（应用化学专业论文）壳聚糖微胶囊的制备与研究.pdf

摘要 壳聚糖无毒、无害，易于生物降解，不污染环境，在生物医学等 领域有着非常广泛的应用。通过正交实验设计，我们首先对壳聚糖的 降解进行了实验研究和显著性分析，确定壳聚糖降解的最佳条件为： h 2 0 2 浓度4 、温度5 0 、反应时间4 h r 、h a c 浓度2 5 。并对降解 后壳聚糖的两项主要性能指标脱乙酰度和粘度进行了测试。 本课题研究了以正壬烷为囊芯，壳聚糖和明胶为壁材，采用复凝聚 法制备明胶一壳聚糖微胶囊的原理和方法。并对影响微胶囊合成的主要 因素如系统浓度、p h 值、交联时间、复凝聚时间、乳化速度、芯壁比 等进行了试验，确定了比较适宜的反应工艺条件。 微胶囊的粒径大小和分布是微胶囊性能的一个重要指标，它不仅 影响缓释微胶囊的缓释性能，也影响包覆隔离微胶囊的隔离性能。本 实验对所制备的微胶囊颗粒的形貌、粒径等参数进行了测定，发现所 制备的微胶囊外观规整圆滑，平均颗粒粒径约数个微米，分布较集中， 而且分散均匀。 另外，本课题针对微胶囊囊芯的缓释性能进行了一定的理论研 究，讨论了温度、粒径大小、交联度等因素对微胶囊释放速率的影响。 通过实验测定了微胶囊分散液对温度、p h 值的稳定性。结果表明制备 的微胶囊对温度、p h 值稳定，可以满足其在后继加工、储存和实用中 的要求，是适合生物、医药、食品和化妆品行业的理想材料。 关键词：微胶囊；明胶；壳聚糖；复凝聚；缓释 a s t u d y o n p r e p a r a t i o n o fc h i t o s a n m i c r o c a p s u l e s a b s t r a e t c h i t o s a ni sa s a f e ，e n v i r o n m e n tc o m p a t i b l e p o l y m e r i t d o e sn oh a r mt oh u m a n b e i n ga n di se a s yt ob eb i o d e g r a d e d a l l t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k et h e c h i t o s a n w i d e l y u s e di n b i o c h e m i c a la n dm e d i c i n a lf i e l d t h r o u g ho r t h o d o xe x p e r i m e n t ， w ea n a l y z e dt h ed e g r a d e d p r o c e s so fc h i t o s a n ，f o u n dt h eo p t i m a l c o n d i t i o nf o rc h i t o s a nd e g r a d i n gi s ：t h ec o n c e n t r a t i o no f h 2 0 2i s 4 ，a tt h et e m p e r a t u r eo f5 0 r e a c t i o nt i m ei s4 h ra n dh a c c o n c e n t r a t i o ni s2 5 a f t e rt h ec h i t o s a nw a s d e g r a d e d t h et w o m a i n p a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d ：d da n dv i s c o s i t y i nt h i s t h e s i s ，w e s t u d i e dt h e p r i n c i p l e a n dm e t h o do f p r e p a r l n gc h i t o s a n 。g l u t i n m i c r o c a p s u l eb yc o m p l e x c o a c e r v a t i o n ，w h i c hw a sc o m p o s e do fn - n o n a n ea sc o r em a t e r i a l ， c h i t o s a na n dg l u t i na ss h e l lm a t e r i a l t h e nw ei n v e s t i g a t e dt h e m a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ef o r mo f m i c r o c a p s u l e ，s u c ha ss y s t e m c o n c e n t r a t i o n s ，p hv a l u e ，a s s o c i a t i o n c o a c e r v a t i o n e m u l s i f i c a t i o n c o m p l e x s p e e d ， r a t