高压静电场法制备壳聚糖－L-苯丙氨酸微囊

郝栋，李咏歌，刘欣，*

（1.唐山师范学院化学系，河北唐山063000；2.唐山师范学院生命科学系，河北唐山063000）

微囊技术已经广泛应用于农业、医药、石油、食品、印刷、印染以及生活日用品等方面，目前，国内外已经有数十种药物被包裹成微囊制成各种制剂[1]。对药物进行微囊化可以达到缓释、靶向的目的[2-3]，同时掩盖药物不良气味及口味、提高药物稳定性、防止药物在胃内失活以及减少对胃的刺激性。

壳聚糖是由蟹、虾外壳中的甲壳素脱乙酰基后得到的一种带正电荷的直链多糖，也是唯一的碱性多糖[4]。由于具有良好的生物相容性、易降解性，以及无毒、抑菌、生物黏着性好等特点[5-6]，这一性质常用于壳聚糖微球的制备[7-8]。壳聚糖在药物载体方面有着广阔的应用前景。

苯丙氨酸（L-phenylalanine）为无色至白色片状晶体或白色结晶性粉末，是一种营养增补剂，是必需氨基酸之一。在医药行业主要用于生产氨基酸输液和合成氨基酸类药物，在食品行业主要用于合成甜味剂阿斯巴甜[9]。

采用高压静电场法制备微囊，可显著改善微囊外形，提高微囊包封率和载药量，提高生产效率[10]，在电场力的作用下溶液被破碎成更小的雾滴，雾滴的直径分布更加均匀[11]，是一种实用可行、适于工业化生产微囊的方法。本文采用高压静电场法，以壳聚糖为囊材、L-苯丙氨酸作为芯材制备了壳聚糖－L-苯丙氨酸微囊。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

CZGF-120 kV/2 mV直流高压发生器：扬州宝测电气有限公司；Sigma 300场发射扫描电镜：德国卡尔蔡司公司；UV-2550紫外可见分光光度计：日本岛津公司；85-2A数显恒温磁力搅拌器：常州澳华仪器有限公司；KQ-400KED高功率数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；30、40、60目的标准筛：浙江上虞市五四建材仪器厂；AR1140电子分析天平：上海奥豪斯国际贸易有限公司。

L-苯丙氨酸（分析纯）：天津市光复精细化工研究所；壳聚糖（DAC＞90%）：济南海德贝海洋生物工程有限公司；试验用水为去离子水；其他试剂为分析纯。

1.2 溶液的配制

壳聚糖溶液的配制：称取壳聚糖5.000 g于100 mL小烧杯中，先加入100 mL水搅拌均匀，再加入6 mL左右的冰乙酸搅拌均匀，配成5%的壳聚糖溶液，超声波仪中分散30 min，放置24 h备用。

微囊用L-苯丙氨酸溶液的配制：分别称量一定量的L-苯丙氨酸固体，加入适量水加热溶解，定容，摇匀，配制成质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的L-苯丙氨酸溶液，备用。

L-苯丙氨酸标准溶液的配制：称取一定量的L-苯丙氨酸固体粉末，加热溶解，冷却到室温后，定容，摇匀，配制质量分数为分别为0.10%、0.30%、0.50%、0.70%、0.90%的L-苯丙氨酸标准溶液。

分别配制浓度为 0.50、0.75、1.0、1.5、2.0 mol/L 的氢氧化钠溶液，备用。

1.3 试验方法

壳聚糖在强碱氢氧化钠中会固化成小球，并且所成的小球大小均匀，表面光滑圆润。试验过程中将不同浓度的壳聚糖溶液与不同浓度的L-苯丙氨酸混合，加入到注射器中在高压静电的作用下，溶液克服表面张力和粘滞力[12]，进而被击碎成雾滴，下落到注射器底部的盛有氢氧化钠的烧杯中凝固成球。

1）L-苯丙氨酸微囊包封率的测定

式中：ψ1为微囊中 L-苯丙氨酸的质量，g；ψ2为投加料中L-苯丙氨酸的质量，g。

2）药物含量的计算

式中：з1为微囊中 L-苯丙氨酸的质量，g；з2为所称得的微囊样品的质量，g。

3）微囊粒径分布计算

式中：x1为某一粒径范围的L-苯丙氨酸微囊的总质量，g；x2为L-苯丙氨酸微囊的总质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验确定最佳制备条件

