酶制剂微胶囊的制备及工艺优化研究

赵小艳

（山西药科职业学院，山西 太原 030031）

0 引言

作为从生物体中提取的酶制品，酶制剂带有一定酶活力，在化工、食品、医药等行业应用能够体现出较强专一性和催化性能。制备酶制剂微胶囊，可以通过酶固化选择合适壁材，通过控制释放时间对胶囊表面活性进行调解，增强酶作用选择性和针对性。品质佳的酶制剂微胶囊大小均匀，同时拥有良好分散性，体现出较高酶活力。目前可以采用的制备方法包含流化床涂布法、干燥浴法、分子包埋法等，其中干燥浴法相对简单，无需特殊设备，应用相对广泛。

1 酶制剂微胶囊的制备工艺分析

利用微胶囊化方式对游离酶进行固定，能够改善生物酶性能。但目前在酶制剂微胶囊制备方面，采用的制备工艺多存在一定缺陷。如采用流化床涂布法，需将粉末状芯材悬浮在上升气流中，使表面喷涂成膜液，然后利用溶剂挥发等方式干燥处理，促使表面形成包被区，达到一定厚度后获得微胶囊化颗粒[1]。应用该方法可以加快生产速度，获得较高纯度产品，但需配备专门设备，产生较大能耗的同时，耗费较多成本，给工艺应用推广带来了阻碍。采用分子包埋法将环糊精当作载体，从分子水平上实施包结，同样成本较高，且无法对大的酶分子进行包埋。相较于其他方法，干燥浴法划分为水浴和油浴两类，分别用于制备以水溶液和油性物质为芯材的微胶囊，由于酶制剂的壁材多选用疏水性高聚物，并使用二氯甲烷等沸点更低的有机溶剂，因此多选用水浴干燥法[2]。应用该方法，将壁材和芯材融合配为W/O 水型乳液，添加至外相溶液中，可以获得W/O/W 多重乳液。经过加热、搅拌、萃取、冷却等处理，可以去除溶剂，获得微胶囊。应用该方法制备酶制剂微胶囊，能够在温和反应条件下进行，整个流程较为简单，能够降低成本。但与此同时，要求保证多重乳液体系稳定，需要通过加强工艺过程控制保证产品质量，因此应深入研究工艺优化问题。

2 酶制剂微胶囊的制备工艺优化

2.1 实验设计

2.1.1 实验条件

采用α-淀粉酶液作为芯材，要求酶活性达到8 000 U/mL，使用聚己内酯作为载体，其相对分子质量（Mn）分别为20 000、50 000、80 000，另外，准备二氯甲烷、聚乙烯醇、可溶性淀粉、柠檬酸、碘、磷酸二氢钾、乳化剂span80 等试剂，均为分析纯。通过开展单因素实验，对聚己内酯相对分子质量和质量浓度、乳化剂和聚乙烯醇质量分数、油水比几项参数指标进行调整，确定各因素给酶制剂微胶囊形貌、粒径带来的影响，可以对最优工艺条件进行确认。实验仪器包含T18 数显均质机、PLS-1810 低温恒温水槽、DZF-6050 真空干燥箱、Eclipse E400POL 光学显微镜、HITACHI/TM-3030 扫描电子显微镜、7502-PC 分光光度计和AL104 电子天平。

2.1.2 实验内容

在实验过程中，利用W1/O/W2双乳液进行微胶囊制备，在二氯甲烷中先添加适量聚己内酯，溶解后可以构成油相，聚已内酯质量浓度分别为20、30、40、50 mg/mL。对α-淀粉酶溶液进行配制，可以构成内水相，即W1。倒入油相中，添加乳化剂，质量分数分别为2%、2.5%、3.0%、3.5%。在冰水浴条件下，使均质机达到7 000 r/min 转速，经过3 min 处理后可以获得初乳液W1/O。制备聚乙烯醇溶液，即W2，向其中缓慢添加W1/O 初乳液，添加量分别占W2的2%、2.5%、3.0%、3.5%。使均质机达到5 000 r/min 转速，经过5 min 处理后，可以获得复乳液。温度提升至38 ℃，在200 r/min条件下进行搅拌，促使二氯甲烷迅速挥发，悬浮液中将产生微胶囊球体。在5 000 r/min 条件下对悬浮液进行离心，经过10 min 后，反复洗涤、离心3 次，将产物移至烧杯中，在真空条件下干燥、冷冻，能够获得微胶囊。

2.1.3 测试方法

对酶制剂微胶囊的品质展开评价，主要从物理特性上进行分析，确定囊和囊之间能否较好分离，并确定颗粒大小是否均匀，保证结构具有良好弹性和可塑性。为此，需要对不同工艺条件下制备的微胶囊进行测试，将微胶囊放入到水中，利用激光粒度测试仪进行粒径检测。在形貌测试上，使用光学显微镜和扫描电镜对表面形态和结构进行确认。此外，需要采用吸光度分析法对微胶囊载药量进行测定。利用淀粉酶，可以将淀粉分子链中葡萄糖苷键切断，生成葡萄糖、糊精、麦芽糖，促使淀粉对碘显色的反应消失，由原本蓝紫色转变为红棕色[3]。而酶活力越强，颜色变化越快。完成固定反应后，可知载药量为酶体积和微胶囊质量的比值。对微胶囊释放性能进行测试，可以在10 mL 磷酸缓冲液中添加50 mg 制备的微胶囊，在恒温水浴锅中经过30 min 加热。取1 mL 上层清液，利用光度计进行酶的吸光度测试，可以确定释放效果。

