CN114904467A - 一种柠檬酸二次交联的包水型微胶囊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供柠檬酸二次交联的包水型微胶囊及其制备方法，通过京尼平和柠檬酸进行二次交联反应，制备得到的包水型微胶囊具有更好的机械性能和热稳定性能，采用本发明制备得到的微胶囊应用范围更广。

Description

一种柠檬酸二次交联的包水型微胶囊及其制备方法

技术领域

本发明涉及微胶囊制备技术领域，尤其涉及一种京尼平/柠檬酸二次交联的 三元复合囊壁材料的包水型微胶囊及其制备方法。

背景技术

明胶是由胶原部分水解后所得产物。胶原分子通过工艺过程的处理，得到具 有一定分子量分布的多分散体系。等电点为一个分子表面不带电荷时的pH值。 据报道，酸法明胶相较于其他明胶有更高的等电点，出现等电点的pH值范围一 般大于7.5；碱法明胶等电点一般小于5。明胶具有一定的表面活性，因为其分 子结构中由氨基酸构成的多肽链存在着亲水区和疏水区。且研究表明，浓度、温 度、pH值等因素会影响明胶溶液的表面张力大小。

壳聚糖甲壳素N-脱乙酰基的产物，甲壳素、壳聚糖、纤维素三者具有相近 的化学结构，甲壳素和壳聚糖具有许多优秀的性质，如生物可降解性强、细胞排 斥性低等。壳聚糖分子链上含有游离氨基，这使得其成为目前天然多糖中唯一的 碱性多糖。壳聚糖的化学结构式下：

壳聚糖分子链中同时含有氨基和羟基这两种官能团，因此可对壳聚糖分子进 行修饰、交联等反应。同时，由于氨基与羟基的存在，壳聚糖在分子内和分子间 容易形成氢键，壳聚糖具有一定的规整性而在氢键作用下容易形成结晶区，在 XRD图谱中可明显观察其特征结晶峰。

壳聚糖在稀酸中溶解后体系呈凝胶状态，并且壳聚糖溶解后带正电荷，因此 具有较强的吸附能力。由其化学结构式可知，壳聚糖分子链中含有羟基、氨基等 极性基团，因此吸湿性很强，在工业中可以用作化妆品的保湿剂；壳聚糖分子链 中游离氨基的邻位为羟基，因此具有螯合二价金属离子的作用，可作为捕捉人体 内重金属离子的工具，帮助人体排出有毒的重金属离子。

明胶(Gelatin)和壳聚糖(Chitosan)属于天然高分子材料，它们具有良好的生 物降解性，并且它们的生物相容性好，因而可以利用它们的这些优良的生物特性 制备明胶-壳聚糖二元复合的药物载体材料或微胶囊囊壁材料。目前常用溶液共 混法制备明胶-壳聚糖复合材料。明胶溶液配制方法为：将明胶溶于去离子水中 并在水浴加热、磁力搅拌条件下完全溶解；壳聚糖溶液配制方法为：将壳聚糖溶 于醋酸水溶液中，在磁力搅拌下完全溶解。配置好两种溶液后根据所需的工艺条 件将二者混合搅拌得到混合膜液，再通过合适的方法进行烘干后得到明胶-壳聚 糖复合材料膜。

目前有关明胶-壳聚糖复合材料的研究多是关于可降解食品包装，以替代传 统塑料包装袋达到对环境友好的目的。近年来国内外关于明胶-壳聚糖复合膜的 研究日益增多，有关其性能研究有如下报导：宋慧君等对明胶/壳聚糖复合膜的 性能研究指出，往明胶中添加壳聚糖制成明胶/壳聚糖复合膜后有助于改善膜的 力学性能，随着壳聚糖含量的增加明胶/壳聚糖复合膜的断裂伸长率和拉伸强度 逐渐增大，但添加过多壳聚糖时，会使得拉伸强度不增反降。在壳聚糖含量为 10％以上时，共混膜拉伸强度达到40MPa以上，符合GB/T30768-2014中对于食 品包装用塑料膜拉伸强度纵向大于30MPa的标准。

