錢 虹， 劉 毅， 王 勖， 余文潔， 姜發(fā)堂，2， 倪學(xué)文，2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北武漢 430068； 2.武漢力誠生物科技有限公司，湖北武漢 430070)

隨著優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效現(xiàn)代持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，如何充分發(fā)揮化肥的作用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展需要解決的最突出問題之一[1]，水與肥料的合理高效使用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。緩控釋肥料具有肥效穩(wěn)定且長久的特點，一次施用能基本滿足作物各個生長階段的養(yǎng)分需求。因此，開發(fā)可控制養(yǎng)分釋放速度、成本低、生產(chǎn)工藝簡單的緩控釋肥料是化肥研究的熱點[2]。流化床包衣技術(shù)因可控性好、操作簡單、連續(xù)高效而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化肥產(chǎn)業(yè)。經(jīng)包衣后的肥效調(diào)節(jié)型肥料不僅具有與作物生理、生育模式相匹配的肥效，而且能夠有效控制肥效成分的釋放速率，改善土壤環(huán)境，防止環(huán)境污染。在國外，現(xiàn)已開發(fā)出流化床包衣技術(shù)用于腫瘤治療的微膠囊NCR、NCT、DSM等新型藥物[3]，另在現(xiàn)代食品工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用[4-5]。

包膜肥的養(yǎng)分釋放特性是表征包膜產(chǎn)品質(zhì)量的主要特性之一。在包衣過程中，流化床的霧化壓力、進(jìn)風(fēng)溫度、噴液速度等各工藝條件對包膜尿素緩釋性能具有不同的影響。本研究以天然產(chǎn)物魔芋葡甘聚糖(KGM)為基材，將水溶性的KGM與水不溶性的乙基纖維素(EC)復(fù)合制備KGM/EC包膜液。利用Mini型流化床包衣機制備緩釋包膜肥，通過單因素試驗考察流化床霧化壓力、進(jìn)風(fēng)溫度等多個因素對包膜肥7 d累積溶出率、外觀、著膜率的影響，篩選出顯著影響因素，再通過正交試驗設(shè)計，優(yōu)化最佳反應(yīng)條件，并分析緩釋包膜肥在水中的釋放特性，本研究將為新型包膜肥料的開發(fā)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

顆粒尿素購自湖北省嘉魚縣風(fēng)華化工有限公司，其含氮量≥46.4%；KGM/EC包膜液為實驗室自制；對二甲氨基苯甲酸(PDAB)、98%濃鹽酸等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

WBF-1型多功能流化床包衣機(重慶英格造粒包衣技術(shù)有限公司)；BEIJIBAO空氣壓縮機(上海名馬空壓機有限公司)；BT50-1J型蠕動泵(河北省保定蘭格恒流泵有限公司)；KQ-100B型超聲波清洗器(江蘇省昆山市超聲儀器有限公司)；Delta320型pH計(北京科林恒達(dá)科技發(fā)展有限公司)；LD電子分析天平(遼寧省沈陽龍騰電子有限公司)；鍍鉻游標(biāo)卡尺(D=0.02 mm)(杭州工具量具廠)；UV-2401型紫外-可見分光光度計(北京山峰萬泰科技發(fā)展有限公司)；恒溫恒濕箱(上海博訊實業(yè)有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 包膜尿素的制備 將顆粒尿素過篩，得到粒徑為 1.20～3.00 mm完整均一尿素顆粒。準(zhǔn)確稱量200 g顆粒尿素，放入WBF-1型多功能流化床包衣機物料桶中，開啟風(fēng)機及加熱裝置，將霧化壓力(A)、進(jìn)風(fēng)溫度(B)及BT50-1J型蠕動泵的轉(zhuǎn)速(C)調(diào)整到指定數(shù)值。待顆粒尿素在流化床中預(yù)熱一段時間后，物料溫度達(dá)到指定數(shù)值，以底噴方式將優(yōu)化后的KGM/EC緩釋包膜液按設(shè)計的包膜量(D)均勻噴覆到顆粒尿素上。噴覆完成后，樣品分成3份，使用不同方式(E)進(jìn)行熱處理。1份放在干燥器中做空白對照，另外2份分別在流化床、烘箱中進(jìn)行不同溫度(F)的熱處理。為了減小試驗誤差，在同一試驗條件下，重復(fù)試驗3次。設(shè)計KGM/EC緩釋包膜液的包膜量分別為10%、15%、20%、25%、30%，這5種待測包膜肥樣品分別用D1、D2、D3、D4、D5表示?？疾旃に嚄l件對包膜尿素緩釋性能的影響，用正交試驗進(jìn)行優(yōu)化處理。

