膜層結構較KGM-EC包膜層結構致密，與圖3結果分析一致。

表2 不同包膜尿素的尺寸和硬度

2.3 包膜尿素在水中的釋放率

不同的包膜材料，尿素的釋放率有很大的不同。樣品K1、K2、K3和未包膜尿素的釋放曲線如圖5-A所示，未包膜尿素在25 min內完全釋放，KGM包膜尿素在1 h內完全釋放，這是因為KGM包膜層在水中快速地溶脹和溶解。KGM-EC包膜層和EC包膜層對尿素釋放率有很大的影響。當包膜量為5%時，EK1尿素釋放率較E1低(圖5-B)，這是由于5% EC不能在尿素顆粒表面形成完整包膜層，EK1包膜層比E1包膜層致密(圖2)。當包膜量為10%，到達24 h時，EK2釋放率為48.13%，E2釋放率為8.57%；之后E2釋放率加快，在203 h后E2釋放率超過EK2，E2先達到100%釋放(圖5-C)。EC是不溶于水的聚合物，EC包膜層阻礙尿素與水接觸，尿素溶解非常難。但KGM是水溶性的，KGM-EC包膜層比EC包膜層有較好的親水性[22]，由于KGM的溶脹和溶解在KGM-EC包膜層形成孔隙，水分子能穿過孔隙造成尿素的溶解和釋放。E2后期釋放率的加快，是由于E2包膜層的崩解使尿素快速溶解，和圖4結果一致；另外，溶解的尿素可以促進EC的溶解[24]。當包膜量為15%，EK3釋放率比E3快，而且包膜量越大，尿素釋放率越低(圖5-D)。

理想的包膜尿素是利用環保、可降解的包膜材料，尿素的釋放率能夠滿足不同作物生長的營養需要。如果將3種包膜尿素(KGM包膜尿素、EC包膜尿素、KGM-EC包膜尿素)按照一定比例混合，可以調整尿素的釋放曲線，以滿足不同作物或不同環境下作物的營養供給。根據上述包膜尿素的釋放特征，筆者初步設計了4個組合樣品(表3)，并將組合樣品的釋放率與單個樣品的釋放率進行了比較。釋放時間達到24 h時，C1、C2、C3和C4的釋放率分別為12.16%、14.12%、17.16%和17.51%(圖6)。C1和C2相比，C2釋放率高是因為它含有K3尿素，K3尿素釋放率很高；同樣的，C3和C4相比，C4含有釋放率高的K3尿素，C4比C3釋放率高。可見，通過調整組合的形成，可以得到不同的尿素釋放曲線。

表3 組合樣品形成 %

3 結論

以魔芋葡甘聚糖(KGM)和乙基纖維素(EC)為基材，利用轉鼓包衣鍋噴霧熱固的方法制備KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC復合膜包膜尿素，對包膜尿素的微觀結構及其在水中的釋放行為進行研究。結果表明，包膜材料性質和包膜層結構對包膜尿素的釋放特性有很大的影響。KGM包膜層粗糙且多孔隙，包膜的尿素在水中快速釋放；EC包膜層致密光滑，包膜的尿素在水中很難釋放；但KGM-EC包膜層結構均一，較KGM包膜層致密，對尿素有較好的緩釋效果。將3種包膜尿素按照一定比例混合，形成組合包膜尿素，不同組合的包膜尿素具有不同的尿素釋放特性，可以滿足不同作物生長對養分的需要，這種組合方式是制備緩釋尿素的一種有效方法，具有較好的應用前景。

[1]Allison F E. The enigma of soil nitrogen balance sheets[J]. Advances in Agronomy，1955，7：213-250.

[2]Junejo N，Yusop M K. Evaluation of Cu coated urea on selected soil series of Malaysia[J]. International Society for Southeast Asian Agricultural Sciences，2009：230.

[3]Shaviv A，Mikkelsen R L. Controlled-release fertilizers to increase efficiency of nutrient use and minimize environmental degradation：a review[J]. Fertilizer Research，1993，35(1/2)：1-12.

[4]Riyajan S A，Sasithornsonti Y，Phinyocheep P. Green natural rubber-g-modified starch for controlling urea release[J]. Carbohydrate Polymers，2012，89(1)：251-258.

