一种复合包被二甲酸钾微囊及其制备工艺的制作方法

1.本发明涉及二甲酸钾微囊化技术领域，尤其涉及一种复合包被二甲酸钾微囊及其制备工艺。


背景技术：

2.我国是世界第一饲料生产大国，也是抗生素使用第一大国，每年饲用抗生素的消耗量超10万吨，占全球使用量的30％以上。但是随着饲用抗生素的长期不规范使用，导致细菌耐药形势日趋严峻，动物源细菌耐药率持续上升，抗菌药物残留超标风险加剧，不仅严重影响了动物食品安全，而且给人类健康造成了巨大的威胁。因此，饲用抗生素的禁用已经在全球范围内成为行业和社会共识。欧盟、日本、韩国等国家纷纷出台政策禁止在饲料中使用抗生素促生长剂。我国农业农村部也高密度出台抗生素“限/禁用”相关政策和计划，并规定自2020年起，退出除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂及品种。由此可知，饲用抗生素替代类产品在未来畜牧养殖业将具有巨大的市场需求前景。
3.二甲酸钾最早由basf公司研制开发并于2001年被欧盟批准使用，是欧盟批准的第一种用于替代抗生素促生长的非抗生素饲料添加剂。目前，由basf公司研制开发的以二甲酸钾为主要成分的饲料添加剂已被欧共体、瑞士、挪威批准在仔猪、育肥猪和母猪饲料中作为促生长剂广泛使用。我国于2005年将二甲酸钾作为新饲料添加剂批准用于猪饲料。临床应用研究结果显示，二甲酸钾作为一种非抗生素生长促进剂不仅在动物体内安全无毒、无残留，不会产生耐药性，而且对生态环境无危害，可被完全降解。因此，二甲酸钾作为一种饲用抗生素替代品具有良好的商业价值和应用前景。
4.二甲酸钾是一种短链有机酸，进入肠道后，可以通过被动扩散被肠上皮细胞吸收，为肠上皮细胞的代谢和维持肠道健康提供能量。二甲酸钾可以穿过细菌的细胞壁释放质子进入细胞质，而细菌为了维持细胞内ph的平衡，需要消耗大量的atp来排泄质子，使其能量耗尽，最终导致细菌死亡。二甲酸钾作为第一个非抗生素类抗菌促生长剂，其抑菌促生长、调节肠道微生态环境、预防动物腹泻等作用已获得普遍的认可。
5.目前，市场上常见的二甲酸钾大部分为未经加工或经简单混合的产品。cn 101502299 b公开了一种罗非鱼用饲料添加剂，原料包括二甲酸钾及二氧化硅、杜仲活性物质的β-环糊精或β-环糊精或环糊精衍生物或乳糖或葡美粉包合物、5-硝基愈创木酚钠、维生素c、甜菜碱；cn 102172266 b公开了一种提高哺乳母猪采食量的添加剂及其应用，选用二甲酸钾与γ-氨基丁酸、半胱胺盐、活性酵母、产酶益生素复配；上述二甲酸钾的加工工艺仍处于简单、粗放的状态，目前二甲酸钾最常见的加工工艺为添加二氧化硅等载体进行简单混合或者对二甲酸钾进行粗包被以便于贮存，这种粗放的加工工艺使二甲酸钾的使用效果大大降低。
6.孟祥俭等.二甲酸钾微胶囊的构建与缓释抑菌性[j].精细化工,2013,第36卷第11期:2253-2257公开了以沸石分子筛为载体，负载二甲酸钾，以壳聚糖和海藻酸钠作为壳材料，采用复凝聚法制备缓释微胶囊，这在一定程度上提高了微胶囊的力学和稳定性能，但其
包封率为68.33％，包封率提高受限，同时缓释性能不稳定，抑菌率最高只能达到85％。
[0007]
国内也尚未有其他成熟工艺解决二甲酸钾的上述问题，如何对二甲酸钾进行微囊化，进一步提高二甲酸钾的包封率，降低对矿物元素的消化，吸收和代谢的影响，同时提高缓释稳定性，增加抑菌率，降低使用剂量，成为目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

[0008]
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种复合包被二甲酸钾微囊及其制备工艺。
[0009]
本发明提出的一种复合包被二甲酸钾微囊，其原料按重量份包括：二甲酸钾1-5份、微晶纤维素5-10份、壳聚糖2-5份、硅酸四乙酯2-6份、氯化钙0.1-1份、海藻酸钠溶液100-150份、乙醇溶液50-70份、醋酸溶液50-100份、氨水1-3份。
[0010]
优选地，二甲酸钾，酸度＞34.55％。
[0011]
微晶纤维素，粒径范围一般为20-200μm，流动性强但不具有纤维性，主要成分为以β-1,4-葡萄糖苷键结合的直链式多糖类物质，是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度的可自由流动的极细微的短棒状或粉末状多孔状颗粒。
[0012]
优选地，微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145。
[0013]
优选地，壳聚糖，脱乙酰度＞90％。
[0014]
优选地，海藻酸钠溶液的浓度为1-2.5wt％。
[0015]
优选地，海藻酸钠粘度为1.06-1.12pa.s。
[0016]
优选地，乙醇溶液的浓度为40-60wt％。
[0017]
优选地，醋酸溶液的浓度为1-2v/v％。
[0018]
一种所述的复合包被二甲酸钾微囊的制备方法，包括如下步骤：
[0019]
