复凝聚薄荷油微胶囊的制备

第 28 卷 第 5 期 2009 年 10 月 天 津 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY Vol.28 No.5 October 2009 复凝聚薄荷油微胶囊的制备 范光龙，张 华 （天津工业大学 改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 300160） 摘 要：以明胶与阿拉伯胶作为壁材，探讨复凝聚法制备薄荷油微胶囊的. 通过光学显微镜观测和粒径分布的 测定，研究了不同因素对成囊性的影响. 以微胶囊的含油量为制备工艺评价指标，通过正交实验法得到该工 艺的最佳制备条件. 确定的最佳工艺条件为：pH为 4.1，壁材质量分数为 5%，芯壁比为 1∶4，40 ℃，转速 400 r·min. 在上述条件下，可形成表面光滑、大小均一的单核微胶囊，其含油量为 90.2%. 经红外光谱，证实 了薄荷油已被包埋. 该法制得胶囊的最小中值粒径为 13.0 μm，该样品中 30 μm以下约占 80%. 关键词：薄荷油；微胶囊；复凝聚；粒径 中图分类号：R285.5 文献标识码：A 文章编号：1671－024X（2009）05－0014－05 Preparation of mentha oil microcapsule formed by complex coacervation FAN Guang-long，ZHANG Hua （Tianjin Municipal Key Lab of Fiber Modification and Functional Fiber，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China） Abstract：A complex coacervation method was used to prepare mentha oil microcapsule with gelatin and gum arabic as wall materials. The effects of fabrication parameters on encapsulation were obtained by using optical microscope and determination of particle size distribution. The inclusion rate of mentha oil was used to evaluate the technologies based on orthogonal design. The optimum preparation conditions for inclusion were established as pH was 4.1，wall material concentration was 5%，the ratio of core to wall was 1∶4，40 ℃，400 r/min. Under the above optimal condition，microcapsules with smooth surface and uniform sizes were formed， and the content of mentha oil in the microcapsule is 90.2%. The formation of the microcapsule can be proved by Fourier Transformed Infrared Spectrophotometer. The average diameter of the microcapsule is 13.0 μm， the ratio of the microcapsule with a diameter below 30 μm is approximately 80%. Key words：mentha oil；microcapsule；complex coacervation；diameter 收稿日期：2009-06-18 作者简介：范光龙（1983—），男，硕士研究生；张 华（1961—），女，教授，硕士生导师. E-mail：hua1210@126.com 薄荷为唇形科薄荷属多年生宿根草本植物，全草 入药，主要有效成分是薄荷挥发油，具有多种药理功 能，能够消炎镇痛以及止痒安神，用于风热感冒、风湿 初起、头痛、目赤、喉痹、咽喉肿痛、口舌生疮、牙痛等 症[1-3].