亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊的制备及表征

杨安源 ，胡恩烨 ，周红军，2，周新华 ，2，舒绪刚 ，2

（1.仲恺农业工程学院化学化工学院,广东 广州 510225；2.广东省普通高校农用绿色精细化学品重点实验室,广东 广州 510225）

硒是人和动物必需的微量元素之一，参与人和动物机体的各项代谢［1-2］，具有重要的生物学作用，而且硒具有抗氧化、抗病毒、抗衰老、抗癌、调节免疫等作用，可防治克山病［3］、心脑血管疾病和肿瘤等诸多疾病［4］。因此，适当补充硒元素对人和动物的健康均起到积极意义。动物主要通过口服和静脉注射等途径进行补硒，其中口服硒营养剂是动物补硒较为常用的方法。而价廉易得的亚硒酸钠是一种被广泛使用的口服硒营养剂。但由于亚硒酸钠稳定性欠佳，在一定条件下可与饲料中的还原性物质（如维生素C）发生氧化还原反应［5］，导致硒元素在饲料储藏、使用过程中流失严重。同时，亚硒酸钠在反应过程中会对饲料品质及营养价值产生潜在的负面影响。因此，人们往往需向饲料添加过量的亚硒酸钠，以确保动物摄入足够的硒元素。然而亚硒酸钠的过量摄入会导致动物机体中毒，甚至死亡［6］。同时，过量使用亚硒酸钠对环境存在潜在污染。综上，亚硒酸钠的性质限制了其在饲料硒营养剂的高效利用。目前，研究者主要通过改善亚硒酸钠在饲料中的稳定性，进而提高其在饲料中的利用效率。

研究表明，微胶囊技术可以有效改善物质的稳定性，提高物质的利用效率。目前，该技术已被广泛应用于食品［7］、渔业［8］和饲料加工［9］等行业。研究者已开发出不同的微胶囊制备方法。He等［10］采用喷雾干燥法，制备了辛烯基琥珀酸淀粉和黄原胶包埋共轭亚油酸缓释微胶囊。Liu等［11］通过静电沉积法，制备了高细胞密度藻酸盐-聚-L-赖氨酸（PLL）微胶囊。Lupo等［12］采用内源乳化法，制备了以海藻酸钠为壁材、可可为芯材的微胶囊。其中，内源乳化法因工艺简单、设备简易、制备条件温和等优点而备受研究者关注。该法的成囊材料海藻酸钠是一种聚阴离子型天然高分子，其结构是由α-L-古洛糖醛酸（G）和β-D-甘露糖醛酸（M）通过（1→4）连接形成的线性嵌段共聚物。其中G嵌段可与Ca2+、Pb2+、Ba2+等二价阳离子发生胶凝，形成“蛋格”结构［13］。海藻酸钠凝胶在改善物质稳定性方面有着广泛应用［14-15］。

为改善亚硒酸钠在饲料中的稳定性，降低其对环境的污染，本研究以亚硒酸钠为芯材、海藻酸钠为壁材，通过内源乳化法制备亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊（sodium selenite/sodium alginate microcapsules， SSSAM）。借助傅立叶红外和X射线衍射仪对SSSAM的结构进行分析，以SSSAM的载药率（LC）和包封率（EE）为指标，优化SSSAM的制备工艺，以期获得高LC和EE的SSSAM，为后续进一步探究SSSAM的相关性能提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

海藻酸钠（SA，化学纯），购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；98%亚硒酸钠，购自西亚化学试剂厂；纳米碳酸钙（Nano-CaCO3，化学纯），≤19 μm，购自佛山市源磊粉体有限公司；Span 80（化学纯），购自天津市福晨化学试剂厂；冰醋酸（分析纯），购自国药集团化学试剂有限公司；液体石蜡（化学纯）、无水乙醇（分析纯），购自天津富宇精细化工有限公司；硫代硫酸钠、碘化钾（分析纯），购自广州光华化学试剂厂。

