常溫下制備豌豆淀粉微球的方法及對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能研究

張 磊，李明生,3，張 健，靳冬武，鄭 榮，馬忠仁,3，馮玉萍,3*

（1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué)生物工程與技術(shù)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省動(dòng)物細(xì)胞工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730030）

常溫下制備豌豆淀粉微球的方法及對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能研究

張 磊1,2，李明生1,2,3，張 健1，靳冬武1，鄭 榮1，馬忠仁1,2,3，馮玉萍1,2,3*

（1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué)生物工程與技術(shù)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省動(dòng)物細(xì)胞工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730030）

以普通豌豆淀粉為原料，在常溫下利用WO乳化方法制備交聯(lián)淀粉微球(CSM)為吸附載體。研究了制備豌豆淀粉微球的最優(yōu)制備工藝條件。利用紅外(FT-IR)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)對(duì)微球進(jìn)行表征。結(jié)果表明當(dāng)?shù)矸廴芤簼舛葹?%，攪拌速度為500 rpm，交聯(lián)劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時(shí)，制備出的淀粉微球成球率最高，粒徑均一，大小約為150 μm。以亞甲藍(lán)為載藥模型，吸附實(shí)驗(yàn)表明淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附行為符合Langmiur方程。表明該淀粉微球在吸附藥物等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

豌豆淀粉；淀粉微球；亞甲基藍(lán)，吸附性能

淀粉微球是天然高分子淀粉的一種衍生物，其外形規(guī)則，粒度大小均勻，具有適度的膨脹性、高的比表面積和良好的機(jī)械強(qiáng)度[1]，具有可生物降解、無(wú)毒性、原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)作為靶向制劑的藥物載體在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域等獲得了應(yīng)用[2-4,12-15]。但目前交聯(lián)淀粉微球以環(huán)氧氯丙烷、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、對(duì)苯二甲酰氯為主要交聯(lián)劑[5-6,10-15]，但存在有毒性，交聯(lián)過(guò)程繁雜，有粒度分布不均勻，微球機(jī)械強(qiáng)度差，且需要升溫至一定溫度才可交聯(lián)的缺點(diǎn)，這很大程度上影響了淀粉微球的應(yīng)用前景。

聚乙二醇二縮水甘油醚（PGDE）作為交聯(lián)劑，該分子結(jié)構(gòu)上具有兩個(gè)醚環(huán)，可以和氨基、羥基、羧基發(fā)生反應(yīng)。因此通過(guò)醚環(huán)與淀粉分子結(jié)構(gòu)上的羥基、羧基的反應(yīng)，可以制備出具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的淀粉微球，且毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他常用交聯(lián)劑，是醫(yī)用合格范圍內(nèi)的交聯(lián)劑[7-9]，且材料具有良好的柔韌性[8-9]。但未見(jiàn)關(guān)于PGDE交聯(lián)淀粉微球的文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究以豌豆淀粉為原料，采用聚乙二醇二縮水甘油醚（PGDE）作為交聯(lián)劑，在常溫下利用WO乳化體系合成交聯(lián)淀粉微球(CSM)，其機(jī)械強(qiáng)度好、高比表面積，具有較強(qiáng)吸附性能，是一種天然環(huán)保的高分子吸附材料，同時(shí)通過(guò)對(duì)亞甲藍(lán)的吸附實(shí)驗(yàn)，表明該淀粉微球作為藥物載體有優(yōu)良的吸附性能，因此在吸附藥物和金屬離子吸附分離或廢水處理等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

豌豆淀粉（普通市售）、異辛烷、機(jī)油（殼牌喜力HX3）、聚乙二醇二縮水甘油醚（廣州一夫化工有限責(zé)任公司）、無(wú)水乙醇、Span-80、Tween-80、OP-10、亞甲基藍(lán)均為分析純?cè)噭?，試?yàn)用水為去離子水。