薄荷油常温下有较强的挥发性，遇光和热不稳 定.为了便于其体外发挥疗效，提高稳定性，可将薄荷 油制成微胶囊包裹物，通过缓释达到所需效果.相分 离法是制备油溶性或水不溶性药物胶囊的有效方法， 如酮康唑、布洛芬、薄荷醇及挥发油等均可以采用这 种方法制备.复凝聚法的特点是用 2种或多种水溶性 高分子溶液，在适当的条件下由于电荷中和而从溶液 中凝聚，从而将芯材包覆形成微胶囊[3-4]，相对于单凝 聚法更易于掌握，成功率高，产品粒径较小且均匀，药 物相对包封率亦较高[5-6].明胶及阿拉伯树胶粉等材料 以其生物可降解、低毒等优点，目前广泛应用于药物 新剂型的研究[7-8].本实验研究复凝聚法制备薄荷油微 胶囊，采用胶囊的含油率作为包合效果的评价指标， 采用正交实验法优选包合薄荷油工艺，可提高包埋效 率、降低生产成本. 1 实验部分 1.1 实验药品 明胶（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公 第 5 期 司）；阿拉伯树胶粉（分析纯，天津市科密欧化学试剂 有限公司）；薄荷油（吉安市恒诚天然香料油提炼厂）； 质量分数为 25%的戊二醛溶液（分析纯，天津市科密 欧化学试剂有限公司）；冰乙酸（分析纯，天津市赢达 稀贵化学试剂厂）；氢氧化钠（分析纯，天津市化学试 剂三厂）；无水乙醇（分析纯，天津市江天化工技术有 限公司）；对-二甲基苯甲醛（分析纯，天津市天新精细 化工开发中心）；浓硫酸（分析纯）. 1.2 实验仪器 JB50-D型增力电功搅拌器（上海标本模型厂）； HH-S 型水浴锅（巩义市予华仪器有限责任公司）； VIS-7220紫外可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公 司）；DT2100型分析天平（北京光学仪器厂）；DL-1G1- 1电热鼓风干燥机（天津市中环实验电炉有限公司）； SHZ-DⅢ循环水真空泵（巩义市予华仪器有限责任公 司）；CQX-25-06超声波清洗器（上海必能信超声有限 公司）；TL80-1型医用离心机（姜堰市天力医疗器械有 限公司）. 1.3 实验方法 1.3.1 成囊因素的影响讨论 在其他条件不变的情况下，分别讨论壁材浓度、 芯壁比、成囊温度、搅拌速度及 pH对薄荷油微胶囊成 囊的影响. 1.3.2 正交试验 根据 1.3.1成囊因素的影响选取影响较大的因子 设计正交实验，以胶囊含油量为评价指标说明各因素 对薄荷油微胶囊形成及含油量的具体影响. 1.3.3 薄荷油复凝聚微胶囊的制备 本实验采用复凝聚法制备薄荷油微胶囊.具体方 法如下：称取一定量的明胶在搅拌条件下加热溶解成 水溶液，取少量薄荷油加入明胶水溶液中，然后加入 等体积同浓度的阿拉伯树胶溶液，把囊芯分散成所需 大小的水包油分散体系.保持温度、搅拌速度不变滴 加体积分数为 10%的醋酸溶液调节 pH至 4.0左右， 此时溶液粘度增加，体系浊度增加.溶液冰浴冷却至 10℃以下，随后滴加质量分数为 10%的 NaOH溶液调 节 pH至 9～11，加质量分数为 25%戊二醛溶液 5 mL搅 拌 10 min，升温至 50℃完成固化.将所得溶液常温静 置离心得到沉淀物干燥得到微胶囊. 1.3.4微胶囊效果的评价公式 微胶囊含油量=微胶囊中挥发油含量 微胶囊质量 ×100%（1） 1.3.5 曲线的绘制 标准溶液的配制：精确量取 0.1 mg薄荷油溶液 （薄荷油密度为 0.883 mg/mL），用等体积乙醇水溶液定 容于 200 mL容量瓶，摇匀后取 2、4、6、8和 10 mL溶 液至 50 mL容量瓶中用等体积乙醇水溶液定容. 比色剂的配制：量取 85 mL蒸馏水至 1 000 mL烧 杯中，再量取 136 mL浓硫酸缓缓加入水中（1.6∶1），不 断搅拌，必要时冰浴降温，再准确称取 1.00 g对-二甲 氨基苯甲醛加入 200 mL棕色容量瓶中，用配制好的 硫酸溶液定容，摇匀溶解后备用[9]. 分别取薄荷油、壁材及混合物加比色剂墨色处理 后，在 600~330 nm区间扫描其吸收值，见图 1；后根据 薄荷油与壁材的重叠吸收峰测试其吸收值，并比较以 选取合适的波长作吸收峰，见图 2. 