豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊主要影響因子的研究

包 穎

(吉林省林業(yè)技術(shù)推廣站，吉林 長(zhǎng)春 130022)

豚草(Ambrosia artemisiifolia L)屬菊科(Asteraceae)豚草屬(Ambrosia)有花植物，有長(zhǎng)豚草和短豚草之分，是全球性公害植物。豚草在中國(guó)屬外來(lái)入侵物種，如今從南部廣東省到北部黑龍江省均有分布［1～2］，其種子具較強(qiáng)生命力，被認(rèn)為是具危害性能夠侵入農(nóng)業(yè)與城市中的植物，其花粉在傳播過(guò)程中能使人引起嚴(yán)重過(guò)敏性紊亂疾?。?］。然而，大量對(duì)其組成成分與性質(zhì)的研究表明，豚草提取物具重要生物活性，如滅釘螺活性成分［4］、植物生長(zhǎng)抑制性［5］、抗炎性［6］、抗凝血酶［7］、抗菌性［8］、殺蟲(chóng)性［9］及保肝作用［10］。這種物質(zhì)的主要化學(xué)成分被認(rèn)為是倍半萜烯內(nèi)酯，此物質(zhì)的存在使豚草提取物具有驅(qū)腸蟲(chóng)、強(qiáng)心、抗炎、止痛、鎮(zhèn)靜、抗瘧疾、抗腫瘤等藥理活性［11～12］。由于豚草大量蔓延，許多研究者對(duì)豚草綜合防治進(jìn)行大量研究。近些年研究發(fā)現(xiàn)，豚草提取物具有一定殺蟲(chóng)效果，豚草可以作為低毒植物源殺蟲(chóng)劑，且安全性高于化學(xué)農(nóng)藥［13］。但植物源殺蟲(chóng)劑在使用過(guò)程中極易受溫度、光照等外界條件影響而失去生物活性，藥效降低。微膠囊劑是新型環(huán)境友好型劑型，以水取代二甲苯作為助劑，能夠緩慢釋放、延長(zhǎng)藥效、降低毒副作用。作者以豚草提取物為囊芯物質(zhì)，以脲醛樹(shù)脂為囊壁材料，探討原位聚合法制備豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊的適宜條件，旨在為進(jìn)一步研制高效、低毒、安全的植物源微膠囊劑提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料、試劑和儀器

材料:豚草提取物(自制)［6，9］，尿素(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

試劑:甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.03%，分析純)、丙酮(質(zhì)量分?jǐn)?shù)58.08%，分析純)、Tween－80(質(zhì)量分?jǐn)?shù)74.92%，分析純，AMRESCO)、戊二醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)100.12%，分析純)、冰乙酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.05%，分析純)、氫氧化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，分析純)、乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，分析純)、以上試劑均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

儀器:高速粉碎機(jī)(RT－12)，超聲波清洗機(jī)(FRQ－1004HT)，平行蒸發(fā)儀(V－700)，磁力攪拌器(SZCL－A)，高速離心機(jī)(D－37520)，冷凍干燥機(jī)(LL3000)，掃描電子顯微鏡 (QUANTA200)，紫外分光光度計(jì)(CARY 100)［14～16］。

2 試驗(yàn)方法

2.1 脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體的制備

稱取一定量尿素和甲醛溶液于燒杯中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 至8 ～9，在攪拌速度200 r·min－1、70℃條件下反應(yīng)一段時(shí)間，制得脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體。

2.2 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊懸浮液的制備

豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊懸浮液的制備采用原位聚合法，其原理是利用尿素和甲醛單體、預(yù)聚體或低分子量聚合物，在酸性物質(zhì)固化劑催化作用下，在油水界面上形成聚合囊壁，進(jìn)而包覆散相粒子，從而使有效成分微膠囊化。

稱取一定量豚草提取物活性物質(zhì)，與80%乙醇溶液1 ∶10 體積比混合，加入一定量Tween－80，置于磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在低速，制成豚草提取物懸浮液，再將已制好的脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體緩慢倒入豚草提取物懸浮液中，邊倒邊攪拌，溫度緩慢升至45℃恒溫，使用冰乙酸調(diào)節(jié)pH，繼續(xù)攪拌進(jìn)行乳化反應(yīng)，加入一定量去離子水，反應(yīng)一段時(shí)間后，加入固化劑戊二醛溶液1 mL 并調(diào)節(jié)體系pH 值至8 ～9，同時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行降溫處理，固化1 h 后，取出微膠囊溶液進(jìn)行離心處理，轉(zhuǎn)速3 000 r·min－1下離心10 min，取出上清液，用去離子水將離心管下方沉淀洗滌并抽濾，最后得到的微膠囊置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)干燥，干燥后的物質(zhì)為豚草提取物微膠囊粉末，室溫下保存［14 ～16］。

