李?yuàn)? 王志英

摘要 [目的]探討復(fù)凝聚法制備以明膠和阿拉伯膠為壁材的蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis，簡(jiǎn)稱Bt）微膠囊的工藝。[方法] 通過單因素試驗(yàn)，研究了明膠濃度、阿拉伯膠濃度、芯壁比、pH、反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)微膠囊包埋效率的影響，再通過正交優(yōu)化試驗(yàn)確定最佳制備條件。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和粒徑測(cè)微儀對(duì)蘇云金桿菌微膠囊形態(tài)及粒徑分布進(jìn)行表征。[結(jié)果] 復(fù)凝聚法制備蘇云金桿菌微膠囊最佳工藝條件為明膠濃度1.0%，阿拉伯膠濃度1.0%，芯壁比1∶1，復(fù)凝聚反應(yīng)pH 3.6，溫度40 ℃，攪拌速度550 r/min。在此條件下的包埋率達(dá)82.32%，粒徑分布均勻且平均粒徑在28.29 μm左右流動(dòng)性好的球型固體微膠囊。 [結(jié)論] 該微膠囊符合實(shí)際應(yīng)用需求，為殺蟲劑的研制提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 蘇云金桿菌；明膠；阿拉伯膠；復(fù)凝聚法；微膠囊

中圖分類號(hào) S482.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05020-04

蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis， Bt） 制劑是目前世界上研究最深入、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛、對(duì)非目標(biāo)生物無任何不利影響的微生物殺蟲劑之一[1-2]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、衛(wèi)生害蟲的生物防治中。但由于蘇云金桿菌制劑野外應(yīng)用存在殘效期短、防效不穩(wěn)定、易受陽光、溫度、濕度等外界條件制約等缺點(diǎn)[3]，筆者以明膠和阿拉伯膠為壁材，利用成囊技術(shù)包埋蘇云金芽孢桿菌，制成微膠囊以提高菌體的穩(wěn)定性、增強(qiáng)其耐紫外照射、耐高溫的能力，便于對(duì)其保存和使用。

微膠囊技術(shù)包含物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法等[4]。復(fù)凝聚法是物理化學(xué)法中相分離法的一種，它利用2種帶相反電荷的天然或合成的高分子材料在一定條件下相反電荷的高分子材料互相交聯(lián)，形成復(fù)合物后溶解度降低自溶液中凝聚析出而成囊。復(fù)凝聚法是制備微膠囊的重要方法之一，在國(guó)內(nèi)外已有廣泛的應(yīng)用和研究，主要用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、肥料等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)，范光龍等[5]以明膠與阿拉伯膠作為壁材，制備薄荷油微膠囊，含油量為90.2%。孫鋒等[6]以香蕉油香精為芯材，阿拉伯膠、氧化淀粉和明膠為壁材，包埋率達(dá)50%，所得薄荷油微膠囊和香蕉油香精微膠囊都降低其常溫下的揮發(fā)，提高了薄荷油和香蕉油香精的穩(wěn)定性。李武明等[7]探討了以殼聚糖及海藻酸鈉為壁材制備耐酸的雙歧桿菌微囊效果最佳。李鶴等[8]以明膠和阿拉伯膠為壁材制備昆蟲蛻皮激素微膠囊，包覆率為63.4%。馬麗杰等[9]和周小敏等[10]分別以殼聚糖和木質(zhì)素磺酸鈉，明膠和阿拉伯膠為囊材將阿維菌素包埋成微膠囊，包埋率均超過82%。陸繼鋒等[11]以有機(jī)磷殺蟲劑辛硫磷為囊芯采用復(fù)凝聚法制備辛硫磷微膠囊，增強(qiáng)了囊芯的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了殺蟲劑的藥效。在國(guó)外，復(fù)凝聚法制備的微膠囊劑也廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。CHANG等[12]以明膠和阿拉伯膠為壁材，樟腦油為芯材，制備微膠囊，包埋率達(dá)到 99.6%；通過油溶性的聚苯乙烯，改善樟腦油微膠囊的緩釋效果。目前，復(fù)凝聚法中最常見的壁材有明膠、阿拉伯膠、殼聚糖、木質(zhì)素磺酸鈉、海藻酸鈉等，筆者以明膠（GE）和阿拉伯膠（AG）為壁材[13]，探討了壁材濃度、壁材比例、芯壁材比、pH、反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)速等因素對(duì)復(fù)凝聚過程的影響，確定了蘇云金桿菌微膠囊的制備體系，表征蘇云金桿菌微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)，為開發(fā)新型微生物農(nóng)藥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 菌種：蘇云金桿菌庫(kù)斯塔克亞種（Bacillus thuringiensis subsp.kurstaki，Btk，質(zhì)量50 000 IU/mg；湖北康欣農(nóng)用公司）。