图 1中，壁材与薄荷油的吸收峰重叠，重叠峰位 593、571、559.5、548.5、496.0、439.5、430.0 nm 没有发 生位移，可选取 1处吸收值最大做薄荷油标准曲线. 选取上述 7处波长做同浓度的芯材、壁材及芯壁材混 合物溶液加比色剂的吸收值曲线，根据薄荷油吸收值 的大小及壁材的影响，选取 559.5 nm波长作为标准曲 线，如图 3所示. 得到的该标准曲线的线性回归方程为： 图 2 不同波长下吸收值 Fig.2 Absorbance under various wavelengths a、b、c分别为同浓度下壁材、薄荷油及薄荷油与壁材混合物比色剂溶液 不同波长下的吸收值. 1#为薄荷油；2#为壁材与薄荷油；3#为壁材 图 1 薄荷油溶液加比色剂的紫外-可见光谱（330~600 nm） Fig.1 UV-Vis spectra of mentha oil with chromogenic agent 1.000 0.750 0.500 0.250 0.000 330.00 波长 / nm 载 荷 /N 400.00 500.00 600.00 1# 2# 3# 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 420 吸 光 度 440 460 480 500 520 540 560 580 600 波长 / nm a b c 范光龙，等： 复凝聚薄荷油微胶囊的制备 15— — 天 津 工 业 大 学 学 报 第 28 卷 图 3 559.5nm处薄荷油的标准曲线 Fig.3 Standard curve of mentha oil under 559.5 nm Y = 0.015 9 + 0.001 67X （2） 相关系数 R = 0.997 04，可见薄荷油在 559.5 nm 处的吸收值与浓度呈良好的线性关系. 双组份物质吸收峰重叠时，其吸光值 A1+2 = ε1bC1+ ε2bC2 = A1 + A2（C1、A1、C2、A2分别为明胶和阿拉伯树胶 粉溶液浓度与吸光值）.上述浓度的壁材溶液（20 mg 微胶囊溶液超声离心取上清液 5 mL定容至 10 mL）， 低浓度时壁材的吸收曲线为 Y = 0.000 637 937+0.000 011 629 1X，R = 0.001 74. 工作曲线的绘制：吸光值的测定按以下步骤进 行：取 1 mL溶液于 10 mL试管，加 5 mL比色剂，摇匀 后沸水加热 2 min，自来水冷却 2 min，以比色剂和醇 水混合溶液为参比，15 min 内用紫外分光光度计在 439.5 nm处测定吸光值，依次测定薄荷油溶液 5个样 品的吸光值，制作薄荷油溶液的线形回归方程. 1.3.6 样品芯材含量的测定 取 20 mg样品于容量瓶中，加入 20 mL无水乙醇， 水浴超声处理 30 min，离心 10 min后取 5 mL上清液 定容至 10 mL容量瓶，用分光光度计测定其 559.5 nm 处吸光值（按上述步骤），据已测定的标准曲线计算样 品的含油量. 1.3.7 红外分析 取芯材、壁材及胶囊各适量，采用德国 BRUKER TENSOR37型傅里叶变换红外光谱仪，在相同条件下 测其红外光谱图. 1.3.8 微胶囊粒径分析 分析复凝聚法制备微胶囊中影响其粒径的因素， 采用日本 Horiba la-300颗粒粒度分布分析仪分析反 应结束后的包合乳液，绘制包合物的粒度分析图. 2 结果与讨论 2.1 成囊因素影响的讨论 在其他条件不变的情况下，分别变化壁材浓度、 芯壁比、成囊温度、搅拌速度及 pH，以讨论各因素对 薄荷油微胶囊成囊的具体影响. 2.1.1 浓度水平变化的影响 浓度水平变化分别为质量分数 2%、4%、5%、6% 和 8%，可见各浓度水平均可形成形态良好的胶囊，不 同浓度下成囊的影响见表 1.在芯壁比不变时，形态变 化不大，但质量分数为 8%时溶液粘度较大，形成胶囊 数量未呈现成比例增加.质量分数为 2%时形成胶囊 数量太少. 2.1.2 转速水平变化的影响 其他条件不变，分别从 300~600 r/min变化转速水 平以观察该因素对成囊的影响，见表 2. 如表 2所示，当转速为 300 r/min时形成胶囊数量 很少，且有少量油相未被包埋，可能由于转速太低，油 相不能良好乳化所致.在 400~600 r/min之间变化时可 明显看出胶囊数量的变化有增加趋势且粒径明显减 少.