高壓靜電場法制備殼聚糖－L-苯丙氨酸微囊

郝棟，李詠歌，劉欣，*

（1.唐山師范學院化學系，河北唐山063000；2.唐山師范學院生命科學系，河北唐山063000）

微囊技術已經廣泛應用于農業、醫藥、石油、食品、印刷、印染以及生活日用品等方面，目前，國內外已經有數十種藥物被包裹成微囊制成各種制劑[1]。對藥物進行微囊化可以達到緩釋、靶向的目的[2-3]，同時掩蓋藥物不良氣味及口味、提高藥物穩定性、防止藥物在胃內失活以及減少對胃的刺激性。

殼聚糖是由蟹、蝦外殼中的甲殼素脫乙酰基后得到的一種帶正電荷的直鏈多糖，也是唯一的堿性多糖[4]。由于具有良好的生物相容性、易降解性，以及無毒、抑菌、生物黏著性好等特點[5-6]，這一性質常用于殼聚糖微球的制備[7-8]。殼聚糖在藥物載體方面有著廣闊的應用前景。

苯丙氨酸（L-phenylalanine）為無色至白色片狀晶體或白色結晶性粉末，是一種營養增補劑，是必需氨基酸之一。在醫藥行業主要用于生產氨基酸輸液和合成氨基酸類藥物，在食品行業主要用于合成甜味劑阿斯巴甜[9]。

采用高壓靜電場法制備微囊，可顯著改善微囊外形，提高微囊包封率和載藥量，提高生產效率[10]，在電場力的作用下溶液被破碎成更小的霧滴，霧滴的直徑分布更加均勻[11]，是一種實用可行、適于工業化生產微囊的方法。本文采用高壓靜電場法，以殼聚糖為囊材、L-苯丙氨酸作為芯材制備了殼聚糖－L-苯丙氨酸微囊。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CZGF-120 kV/2 mV直流高壓發生器：揚州寶測電氣有限公司；Sigma 300場發射掃描電鏡：德國卡爾蔡司公司；UV-2550紫外可見分光光度計：日本島津公司；85-2A數顯恒溫磁力攪拌器：常州澳華儀器有限公司；KQ-400KED高功率數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；30、40、60目的標準篩：浙江上虞市五四建材儀器廠；AR1140電子分析天平：上海奧豪斯國際貿易有限公司。

L-苯丙氨酸（分析純）：天津市光復精細化工研究所；殼聚糖（DAC＞90%）：濟南海德貝海洋生物工程有限公司；試驗用水為去離子水；其他試劑為分析純。

1.2 溶液的配制

殼聚糖溶液的配制：稱取殼聚糖5.000 g于100 mL小燒杯中，先加入100 mL水攪拌均勻，再加入6 mL左右的冰乙酸攪拌均勻，配成5%的殼聚糖溶液，超聲波儀中分散30 min，放置24 h備用。

微囊用L-苯丙氨酸溶液的配制：分別稱量一定量的L-苯丙氨酸固體，加入適量水加熱溶解，定容，搖勻，配制成質量分數分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的L-苯丙氨酸溶液，備用。

L-苯丙氨酸標準溶液的配制：稱取一定量的L-苯丙氨酸固體粉末，加熱溶解，冷卻到室溫后，定容，搖勻，配制質量分數為分別為0.10%、0.30%、0.50%、0.70%、0.90%的L-苯丙氨酸標準溶液。

分別配制濃度為 0.50、0.75、1.0、1.5、2.0 mol/L 的氫氧化鈉溶液，備用。

1.3 試驗方法

殼聚糖在強堿氫氧化鈉中會固化成小球，并且所成的小球大小均勻，表面光滑圓潤。試驗過程中將不同濃度的殼聚糖溶液與不同濃度的L-苯丙氨酸混合，加入到注射器中在高壓靜電的作用下，溶液克服表面張力和粘滯力[12]，進而被擊碎成霧滴，下落到注射器底部的盛有氫氧化鈉的燒杯中凝固成球。

1）L-苯丙氨酸微囊包封率的測定

式中：ψ1為微囊中 L-苯丙氨酸的質量，g；ψ2為投加料中L-苯丙氨酸的質量，g。

2）藥物含量的計算

式中：з1為微囊中 L-苯丙氨酸的質量，g；з2為所稱得的微囊樣品的質量，g。

3）微囊粒徑分布計算

式中：x1為某一粒徑范圍的L-苯丙氨酸微囊的總質量，g；x2為L-苯丙氨酸微囊的總質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗確定最佳制備條件