試劑：明膠（SIGMA.ALDRICH），阿拉伯膠（AMRESCO），吐溫80（AMRESCO），戊二醛（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），冰乙酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），氫氧化鈉（天津廣成化學(xué)試劑有限公司），其余試劑購(gòu)自于天津廣成化學(xué)試劑有限公司，去離了水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

儀器：電子天平（AR2130，梅特勒-托利多儀器有限公司），磁力攪拌器（德國(guó)SLK），電動(dòng)攪拌器（德國(guó) CY1L6.PS.NCY1L6H.A.N），高速離心機(jī)（D.37520，德國(guó)Osterode公司），電子掃描顯微鏡（JSM.6460LV，日本JEOL），激光粒度分析儀（ BT.9300H，丹東市百特儀器有限公口），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海齊欣科學(xué)儀器有限公司，DHG.9030A北京），pH計(jì)，生物顯微鏡（奧林巴斯有限公司上海分公司）。

1.2 蘇云金芽孢桿菌微膠囊的制備 把蘇云金芽孢桿菌菌粉配成一定濃度的菌液，加入一定量20%Tween 80，置于磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在低速300 r/min，制成蘇云金芽孢桿菌懸浮液。鏡撿菌液分散均勻后加入適量的明膠水溶液，溫度緩慢升至40 ℃恒溫，待體系攪拌一段時(shí)間后，將等量的阿拉伯膠水溶液加入到上述乳液中并調(diào)整轉(zhuǎn)速到400 r/min，攪拌均勻后，緩慢滴加10%醋酸溶液調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH至4，一段時(shí)間后，繼續(xù)攪拌，將體系置于冰浴中，使溫度降到5～10 ℃，加入10%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8～9，加入一定量的固化劑戊二醛（25%）溶液1 ml低溫下攪拌1 h后，取出微膠囊溶液進(jìn)行離心處理，用去離子水將離心管下方的微膠囊沉淀洗滌，最后得到的微膠囊室溫晾干，干燥后的物質(zhì)為蘇云金芽孢桿菌微膠囊粉末，4 ℃下保存。

1.3 蘇云金芽孢桿菌微膠囊的形態(tài)特征觀察 將所制微膠囊懸浮液滴一滴到載玻片上，用光學(xué)顯微鏡觀察微膠囊的形態(tài)。在掃描電子顯微鏡樣品臺(tái)上貼一層雙面膠將微膠囊粉末輕輕撒在上面，輕輕吹去多余的粉末，離子濺射儀鍍金1 min后，在掃描電子顯微鏡下對(duì)微膠囊的表面形態(tài)和粒徑進(jìn)行觀察。

1.4 蘇云金芽孢桿菌微膠囊包埋率的測(cè)定 取0.1 g菌粉配成菌懸液，測(cè)其菌數(shù)（B0），另取同樣重量的菌粉所制微膠囊等體積溶液，測(cè)其菌數(shù)（B1），則包埋率=1-B1/B0[14]。

1.5 粒徑檢測(cè) 采用BT.2003型激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品測(cè)定3次。

1.6 單因素優(yōu)化微膠囊制備工藝

1.6.1 明膠濃度對(duì)微膠囊形成的影響。選取明膠濃度0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%，阿拉伯膠濃度1.5%，芯壁比1∶1，成囊pH3.5，反應(yīng)溫度40 ℃，攪拌速度500 r/min，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.6.2 阿拉伯膠濃度對(duì)微膠囊形成的影響。選取阿拉伯膠濃度0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%，明膠濃度1.5%，芯壁比1∶1，成囊pH3.5，反應(yīng)溫度40 ℃，攪拌速度500 r/min，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.6.3 芯壁比對(duì)微膠囊形成的影響。芯壁比選取3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3，明膠濃度1.5%，阿拉伯膠濃度1.5%，成囊pH3.5，反應(yīng)溫度40 ℃，攪拌速度500 r/min，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.6.4 成囊pH對(duì)微膠囊形成的影響。pH選取3.0、3.4、3.8、4.2和4.6，明膠濃度1.5%，阿拉伯膠濃度1.5%，芯壁比1∶1，反應(yīng)溫度40 ℃，攪拌速度500 r/min，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.6.5 成囊溫度對(duì)微膠囊形成的影響。反應(yīng)溫度選取30、40、50、60和70 ℃，明膠濃度1.5%，阿拉伯膠濃度1.5%，芯壁比1∶1，成囊pH 3.5，攪拌速度500 r/min，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.6.6 轉(zhuǎn)速對(duì)微膠囊形成的影響。轉(zhuǎn)速選取300、400、500、600和700 r/min，明膠濃度1.5%，阿拉伯膠濃度1.5%，芯壁比1∶1，成囊pH 3.5，反應(yīng)溫度40 ℃，反應(yīng)結(jié)束后沉淀洗滌，測(cè)定包埋率。

