CN105218836A - 一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法 - Google Patents
一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)配制缓冲溶液；(2)脱支酶活化；(3)淀粉乳的制备；(4)糊化(淀粉链伸展)；(5)酶解脱支；(6)短直链溶液分离；(7)灭酶；(8)添加乳化剂，控制结晶过程；(9)重结晶；(10)干燥。本发明设备要求低，工艺简单，操作简便，反应温和，反应时间短，效率高，适合大规模生产；产品性能良好，制备的淀粉纳米颗粒，粒径可控制在9-30nm之间，分散性和热稳定性好，制备成本低，能源消耗少，没有有害废弃物产生，符合绿色生产，环保节能的现代化生产要求。
Description
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，具体涉及一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法。
背景技术
淀粉纳米颗粒是从天然淀粉中制得的一种纳米尺寸的聚多糖晶体，由于小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等性质而表现出许多物理和化学特性。从上个世纪开始纳米技术已经引起社会各界的充分关注和重视，到目前为止，包括无机物和天然高分子、半合成高分子和合成高分子等有机高分子为原料制成的淀粉纳米颗粒已经在生物、化工、医药和食品等诸多领域得到广泛应用。其中，淀粉纳米颗粒由于原料来源广、可再生、价格低廉，同时具有良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性，适用于包括医药领域在内的多个领域。但酶法制备的淀粉纳米颗粒晶核生长速度不宜控制，纳米颗粒间聚集现象严重导致，其粒径较大，多在50-120nm之间，粒径相对酸解法制备纳米颗粒具有粒径较大，尺寸分布不均匀，分散性、稳定性差等缺点。
发明内容
为了解决现有技术中纳米颗粒具有粒径较大，尺寸分布不均匀，分散性、稳定性差等缺点，本发明的目的在于提供一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，利用乳化剂控制短直链淀粉的重结晶及晶核生长速度，控制纳米颗粒的进一步聚集，制备的淀粉纳米颗粒粒径分布在9-30nm。
本发明采取的技术方案为：
一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)配制缓冲溶液：按照重量配比11.5～18.5:10称取磷酸氢二钠和柠檬酸混合，溶于蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱支酶活化：按照体积百分比为2-3％称取普鲁蓝酶滴入蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的配制：称取蜡质玉米淀粉加入缓冲溶液中，制得10-25％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴20-40min，使淀粉完全糊化，随后降温至50℃-60℃；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解4-6h；
(6)短直链溶液分离：将酶解得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心1-3min，以去除长直链淀粉，得到短直链淀粉溶液；
(7)灭酶：将上述离心后的产物继续加热，使温度升高至100℃，保持10～15min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加乳化剂，乳化剂占短直链淀粉溶液体积的0.05-0.3％；超声处理，使乳化剂与短直链淀粉溶液充分混合均匀，乳化剂作为粒径控制剂，可附着在短直链淀粉表面，控制短直链间氢键的形成；
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于3℃-5℃下回生处理11h-13h，短直链淀粉重结晶形成纳米晶核，晶核表面附着的乳化剂控制短直链向晶核的堆积速度和数量，得到粒径较小的淀粉纳米颗粒；
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-35℃～-87℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
进一步的，所述步骤(4)中的糊化过程水浴反应完成后降温至普鲁蓝酶的最适温度58℃。
进一步的，所述步骤(8)中的乳化剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80。
进一步的，制得的纳米颗粒粒径在9-30nm之间。
本发明的有益效果如下：
本发明采用粒径控制剂-乳化剂控制生物酶法制备的短直链淀粉的晶核形成时间及晶核生长速度，并控制短直链的进一步堆叠程度，从而控制纳米颗粒的粒径大小，将淀粉纳米颗粒的粒径有效的控制在9-30nm之间；并且控制纳米颗粒的进一步聚集，确保纳米颗粒具有良好的分散性；纳米颗粒的重结晶后，结晶更加完美，热稳定性得到显著的改善。
本发明以生物酶解的短直链淀粉为原料，通过在短直链淀粉回生过程中加入粒径控制剂(乳化剂-吐温80等)，利用乳化剂控制短直链淀粉的重结晶及晶核生长速度，控制纳米颗粒的进一步聚集，制备出粒径小、尺寸分布均匀、分散性好，热稳定性强的淀粉纳米颗粒。
本发明设备要求低，工艺简单，操作简便，反应温和，反应时间短，效率高，适合大规模生产；产品性能良好，制备的淀粉纳米颗粒，粒径可控制在9-30nm之间，分散性和热稳定性好，制备成本低，能源消耗少，没有有害废弃物产生，符合“绿色生产，环保节能”的现代化生产要求。
附图说明
图1(a)为未添加粒径控制剂的淀粉纳米颗粒的粒径分布图；
图2(b)为添加粒径控制剂的淀粉纳米颗粒的粒径分布图；
图3(a)为未添加粒径控制剂的淀粉纳米颗粒的透射电镜图；
图4(b)为添加粒径控制剂的淀粉纳米颗粒的透射电镜图；
图5为淀粉纳米颗粒的结晶结构图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步描述本发明，但并不限制本发明的保护范围。
一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)配制缓冲溶液：按照重量配比11.5～18.5:10称取磷酸氢二钠和柠檬酸混合，溶于蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用，该缓冲溶液作用温和，为普鲁兰酶的作用提供了最适宜的pH范围，即且可以达到普鲁兰酶的最适作用pH＝4.6-5；
