響應(yīng)面法優(yōu)化陰離子淀粉微球吸附性能研究

薛 博，李新華,*，朱旻鵬

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034)

響應(yīng)面法優(yōu)化陰離子淀粉微球吸附性能研究

薛 博1，李新華1,*，朱旻鵬2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034)

以精氨酸為模型藥物，采用響應(yīng)面法優(yōu)化陰離子淀粉微球的吸附性能。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取離子化劑用量、反應(yīng)溫度、浸泡時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間為影響因子，應(yīng)用中心組合(CCD)進(jìn)行四因素五水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以陰離子淀粉微球吸附量作為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析(RSA)。結(jié)果表明，陰離子淀粉微球吸附精氨酸含量的最佳優(yōu)化條件為三聚磷酸鈉用量0.82g、反應(yīng)溫度80.52℃、浸泡時(shí)間12h、反應(yīng)時(shí)間1h。精氨酸吸附量預(yù)測值為3.341mg/g，驗(yàn)證值為3.308mg/g，與預(yù)測值相差0.033mg/g，比陰離子化前吸附量提高了95.16%。

陰離子淀粉微球；吸附載藥；精氨酸

淀粉微球因具有生物相容性、生物降解性、無毒性、貯存穩(wěn)定、原料來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已作為靶向制劑的藥物載體在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[1]。目前，淀粉微球的載藥主要通過其在藥液中溶脹吸附的方式載藥，由于微球與藥物間僅存在單純的物理吸附，載藥量很有限，藥物緩釋性差，影響其使用效果。提高淀粉微球?qū)λ幬锏奈叫阅芤呀?jīng)成為研究熱點(diǎn)。采用減小微球粒徑，增加微球的比表面積的手段可提高微球?qū)λ幬锏奈?，但代價(jià)很高[2-4]，而對(duì)微球進(jìn)行離子化，使其能夠吸附帶相反電荷的離子型藥物，是一種改善微球吸附性能的有效方法，目前對(duì)淀粉微球進(jìn)行離子化的研究報(bào)道較少，且多以亞甲基藍(lán)等帶電荷染料為模型藥物研究微球的吸附性，缺乏離子化微球?qū)λ幬锏奈窖芯縖5-9]。實(shí)驗(yàn)以可溶性淀粉為原料，環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，采用反相懸浮法合成中性淀粉微球。通過實(shí)驗(yàn)選擇吸附性能最好的中性淀粉微球，以三聚磷酸鈉為離子化劑對(duì)微球進(jìn)行陰離子化，以帶正電荷的精氨酸為模型藥物，采用響應(yīng)面法優(yōu)化微球的吸附性能，為陰離子淀粉微球做為藥物載體提供理論和實(shí)踐上的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

可溶性淀粉、乳化劑Span60、液體石蠟、氫氧

化鈉、環(huán)氧氯丙烷、乙酸乙酯、無水乙醇、丙酮、三聚磷酸鈉、精氨酸，以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1600紫外可見分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；JB90-S數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速電動(dòng)攪拌機(jī) 上海標(biāo)本模型廠制造；NICLET380傅里葉紅外光譜儀 Thermo Electron公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉微球的制備

準(zhǔn)確量取60mL液體石蠟倒入燒杯中，加入一定量的Span60，于60℃水浴加熱使Span60溶解，然后倒入三口燒瓶中，于50℃恒溫水浴保溫?cái)嚢枳鳛橛拖?。取可溶性淀?提前烘干水分)，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%淀粉溶液，用2mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH12，淀粉溶液于電爐上加熱糊化至透明，冷卻至50℃，用刻度吸管吸取20mL淀粉溶液。逐滴加入環(huán)氧氯丙烷，磁力攪拌600r/min、50℃保溫，回流，反應(yīng)5h。反應(yīng)結(jié)束后，3000r/min離心10min，依次用乙酸乙酯、無水乙醇、丙酮洗滌，40℃真空干燥得到淀粉微球。

1.3.2 陰離子淀粉微球的制備

精確稱取1g中性淀粉微球，加入20mL蒸餾水，加入一定量三聚磷酸鈉(Na5P3O10)，攪拌分散均勻，調(diào)節(jié)pH11.5，浸泡一段時(shí)間，然后4000r/min離心5min，用體積分?jǐn)?shù)95%乙醇洗滌3次，離心，淀粉在45℃烘箱中干燥30min，然后迅速升溫，高溫反應(yīng)一定時(shí)間，即得陰離子淀粉微球。

