朱靜敏，黨樂(lè)平，衛(wèi)宏遠(yuǎn)

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

海藻酸鈉(SA)是基于β-d-甘露糖醛酸(M)和α-l-古魯糖醛酸(G)重復(fù)單元組成的天然陰離子多糖，殼聚糖(CTS)主要是由隨機(jī)分布的β-(1-4)連接的d-葡萄糖胺(脫去乙?；鶈卧?和N-乙酰基-d-葡萄糖胺(乙?；瘑卧?組成的天然陽(yáng)離子多糖，因他們具有良好的生物相容性、無(wú)毒性、可生物降解性而引起很大的關(guān)注[1-2]。海藻酸鈉中帶有負(fù)電荷的羧基與殼聚糖中帶有正電荷的氨基由于靜電相互作用形成聚電解質(zhì)復(fù)合物[3]。海藻酸鈉中的羧基與金屬離子之間也可以交聯(lián)形成凝膠，通常被稱(chēng)為蛋殼模型[4-5]。

近年來(lái)，以海藻酸鹽為基礎(chǔ)的水凝膠廣泛應(yīng)用于醫(yī)用敷料的商業(yè)產(chǎn)品中，以及作為食品配方的封裝[6]。海藻酸鹽/殼聚糖聚電解質(zhì)復(fù)合物水凝膠也被研究用于藥物、蛋白質(zhì)的包封[7-8]。該復(fù)合水凝膠具有保護(hù)封裝物的特性，可作為潛在的無(wú)毒傳遞系統(tǒng)[9]。

薄荷油含有薄荷醇、薄荷酮和薄荷呋喃主要成分，廣泛應(yīng)用于食品、調(diào)味品、日化品和制藥等行業(yè)。然而，當(dāng)暴露在空氣和紫外線(xiàn)下時(shí)，它很容易被氧化，并且在自然界中具有很高的揮發(fā)性，因此，為了克服這些缺點(diǎn)，經(jīng)常使用微膠囊化的薄荷油[1]。

天然大分子單寧酸(TA)有多個(gè)o-二羥基和三羥基芳香苯環(huán)，是一種多羥基多酚，由于其在水溶液中的抗菌和防腐性而備受關(guān)注[10]。它也可以用作交聯(lián)劑，在不增加材料毒性的同時(shí)，可方便地用于生物材料的改性[11]。單寧酸可以作為殼聚糖的交聯(lián)劑[12-14]。Sionkowska等[15]研究了單寧酸對(duì)明膠/殼聚糖聚合物的改性。然而，單寧酸交聯(lián)海藻酸鈉/殼聚糖微球的制備及其對(duì)微球性能的影響和薄荷油(PP)微膠囊化的應(yīng)用，目前尚無(wú)報(bào)道。

本研究以海藻酸鈉/殼聚糖作為制備水凝膠微球的原料制備水凝膠微球，探究引入單寧酸交聯(lián)劑對(duì)海藻酸鈉/殼聚糖微球性能的影響，以及對(duì)單寧酸交聯(lián)改性海藻酸鈉/殼聚糖水凝膠在包封薄荷油微膠囊化應(yīng)用方面性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

w(海藻酸鈉) >90%，采購(gòu)于上海麥克林科技有限公司；w[殼聚糖(脫乙酰度>90%)]>90%，由北京索萊寶科技有限公司提供；單寧酸和無(wú)水氯化鈣是由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。以上試劑均為分析純。

ZNCL-BS 智能磁力攪拌器，鞏義市(河南)予華儀器有限責(zé)任公司；Free Zone 2.5真空冷凍干燥機(jī)，美國(guó)Labconco公司；TENSOR 27傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司；SDT Q600熱重分析儀，美國(guó)TA儀器公司；Lambda 750s紫外分光光度計(jì)，美國(guó)PerkinElmer有限公司。

1.2 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的制備

微球的形成是基于離子預(yù)凝膠技術(shù)[16]。將海藻酸鈉2 g在室溫下溶于超純水98 g在磁力攪拌下過(guò)夜，配制2%的海藻酸鈉溶液。將殼聚糖0.4 g溶于199.6 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%醋酸溶液中，將無(wú)水氯化鈣4 g溶于配置好的殼聚糖溶液中。分別用配有27 g口徑針頭的1 mL的注射器將海藻酸鈉溶液和海藻酸鈉/單寧酸(占總生物聚合物質(zhì)量的0.2%)的混合液滴加到殼聚糖和氯化鈣溶液中，在500 r/min的恒定轉(zhuǎn)速的磁力攪拌下形成SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球。固化15 min，用超純水沖洗3次，去除表面的Ca2+。冷凍干燥24 h。

