复合淀粉微球的制备及吸附性能研究8

唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：复合淀粉微球的制备及吸附性能研究 系 别： 环境与化学工程系 班 级： 07 化学工程与工艺（1）班 姓 名： 温高飞 指 导 教 师： 张素娟 2011 年 6 月 * 日1复合淀粉微球的制备及吸附性能研究摘 要采用反相乳液聚合法制备复合淀粉微球，以玉米淀粉和环糊精为原料，亚硫酸氢钾为引发剂，MBAA 为交联剂，大豆色拉油为油相，制备复合淀粉微球。用红外光谱仪、扫描电镜、激光粒度分析仪对产物进行表征；通过单因素实验考察原料配比、淀粉溶液浓度、乳化剂用量、交联剂用量、搅拌速率对复合淀粉微球制备的影响，并在单因素实验基础上通过正交实验确定最佳制备条件；用亚甲基蓝测定其吸附性能。结果表明：淀粉（2g）和环糊精（1g）在 2:1 的配比、乳化剂0.9g、MBAA0.4g、1200r/min 的搅拌速率条件下产物性能最佳。淀粉粒度分布较窄，表面光滑，微球平均粒径为 3267m，粒径在 14142m 的微球占 8O，粒径在 737m 的微球占 5O以上。21 引言淀粉微球是以天然淀粉为原料的一种人造衍生物，是淀粉在引发剂作用下，淀粉中的羟基与交联剂进行适度交联而制得的一种微球。淀粉微球因具有生物相容性、生物降解性、无毒性、贮存稳定、原料来源广泛、价格低廉等优点，目前已作为靶向制剂的药物载体在鼻腔给药系统、动脉栓塞技术、放射性治疗、免疫分析等领域得到应用；淀粉微球还可用作吸附剂及包埋剂吸附或包埋除药物之外其它物质，如香精、香料和一些酶、孢子；交联淀粉微球在金属离子吸附分离或废水处理等领域应用前景也十分广阔。从 20 世纪七八十年代国外学者就展开了对淀粉微球的研究，我国对淀粉微球的研究起步较晚，上世纪 90 年代开始有报道。从带电性来分，淀粉微球可分为阴离子、阳离子及非离子型淀粉微球：从磁性来分可分为磁性淀粉微球和非磁性淀粉微球。普通的淀粉微球具有被动靶向性，磁性淀粉微球具有物理化学靶向性。目前国内外关于淀粉微球的制备一般采用单一的天然淀粉或可溶性淀粉为原料，天然淀粉颗粒分子以氢键连接，外力很难完全破坏，不利于淀粉的交联聚合反应，通常存在微球产率低、粒径分布较宽、重现性不好、分散性差等缺点。-环糊精(-CD)能与大小、形状适当的疏水性分子形成主-客体包合物，与淀粉具有较好的相溶性。本实验以玉米淀粉和 -CD 为主要原料，采用反相乳液聚合法制备复合淀粉微球。通过单因素试验及正交实验优化复合淀粉微球制备工艺，并用亚甲基蓝测定其吸附性能，希望能够为复合淀粉微球制备提供理论和实践参考。1.1 淀粉及环糊精1.11淀粉天然淀粉及改性淀粉天然淀粉在自然界中广泛分布，植物的种子、根茎及果实中含量较高。是植物体内重要的储存多糖。3淀粉由许多葡萄糖分子以糖苷键连接而成。天然淀粉分两种类别，一种是可溶于水的直链淀粉（糖淀粉） ，另一种为不溶于水的支链淀粉（胶淀粉） 。这两种淀粉在不同植物中的含量不同：如玉米淀粉和马铃薯淀粉分别含有 27和 20的直链淀粉，其余的为支链淀粉；豆类淀粉全部为直链淀粉；糯米淀粉则全为支链淀粉。一般来说，天然淀粉中的直链淀粉占 1020，支链淀粉占8090。直链淀粉由葡萄糖分子通过 14 糖苷键连接而成，其真实结构是以平均 6 个葡萄糖单位构成一个螺旋圈，许多螺旋圈再构成弹簧状的空间结构。支链淀粉是一种带支链的多糖，其葡萄糖残基之间以 (14)糖苷键连接，支链平均 2432个葡萄糖残基，因此其相对分子质量比直链淀粉大。直链淀粉分子具有两个末端：一端由于存在一个游离的半缩醛羟基，具有还原性，为还原端。直链淀粉具有一个还原端和(N+1)个非还原端（N 为支链数） 。