i oo fs h e l l c o r em a t e r i a l s f i n a l l y ，w e s e ts u i t a b l e r e a c t i o n c o n d i t i o n sf o rt h er e a c t i o n t h es i z ea n di t sd i s t r i b u t i o no f m i c r o c a p s u l ep a r t i c l e sa r e i m p o r t a n tp a r a m e t e r so fm i c r o c a p s u l e s i tw o u l da f f e c tn o to n l y t h es l o wr e l e a s ep r o p e r t yo f m i c r o c a p s u l e ，b u ta l s ot h ei s o l a t i o n p r o p e r t y o f m i c r o c a p s u l e a f t e rt h e m i c r o c a p s u l e s w e r e p r e p a r e d ，t h em o r p h o l o g ya n ds i z eo ft h em i c r o c a p s u l ep a r t i c l e w e r ei n v e s t i g a t e db ye l e c t r o nm i c r o s c o p e t h e r e s u l t ss h o wt h a t t h ep r e p a r e dm i c r o c a p s u l e sh a v e r e g u l a ra n dr o u n da p p e a r a n c e w i t ha v e r a g ep a r t i c l es i z ea b o u ts e v e r a lm i c r o - - m e t e r s ，a n di t s s i z ed i s t r i b u t i o ni sm o r en a r r o w i na d d i t i o n ，w es t u d i e dt h es l o wr e l e a s ep r o p e r t yo f c o r e m a t e r i a li nm i c r o c a p s u l e s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，p a r t i c l es i z ea n d a s s o c i a t i o nd e g r e e ，e t c t h es t a b i l i t yo f m i c r o c a p s u l ed i s p e r s i n g s y s t e mt ot e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ew a si n v e s t i g a t e da s w e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m i c r o c a p s u l ep r e p a r e di ss t a b l et o t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u e ，a n ds a t i s f i e dt h e r e q u i r e m e n t si n l a t e r p r o c e s s ，s t o r a g ea n da p p l i c a t i o n ，w h i c hm a k e si ts u i t a b l e f o r b i o c h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o d s t u f fa n dc o s m e t i c i n d u s t r y k e y w o r d s ： m j c r o c a p s u l e s ；g l u t i n ； c o a c e r v a t i o n ：s l o wr e l e a s e c h i t o s a n ； c o m p l e x 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德祟尚严谨学风。所里交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：纠剑节 日期：如牛年二月偌日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：期剑滓 指导教师签名 f 日期：删年上月肜日日期：。