復凝聚法制備白術揮發油微膠囊及表征

方 芳 張志興 程 翎 張 超 吳蘇喜

(長沙理工大學化學與食品工程學院，長沙 410114)

白術(zhú)，拉丁學名Atractylodesmacrocephala。屬于菊科、蒼術屬多年生草本植物[1]。白術是一種經濟價值和藥用價值很高的中藥材大宗品種，其用量較大，種植也較廣泛。揮發油是白術最主要的有效成分，現代藥理學研究發現，白術揮發油具有健脾、抗腫瘤、抗菌、抗氧化等功效，而且還是一種天然的殺蟲劑[2]。但由于白術揮發油在空氣中容易氧化變質、揮發，損失嚴重，影響其在各方面的應用[3]。使用微膠囊技術對白術揮發油進行包埋，不僅可以防止或減少揮發油的揮發和氧化變質，掩蔽揮發油的不良氣味，還可以改善揮發油的物質狀態，便于儲存、運輸和精密稱取，提高揮發油在水中的溶解度，而且還能起到一定的緩釋作用，延長揮發油的藥效作用時間，降低其副作用。微膠囊的制備方法有很多，目前應用較多的有包合絡結法[1,2,4]、噴霧干燥法[5-7]、復凝聚法[8-10]等。但包合絡結法制備的微膠囊載藥量較低，收率低，浪費嚴重，成本較高[4]。噴霧干燥法由于噴霧干燥過程溫度較高，通常在180 ℃左右，對于溫度敏感的芯材容易變性失活，而且利用噴霧干燥法制備微膠囊囊壁的致密性不好，容易出現裂縫，且微膠囊顆粒大小難以控制[11]。復凝聚法的優點是不使用有機溶劑，工藝操作簡單、反應條件溫和、能最大限度地包覆生物活性成分或易揮發性物質，收率高、成本低，制備的產品有良好的控釋或緩釋功能[12，13]。因此，本文采用復凝聚法，以具有良好的生物相容性和生物降解性能的殼聚糖和海藻酸鈉為微膠囊的囊壁材料[14，15]，對白術揮發油進行微膠囊化，研究工藝條件對包埋過程的影響，并采用多種分析測試手段對制備的微膠囊進行表征研究，探索包埋前后表征的變化規律，以期為白術揮發油微膠囊的制備、鑒定、質量控制和制劑學性質的研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白術、海藻酸鈉(食品級)、殼聚糖(食品級)、其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HA420-40-96超臨界CO2萃取裝置、STSRH-500高剪切乳化機、85-2型恒溫磁力攪拌器、DZF-6010真空干燥箱、723型紫外分光光度計、Master Sizer 2000激光粒度分析儀、Inspect F50掃描電鏡、Tensor27傅里葉變換紅外光譜儀、Netzsch STA 449 F3型TG-DSC聯用儀。

1.3 方法

1.3.1 微膠囊的制備

將白術藥材洗凈曬干，切片、粉碎，過60目篩，稱取白術粉末1 000 g，置于超臨界CO2萃取釜內，在萃取壓力為20 Pa，萃取溫度為40 ℃的條件下，萃取2 h，收集得黃褐色白術揮發油，密封避光儲存，備用。

稱取1 g殼聚糖和0.1 g氯化鈣溶于一定量水制成1%的殼聚糖溶液和0.1%的氯化鈣混合溶液，調節pH為3.5。然后稱取2 g海藻酸鈉和1.5 g揮發油于燒杯中，加入2.5%的吐溫-80和100 mL蒸餾水，攪拌至均勻后，用高速分散機在6 000 r/min條件下持續乳化10 min，形成均勻的乳狀液，在45 ℃水浴中一邊攪拌，一邊將海藻酸鈉溶液緩慢滴加到殼聚糖溶液中，使殼聚糖、海藻酸鈉產生凝聚，恒溫15 min凝聚相在油性囊芯周圍聚集并形成包覆，加蒸餾水稀釋。冰水浴使體系降溫至約10 ℃，并用10%的氫氧化鈉溶液調節pH為6.5，加入2 mL 25%戊二醛溶液固化，維持低速攪拌，在70 ℃下固化1.5 h，停止攪拌，待冷卻后抽濾，得到濕囊，取50 mL酒精洗滌，除去濕囊表面揮發油[16-18]。