主要试验仪器有Spectrum 100型傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform infrared spectroscopy， FTIR，美国PerkinElmer公司）、布鲁克D8 Advance型X射线衍射仪（X-ray Powder diffractometer， XRD，德国Bruker公司）。

1.2 亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊的制备

称取1.8 g SA与0.9 g Nano-CaCO3于烧杯中，加入100 mL去离子水，搅拌过夜，作为水相。量取150 mL液体石蜡于烧杯中，加入2%（W/W）Span 80和0.6 g Na2SeO3，乳化30 min，作为油相。取50 mL水相滴加到油相中，持续搅拌90 min；缓慢加入2 mL冰醋酸，持续搅拌40 min；过滤后用无水乙醇洗涤至试样表面不出现油层，75℃干燥12 h，常温真空干燥至无油状液滴出现。依次改变表1中SSSAM的制备工艺，以载药率（LC）和包封率（EE）为指标，优化SSSAM制备工艺，探索制备工艺对LC和EE的影响规律。同时制备SA微胶囊（SAM），除不加Na2SeO3外，其他步骤参照SSSAM制备方法。

表1 SSSAM的制备工艺单因素水平设置

1.3 亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊结构表征

采用傅立叶红外光谱仪，利用KBr压片法对样品结构进行表征，扫描波数范围为4 000～500 cm-1；采用X射线衍射仪分析样品的晶体结构，测试条件为：LynxEye阵列探测器，电压40 kV，电流40 mA，步长0.02°，测试速度0.1 s/step，铜靶，入射线波长0.15418 nm。

1.4 亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊载药率和包封率的测定

0.100 mol/L硫代硫酸钠溶液的配制、标定及稀释参照文献［16］中相关规定进行。SSSAM的LC测定参照文献［17］稍作调整。准确称取0.5 g SSSAM于烧杯中，加适量去离子水煮沸搅拌8 h，过滤浓缩，用去离子水定容至100 mL，移取该溶液25 mL置于碘量瓶中，加入40 mL去离子水、3 mol/L盐酸溶液10 mL，用0.100 mol/L硫代硫酸钠溶液滴定，近终点时加0.1 mol/L碘化钾溶液（现配）2 mL，再加5 g/L淀粉指示液（现配）2 mL，继续滴定至蓝色消失，同时做空白试验。其离子反应方程式如下：

由上述试验步骤及离子反应方程式可得到SSSAM的LC计算公式：

式中，V1为试样消耗硫代硫酸钠体积（mL），V0为试剂空白消耗硫代硫酸钠体积（mL），m为试样质量（g），0.04323为硫代硫酸钠与亚硒酸钠转换系数，c为硫代硫酸钠实际浓度（mol/L）。

2 结果与分析

2.1 Na2SeO3、SAM和SSSAM的FTIR分析

从图1可见，谱线Na2SeO3在730 cm-1附近出现明显的尖峰，是SeO32-的伸缩振动吸收峰。谱线SAM在3 340 cm-1附近出现一个宽的吸收带，此为SA的-OH伸缩振动峰；在2 926 cm-1附近出现强吸收峰，此为-CH2的伸缩振动峰；在1 626 cm-1处为羰基的伸缩振动峰，这一系列吸收峰为SA的红外特征吸收峰。谱线SSSAM在3 340、2 926、1 625 cm-1处的特征吸收峰强度明显增强，此为SeO32-与SA间存在较强的分子间相互作用所致。对比前二者可以看出，谱线SSSAM在730 cm-1附近出现了SeO32-的吸收峰，故在该试验条件下，Na2SeO3已负载至微胶囊上。