牛年1 月i 自 钮一 奢 犷 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 微胶囊的基本概念 微胶囊是以高分子材料为壁材制成的内有某些物质的微小包封 物。包在内部的物质称作芯、核或填充物，而外面的胶囊称为皮、壳 或保护膜。被包封物与囊壁为分离的两相，这是微胶囊的特征。 微胶囊的大小一般在2 2 0 0 h m 范围内，理论上可制成在 0 0 1 1 0 0 0 0 9 m 的微胶囊。囊壁的厚度一般在0 5 1 5 0 1 t m 范围内，0 5 i t m 以下的壁厚亦可制各。按质量计算，芯材在胶囊中所占的比例一般在 15 一9 5 之间，但在不少应用场合中，不需要很高的比例。可呈现各 种形状，如球形、粒状、肾形、谷粒形、絮状和块状【2 1 。 被高分子包囊材料所包裹的物质叫囊芯物。多数的气体、液体和 固体材料可以被包封在微胶囊中【3 。被包封的材料可以是亲水的亦可 以是疏水的，如成像显色微胶囊，包囊了无色染料、光氧化剂及有机 化合物，曝光时，囊芯物显影成像。而作为光记录介质和光敏记录材 料的微胶囊。则包囊有卤化银、还原介质、可聚合化合物、彩色成像 剂和固体精细粒子，在热和光的作用下，显影成像1 4 1 。在药物微胶囊 中，除主药外，还加入附加剂，如稳定剂、稀释剂以及控制药物释放 的阻滞剂等。总之，囊芯物的品种极其繁多，如溶剂、增塑剂、色料、 燃料、催化剂、香料、交联剂、化学反应剂、显色剂、药物、生物材 料、食品、化学药剂、泡胀剂、防锈剂等 s l 。 微胶囊的壁材既有天然高聚物，也有合成高聚物。壁材的组成决 定工艺和产品的性质。理想的壁材应具备以下性质【6 】： ( 1 ) 具有分散、稳定作用以及成膜性； ( 2 ) 能将芯材密封在其结构内，与外界环境隔绝： ( 3 ) 能在适当条件下溶解并释放芯材； ( 4 ) 不会与芯材发生反应： ( 5 ) 具有良好的操作性，如能溶于水或乙醇等溶剂；高浓度下具 良好的流变性质；在干燥或其它脱溶剂条件下，可完全释放加工 中采用的溶剂； ( 6 ) 经济性。 表1 1 列出了一些常用壁材。但是，几乎没有一种壁材能同时满 足以上所有性质。在实际应用中。它们往往与其它壁材，和抗氧化剂、 表面活性剂、螯合剂等联合使用。囊壁可以是单层结构也可是多层结 构。微胶囊可以是单层结构也可是多层结构1 7 。 表1 1 ：微胶囊技术中常用壁材的种类 碳水化合物淀粉、变性淀粉、麦芽糊精、玉米糖浆固体、环糊精、 蔗糖、乳糖、住、茁酶多糖、纤维素、胶体、葡聚糖 蛋白质谷蛋白、麦醇溶蛋白、酪蛋白、明胶、乳清蛋白、大 豆蛋白、肽、啦红蛋白、鸡蛋清蛋白 脂类腊、石蜡、蜂蜡、三硬脂酸、单甘脂、双甘脂、油、 脂肪、氢化油 1 。1 。2 微胶囊技术的进展【8 】 1 1 2 1 微胶囊技术的早期发展【9 l 微胶囊并不是一项新技术，早在1 9 3 0 年美国n a t i o n a l c a s h r e g is t e tc o 公司就研究过微胶羹技术。微胶囊技术的商业化是在 1 9 5 4 年，用于无碳复写纸。在这一应用中，无色染料经过化学方法进 行微胶囊化处理，使其成为小于2 0 微米的细胞，然后将其涂在纸下边， 并在其外层涂有无色试剂，当微胶囊颗粒受到钢笔或铅笔的压力而破 裂，并与试剂发生反应产生颜色，这种复写纸在1 9 8 1 年的产量为5 0 0 ， 0 0 0 吨，并有继续增长的势头。 美国s o u t h w e s tr e s e a r c hi l l s t i t u t e 对微胶囊技术也作过早期的 研究，开发了一种机械方法将液态或固态物质包在一种在室温下为固 态的壁材中。在1 9 5 0 年，他们成功地开发出一系列具有一定规模的微胶 囊包埋设备，并将其成功地应用到食品领域，研制出微胶囊化桔油。 美国w i s c o n s i n 大学药学博士d a l e e w u r s t e r 发明了药片的包衣和制 粒工艺一一气流悬浮技术，即将壁材喷在悬浮的微粒表面。后来这一 技术演变成现在大量使用的流化床制粒系统，广泛应用于食品的微胶 囊加工。 1 1 2 2 微胶囊技术的发展前景 1 o 】 到2 0 世纪8 0 年代中期，微胶囊技术已经在医药、农业和化工等方 面得到了广泛的应用。鉴于微胶囊化带来的巨大优越性，目前越来越 多的科学工作者正把微胶囊技术应用于更为广泛的领域中，来改善物 质传递体系的运行。国外尤其是日本，每年申报的有关微胶囊技术的 专利就达上百件。同国外相比，我国的微胶囊技术还处于起步阶段， 微胶囊主要以进口为主，因此还需要进一步开发微胶囊技术的应用场 合及基础理论的研究。 随着微胶囊技术的纵深发展出现了一种静电喷雾法制备微胶囊的 技术，这种方法制备的微胶囊的粒径较均匀且为纳米级一一纳米微胶 囊。由于纳米微胶囊具有的独特性质，使它的应用领域更为广泛。美 国i b m 公司首席科学家a r m s t r o n g 曾说过：纳米技术将成为2 l 世纪信息 时代的核心。微胶囊技术也将成为本世纪的另一闪光点。 目前，影响微胶囊技术发展的主要因素是壁材的开发。随着人们 对微胶囊认识的不断深入，随着新材料、新设备的不断出现，微胶囊 技术的研究、开发及其应用将会取得更大的发展。 