s1、将微晶纤维素加入至乙醇溶液中，加入氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加硅酸四乙酯，室温搅拌10-30h，依次用乙醇、水洗涤，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，煅烧温度为300-400℃，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0020]
s2、将二甲酸钾加入至水中搅拌均匀，二甲酸钾与水的重量比为1-5：40-60，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度40-50℃搅拌2-4h，超声处理1-2h，超声频率为10-16khz，离心，洗涤，在温度40-50℃烘箱中干燥，得到二甲酸钾芯材；
[0021]
s3、将壳聚糖加入至醋酸溶液中，在温度40-50℃搅拌均匀，加入氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0022]
s4、将二甲酸钾芯材加入至海藻酸钠溶液中，在温度30-40℃搅拌均匀，在1000-2000r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1-2h，用蒸馏水洗涤，在温度40-50℃烘箱中干燥，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0023]
优选地，在s1中，所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm。
[0024]
优选地，在s1中，加入至烧结炉中煅烧，具体煅烧过程中，氮气保护下，从室温以1-5℃/min的速度升温至200-250℃，保温10-30min，继续以10-15℃/min的速度升温至300-400℃，保温10-20min。
[0025]
本发明的技术效果如下所示：
[0026]
(1)微晶纤维素为短棒状或多孔状颗粒结构，通过在微晶纤维素表面沉积二氧化
硅，经过煅烧微晶纤维素碳化，形成以二氧化硅为壳体内部含有多孔炭球芯的纳米微球结构，同时二氧化硅壳体上形成大量孔洞，多孔炭球芯可作为二氧化硅壳体的支撑载体，有效保证壳体结构的稳定性；
[0027]
(2)本发明的微晶纤维素碳化过程中尺寸缩小，外层由纳米二氧化硅颗粒结合而成的微球收缩率小于多孔炭球心，导致芯、壳分离，二氧化硅复合微球的直径可收缩至100-500μm，通过将二氧化硅复合微球加入至二甲酸钾溶液中，二甲酸钾被充分吸附至二氧化硅复合微球内，通过多孔炭球心与二氧化硅微球壳体的双重作用，不仅吸附量极大，同时吸附稳定性好；
[0028]
(3)本发明将二氧化硅复合微球分散在二甲酸钾溶液中，二甲酸钾通过微球孔道进入微球内部多孔炭球中，在酸性条件下，壳聚糖形成-nh
3
并与海藻酸钠的羧基结合形成聚电解质膜并将二甲酸钾芯材包被其中，二甲酸钾的包封率可达94.3％，其在胃中保持完整而在肠道内溶解释放二甲酸钾，不仅降低对矿物元素的消化、吸收和代谢的影响，同时具有缓释稳定性高，抑菌率可达93％，二甲酸钾利用效率高，可有效降低其使用剂量。
[0029]
(4)本发明通过特定工艺制备二氧化硅复合微球，实现对二甲酸钾的双重增效吸附，制备的二氧化硅复合微球不仅稳定性极高不易破碎，同时在肠道中缓释性能好，二甲酸钾的溶出速率可控，有效延长在肠道中的作用时间，提高生物利用率，降低使用剂量。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例5所得二甲酸钾微囊浸泡在模拟胃液和模拟肠液中不同时间的ph变化图。
[0031]
图2为本发明实施例5与对比例1-2所得二甲酸钾微囊试样的抗菌率随时间变化的对比图。
具体实施方式
[0032]
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0033]
实施例1
[0034]
一种复合包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0035]
s1、将5kg微晶纤维素加入至50kg浓度为40wt％乙醇溶液中，加入1kg氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加2kg硅酸四乙酯，室温搅拌10h，用乙醇洗涤1次，用水洗涤1次，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，氮气保护下，从室温以1℃/min的速度升温至200℃，保温10min，继续以10℃/min的速度升温至300℃，保温10min，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0036]
所述微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145；
