三偏磷酸钠交联淀粉微球的物理性能和吸附容量

三偏磷酸钠交联淀粉微球的物理性能和吸附容量摘要：用三偏磷酸钠作交联剂，乳化交联制备淀粉微球。

三偏磷酸钠交联淀粉微球(TSMs) 用扫描电子显微镜检查法、X射线衍射技术、傅立叶变换红外光谱来表征。

电镜图表明TSMs呈球形，表面光滑。

X射线衍射图表明TSMs大部分是无定形结构，傅立叶变换红外光谱也得到此结果。

在不同的三偏磷酸钠浓度下，研究交联度对TSMs粒径、溶胀度、吸附容量的影响。

结果表明，三偏磷酸钠浓度从0.1g/g增加到0.4g/g，TSMs粒径和吸附容量都随之增加，但溶胀度与三偏磷酸钠浓度成曲线函数，浓度为0.2g/g时溶胀度达到最大。

但是，当三偏磷酸钠浓度为0.4g/g时，粒径、溶胀度和吸附容量的变化很小，交联度几乎达到最大。

当前的研究表明TSMs可应用于食品添加剂的干燥粉末产品。

关键词：淀粉微球，乳化，交联度，三偏磷酸钠，吸附容量
1 引言
聚合物微粒（不管是微球还是微胶囊）在食品和制药行业中一般应用于添加剂和递药体系。

在食品行业，各种各样的食品成分（如维生素、益生菌、调味剂、生物活性肽、抗氧化剂等）可以装入胶囊或嵌入微粒中。

食品应用的微粒不仅可以掩盖一些食品成分的臭味，使液体转变为固体，而且还可以防止食品成分变坏。

此外，微粒对于食品成分的控释也被采用和发展。

不同的技术，包括喷雾干燥、挤压法、乳化法，被用来制备食品应用的微粒。

在这些技术中，乳化法对于食品工业和批量大规模生产是比较新的技术。

乳化技术中，水溶性聚合物不溶于油包水胶状液从而形成球形微粒。

近来，乳化法制备的微粒被证实可作为不同食品成分如维生素、益生菌和抗氧化剂的载体。

淀粉是一种高糖分的大分子化合物，由于其丰富、无毒、可食、低成本，具有生物降解能力和良好的成膜能力，被广泛用作制备微球的原材料，应用于食品和制药行业。

乳化法是制得淀粉微球的经典方法之一，此法基于淀粉链葡萄糖单位上的羟基和交联剂之间的交联反应。

交联是一种有效的方法，可以使微粒不溶于水，通过改变交联度还可以控制核心材料的释放。

因此，交联淀粉微球可以成为一种控释食品成分的载体。

在以前的文献中，环氧氯丙烷作为制备淀粉微球常用的交联剂。

此外，对苯二甲酰氯作为交联剂成功合成了淀粉微球。

但是，这些交联剂有毒，残留的交联剂会引起毒副作用。

近年来，更多提倡使用无毒交联剂。

对于淀粉，三偏磷酸钠是常用的交联剂之一，是毒性低的固体，还没有报道说其对人体有副作用。

因此，三偏磷酸钠引起淀粉微球研究的
注意。

Malafaya等人的研究表明，根据淀粉微球的交联情况和稳定性，6h的反应时间是最佳时间。