1.7 正交優(yōu)化微膠囊制備工藝 針對(duì)單因素影響因子的試驗(yàn)結(jié)果，選出對(duì)微膠囊包埋率影響較大的4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。選用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)確定最佳的包囊條件，其試驗(yàn)因素水平見表1。

1.8 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)均用平均值表示，采用Excel 2003和正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 明膠濃度對(duì)微膠囊形成的影響。由圖1可知，微膠囊的包埋率隨明膠濃度的增大呈先升高后下降的趨勢(shì)，在濃度為1.0%時(shí)包埋率達(dá)72.44%。0.5%～4.0%明膠制成的微膠囊的包埋率分別為50.38%、72.44%、58.85%、42.30%和25.72%。由此可知，低濃度明膠溶液條件下制備出的微膠囊具有較高的包埋效率，低濃度有利于物質(zhì)的溶解，易分散在體系里，與阿拉伯膠反應(yīng)時(shí)能防止壁材過量而造成體系黏稠，但濃度太低也不利于微膠囊的形成，低濃度不能提供足夠的電荷與阿拉伯膠反應(yīng)。明膠濃度為0.5%、1.0%和2.0%的微膠囊包埋率高于明膠濃度為3.0%和4.0%的微膠囊。綜上所述，低濃度明膠的微膠囊可以提高包埋率，高濃度的明膠不利于復(fù)凝聚反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)造成囊壁致密，厚度增大，不利于囊芯的釋放，濃度繼續(xù)加大時(shí)，微膠囊之間還易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。因此，明膠的濃度應(yīng)控制在0.5%～3.0%。

2.1.2 阿拉伯膠濃度對(duì)微膠囊形成的影響。由圖2可知，隨阿拉伯膠濃度的增大蘇云金桿菌微膠囊的包埋率變化較大，在濃度為2.0%時(shí)包埋率最大71.10%。0.5%～4.0%膠濃度制成的微膠囊的包埋率分別為35.40%、66.45%、71.10%、34.11%和10.04%。由此可知，阿拉伯膠濃度為1.0%和2.0%所制微膠囊的包埋率高于阿拉伯膠濃度為0.5%、3.0%和4.0%的微膠囊，阿拉伯膠濃度為3.0%和4.0%時(shí)，溶液黏度增大易粘連。綜上所述，阿拉伯膠濃度為1.0%～2.0%時(shí)有利于微膠囊形成。

2.1.3 芯壁比對(duì)微膠囊形成的影響。

3可知，隨芯壁比的增大，包埋率呈先升后降的趨勢(shì)，芯壁比為1∶1時(shí)微膠囊的包埋率最大為62.64%。芯壁比為1∶ 3、1∶ 2、1∶ 1、2∶ 1、3∶ 1時(shí)制成的微膠囊的包埋率分別為37.36%、51.03%、62.64%、25.97%和12.32%。由此可知，芯壁比為1∶1和1∶2的微膠囊的包埋率高于芯壁比為3∶1、2∶1和1∶3的微膠囊。綜上所述，芯壁比過大，芯材過量會(huì)導(dǎo)致包埋率下降，壁材過少不能完全將芯材包覆，使得大量的囊芯粘在微膠囊表面，囊壁膜變薄。芯壁比過小，囊壁濃度過大也易粘連，形成的囊壁變厚，不利于囊芯的釋放。

2.1.4 pH對(duì)微膠囊形成的影響。由圖4可知，在pH為3.0～4.5時(shí)制成微膠囊的包埋率分別為67.18%、72.05%、79.16%、68.36%和50.38%。由此得知，隨pH的增大包埋率先增大后減小，pH為3.4和3.8的微膠囊包埋率高于pH為3.0和4.2的微膠囊，在pH為3.8時(shí)微膠囊包埋率最高。這是由明膠和阿拉伯膠的性質(zhì)所決定的，在水溶液中明膠分子中的正負(fù)電荷數(shù)量受介質(zhì)pH的直接影響。當(dāng)pH為3.0～4.2時(shí)明膠中正電荷達(dá)最大，在此條件下加入帶負(fù)電荷的阿拉伯膠溶液，此時(shí)彼此的靜電作用處于最理想狀態(tài)，明膠和阿拉伯膠產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象而形成微膠囊[4]。當(dāng)pH小于3.0時(shí)，也不能得到聚合物，這是因?yàn)樵谳^強(qiáng)酸性條件下，縮聚生成的微膠囊易分解為小分子。