1.3 傅里葉紅外變換光譜

將冷凍干燥的SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球及交聯(lián)聚合物包封薄荷油微膠囊研磨成粉末分別與溴化鉀(KBr)混合，研磨混合均勻，然后用高壓鉗壓在ZnSe板上。在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜測(cè)定。

1.4 熱重分析

將冷凍干燥的SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球及交聯(lián)聚合物包封薄荷油微膠囊研磨成粉末，通過(guò)SDT Q600熱重分析儀來(lái)研究它們的熱穩(wěn)定性。每個(gè)樣品設(shè)置升溫區(qū)間為20～800 ℃內(nèi)進(jìn)行，加熱速率10 ℃/min，氮?dú)獯祾咚俾?0 mL/min。

1.5 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的平均直徑和含水量

用Image J軟件對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析，得到SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球及交聯(lián)聚合物包封薄荷油微膠囊的平均直徑。微球的含水量是根據(jù)冷凍干燥前后微球的質(zhì)量變化來(lái)計(jì)算的，根據(jù)式(1)確定含水量，分別研究了SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的含水量，式(1)中，ww為濕凝膠微球的重量g；wd是微球冷凍干燥后的質(zhì)量g。

(1)

1.6 溶脹性

分別研究了SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的溶脹行為。稱(chēng)取一定質(zhì)量的冷凍干燥好的微球，浸泡在超純水中72 h。溶脹后的微球用濾紙擦干并稱(chēng)質(zhì)量。本研究中微球的溶脹行為是以微球的質(zhì)量變化來(lái)表征的，平衡溶脹指數(shù)按式(2)計(jì)算。式(2)中，wa為浸泡溶脹后的凝膠微球的質(zhì)量，g。

(2)

1.7 聚合物包封薄荷油微膠囊的制備

取2%的海藻酸鈉溶液9 g，加入1 g薄荷油，用均質(zhì)器在10 000 r/min下均質(zhì)30 min，根據(jù)1.2節(jié)方法，制備包裹薄荷油的SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊。稱(chēng)取含有0.2%單寧酸的海藻酸鈉溶液9 g，加入1 g薄荷油，根據(jù)1.2節(jié)方法，制備TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊。將包封薄荷油的微膠囊冷凍干燥，以供進(jìn)一步的研究。

1.8 薄荷油包封率的測(cè)定

以?xún)龈晌⒛z囊中薄荷油的總質(zhì)量與薄荷油的添加的總質(zhì)量之比定義為包封率。用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定了薄荷油的含量[1]。將凍干的微膠囊樣品與無(wú)水乙醇混合，不破壞微膠囊。用搖杯法提取表面精油。收集殘留樣品，進(jìn)一步測(cè)定微球中薄荷油的含量。過(guò)濾微膠囊在研缽中粉碎，用無(wú)水乙醇洗滌3次。然后提取薄荷油進(jìn)行過(guò)濾，去除過(guò)濾殘?jiān)?。收集到的含有薄荷油的乙醇溶液?0 mL容量瓶中定容，再稀釋100倍。根據(jù)紫外吸收光譜知最大吸收峰出現(xiàn)在波長(zhǎng)203 nm處。用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法定量測(cè)定薄荷油的含量。對(duì)薄荷油的包封率進(jìn)行了3次測(cè)定，取平均值。包封率計(jì)算如式 (3)所示。

(3)

式(3)中：w1為微球中薄荷油的總質(zhì)量，g；w2是體系中薄荷油的投入量，g。

2 結(jié)果和討論

2.1 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的紅外光譜分析

本工作利用紅外光譜分析SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球，擬揭示單寧酸對(duì)海藻酸鈉/殼聚糖聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。TA、SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的紅外光譜如圖1所示。

圖1 單寧酸和SA/CTS/Ca2+水凝膠微球和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of tannic acid, SA/CTS/Ca2+hydrogel microspheres and TA/SA/CTS/Ca2+hydrogel microspheres

2.2 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的熱穩(wěn)定性分析

SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的熱失重曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的熱重曲線(xiàn)Fig.2 Thermogravimetric curve of SA/CTS/Ca2+ and TA/SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres

微球質(zhì)量的失量曲線(xiàn)分為2個(gè)階段。第1階段發(fā)生在大約100 ℃，這是由于樣品中結(jié)合水水分的蒸發(fā)。TA/SA/CTS/Ca2+和SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的損失質(zhì)量差異不大。