这些现象说明粒径大小与转速关系密切. 2.1.3 芯壁比水平变化的影响 其他条件不变，变化芯壁比例以观察该因素对成 囊的影响，见表 3. 表 1 浓度水平变化对成囊的影响 Tab.1 Effects of wall concentration on encapsulation 质量分数/% 形态 成囊数量 溶液粘度 2 光滑、无杂质 少 适宜 4 光滑 多 适宜 5 表面有凹陷 很多 适宜 6 表面有凹陷、有破裂 多 稍粘稠 8 表面凹陷、有杂质 多 粘稠 注：其他条件为 45℃，芯壁比 1∶6，500 r/min，pH=4.1 表 2 转速水平变化对成囊的影响 Tab.2 Effects of mixing speed on encapsulation 注：其他条件为壁材质量分数 3%，pH=4.1，芯壁比 1∶6. 转速/（r·min-1） 粒径大小 成囊数量 300 很大 少 400 大 较少 500 较小 多 600 小 很多 表 3 芯壁比水平变化对成囊的影响 Tab.3 Effects of ratio of core to wall on encapsulation 注：其他条件为 45℃，质量分数水平 4%，500 r/min，pH=4.1. 芯壁比 形态 1:2 囊壁薄、有较多未包埋油相 1:4 囊壁较薄、有少量未包埋油相 1:6 胶囊形态良好、无未包埋油相 1:8 胶囊形态良好、无油相液滴 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 20 吸 光 度 40 60 80 100 质量浓度 /（μg·mL-1） 16— — 第 5 期 如表 3所示，芯壁比水平变化中当芯壁比 1 ∶ 2 时，未包埋油相较多，1 ∶ 4时有少量未包埋油相，芯壁 比 1 ∶ 6无未包埋油相，可见芯壁比低于 1 ∶ 4时包埋 情况良好. 2.1.4 pH的影响 其他条件不变的情况下，调节最终的成囊 pH值， 观察该因素对成囊的影响，见表 4. pH变化时其他条件为 45 ℃，芯壁比 1 ∶ 6，500 r/ min，壁材质量分数为 3%.如表 4所示，pH下降时胶 囊数量明显增加，4.7~3.8等 4个水平无明显变化均高 于 5.0，但 pH为 3.8时已有部分胶囊破裂形态不佳， pH为 3.5与 3.2时，胶囊数量明显减少，且大部分已 褶皱破裂，此次 pH调节过程中连续取样，在正常调节 pH时以 4.1形成胶囊形态及数量最佳. 2.1.5 温度水平变化的影响 温度水平变化时其他条件为：壁材质量分数 6 %， 转速 500 r/min，pH=4.1，芯壁比 1 ∶ 6，30 ℃与 60 ℃水 平比较，壁材质量分数为 6%时前者溶解较慢，且溶液 粘度大，成囊易团聚，高温溶液粘度低，有利于胶囊形 成，40℃与 50℃变化不大. 2.2 正交试验 2.2.1 正交试验设计 根据成囊因素讨论结果，选取影响较大的四个因 子设计四因素三水平 L9（34）正交试验，讨论了壁材浓 度、薄荷油与壁材比例、反应速度、搅拌速度对薄荷油 微胶囊形成及含油量的影响.试验如表 5，分析结 果见表 6. 2.2.2 L9（34）正交试验表及实验结果 薄荷油微胶囊的正交实验安排及含油量分析见表 6，从含油量分析四因素对胶囊含量的影响程度依次为 A>B>C>D，其中 A2>A3>A1，B1>B2>B3，C1>C2>C3， D1>D3>D2，由此可知最佳胶囊化条件为 A2、B1、C1、 D1，即是：壁材质量分数为 5%，芯壁比为 1 ∶ 4，40 ℃， 400 r/min.壁材浓度及芯壁比对胶囊含油量影响较大. 2.2.3 验证试验 以含油量为优化指标选取最佳条件，即在壁材质 量分数为 5%（w/w）、芯壁比为 1 ∶ 4、40 ℃、400 r/min 条件下进行实验并验证其结果，胶囊含油质量分数为 90.2%，高于各实验中的含油量，结果证实了该方案的 可行性. 2.3 红外分析 红外光谱分析如图 4所示. 