JSM6460型掃描電子顯微鏡（日本電子）；VECTOR-22型傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津）；D/max-2200pc型X射線衍射儀（日本理學(xué)）；THZ-82A臺(tái)式恒溫振蕩器（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠）；AA-6800型原子吸收分光光度計(jì)（日本島津）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 交聯(lián)淀粉微球的制備 在250 mL燒杯中加入50mL異辛烷、50mL機(jī)油，同時(shí)加入表面活性劑2 g(m (Span-80)∶m(Tween-80)＝1∶1），在常溫下攪拌使充分溶解，成均一油相，待用。稱取一定量的淀粉加入適量的去離子中，加熱溶解糊化同時(shí)用3 mol/LNaOH溶液調(diào)pH為13左右，待冷卻至室溫緩慢加入到上述油相中，保持一定的攪拌速度，攪拌30min形成均勻混合相，再加入一定量的聚乙二醇二縮水甘油醚，攪拌反應(yīng)4 h，靜置，除去上層油層，下層交聯(lián)聚合物依次用2%OP-10、無(wú)水乙醇、去離子水洗滌2～3次，30%乙醇4℃保存。

1.2.2 淀粉微球成球率計(jì)算 淀粉微球經(jīng)過(guò)洗凈之后抽濾，抽濾至完全無(wú)水分滴出，稱量出干球的質(zhì)量，計(jì)算成球率。

1.2.3 結(jié)構(gòu)表征 將CSM干燥后噴金制樣，用JSM6460型掃描電子顯微鏡觀測(cè)微球形貌及表面形態(tài)，將淀粉和淀粉微球KBr壓片后使用VECTOR-22型傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析；淀粉、CSM的X射線粉末衍射分析使用D/max-2200pc型X射線衍射儀（日本理學(xué)），試驗(yàn)條件：CuKα，40 kV×40 mA，掃描速度16°·min-1，采樣寬度0.02°。

1.3 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的建立

將亞甲基藍(lán)溶于一定量的去離子水中以配得10、20、40、60、80、90 mmol/L亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液，精密量取5 mL標(biāo)準(zhǔn)液稀釋5倍，在波長(zhǎng)655 nm[13]測(cè)定吸光度值。依次類推，以濃度C對(duì)吸光度A進(jìn)行處理，即可得到標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程。

1.4 淀粉微球?qū)喖谆{(lán)吸附試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取0.2 g抽濾之后的CSM，置于錐形瓶中，加入50 mL一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液，蓋緊后置于已設(shè)定溫度318 K的恒溫振蕩器中，100 r/min下進(jìn)行振蕩，直至吸附達(dá)到平衡，離心分離后取適量清液用紫外分光光度計(jì)測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程計(jì)算吸附前后亞甲基藍(lán)溶液濃度，得到吸附容量Q(mmol/g)。

式中：C0和Ce分別為吸附前后亞甲基藍(lán)溶液濃度，mmol/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)淀粉微球條件的影響

2.1.1 淀粉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 由圖1可知，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，無(wú)法形成淀粉微球，有大量的團(tuán)聚物；當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%時(shí)，出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，且有少量球形，顆粒大小不均勻。因?yàn)楫?dāng)?shù)矸蹪舛容^小時(shí)，淀粉溶液無(wú)法與油相均一乳化；當(dāng)?shù)矸蹪舛容^大時(shí)，存在未乳化的淀粉溶液，在交聯(lián)劑作用下交聯(lián)成團(tuán)聚物。

