常温下制备豌豆淀粉微球的方法及对亚甲基蓝的吸附性能研究

张 磊，李明生,3，张 健，靳冬武，郑 荣，马忠仁,3，冯玉萍,3*

（1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学生物工程与技术国家民委重点实验室，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省动物细胞工程技术研究中心，甘肃 兰州 730030）

常温下制备豌豆淀粉微球的方法及对亚甲基蓝的吸附性能研究

张 磊1,2，李明生1,2,3，张 健1，靳冬武1，郑 荣1，马忠仁1,2,3，冯玉萍1,2,3*

（1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学生物工程与技术国家民委重点实验室，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省动物细胞工程技术研究中心，甘肃 兰州 730030）

以普通豌豆淀粉为原料，在常温下利用WO乳化方法制备交联淀粉微球(CSM)为吸附载体。研究了制备豌豆淀粉微球的最优制备工艺条件。利用红外(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)对微球进行表征。结果表明当淀粉溶液浓度为7%，搅拌速度为500 rpm，交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚用量为8%，水油相比1∶6时，制备出的淀粉微球成球率最高，粒径均一，大小约为150 μm。以亚甲蓝为载药模型，吸附实验表明淀粉微球对亚甲基蓝的吸附行为符合Langmiur方程。表明该淀粉微球在吸附药物等领域有广阔的应用前景。

豌豆淀粉；淀粉微球；亚甲基蓝，吸附性能

淀粉微球是天然高分子淀粉的一种衍生物，其外形规则，粒度大小均匀，具有适度的膨胀性、高的比表面积和良好的机械强度[1]，具有可生物降解、无毒性、原料来源广泛、价格低廉等优点，已经作为靶向制剂的药物载体在医药卫生领域等获得了应用[2-4,12-15]。但目前交联淀粉微球以环氧氯丙烷、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、对苯二甲酰氯为主要交联剂[5-6,10-15]，但存在有毒性，交联过程繁杂，有粒度分布不均匀，微球机械强度差，且需要升温至一定温度才可交联的缺点，这很大程度上影响了淀粉微球的应用前景。

聚乙二醇二缩水甘油醚（PGDE）作为交联剂，该分子结构上具有两个醚环，可以和氨基、羟基、羧基发生反应。因此通过醚环与淀粉分子结构上的羟基、羧基的反应，可以制备出具有交联结构的淀粉微球，且毒性远远低于其他常用交联剂，是医用合格范围内的交联剂[7-9]，且材料具有良好的柔韧性[8-9]。但未见关于PGDE交联淀粉微球的文献报道。

本研究以豌豆淀粉为原料，采用聚乙二醇二缩水甘油醚（PGDE）作为交联剂，在常温下利用WO乳化体系合成交联淀粉微球(CSM)，其机械强度好、高比表面积，具有较强吸附性能，是一种天然环保的高分子吸附材料，同时通过对亚甲蓝的吸附实验，表明该淀粉微球作为药物载体有优良的吸附性能，因此在吸附药物和金属离子吸附分离或废水处理等领域有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 试剂及仪器

豌豆淀粉（普通市售）、异辛烷、机油（壳牌喜力HX3）、聚乙二醇二缩水甘油醚（广州一夫化工有限责任公司）、无水乙醇、Span-80、Tween-80、OP-10、亚甲基蓝均为分析纯试剂，试验用水为去离子水。

JSM6460型扫描电子显微镜（日本电子）；VECTOR-22型傅立叶变换红外光谱仪（日本岛津）；D/max-2200pc型X射线衍射仪（日本理学）；THZ-82A台式恒温振荡器（上海跃进医疗器械厂）；AA-6800型原子吸收分光光度计（日本岛津）。

1.2 试验方法

1.2.1 交联淀粉微球的制备 在250 mL烧杯中加入50mL异辛烷、50mL机油，同时加入表面活性剂2 g(m (Span-80)∶m(Tween-80)＝1∶1），在常温下搅拌使充分溶解，成均一油相，待用。称取一定量的淀粉加入适量的去离子中，加热溶解糊化同时用3 mol/LNaOH溶液调pH为13左右，待冷却至室温缓慢加入到上述油相中，保持一定的搅拌速度，搅拌30min形成均匀混合相，再加入一定量的聚乙二醇二缩水甘油醚，搅拌反应4 h，静置，除去上层油层，下层交联聚合物依次用2%OP-10、无水乙醇、去离子水洗涤2～3次，30%乙醇4℃保存。