1 1 3 微胶囊化方法及原理 依据囊壁形成的机制和成囊条件，微胶囊化方法大致可分为三类， 即化学法、物理法和物理化学法1 1 l o 1 1 3 1 化学法【”。1 3 l 化学法一般包括： 界面聚合法，界面聚合法的原理是将两种活性单体分别溶解在 互不相溶的溶剂中，当一种溶液被分散在另一种溶液中时，两种溶液 中的单体在相界面发生聚合反应而成囊； 原位聚合法，即单体成分及催化荆全部位于芯材液滴的 内部或者外部，发生聚合反应而微胶囊化； 锐孔法，界面聚合和原位聚合法均是以单体为原料，并经聚合 反应形成囊壁。而锐孔法则是因聚合物的固化导致微胶囊囊壁的 形成，即先将线性聚合物溶解形成溶液，当其固化时，聚合物迅 速沉淀析出形成囊壁。因为大多数固化反应即聚合物的沉淀作用， 是在瞬间进行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加 到固化剂中之前，预先成型，锐孔法可满足这种要求，这也是该 法的由来。 1 1 。3 2 物理法【”1 5 】 物理方法有： 喷雾干燥法，将芯材分散于囊壁材料的稀溶液中，形成悬浮液 或乳浊液。将此分散液送到含有喷雾干燥的雾化器中，分散液被雾化 成小液滴，液滴中所含溶剂迅速蒸发而使壁材析出成囊； 空气悬浮法，即应用流化床的强气流将芯材微粒( 滴) 悬浮于 空气中，通过喷嘴将调成适当粘度的壁材溶液喷涂于微粒( 滴) 表面。 提高气流温度使壁材溶液中的溶剂挥发，则壁材析出成囊； 真空蒸发沉积法，该法是以固体颗粒作为芯材，壁材的蒸气凝 结于芯材的表面而实现胶囊化： 静电结合法，即先将芯材与壁材各制成带相反电荷的气溶胶微 粒，而后使它们相遇通过静电吸引凝结成囊； 溶剂蒸发法，即将芯材、壁材依次分散到有机相中，然后加到 与壁材不相溶的溶液中，加热使溶剂蒸发、壁材析出而成囊。 包结络合物法，该法是利用b 一环糊精中空且内部疏水 外部亲水的结构特点，将疏水性芯材通过形成包结络合物而形成分子 水平上的微胶囊； 挤压法，这是一种在低温条件下生产微胶囊的技术，原 理是将在一种液化的碳水化合物介质中的芯材与壁材混合物经过模 孔，用压力将其挤进壁材的凝固浴，壁材析出并硬化成囊。 1 1 3 3 物理化学法( z 6 - 1 s 4 物理化学法有： 水相分离法，即由胶体间电荷的中和以及亲水胶粒周围水相溶 剂层的消失而成囊的方法。水相体系中的相分离法可分为复凝聚法、 单凝聚法、盐凝聚法和调节p h 值聚合物沉淀法。复凝聚法，即指在壁 材分散相中含有两种以上的亲水胶体，通过调节介质p h 值等，使带异 性电荷的两种胶体之间因电荷中和而溶解度降低，引起相分离而产生 凝聚；单凝聚法是以一种高分子材料为胶囊囊壁材料，将囊芯物分散 到囊壁材料中，然后加入凝聚剂，由于水与凝聚剂结合，致使囊壁材 料的溶解度降低而凝聚出来，形成微胶囊；盐凝聚法是指把一种电解 质加到聚合物的水溶液中，因引起相分离而微胶囊化；调节p h 聚合物 沉积法是利用在碱性或酸性条件下，某些聚合物变得不溶解的性质来 实现微胶囊化的。 油相分离法，其原理是向囊壁材料的聚合物的有机溶剂溶液 中，加入一种对该聚合物为非溶媒的液体，引发相分离形成微胶囊； 干燥浴法( 复相乳化法) ，该法的基本原理是将芯材分散到壁材 的溶剂中，形成的混合物以微滴状态分散到介质中，随后，除去连续 的介质而实现胶囊化； 熔化分散冷凝法，即当壁材( 蜡状物质) 受热时，将芯材分散在 液态中，并形成微粒( 滴) 。当体系冷却时、蜡状物质就围绕着芯材形成囊壁，从而产生了 微胶囊。 1 1 4 微胶囊的功能和应用 1 1 4 1 微胶囊的功能【”】 敏感性成分经过胶囊化后，可改变原来的色泽、形状、质量、体 积、溶解性、反应性、耐热性、贮藏性等待性，能够贮存微细状态的 芯材物质并在需要时释放出来。 改变物料的存在状态、质量和体积 液体芯材经胶囊化后可转变为细粉状固体，其内部仍是液相，故 仍能保持良好的液相反应性。部分液体香料，经包埋后转变为固体颗 粒，以便于加工、贮藏和运输。物质经胶囊化后，其质量有所增加， 也可制成合有空气或空心胶囊而使其体积增加。 隔离物料问的相互作用，保护敏感物质 物料通过胶囊化以后，可避免受环境中氧气、光线、高温、水汽、 紫外线等不良因素的干扰，提高其在加工时的稳定性并延长产品的货 架寿命。如茶饮料中的色素物质易受光、热、酸等因素作用而不稳定。 经包埋后可形成稳定的包埋物。 掩盖不良风味、降低挥发性、保香 有些食品添加剂，因带异昧或色泽而影响被添加食品的品质。如 果将其胶囊化，可掩盖其不良风味、色泽；改变其在食品加工中的使 用性。易挥发的食品添加剂，经胶囊化后可抑制挥发、减少其在加工 时的损失，降低了成本。食品或饮料中的天然香气成分经包埋后，其 挥发性、氧化和热分解作用显著减缓、使香气持久、恰人。 控制释放 物质经微胶囊化后，可对其释放时间和释放速率进行控制。利用 这些特点，在食品工业中可以滞留一些挥发性化合物，使其在最佳条 件下释放。如饮料工业中加入防腐剂( 如苯甲酸钠) 与酸味剂直接接触 会引起失效，若将其胶囊化后可增强对酸的稳定性，并可设计在最佳 状态下释放出来发挥防腐作用，延长防腐剂作用时间。