Preparation, Release and Bactericidal Properties of Peroxymonosulfate Microspheres
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摘要: 为提高过硫酸氢钾(KHSO5)的稳定性和减缓其有效成分的下降速度，以KHSO5复合盐为原料，采用挤出滚圆法制备骨架丸芯，进一步包膜为缓释微球；以累计释放率为考察指标，通过单因素进行工艺优化. 结果表明：当聚乙二醇-6000质量分数为35%、KHSO5复合盐质量分数为30%、阻滞剂为0.05 g/mL、致孔剂为0.003 g/mL和脂溶性膜为7层时，微球成膜性良好，形态较圆整且具有明显的膜孔；12 h内累计释放率达95.39%，符合Higuchi释药模型，释药机制以Fick扩散为主；对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有效杀菌质量浓度均为2.0 g/L.Abstract: In order to improve the stability of peroxymonosulfate and slow down the decline rate of its effective ingredients, the core was prepared with the extrusion spheronization method and further coated with sustained release microspheres using peroxymonosulfate complex salt as raw material. The cumulative release was used as the index to optimize the process by single factor test. The results showed that when the mass fraction of polyethylene glycol-6000 is 35%, the mass fraction of the potassium persulfate composite salt is 30%, the blocking agent is 0.05 g/mL, the porogen is 0.003 g/mL and the fat-soluble membrane is 7 layers, the microspheres had good film-forming ability, round shape and obvious membrane pores, and the cumulative release rate is 95.39% within 12 h, which is in line with the Higuchi release model, and the release mechanism is mainly Fick diffusion. The effective bactericidal concentrations of Escherichia coli and Staphylococcus are 2.0 g/L.
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Keywords:
- peroxymonosulfate /
- sustained release /
- process parameters /
- bactericidal performance
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水质优劣关乎人类健康及生命安全，水处理药剂的开发和相关技术创新已成为研究热点[1]. 过硫酸氢钾(KHSO5，peroxymonosulfate，PMS)作为一种新型水处理药剂，含有-O—O-键，溶于水后能迅速释放出活性氧和硫酸根自由基，具有较强的氧化能力，可快速降解有机污染物和杀灭细菌、真菌和病毒等微生物[2-4]，在给水消毒、畜牧养殖和污水处理等领域得到广泛应用[5-6]. 目前市场上常见的KHSO5复合盐粉和KHSO5复合盐颗粒，具有低毒、广谱高效和使用方便等优点[7-8]，且两者消毒效果相近[9]，但普遍存在吸湿性强、稳定性差、释药速率快和处理后水体中的SO42-浓度较高等问题[10-11].
缓释技术是通过不同的包被方法使得包被体系中的药物能以一定浓度持续释放到环境中的一种控制释放技术，被广泛应用于水处理、医药和农业等众多领域[12-17]. 缓释技术的应用可提高水处理剂在水质净化和消毒时的药剂利用率，增加药剂稳定性. 章秋菊等[18]采用熔融搅拌分散冷凝法制备聚乙烯蜡包覆型高铁酸钾，具有较好的缓释和防潮性能；YUAN等[19]通过油相分离法微胶囊技术成功制备包覆型高锰酸钾，发现包覆后高锰酸钾的氧化效率比未包覆K2MnO4水溶液的提高了1.7倍，同时对三氯乙烯的去除效果较好；且包被后的药剂更有利于地下水等特殊水体的修复和净化[20]. 然而，目前有关KHSO5包被的相关研究报道不多.
本试验以KHSO5复合盐为原料，采用挤出滚圆法制备骨架丸芯，进一步包被成微球；以累计释放率为评价指标，优化工艺参数；通过悬浮定量和定性杀菌试验探究其有效杀菌浓度.
1. 实验部分
1.1 主要试剂及仪器
主要试剂：聚乙二醇-2000、聚乙二醇-6000、氯化钡(BaCl2)、乙酸乙酯、硫代硫酸钠(Na2S2O3 · 5H2O)、柠檬酸三乙酯、乙基纤维素、KHSO5复合盐、普通营养琼脂和肉汤均为市售，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌取自本单位生化实验室.
主要仪器：小型中药制球机(DZ-20，长沙中南制药机械厂)、扫描电子显微镜(S4800，日本日立)、高压蒸汽灭菌锅(LX-B50L，北京瑞邦兴业科技有限公司)、生化培养箱(LRH-150，上海一恒科学仪器有限公司).