[5]Ariyanti S，Man Z，Bustam M A. Improvement of hydrophobicity of urea modified tapioca starch film with lignin for slow release fertilizer[J]. Advanced Materials Research，2012，626：350-354.

[6]Mulder W J，Gosselink R，Vingerhoeds M，et al. Lignin based controlled release coatings[J]. Industrial Crops and Products，2011，34(1)：915-920.

[7]Fernández-Pérez M，Garrido-Herrera F J，González-Pradas E，et al. Lignin and ethyl cellulose as polymers in controlled release formulations of urea[J]. Journal of Applied Polymer Science，2008，108(6)：3796-3803.

[8]Wu L，Liu M Z. Preparation and properties of chitosan-coated NPK compound fertilizer with controlled-release and water-retention[J]. Carbohydrate Polymers，2008，72(2)：240-247.

[9]Azeem B，Kushaari K Z，Man Z B，et al. Review on materials & methods to produce controlled release coated urea fertilizer[J]. Journal of Controlled Release，2014，181(1)：11-21.

[10]Ni B L，Liu M Z，Lü S，et al. Environmentally friendly slow-release nitrogen fertilizer[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59(18)：10169-10175.

[11]Siew L F，Basit A W，Newton J M. The properties of amylose-ethyl cellulose films cast from organic-based solvents as potential coatings for colonic drug delivery[J]. European Journal of Pharmaceutical Sciences，2000，11(2)：133-139.

[12]Huang Y C，Yang C Y，Chu H W，et al. Effect of alkali on konjac glucomannan film and its application on wound healing[J]. Cellulose，2015，22(1)：737-747.

[13]Jin W P，Song R K，Xu W，et al. Analysis of deacetylated konjac glucomannan and xanthan gum phase separation by film forming[J]. Food Hydrocolloids，2015，48：320-326.

[14]Rhim J，Wang L. Mechanical and water barrier properties of agar/k-carrageenan/konjac glucomannan ternary blend biohydrogel films[J]. Carbohydrate Polymers，2013，96：71-81.

[15]Leuangsukrerk M，Phupoksakul T，Tananuwong K，et al. Properties of konjac glucomannane-whey protein isolate blend films[J]. LWT-Food Science and Technology，2014，59：94-100.

[16]Wang J，Liu C H，Shuai Y，et al. Controlled release of anticancer drug using graphene oxide as a drug-binding effector in konjac glucomannan/sodium alginate hydrogels[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2014，113(13)：223-229.

[17]Lu M L，Li Z J，Liang H，et al. Controlled release of anthocyanins from oxidized konjac glucomannan microspheres stabilized by chitosan oligosaccharides[J]. Food Hydrocolloids，2015，51：476-485.

[18]Davidovich-Pinhas M，Barbut S，Marangoni A G. The gelation of oil using ethyl cellulose[J]. Carbohydrate Polymers，2015，117：869-878.

[19]Zhu J，Dong X T，Wang X L，et al. Preparation and properties of a novel biodegradable ethyl cellulose grafting copolymer with poly(p-dioxanone) side-chains[J]. Carbohydrate Polymers，2010，80(2)：350-359.

[20]Costa M M，Cabral-Albuquerque E C，Alves T L，et al. Use of polyhydroxybutyrate and ethyl cellulose for coating of urea granules[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2013，61(42)：9984-9991.

[21]Verma S，Nagpal K，Singh S K，et al. Unfolding type gastroretentive film of cinnarizine based on ethyl cellulose and hydroxypropylmethyl cellulose[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2014，64(2)：347-352.

[22]Li X，Jiang F T，Ni X E，et al. Preparation and characterization of konjac glucomannan and ethyl cellulose blend films[J]. Food Hydrocolloids，2015，44：229-236.

[23]Lai X J，Roberts K J，Svensson J，et al. Reaction calorimetric analysis of batch cooling crystallization processes：studies of urea in supersaturated water-methanol solutions[J]. Crystengcomm，2011，13(7)：2505-2510.

[24]Guo Y，Zhou J P，Wang Y C，et al. An efficient transformation of cellulose into cellulose carbamates assisted by microwave irradiation[J]. Cellulose，2010，17(6)：1115-1125.