CN108504133B - 一种包裹天然色素的纳米颗粒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包裹天然色素的纳米颗粒及其制备方法。该方法选用紫胶作为包裹材料，首先将紫胶和天然色素溶于乙醇，然后将此混合液通过微通道快速注入到水中，随着乙醇迅速扩散到水中，紫胶和天然色素共同析出，且天然色素被包裹在紫胶基质内，形成有色的纳米颗粒。所得的纳米颗粒在水中具有良好的分散性，可制备新型的彩色功能饮料，这种饮料稳定、透明、色彩鲜艳并且对人体健康有益。本发明制备的纳米颗粒极大地提高了天然色素在水中的分散性和天然色素存储时的稳定性，通过包裹不同的天然色素能够得到多种颜色。这些包裹天然色素的纳米颗粒在功能性饮料、食品、营养品、药物等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米颗粒领域，具体涉及一种包裹天然色素的纳米颗粒及其制备方法。
背景技术
颜色是食物最重要的视觉属性之一，适宜的色彩可以增强人们对食物质量的感知。在饮料和食品等领域经常会添加人工色素来改善其外观，但这些人工色素存在过敏、致癌等健康问题。天然色素不仅能赋予食物鲜艳的色彩，而且对人体健康有益，受到广大消费者的青睐，有广泛的应用前景。但是，许多天然色素，例如：姜黄素、叶绿素等，在水中溶解度低，对光、温度、pH敏感，稳定性差，这些因素严重限制了天然色素的应用。因此发明一种新方法包裹这些疏水的不稳定的天然色素，提高其在水中的分散性、存储时间等至关重要。
纳米颗粒是一种理想的载体，将姜黄素、叶绿素等天然色素包裹在纳米颗粒中，能够有效提高其在水中的分散性，同时能够保护其免受外界环境因素的影响，有效提高其存储时间。并且当包裹天然色素的纳米颗粒尺寸足够小时，其在水中的分散液是透明的。目前，人们已经开发了多种纳米颗粒制备技术，如喷雾干燥法、乳化法、共析出法等，但是这些技术因为难以同时满足包裹率高、分散性好、稳定、可食用、成本低等要求，仍然不能满足实际需求，例如，纳米颗粒包裹天然色素制备彩色功能性饮料。因此开发一个绿色无害、简便易行的工艺，有效地包裹天然色素，提高其在水中的分散性和稳定性，并能够实现产业化，仍是一项巨大的挑战。
发明内容
本发明阐述一种包裹天然色素的纳米颗粒及其制备方法：首先将紫胶和天然色素溶于乙醇，然后将此混合液通过微通道快速注入到水中，随着乙醇迅速扩散到水中，紫胶和天然色素共同析出，形成包裹天然色素的彩色紫胶纳米颗粒。采用该方法制备所得的包裹天然色素的纳米颗粒在水中具有良好的分散性，且分散液是透明的。在紫胶的保护下，包裹在其中的天然色素稳定性提高，储存时间增加。通过混合包裹不同天然色素的纳米颗粒能够获得所需颜色。这种包裹天然色素的纳米颗粒可应用于功能性饮料、食品、营养品、药物等领域。
为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：
本发明通过溶剂扩散和共析出包裹天然色素的方法包括以下步骤：
(1)将紫胶溶于乙醇中，得到紫胶/乙醇溶液，然后将待包裹物质溶于紫胶/乙醇溶液中；
(2)将步骤(1)中所得的混合液通过微通道，快速注入到水溶液中，获得包裹天然色素的纳米颗粒；
紫胶具有易溶于乙醇、难溶于水、生物相容等性质。
优选的，所述天然色素为姜黄素、叶绿素或其他易溶于乙醇难溶于水的物质中的一种或多种。
优选的，所述的步骤(1)中，紫胶在乙醇中的浓度为1mg/mL–125mg/mL。
天然色素在紫胶/乙醇溶液中的浓度由天然色素在其中的溶解度决定，只要天然色素全部溶解即可，即在天然色素溶解度范围内都可以。
优选的，所述的步骤(2)中，所述微通道的直径为0.1mm–2mm。
优选的，所述的步骤(2)中，所述混合液注入时的体积流速为0.005mL/min–1000mL/min。