通过预先设计 并选用适当壁材，还可实现特殊的释放模式达到某种特殊效果。 降低食品添加剂的毒理作用 利用控制释放的特点，可通过适当的设计对芯材的生物可利用性 进行控制，尤其对化学合成添加剂，包埋可减少其毒理作用。 1 1 4 2 微胶囊技术的应用 一、微胶囊技术在食品业的应用1 2 0 - 2 3 ) 微胶囊技术在烘烤食品中的应用 随着人们生活水平的提高，日常饮食向精、细、白发展，患高血 压、冠心病、糖尿病等疾病的人日趋增加。而膳食纤维能预防以上疾 6 病。如果将膳食纤维直接加入烘烤食品中，不仅影响食品的外观，而 且影响食品的内在组织结构和口感。通过膳食纤维微胶囊化处理后添 加到烘烤食品中，不仅可以改善制品的品质，还可以使人预防便秘、 肥胖、高血压等疾病。为满足某些特殊需要，也可在烘烤食品中加入 微胶囊化的食品添加剂。 微胶囊技术在乳品业中的应用 在乳品加工中，微胶囊技术的应用大体可分为新型乳制品的开发 及干酪生产所用的酶制剂的制取等。秦立虎【io 】报道姜汁奶粉的生产情 况。因为姜汁直接与奶粉混合很容易造成姜汁中香辛成份的挥发酸败， 并且姜汁中的某些成份还极易造成奶粉的结块，影响该产品的销售。 如果把姜汁先进行微胶变化后再和其它辅料一起与奶粉混合，则不但 可以保持姜汁奶粉辛辣感的长久性，而且还能使其整个保质期内无结 块等现象的发生。此外，微胶囊技术还可用于其它乳品的生产，如果 味奶粉的生产、发泡奶粉的生产、可乐奶粉的生产、啤酒奶粉的生产、 膨体乳制品的生产等。 微胶囊技术在饮料中的应用 在茶饮料加工中，由于茶叶中含有多种对外界因素如光、热、氧气、 酸、碱等敏感的物质，这些物质包括维生素c 、维生素b 、茶多酚等。 它们会在茶饮料的生产和贮藏过程中产生不利现象和不利反应，破坏 茶饮料原有的色泽和风昧。用微胶囊技术，采用合适的壁材物质，对 条饮料中的组分进行包埋处理以后，可大大提高明感物质对光、氧气、 热、酸、碱等的抵抗力。这样，可保持茶饮料的香味，阻止或减少茶 乳酪的产生。此外，还可用微胶囊技术生产色泽明快、风味独特、分 散性和稳定性均十分优秀的微胶囊复合果蔬饮料。 微胶囊技术在油脂生产中的应用 在油脂生产中，利用微胶囊技术极大地提高粉末油脂产品的质量， 并拓宽应用范围，几乎所有的油脂，加花生油、芝麻抽、苏子油、鳗 骨油、大蒜油、薄苟素油等均可转化成固体粉末油脂。此外，微胶囊 抗氧化剂能很好地满足油脂的稳定性，它在高温油炸下仍有较满意的 抗氧化效果，能使油脂的使用寿命延长4 倍以上。 二、微胶囊技术在医药上的应用 在医药上，通过将药物微胶囊化，可以降低药物的毒副作用，增 加药物的稳定性和有效利用率，实现药物的靶向释放：同时可以延长 释放时间，减少施药次数，达到药物治疗剂量，进行有效控制的目的 2 4 - 2 6 。此外，微胶囊技术还提供了一种组织细胞移植治疗的免疫隔离 方法【1 3 】。 三、微胶囊技术在农业中的应用 随着人们环保意识的增强，农药的毒性、安全性及残效性要求提 高，要成功的合成一种高效、低毒、残效期长的新农药时间长、成本 大。而微胶囊技术作为农药加工中的一项新技术，其微胶囊农药具有 持效期长、控制释放、毒性小、安全方便等特点。现在的许多研究者 用微胶囊技术研制除草剂、杀虫剂等27 1 ，以满足2 1 世纪农业发展的需 要。 四、微胶囊技术在纺织业中的应用1 2 8 - 3 0 微胶囊技术在纺织业中的应用起步较晚，但已经形成了良好的发 展势头。它主要用在印染和后整理方面，如转移印花、立体发泡印花、 热敏变色印花、多色点印花、织物的留香整理、阻燃整理、抗菌防臭 整理等。将阻燃剂微胶囊化后对织物进行阻燃整理或加入纺丝原液中 纺丝，可制成阻燃效果较好的织物或纤维。对于混纺织物，因为各种 纤维在结构上存在差异，需要使用不同的阻燃剂进行整理。陈卫等用 微胶囊化阻燃剂对棉( 粘) 混纺织物进行阻燃整理，可大大缩短工艺。 用立体发泡印花印制的花纹呈现比较强的立体感，酷似立体绒绣的外 观，所用微胶囊是一种具有热塑性致密外壳的微胶囊。该方法印花的 关键是发泡条件、发泡技术以及壁材塑性等之间的合理匹配。近年来， 带有芳香气味的纺织品如服装、领带、围巾、床单、袜子等开始出现 在市场上，这是由于微胶囊化的香精整理在织物中。 五、微胶囊技术在造纸业中的应用【3 1 。3 3 】 微胶囊技术是在使用无碳复写纸中迅速发展起来的。随着计算机 技术的扩展应用，无碳复写纸的制造技术不断提高，微胶囊的开发和 利用也越来越被重视。用含有无色染料油的微胶囊涂于纸上加工形成 的无碳纸，用微胶囊化的磁性薄片涂于纸上加工成的磁记录纸以及将 含有发色剂的微胶囊涂于纸上制成的感热记录纸，都是在记录显示纸 上的应用。而将香料微胶囊化涂附在纸上制成的潜香型纸以及油质胶 囊板、纤维胶囊板是微胶囊技术在纸制品上的应用。 六、微胶囊技术在饲料中的应用 在饲料业中，用微胶囊技术制成各种添加剂，首先是微胶囊化维 生素制剂。维生素c 是维持动物机体正常生长繁殖必不可少的有机化 合物，但是许多维生素的稳定性较差，而微胶囊化后稳定性明显提高。 李长忠3 4 1 等用维生素c 微胶囊添加剂对产蛋鸡进行喂养实验，其产蛋 率及受精、孵化、健雏效率等有明显提高。 