2.1.1 L-苯丙氨酸標準曲線的繪制

繪制L-苯丙氨酸標準曲線，如圖1所示。利用此曲線計算微囊中L-苯丙氨酸的含量。

圖1 標準曲線Fig.1 Standard curve

2.1.2 氫氧化鈉濃度對高壓靜電場法制備微囊的影響

在溫度30℃、殼聚糖濃度5%、L-苯丙氨酸濃度1.00%、轉速450 r/min、電壓15 kV、下滴高度11 cm的條件下，改變氫氧化鈉濃度依次為 0.50、0.75、1.0、1.5、2.0 mol/L，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如圖2所示。

圖2 氫氧化鈉濃度對制備微囊的影響Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on preparation of microcapsules

試驗結果表明：當氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L時，L-苯丙氨酸微囊的包封率最高，所以制備微囊時選擇氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L。

2.1.3 殼聚糖濃度對高壓靜電場法制備微囊的影響

在溫度30℃，氫氧化鈉濃度0.75 mol/L，L-苯丙氨酸濃度1.0%，轉速450 r/min，電壓15 kV，下滴高度11 cm的條件下，改變殼聚糖濃度依次為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如表1所示。

表1 殼聚糖濃度對制備微囊的影響Table 1 Effect of chitosan concentration on preparation of microcapsules

試驗結果表明：在制備微囊的過程中，當殼聚糖濃度為1.0%、2.0%、3.0%時，微囊均難以成型，呈細絲或者片狀。隨著殼聚糖濃度的增加，微囊成型良好，但殼聚糖濃度大于5%時黏度太大，造粒困難，因此，制備微囊的較佳殼聚糖濃度為5.0%。

2.1.4 L-苯丙氨酸濃度對高壓靜電場法制備微囊的影響

在溫度30℃，氫氧化鈉濃度0.75 mol/L，殼聚糖濃度5.0%，轉速450 r/min，電壓15 kV，下滴高度11 cm的條件下，改變L-苯丙氨酸濃度依次為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如圖3所示。

圖3 L-苯丙氨酸濃度對制備微囊的影響Fig.3 Effect of L-phenylalanine concentration on preparation of microcapsules

試驗結果表明：微囊的包封率隨著L-苯丙氨酸濃度的增加呈正態分布趨勢，當L-苯丙氨酸濃度為1.0%時，微囊的包封率最高，此時制得的微囊最圓整，因此制備微囊的較佳L-苯丙氨酸濃度為1.0%。

2.1.5 電壓強弱對高壓靜電場法制備微囊的影響

在溫度30℃，氫氧化鈉濃度0.75 mol/L，殼聚糖濃度5.0%，轉速450 r/min，L-苯丙氨酸濃度1.0%，下滴高度11 cm的條件下，改變電壓大小依次為5、10、15、20、25 kV，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果表2所示。

表2 電壓對制備微囊的影響Table 2 Effect of voltage on preparation of microcapsules

試驗結果表明：電壓對微囊包封率影響不大，但是隨電壓的升高制備微囊的速度越快、微囊顆粒越小，因此選擇電壓最佳條件為25 kV。

2.1.6 溫度對高壓靜電場法制備微囊的影響

在氫氧化鈉濃度0.75 mol/L，殼聚糖濃度5.0%，轉速450 r/min，電壓25 kV，L-苯丙氨酸濃度1.0%，下滴高度11 cm的條件下，改變溫度大小依次為20、30、40、50、60℃，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如圖4所示。

圖4 溫度對制備微囊的影響Fig.4 Effect of temperature on preparation of microcapsules

試驗結果表明：當溫度為30℃時微囊的包封率最高，因此選擇制備微囊的溫度為30℃。

2.1.7 轉速對高壓靜電場法制備微囊的影響

在上述最佳條件下，改變轉速依次為250、350、450、550、650 r/min，制備 L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如圖5所示。

