魔芋葡甘聚糖-乙基纤维素包膜尿素的制备及其缓释性能

黄迪菲， 严文莉， 匡 映， 肖 满， 姜发堂， 倪学文

(湖北工业大学食品与制药工程学院，湖北武汉 430068)

尿素是使用最普遍和最经济的含氮肥料，因为其较高的含氮量(46%)而被广泛应用于全球农业[1]。但是，尿素中只有30%～50%的氮被植物吸收，大量氮的流失造成了严重的环境污染问题[2-3]。开发缓/控释尿素肥料，可以改善氮的利用率，满足植物的营养需要并保护环境。通过物理方式包膜尿素颗粒，制备缓/控释包膜尿素肥料，不仅可以提高氮的利用率，还可以增加尿素抗压强度，避免运输时的破损。来源丰富、可生物降解的尿素包膜材料引起了大量研究者的兴趣，如淀粉[4-5]、木质素[6]、纤维素[7]、壳聚糖[8]等。这些生物聚合物可以形成尿素颗粒表面的包衣，避免尿素在水中快速溶解，使其缓慢释放。但是，这些材料存在缺陷，如因机械性能差导致包膜层破裂，使氮快速释放[9]。有许多关于改善生物聚合物特性的研究，比如通过聚合物物理共混、化学改性以及添加增容剂等[10-11]。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是从魔芋根茎中提取的水溶性高分子多糖，具有较好的成膜性、凝胶性、生物相容性和生物降解性等特点[12-13]，是具有应用潜力的环保材料。通过化学改性或与其他生物聚合物共混，KGM的应用范围得到扩展，可以广泛应用于食品加工、包装薄膜[14-15]、缓控释药物[16-17]、医用绷带[12]等。乙基纤维素(ethyl cellulose，EC)是一种线性多糖，可溶于大多数有机溶剂但不溶于水。EC因具有良好的成膜性、稳定性、生物降解性及高的机械强度，被广泛应用于包装材料[18-19]，EC还可作为缓控释药物和肥料的载体材料[20-21]。笔者前期研究发现KGM-EC复合膜具有良好的机械性能、耐水性、耐热性和生物相容性，KGM-EC 复合膜可以作为尿素的包膜材料[22]。因此，本研究利用转鼓包衣锅喷雾热固的方法制备KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC复合膜包膜尿素，对这3种包膜尿素进行比较；用质构仪测定包膜尿素的硬度，用扫描电镜(SEM)观察包膜尿素的表面和截面的微观结构，对不同包膜尿素在水中的释放行为进行比较分析，并将3种包膜尿素按照一定比例混合，形成组合包膜尿素，以期获得理想的尿素缓释效果。本研究将为KGM-EC复合膜作为包膜材料的应用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

魔芋葡甘聚糖(KGM，武汉市力诚生物科技有限公司)，乙基纤维素(EC，成都市科龙试剂有限公司)，颗粒尿素(Urea，湖北产农用级别)，葵二酸二丁酯(DBS)、乙酸乙酯、浓硫酸、对二甲氨基苯甲醛(PDAB)均为国产分析纯，HH-2型数显恒温水浴锅(国华电器有限公司)，BY-400包衣锅(湖南吉首市中湘制药机械厂)，UV-2100紫外-可见光分光光度计(北京山峰万泰科技发展有限公司)，TMS-PRO质构分析仪(美国FTC)，扫描电镜(JSM-6390LV，X-650，Hitachi，日本)。

1.2 方法

1.2.1 包膜尿素制备 KGM包膜液：称取一定质量的KGM，加入100 mL蒸馏水中，60 ℃水浴搅拌2 h，得到KGM水溶胶。

EC包膜液：称取一定质量的EC，加入400 mL乙酸乙酯中，常温搅拌20 min，再加入EC质量25%的DBS，继续水浴搅拌30 min，得到EC油基相。

KGM-EC复合包膜液：将上述方法制备的KGM水溶胶加入到EC溶液中，快速搅拌30 min(700 r/min)，得到均匀的复合乳液。复合乳液于60 ℃恒温保存备用。包膜液的总固形物含量为1%。