1.3.2 肥料的基本性質(zhì)檢測 (1)肥料水分含量測定[6]。在干燥的稱量瓶中，準(zhǔn)確稱取2 g樣品，置于50 ℃的電熱恒溫真空干燥箱內(nèi)干燥2 h后取出，在干燥器中冷卻至室溫，稱量。水分含量S的計算公式：

式中：S0為干燥前樣品的質(zhì)量，g；S1為干燥后樣品的質(zhì)量，g。

(2)肥料粒度測定。按照SN/T 0736.3—2011《進(jìn)出口化肥檢驗方法 第3部分：粒度的測定》，將空盤、1.0、2.8 mm標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)篩從下到上依次疊好，分別準(zhǔn)確稱取100 g顆粒尿素、包膜尿素置于2.8 mm金屬篩內(nèi)，蓋上篩蓋，人工振蕩5 min，采用LD型電子分析天平分別稱量其在1.00～2.80 mm、1.00～4.75 mm內(nèi)的試樣質(zhì)量。粒度含量Z按公式：

式中：m1為粒度在1.00～2.80 mm之間的樣品質(zhì)量，g；m0為樣品的總質(zhì)量，g。

(3)包膜肥增質(zhì)量測定。挑選顆粒完整、大小均一的樣品，分別稱取15 g顆粒尿素和包膜尿素，準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量，包膜增質(zhì)量m按公式：

式中：m0為15 g顆粒尿素的質(zhì)量，g；m1為15 g包膜尿素的質(zhì)量，g。

1.3.3 包膜肥的養(yǎng)分釋放特性 (1)尿素的波長分析及標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制。根據(jù)埃利希反應(yīng)(Ehrlich)，對二甲氨基苯甲醛[(CH3)2·N·C6H4CHO]在酸性條件下與尿素[CO(NH2)2]反應(yīng)，生成的對二甲氨基甲醛脲[(CH3)2·N·C6H4CH=NCONH2]為檸檬黃色化合物，其顏色的深淺與尿素含量的高低成正比，可以比色測定緩釋液中溶出的尿素含量。

以尿素態(tài)氮含量為0的溶液為參比溶液，測定吸光度。以100 mL標(biāo)準(zhǔn)比色溶液中的尿素態(tài)氮的質(zhì)量(mg)為橫坐標(biāo)、對應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制一條標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，并對線性模型D=K0+K1×C作線性回歸分析。

回歸曲線方程為D=0.034 4C+0.001 1，式中：D為吸光度；C為尿素標(biāo)樣的濃度，μg/mL。由圖1中的數(shù)據(jù)分析可以得出，尿素標(biāo)準(zhǔn)液的濃度范圍較寬泛，為25～125 μg/mL，對應(yīng)的吸光度變化范圍為0.183～0.529，通過計算得出，線性系數(shù)r為0.999 9，吸光度對濃度的線性關(guān)系好?？梢罁?jù)此標(biāo)準(zhǔn)測定試樣的尿素溶液的濃度，試驗精確性高。

(2)包膜尿素中總尿素含量測定。參照GB/T 8572—2010《復(fù)混肥料中總氮含量的測定 蒸餾后滴定法》中規(guī)定的方法進(jìn)行測定，取2次平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值作為測定結(jié)果。

(3)包膜尿素養(yǎng)分的浸提與釋放量的計算。準(zhǔn)確稱取10.0 g包膜肥樣品放入150 μm(100目)尼龍紗網(wǎng)做成的小袋中，封口后，將小袋放入250 mL玻璃瓶中，加入200 mL水，加蓋密封，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置設(shè)定時間后取樣。取樣時，將瓶上下顛倒3次，使瓶內(nèi)液體濃度一致，冷卻后移入 250 mL 容量瓶中定容，測定養(yǎng)分釋放量。然后向裝有樣品袋的玻璃瓶中再加入200 mL水，加蓋后放入恒溫培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)。各釋放率指標(biāo)按下列公式計算：

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 每個樣品至少重復(fù)測定3次，取“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，采用Origin 8.0軟件和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對緩釋性能的影響

2.1.1 霧化壓力對緩釋性能的影響 霧化壓力是決定包衣液霧滴粒徑的主要因素，噴霧液滴必須小于被包物的直徑[8]。由圖2可以看出，在本試驗范圍內(nèi)霧化壓力與緩釋性能呈反向相關(guān)性，即隨著霧化壓力增加，累積釋放率降低?？赡苁怯捎诋?dāng)霧化壓力過低時，進(jìn)料速度快，形成的液滴較大，則液滴不易干燥，接觸尿素顆粒表面后使之粘壁或結(jié)塊；當(dāng)霧化壓力增大時，可以形成的霧滴較細(xì)，有利于包衣液在顆粒表面均勻鋪展[9]。