2.2 实验结果

2.2.1 聚己内酯使用带来的影响

实验使用的聚己内酯作为高分子材料，具有半结晶的特点，用于制备微胶囊需要经过熔化、结晶处理。而材料结晶将受到相对分子质量的影响，即相对分子质量越高，材料结晶温度越高。在聚己内酯质量浓度达到50 mg/mL，乳化剂质量占比达到3%，聚乙烯醇质量占比达到3%、油水比为1∶7 的条件下，逐渐增加聚己内酯的相对分子质量，可以发现制备的微胶囊粒径平均值随之增加。分析原因可知，在拥有更大相对分子质量时，意味着油相可以获得较大黏度，促使微胶囊的壳层厚度随之增加。在相对分子质量较小时，微胶囊可以快速结晶，但在溶剂难挥发的情况下，存在容易黏结的问题。在相对分子质量达到80 000时，可以确保微胶囊颗粒均匀，同时获得良好分散性，但与相对分子质量达50 000 时制备的微胶囊比较，彼此间差异不显著。为避免壳层过厚给后续活性酶释放带来困难，最终将聚己内酯相对分子质量设定为50 000。

从聚己内酯质量浓度变化上来看，在其他参数条件不变的情况下，可以得到浓度增加将促使微胶囊粒径平均值有所增加，如表1 所示，但与此同时，也出现破裂量不断增多情况。出现这一情况，主要是由于油相黏度的持续增加，将造成溶剂难挥发，成球过程中也容易因粘连发生破裂。而使用相同量的乳化剂，颗粒越大越难稳定，固化时越容易出现破裂情况。综合考虑颗粒大小和完整性等问题，需要将聚己内酯浓度设定为30 mg/mL。

表1 聚己内酯浓度实验结果

2.2.2 乳化剂和聚乙烯醇使用影响

对乳化剂和聚乙烯醇用量进行调整，从实验结果来看，同样会给微胶囊性能带来影响。对乳化剂用量进行调整，在其他参数不变的情况下，随着乳化剂用量的增加，形成的乳液越稳定。在乳化剂质量分数为2%以下时，乳液将会迅速分层，且分层高度较大；在质量分数提升至3%的条件下，经过20 min 后乳液才开始分层，分层高度较小；而质量分数提高至3.5%，乳液也将在20 min 后缓慢分层，与3%比例下的分层效果接近。乳化剂的使用主要会对乳液稳定性产生影响，继而对后续制备工艺产生影响，因此需要将乳化液用量设定为3%。而使用聚乙烯醇，将给微胶囊粒径带来直接影响，随着质量分数从2%提升至3.5%，微胶囊平均粒径值从5.3 μm 减小至2.7 μm。分析原因可知，在聚乙烯醇用量较少时，无法对乳液进行稳定，引发粒径分布范围宽的问题[4]。但从分散性角度来看，在聚乙烯醇质量分数达到3.5%时，由于配制的复乳黏稠度增加，同样会引发乳液不稳问题，造成微胶囊在固化过程中出现粘连问题，因此最终需要将聚乙烯醇用量设定为3%。

2.2.3 油水比变化带来的影响

所谓的油水比，实际就是油相和内水相的比值，将给微胶囊固化成球效果带来影响。在实验过程中，结合以往经验，可以将油水比分别设定为1∶7、1∶8.7、1∶11.7 和1∶17.5，从对应的微胶囊粒径平均值来看，分别为3.38、3.23、3.36、3.11 μm，彼此间的差异不大。但从溶液颗粒大小来看，油水比较小，将导致大颗粒存在。而适当增加内水相的比例，能够避免乳液与大颗粒发生过多碰撞，保证乳液稳定。但内水相过大，将造成产量下降。综合各项因素，最终需要将油水比设定为1∶8.7。

2.2.4 工艺优化效果分析

结合单因素实验结果，最终能够确定最佳工艺条件，将聚己内酯相对分子质量设定为50 000，质量浓度设定为30 mg/mL。与此同时，需要将聚乙烯醇和乳化剂质量分数统一设计为3%，油水比取1∶8.7，然后进行酶制剂微胶囊制备。从产品物理性能上来看，获得的产品表面光滑、粒径均匀，平均能够达到3.1 μm，体现出良好的分散性。为确定微胶囊的载药量，需要取3 份制备的微胶囊进行测试，在萃取液体积达到10 mL，微胶囊为0.05 g 的条件下，酶体积在2.2～2.7 μL间变化，载药量在44～53 μL/g 范围内。对微胶囊进行热分析，可知聚己内酯熔点达到56 ℃，因此需在60～80 ℃条件下对悬浮液进行加热，确定微胶囊释放性能。如表2、图1 所示，随着温度的增加，微胶囊释放性能呈现出先增强后减弱趋势。分析原因可知，刚开始随着温度的增加，微胶囊可以加快熔化，从而体现出良好释放效果。但温度超出70 ℃后，受淀粉酶温度条件影响，将造成酶活性变差，因此需要将悬浮液加热温度设定为70 ℃，确保可以达到55%释放性能。

图1 不同工艺条件下制备微胶囊释放性能

表2 最佳工艺条件下制备微胶囊释放性能

3 结语

针对酶制剂微胶囊制备难题，通过开展α-淀粉酶和聚己内酯微胶囊制备实验，确定聚己内酯相对分子质量、聚乙烯醇质量分数、油水比等单因素给微胶囊形貌、粒度和性能指标带来的影响，能够提出最优工艺条件。从分析结果来看，在聚己内酯相对分子质量达到50 000、质量浓度达到30 mg/mL，油水比为1∶8.7，聚乙烯醇和乳化剂质量分数均为3%的工艺条件下，可以制备出粒径均匀、光滑致密且分散的酶制剂微胶囊，达到55%加热释放性能和44～53 μL/g 的载药量，能够为制备高品质生物酶胶囊产品提供支持。