1.2 微球的制备
1.2.1 丸芯的制备
取适量聚乙二醇6000溶于100 mL无水乙醇中，60 ℃下加热并搅拌，待出现白色颗粒时，迅速加入预混匀的KHSO5复合盐与玉米淀粉，同时加入适量阻滞剂及玉米油，使物料混匀为软材；再经制球机挤压、制条、制球等工艺，即可制备出KHSO5丸芯.
1.2.2 脂溶性缓释膜的合成
取3 g乙基纤维素溶解于100 mL的乙酸乙酯中，加入少许增塑剂柠檬酸三乙酯，于60 ℃下加热溶解，搅拌30 min. 加入适量致孔剂聚乙二醇-2000，待其均匀分散在脂溶性膜溶液中后停止搅拌，取出备用.
1.2.3 包膜
取制备好的丸芯用乙酸乙酯清洗、晾干，放入脂溶性膜溶液中，经搅拌、震荡和过滤，即完成一次包膜，放入鼓风干燥箱中常温下干燥至恒定质量，常温干燥保存.
1.3 制备工艺优化
对聚乙二醇-6000、KHSO5复合盐、阻滞剂和致孔剂的质量浓度以及脂溶性膜的层数等工艺参数进行优化实验：(1)以KHSO5复合盐质量分数为30%、阻滞剂质量浓度为0.05 g/mL、致孔剂质量浓度为0.004 g/mL、脂溶性膜为6层，探究聚乙二醇-6000质量分数对微球累计释放率的影响; (2)以聚乙二醇-6000质量分数为35%、阻滞剂质量浓度为0.05 g/mL、致孔剂质量浓度为0.004 g/mL、脂溶性膜为6层，探究KHSO5复合盐质量分数对微球累计释放率的影响; (3)以聚乙二醇-6000质量分数为35%、KHSO5复合盐质量分数为25%、致孔剂质量浓度为0.004 g/mL、脂溶性膜为6层，探究阻滞剂乙基纤维素的质量浓度对微球累计释放率的影响; (4)以聚乙二醇-6000质量分数为35%、KHSO5复合盐质量分数为25%、阻滞剂质量浓度为0.05 g/mL、致孔剂为0.004 g/mL，探究脂溶性膜的层数对微球累计释放率的影响; (5)以聚乙二醇-6000质量分数为35%、KHSO5复合盐质量分数为25%、阻滞剂质量浓度为0.05 g/mL、脂溶性膜为7层，探究致孔剂的质量浓度对微球累计释放率的影响.
1.4 微球累计释放率的测定
取1 g样品加入到400 mL去离子水中，室温下搅拌，每隔2 h取样5 mL并补充等体积去离子水，再根据国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》第四版中叙述的质量法测定硫酸根离子的质量，最后通过生成的硫酸钡来计算KHSO5累计释放量[21]. 同时绘制KHSO5累计释放率曲线，当水中的KHSO5累计质量分数几乎无变化时，说明KHSO5已释放完全.
m1−m0M1=4mM2, 其中，m为KHSO5的质量(g)，m1为硫酸钡和坩埚总质量(g)，m0为坩埚的质量(g)，M1为硫酸钡的摩尔质量(233.23 g/moL)，M2为KHSO5的摩尔质量(614.76 g/moL).
1.5 微球的形貌表征
将微球从中间切开，粘在导电胶上，待样品表面喷金后，用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观结构，用能量色散光谱(EDS)分析元素的质量分数.
1.6 灭菌性能的测定
1.6.1 菌悬液的制备
参照文献[22]的方法制备菌悬液，对菌悬液进行平板活菌计数，然后用浓度为0.03 mol/L的灭菌磷酸盐缓冲液(PBS)稀释至菌数约1×107 cfu/mL，备用.
1.6.2 中和剂的选择
以硫代硫酸钠溶液(0.5%，质量分数)为中和剂、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为指示菌、2.6 g/L KHSO5微球为消毒剂、0.03 mol/L PBS为稀释液进行试验. 试验共设6组：第1组为消毒剂+菌悬液；第2组为消毒剂+菌悬液+中和剂；第3组为中和剂+菌悬液；第4组为消毒剂+中和剂+菌悬液；第5组为稀释液+菌悬液；第6组为中和剂+稀释液+未接种培养基. 具体操作参考文献[23]的试验方法.