[0037]
所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm，壁厚为15-45μm；
[0038]
s2、将1kg二甲酸钾加入至40kg水中搅拌均匀，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度40℃搅拌2h，超声处理1h，超声频率为10khz，离心，洗涤，在温度40℃烘箱中干燥2h，得到二甲酸钾芯材；
[0039]
s3、将2kg壳聚糖加入至50kg浓度为1v/v％醋酸溶液中，在温度40℃搅拌均匀，加入0.1kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0040]
s4、将二甲酸钾芯材加入至100kg浓度为1wt％海藻酸钠溶液中，在温度30℃搅拌均匀，在1000r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1h，用蒸馏水洗涤2次，在温度40℃烘箱中干燥10h，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0041]
实施例2
[0042]
一种复合包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0043]
s1、将10kg微晶纤维素加入至70kg浓度为60wt％乙醇溶液中，加入3kg氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加6kg硅酸四乙酯，室温搅拌30h，用乙醇洗涤3次，用水洗涤3次，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，氮气保护下，从室温以5℃/min的速度升温至250℃，保温30min，继续以15℃/min的速度升温至400℃，保温20min，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0044]
所述微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145；
[0045]
所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm，壁厚为15-45μm；
[0046]
s2、将5kg二甲酸钾加入至60kg水中搅拌均匀，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度50℃搅拌4h，超声处理2h，超声频率为16khz，离心，洗涤，在温度50℃烘箱中干燥6h，得到二甲酸钾芯材；
[0047]
s3、将5kg壳聚糖加入至100kg浓度为2v/v％醋酸溶液中，在温度50℃搅拌均匀，加入1kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0048]
s4、将二甲酸钾芯材加入至150kg浓度为2.5wt％海藻酸钠溶液中，在温度40℃搅拌均匀，在2000r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌2h，用蒸馏水洗涤4次，在温度50℃烘箱中干燥20h，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0049]
实施例3
[0050]
一种复合包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0051]
s1、将6kg微晶纤维素加入至55kg浓度为45wt％乙醇溶液中，加入1.2kg氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加3kg硅酸四乙酯，室温搅拌15h，用乙醇洗涤1次，用水洗涤2次，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，氮气保护下，从室温以1.5℃/min的速度升温至220℃，保温15min，继续以12℃/min的速度升温至320℃，保温12min，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0052]
所述微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145；
[0053]
所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm，壁厚为15-45μm；
[0054]
s2、将3kg二甲酸钾加入至42kg水中搅拌均匀，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度42℃搅拌2.5h，超声处理1.2h，超声频率为12khz，离心，洗涤，在温度42℃烘箱中干燥3h，得到二甲酸钾芯材；
[0055]