2.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度對緩釋性能的影響 由圖3可知，進(jìn)風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)升高，可減緩養(yǎng)分釋放的速率。進(jìn)風(fēng)溫度越低，溶劑揮發(fā)越慢，壁材損失越多，成膜時間越長，導(dǎo)致尿素顆粒之間相互黏結(jié)，會導(dǎo)致粘連增多[10]。隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，可促使液滴噴覆到顆粒尿素快速干燥，避免黏結(jié)，加快包膜效率。但進(jìn)風(fēng)溫度過高，即當(dāng)溫度上升到90 ℃時，養(yǎng)分釋放速度反而增大(圖3)。這是由于高溫液滴過快干燥，甚至有可能使部分液滴還沒來得及噴覆到顆粒尿素上就已經(jīng)蒸發(fā)了，不利于液滴之間相互延展形成完整的膜，膜體表面裂紋增多增加了孔隙率，致使包衣膜不均勻，在試驗中水分更容易滲透到顆粒尿素的核心，加速養(yǎng)分釋放速率。

2.1.3 噴液速度對緩釋性能的影響 噴霧狀態(tài)連續(xù)均勻是獲得良好包膜效果的基礎(chǔ)。在一定范圍內(nèi)，加大噴液速度，使液滴連續(xù)快速包覆到尿素顆粒上，會使包膜更加緊致，延長養(yǎng)分釋放時間。但是如果包衣液噴入速度過快，則會導(dǎo)致顆粒表面的包衣液干燥慢，粘連增多。如圖4所示，當(dāng)噴液速度達(dá)到24 r/min時，部分顆粒尿素之間發(fā)生黏結(jié)，噴覆不均勻，導(dǎo)致養(yǎng)分過快釋放。

2.1.4 熱處理方式對緩釋性能的影響 乳液成膜時必須經(jīng)過膜愈合過程，使聚合物粒子相互融合形成連續(xù)致密的衣膜。

雖然在包衣過程中伴隨著膜的愈合，但并不完全，須在包衣結(jié)束后進(jìn)行進(jìn)一步熱處理，使衣膜愈合完全。如圖5所示，未經(jīng)熱處理的包膜尿素釋放養(yǎng)分的速度很快，幾天就完全釋放了。經(jīng)過熱處理后的包膜尿素能持續(xù)釋放養(yǎng)分，與流化床熱處理方式相比，用烘箱熱處理的方式更能有效地延緩養(yǎng)分的釋放速率，可能由于流化床的流化狀態(tài)增加了包膜尿素的碰撞和摩擦，破壞了部分衣膜的完整性，在一定程度上影響了養(yǎng)分釋放速率。相比較而言，使用烘箱進(jìn)行熱處理優(yōu)勢更明顯。

2.1.5 熱處理溫度對緩釋性能的影響 熱處理的溫度是決定衣膜能否完全愈合的重要因素。由圖6可知，在40 ℃熱處理后，并沒有取得緩釋效果，包膜尿素的衣膜并未愈合。隨著熱處理溫度的升高，包膜尿素的養(yǎng)分釋放越來越緩慢。同時也可以看到，當(dāng)溫度升到80 ℃時，包膜尿素的緩釋效果與 70 ℃ 時基本一樣。也就是說，當(dāng)溫度升到一定程度，養(yǎng)分的釋放率不會發(fā)生明顯變化。一般來說，熱處理溫度要高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度20～30 ℃才能有效促進(jìn)聚合物粒子的愈合。兼顧緩釋效果和工藝的能耗問題，選擇70 ℃作為對包膜尿素進(jìn)行熱處理的溫度。

2.1.6 包膜量對緩釋性能的影響 從圖7可以看出，包膜尿素受包膜量的影響很大，這一結(jié)論也得到了很多研究結(jié)果的證實。一定的衣膜厚度是維持藥物釋放的保證；衣膜過薄，易出現(xiàn)衣膜破裂，造成藥物釋放；衣膜過厚，則出現(xiàn)時滯現(xiàn)象。所以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)衣膜的厚度可達(dá)到控制養(yǎng)分釋放的要求。對同一種包膜材料來說，包膜量越大，則膜層越厚，增加了水分滲透到尿素核心的路程，延緩了養(yǎng)分釋放的速度。當(dāng)包膜量為5%時，緩釋效果不理想，養(yǎng)分提前釋放；當(dāng)包膜量增加到10%時，包膜尿素的28 d累積釋放率在80%左右，但7 d累計溶出率超過15%，不符合緩釋肥標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)包膜量為15%以上時，包膜尿素的各項養(yǎng)分釋放指標(biāo)均已達(dá)到緩釋標(biāo)準(zhǔn)，并隨著包膜量的增大，養(yǎng)分釋放周期越來越長。