1.6.3 定量杀菌试验
取无菌试管，先加入0.5 mL菌悬液，置于20 ℃的水浴中保温5 min，再加入4.5 mL消毒剂，迅速混匀并计时. 待菌悬液与消毒剂相互作用12 h后，分别移取1 mL菌悬液与消毒剂混合液加入9 mL在灭菌的中和剂中混匀，作用10 min后，移取1.0 mL样品液，测定存活菌数，每管接种致2个培养皿. 若平板上生长的菌落过密集，则进行10倍系列稀释后，再进行活菌培养计数. 同时以0.03 mol/L PBS代替消毒剂，进行平行试验，作为阳性对照. 样本均置于培养箱，恒温培育48 h后观察最终结果.
杀菌率：
Rt=N0−NtN0×100%, 其中，N0为消毒前的活菌数，Nt为消毒后的活菌数[22]. 试验重复3次，以各组平均值表示最终的杀菌率.
1.6.4 定性杀灭试验
移取各菌悬液2.5 mL至2.5 mL各浓度消毒剂中，轻摇混匀，开始计时，于0.25、0.5、1、2、4、8、12 h时从试管中取0.5 mL加入到4.5 mL中和剂溶液中，轻摇混匀10 min；移取0.5 mL混合液加入到4.5 mL营养肉汤中，在37 ℃下培育24 h后观察细菌的生长状况. 同时以PBS代替消毒剂，重复以上步骤，作为阳性对照组，试验重复3次，根据培养物浑浊与否判断细菌的生长情况. 若浑浊，则有细菌生长；若不浑浊，再培养48 h后观察，仍不浑浊即视为无菌生长.
2. 结果与讨论
2.1 KHSO5微球的形态表征
KHSO5微球的形态及缓释性能与制备工艺关系密切. KHSO5属于水溶性物质，将其与辅料混合制成丸芯可减少与水的反应，避免氧化能力的丧失，其中丸芯骨架聚乙二醇-6000在熔融状态下易定型，制得的丸芯表面光滑、圆整度好(图 1A)；壁材乙基纤维素有良好的耐吸湿性，性质稳定，将其包被KHSO5可保护KHSO5不受潮解(图 1B)；而致孔剂聚乙二醇-2000是细小且易溶于水的物质，与脂溶性膜溶液充分混合，当膜液中溶剂挥发形成薄膜时，膜上的聚乙二醇-2000易溶解，形成微小的孔隙(图 1C、图 1D). 以上结果说明该制备工艺简单可行，微球成膜性较好，表面有明显镶嵌的微孔结构. 利用EDS能谱分析微球的化学组成(图 1E、图 1F), 结果表明：微球主要由C(42.95%，质量分数，全文同)、O(44.50%)、S(5.22%)和K(7.32%)等元素组成，其中C和O的质量分数较高，这与KHSO5本身和包被材料组成有关.
2.2 制备工艺的优化结果
2.2.1 聚乙二醇-6000质量分数的影响
在其他因素相同时，KHSO5累计释放率与骨架聚乙二醇-6000质量分数成负相关(图 2)，缓释12 h后基本释放完全，前期释放速率较快，后期有所减缓，其中在4~10 h区间，聚乙二醇-6000质量分数为35%的缓释效果比质量分数为30%和25%的略优，但与质量分数为40%和45%的缓释效果差异不大，因此，骨架聚乙二醇-6000的较优质量分数为35%.
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图 2 聚乙二醇-6000质量分数对KHSO5微球累计释放率的影响Figure 2. The effect of PEG-6000 content on cumulative release of KHSO5 microspheres2.2.2 KHSO5复合盐质量分数的影响
在其他因素相同时，KHSO5累计释放率随KHSO5复合盐质量分数的增加而增大(图 3)，说明KHSO5的质量分数过高会加速丸芯内KHSO5的释放. KHSO5复合盐质量分数为30%的缓释效果比质量分数为35%和40%的更优，与质量分数为20%和25%的缓释效果差异不大；综合考虑丸芯性能和工艺成本，KHSO5复合盐的较优质量分数为25%.
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图 3 KHSO5复合盐质量分数对KHSO5微球累计释放率的影响Figure 3. The effect of KHSO5 compound salt content on cumulative release of KHSO5 microspheres2.2.3 阻滞剂质量浓度的影响
在其他因素相同时，随着阻滞剂质量浓度的增加，KHSO5累计释放率呈下降趋势(图 4)，说明阻滞剂能有效阻滞水与KHSO5的接触，从而减缓其释放率，但阻滞剂质量浓度过高不利于充分发挥丸芯的功效. 阻滞剂质量浓度为0.05、0.03、0.04 g/mL的缓释效果差异不大，但质量浓度为0.05 g/mL时缓释速率更理想. 可见，阻滞剂的较优质量浓度为0.05 g/mL.
