毫米级壳聚糖/海藻酸钙载水胶囊的制备及性能

赵瑾朝，黄 伟，郭 庆，熊 斌，熊国玺，肜 霖，王 婧，黄乐平



毫米级壳聚糖/海藻酸钙载水胶囊的制备及性能

赵瑾朝1，黄 伟1，郭 庆1，熊 斌3，熊国玺3，肜 霖3，王 婧1，黄乐平2

(1. 武汉纺织大学 化学与化工学院，生物质纤维与生态染整湖北省重点实验室，湖北 武汉 430200；2. 武汉纺织大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430200；3. 湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430040)

以壳聚糖(CS)为改性剂，将CaCl2/CS混合溶液滴加到海藻酸(SA)溶液中，制备出毫米级CS/Ca-SA载水胶囊，通过红外光谱分析胶囊囊膜结构，并考察CS浓度对胶囊形貌、粒径、球形度及失重率的影响。结果表明，SA与Ca2+发生络合反应的同时还与CS产生静电吸引形成聚电解质，双重交联反应增加了囊膜的交联密度，与Ca-SA胶囊相比，CS/Ca-SA胶囊的失重率明显降低，24 h失重率由96.17%降低至55.14%；CS/Ca-SA胶囊粒径在4.2-5.0 mm之间可调；当CS浓度大于1.25 wt.%时，可制备出球形度较好的胶囊。

海藻酸钙；壳聚糖；水凝胶；胶囊；失重率

采用胶囊化技术将水或水溶性有效成分包裹密封起来形成胶囊，保持胶囊中水分在运输期和货架期长时间储存无渗漏，一直是食品、医药、烟草等领域的研究热点和难点[1-3]。胶囊壁材的选择决定了胶囊的力学性能和渗透性能[4]。海藻酸钙盐是食品及药用胶囊中最常用的壁材，以钙离子溶液为凝固浴，采用滴制法制备的海藻酸钙胶囊已投入工业化生产并得到商业化推广[5, 6]。近20年，美国、日本胶囊技术发展迅速[7,8]，相比于国外，国内的胶囊技术仍处于起步阶段，因此进一步深化胶囊实验基础及理论研究具有重大意义[9]。为了改善胶囊在非水环境储存过程中失水严重的情况，本研究采用壳聚糖(CS)作为改性剂，将CaCl2/CS溶液滴加到海藻酸(SA)溶液中，制备壳聚糖/海藻酸钙(CS/Ca-SA)载水胶囊。通过红外光谱分析胶囊囊膜结构，考察CS浓度对胶囊形貌、粒径、球形度及失重率的影响。

1 实验部分

1.1 药品

海藻酸钠，化学纯，10 g /L，20℃黏度≥20 mPa·s；壳聚糖，生化试剂，脱乙酰度80.0-95.0 %，黏度50-800 mPa·s；无水CaCl2，分析纯；以上药品均购自国药集团化学试剂有限公司；水均为去离子水。

1.2 实验步骤

1.2.1 溶液的制备

SA溶液的制备：将0.5 g SA在99.5 g去离子水中室温溶胀4 h，然后升温至55℃搅拌6 h，静置8 h，得到浓度为1 wt%的SA溶液。

CaCl2/CS溶液的制备：将2.0 g CS在98.0 g 2 wt.%醋酸溶液中室温溶胀4 h，然后升温至55℃搅拌6 h，静置8 h，得到浓度为2 wt% CS溶液。再将1.0 g CaCl2溶于99.0 g CS溶液中，静置消泡，得到CaCl2/CS溶液。

1.2.2 CS/Ca-SA胶囊的制备

将CaCl2/CS溶液通过单通道注射推泵，在0.5 mL/min的推进速度，10 cm的滴加高度下，经过内外径为0.69/1.07 mm的针头垂直滴加到不断搅拌的SA溶液中，滴加10 min后停止，继续搅拌20 min，所得胶囊用去离子水洗涤三次，除去胶囊表面未反应的SA溶液，再将胶囊浸渍在2.0 wt%CaCl2溶液中固化15 min，最后水洗，得到CS/Ca-SA胶囊。以上实验均在常温下进行。实验装置如图1所示。