由于分子形状的不同，它们对有机化合物的吸附作用也不同，直链淀粉易与含极性基团的有机化合物通过氢键结合，失去水溶性而结晶析出。淀粉通常以白色固体颗粒形式存在，密度为 1.5g/m3,不溶于冷水，含有直链部分和支链部分。淀粉颗粒由于形成氢键的原因不溶于冷水。不同淀粉含有不同的分子链分布和颗粒结构。直链部分和支链部分呈辐射状分布。淀粉颗粒中含有无定形区和结晶区。支链淀粉中较短的链之间形成双螺旋结构，其中部分形成微晶区，其余的和微晶区形成半晶区。淀粉颗粒的其余部分称为无定形区，由直链和支链淀粉中的长链组成。无定形区渗透性较高，化学活性也比较高。将淀粉在水中加热，淀粉颗粒将吸水膨胀，主要发生在无定形区，结晶区具有弹性仍保持颗粒结构。随温度上升淀粉颗粒吸收水分越多，体积不断膨胀。达到临界值时，高度膨胀的淀粉相互接触形成半透明的粘稠糊状物，称之为糊化。此时的温度为糊化温度。改性淀粉是指淀粉经过物理、化学或生物化学的方法处理，改变其天然性质，增强其某些机能或引进新的特性而制备的淀粉产品。工业上常用的改性淀粉由预糊化淀粉、酸变性淀粉氧化淀粉、磷酸淀粉等。1.2 环糊精环糊精糖基转移酶作用于淀粉溶液可以得到一系列结构相关的寡糖，称为环糊精。由于环糊精的环状结构分子所具有的刚性，使得环糊精具有一定程度的抗酸、碱和酶的作用。它们在热的碱性溶液中较稳定，酸水解较慢，对淀粉酶也有较强抗性。环糊精以吡喃葡萄糖残基以 （14）糖苷键连接而成的环状结构分子，常见的有 6 个、7 个、8 个残基，分别称为 -环糊精、-环糊精、-环糊精。-环糊精(-CD)是将淀粉处理后，经环糊精糖基转移酶作用而得到的粉状结晶，由47 个葡萄糖通过 -1，4 糖苷键连接形成具有环状空洞特殊结构的环形低聚糖，含有伯醇羟基及仲醇羟基，分别位于空洞外面下边缘和上边缘，具有中空筒状结构，能与大小、形状适当的疏水性分子形成主-客体包合物，与淀粉具有较好的相溶性。环糊精不论结晶还是处于溶液中，都易与某些小分子或离子形成包含混合物，如极性的酸类、胺类。SCN 和卤素离子，无极性的芳香族碳氢化合物以及稀有气体都可以包含在环糊精形成的空穴里。这一特性使得环糊精在工业上具有极其广泛的用途。1.3 淀粉微球作用机制1.3.1 香精香料缓释作用淀粉微球在众多控释制剂中具有独特生物降解性、生物相容性、可调节降解速度、无毒、无免疫原性、贮存稳定等优点，将香精香料吸附于淀粉微球中，可延长香味散发时间，并将通常液态香精转换成固态，使物质不易变质。与不可降解聚合物控释体系相比，生物降解型体系释放速率更稳定、且适于不稳定物质释放要求。1.3.2 靶向给药和控释作用将药物结合于磁性淀粉微球用于体内，利用外加磁场引导微球在体内定向移动和集中，达到定向作用于靶组织目的；不仅能明显增加抗肿瘤药剂有效治疗指数还能减少或消除全身毒性 1。淀粉微球在水中膨胀，具有可变性，在血液循环过程中能根据血管微环境改变形状；在酶作用下，在骨架崩解前能保持相当长时间 2。1.3.3 改变物质物化性质液态物质吸附在微球表面或包埋在微球内部，可得到细粉末状产物，称为拟固体 2。如薄荷油系为一种挥发油，且在水中几乎不溶，分散性较差，成品质量不够稳定，致使其进一步开发受限。而薄荷油经淀粉微球吸附包载后可提高其稳定性 3，并由液态变为固态。淀粉属高分子物质，当其尺寸减小至纳米量级后，特性发生很大变化，主要表现在表面效应和体积效应两个方面。这两种效应使纳米淀粉微球表面积激增，官能团密度和选择性吸附能力变大，达到吸附平衡时间大大缩短，胶体稳定性显著提高 4。1.4 淀粉微球制备作为天然淀粉一种重要人造衍生物，淀粉微球具有外形规则、粒度均匀、具有适度膨胀性、相当孔容积和比表面积及良好机械强度等优点，已作为靶向制剂5药物载体在生物医药领域获得广泛应用；而用作金属离子吸附剂和用于处理含重金属离子废水也成为近年来国内外研究热点课题。