2.2 影響緩釋性能重要工藝條件確定與優(yōu)化

從以上6個工藝條件對包膜尿素的緩釋性能的影響曲線可以看出，熱處理方式及溫度的影響最明顯，且未與其他因素發(fā)生交互作用。依據(jù)曲線可以確定在70 ℃烘箱內(nèi)進(jìn)行熱處理是最佳方案。其他因素包膜尿素的緩釋性能也影響較大，在單因素分析基礎(chǔ)之上，選擇15%的包膜量，以7 d累積溶出率、外觀、著膜率為綜合評價標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品進(jìn)行評分，選擇霧化壓力(A)、進(jìn)風(fēng)溫度(B)、噴液速度(C)3個因素進(jìn)行L9(33)正交試驗，因素水平表見表1，產(chǎn)品評分標(biāo)準(zhǔn)見表2，L9(33)正交試驗安排和結(jié)果見表3。

表1L9(33)正交試驗因素水平

表2正交試驗所得樣品的評分標(biāo)準(zhǔn)

表3L9(33)正交試驗結(jié)果與分析

由以上數(shù)據(jù)可知，即包衣量相同的情況下，霧化壓力為2.4 kg/cm2，進(jìn)風(fēng)溫度為77.5 ℃，噴液速度為18 r/min，包衣結(jié)束后用烘箱在70 ℃條件下對包膜尿素進(jìn)行熱處理可得到緩釋性能最佳的產(chǎn)品。

2.3 包膜尿素的基本性質(zhì)

2.3.1 外觀形態(tài) 本試驗包膜尿素的水分含量為1.91%，遠(yuǎn)低于顆粒尿素中4.62%的水分含量，有效地防止了尿素的結(jié)塊現(xiàn)象。包膜尿素整體松散，大小均一，顆粒完整，無機械雜質(zhì)，符合我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23348—2009《緩釋肥料》要求。

2.3.2 包膜尿素的粒徑 從圖8中可以看出，包膜尿素的粒徑隨著包膜量的增加而提高。同時，包膜尿素的理論粒徑明顯高于實際粒徑。這可能是由于包膜過程中尿素在流化床中呈流化狀態(tài)，尿素顆粒之間相互碰撞摩擦，致使部分KGM/EC包膜液損失。

2.3.3 包膜尿素的質(zhì)量增加 包膜量是控制養(yǎng)分釋放速率的重要指標(biāo)。在包膜尿素的制備工程中，物料不可避免有所損失，表4列出了緩釋層D1、D2、D3、D4、D5這5種不同包膜量包膜尿素的設(shè)計包膜量與實測包膜量，并計算包膜尿素的著膜率。由表4可知，包膜尿素的著膜率都在90%左右，說明此工藝具有合理性。但實際包膜量與設(shè)計包膜量有一定程度的差異，5種包膜尿素的實際包膜量均小于設(shè)計包膜量，這個結(jié)果有2個方面的原因：其一可能是包膜過程中尿素在流化床中呈流化狀態(tài)，尿素顆粒之間相互碰撞摩擦，致使一部分KGM/EC包膜液損失；其二可能是部分KGM/EC包膜液沒有噴覆到顆粒尿素上，可能附著在流化床物料桶中或包衣鍋的鍋壁上。

表4包膜尿素理論包膜量與實際包膜量比較

2.4 包膜尿素在水中緩釋特性

依據(jù)“2.2”節(jié)優(yōu)化后的工藝條件制備KGM/EC包膜量為15%包膜尿素，按照“1.3.3.3”節(jié)的方法，在430 nm波長處測定其各項養(yǎng)分溶出指標(biāo)，其釋放曲線如圖9所示。