1.2.3 单因素分析

本研究以SA和CS为壁材制备得到CS/Ca-SA胶囊，考察了CS浓度对胶囊形貌和性能的影响。其中，CS溶液浓度分别为1.0 wt.%，1.25 wt.%，1.5 wt.%，1.75 wt.%，2.0 wt.%。

图1 CS/Ca-SA胶囊的制备装置图

1.3 测试方法

1.3.1 红外光谱

取一定数量的CS/Ca-SA胶囊压碎，60℃烘干，用KBr压片制备样品，采用TENSOR-27(德国布鲁克光谱仪器公司)进行红外测试。

1.3.2 形貌

随机选取一定数量的Ca-SA胶囊，采用 BL-SM500 型数码显微镜拍摄胶囊的数码显微图。

1.3.3 粒径

随机选取15颗胶囊，采用数显卡尺测其粒径并取平均值。

1.3.4 球形度

胶囊的球形度通过SF值(Sphericity Factor)来表征[10, 11]。SF可由公式（1）计算得到，

SF= (Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin) （1）

其中，Dmax指的是胶囊的最大直径，Dmin指的是垂直于Dmax的最小直径。SF值变化范围为0-1，SF值越小，胶囊形状越接近球形，以SF<0.07作为判断胶囊呈球形的标准。

1.3.5 胶囊失重率

随机选取30颗胶囊置于培养皿，称量胶囊质量为m0，常温放置24小时后称量胶囊质量mn。胶囊的失重率可由公式（2）计算得到：

失重率=(m0-mn)/m0*100 % （2）

2 实验结果与讨论

图2为CS、SA和CS-SA聚电解质复合物的红外光谱图。由图可知，SA有羧基在1618 cm-1由不对称伸缩振动引起的宽峰，在1417 cm-1处对称伸缩引起的窄峰。CS在1653，1586，1324 cm-1有特征吸收峰，分别代表酰胺I带，Ⅱ带，Ⅲ带，1635 cm-1是CS氨基基团-NH2振动吸收峰，其中，在3412 cm-1左右，出现了一个较宽的吸收峰。这是因为CS是在酸性条件下溶解，CS的氨基带上了电荷变成NH3+所产生的。CS与SA相互作用后，由于氨基与羧基间离子键及基团间氢键的形成，SA的羧基不对称吸收峰由1618 cm-1移至1639 cm-1，对称吸收峰由1416 cm-1移至1384 cm-1。1324 cm-1酰胺Ⅲ带吸收峰消失。表明CS的氨基在酸性条件下生成NH3+，与SA上的羧基负离子产生强的静电作用而生成聚电解质复合物。

图2 CS膜、SA膜和CS-SA聚电解质复合膜的红外光谱图

由图3a可知，CS/Ca-SA胶囊为透明凝胶珠状物，表面较光滑。图3b所示是将胶囊浸泡于水中时的外观形貌图，可观察到胶囊具有明显的囊膜和液芯结构。

图3 CS/Ca-SA胶囊外观形貌图

表1为不同浓度CS制备CS/Ca-SA胶囊的形貌。由表中50倍的放大图片可看出，CS/Ca-SA胶囊均具有良好的单分散性。近距离观察，当CS浓度由1.0 wt.%增大到2.0 wt.%时，胶囊粒径增大。当CS浓度<1.75 wt.%时，胶囊均带“尾巴”；随着CS浓度的增加，拖尾现象逐渐减小，当CS浓度为2.0 wt.%时，得到单分散性及球形度均较好的球形胶囊。