Dziechciarek等人分别用环氧氯丙烷和三偏磷酸钠制备淀粉微球，发现三偏磷酸钠淀粉微球的粒径是环氧氯丙烷淀粉微球的10倍。

在我们以前的研究中，亚甲基蓝作为模型药物，考察载药时间、溶剂、载药温度和亚甲基蓝浓度对淀粉微球吸附容量的影响，此外还研究了模型药物在模拟生理环境中的释放情况。

三偏磷酸钠除了毒性低，而且引入带负电荷的磷酸根，使得TSMs成阴离子淀粉微球，对含阳离子的成分吸附更强。

由于以上特性，TSMs特别适于包封含阳离子的食品成分。

但是，近年来TSMs的研究仍然比较少，而且几乎没有关于交联度对于TSMs物理性能和吸附容量影响的研究。

此外，不同学者对于TSMs结构组织的报道不一样。

因此，这些问题仍需进一步探讨。

我们在此次研究中用三偏磷酸钠作为交联剂，用乳化交联方法制备TSMs。

TSMs的形态用扫描电子显微镜检查法表征，X射线衍射技术、傅立叶变换红外光谱用于研究TSMs的结构组织。

而且，在不同的三偏磷酸钠浓度下，研究交联度对TSMs粒径、溶胀度、吸附容量的影响。

2 材料和方法
2.1 材料
可溶性淀粉和亚甲基蓝从北京奥博星公司购买，此次研究中的可溶性淀粉是马铃薯淀粉部分酸水解制得，不溶于冷水中，易溶于热水中。

Span80，北京益利精细化学品有限公司。

三偏磷酸钠的制备在另外的文章里已有报道。

其余所有试剂和溶剂都是一般标准的分析级。

2.2 TSMs的制备
用三偏磷酸钠作交联剂，乳化交联制备TSMs。

制备TSMs样品的流程图如图1，主要步骤和样品制备的参量如下：
水相：在烧杯中加50ml 0.5mol/L的NaOH溶液溶解10g可溶性淀粉，制成淀粉溶液。

在烧杯中加50ml去离子水溶解三偏磷酸钠制成三偏磷酸钠溶液。

混合前两种溶液并搅拌2分钟制成水相。

有机相：将150ml液体石蜡倒入三口烧瓶中，在三口烧瓶中安装增力搅拌器和回流冷凝管。

50℃时，将7.5g的span80加入到带有装置的液体石蜡中。

在400 rpm的机械搅拌下，逐滴加入15ml的水相，得到油包水乳状液。

交联反应发生在50℃时和400 rpm的持续搅拌下。

5h反应后，微球形成，用无水乙醇离心，用丙酮、石油醚、去离子水洗涤。

最后TSMs在40℃时真空干燥12h，置于密闭容器中。

这次研究中，三偏磷酸钠浓度从0.1g/g变化到0.4g/g，得到不同交联度的TSMs。

淀粉溶液三偏磷酸钠溶液液体石蜡 Span 80
水相 有机相
乳化
油包水乳状液
交联
洗涤
干燥
TSMs
图1 制备TSMs的流程图
2.3 扫描电子显微镜检测法
TSMs的形态用KYKY-2800扫描电子显微镜在25kv的操作条件下检测。