1.3.2 微膠囊包埋率的測定

標準曲線的制作：取0.1 mL白術揮發油至容量瓶，用無水乙醇定容至500 mL，配制成0.000 2 g/mL的母液，分別吸取0.4、0.8、1.2、1.6、2、2.4 mL，用無水乙醇稀釋定容至10 mL，以無水乙醇為參比溶液，在206 nm處測定吸光度，得到線性回歸方程：A=1.097 1C+0.119R2=0.990 7

白術揮發油在0.008～0.048 μg/mL濃度范圍內線性關系良好。

包埋率的測定：將微膠囊濾液及洗滌液混合，轉移至250 mL容量瓶，定容，搖勻，取1 mL溶液于10 mL容量瓶，定容搖勻，在206 nm處測定其吸光度A，并根據標準曲線計算揮發油的量。 包埋率的計算公式[1-3]：

1.3.3 工藝參數對包埋率的影響實驗

基本工藝參數：在芯壁比為1∶2，pH為3.5，復凝聚溫度為45 ℃，乳化劑用量為2.5%，乳化轉述為6 000 r/min，殼聚糖質量分數1%，海藻酸鈉質量分數2%。在其他因素不變的情況下，選擇芯壁比分別為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，pH分別為3.5、4、4.5、5，復凝聚溫度分別為30、40、50、60 ℃，乳化劑用量分別為0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%，乳化轉速分別為2 000、4 000、6 000、8 000 r/min，殼聚糖質量分數分別為0.5%、1%、1.5%、2%，海藻酸鈉質量分數分別為1%、1.5%、2%、2.5%。 對芯壁比、pH、復凝聚溫度、乳化劑用量、乳化轉速、殼聚糖質量分數、海藻酸鈉質量分數進行單因素實驗，考察各因素對白術揮發油包埋率的影響。

1.3.4 微膠囊的表征

采用激光粒度分析儀表征微膠囊的粒徑分布[4,16]。采用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的表面形貌，測試前需將樣品進行噴金處理，電子槍加速電壓為3 kV[16，17]。采用傅里葉變換紅外光譜驗證白術揮發油微膠囊的包埋情況，樣品需要加干燥后的KBr，研磨后壓片[17-19]。采用熱重分析儀表征微膠囊芯材的含量，在氮氣氣氛中，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為50～700 ℃[19]。

2 結果與討論

2.1 芯壁比、乳化劑用量、溫度和殼聚糖質量分數對微膠囊包埋率的影響

芯壁比、乳化劑用量、溫度和殼聚糖質量分數對微膠囊包埋率的影響見圖1。

圖1 芯壁比、乳化劑用量、溫度和殼聚糖質量分數 對微膠囊包埋率的影響

由圖1可看出，隨著壁材比例的增加，包埋率呈先增后減的趨勢，在芯壁比為1∶2時，包埋率最佳為87.19%。這是由于壁材過少會導致芯材不能完全被包埋，壁材過多會形成不含芯材的空囊造成壁材浪費，因此選取1∶2為最佳芯壁比。隨著乳化劑用量的增加，包埋率呈先增后減的趨勢，在乳化劑用量為5%時，包埋率最高達到86.78%。這是由于乳化劑用量偏低時，溶液乳化效果不佳，穩定性差，乳化劑過多時，揮發油在溶液中形成的液滴尺寸過小，部分會粘在微膠囊表面，被洗去。隨著復凝聚溫度的升高，包埋率呈先增后減的趨勢，在溫度為40 ℃時，包埋率最高達到87.42%。這是由于溫度過高，海藻酸鈉和殼聚糖之間反應劇烈，凝聚物之間自聚現象嚴重，影響微膠囊性能。隨著殼聚糖質量分數的增加，包埋率呈先增后減的趨勢，在殼聚糖質量分數為1%時，包埋率最高達到92.62%。可能是由于殼聚糖質量分數的增加，殼聚糖和海藻酸鈉形成的網狀結構變大，微膠囊的外壁變厚，降低了壁材的利用率。

2.2 海藻酸鈉質量分數、pH和乳化轉速對微膠囊包埋率的影響

海藻酸鈉質量分數、pH和乳化轉速對微膠囊包埋率的影響見圖2。由圖2可看出，隨著海藻酸鈉質量分數的增加，包埋率呈先急速增加，在海藻酸鈉質量分數達到1.5%后增長趨勢趨近平穩狀態，海藻酸鈉質量分數達2.5%后，體系黏度較大，微膠囊出現拖尾現象，且海藻酸鈉用量過多造成壁材的利用率降低，因此選擇最佳海藻酸鈉質量分數為2%。隨著pH的增大，包埋率呈先增后減的趨勢，在pH=4.5時，包埋率最高達到89.43%。這是由于pH 過低會抑制海藻酸鈉的電離，導致正電荷減少。pH過高，會導致殼聚糖難以溶解。這兩種情況都減弱了兩種壁材的相互作用，只有在合適的 pH下，包埋率才會達到最大值。隨著乳化轉速的增加，包埋率呈持續上升的趨勢，當轉速達6 000 r/min時，包埋率最高達到90.50%，此后隨著轉速繼續增大包埋率幾乎不變。