但其在食品工业用作香精香料吸附或包埋剂、作为风味缓释剂研究较少；而食品工业经常需要将风味物质、香精香料和其它成分包埋，以求达到抗氧化等作用和在特定场合延缓释放效果。合成淀粉微球可采用界面缩聚法、反相悬浮交联等方法。现对微球制备研究主要集中在交联剂和油相选择上。常用交联剂有环氧氯丙烷、POCl 3、Na 3P3O9、对苯二甲酰氯 57 。而油相选择主要有两类：一类为混合油，即有机溶剂，如甲苯、氯仿、环己烷等与矿物油按一定比例混合而成；另一类为纯植物油，如大豆油、蓖麻油等。反应一般是在 WO 型反相乳液中进行，根据其不同用途，目前文献中较典型制备微球方法有：1.4.1 香精吸附剂、缓释用淀粉微球制备将香精香料吸附或包埋于淀粉微球中，能起到缓释作用。刘爱芳等 8以马铃薯淀粉为原料，以新配过硫酸钾及少许亚硫酸氢钠水溶液作引发剂，Span60 为乳化剂，植物油为分散剂，N，N /-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用悬浮交联聚合法制备淀粉微球。电镜扫描显示，微球表面粗糙，微球分散性良好，微球粒径l0180m，平均粒径 72lm，其对玫瑰香精吸附量达 133mgg。朱强等 9以可溶性淀粉为原料，环氧氯丙烷为交联剂，采用反相悬乳法合成淀粉微球，制备具有一定缓释性能香精缓释制剂；并研究淀粉微球对玫瑰香精吸附性能、相应缓释制剂释放性能及相关释放动力学。研究表明，制得淀粉微球形态圆整、颗粒均匀、平均粒径 10，吸附量大，但表面粗糙，在玫瑰香精体积分数为 40、吸附时间为115h、温度为 45条件下，其对玫瑰香精吸附量达 085gg，可作为玫瑰香精缓释制剂。缓释分为香精在固体表面释放阶段和进入固体微孔内释放阶段，从紫外分光光度法得出，随着时间延长，质量相等固体中香精含量缓慢下降，释放速率也逐渐减小。朱强等并据此拟合得出吸附于淀粉微球中香精分子释放一级动力学方程和释放进入微孔阶段行为二级动力学方程。李静茹等 3以可溶性淀粉为原料，大豆色拉油为分散剂，环氧氯丙烷为交联剂，以反相乳液聚合法合成可降解淀粉微球(DSM)，并用可降解淀粉微球吸附薄荷油制得包合物，测定吸附时间和投油量对饱和吸附量影响。结果表明，吸附 2h，薄荷油体积分数为 4，饱和吸附量为84.74lg 淀粉微球时为最佳吸附条件。1.4.2 药物载体用淀粉微球制备某些药物只有在特定部位才能发挥其药效，同时又易被消化液中各种酶分解，因此，作为口服药药效并不理想；但可用淀粉微球作为药物载体，避免药物受酶作用，并可控制药物释放速度 10。对大多数药物而言，可将干燥“空白”微球放6人药液中溶胀，这种方式简单，能大量载药；但药物与微球结合不牢，随血液流动，药物很快释放，缓释能力弱。对酶、蛋白质等大分子药物，可在制备微球时以水溶性药物与淀粉共同构成水相，经乳化聚合成球后，药物直接被包埋球内，此时微球也可称为微胶囊。此种方式较理想，可兼顾载药率和缓释性。对小分子药物较有效方法是偶联，即通过某些桥联化合物将微球与药物连接起来，通过化学方法将药物分子连接到微球上。但这种方式对药物分子结构有一定要求，且载药率低，药物与载体之间偶联与去偶联并不总是可逆的，这些因素限制其在偶联载药方面进一步应用。故目前对淀粉微球载药研究主要集中在吸附法和包埋法 4。史黎明等 11以玉米淀粉为原料，环氧氯丙烷为交联剂，采用逆相悬浮交联聚合法合成淀粉微球。电镜扫描显示，微球为圆形，分散性良好，表面粗糙，以酮洛芬为模型药物，微球吸附载药量为 140mgg。孙庆元等 12以可溶性淀粉为原料，环氧氯丙烷为交联剂，Span60 为乳化剂，植物油为油相，采用反相微乳法合成淀粉微球。制得淀粉微球形态圆整，颗粒均匀，吸附量大，基本可满足作为药物载体需要。