s3、将2.5kg壳聚糖加入至60kg浓度为1.2v/v％醋酸溶液中，在温度42℃搅拌均匀，加入0.2kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0056]
s4、将二甲酸钾芯材加入至120kg浓度为1.2wt％海藻酸钠溶液中，在温度32℃搅拌均匀，在1200r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1.2h，用蒸馏水洗涤2次，在温度41℃烘箱中干燥12h，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0057]
实施例4
[0058]
一种复合包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0059]
s1、将8kg微晶纤维素加入至60kg浓度为55wt％乙醇溶液中，加入2.5kg氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加5kg硅酸四乙酯，室温搅拌20h，用乙醇洗涤2次，用水洗涤3次，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，氮气保护下，从室温以4℃/min的速度升温至240℃，保温25min，继续以14℃/min的速度升温至360℃，保温18min，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0060]
所述微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145；
[0061]
所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm，壁厚为15-45μm；
[0062]
s2、将5kg二甲酸钾加入至45kg水中搅拌均匀，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度48℃搅拌3h，超声处理1.5h，超声频率为15khz，离心，洗涤，在温度46℃烘箱中干燥5h，得到二甲酸钾芯材；
[0063]
s3、将4kg壳聚糖加入至80kg浓度为1.8v/v％醋酸溶液中，在温度46℃搅拌均匀，加入0.8kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0064]
s4、将二甲酸钾芯材加入至140kg浓度为2.2wt％海藻酸钠溶液中，在温度36℃搅拌均匀，在1800r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1.8h，用蒸馏水洗涤3次，在温度48℃烘箱中干燥18h，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0065]
实施例5
[0066]
一种复合包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0067]
s1、将6kg微晶纤维素加入至54kg浓度为50wt％乙醇溶液中，加入2.5kg氨水搅拌均匀，搅拌状态下滴加3kg硅酸四乙酯，室温搅拌15h，用乙醇洗涤2次，用水洗涤2次，冷冻干燥，然后加入至烧结炉中煅烧，氮气保护下，从室温以2℃/min的速度升温至220℃，保温20min，继续以12℃/min的速度升温至350℃，保温15min，空冷至室温，得到二氧化硅复合微球；
[0068]
所述微晶纤维素的粒径为20-40μm，极限聚合度为15-145；
[0069]
所述二氧化硅复合微球的直径为100-500μm，壁厚为15-45μm；
[0070]
s2、将4kg二甲酸钾加入至50kg水中搅拌均匀，然后向其中加入二氧化硅复合微球，在温度45℃搅拌3h，超声处理1.2h，超声频率为12khz，离心，洗涤，在温度45℃烘箱中干燥4h，得到二甲酸钾芯材；
[0071]
s3、将3.2kg壳聚糖加入至60kg浓度为1.2v/v％醋酸溶液中，在温度45℃搅拌均匀，加入0.2kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0072]
s4、将二甲酸钾芯材加入至125kg浓度为2.1wt％海藻酸钠溶液中，在温度35℃搅拌均匀，在1500r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1.5h，用蒸馏水洗涤3次，在温度45℃烘箱中干燥15h，得到复合包被二甲酸钾微囊。
[0073]
试验例i
[0074]
取1.2g实施例5所得复合包被二甲酸钾微囊分别置于200ml、ph＝2.0的盐酸溶液(模拟胃液系统)和200ml、ph＝7.2的pbs缓冲溶液(模拟肠道系统)中，恒温37℃以80r/min速度搅拌，定时检测溶液的ph值。
[0075]