现有技术制备明胶和壳聚糖的复合材料，虽然具有良好的生物降解性，并且 生物相容性好，但其机械强度特别是热稳定性不高，使微胶囊的应用范围受到很 大的限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，而提出一种柠檬酸二次交联 的包水型微胶囊及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种柠檬酸二次交联 的包水型微胶囊，包含壁材和水性囊芯物质，其特征在于，所述壁材为柠檬酸京 尼平与明胶壳聚糖交联后形成的聚合物，所述聚合物的化学结构式如式(Ⅰ)所 示：

式(Ⅰ)中:R1至R9选自十八种不同氨基酸甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天 门冬氨酸、谷氨酸氨基、脯氨酸、精氨酸、组氨酸、酪氨酸、胱氨酸、亮 氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、谷氨酸、赖氨酸的 残基中的一种。

优选地，式(Ⅰ)中:

R5、R6选自十八种不同氨基酸甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天门冬氨酸、谷 氨酸氨基、脯氨酸、精氨酸、组氨酸、酪氨酸、胱氨酸、亮氨酸、苏氨酸、 蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、谷氨酸、赖氨酸的残基中的一种；

R3、R7为赖氨酸或者精氨酸的残基；

R2、R4、R8为天门冬氨酸或谷氨酸氨基的残基；

R1、R9为丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的残基。

本发明还提供一种柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，具体包括如 下步骤：

a.将明胶溶解于醋酸中，得到明胶醋酸溶液；

b.明胶醋酸溶液中加入壳聚糖，搅拌使壳聚糖溶解，得到明胶壳聚糖混合溶 液，并调节pH至5.8-6.2；

c.在植物油中加入表面活性剂大豆磷脂，加热后搅拌均匀；

d.向步骤c后的玉米油中加入步骤b制得的明胶壳聚糖混合溶液进行加热 和乳化，乳化完成后关闭加热，自然冷却至室温；

e.向步骤d后的溶液体系中加入京尼平进行交联反应，充分反应后得到京尼 平明胶壳聚糖三元壁材的包水型微胶囊；

f.在步骤e后的反应体系中加入柠檬酸，并加入冰醋酸，调节pH至2-3，在 N₂保护下充分反应，得到柠檬酸/京尼平二次交联的明胶/壳聚糖的包水型微胶囊。

优选地，所述步骤f后还包括：

g.将步骤f后的反应体系静置，倾去上层油相后再进行离心，分离出油相， 即得到柠檬酸二次交联的京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊。

优选地，所述步骤b中，优选调节pH至6。

优选地，所述步骤e的具体步骤为：向步骤d后的溶液体系中加入质量分数 为0.5％的京尼平水溶液，在室温下反应3h，升温至35℃再反应15h，充分反 应后得到京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊。

优选地，所述步骤f的具体步骤为：在步骤e的反应体系中加入柠檬酸，并 加入冰醋酸，调节pH至2-3，在N₂保护下将反应温度升至40，℃反应8h后再 冷却至室温，得到柠檬酸二次交联的包水型微胶囊。

优选地，所述步骤d中，乳化温度为35-45℃，乳化时间为60min；

优选地，步骤c中的植物油选自玉米油、橄榄油、大豆油、花生油中的一种 或几种。

优选地，按照重量份数计，各组分的配比为：明胶12-32份，壳聚糖1.2-3.2 份，1.0％的醋酸溶液160-300份，大豆磷脂15-25份，0.5％的京尼平溶液80-120 份，1.0％柠檬酸10-35份，植物油800-1200份。其中，1.0％的醋酸溶液作为囊 芯物质。

进一步优选，按照重量份数计，各组分的配比为：明胶选择22.0份，壳聚 糖选择2.2份，1.0％醋酸溶液选择240份，大豆磷脂选择20份，0.5％京尼平 选择100.0份，1.0％柠檬酸选择25份，植物油选择1000份。