优选的，所述的步骤(2)中，所述混合液和水的体积比为1:2–1:200，进一步优选为1：30。
本发明公开了一种所述方法制备得到的包裹天然色素的纳米颗粒，所述纳米颗粒的尺寸为10nm–300nm；所述纳米颗粒能有效包裹天然色素，包裹率在97％以上；所述纳米颗粒在水中具有良好的分散性；所述天然色素被包裹在纳米颗粒中，稳定性提高，储存时间增加。
本发明还公开了所述的包裹天然色素等活性成分的纳米颗粒在制备功能性饮料、食品、营养品、药物中的应用。
在应用过程中，可选取不同颜色的天然色素，通过所述方法获得不同颜色的纳米颗粒分散液(颜色为天然色素的颜色)，将不同颜色的纳米颗粒分散液按比例混合，获得所需颜色的稳定分散液，
同时可以将不同颜色的纳米颗粒在水中的分散液按不同比例混合，获得一系列不同颜色的稳定分散液，如选取姜黄素和叶绿素分别制备得到纳米颗粒在水中的分散液，进行混合复配，即可获得从黄色到绿色一系列不同颜色的分散液。
本发明所得的纳米颗粒，可以以任意比例进行混合，均能得到稳定的分散液。本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出一种包裹天然色素的纳米颗粒及其制备方法。采用该包裹方法可获得纳米级的大小可调的颗粒，能够有效包裹多种天然色素，帮助疏水性天然色素分散到水中，在紫胶的保护下，包裹在其中的天然色素稳定性提高，储存时间增加。
(2)本发明制备所得纳米颗粒在水中具有良好的分散性、稳定性和透光性。将包裹姜黄素、叶绿素等活性成分的纳米颗粒分散在水中，可制备出一种新型的天然彩色饮料，这种饮料稳定、透明、色彩鲜艳并且对人体健康有益。
(3)本发明可包裹多种疏水性的天然色素。混合包裹有不同天然色素的纳米颗粒可获得多种颜色。
(4)本发明所用溶剂和材料均经过FDA(美国食品及药物管理局)和CFDA(国家食品药品监督管理总局)认证且可食用，整个体系绿色无害，在功能性饮料、食品、保健品和药物等领域有广阔的应用前景
(5)本发明所用方法易操作，容易实现大规模生产。
附图说明
图1为通过溶剂扩散和共析出制备包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒的原理示意图；
图2(a)为按实施例1制备所得纳米颗粒在水中的分散液；
图2(b)为按实施例1制备所得纳米颗粒的扫描电镜图；
图3(a)为采用不同浓度的紫胶/乙醇溶液制备所得的纳米颗粒在水中的分散液；
图3(b)、(c)、(d)为采用不同浓度的紫胶/乙醇溶液制备所得的纳米颗粒的扫描电镜图；
图3(e)为采用不同浓度的紫胶/乙醇溶液制备所得的纳米颗粒的粒径及ζ电位分布图；
图4为调节分散液的pH＝2时，包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒沉淀析出的照片及所测上清液的紫外-可见吸收光谱图；
图5(a)为包裹姜黄素的纳米颗粒在不同pH的水中的分散情况及颜色变化图；
图5(b)为包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒在pH＝2的水中由于H+电离受到抑制而聚集的示意图；
图5(c)为包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒在pH＝7的水中稳定分散的示意图；
图5(d)为包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒在pH＝12的水中溶解的示意图；
图6(a)为未经紫胶包裹的姜黄素的未降解量和包裹在不同浓度的紫胶/乙醇溶液制备所得的纳米颗粒中的姜黄素的未降解量随时间的变化关系图；
图6(b)、(c)为在室温下储存的包裹姜黄素的纳米颗粒一个月前后的颜色对比图；