1.2.2 淀粉微球成球率计算 淀粉微球经过洗净之后抽滤，抽滤至完全无水分滴出，称量出干球的质量，计算成球率。

1.2.3 结构表征 将CSM干燥后喷金制样，用JSM6460型扫描电子显微镜观测微球形貌及表面形态，将淀粉和淀粉微球KBr压片后使用VECTOR-22型傅立叶红外光谱仪进行红外光谱分析；淀粉、CSM的X射线粉末衍射分析使用D/max-2200pc型X射线衍射仪（日本理学），试验条件：CuKα，40 kV×40 mA，扫描速度16°·min-1，采样宽度0.02°。

1.3 亚甲基蓝标准工作曲线的建立

将亚甲基蓝溶于一定量的去离子水中以配得10、20、40、60、80、90 mmol/L亚甲基蓝标准溶液，精密量取5 mL标准液稀释5倍，在波长655 nm[13]测定吸光度值。依次类推，以浓度C对吸光度A进行处理，即可得到标准工作曲线方程。

1.4 淀粉微球对亚甲基蓝吸附试验

准确称取0.2 g抽滤之后的CSM，置于锥形瓶中，加入50 mL一定浓度的亚甲基蓝溶液，盖紧后置于已设定温度318 K的恒温振荡器中，100 r/min下进行振荡，直至吸附达到平衡，离心分离后取适量清液用紫外分光光度计测定亚甲基蓝溶液吸光度，根据标准工作曲线方程计算吸附前后亚甲基蓝溶液浓度，得到吸附容量Q(mmol/g)。

式中：C0和Ce分别为吸附前后亚甲基蓝溶液浓度，mmol/L。

2 结果与讨论

2.1 交联淀粉微球条件的影响

2.1.1 淀粉溶液的质量分数 由图1可知，淀粉质量分数为4%时，无法形成淀粉微球，有大量的团聚物；当淀粉质量分数增加到10%时，出现结块现象，且有少量球形，颗粒大小不均匀。因为当淀粉浓度较小时，淀粉溶液无法与油相均一乳化；当淀粉浓度较大时，存在未乳化的淀粉溶液，在交联剂作用下交联成团聚物。

表1 淀粉溶液的质量浓度对微球形态的影响

图1 不同淀粉溶液浓度的微球形态（a.4%；b.10%.标尺为100 μm。）

2.1.2 搅拌的速度 搅拌速度是分散乳化和淀粉微球粒径大小的一个重要影响因素。当搅拌速度太低，会使淀粉溶液在油相中不易分散，不易形成微球形状，更不利于淀粉微球的固化交联；若搅拌速度增加，有利于水相分散，制备出的淀粉微球粒径变小，但搅拌速度过快又会使已经分散的微球发生碰撞、凝结，造成大小不一，影响微球成球率。由图2及表2可知，搅拌速度为300 rpm时，所得微球的粒径较大，并有少量团聚，这是淀粉不易分散所致。搅拌速度在500～700 rpm之间时，所得微球为形状良好。当搅拌速度达到900 rpm时制得的微球有结团状，同时有碎片，这是因为剧烈的搅拌会产生部分凝聚作用和碰撞使成型的微球破碎。最适宜的搅拌速度应控制在以水相能够均匀分散在油相中，乳化完全，同时易于固化成球。

表2 搅拌对交联微球形态的影响

图2 不同搅拌速度下的微球形态（a.300 rpm；b.900 rpm。标尺为100μm。）

2.1.3 水相与油相的体积比 水油相体积是影响微球成球率和微球粒径的一个重要条件。由图3和表3可知，随着油相体积增加，制得的淀粉微球更小。油相体积太少，淀粉水相溶液不能在油相中很好地分散乳化，结团结块较严重，反应不充分，成球率低。水油相的体积比为1∶4及以上时，制备出的微球为一定粒径均匀的球状，考虑到节省成本，及其成球率，选择水油相体积比为1∶6。