試驗結果表明：當轉速為450 r/min時，微囊的包封率最高，且制得的微囊大小均一，因此制備微囊的最佳轉速為450 r/min。

圖5 轉速對制備微囊的影響Fig.5 Effect of rotation rate on preparation of microcapsules

2.1.8 下滴高度對高壓靜電場法制備微囊的影響

在上述最佳條件下，改變下滴高度依次為5、8、11、14 cm，制備L-苯丙氨酸微囊，試驗結果如表3所示。

表3 下滴高度對制備微囊的影響Table 3 Effect of dropping height on preparation of microcapsules

綜合微囊的形態與包封率2個指標考慮，試驗選擇制備微囊的較佳下滴高度為11 cm。

2.2 正交試驗確定最佳制備條件

根據單因素試驗確定的較佳工藝條件，選擇3個對L-苯丙氨酸微囊包封率影響較大的因素，分別為溫度、L-苯丙氨酸濃度、殼聚糖濃度。配制濃度分別為3.0%（C1）、4.0%（C2）、5.0%（C3）的殼聚糖溶液，質量分數分別為 0.5%（B1）、1.0%（B2）、1.5%（C3） 的 L-苯丙氨酸溶液，溫度分別為 20 ℃（A1）、30 ℃（A2）、40 ℃（A3）。在最佳的轉速、電壓、氫氧化鈉濃度、下滴高度條件下，根據三因素三水平正交表進行正交試驗，選擇制備微囊的較佳條件，試驗結果如表4所示。

表4 正交試驗分析表Table 4 Orthogonal test analysis table

續表4 正交試驗分析表Continue table 4 Orthogonal test analysis table

試驗結果表明：選取的3個因素中對微囊包封率大小的影響的主次為：殼聚糖濃度＞L-苯丙氨酸濃度＞溫度。正交試驗的最優組合為A2B2C3，即溫度30℃，L-苯丙氨酸濃度1.0%，殼聚糖濃度5.0%時制得的微囊的包封率最大，微囊化效果最好。

2.3 微囊的性能評價

2.3.1 L-苯丙氨酸微囊的包封率

微囊的包封率是評價微囊質量的重要指標之一[11]，在最佳條件下制備L-苯丙氨酸微囊的包封率為66.9%。

2.3.2 L-苯丙氨酸微囊的藥物含量測定

對L-苯丙氨酸微囊樣品進行測定，根據公式2計算得出微囊中L-苯丙氨酸的藥物含量為0.37%。

2.3.3 L-苯丙氨酸微囊的粒徑分布

制得的微囊的粒徑分布如圖6所示。

從圖6可以看出，在最佳試驗條件下制得的微囊，微囊粒徑范圍集中在10 μm左右，少數粒徑偏大，但形態比較圓整。

2.3.4 微囊穩定性測定試驗

將L-苯丙氨酸微囊陰涼自然光下，分別在5、10、15、20、25 d 后稱量 0.100 0 g微囊，研磨、溶解、真空抽濾，定容到50 mL容量瓶中，測其吸光度；在相同條件下測定未微囊化的L-苯丙氨酸的吸光度。試驗結果如圖7所示。

圖7 L-苯丙氨酸微囊穩定性Fig.7 Stability of L-phenylalanine microcapsules

試驗結果表明，未微囊化的苯丙氨酸含量25 d降低37.1%，微囊化的，L-苯丙氨酸含量25 d降低12.8%，說明在自然光照的情況下，微囊中的L-苯丙氨酸含量降低緩慢。微囊化對藥物的穩定性有顯著作用。

2.3.5 微囊的微觀結構

微囊的微觀結構見圖8。

圖8 Sigma 300掃描電子顯微鏡掃描圖Fig.8 Sigma 300 scanning electron microscope scan

從掃描電鏡照片a可以看出微囊粒徑大小均勻，從照片b可以看出，微囊表面布滿小孔，有利于L-苯丙氨酸的緩釋。

3 結論

采用高壓靜電場法制備殼聚糖－L-苯丙氨酸微囊，確定了制備微囊的最佳工藝條件為：殼聚糖濃度為5.0%，氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L，溫度為30℃，L-苯丙氨酸濃度為1.00%，電壓為25 kV，轉速為450 r/min，下滴高度為11 cm。在此條件下，制得的微囊的包封率為66.9%，粒徑10 μm左右，但含藥量較低，外形不夠光滑，因此，后續試驗需要進一步改善制備條件，提高微囊包封率，增加載藥量。