2.1.1 L-苯丙氨酸标准曲线的绘制

绘制L-苯丙氨酸标准曲线，如图1所示。利用此曲线计算微囊中L-苯丙氨酸的含量。

图1 标准曲线Fig.1 Standard curve

2.1.2 氢氧化钠浓度对高压静电场法制备微囊的影响

在温度30℃、壳聚糖浓度5%、L-苯丙氨酸浓度1.00%、转速450 r/min、电压15 kV、下滴高度11 cm的条件下，改变氢氧化钠浓度依次为 0.50、0.75、1.0、1.5、2.0 mol/L，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果如图2所示。

图2 氢氧化钠浓度对制备微囊的影响Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on preparation of microcapsules

试验结果表明：当氢氧化钠浓度为0.75 mol/L时，L-苯丙氨酸微囊的包封率最高，所以制备微囊时选择氢氧化钠浓度为0.75 mol/L。

2.1.3 壳聚糖浓度对高压静电场法制备微囊的影响

在温度30℃，氢氧化钠浓度0.75 mol/L，L-苯丙氨酸浓度1.0%，转速450 r/min，电压15 kV，下滴高度11 cm的条件下，改变壳聚糖浓度依次为1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果如表1所示。

表1 壳聚糖浓度对制备微囊的影响Table 1 Effect of chitosan concentration on preparation of microcapsules

试验结果表明：在制备微囊的过程中，当壳聚糖浓度为1.0%、2.0%、3.0%时，微囊均难以成型，呈细丝或者片状。随着壳聚糖浓度的增加，微囊成型良好，但壳聚糖浓度大于5%时黏度太大，造粒困难，因此，制备微囊的较佳壳聚糖浓度为5.0%。

2.1.4 L-苯丙氨酸浓度对高压静电场法制备微囊的影响

在温度30℃，氢氧化钠浓度0.75 mol/L，壳聚糖浓度5.0%，转速450 r/min，电压15 kV，下滴高度11 cm的条件下，改变L-苯丙氨酸浓度依次为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果如图3所示。

图3 L-苯丙氨酸浓度对制备微囊的影响Fig.3 Effect of L-phenylalanine concentration on preparation of microcapsules

试验结果表明：微囊的包封率随着L-苯丙氨酸浓度的增加呈正态分布趋势，当L-苯丙氨酸浓度为1.0%时，微囊的包封率最高，此时制得的微囊最圆整，因此制备微囊的较佳L-苯丙氨酸浓度为1.0%。

2.1.5 电压强弱对高压静电场法制备微囊的影响

在温度30℃，氢氧化钠浓度0.75 mol/L，壳聚糖浓度5.0%，转速450 r/min，L-苯丙氨酸浓度1.0%，下滴高度11 cm的条件下，改变电压大小依次为5、10、15、20、25 kV，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果表2所示。

表2 电压对制备微囊的影响Table 2 Effect of voltage on preparation of microcapsules

试验结果表明：电压对微囊包封率影响不大，但是随电压的升高制备微囊的速度越快、微囊颗粒越小，因此选择电压最佳条件为25 kV。

2.1.6 温度对高压静电场法制备微囊的影响

在氢氧化钠浓度0.75 mol/L，壳聚糖浓度5.0%，转速450 r/min，电压25 kV，L-苯丙氨酸浓度1.0%，下滴高度11 cm的条件下，改变温度大小依次为20、30、40、50、60℃，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果如图4所示。