表3 水相与油相体积比对微球形态的影响

图3 不同水油相体积比下的微球形态（a.1∶4；b.1∶6.标尺为100μm。）

2.1.4 交联剂的用量 交联剂的用量是微球固化成球的重要因素。由表4和图4可知，当交联剂用量较少时，已经乳化的微球不能够固化成球，也会影微球的机械强度；但当交联剂用量为10%过高时，交联出的微球会继续团聚在一起，影响成球率。因此选择合适的交联剂用量是成球的关键影响因素。

表4 交联剂用量对微球形态的影响

图4 不同交联剂用量下的微球形态（a.4%；b.8%.标尺为100 μm。）

2.1.5 淀粉微球制备工艺优化 采用L9(34)正交试验，结合单因素试验结果，选取淀粉水溶液体积为200 mL，进行单因素正交试验，选取其中对淀粉成球影响较明显的试验因素，具体如下：淀粉溶液浓度（A）、交联剂用量（B）、搅拌速度（C）、油水相比（D）4个水平，不考虑因素间交互作用。试验方案见表5。

表5 L9(34)正交试验方案

表6 正交试验结果

结果表明当淀粉溶液浓度为6%，搅拌速度为500 rpm，交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚用量为8%，水油相比1∶6时，制备出的交联淀粉微球成球率最高。

2.2 交联淀粉微球（CSM）的形貌

图5 a.交联淀粉微球的扫描电镜图；b.交联淀粉微球在倒置显微镜下的形貌图。

由图5可知淀粉微球形态圆整成球形，粒径较小且比较均一，表面粗糙，结构较为致密，因而具有较大的比表面积，具有良好的吸附性能，为交联淀粉微球对亚甲基蓝的吸附提供了良好的条件。

2.3 红外光谱（FTIR）和XRD分析

图6 淀粉及淀粉微球的红外光谱图

图6表明，CSM与豌豆淀粉3 417 cm-1左右处出现强而宽的－OH伸缩振动吸收带，说明交联反应前后都存在－OH，且生成的淀粉微球在3 417 cm-1附近要比大豆淀粉较显著些，这是O－H伸缩振动吸收峰引起的。2 927 cm-1、1 099cm-1处的吸收峰分别归属于淀粉葡萄糖单元中的C－H伸缩振动和C－O－C的不对称伸缩振动和对称伸缩振动，交联前后吸收峰未发生明显变化；1 637 cm-1左右出现C＝O伸缩振动吸收峰，微球中含有大量的－OH等活性基团，有利于微球产生吸附作用。

图7 淀粉和淀粉微球的X射线衍射图谱

图7中分别为淀粉、CSM的XRD图谱。淀粉在2θ为14.7°、17.2°、22.9°附近存在明显的特征衍射峰。而淀粉微球在2θ为14.7°、17.2°附近的衍射峰基本消失，在22.9附近的衍射峰强度明显降低，已基本呈现非晶态的衍射曲线特征，这是由于交联过程破坏了分子链的规整性，交联过程抑制了淀粉分子的结晶能力，已基本处于无序的非晶态[10,12]。

2.4 淀粉微球对亚甲蓝的吸附性能研究

2.4.1 亚甲基蓝工作曲线回归方程

式中：A为吸光度值；C为亚甲基蓝溶液的浓度，mmol/L。

图8 亚甲基蓝工作曲线回归方程

2.4.2 吸附等温方程 吸附等温方程描述恒温下的吸附过程，反映平衡状态及在参数影响下的变化趋势，表征固定相对分离组分的吸附分离性能，并提供关于热力学性能的基本数据[10]，其中Langmiur等温吸附方程常用来描述溶液中亚甲基蓝在颗粒物表面的吸附行为，其方程为：Ce/Qe=Ce/Qm+1/(Qmb)