包膜尿素制备：过筛得到大小均匀、表面完整的颗粒尿素(粒径范围1.00～2.80 mm)，烘干后备用。调节风机频率为40.00 Hz，打开包衣锅的进风和加热开关，调整包衣锅进风温度为70 ℃。将尿素颗粒倒入包衣锅内；将配制的包膜液倒入液杯，打开液体出口阀，采用喷雾方式制备包膜尿素。按照设计包膜量分别为5%、10%、15%，制备不同包膜层尿素样品。包膜量=(MA-MB)/MB×100%，其中MA是包膜尿素(尿素和包膜层)的质量(g)，MB是未包膜尿素的质量(g)。包膜尿素样品配比如表1所示。

表1 不同包膜层尿素样品配比

1.2.2 包膜尿素大小和硬度测定 包膜尿素的直径采用游标卡尺进行测量。包膜尿素的硬度采用TMS-PRO质构分析仪检测，初始压力为2 N，以60 mm/s的速度来挤压尿素颗粒，使颗粒破碎时的力即为样品的硬度。

1.2.3 扫描电镜观察 将样品切成两半，置于干燥器中平衡24 h后进行SEM分析。将样品置于铜台，在13.3 Pa真空度下喷金，厚度约为20 nm，加速电压为30 kV，观察样品表面和截面的微观结构形态(30×～500×)。

1.2.4 尿素释放率测定 为测定包膜尿素的释放率，设计尿素在水中静态释放的装置，见图1。取10 g样品放置在用支架固定的尼龙网中，尼龙网保持水平使样品之间没有挤压，样品完全浸入蒸馏水中(24 ℃)。在开始的24 h内，每隔2 h取1 mL溶液检测；24 h后，每隔24 h取1 mL溶液检测，持续 21 d。每次取溶液后，立即补充1 mL蒸馏水到原溶液中使其体积不变。将取出的1 mL溶液加入50 mL比色管中，再加入10 mL PDAB、5.0 mL硫酸(2.0 mol/L)，加蒸馏水稀释至 25 mL，摇匀，在25～30 ℃静置5 min后，用紫外-可见分光光度计测定D430 nm，通过标准曲线，计算出尿素的释放量和释放率。标准曲线方程：Cr=0.029 9×D430 nm+0.002 2(r2=0.997)，其中Cr为尿素的浓度(mg/mL)。

1.2.5 数据处理 每个试验重复3次，统计数据采用Excel 2010软件分析，采用OriginPro(8.5.0)和Photoshop CS6软件作图。

2 结果与分析

2.1 包膜层的微观结构

如图2所示，未包膜的尿素、KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC包膜尿素的表面形貌有明显的差别。未包膜的尿素颗粒表面凹凸不平，有许多孔隙；KGM包膜尿素颗粒的表面不规则、粗糙、多孔隙；EC包衣量为5%时，未能完全覆盖尿素颗粒表面，存在许多孔洞；包衣量增加到10%、15%时，EC包衣层表面致密光滑。5%包衣量的KGM-EC包膜尿素，包膜层结构松散，有孔隙；当包衣量增加到10%、15%时，KGM-EC包膜层结构致密，均匀分布在颗粒表面。KGM-EC 包膜层结构均一，表明KGM与EC发生了相互作用，有较好的相容性[22]。

包膜尿素的截面形态如图3所示。包膜层厚度随着包膜量的增加而增加，EC包膜层厚度为49.18～144.22 μm，KGM-EC包膜层厚度为113.14～169.97 μm。KGM-EC包膜层比EC包膜层厚，且结构松散、有孔隙，可见在KGM-EC复合膜形成过程中由于分子间相互作用而形成了新的膜结构。

尿素溶出后包膜层的表面和截面的微观结构见图4。EC包膜层出现长裂缝，分裂成碎片(图4-A、图4-C)，可能是由于EC包膜层结构完全崩解，导致尿素溶出。KGM-EC包膜层在尿素溶出后显示的结构是布满孔洞的完整结构(图4-B、图4-D)，这些孔洞是包膜层中KGM的溶胀和溶解形成的，而EC不溶于水，可维持膜结构完整。由于水溶性KGM分散在不溶于水的EC连续相中，所以KGM-EC包膜层有一定的亲水性，使尿素可以通过包膜层溶出；同时，包膜层又有一定的疏水性，使包膜层维持完整的结构。KGM-EC包膜层与EC包膜层的结构和特性是明显不同的，有待后面的尿素释放率试验进一步证实这个结论。

