复凝聚法制备白术挥发油微胶囊及表征

方 芳 张志兴 程 翎 张 超 吴苏喜

(长沙理工大学化学与食品工程学院，长沙 410114)

白术(zhú)，拉丁学名Atractylodesmacrocephala。属于菊科、苍术属多年生草本植物[1]。白术是一种经济价值和药用价值很高的中药材大宗品种，其用量较大，种植也较广泛。挥发油是白术最主要的有效成分，现代药理学研究发现，白术挥发油具有健脾、抗肿瘤、抗菌、抗氧化等功效，而且还是一种天然的杀虫剂[2]。但由于白术挥发油在空气中容易氧化变质、挥发，损失严重，影响其在各方面的应用[3]。使用微胶囊技术对白术挥发油进行包埋，不仅可以防止或减少挥发油的挥发和氧化变质，掩蔽挥发油的不良气味，还可以改善挥发油的物质状态，便于储存、运输和精密称取，提高挥发油在水中的溶解度，而且还能起到一定的缓释作用，延长挥发油的药效作用时间，降低其副作用。微胶囊的制备方法有很多，目前应用较多的有包合络结法[1,2,4]、喷雾干燥法[5-7]、复凝聚法[8-10]等。但包合络结法制备的微胶囊载药量较低，收率低，浪费严重，成本较高[4]。喷雾干燥法由于喷雾干燥过程温度较高，通常在180 ℃左右，对于温度敏感的芯材容易变性失活，而且利用喷雾干燥法制备微胶囊囊壁的致密性不好，容易出现裂缝，且微胶囊颗粒大小难以控制[11]。复凝聚法的优点是不使用有机溶剂，工艺操作简单、反应条件温和、能最大限度地包覆生物活性成分或易挥发性物质，收率高、成本低，制备的产品有良好的控释或缓释功能[12，13]。因此，本文采用复凝聚法，以具有良好的生物相容性和生物降解性能的壳聚糖和海藻酸钠为微胶囊的囊壁材料[14，15]，对白术挥发油进行微胶囊化，研究工艺条件对包埋过程的影响，并采用多种分析测试手段对制备的微胶囊进行表征研究，探索包埋前后表征的变化规律，以期为白术挥发油微胶囊的制备、鉴定、质量控制和制剂学性质的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白术、海藻酸钠(食品级)、壳聚糖(食品级)、其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HA420-40-96超临界CO2萃取装置、STSRH-500高剪切乳化机、85-2型恒温磁力搅拌器、DZF-6010真空干燥箱、723型紫外分光光度计、Master Sizer 2000激光粒度分析仪、Inspect F50扫描电镜、Tensor27傅里叶变换红外光谱仪、Netzsch STA 449 F3型TG-DSC联用仪。

1.3 方法

1.3.1 微胶囊的制备

将白术药材洗净晒干，切片、粉碎，过60目筛，称取白术粉末1 000 g，置于超临界CO2萃取釜内，在萃取压力为20 Pa，萃取温度为40 ℃的条件下，萃取2 h，收集得黄褐色白术挥发油，密封避光储存，备用。

称取1 g壳聚糖和0.1 g氯化钙溶于一定量水制成1%的壳聚糖溶液和0.1%的氯化钙混合溶液，调节pH为3.5。然后称取2 g海藻酸钠和1.5 g挥发油于烧杯中，加入2.5%的吐温-80和100 mL蒸馏水，搅拌至均匀后，用高速分散机在6 000 r/min条件下持续乳化10 min，形成均匀的乳状液，在45 ℃水浴中一边搅拌，一边将海藻酸钠溶液缓慢滴加到壳聚糖溶液中，使壳聚糖、海藻酸钠产生凝聚，恒温15 min凝聚相在油性囊芯周围聚集并形成包覆，加蒸馏水稀释。冰水浴使体系降温至约10 ℃，并用10%的氢氧化钠溶液调节pH为6.5，加入2 mL 25%戊二醛溶液固化，维持低速搅拌，在70 ℃下固化1.5 h，停止搅拌，待冷却后抽滤，得到湿囊，取50 mL酒精洗涤，除去湿囊表面挥发油[16-18]。