优选地，明胶与壳聚糖的质量比为8：1至12:1，水相与油相体积体比为1:3 至1：5；进一步优选，明胶与壳聚糖的质量比选择10:1，水相与油相体积体比 选1:4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明通过京尼平和柠檬酸进行二 次交联反应，制备得到的包水型微胶囊具有更好的机械性能和热稳定性能，采用 本发明制备得到的微胶囊应用范围更广。

附图说明

图1为实施例1明胶、壳聚糖以及不同质量比例壳聚糖/明胶的等电点曲线 图；

图2为明胶、壳聚糖、明胶/壳聚糖复合物、京尼平交联明胶壳聚糖和柠檬 酸二次交联明胶/壳聚糖的热重曲线图。

图3为制备得到的微胶囊的扫描电子显微照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地说明。

实施例1明胶、壳聚糖、明胶壳聚糖复合材料的等电点测定

1.1明胶等电点

称取0.5g明胶，加入100ml去离子水中，于50℃水浴温度下搅拌至完全 溶解，得到0.5％的明胶溶液。使用0.001mol/L的HCl和0.001mol/L NaOH调 节pH，采用pH计和电导仪记录不同pH下明胶溶液的电导率。

1.2壳聚糖等电点

称取0.5g壳聚糖，加入100ml，0.01mol/L HCl溶液中，于室温下搅拌至壳 聚糖完全溶解，得到0.5％的壳聚糖溶液。采用0.001mol/L NaOH调节溶液pH， 采用pH计和电导仪记录不同pH下明胶溶液的电导率。

1.3壳聚糖/明胶(GE/CS)复合生物材料等电点

取100mL，1.0％GE溶液于烧杯中，磁力搅拌，水浴温度为50。℃向明胶 溶液中加入一定体积的1.0％壳聚糖溶液，搅拌1h，得到GE/CS均一混合溶液。 壳聚糖与明胶的体积比分别为：4:100、10:100、20：100、50:100、75:100、100:100， 使用1.0％盐酸和0.1mol/L氢氧化钠溶液改变混合溶液的pH，使用pH计和电导 仪测定不同pH条件下明胶/壳聚糖溶液的电导率。

按上述方法测定得到明胶、壳聚糖的等电点以及不同质量比例壳聚糖/明胶 的等电点如表1所示；明胶、壳聚糖以及不同质量比例壳聚糖/明胶的等电点曲 线图如图1所示。

表1明胶、壳聚糖的等电点以及不同质量比例壳聚糖/明胶的等电点

实施例2柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法

a.称取2.20g明胶于烧杯中，37℃水浴温度，溶于24mL 1.0％的醋酸溶液中；

b.待明胶完全溶解，向明胶溶液中加入0.22g的壳聚糖，搅拌溶解，得到均 一明胶/壳聚糖混合溶液，并采用5.0％氨水溶液调节pH至6；

本步骤中，调节pH至6，是因为明胶为两性聚合物，其等电点为5.0，pH 大于其等电点，明胶上明胶分子显负电，即-NH₃ ⁺有一部分与-OH^-结合转化为-NH₂， 从而明胶分子中的-COO^-(负电荷)含量大于-NH₃ ⁺(正电荷)含量，分子显负电。 当明胶在小于等电点的介质中时，明胶分子显正电，即-COO^-有一部分与-H⁺结合 转化为-COOH，从而明胶分子中的-NH₃ ⁺(正电荷)含量大于-COO^-(负电荷)含 量，分子显正电。因此调节体系pH至6，使明胶负电荷，壳聚糖带由于在酸性 介质中，其分子上的游离氨基因质子化而带正电，从而使带负电的明胶与带正电 荷的壳聚糖因静电相互作用而发生复凝聚反应；明胶在不同的pH下的电离反应 如式所示：

