海藻酸钠_壳聚糖_海藻酸钠生物微胶囊的制备_王家荣

第20卷第4期宁波大学学报（理工版）V ol.20 No.4 2007年12月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE ) Dec. 2007

文章编号:1001-5132（2007）04-0516-04

海藻酸钠－壳聚糖－海藻酸钠生物微胶囊的制备

王家荣，金谊，刘望才，高浩其

（宁波工程学院化学工程学院，浙江宁波 315016）

摘要：采用两步法制备了海藻酸钠－壳聚糖－海藻酸钠(ACA)生物微胶囊，并考察了氯化钙浓度、海藻酸钠浓度、壳聚糖浓度及其pH值以及柠檬酸钠溶液pH值对微胶囊性能的影响. 实验结果表明：胶囊粒径随氯化钙浓度和海藻酸钠浓度的增加而增大，胶囊的膜厚随壳聚糖浓度的增加而增厚，随壳聚糖溶液pH值的增加而降低；而在胶囊液化处理过程中，柠檬酸钠溶液的pH值对微胶囊的机械强度有很大的影响. 当氯化钙浓度为1.5％，海藻酸钠浓度为2％，壳聚糖浓度和pH值分别为1.5％和5.0及柠檬酸钠溶液的pH值为7.2时，可制得粒径为2.65mm、机械强度为150mN的ACA生物微胶囊.

关键词：海藻酸钠；壳聚糖；生物微胶囊

中图分类号：O648.17 文献标识码：A

固定化细胞技术是20世纪60年代由生物化工中的固定化酶技术发展起来的生物技术[1]，其固定化微生物细胞的方法主要有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法. 而微胶囊法是包埋法中的一种制备方法，是指用半渗透性薄膜固定活体组织或细胞的微胶囊，使之能够反复使用. 制备胶囊的天然高分子载体主要有琼脂、海藻酸钙、壳聚糖、角叉菜胶和明胶等，合成有机高分子凝胶载体有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和光硬化树脂等. 由于微胶囊制造具有制备简单、损耗小、生物互适性好和后处理方便等特性，自Sun发明海藻酸钠－聚赖氨酸－海藻酸钠(APA)微胶囊以来，微胶囊技术被广泛用于动植物细胞、微生物及酶的固定化、蛋白质及其他化合物的分离提纯、污水处理和药物控释等领域[2]，而微胶囊的机械强度是影响其能否进行实际应用的重要性能指标.

海藻酸钠－壳聚糖－海藻酸钠(ACA)生物微胶囊是以聚电解质复合结构为囊膜和以海藻酸钠溶液为囊芯物的微胶囊. ACA生物微胶囊的制备目前主要有一步法、两步法[3]和复合法. 一步法是将壳聚糖和氯化钙的混合溶液直接滴到海藻酸钠溶液中，反应形成微胶囊，或者将海藻酸钠溶液滴入到壳聚糖和氯化钙的混合溶液中；两步法是首先将海藻酸钠溶液滴到氯化钙溶液中钙化成核，然后分别用壳聚糖、海藻酸钠溶液进行包覆成膜，最后用柠檬酸钠溶液进行液化处理，得到微胶囊；复合法是先制备壳聚糖－海藻酸钠微胶囊，然后以双功能团分子对微胶囊表面进行交联，但对微胶囊的重要特性—胶囊的机械强度未见文献报道. Anselmo等人[4]用各种载体制备的微胶囊对含酚废水处理进行

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比较后，认为海藻酸钙作为载体处理效果最佳. 本文采用两步法制备ACA 生物微胶囊，并详细考察了氯化钙、海藻酸钠浓度对微胶囊粒径大小的影响，壳聚糖浓度和pH 值以及柠檬酸钠溶液pH 值对微胶囊机械强度的影响，优化了ACA 生物微胶囊的制备条件，得到性能良好的ACA 生物微胶囊.

1 实验部分

1.1 实验药品

海藻酸钠(Sodium Alginate ，SA)购自Sigma 公司，壳聚糖(CHIT ，乙酰度>90％)，氯化钙(AR)，生理盐水(0.9％NaCl)，柠檬酸钠(AR). 实验中所有溶液均用生理盐水配置. 1.2 ACA 生物微胶囊的形成机理

海藻酸钠存在于褐藻类中的天然高分子，从其结构上看是由β-1,4结构的D 型甘露糖醛酸的钠盐(M)和α-1,4结构的L 型古罗糖醛酸的钠盐(G)共聚而成[5]，如图1所示，其可以与二价金属离子络合形成水凝胶. 由于壳聚糖分子链上有大量的伯氨基，海藻酸钠的分子链上有大量的羧基，壳聚糖和海藻酸钠可以通过正负电荷吸引形成聚电解质膜，其过程如图

2所示

.