表1 CS浓度对胶囊形貌的影响

注：表中所有标尺均为3 mm

图4为不同浓度CS制备的CS/Ca-SA胶囊的粒径和SF。结合表1的显微镜图片可知，当CS浓度由1.0 wt.%增加到2.0 wt.%时，胶囊粒径由4.220 mm增大到4.935 mm，增大了16.94 %。因为在胶囊的形成过程中，不仅有SA与Ca2+的离子交联，还有CS与SA生成聚电解质复合物的反应。随着CS浓度提高，液滴中CS浓度增加，与SA反应生成的聚电解质复合物增多，因此胶囊粒径增大。胶囊SF由0.151减小到0.042，降低了72.19 %。随着CS浓度增加，溶液粘度提高，减小了液滴在与SA溶液表面的碰撞过程中的变形程度，因此胶囊的SF逐渐减小，最终得到球形胶囊。

图4 CS浓度对CS/Ca-SA胶囊的粒径(a)和SF(b)的影响

表2为CS浓度对CS/Ca-SA胶囊失重率的影响。由表可知， Ca-SA胶囊的24 h失重率为96.17 %，不同浓度CS制备的CS/Ca-SA胶囊的24 h失重率在55%-63 %之间，表明阳离子溶液中CS的加入，增加了囊膜的交联密度，明显降低了胶囊的24 h失重率。同时，随着CS浓度的增加，CS/Ca-SA胶囊的24 h失重率逐渐减小，由62.06 %减小到55.14 %，降低了11.16 %。这是因为随着CS浓度的升高，液滴中可与SA发生反应的CS增多，生成更多的聚电解质复合物，形成更加致密的囊膜结构，减小了胶囊的失重率。

表2 CS浓度对CS/Ca-SA胶囊失重率的影响

3 结论

本实验通过反滴法将CaCl2/CS溶液滴加到SA溶液中，成功制备出毫米级CS/Ca-SA载水胶囊，对胶囊囊膜结构进行了红外光谱分析，研究了CS浓度对胶囊形貌、粒径、球形度及失重率的影响。囊膜红外分析表明，CS的氨基在酸性条件下形成 NH3+，与SA上的羧基负离子产生强的静电作用生成了聚电解质复合物，增大了胶囊囊膜的交联密度。随着CS浓度升高，胶囊粒径逐渐增大，SF逐渐减小，失重率也逐渐降低，且CS/Ca-SA胶囊的失重率比Ca-SA胶囊降低30%以上，说明经过CS改性后，胶囊囊膜交联密度升高，能够明显降低CS/Ca-SA胶囊在常温非水环境下芯层的扩散速率，延长了胶囊的储存期。

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Preparation and Performance of Millimeter Chitosan/Calcium Alginate Hydrogel Capsules

ZHAO Jin-chao1, HUANG Wei1, GUO Qing1, XIONG Bin3, XIONG Guo-xi3, RONG Lin3, WANG Jing1, HUANG Le-ping2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Hubei Biomass Fibers and Eco-dyeing & Finishing Key Laboratory, Wuhan Textile University , Wuhan Hubei 430200, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 3. China tobacoo Hubei inductrial LLC., Wuhan Hubei 430040, China )

The chitosan/Calcium alginate(CS/Ca-SA) capsules were prepared by dropping the CaCl2/CS solution into SA solution successfully. The structure of the capsules membrane was analyzed by FTIR. The effects of CS concentration on size, shape and weight loss rate of capsules were investigated. The results showed that SA not only reacted with Ca2+but also CS. The capsules diameter could be adjusted in 4.2-5.0 mm under control. Uniform and spherical capsules could be formed when the CS concentration were >1.25 wt.%. Compared to Ca-SA capsules, the weight loss rate of CS/Ca-SA capsules decreased significantly from 96.17% to 55.14% when the test time was 24 h.

Calcium alginate; chitosan; hydrogel; capsule; weight loss ratio

赵瑾朝（1981-），女，副教授，博士，研究方向：生物质纤维及功能纺织品.

国家自然科学基金(51303138)，湖北省自然科学基金重点项目(2014CFB762).

TQ021.4

A

2095－414X(2018)05－0007－05