壳聚糖的在酸性介质中质子化反应过程如式Ⅲ所示：

明胶与壳聚糖复凝聚反应如式Ⅳ所示：

c.取100mL玉米油于三口烧瓶，加入2.00g大豆磷脂，升温至40℃，搅拌均匀， 大豆磷脂是一种两性表面活性剂，其可从大豆中提取，天然无毒；

d.向玉米油中加入明胶/壳聚糖混合溶液进行乳化，600rpm，乳化温度40℃，乳 化时间60min；

e.关闭加热，自然冷却至室温；明胶可发生溶胶和凝胶转变，温度高于35℃时， 明胶溶胀溶解，发生溶胶，当温度低于35℃时，明胶发生凝胶。从而降低温度 至室温，有利于微粒因明胶凝胶而形成较为固定的壳膜，提高微粒的稳定性，有 利于下一步的交联反应；

f.向步骤e冷却后的反应体系中加入10mL，0.5％京尼平溶液，室温反应3h，再 升温至35℃反应15h。

本步骤中，京尼平可与含游离氨基聚合物发生交联反应，在酸性条件下，壳 聚糖和明胶上的游离氨基基团亲攻击京尼平C-3位的烯碳原子，二氢吡喃环打开， 形成杂环胺；另外，京尼平上的酯基基团可与氨基发生SN2亲核取代反应，形 成酰胺，释放甲醇，从而形成由短链京尼平为交联桥的三维网状结构聚合物； 京尼平与壳聚糖交联反应过程如式Ⅴ所示：

g.在步骤f后的反应体系中加入2.5mL，1％柠檬酸水溶液，并加入冰醋酸，调节 pH至2-3，在N₂保护下，反应温度升至40，℃反应8h，冷却至室温，得到柠 檬酸二次交联的包水型微胶囊；

本步骤中，京尼平与明胶和壳聚糖上游离氨基反应，产生交联，而壳聚糖和 明胶分子上还存在游离羟基，向反应体系中加入柠檬酸，在一定条件下，柠檬酸 上的羧基与大分子上游离羟基发生酯化反应，对以明胶和壳聚糖为囊壁的微胶囊 进行酯化改性，柠檬酸二次交联明胶/壳聚糖结构式如式Ⅰ所示：

h.将反应得到的微胶囊静置2h，明胶/壳聚糖微胶囊沉积在下层，玉米油在上层，倾去上层油相，再取下层微胶囊再进行离心，分离出油相，即得到二次交联微胶 囊。最后将微胶囊转移至广口瓶中，密封保存即可。

实施例3热重分析(TG)

3.1分析方法

称取6mg样品，采用TG/DSC同步热分析仪进行分析，以升温速率为 10℃/min将温度从室温升温至600℃，气体氛围为氮气。

3.2分析结果

不同样品的热分解温度如表2所示，

表2不同样品的热分解温度

图2为明胶、壳聚糖、明胶/壳聚糖复合物、京尼平交联明胶壳聚糖和柠檬 酸二次交联微胶囊的热重曲线图，由表2和图2可见，经过柠檬酸二次交联得到 的微胶囊的热分解温度最大，达到293℃，其热稳定性较京尼平的一次交联明胶 /壳聚糖高。因此，经过柠檬酸二次交联的微胶囊囊壁强度较大，热稳定较高。

上述结果的原因在于：本专利实施例2采用的是双交联剂，第一次交联采用 的是京尼平，其为栀子苷经β-葡萄糖苷酶水解后的产物，是一种优良的天然生物 交联剂。第二次交联采用的是柠檬酸，天然存在于柠檬柑橘等果实中，一个柠檬 酸分子上含有三个羧基和一个羟基，在一定反应条件下，柠檬酸可与明胶和壳聚 糖上的羟基发生酯化反应，可进一步对微胶囊囊壁上的明胶/壳聚糖进行交联固 化，从而提高囊壁的强度，增加微胶囊的热稳定性。

实施例4场发射扫描电子显微镜(SEM)

