羟丙基甲基纤维素在不同界面的表面活性*

叶君 黎青勇 熊犍

(1.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640;2.华南理工大学 轻工与食品学院，广东 广州 510640;3.四川大学 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

羟丙基甲基纤维素(HPMC)是一种非离子型的纤维素醚大分子.由于它无毒和拥有良好的机械性能，在食品和医药行业得到广泛应用［1］.在食品行业，它被用作乳化剂、凝胶剂、稳定剂、分散剂、增厚剂和成膜剂等.在医药行业，它被用作药物缓释剂［2-3］.近年来，HPMC 被改性为pH 敏感的高分子化合物，如醋酸羟丙基甲基纤维素顺丁烯二酸酯和羟丙甲纤维素偏苯三酸酯，两者的pH 敏感值范围分别为3.0 左右和3.5～4.5，可应用于十二指肠定位释药系统中［4-5］.

HPMC 因其主链上带有疏水性的甲基以及亲水性的羟丙基基团而具有表面活性，因此能被吸附在液体的表面，从而降低液体的表面张力［6-7］.高分子的表面活性依赖于分子链的化学结构、取代度、大小和柔性，以及疏水与亲水两种基团的构造和组成比等［8］.作为大分子，HPMC 的表面吸附行为不同于低分子表面活性剂，因为高分子链段依赖时间吸附在液体表面并最终达到平衡状态，在表面张力降低过程中会涉及到HPMC 溶液表面单位面积链段的增加.同时，大分子吸附在液体表面时链段呈现出列状、环状以及尾状.列状是大分子链段上亲脂性链段扩散至表面而形成的，而环状和尾状则是由大分子中亲水性链段进入本体溶液形成的［9-11］.

HPMC 的表面活性涉及许多相关的工业过程，如食品和医药试剂的分散、乳化和润湿等过程［12］.而在溶液体系中，表面活性物质的界面性质对分散、乳化等作用有重大的影响［13-14］，如HPMC 作为药物载体广泛地应用于药物缓释剂中，其在水中的润湿、凝胶和溶解过程，以及水合作用的扩散性直接影响到药物的润湿、溶解和传递［15-16］.因此，研究HPMC的表面活性不仅具有理论价值，而且对其实际应用也具有指导意义.文中探讨了不同pH 值下不同浓度的HPMC 溶液在气-液、油-水和固-液界面的性质.

1 实验

1.1 实验原料与仪器

HPMC(医药级)，总取代度为0.92，摩尔取代度为0.14，甲氧基含量为28.6%，羟丙基含量为8.2%，湖州展望药业有限公司出品;磷酸氢二钠和柠檬酸均为分析纯，广州化学剂厂出品;市售鲁花花生油，山东鲁花集团有限公司出品.

DCAT-21 型界面表面张力仪，北京东方徳菲仪器有限公司出品;pHs-25 型自动电位滴定计，上海康仪仪器有限公司出品.

1.2 实验方法

1.2.1 HPMC 溶液的配制

配制pH 值分别为3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00 的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液.再用相应的缓冲溶液配制质量分数为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的HPMC 溶液.在4℃下平衡24 h备用［17-18］.

1.2.2 动态接触角测定

在DCAT-21 型界面表面张力仪的两根管(仪器附带的管)的底部放上滤纸，再装上相同质量的HPMC 粉末，轻微震动至其高度没有明显变化为止，并保证两根管高度均为4 cm，以达到粉末致密度基本一样的目的.先用其中的一根管测量HPMC 在正己烷表面的接触角，采用WASHBURN 法(式(1))计算出毛细管常数C.再用另外一根管在水溶液中测量HPMC 在水表面的接触角，并输入C 值，通过软件SCAT32 算出接触角(CA 值).

式中:θ 为测试液体与粉末的接触角，(°);m 为测试液体上升润湿的液体质量，g;η 为测试液体黏度，mPa·s;t 为润湿时间，s;ρ 为润湿液体密度，g/cm3;γ 为测试液体表面张力，mN/m;C 为毛细管常数.

1.2.3 气-液界面的表面张力测量

采用DCAT-21 型界面表面张力仪，选择铂金片法，设置浸入深度为3 mm，取样频率为5 Hz，并且设置“如果连续时间内两次记录的表面张力的差值低于0.03 mN/m 时就停止测量”，取最后的50 个测量点平均值.温度保持在(30 ±0.5)℃，每个样测量两次，结果取平均值，一般两者相差±0.5 mN/m.