图1 Na2SeO3、SAM和SSSAM的FTIR分析结果

2.2 Na2SeO3、SAM和SSSAM的XRD分析

图2 中自上而下依次为SSSAM、SAM、Na2SeO3以及Na2SeO3标准卡的XRD谱图。Na2SeO3标准卡在2θ为21.98、24.18、25.98和37.60处出现强衍射峰，表明Na2SeO3以晶体形式存在；Na2SeO3样品在2θ为22.03、24.23、26.01和37.66处出现相似的衍射峰。而样品SSSAM和SAM的XRD衍射谱线相似，均无强衍射峰出现。结合FTIR分析结果可知，SSSAM对Na2SeO3包埋，Na2SeO3由晶态向非晶态转变。

图2 Na2SeO3、SAMC和SSSAM的XRD分析结果

2.3 亚硒酸钠/海藻酸钠微胶囊制备工艺对LC和EE的影响

2.3.1 Nano-CaCO3质量分数对SSSAM LC和EE的影响 只改变Nano-CaCO3质量分数，其余制备条件不变，结果SSSAM的LC随Nano-CaCO3质量分数增加而下降，EE随Nano-CaCO3质量分数增加而先增后降。由于Nano-CaCO3质量分数增加，在改变体系pH过程中，SA液滴内部产生过量的CO2，涨破SA微胶囊使得部分溶解在SA液滴内部的SeO32-随水分蒸发流失，导致其LC下降。而SSSAM的EE出现先升后降的趋势，可能是增加Nano-CaCO3质量分数后SSSAM的理论LC下降，SSSAM的EE计算式中分母减少，导致EE增大。综合考虑SSSAM的LC与EE间关系，在此试验条件下，制备SSSAM以选取Nano-CaCO3质量分数为SA的1/2较适宜。

图3 Nano-CaCO3质量分数对SSSAM LC和EE的影响

2.3.2 油水体积比对SSSAM LC和EE的影响只改变体系油水体积比，其余制备条件不变。SSSAM的LC和EE随油水体积比增大呈先增后降趋势，当油水体积比达到4:1时其LC和EE均达到极值。增加油相体积能有效降低SA液滴的粒径，增加SA液滴的比表面积，进而提高SA液滴与Na2SeO3的接触几率，提高SSSAM的LC和EE。但油水体积比超过4:1后，液体石蜡在搅拌过程中被带入到微胶囊内部，破坏微胶囊结构，使Na2SeO3部分流失至油相中；同时，随油相体积不断增加，SA液滴与Na2SeO3的接触几率逐渐受油相体积控制，使SA液滴与Na2SeO3的接触几率下降，导致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此试验条件下，制备SSSAM以选取油水体积比为4:1较适宜。

2.3.3 Span 80质量分数对SSSAM LC和EE的影响 只改变体系中Span 80质量分数，其余制备条件不变。SSSAM的LC和EE随Span 80质量分数增大呈先增后降趋势，当Span 80质量分数达到为液体石蜡的3%时，其LC和EE均达到极值。乳化剂Span 80加入油相后能有效降低SA液滴的粒径，增大SA液滴的比表面积，增加SA液滴与Na2SeO3的接触几率，提高SSSAM的LC和EE。但Span 80质量分数超过液体石蜡的3%后，此时SA液滴对Na2SeO3的接触效率主导SSSAM的LC和EE。SA液滴粒径持续下降，SA液滴与Na2SeO3间相对速率下降，二者接触效率降低，导致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此试验条件下，制备SSSAM以选取乳化剂Span 80质量分数为液体石蜡的3%较适宜。