将所要检验的微粒放在金属探针上，然后在真空系统中用IB-3型金属离子溅射镀膜仪喷镀金膜。

2.4 X射线衍射法
这个实验中使用的是XD-2X射线衍射仪。

在36千伏和20毫安的镍滤色片的Kα射线辐射条件下，进行X射线粉末衍射分析。

实验中的散射强度用闪烁计数器来测量。

选用0.5°min-1的扫描速度和0.02°的抽样间隔，从3°到45°对样品进行扫描。

样品在室温下进行研究。

2.5 傅立叶变换红外光谱
用Nexus 470傅立叶变换红外光谱仪进行测量。

将压碎的干燥样品和KBr一起压膜成片，在4000到400 cm-1光谱范围间进行扫描。

记录之前，以空白KBr片做参比。

2.6 粒径分析
干燥微球分散在无水乙醇中，其粒径分布用2000激光粒子分析器来测量
TSMs样品的容量分布用制造商提供的计算机程序来计算。

结果用微计测来测量，D10, D50, D90分别表示粒径为整个样品10%，50%，90%的粒径值。

2.7 溶胀度的测量
改进Lin等人的重量法来测量溶胀度。

简单来说，将200mg的干燥微
球浸入20ml去离子水或NaCl溶液(0.01 mol/L, 1 mol/L)，在室温下浸泡24h。

测量溶胀TSMs重量的方法是，先用滤纸吸干微球除去表面的水，然后立即称重。

溶胀度通过方程(1)计算。

Q = (W s –W d)/W d (1)
W d表示溶胀微球的重量， W s表示干燥微球的重量。

2.8 TSMs中亚甲基蓝的测定
用溶胀平衡方法将模型药物亚甲基蓝嵌入TSMs中。

将50mg的微球置于锥形瓶中，加入100ml亚甲基蓝溶液(5μmol/L)，置于暗处2h。

嵌入TSMs亚甲基蓝的量通过亚甲基蓝溶液的减少量来计算，用紫外/可见光分光光度计在波长为665nm时测量。

吸收量通过方程(2)计算。

P = [374000(C0-C)×V]/M (2)
C0和C分别表示亚甲基蓝的初始浓度和终始浓度，通过吸光率-亚甲基蓝浓度曲线计算。

V表示亚甲基蓝溶液的体积，M表示微球的重量。

3 结果和讨论
3.1 TSMs的形态
图2 a和b显示了TSMs的形态。

这些微粒表明光滑，呈球形。

另一方面，TSMs分散性好，但又与其他微粒聚集，产生聚集主要与乳化作用有关。

当通过机械搅拌进行乳化时，乳液中小滴的粒度分布很广，因此在乳化和交联过程中，小滴的结合和破裂频繁发生。

所以，微粒之间的粘合（如聚集）不可避免。

图2 TSMs的电镜图 a单个微球(4000倍) b一群微粒(1000倍)
3.2 X射线衍射法得到的结构组织
可溶性淀粉、TSMs、三偏磷酸钠的X射线衍射图如图3。

由于三偏磷酸钠的晶体结构，三偏磷酸钠在2θ的10°和45°间出现多处明显的衍射峰。

对于可溶性淀粉，只有在2θ=17°时能观察到1个明显的衍射峰，这表明可溶性淀粉有晶区存在。

TSMs的X射线衍射图在13°和20°时有两处起伏，不像三偏磷酸钠和可溶性淀粉有那样明显的衍射峰，说明TSMs 大部分是无定形结构，结晶度很低。

没有三偏磷酸钠那样的衍射峰表明微球里面几乎没有交联剂保持结晶状态。

这个结果与Dziechciarek等人报道的一致。

但是Malafaya等人有不同的发现，因为有残留的三偏磷酸钠和结晶的淀粉，在其TSMs的X射线衍射图中可找到衍射峰。

这可能是由于不同的洗涤过程造成的，在用去离子水多次洗涤后，TSMs中残留
的三偏磷酸钠被除去，但是仍需进一步研究TSMs中是否存在结晶的淀粉。

图3 X射线衍射图：(a)三偏磷酸钠；(b)可溶性淀粉；(c)TSMs
3.3傅立叶变换红外光谱得到的结构组织
通过傅立叶变换红外光谱进一步研究TSMs的结构组织。

可溶性淀粉和TSMs的红外光谱分别如图4 a和b。

在可溶性淀粉谱图950-1200cm-1的区域，5个主要的可辨别的峰分别是波数1164, 1081, 1047, 1022, 983cm-1，肩峰出现在1047和1022cm-1。