1.3.2 微胶囊包埋率的测定

标准曲线的制作：取0.1 mL白术挥发油至容量瓶，用无水乙醇定容至500 mL，配制成0.000 2 g/mL的母液，分别吸取0.4、0.8、1.2、1.6、2、2.4 mL，用无水乙醇稀释定容至10 mL，以无水乙醇为参比溶液，在206 nm处测定吸光度，得到线性回归方程：A=1.097 1C+0.119R2=0.990 7

白术挥发油在0.008～0.048 μg/mL浓度范围内线性关系良好。

包埋率的测定：将微胶囊滤液及洗涤液混合，转移至250 mL容量瓶，定容，摇匀，取1 mL溶液于10 mL容量瓶，定容摇匀，在206 nm处测定其吸光度A，并根据标准曲线计算挥发油的量。 包埋率的计算公式[1-3]：

1.3.3 工艺参数对包埋率的影响实验

基本工艺参数：在芯壁比为1∶2，pH为3.5，复凝聚温度为45 ℃，乳化剂用量为2.5%，乳化转述为6 000 r/min，壳聚糖质量分数1%，海藻酸钠质量分数2%。在其他因素不变的情况下，选择芯壁比分别为2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，pH分别为3.5、4、4.5、5，复凝聚温度分别为30、40、50、60 ℃，乳化剂用量分别为0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%，乳化转速分别为2 000、4 000、6 000、8 000 r/min，壳聚糖质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%，海藻酸钠质量分数分别为1%、1.5%、2%、2.5%。 对芯壁比、pH、复凝聚温度、乳化剂用量、乳化转速、壳聚糖质量分数、海藻酸钠质量分数进行单因素实验，考察各因素对白术挥发油包埋率的影响。

1.3.4 微胶囊的表征

采用激光粒度分析仪表征微胶囊的粒径分布[4,16]。采用扫描电子显微镜观察微胶囊的表面形貌，测试前需将样品进行喷金处理，电子枪加速电压为3 kV[16，17]。采用傅里叶变换红外光谱验证白术挥发油微胶囊的包埋情况，样品需要加干燥后的KBr，研磨后压片[17-19]。采用热重分析仪表征微胶囊芯材的含量，在氮气气氛中，升温速率为10 ℃/min，温度范围为50～700 ℃[19]。

2 结果与讨论

2.1 芯壁比、乳化剂用量、温度和壳聚糖质量分数对微胶囊包埋率的影响

芯壁比、乳化剂用量、温度和壳聚糖质量分数对微胶囊包埋率的影响见图1。

图1 芯壁比、乳化剂用量、温度和壳聚糖质量分数 对微胶囊包埋率的影响

由图1可看出，随着壁材比例的增加，包埋率呈先增后减的趋势，在芯壁比为1∶2时，包埋率最佳为87.19%。这是由于壁材过少会导致芯材不能完全被包埋，壁材过多会形成不含芯材的空囊造成壁材浪费，因此选取1∶2为最佳芯壁比。随着乳化剂用量的增加，包埋率呈先增后减的趋势，在乳化剂用量为5%时，包埋率最高达到86.78%。这是由于乳化剂用量偏低时，溶液乳化效果不佳，稳定性差，乳化剂过多时，挥发油在溶液中形成的液滴尺寸过小，部分会粘在微胶囊表面，被洗去。随着复凝聚温度的升高，包埋率呈先增后减的趋势，在温度为40 ℃时，包埋率最高达到87.42%。这是由于温度过高，海藻酸钠和壳聚糖之间反应剧烈，凝聚物之间自聚现象严重，影响微胶囊性能。随着壳聚糖质量分数的增加，包埋率呈先增后减的趋势，在壳聚糖质量分数为1%时，包埋率最高达到92.62%。可能是由于壳聚糖质量分数的增加，壳聚糖和海藻酸钠形成的网状结构变大，微胶囊的外壁变厚，降低了壁材的利用率。

2.2 海藻酸钠质量分数、pH和乳化转速对微胶囊包埋率的影响

海藻酸钠质量分数、pH和乳化转速对微胶囊包埋率的影响见图2。由图2可看出，随着海藻酸钠质量分数的增加，包埋率呈先急速增加，在海藻酸钠质量分数达到1.5%后增长趋势趋近平稳状态，海藻酸钠质量分数达2.5%后，体系黏度较大，微胶囊出现拖尾现象，且海藻酸钠用量过多造成壁材的利用率降低，因此选择最佳海藻酸钠质量分数为2%。随着pH的增大，包埋率呈先增后减的趋势，在pH=4.5时，包埋率最高达到89.43%。这是由于pH 过低会抑制海藻酸钠的电离，导致正电荷减少。pH过高，会导致壳聚糖难以溶解。这两种情况都减弱了两种壁材的相互作用，只有在合适的 pH下，包埋率才会达到最大值。随着乳化转速的增加，包埋率呈持续上升的趋势，当转速达6 000 r/min时，包埋率最高达到90.50%，此后随着转速继续增大包埋率几乎不变。