图5 Span 80质量分数对SSSAM LC和EE的影响

2.3.4 乳化时间对SSSAM LC和EE的影响 只改变体系中的乳化时间，其余制备条件不变。SSSAM的LC和EE随乳化时间延长呈先增后降趋势，当乳化时间为40 min时，SSSAM的LC和EE均达到最大值。乳化时间低于40 min时，SA液滴与Na2SeO3的接触几率是影响SSSAM LC和EE的主导因素。SA液滴的粒径随乳化时间延长而下降，SA液滴的比表面积随SA液滴粒径下降而增加，SA液滴与Na2SeO3接触几率增加，进而提高SSSAM的LC和EE。但乳化时间超过40 min后，此时SA液滴与Na2SeO3的接触效率主导SSSAM的LC和EE。SA液滴粒径持续下降，SA液滴与Na2SeO3间相对速度差缩小，SA液滴截留Na2SeO3的能力下降，二者的有效接触降低，导致SSSAM的LC和EE下降。因此，在此试验条件下，制备SSSAM以选取乳化时间为40 min较适宜。

图6 乳化时间对SSSAM LC和EE的影响

2.3.5 交联时间对SSSAM LC和EE的影响 只改变体系中的交联时间，其余制备条件不变。SSSAM的LC和EE随交联时间延长而下降趋势，当交联时间为15 min时，SSSAM的LC和EE均达到极大值。加入冰醋酸后，体系pH值迅速下降，SSSAM液滴表面形成凝胶薄膜，阻止油相中的Na2SeO3继续镶嵌到SA液滴表面；同时凝胶薄膜阻碍了外部H+渗透至SA内部，导致SSSAM出现外部紧密而内部疏松的结构。随着交联时间延长，溶解在SSSAM内部未固定的SeO32-沿着SSSAM的孔道、孔隙重新释放至油相中，交联时间越长，SSSAM中的SeO32-流失率越高，造成SSSAM的LC和EE下降。因此，在该试验条件下，制备SSSAM以选取交联时间为15 min较为适宜。

图7 交联时间对SSSAM LC和EE的影响

3 结论与讨论

硒的生物学意义早已得到各界的认可［18-19］。我国是世界上较为缺硒的国家之一，且国内硒元素分布不均，国民硒营养摄入明显不足，需要通过其他途径额外补硒，其中一个重要补硒途径是通过食用富硒动植物。亚硒酸钠是目前国内饲料行业使用较为广泛的硒营养剂。但是亚硒酸钠稳定性欠佳，在应用过程中对饲料品质和环境都存在潜在的不良影响。同时，亚硒酸钠服用过量会导致动物机体中毒甚至死亡［6］。目前，采用技术途径提高亚硒酸钠在饲料中的稳定性，是解决上述问题的重要途径。研究表明，微胶囊技术是提高药物稳定性的有效方法。Sanna等［20］采用双乳液法制备了负载白藜芦醇微胶囊，结果显示白藜芦醇经过微胶囊化后稳定性显著提高。 Albadran等［21］对植物乳杆菌在干燥微胶囊中加速贮存的稳定性进行了探究，结果表明微胶囊结构能提高植物乳杆菌的稳定性。徐华等［22］以乙基纤维素为壁材、毒死蜱为模型药物，采用乳化-溶剂挥发法制备毒死蜱/乙基纤维素微胶囊，该微胶囊具有良好的缓释性能。微胶囊技术确能有效提高药物的稳定性，增强药物在应用过程中的可控性，显著降低药物用量。

本研究采用内源乳化法成功制备负载Na2SeO3的海藻酸钠微胶囊。FTIR和XRD 分析表明：Na2SeO3以物理包埋的形成存在于SSSAM中，并且晶态Na2SeO3在包埋至SSSAM过程中，Na2SeO3在海藻酸钠与液体石蜡间界面发生溶解，在交联和干燥过程中转变为非晶态的Na2SeO3。通过单因素法，以SSSAM的LC和EE为指标，优化其制备工艺：Nano-CaCO3质量比为1/2，油水体积比为4:1，Span 80质量分数为3%，乳化40 min，交联15 min。在此条件下，SSSAM的LC和EE分别为16.2%和52.7%。SSSAM可替代Na2SeO3作为硒营养剂添加到饲料中。而SSSAM在不同环境下的稳定性及模拟环境中的释放有待后续进一步探讨。