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图 4 阻滞剂乙基纤维素质量浓度对KHSO5微球累计释放率的影响Figure 4. The effect of ethyl cellulose content on cumulative release of KHSO5 microspheres2.2.4 脂溶性膜层数的影响
在其他因素相同时，脂溶性膜层数变化对释放率的影响较为明显(图 5)，随着脂溶性膜层数的增加，KHSO5的累计释放率减少，缓释时长基本在12 h. 8层缓释效果虽优于其他的组，但综合缓释速率和成本的考虑，脂溶性膜的较优层数为7层.
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图 5 脂溶性膜层数对KHSO5微球累计释放率的影响Figure 5. The effect of lipid soluble membrane layers on cumulative release of KHSO5 microspheres2.2.5 致孔剂质量浓度的影响
在其他因素相同时，随着致孔剂质量浓度的增加，KHSO5累计释放率也相应增加，前期释放速率较快，后期逐渐减缓(图 6). 聚乙二醇-2000质量浓度为0.003 g/mL时的缓释效果与0.002 g/mL的差异不大，但优于质量浓度0.004 g/mL及以上的缓释效果，可能是由于聚乙二醇-2000质量浓度过高导致缓释球吸收涨破，失去缓释作用. 可见添加少量致孔剂，增加缓释微球表面的孔隙率，即可避免药物释放的滞后效应，同时也有助于丸芯中KHSO5经孔道扩散实现长效缓释的作用. 综合分析，致孔剂的较优质量浓度为0.003 g/mL.
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图 6 致孔剂聚乙二醇-2000质量浓度对KHSO5微球累计释放率的影响Figure 6. The effect of PEG-2000 content on cumulative release of KHSO5 microspheres2.3 微球释放模型及释药机制
为分析KHSO5微球的释放模型和机制，分别采用零级模型、Higuchi模型和Ritger-peppas模型对微球进行拟合[24-25]，拟合曲线见图 7. 拟合结果如下：零级释放模型(Q=6.786 t+5.448，R2=0.955)；Higuchi释放模型(Q=38.946t1/2-45.538，R2=0.984)；Ritger-peppas释放模型(Q=10.851 t0.843，R2=0.965). 比较R2可知，拟合优度顺序：Higuchi、Ritger-peppas、零级，说明KHSO5微球的释放过程符合Higuchi释放模型，释药机制以Fick扩散为主.
2.4 灭菌性能
2.4.1 中和剂的选择
为验证所选中和剂，试验共设6组：第1组验证消毒剂在试验浓度下能否杀菌；第2组验证中和剂是否中和残留消毒剂的杀菌效果；第3组验证中和剂能否杀菌；第4组验证消毒剂与中和剂的反应产物能否杀菌；第5组作为阳性对照；第6组作为阴性对照. 若第1组无菌生长或仅有少数菌生长，第2组有菌且菌数不低于100 cfu/mL，第3、4和5组间菌数误差率≤15%，第6组无菌生长，则说明所选中和剂适用[23]. 表 1结果显示，用质量分数为0.5%的硫代硫酸钠可有效中和其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的残留，且中和剂及中和产物对试验菌无抑制及灭菌性能，对培养基无显著影响.
表 1 中和剂的选择试验结果Table 1. The test results of selection of additivescfu/mL 组别 大肠杆菌的菌数 葡萄球菌的菌数 1 0 0 2 9.70×105 9.76×105 3 1.04×106 2.03×106 4 1.10×106 2.11×106 5 1.52×106 2.33×106 6 0 0 2.4.2 定量灭菌性能
当消毒剂在最低质量浓度下的杀菌率均在99.9%以上时，可判定该质量浓度为消毒剂的有效杀菌质量浓度[23]. 由表 2结果显示，微球对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有效杀菌质量浓度均为2.0 g/L，同时与相应质量浓度KHSO5的混合物相比差别不大，这说明微球制备过程对原料中的有效杀菌活性成分影响不大.