1.3.3 陰離子淀粉微球吸附性能測定

以蒸餾水為介質(zhì)，配制20μg/mL的精氨酸溶液。取0.5g干燥的陰離子淀粉微球于100mL容量瓶中，加入精氨酸溶液100mL，30℃恒溫避光吸附1h。取吸附液10mL，0.45μm濾膜過濾，采用茚三酮比色法測濾液精氨酸的吸附量。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

固定其他因素不變，考察三聚磷酸鈉用量、反應(yīng)時(shí)間、浸泡時(shí)間和反應(yīng)溫度4個(gè)影響因素對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響規(guī)律，以吸附量為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測定。

1.3.5 陰離子化淀粉微球的紅外光譜分析

分別取可溶性淀粉、淀粉微球(中性微球)和陰離子淀粉微球各約1mg，置瑪瑙研缽中，加入干燥的KBr細(xì)粉150～200mg，充分研磨混勻，在烘箱中干燥7～ 8min，移置于壓模中壓片。將樣品進(jìn)行IR分析，記錄500～4000cm-1范圍的紅外光譜圖。

1.3.6 響應(yīng)面法對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的優(yōu)化

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用中心組合(central composite design，CCD)設(shè)計(jì)原理，選取三聚磷酸鈉用量、反應(yīng)時(shí)間、浸泡時(shí)間和反應(yīng)溫度4個(gè)影響因素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用四因素五水平的響應(yīng)面分析方法，對(duì)陰離子微球的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高其吸附能力，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素及水平Table 1 Variables and levels in the 4-variable, 5-level CCD

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 三聚磷酸鈉用量對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響

圖1 不同三聚磷酸鈉用量對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響Fig.1 Effect of sodium tripolyphosphate on the adsorption capacity

由圖1可知，隨著三聚磷酸鈉用量的增加，陰離子淀粉微球的吸附量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)三聚磷酸鈉用量為0.6g時(shí)，微球?qū)彼嵛搅窟_(dá)到最大值3.65mg/g。三聚磷酸鈉用量的增加會(huì)使微球帶有更多的負(fù)電荷，增加了微球與精氨酸間的靜電引力，使吸附量增加。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響

由圖2可知，反應(yīng)時(shí)間在1～3h范圍內(nèi)變化對(duì)精氨酸吸附量的影響呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，吸附量最大值出現(xiàn)在1.5h，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間陰離子淀粉微球吸附量變化不大，而且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)品顏色逐漸變黃，這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)時(shí)間過長時(shí)，淀粉分子發(fā)生降解或焦化。

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響Fig.2 Effect of reaction time on the adsorption capacity

2.1.3 浸泡時(shí)間對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響

圖3 不同浸泡時(shí)間對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響Fig.3 Effect of soaking time on the adsorption capacity

由圖3可知，隨著浸泡時(shí)間的增加，陰離子淀粉微球的吸附量呈上升趨勢，但浸泡時(shí)間超過10h后吸附量不再增加。

2.1.4 反應(yīng)溫度對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響

圖4 不同反應(yīng)溫度對(duì)陰離子淀粉微球吸附性能的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on the adsorption capacity

由圖4可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，陰離子淀粉微球?qū)彼岬奈搅肯壬吆蠼档?。?dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，陰離子淀粉微球吸附量達(dá)到最大，這是因?yàn)樵谝欢囟确秶鷥?nèi)，溫度升高，能量增加，使分子的活性增加，有利于淀粉鏈間氫鍵斷裂，從而可以讓更多的磷酸鹽分子接近羥基進(jìn)行反應(yīng)，使微球帶有更多負(fù)電荷，但當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)，淀粉分子熱降解，甚至可能焦化，因而反應(yīng)溫度超過100℃后微球吸附量不斷減小。

2.2 紅外光譜分析

圖5 可溶性淀粉、中性淀粉微球和陰離子淀粉微球紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of soluble starch microspheres, neutral starch microspheres and anionic starch microspheres