七、微胶囊技术在日用化学品中的应用 3 5 1 微胶囊技术在洗涤用品中的应用 随着人们生活水平的提高，某些专用的具有特殊功能的洗涤用品 应用而生，具有漂白功能的洗涤剂即为一例。常用的含氧漂白剂p b 和 p c 在室温下的有效氧释放率较低，为了适合人们室温下洗涤且节约能 量，桑鸿勋等用含有固体漂白活化剂的微胶囊加入洗衣料中，能降低 氧系漂白剂释氧温度。山东佳丽日化总公司还研制了在洗衣粉中加入 高效杀菌剂，为了保持长效稳定的杀菌效果，将优氯净微胶囊化添加 到洗衣粉中。 微胶囊技术在橡胶、塑料中的应用 3 6 - 3 9 1 红磷是一种高效阻燃剂，但它暴露在空气中易吸水潮解，放出有 毒的磷化氢，污染环境。作为无机物的红磷与大部分的高聚物相容性 也欠佳，影响产品的阻燃性能和机械性能。而将红磷微胶囊化后，上 述缺点得到明显改善。它可用于煤矿上的阻燃橡胶输送带，防止或减 少瓦斯爆炸事故。也可用于一些塑料制品，具有很好的阻燃性能。邢 玉清、玉东将光降解剂微胶囊化，设想把这类微胶囊产品混入通用塑 料制品中，利用其壁材、芯材的种类及用量的可选择性及可控制释放 的特点，得到无毒，价格便宜、可控和完全光降解的塑料产品。 微胶囊技术在化妆品中的应用 现今，化妆品原料大多使用合成化学原料，其中不少是对人体肌 肤有害的成份，含天然成份的化妆品是今后的发展方向。但这些天然 成分如植物提取液、动植物油脂、羊毛脂、维生素、氨基酸等最易发 生氧化变质。若以微胶囊技术将这类成分包裹，其营养等活性成分的 质量会大为改观，其性能亦会显著提高：洗发剂中加人微胶囊化的润 湿剂及营养剂，在洗发时，微胶囊破裂粘附于头发表面起到润湿及营 养作用1 4 0 1 。 微胶囊技术应用非常广泛，除以上各行业外，还可用于国防、油 气田等行业。微胶囊技术作为一种新型技术，将在更广泛的范围发挥 着重要的作用。 1 2 复凝聚法的基本原理 4 j 】 复凝聚是由两种或多种带有相反电荷的线形无规则聚合物材料作 囊壁材料，将囊芯物分散在囊壁材料水溶液中，在适当条件下，( 如 p h 值的改变，温度的改变，稀释，无机盐电解质的加入) ，使得相反 电荷的高分子材料间发生静电作用，互相吸引，溶解度降低并产生相 分离，体系分离出的两相分别为稀释胶体相( 又称为稀相或贫相) 和 凝聚胶体相( 又称为富相或浓相) ，胶体自溶液中凝聚出来。这种凝聚 现象称为复凝聚。自溶液中凝聚出来的胶体可以用作微胶囊的壳。在 该法中，由于微胶囊化是在水溶液中进行的，故芯材必须是非水溶性 的固体粉末或液体1 4 。 实现复凝聚的必要条件是：有关的两种聚合物离子的电荷相反， 且混合物中离子数量在电学上恰好相等。除此以外，还须调节体系的 温度和盐含量，以促进复凝聚产物的形成。无机盐的存在因其性质和 用量不同将在不同程度上起到抑制复凝聚的作用。这是由于平衡离子 的优先缔合减少了聚离子上的有效静电荷。 如上所述，采用复凝聚法制备微胶囊要使用两种带相反电荷的高 分子材料作为复合材料，经常使用的两种带相反电荷的高分子材料的 组合包括：明胶与阿拉伯胶( 海藻酸盐、羧甲基纤维素、醋酸纤维素 酞酸酯、邻苯二甲酰化明胶、乙烯甲基醚马来酸酐共聚物) 、海藻酸 盐与聚赖氨酸、海藻酸盐与脱乙酰壳聚糖、海藻酸与白蛋白、白蛋白 与阿拉伯胶等。其中明胶与阿拉伯树胶的组合最为常用，下面主要以 此组合为例，说明复凝聚法微胶囊化工艺。 1 2 1 典型工艺 复凝聚微胶囊化工艺由以下三个步骤组成【4 3 】： 一、芯材在聚电解质水溶液中的分散。将油性芯材和带一种电荷的囊 壁材料按照一定比例混合，可加入少量分散剂，蒸馏水稀释后乳化分 散。要注意分散时体系的温度。 二、复凝聚化。加入带相反电荷的另一种聚电解质水溶液，在适当条 件下，两种囊壁材料发生静电作用，互相吸引，在芯材周围形成沉析。 三、 凝聚层的凝胶和交联。凝聚层从溶液中分离出来，降低温度后会 发生凝胶化现象。这是可逆的过程。如果可逆平衡被破坏，凝聚相就 会消失。为了使囊芯周围凝聚的凝胶不再溶解，需进行交联处理。如 下图1 1 所示： ( a ) 芯材料在明胶阿拉伯树胶溶液中分散； ( b ) 相互分开的凝聚物从溶液中析出； ( c ) 微凝聚物在芯材料液滴表面上逐渐沉析： f d ) 微凝聚物结合成液滴的壁材料； ( e ) 固化后的微胶囊 图1 1 复凝聚微胶囊化工艺 1 2 2 基本原理 采用复凝聚法可以制备水不相容或水不溶材料的胶囊。一般来 说，胶囊的粒径为2 1 0 0 0 p m ，芯含量为8 5 9 0 。被包囊活性物的水溶性、 表面活性或者对p h 值4 0 5 0 的稳定性均影响复凝聚工艺。干的复凝聚胶囊的 壳受环境湿度影响大，如果在高湿度的条件下，胶囊壳会变成可塑性。需要注意 的是：不同制法制备的明胶原料，所制备的微胶囊的性能可能各不相同。 1 2 2 1 芯材料的分散 4 4 - 4 7 】 该工艺中被包囊的芯材料是具有疏水性的物质。一般首先要将芯 材料在能形成复凝聚的一种聚电解质水溶液中分散，分散时的体系温 度要高于明胶水溶液的凝胶点。 在复凝聚工艺中，在水相中一般含有增稠剂。增稠剂可以使凝聚 2 物更好地沉淀。它在油相中不溶解，可以提高分散介质中亲水性液体 的粘度。常用的增稠剂包括已知的天然或合成聚合物及其衍生物，例 如阿拉伯树胶、甲基纤维素、羧甲基纤维素、硅酸铝镁、聚乙二醇等。 