图2 海藻酸钠质量分数、pH和乳化转速 对微胶囊包埋率的影响

2.3 微胶囊表征的结果

复凝聚法制备的白术挥发油微胶囊粒度分布测定结果如图3所示，从图3中可以看出：微胶囊粒径分布在6.33～1 261.92 μm范围内，整体呈正态分布，平均粒径为416.28 μm。

图3 粒度分布测定结果

图4 复凝聚法制备的微胶囊形貌分析结果扫描电镜图

复凝聚法制备所得白术挥发油微胶囊的形貌分析如图4所示，由图4a可知：微胶囊的粒径较大，颗粒大致呈球状，但由于干燥失水的原因，胶囊表面存在少数褶子。从图4b可以看出，微胶囊表面结构致密但相对较为粗糙，无明显的裂缝和洞孔。

注:a～e依次为白术挥发油、海藻酸钠、壳聚糖、空白微胶囊、白术挥发油微胶囊。
图5 复凝聚法制得的白术挥发油微胶囊的红外光谱图

图5为复凝聚法制得的白术挥发油微胶囊的红外光谱图，位于1 610 cm-1和1 421 cm-1处的吸收峰代表—COO—的不对称和对称伸缩振动。位于1 597 cm-1处为氨基弯曲振动峰、3 417 cm-1处为氨基N—H的伸缩振动峰，1 080 cm-1处C—N伸缩振动峰。在空白微胶囊中海藻酸钠上羧基的不对称伸缩振动1 610 cm-1移至1 640 cm-1，而对称伸缩振动1 421 cm-1向低波数移至1 390 cm-1；壳聚糖在1 597 cm-1处的氨基弯曲振动峰向高波数移动，并与海藻酸钠羧基的不对称伸缩振动叠加。3 417 cm-1处为氨基N—H的伸缩振动峰，1 080 cm-1处C—N伸缩振动峰明显减弱，表明壳聚糖的—NH3与海藻酸钠上的COO-负离子产生强的静电作用而生成聚电解质复合物。与空白微胶囊光谱图表现出来的特征峰十分相似，包埋后的挥发油1 690 cm-1处的吸收峰；及1 060 cm-1处C—O—C的吸收峰，1 410 cm-1处O—H吸收峰都显著减弱，说明白术挥发油被包埋在微胶囊内部，其官能团振动受限。

图6 复凝聚法制备的白术挥发油微胶囊TG图

图6为复凝聚法制得的白术挥发油微胶囊TG图谱，样品失重主要分为3个阶段。第一阶段失重8.18%，说明该法制得的微胶囊样品含水量相对较高；200～300 ℃温度范围内，有2个DTG峰，失重37.19%，该过程主要是壳聚糖和海藻酸钠开始分解失重； 350 ℃时，样品再次发生分解，至实验终点700 ℃时，样品再次失重14.61%。与空囊的TG-DTG曲线相比，微胶囊的DTG曲线在420 ℃多了一个峰，该峰代表内部白术挥发油开始分解，再次验证白术挥发油被成功地包埋，且热稳定性较好。

3 结论

采用复凝聚法制备了以壳聚糖和海藻酸钠为壁材，白术挥发油为芯材的微胶囊，经过单因素实验最终得出芯壁比为1∶2，乳化剂用量为5%，反应温度为40 ℃，壳聚糖质量分数为1%，海藻酸钠质量分数为2%，pH 1.5，乳化转速6 000 r/min条件下制备的微胶囊包埋效果较好。微胶囊粒径整体呈正态分布，平均粒径为416.28 μm，扫描电镜可以看出微胶囊颗粒大致呈球状，表面结构致密，无明显的裂缝和洞孔。红外分析得出白术挥发油被成功包埋在壁材中，热重分析的结果表明微胶囊的热稳定性能好。该工艺操作简单、反应条件温和、能最大限度地包覆生物活性成分或易挥发性物质，收率高、成本低。