式中：Qm为饱和吸附量；b为常数；Qe为平衡吸附量，mmol/g；Ce为平衡浓度，mmol/L。

图9 淀粉微球对亚甲基蓝的吸附等温线

对318 K下淀粉微球对亚甲基蓝的吸附实验结果进行线形拟合，表现出结果为：

图10 淀粉微球的Langmuir吸附等温线

Ce/Qe=0.75Ce+25.53，相关系数为0.951。表明淀粉微球对亚甲基蓝的吸附符合Langmiur等温吸附方程，具有很好的吸附能力。

3 结论

本文以普通豌豆淀粉为原料，在常温下利用WO乳化方法制备交联淀粉微球(CSM)，制得淀粉微球形态圆整、结构致密、表面粗糙，结果表明当淀粉溶液浓度为6%，搅拌速度为500 rpm，交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚用量为8%，水油相比1∶6时，制备出的淀粉微球成球率最高；同时以亚甲蓝为载药模型，吸附实验表明淀粉微球对亚甲基蓝的吸附行为符合Langmiur方程。表明该淀粉微球作为药物载体有优良的吸附性能，因此在吸附药物等领域有广阔的应用前景。

[1]段梦林,于九皋,田汝川,等.药物载体淀粉微球和合成与表面性质研究[J].齐齐哈尔轻工学院学报,1989,5(4)∶25-31.

[2]Da Fonseca C O,Landeiro J A,Clark S S,et al.Recent advances in the molecular genetics of malignant gliomas disclose targets for antitumor agent perillyl alcohol[J].Surgical Neurology,2006,65(1)∶2-8.

[3]Minoru Suzuki,Kenji Nagata,Shinichiro Masunaga,et al.Biodistribution of 10B in a rat liver tumor model following intra-arterial administration of sodium borocaptate(BSH)/degradable starch microsphere(DSM)emulsion[J].Applied Radiation and Isotopes,2004,61∶933-937.

[4]Pereswetoff-Morath,Lena.Microspheres as nasal drug delivery systems[J].Advanced Drug Delivery Reviews,1998,29 (1-2)∶185-194.

[5]于九皋,王晓东,高建平,等.金属离子对淀粉丙三醇共混体系性能的影响[J].天津大学学报,1999,32(4)∶477-480.

[6]杨希琴,陈东,丁平田.可溶性淀粉交联微球的制备及性质考察[J].中国药剂学杂志,2009,7(3)∶161-170．

[7]田莉,陈宇,闵思佳.环氧化合物制备丝素凝胶材料的细胞毒性研究 [J].生物医学工程学杂志2007,24(6)∶1309-1313．

[8]闵思佳,陈芳芳,吴豪翔.环氧化合物与丝素蛋白化学交联凝胶的结构[J].高等学校化学学报,2005,26(5)∶964－967．

[9]Piyarut Moonsri,Ruangsri Watanesk,Surasak Watanesk,et al．Fibroin membrane preparation and stabilization by polyethylene glycol diglycidyl ether［J］.Applied polymer science,2008,108∶1402-1406．

[10]李华锋,李仲谨,郭义.玉米淀粉微球的载药性能和吸附机理研究[J].食品科技,2007,(1)∶35-38.

[11]余少英.交联淀粉对Cr3+离子的吸附研究[J].云南化工,2006,33(4)∶11-12.

[12]李仲谨,刘节根.交联淀粉微球对Cr3+的吸附研究[J].水处理技术,2009,35(3)∶42-45.

[13]蔡鸿生,吴东方,何文.阿司匹林淀粉微球对纤毛毒性的评价[J].中国医院药学杂志,2001,21(5)∶261-262.

[14]王磊,李仲谨,赵新法,等.交联淀粉微球对Cu2+的吸附性能[J].高分子材料科学与工程,2008,24(8)∶104-107.

[15]李仲谨,王磊,肖昊江.交联淀粉微球对Ni2+的吸附性能研究[J].高校化学工程学报,2009,21(1)∶23-27.

（编辑：高真贞）

TS235.3

B

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

兰州市科技计划项目资助 (2014-1-158)，中央高校项目资助 (ZYP2015007)，甘肃省科技计划资助（1504WKCA094）。

张 磊（1989-），男，甘肃临洮人，在读硕士研究生，研究方向为生物材料的开发与利用。

冯玉萍（1962-），女，宁夏银川人，博士，教授，研究方向动物血清及动物细胞培养用生物材料的开发与应用。