表1 淀粉溶液的質(zhì)量濃度對(duì)微球形態(tài)的影響

圖1 不同淀粉溶液濃度的微球形態(tài)（a.4%；b.10%.標(biāo)尺為100 μm。）

2.1.2 攪拌的速度 攪拌速度是分散乳化和淀粉微球粒徑大小的一個(gè)重要影響因素。當(dāng)攪拌速度太低，會(huì)使淀粉溶液在油相中不易分散，不易形成微球形狀，更不利于淀粉微球的固化交聯(lián)；若攪拌速度增加，有利于水相分散，制備出的淀粉微球粒徑變小，但攪拌速度過(guò)快又會(huì)使已經(jīng)分散的微球發(fā)生碰撞、凝結(jié)，造成大小不一，影響微球成球率。由圖2及表2可知，攪拌速度為300 rpm時(shí)，所得微球的粒徑較大，并有少量團(tuán)聚，這是淀粉不易分散所致。攪拌速度在500～700 rpm之間時(shí)，所得微球?yàn)樾螤盍己?。?dāng)攪拌速度達(dá)到900 rpm時(shí)制得的微球有結(jié)團(tuán)狀，同時(shí)有碎片，這是因?yàn)閯×业臄嚢钑?huì)產(chǎn)生部分凝聚作用和碰撞使成型的微球破碎。最適宜的攪拌速度應(yīng)控制在以水相能夠均勻分散在油相中，乳化完全，同時(shí)易于固化成球。

表2 攪拌對(duì)交聯(lián)微球形態(tài)的影響

圖2 不同攪拌速度下的微球形態(tài)（a.300 rpm；b.900 rpm。標(biāo)尺為100μm。）

2.1.3 水相與油相的體積比 水油相體積是影響微球成球率和微球粒徑的一個(gè)重要條件。由圖3和表3可知，隨著油相體積增加，制得的淀粉微球更小。油相體積太少，淀粉水相溶液不能在油相中很好地分散乳化，結(jié)團(tuán)結(jié)塊較嚴(yán)重，反應(yīng)不充分，成球率低。水油相的體積比為1∶4及以上時(shí)，制備出的微球?yàn)橐欢骄鶆虻那驙?，考慮到節(jié)省成本，及其成球率，選擇水油相體積比為1∶6。

表3 水相與油相體積比對(duì)微球形態(tài)的影響

圖3 不同水油相體積比下的微球形態(tài)（a.1∶4；b.1∶6.標(biāo)尺為100μm。）

2.1.4 交聯(lián)劑的用量 交聯(lián)劑的用量是微球固化成球的重要因素。由表4和圖4可知，當(dāng)交聯(lián)劑用量較少時(shí)，已經(jīng)乳化的微球不能夠固化成球，也會(huì)影微球的機(jī)械強(qiáng)度；但當(dāng)交聯(lián)劑用量為10%過(guò)高時(shí)，交聯(lián)出的微球會(huì)繼續(xù)團(tuán)聚在一起，影響成球率。因此選擇合適的交聯(lián)劑用量是成球的關(guān)鍵影響因素。

表4 交聯(lián)劑用量對(duì)微球形態(tài)的影響

圖4 不同交聯(lián)劑用量下的微球形態(tài)（a.4%；b.8%.標(biāo)尺為100 μm。）

2.1.5 淀粉微球制備工藝優(yōu)化 采用L9(34)正交試驗(yàn)，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取淀粉水溶液體積為200 mL，進(jìn)行單因素正交試驗(yàn)，選取其中對(duì)淀粉成球影響較明顯的試驗(yàn)因素，具體如下：淀粉溶液濃度（A）、交聯(lián)劑用量（B）、攪拌速度（C）、油水相比（D）4個(gè)水平，不考慮因素間交互作用。試驗(yàn)方案見(jiàn)表5。

表5 L9(34)正交試驗(yàn)方案

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明當(dāng)?shù)矸廴芤簼舛葹?%，攪拌速度為500 rpm，交聯(lián)劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時(shí)，制備出的交聯(lián)淀粉微球成球率最高。

2.2 交聯(lián)淀粉微球（CSM）的形貌

圖5 a.交聯(lián)淀粉微球的掃描電鏡圖；b.交聯(lián)淀粉微球在倒置顯微鏡下的形貌圖。

由圖5可知淀粉微球形態(tài)圓整成球形，粒徑較小且比較均一，表面粗糙，結(jié)構(gòu)較為致密，因而具有較大的比表面積，具有良好的吸附性能，為交聯(lián)淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附提供了良好的條件。