王文莹等 13引对以马铃薯淀粉为主要原料所制得淀粉微球性能进行测定与研究，结果表明，所制得马铃薯淀粉微球呈圆形，表面粗糙；傅立叶红外光谱和元素分析显示，淀粉微球明显交联；在 pH7.4 磷酸缓冲液及 0.9生理盐水中淀粉微球也表现出较好载药、释缓性能。1.4.3 碳糊电极修饰用淀粉微球制备碳糊电极是一种应用颇为广泛的化学修饰电极，制作简便，灵敏度高，稳定性好，常用以检测痕量物质(10 -410 -8molL)。在碳糊电极中加入特定修饰剂即得到修饰碳糊电极，其基本原理在于所含修饰剂对分析物富集作用。常用修饰剂有离子交换树脂、吸附剂、络合剂、金属配合物、生物材料(如变性淀粉)等 14。苏秀霞等 14以玉米淀粉为主要原料，菜籽油为分散剂，Span60 和 Tween60 复配为乳化剂，以 N，N /-亚甲基双丙烯酰胺(MDAA)为交联剂，采用反相乳液法制备淀粉微球，其粒径为 1015，玻璃化转变温度为 188.7194.7。结果表明，以此微球为修饰剂制备修饰碳糊电极(CMCPE)，伏安法(CV)研究显示微球对抗坏血酸有富集作用，这种富集作用可能与两者发生分子氢键缔合作用有关。赵新法等以淀粉微球为修饰剂制备修饰碳糊电极，选择具有多个羟基和烯醇结构抗坏血酸为模型药物，采用循环伏安法扫描，通过比较不同工作电极作用下抗坏血酸氧化特征，可推论淀粉微球对抗坏血酸富集作用更多依赖于微球结构中-0H、-NH 2与抗坏血酸分子中-OH 之间氢键缔合作用。1.4.4 磁性淀粉微球制备淀粉微球用作酶、孢子吸附剂，可提高其化学稳定性，且有利于酶等活性物7质活性发挥。如采用磁性淀粉微球固定化脂肪酶，大大提高酶稳定性，且利用磁场很简便把酶从含有胶体物质或不溶物反应液中回收并重复使用，因此，磁性固定化脂肪酶具有很广泛应用价值和经济效益 16。邱广亮 1采用乳化复合技术制备粒径为 50375mm、分散系数为 0.2376、Fe 3O4质量分数为 38的具有磁性淀粉复合微球。微球呈球形，表面光滑，在水中可形成稳定分散液，在 0.05T 弱磁场中具有强磁响应性。邱广亮等 17采用复合技术制备粒径为 100300n磁性淀粉复合微球，并以此为载体通过物理吸附法、交联法、共价结合法固定化ALDC(Acetolactate decarboxylasd，-乙酰乳酸脱羧酶，EC4.1.1.5)，制备磁性固定化 ALDC，并将其应用于啤酒发酵，证明降低双乙酰效果良好，啤酒熟化期缩短。磁性固定化 ALDC 可稳定分散于发酵液中，施以外部磁场，可简单方便与酒液分离，不影响啤酒风味，从而实现生产连续化、自动化，缩短生产周期，大大降低生产成本。杨小玲等 18引先合成表面接羟基磁流体，再在表面包覆上一层可溶性淀粉，采用悬浮聚合法和分散聚合法交联聚合成球，制得表面带羟基磁性复合微球。经红外光谱、扫描电镜及粒度分析，结果表明，悬浮聚合法合成效果好，磁性淀粉复合微球分散性优，粒径为 l6120m 占 77，Fe 3O4在微球中平均含量为 2.55mgg，微球结构坚韧，抗水溶性好。1.4.5 离子化淀粉微球制备交联淀粉微球(CSM)，其粒度分布较均匀、机械强度好、孔隙率较高、相当孔容积和比表面积，具有较强吸附性能，是一种有巨大开发潜力吸附材料，可用于金属离子吸附分离或废水处理等领域。李仲谨等 19以淀粉为原料，N，N /-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用反相悬浮聚合得到一种交联淀粉微球(CSM)，并研究 CSM对 Cr3+吸附行为。结果表明，淀粉微球表面粗糙多孔，交联后淀粉微球结晶性下降，吸附 Cr3+后其结晶性进一步下降，淀粉微球对 Cr3+吸附行为很好符合Langmiur 方程和 Freundlich 方程，为淀粉微球在含铬工业废水中应用提供理论依据。