其结果如图1所示。由图1可知：实施例5所得复合包被二甲酸钾微囊浸泡在模拟胃液中，前期ph值升至3，本技术人猜测这是由于实施例5采用海藻酸钠和壳聚糖作为壁材，壁材(尤其是壳聚糖)在酸性条件下发生反应，从而使ph值升高，随后ph值不再变化，说明实施
例5微囊壁材未发生破裂，二甲酸钾没有释放，实施例5所得复合包被二甲酸钾微囊稳定存在于模拟胃液中。
[0076]
而实施例5所得复合包被二甲酸钾微囊浸泡在模拟肠液中，微胶囊壁材在碱性环境中发生破裂，使二甲酸钾被释放，但随后ph值不再大幅降低，本技术人认为这是由于实施例5采用二氧化硅复合微球对二甲酸钾进行保护，使二甲酸钾在肠道环境中被缓慢释放，达到对肠道长效作用的效果，可随肠道蠕动使二甲酸钾抵达肠道末段。
[0077]
对比例1
[0078]
一种包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0079]
(i)、将4kg二甲酸钾加入至50kg水中搅拌均匀，然后向其中加入沸石分子筛，沸石分子筛的添加量与实施例5二氧化硅复合微球相同，在温度45℃搅拌3h，超声处理1.2h，超声频率为12khz，离心，洗涤，在温度45℃烘箱中干燥4h，得到二甲酸钾芯材；
[0080]
(ii)、将3.2kg壳聚糖加入至60kg浓度为1.2v/v％醋酸溶液中，在温度45℃搅拌均匀，加入0.2kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0081]
(iii)、将二甲酸钾芯材加入至125kg浓度为2.1wt％海藻酸钠溶液中，在温度35℃搅拌均匀，在1500r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1.5h，用蒸馏水洗涤3次，在温度45℃烘箱中干燥15h，得到包被二甲酸钾微囊。
[0082]
对比例2
[0083]
一种包被二甲酸钾微囊的制备工艺，包括如下步骤：
[0084]
(i)、将4kg二甲酸钾加入至50kg水中搅拌均匀，然后向其中加入介孔二氧化硅微球，介孔二氧化硅微球的添加量与实施例5二氧化硅复合微球相同，在温度45℃搅拌3h，超声处理1.2h，超声频率为12khz，离心，洗涤，在温度45℃烘箱中干燥4h，得到二甲酸钾芯材；
[0085]
(ii)、将3.2kg壳聚糖加入至60kg浓度为1.2v/v％醋酸溶液中，在温度45℃搅拌均匀，加入0.2kg氯化钙搅拌均匀，得到壁材溶液；
[0086]
(iii)、将二甲酸钾芯材加入至125kg浓度为2.1wt％海藻酸钠溶液中，在温度35℃搅拌均匀，在1500r/min的高速搅拌速度下，向其中滴加壁材溶液，继续搅拌1.5h，用蒸馏水洗涤3次，在温度45℃烘箱中干燥15h，得到包被二甲酸钾微囊。
[0087]
试验例ii
[0088]
分别取1.2g各组(实施例5、对比例1-2所得二甲酸钾微囊)试样置于ph＝7.2的pbs缓冲溶液中，将其放入37℃恒温水浴锅中，在转速为80r/min的磁力搅拌器下进行搅拌，使微胶囊中的二甲酸钾得到充分释放。每隔0.5h用移液枪吸取5ml缓释液于之前做好标记的离心管内，并置于5000r/min的离心机中离心30min，再用蒸馏水稀释30倍，采用原子吸收分光光度计对稀释后的各缓释液进行吸光度测试，换算成各缓释液中二甲酸钾的含量，从而计算包封率。
[0089]
包封率＝微球中二甲酸钾含量/初始二甲酸钾投加量
×
100％
[0090]
其结果如下：
[0091]
测试项目包封率，％实施例594.3对比例169.4对比例266.2
[0092]
由上表可以看出：实施例5所得二甲酸钾微囊的包封率最高，对比例1比实施例5稍差，申请人认为，这是由于沸石分子筛对二甲酸钾的吸附能力有限，而实施例5采用二氧化硅复合微球对二甲酸钾进行吸附，二氧化硅复合微球的装填量大，而且稳定性高，使包封率达到94.3％。
[0093]
试验例iii
[0094]
将各组二甲酸钾微囊试样按4％的添加量加入试验例2所用ph＝7.2的pbs缓冲溶液中，取2ml加入到装有8ml培养基的试管中，再加入100μl已培养至对数生长期的大肠杆菌的菌悬液，于水浴37℃、220r/min搅拌速度下处理，分别在1h、2h、3h、4h、6h、8h、10h、12h、15h、18h用可见分光光度计测定在630nm波长下的吸光度，按下式计算抑菌率，如图2所示。
[0095]
抑菌率＝(od
1-od)/od
×
100％
[0096]
od为样品的吸光度；od1为无微胶囊含菌培养液的吸光度。
[0097]
由图2可知：实施例5采用二氧化硅复合微球吸附二甲酸钾，使二甲酸钾在肠道里面被缓慢释放，长效杀菌抑菌，在16h内抗菌率稳步升高，最高可达93％；而对比例1采用沸石分子筛吸附二甲酸钾，但抗菌时效短，仅前期抗菌率稳步上述，最高可达82％，但6h后抗菌率不断下降，难以维持肠道内持续抗菌；对比例1则采用介孔二氧化硅微球对二甲酸钾进行保护，但吸附稳定性差，吸附剂量有限。
[0098]
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。