图7为包裹姜黄素的纳米颗粒分散液和包裹叶绿素的纳米颗粒分散液以不同比例混合，得到的一系列颜色；
图8为微流控法制备包裹天然色素的紫胶纳米颗粒的示意图。
具体实施方式
下面举实施例说明本发明，但本发明并不限于下述的实施例。
实施例1：制备包裹姜黄素的纳米颗粒
参照附图1，采用本发明的方法制备包裹姜黄素的纳米颗粒，具体步骤如下：
(1)将50mg紫胶溶于1mL乙醇中，然后将3mg姜黄素溶于1mL紫胶/乙醇混合液中；
(2)用移液枪和1-200μL的凝胶点样吸头(内径300μm)吸取100μL步骤(1)所得的混合液，然后将混合液以10mL/min的速度注入到装有3mL水的玻璃瓶里，乙醇快速扩散到水中，紫胶和姜黄素共同沉淀析出，形成包裹姜黄素的黄色纳米颗粒(如附图1所示)。
(3)步骤(2)所得纳米颗粒在水中的分散液，为透明、黄色的水溶液(如附图2(a)所示)。纳米颗粒的扫描电镜图证明颗粒为纳米级且具有较好的均一性，平均直径为125nm(如附图2(b)所示)。
实施例2：纳米颗粒的直径随紫胶在乙醇中的浓度变化关系测试
(1)将姜黄素分别溶于紫胶浓度为10mg/mL、50mg/mL、100mg/mL的紫胶/乙醇溶液，姜黄素的浓度均为3mg/mL；
(2)按照实施例1中的方法制备得到相应的包裹姜黄素的纳米颗粒，其在水中的分散液如附图3(a)所示；
(3)用冻干机干燥相应的纳米颗粒，其在扫描电子显微镜下观察的图像如附图3(b)、(c)、(d)所示。实验结果表明包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒的尺寸随紫胶在乙醇中的浓度增大而增大；
(4)用激光粒度仪测试上述纳米颗粒的尺寸及ζ电位。实验结果表明，当紫胶在乙醇中的浓度分别为10mg/mL、50mg/mL、100mg/mL时，对应的紫胶纳米颗粒的平均尺寸分别为60nm、125nm、180nm；包裹姜黄素的纳米颗粒的尺寸随紫胶在乙醇中的浓度增大而增大。ζ电位的绝对值随紫胶纳米颗粒的尺寸增大略有增大(如附图3(e)所示)。
实施例3：姜黄素的包裹率测试
(1)按照实施例1中的方法制备出包裹姜黄素的纳米颗粒分散液并分为等量的两份；
(2)取其中一份用紫外可见分光光度计测量其在430nm处的吸光度；
(3)另一份加入稀盐酸调节溶液pH＝2，然后用离心机在3000rpm的转速下离心2min，包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒沉到底部，未被包裹的姜黄素留在上清液中，吸取上清液用紫外可见分光光度计测量其在430nm处的吸光度，所得紫外可见吸收光谱如附图4所示；
(4)由于吸光度与姜黄素的浓度成正比，根据(2)、(3)结果计算可得姜黄素的包裹率为98.9％。
实施例4：包裹姜黄素的纳米颗粒在不同pH的水溶液中的分散性
(1)将等量包裹姜黄素的纳米颗粒分别分散在等量的pH＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11的水中；
(2)包裹姜黄素的紫胶纳米颗粒在pH＝2的水中聚集并且沉淀，在pH＝4～7范围内的水中均具有良好的分散性，在pH＝9～12的水中紫胶溶解，包裹在其中的姜黄素暴露在水溶液中，水溶液的颜色发生明显的变化，如附图5(a)所示；
(3)在PH较低(例如：pH＝2)的水中，由于紫胶纳米颗粒表面羧基的电离被抑制和紫胶的疏水性，纳米颗粒聚集并且沉淀，如附图5(b)所示；
(4)在PH为中性(例如：pH＝7)的水中，紫胶纳米颗粒表面的羧基部分电离，使颗粒带负电，从而阻止纳米颗粒聚集，如附图5(c)所示；
(5)在pH较高(例如：pH＝12)的水中，紫胶溶解，包裹在其中的姜黄素暴露在水溶液中，如附图5(d)所示。
实施例5：包裹在纳米颗粒中姜黄素的稳定性测试实验