圖2 海藻酸鈉質量分數、pH和乳化轉速 對微膠囊包埋率的影響

2.3 微膠囊表征的結果

復凝聚法制備的白術揮發油微膠囊粒度分布測定結果如圖3所示，從圖3中可以看出：微膠囊粒徑分布在6.33～1 261.92 μm范圍內，整體呈正態分布，平均粒徑為416.28 μm。

圖3 粒度分布測定結果

圖4 復凝聚法制備的微膠囊形貌分析結果掃描電鏡圖

復凝聚法制備所得白術揮發油微膠囊的形貌分析如圖4所示，由圖4a可知：微膠囊的粒徑較大，顆粒大致呈球狀，但由于干燥失水的原因，膠囊表面存在少數褶子。從圖4b可以看出，微膠囊表面結構致密但相對較為粗糙，無明顯的裂縫和洞孔。

注:a～e依次為白術揮發油、海藻酸鈉、殼聚糖、空白微膠囊、白術揮發油微膠囊。
圖5 復凝聚法制得的白術揮發油微膠囊的紅外光譜圖

圖5為復凝聚法制得的白術揮發油微膠囊的紅外光譜圖，位于1 610 cm-1和1 421 cm-1處的吸收峰代表—COO—的不對稱和對稱伸縮振動。位于1 597 cm-1處為氨基彎曲振動峰、3 417 cm-1處為氨基N—H的伸縮振動峰，1 080 cm-1處C—N伸縮振動峰。在空白微膠囊中海藻酸鈉上羧基的不對稱伸縮振動1 610 cm-1移至1 640 cm-1，而對稱伸縮振動1 421 cm-1向低波數移至1 390 cm-1；殼聚糖在1 597 cm-1處的氨基彎曲振動峰向高波數移動，并與海藻酸鈉羧基的不對稱伸縮振動疊加。3 417 cm-1處為氨基N—H的伸縮振動峰，1 080 cm-1處C—N伸縮振動峰明顯減弱，表明殼聚糖的—NH3與海藻酸鈉上的COO-負離子產生強的靜電作用而生成聚電解質復合物。與空白微膠囊光譜圖表現出來的特征峰十分相似，包埋后的揮發油1 690 cm-1處的吸收峰；及1 060 cm-1處C—O—C的吸收峰，1 410 cm-1處O—H吸收峰都顯著減弱，說明白術揮發油被包埋在微膠囊內部，其官能團振動受限。

圖6 復凝聚法制備的白術揮發油微膠囊TG圖

圖6為復凝聚法制得的白術揮發油微膠囊TG圖譜，樣品失重主要分為3個階段。第一階段失重8.18%，說明該法制得的微膠囊樣品含水量相對較高；200～300 ℃溫度范圍內，有2個DTG峰，失重37.19%，該過程主要是殼聚糖和海藻酸鈉開始分解失重； 350 ℃時，樣品再次發生分解，至實驗終點700 ℃時，樣品再次失重14.61%。與空囊的TG-DTG曲線相比，微膠囊的DTG曲線在420 ℃多了一個峰，該峰代表內部白術揮發油開始分解，再次驗證白術揮發油被成功地包埋，且熱穩定性較好。

3 結論

采用復凝聚法制備了以殼聚糖和海藻酸鈉為壁材，白術揮發油為芯材的微膠囊，經過單因素實驗最終得出芯壁比為1∶2，乳化劑用量為5%，反應溫度為40 ℃，殼聚糖質量分數為1%，海藻酸鈉質量分數為2%，pH 1.5，乳化轉速6 000 r/min條件下制備的微膠囊包埋效果較好。微膠囊粒徑整體呈正態分布，平均粒徑為416.28 μm，掃描電鏡可以看出微膠囊顆粒大致呈球狀，表面結構致密，無明顯的裂縫和洞孔。紅外分析得出白術揮發油被成功包埋在壁材中，熱重分析的結果表明微膠囊的熱穩定性能好。該工藝操作簡單、反應條件溫和、能最大限度地包覆生物活性成分或易揮發性物質，收率高、成本低。