2.3 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊化的包封率和載藥量

取一定量豚草提取物質(zhì)分別配制成五個(gè)質(zhì)量濃度溶液，使用乙醇溶液作為空白對(duì)照，利用紫外分光光度計(jì)在660 nm 波長(zhǎng)條件下測(cè)其吸光度A，以A 對(duì)質(zhì)量濃度C 線性回歸得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。將制備完成的微膠囊懸浮液離心后，取其上清液1 mL 稀釋，上清液里含有游離未被包覆的豚草提取物，取適量于比色皿中，置于紫外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，重復(fù)3 次，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其在660 nm 處吸光度A，根據(jù)得出的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算未被包覆的豚草提取物含量，計(jì)算包封率(A.E.)和載藥量(L.C.)［14～16］。

微膠囊包封率(A.E.)和載藥量(L.C.)計(jì)算公式如下:

式中:W1——芯材總量;

W2——微膠囊表面未被包覆的芯材總量;

W3——微膠囊粉末的質(zhì)量。

2.4 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)是指先預(yù)選對(duì)試驗(yàn)有可能造成影響的條件因素，保持其他反應(yīng)條件不變情況下，只改變其中一個(gè)反應(yīng)條件參數(shù)，分別進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算微膠囊化包封率和載藥量，討論設(shè)置的每個(gè)因素值域范圍對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并在相同試驗(yàn)條件下重復(fù)3 次，最后得出對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響因素和最佳試驗(yàn)條件配比［14］。

在豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊的單因素試驗(yàn)中，采用6 個(gè)因素條件來(lái)反映不同試驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果的影響情況，分別是脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間、尿素與甲醛質(zhì)量比、芯壁比、成囊pH、成囊時(shí)間和攪拌速度，每個(gè)試驗(yàn)因素分別設(shè)置4 個(gè)不同參數(shù)。

2.4.1 脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間為2.5 h、2.0 h、1.5 h、1.0 h。尿素與甲醛質(zhì)量比1.0∶2.0，芯壁比1∶1，成囊pH 為2.0，成囊時(shí)間100 min，攪拌速度300 r·min－1左右，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.4.2 尿素與甲醛質(zhì)量比對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置尿素與甲醛質(zhì)量比為2.5∶1.0、1.5∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.5。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間1.0 h，芯壁比1:1，成囊pH 為2.0，成囊時(shí)間100 min，攪拌速度300 r·min－1左右，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.4.3 芯壁比對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置芯壁比為3 ∶1、2 ∶1、1 ∶2、1∶3。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間1.0 h，尿素與甲醛質(zhì)量比1.0∶1.0，成囊pH 為2.0，成囊時(shí)間100 min，攪拌速度300 r·min－1左右，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.4.4 成囊pH 對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置成囊pH 為3.0、2.5、1.5、1.0。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間1.0h，尿素與甲醛質(zhì)量比1.0 ∶1.0，成囊pH 為2.0，成囊時(shí)間100 min，攪拌速度300 r·min－1左右，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.4.5 成囊時(shí)間對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置成囊時(shí)間為30 min、60 min、90 min和120 min。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間1.0 h，尿素與甲醛質(zhì)量比1.0∶1.0，成囊pH為2.0，攪拌速度300 r·min－1左右，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.4.6 攪拌速度對(duì)微膠囊形成的影響

分別設(shè)置攪拌速度為200 r·min－1、400 r·min－1、600 r·min－1和800 r·min－1。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間1.0 h，尿素與甲醛質(zhì)量比1.0 ∶1.0，成囊pH 為2.0，反應(yīng)溫度40℃～50℃。

2.5 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊形態(tài)特征

制備好的微膠囊經(jīng)干燥成為粉末狀后，先進(jìn)行噴金處理。利用掃描電子顯微鏡觀察豚草提取物微膠囊外部形態(tài)特征。2.6 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊粒徑分布

利用激光粒度分布儀得到粒徑分布曲線，得出中位徑及粒徑分布區(qū)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間對(duì)微膠囊形成的影響

脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間為2.5 h、2.0 h、1.5 h、1.0 h 時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為18.15%、31.47%、67.25%、71.35%，載藥量分別為33.97%、35.12%、58.22%、59.75%。從中可以看出，脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間在1.0 ～1.5 h時(shí)包封率和載藥量較高，制備預(yù)聚體時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有效成分易失活，造成性狀不穩(wěn)定，不利于微膠囊形成;制備時(shí)間過(guò)短反應(yīng)不完全，無(wú)法形成預(yù)聚體。