在200～400 ℃左右的第2次失量過(guò)程中，TA/SA/CTS/Ca2+和SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的失量率分別為45%和48%。TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球總熱分解質(zhì)量為58%，SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的熱分解總質(zhì)量為63%。由紅外圖譜知單寧酸與海藻酸鈉/殼聚糖存在相互作用可能誘導(dǎo)了相對(duì)分子質(zhì)量更高的單寧酸/海藻酸鈉/殼聚糖聚合物，從而提高所得復(fù)合物的熱穩(wěn)定性。

2.3 SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的平均直徑及含水量

制備的SA/CTS/Ca2+水凝膠微球和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球如圖3a)和圖3b)所示。用Image J對(duì)圖片進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析得到的SA/CTS/Ca2+水凝膠微球粒徑分布如圖3c)所示，TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球粒徑如圖3d)所示，SA/CTS/Ca2+微球粒徑為1.041 4 mm，而TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球粒徑為1.066 4 mm。隨著單寧酸的加入，液滴的大小發(fā)生了變化，導(dǎo)致了尺寸和體積的增大。King[20]認(rèn)為微膠囊的尺寸為0.2～5 000.0 μm。

圖3 SA/CTS/Ca2+水凝膠微球a)和 TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球b)SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的粒徑分布c)和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球直徑分布d)Fig.3 SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres a), TA/SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres b)，the diameter distribution of SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres c) and diameter distribution of TA/SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres d)

根據(jù)1.5節(jié)公式(1)計(jì)算得出SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的含水量分別為96.32%和96.73%。結(jié)果顯示單寧酸的加入會(huì)影響微球的含水量，即微球形成后保留在聚合物中的自由水的水分。隨著單寧酸的加入，含水量增加。

冷凍干燥完后的微球如圖4所示，我們觀察到，經(jīng)過(guò)冷凍干燥后，交聯(lián)單寧酸和未交聯(lián)單寧酸的水凝膠微球的體積明顯變化。我們觀察到未交聯(lián)單寧酸的SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的體積明顯減小，如圖4a)所示，這可能是冷凍脫水導(dǎo)致的減少，如Van Neerven等[21]報(bào)道的海藻酸鹽微珠在冷凍干燥過(guò)程中也出現(xiàn)了體積收縮現(xiàn)象。Pereira等[22]指出這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與微球的出水有關(guān)，從而導(dǎo)致了基質(zhì)的弱化，呈現(xiàn)出塌陷現(xiàn)象。而冷凍干燥后的TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的體積稍微增加如圖4b)所示，這可能是因?yàn)楸捏w積比純水的體積大9%，冷凍后(脫水前)可使微球膨脹，在大多數(shù)情況下，膨脹程度因許多因素而有很大差異，其中包括水分含量，一般來(lái)說(shuō)，自由水水分含量越高，冷凍的微球體積也越高[23]。我們的結(jié)果與紅外光譜的結(jié)果是一致的，揭示了由于單寧酸的交聯(lián)作用，增加了海藻酸鈉/殼聚糖凝膠體系的保水性能，從而引起了海藻酸鈉/殼聚糖微球在干燥過(guò)程中顆粒的大小和形狀的變化。

圖4 冷凍干燥后的SA/CTS/Ca2+水凝膠微球a)和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球b)Fig.4 Freeze-dried SA/CTS/Ca2+ hydrogel microspheres a) and TA/SA/CTS/Ca2+ hydrogel microsphere b)

2.4 溶脹率

聚合物的溶脹行為取決于聚合物結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、使用的液體性質(zhì)以及聚合物的交聯(lián)程度[5]。根據(jù)1.6節(jié)公式(2)計(jì)算得出SA/CTS/Ca2+水凝膠微球的平衡溶脹率為169%，而TA/SA/CTS/Ca2+的平衡溶脹率為568%。單寧酸的加入大大提高了平衡溶脹率。這可能是由于單寧酸與海藻酸鈉/殼聚糖的相互作用導(dǎo)致了復(fù)合物的形成，而且單寧酸中含有大量的酚羥基(—OH)，具有良好的親水性。

2.5 交聯(lián)聚合物包封薄荷油微膠囊的應(yīng)用

對(duì)海藻酸鈉/殼聚糖聚合物和單寧酸交聯(lián)的海藻酸鈉/殼聚糖聚合物進(jìn)行薄荷油的微膠囊化的應(yīng)用，考察單寧酸的加入對(duì)微膠囊粒徑、包封率和熱穩(wěn)定性的影響。

