油包水乳液的制備及其在制備海藻酸鈉微球中的應(yīng)用*

羅雪芹，李璐伶，楊 霞，姜 峰，高和軍

(西華師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 南充 637002)

海藻酸鈉由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic，M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic，G)連接而成，是一種天然的聚陰離子多糖，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基和羧基。利用羧基能夠與二價(jià)陽(yáng)離子(如Ca2+)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的特點(diǎn)，可以將海藻酸鈉制成微球[1-3]。因反應(yīng)條件溫和、制備工藝簡(jiǎn)單，海藻酸鈉微球成為醫(yī)藥和環(huán)保領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，廣泛用于藥物的緩釋載體、吸附劑吸附污水中重金屬離子等[4-7]。

目前制備海藻酸鈉微球的方法主要包括注滴法、噴霧干燥法、靜電造粒法和乳液模板法等[8-10]。注滴法制備時(shí)其粒徑及微球形貌會(huì)受到液滴下落距離、針頭孔徑以及溶液黏度等因素的影響，條件不易控制，因此不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。噴霧干燥法制備時(shí)需要較高的溫度條件，對(duì)微球負(fù)載的藥物或因子有選擇性，且微球需要經(jīng)破裂、膨脹以及收縮等過(guò)程，這些操作會(huì)影響微球的形貌。由靜電造粒法制備的微球均勻性較好、形狀較規(guī)則、表面較光滑，制備過(guò)程相對(duì)溫和，但是制備工藝較復(fù)雜，對(duì)儀器方面有較高要求，因此也不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。乳液模板法是在乳化劑的作用下，將海藻酸鈉溶液與油相進(jìn)行混合攪拌，得到穩(wěn)定的油包水乳液[11]。以該乳液為模板，引入鈣離子，將海藻酸鈉進(jìn)行交聯(lián)，即可得到與乳液液滴尺寸和形貌類似的海藻酸鈉微球。該方法可應(yīng)用于大批量生產(chǎn)，制備粒徑小、分散性好的微球，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)乳液液滴的尺寸調(diào)控微球的粒徑，滿足不同的應(yīng)用需求[12]。然而，常規(guī)乳液的內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)較低，通常在50%左右[13-15]。較低的內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致乳液液滴粒徑分布較寬、分散性差，導(dǎo)致固化后得到的海藻酸鈉微球的有效產(chǎn)量降低，微球粒徑分布寬且粘連嚴(yán)重,影響實(shí)際生產(chǎn)效率[16-18]。此外，較低的內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)也使得乳液黏度較低、乳液液滴大小不一且容易聚并，導(dǎo)致微球黏連，尺寸分布不均[19,20]。因此，提高內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[21,22]。

為此，本文基于一種哌嗪基乳化劑，制備了以海藻酸鈉溶液為內(nèi)相、煤油為外相的油包水乳液，研究了攪拌速度、內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)和乳化劑加量對(duì)乳液性能的影響，確定了乳液模板的配方。其中，內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到75%。該條件下，乳液液滴尺寸較小且分布均一。以該乳液為模板，能夠制備出圓整度較高、尺寸分布均一的海藻酸鈉微球。這種通過(guò)提高內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)制備海藻酸鈉微球的方法，能夠顯著提高微球的生產(chǎn)效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

海藻酸鈉、煤油，上海阿拉丁試劑；無(wú)水氯化鈣、無(wú)水乙醇，成都市科隆化學(xué)品有限公司；乳化劑(EA-AEP)，實(shí)驗(yàn)室自制。

FE-SEM型掃描電子顯微鏡，Gemini500；SHZ-D(Ⅲ) 型循環(huán)水真空泵，鞏義市于華儀器有限責(zé)任公司；CX40光學(xué)顯微鏡，寧波舜宇儀器有限公司；BHS-4型恒溫水浴鍋，上海壘固；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；OS40-Pro數(shù)顯頂置式電動(dòng)攪拌器，DLAB科學(xué)有限公司；2WV-C黏度儀，BROOKFIELD，USA；KQ2200B超聲波清洗器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SQP電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司。

1.2 海藻酸鈉微球的制備

稱取 6 g 海藻酸鈉，緩慢加入到 394 mL 蒸餾水中，攪拌 30 min，靜置脫泡 6 h，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的海藻酸鈉溶液作為內(nèi)相；稱取一定量EA-AEP，使其溶于煤油中作為油相；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氯化鈣溶液作為交聯(lián)劑。在 50 ℃ 的條件下，將水相加入油相中，機(jī)械攪拌 30 min，制備出油包水乳液。向乳液中滴加氯化鈣溶液，反應(yīng) 10 min。加入無(wú)水乙醇破乳后，抽濾得到海藻酸鈉微球。