3.1.2 尿素與甲醛質(zhì)量比對(duì)微膠囊形成的影響

尿 素 與 甲 醛 質(zhì) 量 比 為 2. 5 ∶1. 0、1.5∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.5 時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為21.56%、29.21%、60.11%、76.15%，載藥量分別為13.51%、30.90%、47.98%、57.36%。從中可以看出，尿素與甲醛質(zhì)量比在1.0∶1.5 ～1.0∶2.5 時(shí)包封率和載藥量較高。構(gòu)成囊壁的脲醛樹(shù)脂交聯(lián)度和空間結(jié)構(gòu)差異對(duì)脲醛樹(shù)脂微膠囊形態(tài)、性能影響較大。預(yù)聚體形成過(guò)程中，其組成和體系受尿素與甲醛質(zhì)量比、溫度、pH 值等因素影響，尤其受尿素與甲醛質(zhì)量比影響最大。因此，設(shè)置最優(yōu)化的尿素與甲醛質(zhì)量比對(duì)預(yù)聚體形成至關(guān)重要。

3.1.3 芯壁比對(duì)微膠囊形成的影響

芯壁比為3∶1、2∶1、1∶2、1∶3 時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為34.08%、33.32%、59.82%、19.13%，載藥量分別為35.80%、26.34%、46.52%、29.45%。由此得知，芯壁比為1:2 的微膠囊包封率和載藥量較高。芯壁比的設(shè)置直接影響到微膠囊大小、形狀、厚度、成囊率、及緩釋性能。芯材過(guò)量時(shí)，囊壁材料不能完全將芯材包覆，導(dǎo)致包封率和載藥量下降，也會(huì)使囊壁膜變薄;過(guò)少則會(huì)造成大量壁材剩余。壁材用量對(duì)微膠囊囊壁厚度及致密度影響很大，壁材過(guò)多時(shí)，會(huì)有大量囊芯附在微膠囊表面，囊壁變厚，滲透性較差，不利于囊芯緩慢釋放，還會(huì)造成囊壁材料自行成球現(xiàn)象，使體系不平衡;用量過(guò)少，油相不會(huì)完全被包覆，所得微膠囊會(huì)因囊皮過(guò)薄而破裂，重新恢復(fù)到油相狀態(tài)，不能達(dá)到理想的包封率和載藥量。

3.1.4 成囊pH 對(duì)微膠囊形成的影響

成囊pH 為3.0、2.5、1.5、1.0 時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為36.56%、69.35%、72.48%、38.47%，載藥量分別為33.45%、77.15%、62.76%、38.68%。從中可以看出，成囊pH 在1.5 ～2.5 時(shí)，制得的微膠囊包封率和載藥量較高，利于微膠囊形成。初始pH 值會(huì)影響反應(yīng)速度且與微膠囊表面光滑與粗糙程度有關(guān)［17］。脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體在低pH 值條件下會(huì)發(fā)生急劇聚合反應(yīng)，從而形成許多粒徑較大樹(shù)脂塊，很難沉積并包覆形成微膠囊，或者有很少量微膠囊形成，微膠囊之間都黏結(jié)在一起，不會(huì)形成獨(dú)立且分散的個(gè)體;而在高pH 值條件下，聚合反應(yīng)難以形成，不利于微膠囊形成，囊壁與囊芯分散在體系中，造成體系不穩(wěn)定。

3.1.5 成囊時(shí)間對(duì)微膠囊形成的影響

成囊時(shí)間為30 min、60 min、90 min 和120 min 時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為27.47%、72.92%、61.29%、47.57%，載藥量分別為32.68%、74.95%、79.55%、34.85%?？梢钥闯?，成囊時(shí)間在60 ～90min 時(shí)，微膠囊包封率和載藥量較高。成囊時(shí)間設(shè)置稍長(zhǎng)些有利于微膠囊形成，但不能過(guò)長(zhǎng)，否則易發(fā)生絮結(jié)現(xiàn)象;時(shí)間過(guò)短反應(yīng)不完全，會(huì)殘留較多囊壁和囊芯材料，不能進(jìn)行很好地包覆。

3.1.6 攪拌速度對(duì)微膠囊形成的影響

攪拌速度為200 r·min－1、400 r·min－1、600 r·min－1和800 r·min－1時(shí)，制得的微膠囊包封率分別為59.85%、62.28%、49.75%、42.55%，載藥量分別為52.23%、59.67%、42.78%、36.76%?？?以 看 出，攪 拌 速 度200 ～400 r·min－1時(shí)微膠囊包封率和載藥量較高。攪拌過(guò)程伴隨微膠囊制備全過(guò)程，微膠囊制備過(guò)程中，隨溫度升高，必須加大機(jī)械強(qiáng)度促其形成微膠囊，機(jī)械強(qiáng)度低不利于成囊穩(wěn)定性;但攪拌速度不宜太高，應(yīng)保持在低轉(zhuǎn)速條件下，整個(gè)體系才能保持穩(wěn)定狀態(tài)，高轉(zhuǎn)速下形成剪切速度太快，易使體系紊亂，阻礙微膠囊形成。因此，只要將攪拌速度控制在低轉(zhuǎn)速下即可保證反應(yīng)正常進(jìn)行。