表 2 KHSO5微球与KHSO5混合物对细菌的定量灭菌性能Table 2. The results of quantitative killing test of microspheres and peroxymonosulfate mixture against strains消毒剂 菌株 不同质量浓度消毒剂的杀菌率/% 2.6 g/L 2.4 g/L 2.2 g/L 2.0 g/L 1.8 g/L 1.6 g/L KHSO5微球 大肠杆菌 100.00 100.00 100.00 99.91 95.62 92.35 金黄色葡萄球菌 100.00 100.00 100.00 99.96 96.34 93.78 KHSO5混合物 大肠杆菌 100.00 100.00 100.00 99.98 96.87 93.32 金黄色葡萄球菌 100.00 100.00 100.00 100.00 97.64 94.68 2.4.3 定性灭菌性能
KHSO5微球与KHSO5混合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低有效质量浓度均为2.0 g/L(图 8)，该质量浓度下KHSO5混合物对2种菌株的最短作用时间均为1 h，而微球对大肠杆菌的最短作用时间为8 h，对金黄色葡萄球菌的最短作用时间为12 h. 这进一步说明微球制备过程对原料的活性成分干扰不大，在作用时间上灭菌性能存在差异是因为包被后KHSO5具有缓释效果.
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图 8 KHSO5微球及KHSO5混合物对大肠杆菌、葡萄球菌的定性灭菌性能Figure 8. The qualitative sterilization performance of KHSO5 microspheres and KHSO5 mixture against Escherichia coli and Staphylococcus aureus3. 结论
采用缓释技术对KHSO5复合物进行包被处理，研究不同条件对缓释效果的影响. 结果表明：当聚乙二醇-6000质量分数为35%、KHSO5复合盐质量分数为30%、阻滞剂质量浓度为0.05 g/mL、致孔剂质量浓度为0.003 g/mL和脂溶性膜为7层时，所制备的KHSO5微球成膜性良好，形态较圆整且具有明显的膜孔，12 h内累计释放率达95.39%，基本符合Higuchi释药模型，释药机制以Fick扩散为主. 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有效杀菌质量浓度均为2.0 g/L. 此工艺简单可行，对提高KHSO5的利用率和增加其稳定性具有重要的意义.
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图 2 聚乙二醇-6000质量分数对KHSO5微球累计释放率的影响
Figure 2. The effect of PEG-6000 content on cumulative release of KHSO5 microspheres
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图 3 KHSO5复合盐质量分数对KHSO5微球累计释放率的影响
Figure 3. The effect of KHSO5 compound salt content on cumulative release of KHSO5 microspheres
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图 4 阻滞剂乙基纤维素质量浓度对KHSO5微球累计释放率的影响
Figure 4. The effect of ethyl cellulose content on cumulative release of KHSO5 microspheres
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图 5 脂溶性膜层数对KHSO5微球累计释放率的影响
Figure 5. The effect of lipid soluble membrane layers on cumulative release of KHSO5 microspheres
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图 6 致孔剂聚乙二醇-2000质量浓度对KHSO5微球累计释放率的影响
Figure 6. The effect of PEG-2000 content on cumulative release of KHSO5 microspheres
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图 8 KHSO5微球及KHSO5混合物对大肠杆菌、葡萄球菌的定性灭菌性能
Figure 8. The qualitative sterilization performance of KHSO5 microspheres and KHSO5 mixture against Escherichia coli and Staphylococcus aureus
表 1 中和剂的选择试验结果
Table 1 The test results of selection of additives
cfu/mL 组别 大肠杆菌的菌数 葡萄球菌的菌数 1 0 0 2 9.70×105 9.76×105 3 1.04×106 2.03×106 4 1.10×106 2.11×106 5 1.52×106 2.33×106 6 0 0 
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表 2 KHSO5微球与KHSO5混合物对细菌的定量灭菌性能
Table 2 The results of quantitative killing test of microspheres and peroxymonosulfate mixture against strains
消毒剂 菌株 不同质量浓度消毒剂的杀菌率/% 2.6 g/L 2.4 g/L 2.2 g/L 2.0 g/L 1.8 g/L 1.6 g/L KHSO5微球 大肠杆菌 100.00 100.00 100.00 99.91 95.62 92.35 金黄色葡萄球菌 100.00 100.00 100.00 99.96 96.34 93.78 KHSO5混合物 大肠杆菌 100.00 100.00 100.00 99.98 96.87 93.32 金黄色葡萄球菌 100.00 100.00 100.00 100.00 97.64 94.68
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