2.2 包膜尿素的尺寸和硬度

尿素颗粒通过由外向内冷却生产结晶，结构上存在粒子内部压力和尿素颗粒硬度低的特点，尿素在贮藏、装载、运输和施肥过程中很容易破碎[23]。不同包膜尿素的大小和硬度如表2所示，EC包膜尿素和KGM-EC包膜尿素比未包膜的尿素尺寸和硬度都高，抗压性好；KGM包膜尿素尺寸增大，但硬度降低，这可能是由于KGM水溶胶喷洒在尿素表面时使颗粒表面部分溶解导致硬度下降。随着尿素包膜层包膜量的增加，包膜尿素的硬度增加(除KGM包膜尿素)。其中，5% KGM-EC包膜尿素的硬度大于5% EC包膜尿素，是由于5% EC包膜的尿素颗粒表面没有被完全包裹(图2)，因此硬度的提高并不明显。当包膜量大于5%时，相同包膜量的尿素颗粒，EC包膜尿素颗粒尺寸小于KGM-EC包膜尿素颗粒，但硬度却更高，这是由于EC的包膜层结构较KGM-EC包膜层结构致密，与图3结果分析一致。

表2 不同包膜尿素的尺寸和硬度

2.3 包膜尿素在水中的释放率

不同的包膜材料，尿素的释放率有很大的不同。样品K1、K2、K3和未包膜尿素的释放曲线如图5-A所示，未包膜尿素在25 min内完全释放，KGM包膜尿素在1 h内完全释放，这是因为KGM包膜层在水中快速地溶胀和溶解。KGM-EC包膜层和EC包膜层对尿素释放率有很大的影响。当包膜量为5%时，EK1尿素释放率较E1低(图5-B)，这是由于5% EC不能在尿素颗粒表面形成完整包膜层，EK1包膜层比E1包膜层致密(图2)。当包膜量为10%，到达24 h时，EK2释放率为48.13%，E2释放率为8.57%；之后E2释放率加快，在203 h后E2释放率超过EK2，E2先达到100%释放(图5-C)。EC是不溶于水的聚合物，EC包膜层阻碍尿素与水接触，尿素溶解非常难。但KGM是水溶性的，KGM-EC包膜层比EC包膜层有较好的亲水性[22]，由于KGM的溶胀和溶解在KGM-EC包膜层形成孔隙，水分子能穿过孔隙造成尿素的溶解和释放。E2后期释放率的加快，是由于E2包膜层的崩解使尿素快速溶解，和图4结果一致；另外，溶解的尿素可以促进EC的溶解[24]。当包膜量为15%，EK3释放率比E3快，而且包膜量越大，尿素释放率越低(图5-D)。

理想的包膜尿素是利用环保、可降解的包膜材料，尿素的释放率能够满足不同作物生长的营养需要。如果将3种包膜尿素(KGM包膜尿素、EC包膜尿素、KGM-EC包膜尿素)按照一定比例混合，可以调整尿素的释放曲线，以满足不同作物或不同环境下作物的营养供给。根据上述包膜尿素的释放特征，笔者初步设计了4个组合样品(表3)，并将组合样品的释放率与单个样品的释放率进行了比较。释放时间达到24 h时，C1、C2、C3和C4的释放率分别为12.16%、14.12%、17.16%和17.51%(图6)。C1和C2相比，C2释放率高是因为它含有K3尿素，K3尿素释放率很高；同样的，C3和C4相比，C4含有释放率高的K3尿素，C4比C3释放率高。可见，通过调整组合的形成，可以得到不同的尿素释放曲线。

表3 组合样品形成 %

3 结论

以魔芋葡甘聚糖(KGM)和乙基纤维素(EC)为基材，利用转鼓包衣锅喷雾热固的方法制备KGM包膜尿素、EC包膜尿素和KGM-EC复合膜包膜尿素，对包膜尿素的微观结构及其在水中的释放行为进行研究。结果表明，包膜材料性质和包膜层结构对包膜尿素的释放特性有很大的影响。KGM包膜层粗糙且多孔隙，包膜的尿素在水中快速释放；EC包膜层致密光滑，包膜的尿素在水中很难释放；但KGM-EC包膜层结构均一，较KGM包膜层致密，对尿素有较好的缓释效果。将3种包膜尿素按照一定比例混合，形成组合包膜尿素，不同组合的包膜尿素具有不同的尿素释放特性，可以满足不同作物生长对养分的需要，这种组合方式是制备缓释尿素的一种有效方法，具有较好的应用前景。

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