1.2.4 油-水界面的表面张力测量

先进行花生油的表面张力测量，再在另一个玻璃器皿中进行HPMC 溶液表面张力的测量，之后，在HPMC 溶液表面注射花生油至铂金片淹没，进行油-水界面的表面张力测量.每个样测量两次，取平均值，两者差值一般为±0.5 mN/m.

2 结果与讨论

2.1 pH 值对HPMC 粉末在液体中接触角的影响

由表1 可以看出，HPMC 粉末接触角都小于90°，但接近90°.因此，HPMC 粉末在水表面可被润湿，但是润湿性不强.在不同pH 值下，HPMC 粉末与水表面的接触角稍有变化，尤其在pH =4.00 时获得最低的接触角，为86.380°.

表1 HPMC 粉末在水表面的动态接触角Table 1 Dynamic contact angle of HPMC powders in water

图1 为HPMC 在不同pH 值下在水表面的吸附速率和平衡吸附量.由于放在底部的滤纸吸收水分，因此HPMC 粉末吸水时间定义为1 s 之后，从图1(a)、(b)看出，HPMC 粉末在不同pH 值下在水表面的吸附过程均很快，但平衡吸附量并不大，呈现出疏水特征.这与文献［18］的报道相同.由图1(b)可以看出:pH 值较小(3.00，4.00)时，其吸附速率也较小;pH=4.00 时，HPMC 粉末在水表面的润湿作用相对更明显;pH=3.00 时，虽然HPMC 粉末在水表面的质量增加过程比较长，但是增加量不大;pH≥5.00时，HPMC 粉末在水表面的吸附速率较快，但吸附量变化不大.

固体润湿性由表面的化学组成和微观几何结构共同决定［19］.HPMC 分子链上同时存在疏水性的甲基和亲水性的羟丙基，且每个结构单元上的取代基以及组成都不完全相同.在不同pH 值下，粉末表面的HPMC 分子链构象会发生变化，如图2 所示，一些疏水性的甲基会移动并隐藏在粉末表面下层，与此同时，一些亲水性的羟丙基会暴露在粉末表面，使粉末表面疏水性基团与亲水性基团之间的比例发生变化，而这种构象之间的变换，会对HPMC 粉末在不同pH 值液体中的润湿性造成影响.但文中实验所用的HPMC 的总取代度为0.92，摩尔取代度为0.14，羟丙基的取代度较低，这意味着在文中实验范围内，如图2 所示的分子链的两种构象间的变化所引起的效果较小.故文中pH 值对HPMC 的CA 值的影响并不大.

图1 HPMC 粉末在水中质量随时间的变化Fig.1 Change of mass of HPMC powder in water with time

图2 粉末表面HPMC 分子链构象的变化Fig.2 Change of HPMC conformation on powder surface

2.2 pH 值对不同浓度HPMC 溶液气-液界面表面张力的影响

从图3 可以看出，在实验范围内，质量分数为0.1%的HPMC 溶液，其气-液界面的表面张力随着pH 值增大而略有上升;对于质量分数为0.3%的HPMC 溶液以及图3 中质量分数为0.5%、0.7%和1.0%的HPMC 溶液，气-液界面的表面张力随pH值变化趋势相似，呈“V”形，其最低值随浓度增大分别处在pH =4.00、pH =5.00、pH =5.00 和pH =6.00 处，即随着浓度的增大，表面张力最低点对应的pH 值也增大，这说明此时HPMC 溶液表面的分子链构象处于复杂状态.

图3 HPMC 溶液气-液界面的表面张力随pH 值的变化Fig.3 Effect of pH value on HPMC air-water surface tension

pH 值的变化会影响分子链的构象，对HPMC而言，在酸性条件下，较多的H+会与HPMC 分子链上的—OH 中的O 原子作用，使分子链带电荷，造成分子链趋于伸展，此时，HPMC 在溶液表面的吸附如图4(a)所示，吸附在表面的主要为HPMC 分子中憎水的甲基，由于链段的伸展，憎水基团在溶液表面形成的“列状”排列较长，故而表面张力下降;随着溶液的pH 值增大，溶液中的OH-离子增加，吸附在HPMC分子链周围的H+会被中和，从而使得HPMC 分子链卷曲，此时HPMC 在溶液表面的吸附如图4(b)所示，由于“列状”排列减少，溶液的表面张力也随着pH 值的增加而增大.

图4 水溶液界面的HPMC 分子链构象示意图Fig.4 Schematic diagram of HPMC molecular conformations on aqueous surface

溶液中大分子链的构象对大分子界面有着重要的影响，但大分子链在溶液中有很多构象形式，要详细地分析这些构象是非常困难的.对大分子界面性质的影响来自于平均构象或出现几率最大的构象，而不仅是pH 值，链的性质，如取代度、取代发布、链与链间的相互作用等都会影响到HPMC 分子链的构象，这就造成了表面张力最低点出现如图3 所示的复杂情况.