(2)脱支酶活化：按照体积百分比为2-3％称取普鲁蓝酶滴入蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的配制：称取蜡质玉米淀粉加入缓冲溶液中，制得10-25％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴20-40min，使淀粉完全糊化，随后降温至50℃-60℃，淀粉链伸展，便于脱支酶作用，水浴反应后降温至普鲁兰酶适宜的作用温度，即50℃-60℃；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解4-6h；
(6)短直链溶液分离：将酶解得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心1-3min，以去除长直链淀粉，得到短直链淀粉溶液；
(7)灭酶：将上述离心后的产物继续加热，使温度升高至100℃，保持10～15min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加乳化剂，乳化剂占短直链淀粉溶液体积的0.05-0.3％，超声处理，使乳化剂与短直链淀粉溶液充分混合均匀，乳化剂作为粒径控制剂，可附着在短直链淀粉表面，控制短直链间氢键的形成；
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于3℃-5℃下回生处理11h-13h，短直链淀粉重结晶形成纳米晶核，晶核表面附着一层乳化剂，进一步控制短直链向晶核的堆积速度和数量，从而控制结晶的大小，得到粒径较小的淀粉纳米颗粒，乳化剂在纳米颗粒表面的附着，还可以进一步控制纳米颗粒的聚集，使形成的纳米颗粒具有较好的分散性；
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-35℃～-87℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
1.原料选择
1.1试验材料与试剂
1.2仪器与设备
2.以天然安全的短直链淀粉为模板制备水溶性纳米银的粒径及形貌测定
2.1动态光散射测定淀粉纳米颗粒粒径的大小
将淀粉纳米颗粒加入超纯水中，并将乳液稀释到0.05％，使其充分分散均匀后，用移液枪取1mL悬液，沿比色皿边缘一角缓缓注入后，放入测试台中测试，每个样品分别测试三次，去平均值。
2.2淀粉纳米颗粒透射电镜测定
将淀粉纳米颗粒溶于超纯水中，使其充分分散均匀后，滴于带有碳支持膜的铜网上，并将多余的溶液用滤纸吸走，再对铜网普通干燥，将干燥后的样品放入透射电子显微镜系统中，抽真空5min，在2kv加速电压下观察，拍照。
实施例1
(1)配制缓冲溶液：准确称取3g磷酸氢二钠和2g柠檬酸溶于200mL蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱支酶活化：准确称取1.1mL普鲁蓝酶滴入50mL蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的制备：称取15g蜡质玉米淀粉加入100mL缓冲溶液中，制得15％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴20min，使淀粉完全糊化，随后降温至60℃；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解4h；
(6)短直链淀粉溶液的分离：将得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心3min，以去除长直链淀粉，得到短直链淀粉溶液；
(7)灭酶：继续加热，使温度升高至100℃，保持15min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加粒径控制剂-乳化剂(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80)，吐温80占短直链淀粉溶液体积的0.05％。
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于4℃下回生处理12h获得淀粉纳米颗粒。
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-35℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
实施例2
(1)配制缓冲溶液：准确称取3.5g磷酸氢二钠和2.3g柠檬酸溶于200mL蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱支酶活化：准确称取1.5mL普鲁蓝酶滴入50mL蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的制备：称取10g蜡质大米淀粉加入100mL缓冲溶液中，制得10％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴30min，使淀粉完全糊化，随后降温至58℃(普鲁蓝酶的最适温度)；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解6h；
(6)短直链淀粉溶液的分离：将得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心3min，以去除长直链淀粉，得到短直链淀粉溶液；
(7)灭酶：继续加热，使温度升高至100℃，保持10min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加粒径控制剂-乳化剂(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80)，吐温80占短直链淀粉溶液体积的0.1％。
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于4℃下回生处理11h获得淀粉纳米颗粒。
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-50℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
实施例3
(1)配制缓冲溶液：准确称取3.7g磷酸氢二钠和2.0g柠檬酸溶于200mL蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱支酶活化：准确称取1mL普鲁蓝酶滴入50mL蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的制备：称取20g芋头淀粉加入100mL缓冲溶液中，制得20％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴40min，使淀粉完全糊化，随后降温至50℃(普鲁蓝酶的最适温度)；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解5h；