肖吴江等 20以可溶性淀粉为原料，环己烷和水构成反相悬浮体系，Span60 和Tween60 为复配乳化剂，N，N /-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用反相悬浮聚合法合成中性淀粉微球，再用醚化剂 GTA 与中性淀粉微球反应，制得平均粒径较小、结构致密阳离子淀粉微球。运用红外光谱、扫描电镜、粒度分析仪对产物进行表征分析，实验结果表明，该阳离子淀粉微球结构致密、强度高，平均粒径为15.2m，并接枝有季胺盐阳离子基团，可吸附各种离子。除可作为药物载体外，还可作为工业吸附剂，在废水处理、分子印记等诸多领域得以应用。于九皋等 6以淀粉或淀粉衍生物为原料 POCl3为交联剂，采用逆相悬浮交联聚合技术合成阴离子淀粉微球 PSM。以淀粉为基质中性微球为原料，用 Na3P309作交联剂进行二次交联8和阴离子化，得到另一种阴离子型淀粉微球 TSM；并对阴离子淀粉微球表面形态、粒径分布、溶胀性及吸附能力进行研究。有关文献表明，可溶性淀粉颗粒呈不规则形状，大小不一；而淀粉基阴离子微球则大小较均匀，球形圆整，表面粗糙多孔。淀粉基阴离子微球，除可用作药物载体外，亦可通过对其官能团修饰或改性后，用作安全无毒吸附剂，有望在废水处理、分子印记、模拟酶催化等领域获得应用。 1.4.6 纳米淀粉微球制备纳米淀粉微球粒径很小，具有巨大自由表面，使纳米粒子具有较高胶体稳定性和优异吸附性能，能较快达到吸附平衡，因此，纳米淀粉微球可直接用于生物物质吸附分离。将纳米淀粉粒压成薄片制成过滤器，由于过滤器孔径为纳米量级，故在医药工业可用于血清消毒(引起人体发病病毒大小一般为几十纳米) 4。此外，淀粉微球还可用于特殊目的不相溶物质分离，由于微球化后隔离各个组分，故可阻止两种活性成分之间化学反应。对于两种能发生反应活性组分，若其中之一被微球化，在与另一种成分相混合时，始终不发生反应，直到需要反应时，可通过某种方式使微球损毁，经两种活性成分互相接触，反应即可发生 21。反相微乳液法是制备纳米淀粉微球新方法，可分为二类：一类是将淀粉溶液分散于一定体积油相中制成油包水(WO)型反相微乳液后，加人适量交联剂，直接使淀粉高分子链交联成球；另一类是先通过接枝反应在淀粉分子上引人不饱和键，成为自由基进攻部位，然后再通过引发剂引发自由基聚合反应生成微球，但这种方法需很长时间，因而目前普遍使用第一种方法制备淀粉微球。过程为将淀粉溶解在水中，作为水相分散于含有适量表面活性剂有机溶液中，形成均匀、稳定、透明微乳液，在快速搅拌状态下，加入适量交联剂，使处于溶解状态淀粉分子交联成细小微球从液相析出。由于固相成核、成长都是在微小液滴里完成，液滴大小限制颗粒长大，从而得到纳米级淀粉微球 4。1.5 淀粉微球的应用1.5.1 药物载体淀粉微球作为药物载体与其他合成高分子类药物载体相比，具有可生物降解性、生物相容性、无毒性、无免疫原性及原料来源广泛、价格低廉等显著优点。淀粉微球载药后由于其缓慢降解，使药物缓慢持续地被释放，具有缓释作用，药物最终以低浓度缓慢被机体吸收，能够显著减低药物的毒副作用。张黎等制备了阿司匹林淀粉微球，其对蟾蜍口腔上腭纤毛无明显毒性 1。淀粉微球的载药方法常用的有 3 种：吸附法、包埋法和二次偶联法，其中包埋法和二次偶联法的载药量9和包封率是最高的，但是二次偶联法涉及化学反应，较为繁杂且药物不易释放，而包埋法要求药物是有水溶性。在制备淀粉微球时，加入具有磁性的氧化铁、四氧化三铁或其他磁性离子，可以得到磁性淀粉微球，可以在磁场作用下容易快速分离，还可以容易地被磁力控制、定位、定向、移动和测定。用于体内，利用外加磁场引导微球在体内定向移动和集中，达到定向作用于靶组织的目的，不仅能明显增加抗肿瘤剂的有效治疗指数，还能减少或消除全身毒性。1.5.2 废水治理淀粉微球外形规则，粒度均匀，具有适度的膨胀性，相当的孑 L