由图3 还可以看出，当pH≥6.00 时，溶液的表面张力随着溶液浓度的增加而降低.在接近中性条件下，气-液界面的表面张力随着浓度增大的变化可由Gibbs 等温吸附方程(2)描述［20］:

式中:Г 为表面过剩吸附量，R 为气体常数，T 为热力学温度，γ 为表面张力，c 为溶液浓度，n 为与溶质离解度有关的常数.

实验中在pH≥6.00 的条件下利用式(2)计算不同质量分数HPMC 在气-液界面的Г，结果如表2所示.从表2 可以看出，pH =7 时，HPMC 分子在气-液界面上的Г 随着HPMC 质量分数的增加而降低;但在pH=6，8 时，HPMC 分子在气-液界面上的Г 随着HPMC 浓度的增加并没有出现单调性变化，这进一步说明不仅pH 值会影响到HPMC 的构象，溶液的浓度、链的性质，如取代度、取代发布、链与链间的相互作用等都会影响到分子链的构象，从而使HPMC 在气-液界面的吸附也呈现复杂性.

表2 不同pH 值下不同浓度的HPMC 在气-液界面的过剩吸附量ГTable 2 Г values of HPMC with different concentrations on airwater interface at different pH values

2.3 pH 值对不同浓度HPMC 溶液油-水界面表面张力的影响

图5 显示，HPMC 溶液油-水界面的表面张力不仅与pH 值有关，还与其浓度有关.在HPMC 溶液中，当质量分数为0.1%时，在pH =6.00 之前，其油-水界面的表面张力随pH 值的增加而出现小幅度上下波动，随后持续下降;HPMC 的质量分数增大(0.3%～0.7%)，其油-水界面的表面张力基本上随着pH 值的增大而变小，且在pH=5.00～6.00 的区域下降趋势变缓，随后继续下降;当质量分数增大到1.0%时，油-水界面的表面张力随着pH 值的增加先略增大然后减小.

图5 HPMC 溶液油-水界面的表面张力随pH 值的变化Fig.5 Effect of pH value on HPMC oil-water surface tension

油对疏水基团具有更好的溶解性，进入表面层的HPMC 中的疏水性基团(如甲基)更多地在表面层上与油中的甘油酸酯、游离脂肪酸和磷脂等物质作用，亲水性的羟丙基则有规则地排列在水相中，因此在油-液界面上HPMC 能更有序地排列，从而使其表面张力下降.随着pH 值的增加，虽然HPMC 的分子链趋于卷曲，但油对其疏水链的溶解作用使得更多的HPMC 分子链扩散到油- 水界面，使得HPMC 分子更致密地排列在油-水界面，从而是使pH 值大于6.00 之后油-水界面的表面张力迅速下降.在HPMC 的质量分数居于0.3%～0.7%时，这种作用表现得尤为突出.

在质量分数很小(如0.1%)时，HPMC 分子链间的作用力小，分子链的构象变化更丰富，但毕竟浓度低，影响有限，因此在pH≤6.00 时油-水界面的表面张力呈现不大的上下波动.当HPMC 的质量分数增大到1.0%时，在pH 值小于5.00 的情况下，由于浓度增大，且此时HPMC 分子链较伸展，其迁移速度受阻，与占据表面油中的甘油酸酯、游离脂肪酸和磷脂等物质的竞争有限，迁移至油-水界面的甲基或者羟丙基数量较少，造成油-水界面的表面张力增加，在pH 值大于6.00 之后，由于HPMC 链趋于更加卷曲，其向界面的迁移速度加快，排列在油-水界面的HPMC 分子增加，导致表面张力下降.

3 结论

在文中实验条件下，HPMC 粉末的润湿性不强，且受pH 值影响较小.气-液界面和油-水界面均具有不同性质的复杂的物理化学系统，在两界面上HPMC 分子可以扩散、吸附或重排，其表面性质取决于HPMC 在界面上的构象.文中研究表明HPMC 的界面性能很大程度上受疏水基团性质及其数量的影响，无论在气-液界面还是在油-水界面，不同浓度的HPMC 溶液表面张力随pH 值变化都展现出不一样的变化趋势，HPMC 在界面上表现出复杂的构象.由于油比水有更多的表面活性成分，HPMC 表面性质更依赖于其表面浓度，使得HPMC 分子更有效地与油中的表面活性成分竞争.