可溶性淀粉、淀粉微球(中性微球)和陰離子化淀粉微球的紅外光譜圖見圖5。由圖5可知，3條紅外光譜曲線在3440cm-1附近出現(xiàn)了—OH伸縮振動(dòng)吸收峰，表明官能團(tuán)—OH在交聯(lián)前后都存在，隨著交聯(lián)程度的增加，紅外光譜的羥基峰逐漸變窄；陰離子化反應(yīng)后的紅外光譜曲線在1200cm-1附近出現(xiàn)新的吸收峰。從脂肪磷化合物基團(tuán)的振動(dòng)規(guī)律來看，磷?；鵓=O的伸縮振動(dòng)吸收帶，在不同結(jié)構(gòu)的化合物中位置分布很寬，可在1400～1175cm-1之間出現(xiàn)，因此可以認(rèn)定，陰離子化微球在1215cm-1附近出現(xiàn)的峰為P=O的伸縮振動(dòng)吸收峰[10]。并且淀粉紅外光譜中其他官能團(tuán)的特征吸收峰并沒有明顯的變化。由此可以推斷，淀粉的羥基確實(shí)已經(jīng)被取代。說明離子化處理后的淀粉并未破壞原淀粉的基本結(jié)構(gòu)，陰離子化反應(yīng)只是在原來的淀粉分子鏈上增加了新的基團(tuán)。

2.3 中心試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面分析

2.3.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)三聚磷酸鈉用量、反應(yīng)時(shí)間、浸泡時(shí)間和反應(yīng)溫度4個(gè)影響因素使用Design-Expert 7.1軟件設(shè)計(jì)四因素五水平共30個(gè)試驗(yàn)(6個(gè)中心點(diǎn))的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。這30個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)可分為兩類：一是析因點(diǎn)，自變量取值在各因素所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，共24個(gè)析因點(diǎn)；二是零點(diǎn)，為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)6次，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差，陰離子淀粉微球?qū)彼岬奈搅繛轫憫?yīng)值(指標(biāo)值)，響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 響應(yīng)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 CCD matrix and corresponding experimental results of the adsorption capacity

2.3.2 建立模型方程與顯著性檢驗(yàn)

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation

應(yīng)用Design-Expert 7.1對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。

采用Design-Expert 7.1軟件對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，使用“Quadratic”(二次方程式)的數(shù)學(xué)模型。陰離子淀粉微球?qū)彼嵛搅康臄?shù)學(xué)模型如下：

對(duì)模型進(jìn)行方差分析結(jié)果(表3)可知，用上面所得的方程描述因子回歸得P＜0.001，方程回歸極顯著，一次項(xiàng)、二次項(xiàng)也極其顯著，說明用上述回歸方程描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，其因變量和全體自變量之間的線性關(guān)系顯著，即這種試驗(yàn)方法是可靠的。從回歸方程各項(xiàng)方差的進(jìn)一步檢驗(yàn)也可知，X1和X3是影響陰性淀粉微球吸附量的關(guān)鍵因子。X1對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最顯著(P＜0.001)，其次是X3(P＜0.001)；X2和X4對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不太顯著。另外，方程的失擬項(xiàng)P＝0.0991＞0.05，不顯著，表明該方程對(duì)試驗(yàn)擬合情況好，試驗(yàn)誤差小，因此可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測?；貧w模型預(yù)測的最佳陰離子淀粉微球吸附量工藝條件為三聚磷酸鈉用量0.82g、反應(yīng)溫度80.52℃、浸泡時(shí)間12h、反應(yīng)時(shí)間1h。

2.3.3 陰離子淀粉吸附量的響應(yīng)面曲面分析與優(yōu)化

圖6 Y = f(X1, X2)的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface stereogram of Y = f(X1, X2)

圖7 Y = f(X1, X3)的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface stereogram of Y = f(X1, X3)

圖8 Y = f(X1, X4)的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface stereogram of Y = f(X1, X4)

圖9 Y = f(X2, X3)的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface stereogram of Y = f(X2, X3)

圖10 Y = f(X2,X4)的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface stereogram of Y = f(X2,X4)

圖11 Y = f(X3, X4)的響應(yīng)面圖Fig.11 Response surface stereogram of Y = f(X3, X4)

陰離子淀粉吸附量優(yōu)化的響應(yīng)曲面及其等高線如圖6～11所示。6組圖直觀地反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。比較6組圖可知，反應(yīng)時(shí)間(X2)與浸泡時(shí)間(X3)、浸泡時(shí)間(X3)和反應(yīng)溫度(X4)交互作用顯著，對(duì)陰離子淀粉吸附量影響較為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡。