制備的SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊和TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊如圖5a)和5b)所示。用Image J對(duì)圖片進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析得到的SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊粒徑分布如圖5c)所示，TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊粒徑分布如圖5d)所示，SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊平均粒徑為1.040 7 mm，而TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球平均粒徑為1.053 1 mm。由于薄荷油的存在，單寧酸的引入對(duì)海藻酸鈉/殼聚糖聚合物制備的薄荷油的微膠囊的體積影響不大。

圖5 SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊a)和TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊b)SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊的粒徑分布c)和TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊的粒徑分布d)Fig.5 SA/CTS/Ca2+ peppermint oil microspheresa), TA/SA/CTS/Ca2+peppermint oil microspheresb), the diameter distribution of SA/CTS/Ca2+ peppermint oil microspheresc),and diameter distribution of TA/SA/CTS/Ca2+peppermint oil microspheres d)

薄荷油以及TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球和TA/SA/CTSCa2+包封薄荷油微膠囊的紅外譜圖如圖6a)所示；薄荷油的紫外吸收光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖6b)所示；SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+聚合物包封薄荷油微膠囊的熱重曲線(xiàn)如圖6c)所示。

如圖6a)所示，薄荷油的紅外光譜在3 385、2 923、2 869、1 712、1 457、1 367、1 045和1 025 cm-1處有不同的峰。交聯(lián)單寧酸TA/SA/CTS/Ca2+聚合物包封薄荷油微膠囊紅外光譜峰位分別為3 395、2 924、2 157、1 712、1 639、1 455、1 367、1 204、1 203、1 081、1 025和524 cm-1。比較包封薄荷油的微膠囊和未包封薄荷油的微球的紅外光譜，包封薄荷油的微膠囊在2 924 cm-1出現(xiàn)新的薄荷油的特征吸收峰，表明薄荷油被包裹在微膠囊中。薄荷油紫外吸收光譜的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖6b)所示，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程計(jì)算知未交聯(lián)單寧酸SA/CTS/Ca2+聚合物和交聯(lián)單寧酸TA/SA/CTS/Ca2+聚合物包封薄荷油微膠囊的平均包封率分別為17.57%和45.21%。結(jié)果表明,單寧酸的引入提高了海藻酸鈉/殼聚糖薄荷油包載體系的包封率。這可能是由于單寧酸具有兩親結(jié)構(gòu)，交聯(lián)單寧酸的聚合物與薄荷油的親和能力更強(qiáng)導(dǎo)致的。

圖6 薄荷油以及TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球和TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊的紅外譜圖a)薄荷油的紫外吸收光譜標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)b), SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+包封薄荷油微膠囊的熱重曲線(xiàn)c)Fig.6 Infrared spectra of peppermint oil, TA/SA/CTS/Ca2+hydrogel microspheres and TA/SA/CTS/Ca2+ peppermint oil microspheres a), standard curve of ultraviolet absorption spectrum of peppermint oil b), and thermogravimetric curve of SA/CTS/Ca2+ and TA/SA/CTS/Ca2+ peppermint oil microspheres c)

圖6c)為SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+聚合物包封薄荷油微膠囊熱失量曲線(xiàn)。失量第1階段溫度在150～195 ℃之間，是由于表面薄荷油的分解。在第2階段中，結(jié)果顯示未交聯(lián)單寧酸SA/CTS/Ca2+聚合物包封的薄荷油微膠囊起始分解溫度大約為175 ℃，交聯(lián)單寧酸TA/SA/CTS/Ca2+聚合物包封薄荷油微膠囊起始溫度大約為195 ℃，熱穩(wěn)定性明顯提高。這充分證明了單寧酸的加入可以改善海藻酸鈉/殼聚糖聚合物包封薄荷油微膠囊的包封率和熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究采用滴加法，基于離子預(yù)凝膠技術(shù)制備SA/CTS/Ca2+和TA/SA/CTS/Ca2+水凝膠微球以及交聯(lián)單寧酸和未交聯(lián)單寧酸海藻酸鈉/殼聚糖聚合物包封薄荷油的微膠囊，并對(duì)微球和微膠囊進(jìn)行了表征。紅外光譜證實(shí)了單寧酸和海藻酸鈉/殼聚糖分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用。單寧酸與海藻酸鈉/殼聚糖的相互作用導(dǎo)致了復(fù)合物的形成，提高了微球的熱穩(wěn)定性，微球的含水量提高了0.4%，溶脹率提高了399%。由于單寧酸的加入，液滴的大小發(fā)生了變化，導(dǎo)致了粒徑的增大。交聯(lián)單寧酸的聚合物包封薄荷油微膠囊，包封效率提高了27.64%，起始熱分解溫度增大了大約20 ℃。