2.3 紅外光譜（FTIR）和XRD分析

圖6 淀粉及淀粉微球的紅外光譜圖

圖6表明，CSM與豌豆淀粉3 417 cm-1左右處出現(xiàn)強(qiáng)而寬的－OH伸縮振動(dòng)吸收帶，說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)前后都存在－OH，且生成的淀粉微球在3 417 cm-1附近要比大豆淀粉較顯著些，這是O－H伸縮振動(dòng)吸收峰引起的。2 927 cm-1、1 099cm-1處的吸收峰分別歸屬于淀粉葡萄糖單元中的C－H伸縮振動(dòng)和C－O－C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)，交聯(lián)前后吸收峰未發(fā)生明顯變化；1 637 cm-1左右出現(xiàn)C＝O伸縮振動(dòng)吸收峰，微球中含有大量的－OH等活性基團(tuán)，有利于微球產(chǎn)生吸附作用。

圖7 淀粉和淀粉微球的X射線衍射圖譜

圖7中分別為淀粉、CSM的XRD圖譜。淀粉在2θ為14.7°、17.2°、22.9°附近存在明顯的特征衍射峰。而淀粉微球在2θ為14.7°、17.2°附近的衍射峰基本消失，在22.9附近的衍射峰強(qiáng)度明顯降低，已基本呈現(xiàn)非晶態(tài)的衍射曲線特征，這是由于交聯(lián)過(guò)程破壞了分子鏈的規(guī)整性，交聯(lián)過(guò)程抑制了淀粉分子的結(jié)晶能力，已基本處于無(wú)序的非晶態(tài)[10,12]。

2.4 淀粉微球?qū)喖姿{(lán)的吸附性能研究

2.4.1 亞甲基藍(lán)工作曲線回歸方程

式中：A為吸光度值；C為亞甲基藍(lán)溶液的濃度，mmol/L。

圖8 亞甲基藍(lán)工作曲線回歸方程

2.4.2 吸附等溫方程 吸附等溫方程描述恒溫下的吸附過(guò)程，反映平衡狀態(tài)及在參數(shù)影響下的變化趨勢(shì)，表征固定相對(duì)分離組分的吸附分離性能，并提供關(guān)于熱力學(xué)性能的基本數(shù)據(jù)[10]，其中Langmiur等溫吸附方程常用來(lái)描述溶液中亞甲基藍(lán)在顆粒物表面的吸附行為，其方程為：Ce/Qe=Ce/Qm+1/(Qmb)

式中：Qm為飽和吸附量；b為常數(shù)；Qe為平衡吸附量，mmol/g；Ce為平衡濃度，mmol/L。

圖9 淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附等溫線

對(duì)318 K下淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線形擬合，表現(xiàn)出結(jié)果為：

圖10 淀粉微球的Langmuir吸附等溫線

Ce/Qe=0.75Ce+25.53，相關(guān)系數(shù)為0.951。表明淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附符合Langmiur等溫吸附方程，具有很好的吸附能力。

3 結(jié)論

本文以普通豌豆淀粉為原料，在常溫下利用WO乳化方法制備交聯(lián)淀粉微球(CSM)，制得淀粉微球形態(tài)圓整、結(jié)構(gòu)致密、表面粗糙，結(jié)果表明當(dāng)?shù)矸廴芤簼舛葹?%，攪拌速度為500 rpm，交聯(lián)劑聚乙二醇二縮水甘油醚用量為8%，水油相比1∶6時(shí)，制備出的淀粉微球成球率最高；同時(shí)以亞甲藍(lán)為載藥模型，吸附實(shí)驗(yàn)表明淀粉微球?qū)喖谆{(lán)的吸附行為符合Langmiur方程。表明該淀粉微球作為藥物載體有優(yōu)良的吸附性能，因此在吸附藥物等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯：高真貞）

TS235.3

B

1006-799X(2016)23-0091-05

蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助 (2014-1-158)，中央高校項(xiàng)目資助 (ZYP2015007)，甘肅省科技計(jì)劃資助（1504WKCA094）。

張 磊（1989-），男，甘肅臨洮人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樯锊牧系拈_(kāi)發(fā)與利用。

馮玉萍（1962-），女，寧夏銀川人，博士，教授，研究方向動(dòng)物血清及動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用生物材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。