图4 温度对制备微囊的影响Fig.4 Effect of temperature on preparation of microcapsules

试验结果表明：当温度为30℃时微囊的包封率最高，因此选择制备微囊的温度为30℃。

2.1.7 转速对高压静电场法制备微囊的影响

在上述最佳条件下，改变转速依次为250、350、450、550、650 r/min，制备 L-苯丙氨酸微囊，试验结果如图5所示。

试验结果表明：当转速为450 r/min时，微囊的包封率最高，且制得的微囊大小均一，因此制备微囊的最佳转速为450 r/min。

图5 转速对制备微囊的影响Fig.5 Effect of rotation rate on preparation of microcapsules

2.1.8 下滴高度对高压静电场法制备微囊的影响

在上述最佳条件下，改变下滴高度依次为5、8、11、14 cm，制备L-苯丙氨酸微囊，试验结果如表3所示。

表3 下滴高度对制备微囊的影响Table 3 Effect of dropping height on preparation of microcapsules

综合微囊的形态与包封率2个指标考虑，试验选择制备微囊的较佳下滴高度为11 cm。

2.2 正交试验确定最佳制备条件

根据单因素试验确定的较佳工艺条件，选择3个对L-苯丙氨酸微囊包封率影响较大的因素，分别为温度、L-苯丙氨酸浓度、壳聚糖浓度。配制浓度分别为3.0%（C1）、4.0%（C2）、5.0%（C3）的壳聚糖溶液，质量分数分别为 0.5%（B1）、1.0%（B2）、1.5%（C3） 的 L-苯丙氨酸溶液，温度分别为 20 ℃（A1）、30 ℃（A2）、40 ℃（A3）。在最佳的转速、电压、氢氧化钠浓度、下滴高度条件下，根据三因素三水平正交表进行正交试验，选择制备微囊的较佳条件，试验结果如表4所示。

表4 正交试验分析表Table 4 Orthogonal test analysis table

续表4 正交试验分析表Continue table 4 Orthogonal test analysis table

试验结果表明：选取的3个因素中对微囊包封率大小的影响的主次为：壳聚糖浓度＞L-苯丙氨酸浓度＞温度。正交试验的最优组合为A2B2C3，即温度30℃，L-苯丙氨酸浓度1.0%，壳聚糖浓度5.0%时制得的微囊的包封率最大，微囊化效果最好。

2.3 微囊的性能评价

2.3.1 L-苯丙氨酸微囊的包封率

微囊的包封率是评价微囊质量的重要指标之一[11]，在最佳条件下制备L-苯丙氨酸微囊的包封率为66.9%。

2.3.2 L-苯丙氨酸微囊的药物含量测定

对L-苯丙氨酸微囊样品进行测定，根据公式2计算得出微囊中L-苯丙氨酸的药物含量为0.37%。

2.3.3 L-苯丙氨酸微囊的粒径分布

制得的微囊的粒径分布如图6所示。

从图6可以看出，在最佳试验条件下制得的微囊，微囊粒径范围集中在10 μm左右，少数粒径偏大，但形态比较圆整。

2.3.4 微囊稳定性测定试验

将L-苯丙氨酸微囊阴凉自然光下，分别在5、10、15、20、25 d 后称量 0.100 0 g微囊，研磨、溶解、真空抽滤，定容到50 mL容量瓶中，测其吸光度；在相同条件下测定未微囊化的L-苯丙氨酸的吸光度。试验结果如图7所示。

图7 L-苯丙氨酸微囊稳定性Fig.7 Stability of L-phenylalanine microcapsules

试验结果表明，未微囊化的苯丙氨酸含量25 d降低37.1%，微囊化的，L-苯丙氨酸含量25 d降低12.8%，说明在自然光照的情况下，微囊中的L-苯丙氨酸含量降低缓慢。微囊化对药物的稳定性有显著作用。

2.3.5 微囊的微观结构

微囊的微观结构见图8。

图8 Sigma 300扫描电子显微镜扫描图Fig.8 Sigma 300 scanning electron microscope scan

从扫描电镜照片a可以看出微囊粒径大小均匀，从照片b可以看出，微囊表面布满小孔，有利于L-苯丙氨酸的缓释。

3 结论

采用高压静电场法制备壳聚糖－L-苯丙氨酸微囊，确定了制备微囊的最佳工艺条件为：壳聚糖浓度为5.0%，氢氧化钠浓度为0.75 mol/L，温度为30℃，L-苯丙氨酸浓度为1.00%，电压为25 kV，转速为450 r/min，下滴高度为11 cm。在此条件下，制得的微囊的包封率为66.9%，粒径10 μm左右，但含药量较低，外形不够光滑，因此，后续试验需要进一步改善制备条件，提高微囊包封率，增加载药量。