1 2 2 2 复凝聚现象 在进行微胶囊化实验以前，必须先通过实验来观察两种胶体的复 凝聚现象。即将所选择的两种胶体的混合物稀释，以观察其凝聚的形 成。通过制备不同种类胶体的不同浓度的溶液，将它们混合，用水缓 慢稀释直到出现浑浊，说明发生了复凝聚。 每种胶体溶液的光传播性是可以测定的。如果将两种溶液混合， 混合物的光传播性会小于每个单体的胶体，甚至会形成两层，一层富 集一种胶体，另一层富集另外一种胶体。由此说明这两种胶体溶液是 不相容的，而且该混合物组成不适合于复凝聚。光传播性可以用眼来 观察，但实际上多采用电子分光仪。 1 2 2 3 复凝聚机理 4 8 - 5 1 l 在明胶等电点时，氨基酸以中性的偶极离子或以内盐的形式存在， 不受外电场作用。这种明胶的水溶液在p h 值超过等电点时，是带负 电荷的，而当p h 值低于等电点时，则带正电荷。因而只要通过改变 水溶液的p h 值，氨基酸的电荷分布也会发生变化，就可使明胶成为 聚阳离子或者为聚阴离子。 h 2 忖i 卜c o o _ 杀h 3 萍鬟i 廿c o o 寺h 3 c i 小c o o h r 0 h r o h r p h 值 等电点p h 值= 等电点p h 值 等电点 而在阿拉伯树胶分子中仅含有羧酸基团，是带有负电荷的聚阴离 子，其水溶液不受p h 值的影响。在稀的明胶邛可拉伯树胶的水溶液中， 当p h 值高于明胶的等电点时，明胶和阿拉伯树胶两者均为聚阴离子， 彼此不发生反应。然而，当体系的p h 值低于明胶等电点时，明胶会 变成聚阳离子，于是在带正电荷的聚阳离子明胶与带负电荷的聚阴离 子阿拉伯树胶之间发生相互作用，结果导致凝聚相的形成，从而附着 在油相液滴上。 由于明胶能与一些聚阴离子形成稳定的复凝聚，所以常用作聚阳 离子。除了阿拉伯树胶以外，其他可以用于凝聚形成微胶囊的聚阴离 子有海藻酸盐、琼脂、聚磷酸盐、角叉胶、羧甲基纤维素等。一般来 说，有效的原料是聚合物类、表面活性剂类及分子中含有酸基的有机 化合物。此外，凝聚作用亦可由不同等电点的明胶的结合而产生，也 就是一种等电点p h 值大于7 的明胶与另一种等电点p h 值低于6 的明 胶之间结合。当明胶的氨基与苯酐或苯磺酰氯反应后，其等电点p h 值降低至4 以下。这种改性明胶亦可用作聚阴离子而同普通的明胶结 合。 影响凝聚的因素除了p h 值的影响以外，体系的温度和盐含量，也 会影响复凝聚产物的形成。无机盐的存在因其性质和用量不同将在不 同程度上起到抑制复凝聚的作用。这是由于平衡离子的优先缔合减少 了聚离子的有效电荷。 总之，复凝聚的形成可以通过将体系稀释、调节p h 值、盐析或调 节温度来实现。明胶与以上这些聚阴离子的凝聚是可逆的，如果这种 可逆平衡被破坏，则相分离也被破坏。 1 2 2 4 复凝聚相圈 5 3 】 最早提出通过稀释和调整p h 值复凝聚法制备明胶微胶囊的是美 国n c r 公司。该专利还给出了阿拉伯树胶、明胶混合物水溶液在 p h = 4 5 时复凝聚的三相图，见图1 2 。 10 0 7 1 t 5 淄瞄赴伯挺款 5 0 5 臻黔 图1 2 阿拉伯树胶与明胶水溶液混合物 在p h 值= 4 5 时的复凝聚三相图 图1 2 是一个三角图，顶部1 区域代表不同浓度的阿拉伯树胶与明 胶( 等电点为8 ) 的凝聚区。任何两种可以发生凝聚现象的胶体均可 以绘出该类三角图。该图是在没有油存在的条件下，来检测溶液混合 物的。油的存在会使混合物不透明，导致难以观察浊点。如果胶体混 合物不能形成复凝聚，可以通过调整p h 值来实现复凝聚，也可以通 过稀释的方法来实现复凝聚。 如果胶体浓度大，即在线2 以下区域，溶液会不相容而形成两相。 例如，将5 份阿拉伯树胶与5 份明胶分别用8 0 份水溶解，将两种溶液 混合，会立即出现溶液变浑浊现象。在这种情况下，通过复凝聚所形 成的络合胶体由于相对密度较大，会立即从水中分离出来。这样，上 层没有胶体溶液，光可以透过，而下层非常浑浊。 以上述方式，通过一系列低浓度溶液混合物的检验，可以得到区 域1 ，该区域为凝聚区。 将图l 一2 中的上部分放大，即成图1 3 。 图1 3 阿拉伯树胶与 明胶的复凝聚三相图 图1 - 4 调节p h 值 法微胶囊化相图 由该图可以解释通过稀释产生的相分离现象。在图中，被虚线包 围的区域b 为凝聚区，当温水加入到体系中时，其浓度稀释自溶液区 a 稀释至进入b 区，凝聚相就形成了。当聚合物浓度降至低于3 时， 形成的凝聚相产率较高。 在明胶一阿拉伯树胶的复凝聚体系中，当体系温度高于3 5 时，通 过降低体系的p h 值可以引发复凝聚。在图1 4 中，椭圆形区域b 为 凝聚区。当p h 值自溶液区a 降低至进入b 区时，也会出现复凝聚现 象。通过耐心地调节体系的p h 值和各种聚电解质的浓度，可以制备 得到粒径不同的微胶囊。 1 2 3 反应液的凝胶化4 3 】 对明胶水溶液来说，存在着溶胶和凝胶状态间的转换，如图1 5 所示： 瓣瓣磊字圆篆圆嚣骆 图1 - 5 溶胶和凝胶状态间的转换 明胶溶液形成凝胶的浓度最低极限值为1 ，凝胶存在的最高温度 为3 5 。