用导电胶将少量粉末样品固定后进行喷金处理，采用型号为JSM-7800F场发 射扫描电子显微镜观察微胶囊的粒径和形貌。

实施例2中，步骤c中大豆磷脂是在大豆油精炼中的副产物，易溶与植物油 中，其为天然无毒乳化剂，能使两个互不相溶的油相和水相形成稳定的乳胶体， 即将分散相(水相)以细小的液滴稳定分散于连续相(油相)中，通过后续加入 交联剂进行交联后，可得到呈球形且形貌稳定和粒径分布均匀的微胶囊。附图3 为制备得到的微胶囊的扫描电子显微照片，经过京尼平和柠檬酸交联的明胶壳聚 糖微胶囊呈现球形，其表面粗糙，粒径为40μm左右，粒径分布较为均匀。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。

Claims (10)

1.一种柠檬酸二次交联的包水型微胶囊，包含壁材和水性囊芯物质，其特征在于，所述壁材为柠檬酸/京尼平与明胶/壳聚糖交联后形成的聚合物，所述聚合物的化学结构式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中:R1至R9选自十八种不同氨基酸甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸氨基、脯氨酸、精氨酸、组氨酸、酪氨酸、胱氨酸、亮氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、谷氨酸、赖氨酸的残基中的一种。

2.根据权利要求1所述的柠檬酸二次交联的包水型微胶囊，其特征在于：所述式(Ⅰ)中：

R5、R6选自十八种不同氨基酸甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸氨基、脯氨酸、精氨酸、组氨酸、酪氨酸、胱氨酸、亮氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、谷氨酸、赖氨酸的残基中的一种；

R3、R7为赖氨酸或者精氨酸的残基；

R2、R4、R8为天门冬氨酸或谷氨酸氨基的残基；

R1、R9为丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的残基。

3.一种柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，具体包括如下步骤：

a.将明胶溶解于醋酸水溶液中，得到明胶醋酸溶液；

b.明胶醋酸溶液中加入壳聚糖，搅拌使壳聚糖溶解，得到明胶壳聚糖混合溶液，并调节pH至5.8-6.2；

c.在植物油中加入表面活性剂大豆磷脂，加热后搅拌均匀；

d.向步骤c后的植物油中加入步骤b制得的明胶壳聚糖混合溶液进行加热。温度为和乳化，乳化时间为，乳化完成后关闭加热，自然冷却至室温；

e.向步骤d后的溶液体系中加入京尼平进行交联反应，充分反应后得到京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊；

f.在步骤e后的反应体系中加入柠檬酸溶液，并加入冰醋酸，调节pH至2-3，在N₂保护下充分反应，得到柠檬酸二次交联的京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊。

4.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤f后还包括：

g.将步骤f后的反应体系静置，倾去上层油相后再进行离心，分离出油相，即得到柠檬酸二次交联的京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊。

5.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，优选采用0.1mol/L NaOH溶液调节pH至6。

6.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤e的具体步骤为：向步骤d后的溶液体系中加入质量分数为0.5％的京尼平水溶液，在室温下反应3h，升温至35，℃再反应15h，充分反应后得到京尼平明胶壳聚糖包水型微胶囊。

7.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤f的具体步骤为：在步骤e的反应体系中加入1.0％柠檬酸溶液，并加入冰醋酸，调节pH至2-3，在N₂保护下将反应温度升至40，℃反应8h后再冷却至室温，得到柠檬酸二次交联的包水型微胶囊。

8.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤d中，乳化温度为35-45℃，乳化时间为40-80min。

9.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述植物油选自玉米油、橄榄油、大豆油、花生油中的一种或几种。

10.根据权利要求3所述柠檬酸二次交联的包水型微胶囊的制备方法，其特征在于，按照重量份数计，各组分的配比为：明胶12-32份，壳聚糖1.2-3.2份，1.0％的醋酸溶液160-300份，大豆磷脂15-25份，0.5％的京尼平溶液80-120份，1.0％柠檬酸10-35份，植物油800-1200份。

Images