單因素試驗(yàn)所得適宜條件下制備的微膠囊包封率與載藥量均達(dá)到80%以上。

3.2 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊形態(tài)特征

豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊外部形態(tài)如圖1 所示?？梢钥闯鑫⒛z囊外部形態(tài)規(guī)則，呈球狀，較光滑。

圖1 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊SEM 照片F(xiàn)ig.1 The SEM of Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

3.3 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊粒徑分布

豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊粒徑分布如圖2 所示。其中位徑為19.99 μm;大部分粒徑分布在14.43 ～45.38 μm 之間，分布有序，大粒徑微膠囊極少存在。

圖2 豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

4 結(jié)論與討論

制備豚草提取物脲醛樹(shù)脂微膠囊適宜條件為:脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間為1.0 ～1.5 h，尿素與甲醛質(zhì)量比為1.0∶1.5 ～1.0∶2.5，芯壁比為1 ∶2，成囊pH 為1.5 ～2.5，成囊時(shí)間60 ～90 min，攪拌速度200 ～400 r·min－1時(shí)微膠囊包封率和載藥量較高。單因素試驗(yàn)所得適宜條件下制備微膠囊包封率與載藥量均達(dá)到80%以上，且外部形態(tài)規(guī)則，表面較光滑。

原位聚合法工藝水平相對(duì)成熟，且操作簡(jiǎn)單，壁厚及芯材用量可控，成本低，易于形成工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。但原位聚合法制得微膠囊表面粗糙、易黏連，干燥后易變形，產(chǎn)生原因除縮聚反應(yīng)中與反應(yīng)時(shí)間、酸化時(shí)間、溫度、表面活性劑選擇與用量等因素有關(guān)外，還與脲醛預(yù)聚體制備條件有關(guān)。預(yù)聚體反應(yīng)時(shí)間選擇要適中，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，脲醛樹(shù)脂預(yù)聚體制備時(shí)間在1.0 ～1.5 h 范圍內(nèi)較適宜，與丁明惠［18］研究結(jié)果中縮聚反應(yīng)1.0 h 為最佳縮聚反應(yīng)時(shí)間基本吻合。本試驗(yàn)所得尿素與甲醛質(zhì)量比為1.0 ∶1.5 ～1.0 ∶2.5，與萬(wàn)邱影［19］和張大俠［20］等人研究結(jié)果不一致，其原因有可能與囊芯材料選擇不同有關(guān)，萬(wàn)邱影和張大俠等人選擇包覆材料為化學(xué)農(nóng)藥，而本試驗(yàn)選擇低毒植物源殺蟲(chóng)劑為囊芯。今后應(yīng)對(duì)產(chǎn)生這一差異的具體原因及預(yù)聚體制備最適宜條件進(jìn)行深入研究。

脲醛樹(shù)脂微膠囊制備過(guò)程中，芯壁比試驗(yàn)結(jié)果除與張大俠研究結(jié)果有差異外，與其他相關(guān)資料均一致，張大俠研究得出不同芯壁比對(duì)于包封率沒(méi)有影響，與微膠囊其他性質(zhì)形成有關(guān)［20］。本試驗(yàn)最適成囊pH 值為1.5 ～2.5，范傳杰［17］研究結(jié)果表明，較高pH 值條件下反應(yīng)不完全，形成脲醛分子量過(guò)小，難以沉積到芯材表面，而在較低pH 條件下，脲醛樹(shù)脂快速反應(yīng)并大量沉積在芯材上，導(dǎo)致制得微膠囊表面不光滑，研究結(jié)果還表明，反應(yīng)終點(diǎn)pH 值大于3.0時(shí)制得微膠囊表面光滑，而試驗(yàn)中最適成囊pH 值保證了最佳包封率與載藥量，制得微膠囊表面形態(tài)并不一定為最佳。因此，可以看出初始pH 值、終點(diǎn)pH 值、反應(yīng)時(shí)間、溫度等條件相互作用共同影響微膠囊形成。因此，今后對(duì)于脲醛樹(shù)脂微膠囊最適成囊pH 值的研究要基于各種反應(yīng)條件進(jìn)行綜合考慮，并進(jìn)行深入探討。

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