2.1.5 溫度對(duì)微膠囊形成的影響。由圖5可知，反應(yīng)溫度從30～70 ℃，制成微膠囊的包埋率分別為53.66%、78.05%、64.33%、34.83%和20.76%。由此可知，40和50 ℃微膠囊的包埋率高于反應(yīng)溫度30和60 ℃的微膠囊，反應(yīng)溫度為40 ℃時(shí)包埋率最高為78.05%。綜上所述，反應(yīng)溫度為40 ℃左右時(shí)有利于微膠囊形成。

2.1.6 轉(zhuǎn)速對(duì)微膠囊形成的影響。由圖6可知，微膠囊的包埋率隨轉(zhuǎn)速的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，500 r/min時(shí)包埋率最大為81.04%。制成的微膠囊的包埋率分別為42.99%、66.01%、81.04%、68.74%和53.99%。由此得知，攪拌速度為500和600 r/min條件下制備的微膠囊的包埋率高于攪拌速度為700 r/min條件下制備的微膠囊。表明低轉(zhuǎn)速下有利于復(fù)凝聚反應(yīng)的進(jìn)行，高轉(zhuǎn)速下易使反應(yīng)體系紊亂，阻礙復(fù)凝聚反應(yīng)的發(fā)生。因此，將攪拌速度控制在低轉(zhuǎn)速下即可保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取明膠濃度、阿拉伯膠濃度、pH、轉(zhuǎn)速4個(gè)因素，以微膠囊包埋率為指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，影響包埋率的各因素主次順序?yàn)锳 >C >B >D，即明膠濃度的影響最大，其次是pH，阿拉伯膠濃度和轉(zhuǎn)速對(duì)包埋效果的影響都較小，最佳組合為A1C2B1D3，即最佳包埋工藝條件為：明膠濃度1.0%、阿拉伯膠濃度1.0%、pH 3.6、轉(zhuǎn)速550 r/min。并以此條件制備蘇云金芽孢桿菌微膠囊。

2.3 蘇云金芽孢桿菌微膠囊的形態(tài)特征 利用光學(xué)顯微鏡與掃描電子顯微鏡對(duì)最優(yōu)條件下制備的蘇云金芽孢桿菌微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)和整體分布進(jìn)行表征，結(jié)果見圖7。由圖7可知，在水分散體系中，蘇云金芽孢桿菌微膠囊呈球形，單分散性好，形態(tài)規(guī)則，大小較均勻。由圖8可知，蘇云金芽孢桿菌微膠囊成囊性及密封性良好，囊皮材料包裹緊實(shí)，雜質(zhì)殘留較少。

2.4 蘇云金芽孢桿菌微膠囊化的包埋率 采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法，根據(jù)“1.4”中方法和公式計(jì)算出上述最優(yōu)工藝條件下所制備的蘇云金芽孢桿菌微膠囊的包埋率為82.32%。

2.5 粒徑分布 利用激光粒度分析儀測(cè)定蘇云金芽孢桿菌微膠囊的粒徑大小，蘇云金芽孢桿菌微膠囊粒徑分布見圖9。由圖9可知，蘇云金芽孢桿菌微膠囊粒徑呈正態(tài)分布，大粒徑的微膠囊極少存在。測(cè)出不同粒徑的分布范圍，得出中位徑為28.29 μm?？偤?0%微膠囊可通過300目的篩子。

3 結(jié)論與討論

該研究以明膠和阿拉伯膠為壁材，蘇云金芽孢桿菌為芯材，采用復(fù)凝聚法制備蘇云金芽孢桿菌微膠囊，表征了微膠囊的超微結(jié)構(gòu)、包埋率及粒徑分布。結(jié)果表明，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得出影響微膠囊包埋率的主次順序?yàn)槊髂z濃度>pH>阿拉伯膠濃度>轉(zhuǎn)速。最佳工藝條件：明膠濃度1.0%，阿拉伯膠濃度1.0%，芯壁比1∶1，復(fù)凝聚反應(yīng)pH 3.6，溫度40 ℃，攪拌速550 r/min。在此工藝條件下得到的微膠囊產(chǎn)品的包埋率可達(dá)82.32%，粒徑分布均勻且平均粒徑在28.29 μm。包埋率是評(píng)價(jià)微膠囊化產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，包埋率高，表明芯材大多被包埋在微膠囊壁基質(zhì)內(nèi)，留在微膠囊產(chǎn)品表面的芯材含量少。將蘇云金芽孢桿菌微膠囊化，可減少孢子粉用量，提高芯材物質(zhì)的穩(wěn)定性，有效避免紫外照射[15-16]，緩慢釋放且延長(zhǎng)殺蟲活性。減少了對(duì)人畜的刺激、環(huán)境的污染和對(duì)農(nóng)作物的藥害，是一種環(huán)境友好型制劑[17]。故對(duì)所制微膠囊劑的防紫外線程度、殺蟲效果還有待進(jìn)一步研究、完善。

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責(zé)任編輯 李占東 責(zé)任校對(duì) 況玲玲