［1］Miller K S，Krochta J M.Oxygen and aroma barrier properties of edible films:a review［J］.Trends in Food Science and Technology，1997，8(7):228-237.

［2］Kita Rio，Kaku TaKeshi，Kubota Kenji，et al.Pinning of phase separation of aqueous solution of hydroxypropylmethylcellulose by gelation［J］.Physics Letters A，1999，259(3/4):302-307.

［3］Pongjanyakul Thaned，Kanjanabat Sopaphan.Influence of pH modifiers and HPMC viscosity grades on nicotine-magnesium aluminum silicate complex-loaded buccal matrix tablets［J］.American Association of Pharmaceutical Scientists，2012，13(2):674-684.

［4］Huang Yuan，Zheng Ling-li，Liu Jun，et al.Synthesis and characterization of HPMC derivatives as novel duodenumspecific coating agents ［J］.Archuve of Pharmacal Research，2005，28(3):364-369.

［5］Zhou Dan，Zhu Xi，Wang Yang，et al.Preparation and characterization of a novel pH-sensitive coated microsphere for duodenum-specific drug delivery［J］.Archuve of Pharmacal Research，2012，35(5):839-850.

［6］Machiste Evelyn Ochoa，Buckton Graham.Dynamic surface tension studies of hydroxypropylmethylcellulose filmcoating solutions［J］.International Journal of Pharmaceutics，1996，145(3):197-201.

［7］Persson Bengt，Nilsson Stefan，Bergman Rolf.Dynamic surface tension of dilute aqueous solutions of nonionic cellulose derivatives in relation to other macromolecular characterization parameters ［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1999，218(2):433-441.

［8］Mezdour S，Cuvelier G，Cash M J，et al.Surface rheological properties of hydroxypropyl cellulose at air-water interface［J］.Food Hydrocolloids，2007，21(5/6):776-781.

［9］Wollenweber C，Makievski A V，Miller R，et al.Adsorption of hydroxypropyl methylcellulose at the liquid/liquid interface and the effect on emulsion stability［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2000，172(1/2/3):91-101.

［10］Avranas Antonis，Tasopoulos Vasilis.Aqueous solutions of sodium deoxycholate and hydroxypropylmethylcellulose:dynamic surface tension measurements［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2000，221(2):223-229.

［11］Patino Juan M Rodr guez，Sánchez Cecilio Carrera，Niño M Rosario Rodríguez.Morphological and structural characteristics of monoglyceride monolayers at the air-water interface observed by brewster angle microscopy ［J］.Langmuir，1999，15(7):2484-2492.

［12］Susana Laura，Campaci Filippo，Santomaso Andrea C.Wettability of mineral and metallic powders:applicability and limitations of sessile drop method and Washburn's technique［J］.Powder Technology，2012，226:68-77.

［13］Arboleya Juan-Carlos，Wilde Peter J.Competitive adsorption of proteins with methylcellulose and hydroxypropyl methylcellulose［J］.Food Hydrocolloids，2005，19(3):485-491.

［14］Dickinson Eric.Milk protein interfacial layers and the relationship to emulsion stability and rheology ［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2001，20(3):197-210.

［15］Pérez Oscar E，Sánchez Cecilio Carrera，Pilosof Ana MR，et al.Kinetics of adsorption of whey proteins and hydroxypropyl-methyl-cellulose mixtures at the air-water interface［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2009，336(2):485-496.

［16］Barba Anna Angela，D'Amore Matteo，Chirico Serafina，et al.Swelling of cellulose derivative (HPMC)matrix systems for drug delivery［J］.Carbohydrate Polymers，2009，78(3):469-474.

［17］Pérez Oscar E，Sánchez Cecilio Carrera，Pilosof Ana M R，et al.Dynamics of adsorption of hydroxypropyl methylcellulose at the air-water interface ［J］.Food Hydrocolloids，2008，22(3):387-402.

［18］Camino Nerina A，Pérez Oscar E，Sanchez Cecilio Carrera，et al.Hydroxypropylmethylcellulose surface activity at equilibrium and adsorption dynamics at the air-water and oil-water interfaces［J］.Food Hydrocolloids，2009，23(8):2359-2368.

［19］Ma Ying，Cao Xin-yu，Feng Xin-jian，et al.Fabrication of super-hydrophobic film from PMMA with intrinsic water contact angle below 90o［J］.Polymer，2007，48(26):7455-7460.

［20］沈一丁.高分子表面活性剂［M］.北京:化学工业出版社，2002:1-31.