(6)短直链淀粉溶液的分离：将得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心3min，以去除长直链淀粉；
(7)灭酶：继续加热，使温度升高至100℃，保持13min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶，制得短直链淀粉；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加粒径控制剂-乳化剂(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80)，吐温80占短直链淀粉溶液体积的0.2％。
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于4℃下回生处理11h获得淀粉纳米颗粒。
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-87℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
实施例4
(1)配制缓冲溶液：准确称取3.15g磷酸氢二钠和2.73g柠檬酸溶于200mL蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱脂酶活化：准确称取1.3mL普鲁蓝酶滴入50mL蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的制备：称取5g马铃薯淀粉加入100mL缓冲溶液中，制得5％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴40min，使淀粉完全糊化，随后降温至55℃(普鲁蓝酶的最适温度)；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解5h；
(6)短直链淀粉溶液的分离：将得到的溶液趁热以4000r/min的转速离心3min，以去除长直链淀粉；
(7)灭酶：继续加热，使温度升高至100℃，保持10min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶，制得短直链淀粉；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加粒径控制剂-乳化剂(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80)，吐温80占短直链淀粉溶液体积的0.3％。
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于4℃下回生处理13h获得淀粉纳米颗粒。
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-80℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
制备的淀粉纳米颗粒性能检测
3.淀粉纳米颗粒的粒径大小
3.1动态光散射扫描图谱
如图1(a)所示，未添加粒径控制剂制备的淀粉纳米颗粒粒径分布在50-110nm之间，而添加乳化剂辅助制备的淀粉纳米颗粒的粒径基本分布在9-30nm之间，主要分布在15-20nm，粒径明显减小，如图2(b)所示。
3.2透射电镜下观察
由图3(a)可以看出，未添加粒径控制剂制备的淀粉纳米颗粒呈球形，颗粒有明显的聚集现象，由图4(b)可以看出以吐温-80作为粒径控制剂辅助生物酶法制备的淀粉纳米颗粒呈球形，颗粒较未添加乳化剂的要小，且大小分布均匀，样品分散性好。
4.淀粉纳米颗粒的热特性研究
如表1所示，淀粉纳米颗粒的起始糊化温度、糊化峰值温度、末值糊化温度以及焓值均显著提高，证明其耐热性更强，结晶结构更完善，结晶数量更多。
表1淀粉纳米颗粒的热特性
5.淀粉纳米颗粒的结晶结构
如图5所示，淀粉纳米颗粒在2θ＝5.9°,17.1°,22.5°和24.3°有明显的衍射峰，属于典型的B型的淀粉结晶。添加吐温80的辅助制备的淀粉纳米颗粒的晶型未有显著改变，结晶度差异不显著。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)配制缓冲溶液：按照重量配比11.5～18.5:10称取磷酸氢二钠和柠檬酸混合，溶于蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，待用；
(2)脱支酶活化：按照体积百分比为2-3％称取普鲁蓝酶滴入蒸馏水中，搅拌使之充分混合，待用；
(3)淀粉乳的配制：称取蜡质玉米淀粉加入缓冲溶液中，制得10-25％的淀粉乳液；
(4)糊化：将配制的淀粉乳100℃水浴20-40min，使淀粉完全糊化，随后降温至50℃-60℃；
(5)酶解脱支：向糊化后的胶质溶液中加入处理好的普鲁蓝酶，酶解4-6h；
(6)短直链溶液分离：将酶解得到的溶液趁热以3000r/min的转速离心1-3min，以去除长直链淀粉，得到短直链淀粉溶液；
(7)灭酶：将上述离心后的产物继续加热，使温度升高至100℃，保持10～15min，使酶彻底失去活性，低速离心脱去变性的酶；
(8)添加乳化剂：向所得的短直链淀粉溶液添加乳化剂，乳化剂占短直链淀粉溶液体积的0.05-0.3％；超声处理，使乳化剂与短直链淀粉溶液充分混合均匀，乳化剂作为粒径控制剂，可附着在短直链淀粉表面，控制短直链间氢键的形成；
(9)重结晶：将添加乳化剂的短直链淀粉溶液置于3℃-5℃下回生处理11h-13h，短直链淀粉重结晶形成纳米晶核，晶核表面附着的乳化剂控制短直链向晶核的堆积速度和数量，得到粒径较小的淀粉纳米颗粒；
(10)干燥：将回生得到的淀粉纳米颗粒置于-35℃～-87℃下冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥的淀粉纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的糊化过程水浴反应完成后降温至普鲁蓝酶的最适温度58℃。
3.根据权利要求1所述一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤(8)中的乳化剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯-吐温80。
4.根据权利要求1所述一种乳化剂辅助生物酶法制备粒径可控型淀粉纳米颗粒的方法，其特征在于，制得的纳米颗粒粒径在9-30nm之间。
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