在相同区域，TSMs谱图与可溶性淀粉不同，1047cm-1的峰无法辨别，但1022cm-1的峰更易辨别和分析。

983cm-1的峰移到更高的波数段，约为1000cm-1。

肩峰只有一个，出现在1022cm-1。

有研究表明波数950-1200 cm-1的区域对聚合物构造较为敏感，1047和1022 cm-1的峰说明有结晶性质。

1047cm-1的峰与规整淀粉或结晶淀粉的量有关，波数随着结晶度的增加而增加；而1022cm-1的峰表明淀粉具
有典型的无定形结构，波数随着结晶度的减少而增加。

1047/1022 cm-1的吸光度比值用来确定样品淀粉的规整度。

在我们的红外光谱研究中，根据1047/1022 cm-1的吸光度比值明显减少，说明无定形结构增加，同时结晶淀粉的量也增加。

此外，van Soest等人研究的麦芽糖糊精谱图和我们研究的TSMs谱图类似，其吸收带1047 cm-1也无法辨别。

红外光谱的结果表明TSMs大部分都是无定形结构，与X射线衍射法得到的结果一致。

出乎意料的是，在TSMs谱图中没有出现P=O，P-O-C的特征峰，可能是由于我们研究的TSMs交联度很低。

我们用特殊方法判断出TSMs中只有很少的淀粉与三偏磷酸钠进行了交联。

因此，P=O，P-O-C的特征峰没有被红外光谱测出。

图4 红外光谱图：(a)可溶性淀粉；(b)TSMs
3.5交联度对TSMs溶胀度的影响
图5显示了不同三偏磷酸钠浓度下的TSMs的溶胀行为。

在去离子水和NaCl溶液中，TSMs的溶胀度和三偏磷酸钠浓度成曲线关系。

三偏磷酸
钠浓度为0.2g/g，溶胀度达到最大，之后三偏磷酸钠浓度增加，溶胀度减少。

这与Dulong
等人研究的透明质酸凝胶微粒的溶胀行为相似，他们认为这种现象的产生是由于交联剂和三偏磷酸钠带来的负电荷相互竞争的结果。

TSMs的溶胀度随着交联度增加而增加，一方面，因为交联键能减少大分子链的迁移而限制溶胀度；另一方面，三偏磷酸钠带来的负电荷磷酸根促进了溶胀。

这两种相反的作用解释了TSMs的溶胀行为。

在此研究中，三偏磷酸钠浓度未达到0.2g/g时，TSMs的溶胀度主要被负电荷之间的排斥力所影响，浓度超过0.2g/g时，交联键的作用占主导地位。

当三偏磷酸钠浓度高时，充足的交联键减少了大分子链的迁移，使溶胀度减少。

在不同的溶胀环境中，TSMs在去离子水中的溶胀度最大。

当NaCl浓度增加时，TSMs的溶胀度急剧减少。

这是因为NaCl溶液离子浓度的增加使磷酸根负电荷之间的排斥力降到最小，从而限制了TSMs的溶胀。

图5交联度对TSMs溶胀度的影响
3.6 交联度对TSMs吸附容量的影响
如图6所示，三偏磷酸钠浓度从0.1g/g增加到0.4g/g，三偏磷酸钠浓度和亚甲基蓝载药量呈正相关的关系。

结果表明交联度在TSMs载药中起重要作用。

一方面，亚甲基蓝是含阳离子的分子。

另一方面，随着三偏磷酸钠浓度增加，TSMs交联度相应增加，也就是更多的负电荷磷酸根进入TSMs中，使得TSMs对正电荷物质的亲和性更好，因此三偏磷酸钠浓度和亚甲基蓝载药量呈正相关的关系。

但是当三偏磷酸钠浓度增加到0.3g/g以上，TSMs对亚甲基蓝的吸收量不再增加。

这个结果与粒径测量一致。

在这个浓度以上，交联度几乎达到最大程度。

图6交联度对TSMs吸附容量的影响
4 结论
当前的研究表明TSMs多数是无定形结构。

另外，我们的研究表
明TSMs的交联度不仅显著影响了溶胀度，而且影响了粒径和吸附能力。

三偏磷酸钠浓度从0.1g/g增加到0.4g/g，TSMs粒径和吸附容量都随之增加，而溶胀度是先增加，而后在浓度为0.2g/g时溶胀度达到最大值，最后溶胀度减少。

值得注意的是，TSMs的载药量与交联度是正相关的关系，这为测量TSMs的吸附容量提供了一个便利的方法。

这种特别的传递系统可应用于食品成分（特别是含阳离子食品成分）的包埋。