所以采用复凝聚法制各微胶囊时，凝聚相中冷却产生凝胶化 现象，生成凝胶状物质，而非凝聚相中不发生该现象，溶液依然可以 流动。 胺 6 5 4 3 2 1 2 4 交联和后处理 通过相分离从胶体水溶液体系生成凝聚相的过程是溶胶和凝胶之 间可逆变化的过程，如果可逆平衡被破坏，凝聚相就会消失。为了使 囊苍周围凝聚的凝胶不再溶解，需交联处理。常使用的交联荆有甲醛、 戊二醛等醛类有机物，三氯化铬、硫酸铜、明矾等含有铝、铬等络合 金属离子的盐类，鞣酸、单宁酸及其铁盐等有机交联络和剂以及硫氢 酸钠等盐类。甲醛毒性较大，而且交联强度不及戊二醛。 为防止交联过程中微胶囊之间互相粘结，需控制交联条件，降低 温度。交联处理后，醛可将微胶囊的膜略微交联，但囊壁依然有亲水 性，会在水中溶胀，在不絮集的情况下很难干燥。应结合实验要求和 实验条件进行后处理。 1 3 本论文的目的与任务 在微胶囊技术中，壁材是一个重要的因素，本课题选用明胶一壳 聚糖为壁材，壳聚糖的化学名称是聚一2 氨基一2 一脱氧一d - d 葡萄糖，分子 式为：( c 6 h 1 1 0 4 n ) n ，结构式为： o 分子成直链状，极性强，易结晶，外观为白色或淡黄色半透明状 固体，略有光泽。壳聚糖溶于酸后，分子中胺基可与质子相结合，而 使自身带正电荷。因为其分子结构中胺基活性基团的存在，其化学性 质和溶解性质都大为改观，有很好的吸附性、成野性、成膜性、通透 性、吸湿性和保湿性，且无毒、无害、具有优良的生物相容性。在食 品、日用品、环境技术、农业等方面都有广泛的应用价值。 经甲壳素脱乙酰化处理得到的壳聚糖的分子量通常在5 0 6 0 万左 右，由于其分子中内外氢键的相互作用，只能溶解于少量的稀酸溶液， 而不能直接溶于水中，限制了它的应用，必须采用适当的方法将其降 解。因为大分子有大量的一n h 2 和一o h ，降解时，平均分子量下降， 分子内氢键作用减弱，使壳聚糖分子在溶液中有更大的扩展趋势，从 而引起壳聚糖分子构象发生一定变化。而链长度的变短和分子构象的 变化使得壳聚糖在水溶液中的无序程度增加，从而改进其水溶性。降 解时须注意降解的程度，如果降解过度，壳聚糖分子量太小，甚至变 成游离糖环，则无法制成微胶囊。 复凝聚微胶囊化技术的典型应用是制备明胶一阿拉伯树胶微胶囊。 本实验参照其制备的原理和方法，采用复凝聚法制备明胶壳聚糖微胶 囊。并考察系统浓度、p h 值、乳化速度、复凝聚反应时间及温度、交 联时间、芯壁比等因素对微胶囊性质的影响。 并对壳聚糖微胶囊的一些性质进行测试，包括微胶囊的脱乙酰度 和粘度、微胶囊粒径的大小和分布、微胶囊的缓释性能、微胶囊的稳 定性等。 从环境保护和经济的角度考虑，本实验选用戊二醛作为交联剂。 第二章实验部分 2 1 实验试剂及仪器 2 1 1 主要化学试剂 名称纯度 明胶工业纯 壳聚糖工业纯 正壬烷分析纯 丙酮分析纯 盐酸分析纯 氢氧化钠分析纯 双氧水分析纯 二水合氯化钙分析纯 冰醋酸分析纯 氯化钠分析纯 戊二醛生化试剂 o p 一1 0分析纯 产地 上海化学试剂分装厂 自制 上海化学试剂公司 平湖化工试剂厂 金山化工厂 上海伊嘉利化工试剂有限公司 上海桃浦化工厂 上海泗联化工厂 上海菲达工贸有限公司 上海试剂一厂 上海化学试剂公司 上海化学试剂公司 2 1 2 仪器及设备 名称型号 电子天平 f a 2 0 0 4 电子恒速搅拌器 u v v i s 分光光度 计 电热恒温水浴锅 干燥箱 循环水式多用真空泵 g s l 2 2 u v 7 5 5 b 1 0 1 一l s h b b 2 0 0 0 生产厂家 上海精密科学仪器有 限公司 上海医械专机厂 上海精密科学仪器有 限公司 上海医疗器械五厂 上海市实验仪器总厂 河南太康教学仪器厂 1 9 高剪切混合乳化机 b m e l 0 0 l x 自动电位滴定仪 电磁搅拌器 电子显微镜 数字图像分析系统 z d 一2 j b l a x s p 1 0 u v m 3 0 0 离心沉淀器8 0 0 乌式粘度计( 内径为o 5m m ) 、 试纸、温度计、秒表、移液管、 上海威宇机电制造有 限公司 上海雷磁仪器厂 上海雷磁仪器厂 松下 北京和众视野科技有 限公司 上海手术器械厂 碱式滴定管、布氏漏斗、p h 量筒、烧杯等 2 2 实验方法 2 2 1 氧化法降解壳聚糖 将水浴锅温度调到5 0 。准确称取一定量壳聚糖加入三1 2 1 烧瓶， 用2 5 的h a c 溶解，一定转速搅拌数分钟后用加入h 2 0 2 溶液，反应 4 小时。 反应结束后，用1 0 n a o h 溶液调节反应体系p h 值至7 0 ，在搅 拌条件下将中和后的反应液滴加入两倍反应液体积的丙酮中进行沉 析。静置一夜后抽滤、干燥可得降解产物。 2 2 2 微胶囊的制备 2 2 2 1 乳化 称取一定量的明胶、正壬烷、o p 一1 0 ，加入蒸馏水混合均匀后在 6 0 c 下溶解，溶解后在高剪切乳化机中以5 0 0 0 r m i n 的转速进行乳化。 2 2 2 2 复凝聚反应 将恒温水浴温度调至4 0 。c 后，把乳化得到的乳液倒入三口烧瓶中， 并加入一定量的蒸馏水稀释。然后在搅拌下往上述乳液中滴加壳聚糖 溶液，并用l o n a o h 溶液调节反应液的p h 值至6 0 6 4 ，恒温反应 一段