海藻酸钠_壳聚糖_海藻酸钠生物微胶囊的制备_王家荣.docx

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1、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Vol.20No.42007年12月JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)Dec.2007文章编号:1001-5132200704-0516-04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

2、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；而在胶囊液化处理经过中，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，是指用半浸透性薄膜固定活体组织或

3、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构造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、

4、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，反响构成微胶囊，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外表进行交联，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第4期王家荣，等：海藻酸钠壳聚糖海藻酸钠生物微胶囊的制备517比拟后，以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

5、微胶囊，并具体考察了氯化钙、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(SodiumAlginate，SA)购自Sigma公司，壳聚糖(CHIT，乙酰度90)，氯化钙(AR)，生理盐水(0.9NaCl)，柠檬酸钠(AR).实验中所有溶液均用生理盐水配置.1.2ACA生物微胶囊的构成机理海藻酸钠存在于褐藻类中的天然高分子，从其构造上看是由-1,4构造的D型甘露糖醛酸的钠盐(M)和-1,4构造的L型古罗糖醛酸的钠盐(G)共聚而成5，如图1所示，

6、其能够与二价金属离子络合构成水凝胶.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，壳聚糖和海藻酸钠能够通过正负电荷吸引构成聚电解质膜，其经过如图2所示.图1海藻酸钠的分子构造图2ACA生物微胶囊构成经过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，使其反响数分钟，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响数分钟，进行第二次包覆处理.洗涤包覆

7、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：/.iDDn=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2.1CaCl2溶液浓度对胶球直径的影响海藻酸钠能够与二价金属离子钙“交联构成稳定的海藻酸钙凝胶球6，从

8、图3能够看出：海藻图3CaCl2溶液浓度对胶球直径的影响518宁波大学学报理工版2007酸钙胶球直径随着CaCl2浓度的增加而增大.原因是随着CaCl2溶液浓度的上升，溶液中可与海藻酸钠结合的Ca2+含量增加，故而构成了更致密的凝胶构造和更大的直径.但考虑到用于固定生物分子，高浓度的CaCl2会对其有毁坏作用，因而建议适宜的CaCl2浓度为1.5.2.2海藻酸钠浓度对胶球直径的影响恒定CaCl2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，胶球的直径也逐步增加.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

9、时球粒难以控制.因而在实际应用中，能够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构成速度和厚度，进而影响微胶囊的稳定性.从图5能够看出：壳聚糖的浓度越大，构成的膜越厚，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，因而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胶囊膜的构成是一个静电吸引经过，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)的正负离子的吸引经过7，在胶球的外表构成膜，壳聚糖溶液的pH值对胶球成

10、膜经过影响很大8，主要是影响壳聚糖分子中氨基的质子化程度.从图6能够看出：随着pH的增加，壳聚糖分子中的氨基质子化程度逐步降低，导致其膜的厚度变薄，机械强度逐步降低.但考虑到微生物的固定化条件，因而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构造微胶囊，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，详细数据见表1.从表1能够看到：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

11、影响pH值(PBS缓冲液)机械强度/mN6.1607.21508.0120注：CaCl2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，会使微第4期王家荣，等：海藻酸钠壳聚糖海藻酸钠生物微胶囊的制备519胶囊的粒径增大，在一定浓度范围内通过调节海藻酸钠浓度可控制微胶囊的直径.(2)壳聚糖的浓度越大，构成的微胶囊膜越厚，机械强度也越高.但当壳聚糖浓度2时，易使膜开裂.(3)壳聚糖溶液的pH值影响壳聚糖分子中氨基的质子化程度，进而影响胶囊的机械强度.增大壳聚糖溶液的pH值，膜厚度变薄，胶囊机械强度降低.(4)柠檬酸钠溶液的pH值

12、对微胶囊的机械强度和溶涨性能有很大的影响.(5)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、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.参考文献：1王洪作,刘世勇.酶和细胞的固定化J.化学通报,1997(2):22-27.2王勇,解玉冰,马小军.壳聚糖海藻酸钠生物微胶囊的研究进展J.生物工程进展,1999,19(2):13-16.3OlavG?serd,OlavSmidsrd,GudmundSkj?k-Br?k.Microcapsulesofalginate-chitosanI:Aquantitative

13、studyoftheinteractionbetweenalginateandchitosanJ.Bio-materials,1998,19:1815-1825.4AnselmoAM,MateusM,CabralJS.DegradationofphenolbyimmobilizedcellsinalginateandcarrageengelbeadsJ.BiotechnolTech,1985,7(12):889-894.5ThuB,BruheimP,EspevikT,etal.AlginatepolycationmicrocapsulesI:interactionbetweenalginate

14、andpolyca-tionJ.Biomaterials.1996,17:1031-1040.6李红兵.海藻酸作为新型药物转运载体的开发J.高分子通报,2006,8:39-43.7HuguetML,GroboillotA,NeufeldRJ,etal.Hemo-globinencapsulationinchitosan/calciumalginatebeadsJ.JournalofAppliedPolymerScience,1994,51:1427-1432.8BartkowiakA,HunkelerDavid.Alginate-oligochitosanmicrocapsule:amecha

15、nisticstudyrelatingmembraneandcapsulepropertiestoreactionconditionsJ.ChemMater,1999,11:2486-2492.PreparationofSodiumAlginate-chitosan-alginateBiomicrocapsuleWANGJia-rong,JINYi,LIUWang-cai,GAOHao-qi(DepartmentofChemicalEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo315016,China)Abstract:Inthispaper,s

16、odiumalginate-chitosan-alginate(ACA)microcapsuleispreparedusingtwo-stepmethod.Theinfluenceofconcentrationofcalciumchloride,sodiumalginateandchitosan,pHofchitosanandsodiumcitrateonthepropertyofmicrocapsuleisstudied.Theresultsshowthatthesizeofmicrocapsuleincreaseswiththeconcentrationofsodiumalginatean

17、dcalciumchloride.Thethicknessofthemicrocapsulesmembraneincreaseswiththeconcentrationofchitosan,anddecreaseswiththepHofchitosan.Duringliquidizationofthemicrocapsule,thepHofsodiumcitrateinfluencesthemechanicalstrength.Themicrocapsulewiththediameterof2.65mmandthemechanicalstrengthof150mNarepreparedwhentheconcentrationlevelofcalciumchloride,sodiumalginateandchitosanareat1.5,2and1.5,respectively,andpHofchitosanandsodiumcitrateareat5.0and7.2,respectively.Keywords:sodiumalginate;chitosan;microcapsuleCLCnumber:O648.17Documentcode:A责任编辑章践立