為檢驗(yàn)RSA法的可靠性，采用上述最優(yōu)離子化條件制備陰離子化淀粉微球，測定其對(duì)精氨酸吸附量為3.308mg/g，與理論值差0.033mg/g左右，較中性淀粉微球吸附量1.695mg/g，提高了95.16%。

3 結(jié) 論

基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert 7.1，通過二次回歸設(shè)計(jì)得到了陰離子淀粉微球?qū)彼嵛搅颗c陰離子化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、浸泡時(shí)間、反應(yīng)溫度關(guān)系的回歸模型，經(jīng)檢驗(yàn)證明該模型合理可靠，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為三聚磷酸鈉用量0.82g、反應(yīng)溫度80.52℃、浸泡時(shí)間12h、反應(yīng)時(shí)間1h，在此條件下，精氨酸吸附量驗(yàn)證值為3.308mg/g，較中性淀粉微球吸附量提高了95.16%。因此，采用RSA法優(yōu)化陰離子淀粉微球得到的條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，微球吸附性能提高顯著。

[1]馬素德, 郭焱. 淀粉微球的用途及發(fā)展建議[J]. 化工新型材料, 2003, 31(10): 6-8.

[2]沈鐘, 趙振國, 王果庭. 膠體與表面化學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 478-479.

[3]李靜茹, 金征宇. 可降解淀粉微球的性能研究[J]. 食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 25(3): 29-32.

[4]史黎明, 劉愛芳, 方春梅, 等. 淀粉微球的制備及其吸附香精性能[J].西部糧油科技, 1998, 23(2): 30-31.

[5]崔福德. 藥劑學(xué)[M]. 5版. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2003: 249.

[6]蘇繡霞, 李仲謹(jǐn), 馬素德, 等. 載藥淀粉微球合成條件的研究[J]. 化工新型材料, 2005, 33(6): 44-46.

[7]YAO Weirong, YAO Huiyuan. Adsorbent characteristics of porous starch [J]. Starch/Starke, 2002, 54(6): 260-263.

[8]PERESWETOFF-MORATH L. Microspheres as nasal drug delivery systems[J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 1998, 29(1/2): 185-194.

[9]LIU Wanhui, SONG J L, LIU Ke, et al. Preparation and in vitro and in vivo release studies of Huperzine A loaded microspheres for the treatment of Alzheimer s disease[J]. Journal of Controlled Release, 2005, 107(3): 417-427.

[10]GREGA T, NAJGEBAUER D, SADY M, et al. Polymeric complexes from casein and starch phosphate: Characteristics and enzyme susceptibility [J]. Journal of Polymers and the Environment, 2004, 12(1): 17-25.

Optimization of Adsorption Capacity of Anionic Starch Microspheres Using Response Surface Methodology

XUE Bo1，LI Xin-hua1,*，ZHU Min-peng2
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China；2. College of Chemistry and Life Sciences, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Response surface methodology (RSM) was used to optimize the adsorption capacity of anionic starch microspheres to arginine used as a drug model. A series of single-factor experiments was carried out to investigate the respective effects of 4 independent variables, including sodium tripolyphosphate amount, reaction temperature, length of soaking time and length of reaction time. Subsequently, a mathematical mode for the adsorption capacity as a function of the above variables was established based on a 4-variable, 5-level central composite design (CCD). Finally, the interactive effects of the independent variables on the adsorption capacity were examined using response surface analysis. The results showed that the optimal values of sodium tripolyphosphate amount, reaction temperature, length of soaking time and length of reaction time were determined to be 0.82 g, 80.52 ℃, 12 h and 1 h, respectively. Under the optimized parameters, the adsorption capacity was predicted to be 3.341 mg/g and observed to be 3.308 mg/g, 0.033 mg/g higher than the predicted value, with an increase by 95.16% than before the optimization.

anionic starch microspheres；adsorption medicament；arginine

TQ028.15

A

1002-6630(2010)10-0163-05

2009-08-07

薛博(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品深加工與轉(zhuǎn)化。E-mail：xuebo0601@hotmail.com

*通信作者：李新華(1955—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品深加工與轉(zhuǎn)化。E-mail：Lixh.syau@163.com