图

1 海藻酸钠的分子结构

图2 ACA 生物微胶囊形成过程

1.3 制备方法

为使ACA 生物微胶囊能用于工业废水处理，

本实验采用两步法优化制备ACA 生物微胶囊.

首先采用注射器(内径0.5mm)将一定浓度的海藻酸钠溶液注射到1.5％的氯化钙溶液中，搅拌数分钟，使海藻酸钠液滴钙化成球，洗涤钙化后的胶球，并将其转移到壳聚糖溶液中，使其反应数分钟，进行第一次包覆处理. 洗涤包覆后的胶球，再将其放入海藻酸钠溶液中反应数分钟，进行第二次包覆处理. 洗涤包覆后的胶球，最后用柠檬酸钠溶液将胶球核液化，制成ACA 生物微胶囊. 1.4 微胶囊性能的测定 1.4.1 粒径的测定

随机取制得的钙化胶粒若干，分别用游标卡尺测量其粒径，取其平均值. 计算公式为：

/.i D D n =∑ 1.4.2 机械强度的测定

采用按压法，以微胶囊的正面所能承受的最大压力来表征其机械强度. 将微胶囊放在电子天平托盘上，用手指按压，破裂时承受的压力即为微胶囊的机械强度. 每批取15个微胶囊测定，取其平均值.

1.4.3 膜厚的测定

一批微胶囊用液氮冷冻固定后作切片，在显微镜下测定其膜厚度，取其平均值.

2 结果讨论

2.1 CaCl 2溶液浓度对胶球直径的影响

海藻酸钠可以与二价金属离子钙“交联”形成

稳定的海藻酸钙凝胶球[6]，从图3可以看出：海藻

图3 CaCl 2溶液浓度对胶球直径的影响

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酸钙胶球直径随着CaCl 2浓度的增加而增大. 原因是随着CaCl 2溶液浓度的上升，溶液中可与海藻酸钠结合的Ca 2+含量增加，故而形成了更致密的凝胶结构和更大的直径. 但考虑到用于固定生物分子，高浓度的CaCl 2会对其有破坏作用，因此建议适宜的CaCl 2浓度为1.5％.

2.2 海藻酸钠浓度对胶球直径的影响

恒定CaCl 2浓度为1.5％，实验考察了海藻酸钠溶液浓度对胶球直径的影响，如图4所示. 从图4可看到随着海藻酸钠浓度的增加，胶球的直径也逐渐增加. 若海藻酸钠浓度过高，则溶液粘度增大，滴加时阻力很大；海藻酸钠浓度过低，滴加时球粒难以控制. 因此在实际应用中，可以适当调整海藻酸钠浓度来控制微胶囊直径，建议适宜的海藻酸钠

浓度为2％

.

图4 海藻酸钠对胶球直径的影响

2.3 壳聚糖浓度的影响

壳聚糖浓度主要影响聚电解质膜的形成速度和厚度，从而影响微胶囊的稳定性. 从图5可以看出：壳聚糖的浓度越大，形成的膜越厚，机械强度也随之提高. 但实验发现，若壳聚糖浓度过高(＞2％)，易导致膜的开裂，因此建议适宜的壳聚糖浓

度为1.5％

.

图5 壳聚糖浓度的影响

2.4 壳聚糖溶液pH 值的影响

ACA 胶囊膜的形成是一个静电吸引过程，通过壳聚糖分子中的氨基(聚阳离子)与海藻酸钠分子中羟基(聚阴离子)的正负离子的吸引过程[7]，在胶球的表面形成膜，壳聚糖溶液的pH 值对胶球成膜过程影响很大[8]，主要是影响壳聚糖分子中氨基的质子化程度. 从图6可以看出：随着pH 的增加，壳聚糖分子中的氨基质子化程度逐渐降低，导致其膜的厚度变薄，机械强度逐渐降低. 但考虑到微生物的固定化条件，因此建议适宜的壳聚糖溶液pH

值为

5.0.

图6 壳聚糖溶液pH 值的影响

2.5 柠檬酸钠溶液pH 值的影响

为得到核壳结构微胶囊，在成膜后用55mmol

的柠檬酸钠溶液进行液化处理. 柠檬酸钠溶液的pH 对微胶囊的机械强度有很大影响. 实验发现：过低的pH 值会使微胶囊的机械强度降低，而且导致胶囊的溶胀性较大，具体数据见表1. 从表1可以看到：当柠檬酸钠溶液的pH 值控制在7.2时，可得到性能良好的微胶囊.

表1 柠檬酸钠溶液pH 的影响

pH 值 (PBS 缓冲液)

机械强度 / mN

6.1 60

7.2 150

8.0 120

注：CaCl 2溶液浓度为1.5％；海藻酸钠浓度为2％；壳聚糖浓度、PH 值分别为1.5％和5.0.

3 结论

(1)增加氯化钙浓度和海藻酸钠浓度，会使微