2 結(jié)果與分析

2.1 攪拌速度對(duì)乳液性能的影響

固定乳化劑加量為6%、內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為75%，研究攪拌速度對(duì)乳液性能的影響，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著攪拌速度的升高，乳液黏度升高。在較低攪拌速度條件下，乳液液滴尺寸較大，大小分布極不均勻，不利于微球的制備。當(dāng)攪拌速度升高至 1000 r/min 時(shí)，乳液液滴被剪切分散成小液滴，且尺寸均一。此時(shí)，液滴之間相互靠近，流動(dòng)阻力升高，黏度升高。因此，確定最佳攪拌速度為 1000 r/min。

2.2 內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性能的影響

固定乳化劑加量為6%，攪拌速度為 1000 r/min，研究?jī)?nèi)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性能的影響，如圖2所示。內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)與乳液黏度呈正相關(guān)性。內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，大量煤油未參與乳化，乳液液滴較大。隨著內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)升高，更多的煤油參與乳化，形成均一的油包水乳液。然而，當(dāng)內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)升高至85%時(shí)，許多乳液液滴因?yàn)橄嗷D壓而變形，不利于后期微球圓整度的提高，因而選擇內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為75%。

(a)黏度曲線 (b)乳液顯微鏡圖

(a)黏度曲線 (b)乳液顯微鏡圖

2.3 乳化劑加量對(duì)乳液性能的影響

在攪拌速度和內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)的研究基礎(chǔ)上，考察了乳化劑加量對(duì)乳液性能的影響，如圖3所示。從黏度曲線中可以看出，隨著乳化劑加量的升高，乳液黏度升高。乳液的乳化程度與乳化劑加量密切相關(guān)。乳化劑能夠降低表面張力，有利于形成穩(wěn)定油水界面。同等條件下，隨著乳化劑含量的升高，乳液液滴更容易分散成尺寸均一的小液滴。當(dāng)乳化劑含量達(dá)到6%時(shí)，乳液液滴已經(jīng)足夠均一，因而選擇乳化劑加量為6%。

2.4 海藻酸鈉微球的粒徑及形貌

上述乳液配方優(yōu)化結(jié)果顯示，攪拌速度為 1000 r/min、內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為75%、乳化劑加量為6%時(shí)，能夠制備出尺寸較小且分布均一的油包水乳液。以該乳液為模板，向其中加入氯化鈣溶液，將內(nèi)相中的海藻酸鈉交聯(lián)，即可得到海藻酸鈉微球。如圖4a所示，海藻酸鈉微球的平均粒徑在 7 μm 左右。微球圓整度較高，且尺寸分布較均一，如圖4b所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制備的油包水乳液能夠有效用于制備海藻酸鈉微球。

(a)黏度曲線 (b)乳液顯微鏡圖

圖4 海藻酸鈉微球粒徑分布圖(a)及顯微鏡圖(b)

進(jìn)一步地，我們利用掃描電鏡觀察了海藻酸鈉微球的微觀形貌。從圖5a中可以看出，海藻酸鈉微球整體的圓整度較高，呈規(guī)則的球形。微球表面有凹凸不平的褶皺，有利于增加微球的比表面積，對(duì)微球相關(guān)性能(如吸附性能)的提高是有利的。作為對(duì)比，我們將內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)提高至85%，此時(shí)制備的乳液屬于高內(nèi)相乳液范疇。該條件下，乳液液滴相互擠壓變形，導(dǎo)致微球形貌變得不規(guī)則且有“拖尾”現(xiàn)象，如圖5b所示。顯然，過(guò)高的內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)制備具有規(guī)則幾何外形的微球是不利的。

(a)內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為75% (b)內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為85%

3 結(jié)論

以自制的哌嗪基表面活性劑為乳化劑，利用改進(jìn)后的乳液模板法，制備出了以海藻酸鈉為內(nèi)相、煤油為外相的油包水乳液。通過(guò)評(píng)價(jià)乳液液滴大小，乳液黏度及尺寸分布情況，確定了乳液的最佳配方為：攪拌速度為 1000 r/min、內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)為75%、乳化劑加量為6%。該乳液具有內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)高的特點(diǎn)。以該乳液為模板，加入氯化鈣溶液進(jìn)行交聯(lián)固化后，能夠制備出尺寸分布均一、圓整度較好且粒徑為 7 μm 左右的海藻酸鈉微球，具有較好的應(yīng)用潛力。