由图 4可见，比较微胶囊制备前后 1 000～2 000 表 5 正交试验各因素水平表 Tab.5 Factors and levels of orthogonal experiment 水平因素 A壁材 质量分数/% B芯壁比 /（mL:g） C温度 /℃ D转速 /（r·min-1） 1 4 1:4 40 400 2 5 1:6 50 500 3 6 1:8 60 600 表 6 正交试验安排及结果 Tab.6 Design and results of orthogonal experiment 因素 A B C D 含油质量分数/% 实验 1 1 1 1 1 57.4 实验 2 1 2 2 2 36.8 实验 3 1 3 3 3 31.1 实验 4 2 1 2 3 76.7 实验 5 2 2 3 1 72.0 实验 6 2 3 1 2 68.2 实验 7 3 1 3 2 67.8 实验 8 3 2 1 3 79.3 实验 9 3 3 2 1 63.3 均值 1 41.767 67.300 68.300 64.233 均值 2 72.300 62.700 58.933 57.600 均值 3 70.133 54.200 56.967 62.367 极差 30.533 13.100 11.333 6.633 图 4 FTIR谱图 Fig.4 FTIR spectra 透 过 率 a薄荷油 b壁材 c薄荷油与壁 材混合物 d薄荷油微胶囊 01 0002 0003 0004 000 1 711.33 1 374.621 452.77 2 928.62 2 960.74 2 959.99 1 125.031 725.98 1 454.791 377.44 1 454.071 726.24 波数 / cm-1 范光龙，等： 复凝聚薄荷油微胶囊的制备 表 4 pH对成囊性的影响 Tab.4 Effects of pH on encapsulation pH 形态 成囊数量 5.3 表面光滑、形态良好 少 5.0 表面光滑、形态良好 少 4.7 表面光滑、形态良好 较多 4.4 表面光滑、形态良好 多 4.1 表面光滑、有少量杂质 多 3.8 少量表面凹陷、有杂质 较少 3.5 部分表面凹陷、有破裂 少 3.2 表面凹陷、有破裂、杂质多 少 注：其他条件为 45℃，芯壁比 1 ∶ 6，转速 500 r/min，壁材质量分数 3%. 17— — 天 津 工 业 大 学 学 报 第 28 卷 cm-1红外区间透射峰的变化，发现胶囊与壁材有很大 差异，混合物中薄荷油在 1 725.98、1 454.79 cm-1两处 的特征峰在形成胶囊后依然存在，壁材中没有出现， 而混合物中薄荷油 1 377.44、1 125.03 cm-1处的特征峰 在成囊后消失，混合物与胶囊明显存在差异，说明薄 荷油已被包埋进微胶囊. 2.4 微胶囊粒径分析 各实验条件对微胶囊粒径有一定影响，溶液粘度 与粒径大小成反比关系，因此低浓度高温条件下溶液 粘度较低时形成的胶囊粒径较小，溶液中较少的芯材 可以在更高的转速下分散成更好的乳液，因此能促进 小粒径胶囊的形成.实验中发现正交系列实验 3形成 的粒径最小，与上述分析一致.作者在实验 3的条件 下，即壁材质量分数 4%、芯壁比为 1∶8、60 ℃、600 r/ min 时进行了多次实验，产物颗粒粒度分布如图 5 所示. 粒径分布最小的样品的中值粒径为 13.0 μm，该 样品中 30 μm以下约占 80%，最小粒径约为 0.5 μm、 最大粒径约为 70 μm.但胶囊的粒径受人为因素影响 较大，重复性差. 3 结 论 （1）壁材存在时薄荷油比色剂溶液在 593、571、 559.5、548.5、496.0、439.5、430.0 nm 的吸收峰没有发 生位移，选取 559.5 nm处吸收值做标准曲线. （2）本试验采用复凝聚法制备薄荷油微胶囊，分 别讨论了各因素对薄荷油微胶囊成囊的影响，选取四 因素设计 L9（34）正交实验并以胶囊含油量作为评价 标准，得到最佳制备条件为：壁材质量分数 5%，芯壁 比 1∶4，40 ℃，400 r/min，采用该条件做验证试验含油 质量分数为 90.2%，高于各实验中的含油量，证实了该 方案可行. （3）正交系列实验中发现：壁材质量分数为 4%、 芯壁比为 1∶8、60 ℃、600 r/min条件下，胶囊粒径为各 水平下最小，多次重复实验得到的理想样品中值粒径 为 13.0 μm，30 μm以下约占 80%，最小粒径约为 0.5 μm、最大粒径约为 70 μm，胶囊粒径受人为因素影响 较大，重复性差. 参考文献： [1] 国家药典委员会. 中国药典 [M].北京：化学工业出版社， 2005：261. 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