淀粉微球研究进展

粮食与油脂2009年第8期 1

淀粉微球研究进展

冀国强，邵秀芝

（山东轻工业学院食品与生物工程学院，　山东济南　250353）

摘　要：该文综述淀粉微球特点、典型合成方法、作用机制及应用领域。关键词：淀粉微球；淀粉；变性淀粉

Research progress on starch microspheres

JI Guo-qiang，SHAO Xiu-zhi （School of Food & Bioengineering，Shandong Institute of Light Industry，Jinan 250353，China）Abstract： The features，typical synthetic methods and mechanism，application field of starch microspheres are reviewed in this article.Key words： starch microspheres；starch；modified starch 中图分类号：TS236.9 文献标识码：A 文章编号：1008―9578（2009）08―0001―03收稿日期：2009–06–12

淀粉微球是天然淀粉一种人造衍生物，系为淀粉在引发剂作用下，淀粉上羟基与交联剂进行适度交联而制得一种微球。淀粉微球有一定粒径及粒径分布要求，这是其与一般交联淀粉显著区别。淀粉微球因具有生物相容性、可生物降解性、无毒性、贮存稳定、原料来源广泛、价格低廉等优点，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。

国外对淀粉微球研究起步较早，合成微球已有十几年历史，已合成出一些产品，如瑞典Uppsalla 大学开发研制名为Sephere 制品已工业化生产。我国对淀粉微球研究起步较晚，对微球研究尚未深入，至今仍未见有工业化生产，与国外先进水平尚有一定差距。本文拟对近年来国内外淀粉微球研究进展作一综述。1 淀粉微球作用机制1.1 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。

1.2 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 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〕

。2 淀粉微球制备

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 3P 3O 9、对苯二甲酰氯等〔5~7〕。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W/O 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：2.1 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，Span 60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10~180 μm，平均粒径72 μm，其对玫瑰香精吸附

量达133 mg/g。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 μm，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115 h、温度为45℃条件下，其对玫瑰香精吸附量达0.85 g/g，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

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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2 h，薄荷油体积分数为4%，饱和吸附量为84.74 μl/g淀粉微球时为最佳吸附条件。

2.2 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140 mg/g。孙庆元等〔12〕以可溶性淀粉为原料，环氧氯丙烷为交联剂，Span 60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〕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pH 7.4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。

2.3 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（10–4~10–8 mol/L）。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〔15〕以玉米淀粉为主要原料，菜籽油为分散剂，Span 60和Tween 60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10~15 μm，玻璃化转变温度为188.7℃~194.7℃。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〔14〕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–OH、–NH2与抗坏血酸分子中–OH之间氢键缔合作用。

2.4 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〕。邱广亮等〔1〕采用乳化复合技术制备粒径为50~375 mm、分散系数为0.2376、Fe3O4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0.05 T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100~300 nm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，α–乙酰乳酸脱羧酶，EC. 4.1.1.5），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〕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16~120 μm占77%，Fe3O4在微球中平均含量为2.55 mg/g，微球结构坚韧，抗水溶性好。

2.5 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。肖昊江等〔20〕以可溶性淀粉为原料，环己烷和水构成反相悬浮体系，

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Span 60和Tween 60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15.2 μm，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Na3P3O9作交联剂进行二次交联和阴离子化，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。

2.6 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（W/O）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〕。

3 结束语

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

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，因此需要特别加强在这方面研究力度。

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