由于KGM是水溶性大分子多糖，EC是水不溶性大分子多糖。KGM/EC膜利用KGM乳化作用將油溶性EC水性化，形成KGM/EC復(fù)合緩釋膜，從圖9中可以看出，尿素釋放曲線主要分為2個過程，前10 min主要是滯后階段(水在滲透壓的作用下穿過半滲透性包膜；尿素顆粒緩慢溶解，包膜開始溶脹，同時膜內(nèi)的高滲透壓將膜脹裂形成微孔；尿素通過微孔溶出)，初始時尿素溶出緩慢，隨著時間延長，進(jìn)入第2個過程(尿素持續(xù)釋放階段，水分在滲透壓的作用下穿過半滲透性包膜；通過包膜滲透進(jìn)入內(nèi)部，在核上凝聚并使尿素部分溶解，同時內(nèi)部壓力升高，尿素在濃度梯度和壓力梯度的推動下通過擴(kuò)散而釋放)。擴(kuò)散和滲透都是分子熱運動的宏觀表現(xiàn)，前者是溶質(zhì)分子逃逸，后者是溶劑分子逃逸[11]?？赡?15 min 后膜材料的微孔穩(wěn)定成型，使釋放量最終達(dá)到平穩(wěn)。從表5可以看出，KGM基緩釋包膜尿素的各項指標(biāo)均達(dá)到國家緩釋肥標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本研究以天然產(chǎn)物KGM為基材代替難以降解的化工材料，利用KGM的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計以顆粒尿素為核心的KGM基緩釋包膜尿素，表面為致密光滑耐水性較強的KGM/EC緩釋膜，采用Mini型流化床包衣機，以KGM/E為包膜液制備包膜尿素，即緩釋包膜尿素?？疾炝骰舶すに嚄l件霧化壓力、進(jìn)風(fēng)溫度、噴液速度、熱處理方式、熱處理時間及包膜量對緩釋層性能的影響。樣品的緩釋性通過包層的厚度及性質(zhì)來調(diào)節(jié)，并研究包膜肥在水中的緩釋特性，為實現(xiàn)養(yǎng)分從緩釋到控釋打下了理論基礎(chǔ)。本研究通過正交試驗對工藝條件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在霧化壓力為2.4 kg/cm2、進(jìn)風(fēng)溫度為77.5 ℃、噴液速度為18 r/min、包衣結(jié)束后用烘箱在70 ℃條件下對包膜尿素進(jìn)行熱處理可得到緩釋性能最佳的產(chǎn)品。按國家標(biāo)準(zhǔn)對優(yōu)化后制備的包膜尿素進(jìn)行各項指標(biāo)測試，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的包膜尿素顆粒完整，無機械雜質(zhì)，總氮含量37.88%，水分含量為1.91%，粒度為2.49 mm，初期養(yǎng)分釋放率為14.2%，28 d累積釋放率為74%，符合國家GB/T 23348—2009《緩釋肥料》的標(biāo)準(zhǔn)。

表5KGM基緩釋包膜尿素的綜合指標(biāo)

參考文獻(xiàn)：

[1]孟憲章，劉 巍，施繼紅，等. 緩釋肥料流化床包膜機包膜工藝的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2009，29(4)：154-156.

[2]許秀成，李菂萍，王好斌. 包裹型緩釋/控制釋放肥料專題報告第三報包膜(包裹)型控制釋放肥料各國研究進(jìn)展(續(xù))3.歐洲[J]. 磷肥與復(fù)肥，2001，16(2)：10-12.

[3]Jono K，Ichikawa H，Miyamoto M，et al. A review of particulate design for pharmaceutical powders and their production by spouted bed coating[J]. Powder Technology，2000，113(3)：269-277.

[4]Dewettinck K，Huyghebaert A. Fluidized bed coating in food technology[J]. Trends in Food Science & Technology，1999，10(4/5)：163-168.

[5]劉愛紅，姜發(fā)堂. 魔芋超強吸水劑(KSAP)的結(jié)構(gòu)分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報，2007，25(6)：826-829.

[6]復(fù)混肥料中游離水含量的測定真空烘箱法：GB/T 8576—2010[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[7]中華人民共和國緩釋肥料國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 23348—2009[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8]Chen Y H，Yang J，Dave R N，et al. Granulation of cohesive Geldart group C powders in a Mini-Glatt fluidized bed by pre-coating with nanoparticles[J]. Powder Technology，2009，191(1/2)：206-217.

[9]宋順宗，辛 聰，宮國華，等. 利用流化床制備中藥包衣顆粒的工藝研究[J]. 時珍國醫(yī)國藥，2007，18(11)：2714-2715.

[10]孟憲章，劉 巍，施繼紅，等. 控釋肥料流化床包膜工藝研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(18)：9795-9796.

[11]Cabrera R I. Comparative evaluation of nitrogen release patterns from controlled-release fertilizers by nitrogen leaching analysis[J]. HortScience，1997，32(4)：669-673.