(1)将姜黄素溶于乙醇中，姜黄素的浓度为3mg/ml。按照实施例1中的方法制备出未经紫胶包裹的姜黄素在水中的分散液；
(2)将姜黄素分别溶于浓度为10mg/mL、50mg/mL、100mg/mL的紫胶在乙醇中的溶液，姜黄素的浓度均为3mg/mL；
(3)按照实施例1中的方法制备得到相应的包裹姜黄素的纳米颗粒,其姜黄素的装载量(每克紫胶中姜黄素的质量)分别为50mg/g、100mg/g、500mg/g；
(4)分别将步骤(1)和步骤(3)中制备得到的纳米颗粒分散液分成7等分，存放在不同的玻璃瓶内，并置于4℃避光的环境下储存；
(5)用紫外可见分光光度计测量姜黄素在430nm处的吸光度，确定姜黄素的浓度。在第0，7,14,29天时，用紫外可见分光光度计对瓶内姜黄素的浓度进行测量；
(6)29天后，将瓶子移到室温下储存。在第36，43，57天时，用紫外可见分光光度计对瓶内姜黄素的浓度进行测量；
(7)以第0天的姜黄素浓度为100％，计算在其他天数的剩余百分比，所得测量结果如附图6(a)所示。包裹在紫胶纳米颗粒内的姜黄素比未经紫胶包裹的姜黄素具有更长的储存时间。以装载量为100mg/g的样品为例，储存57天后，包裹在紫胶纳米颗粒内的姜黄素，其剩余百分比大于90％，未被紫胶包裹的姜黄素，其剩余百分比接近0；
(8)包裹姜黄素的纳米颗粒在室温下存储一个月后，其颜色几乎不发生改变(如附图6(b)、6(c)所示)。
实施例6：以不同的比例混合包裹姜黄素的纳米颗粒和包裹叶绿素的纳米颗粒得到一系列不同的颜色
(1)按实施例1中的方法，制备出包裹姜黄素的黄色纳米颗粒分散液；
(2)按实施例1中的方法(区别在于姜黄素替换为叶绿素)，制备出包裹叶绿素的绿色纳米颗粒分散液；
(3)将黄色的纳米颗粒分散液和绿色的纳米颗粒分散液分别以1:0、2:1、1:1、1:2和0:1的比例混合，可获得从黄色到绿色一系列不同颜色的分散液(如附图7所示)。
实施例7：微流控法制备包裹姜黄素的纳米颗粒
结合微流控器件和本发明的方法制备包裹姜黄素的纳米颗粒，具体步骤如下：
(1)微流控器件由两个外径相同圆柱毛细管和一个方形毛细管组装而成；将两个一端拉成锥形的圆柱毛细管插入到方形毛细管中，锥形端相对布置，一个圆柱毛细管通入内相，方形毛细管和圆柱毛细管之间通入外相，另一个圆柱毛细管用于收集纳米颗粒。本实施例中，圆柱毛细管被拉伸端的内径分别为0.1mm和0.2mm，装置如图8所示。
(2)制备紫胶浓度为1mg/mL、10mg/mL、25mg/mL、50mg/mL、100mg/mL、125mg/mL的紫胶/乙醇溶液，然后将1mg姜黄素分别溶于1mL上述紫胶/乙醇混合液中，姜黄素的浓度均为1mg/mL；
(3)使用注射泵将步骤(2)所得的混合液注入微流控器件的内相入口，将水注入微流控器件的外相入口，本实施例中，内相流速为0.5mL/hr，外相流速为20mL/hr。内相和外相在接收管内混合，乙醇快速扩散到水中，紫胶和姜黄素共同沉淀析出，形成包裹姜黄素的黄色纳米颗粒；
(4)步骤(3)所得纳米颗粒在中的分散液，为透明、黄色的水溶液。干燥后所得纳米颗粒具有良好的均一性。纳米颗粒的尺寸随紫胶浓度的增大而增大；
(5)调节紫胶浓度和内外相流速可以调节纳米颗粒的尺寸，获得平均尺寸为10-300nm的纳米颗粒。
Claims (7)
1.一种包裹天然色素的纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（ 1）将紫胶溶于乙醇中，得到紫胶/乙醇溶液，然后将天然色素溶于紫胶/乙醇溶液中；所述天然色素为姜黄素、叶绿素中的一种或多种；
（ 2）将步骤（ 1）中所得的混合液通过微通道，快速注入到水溶液中，获得包裹天然色素的纳米颗粒；所述的步骤（2）中，所述混合液注入时的体积流速为0.005mL/min–1000mL/min。
2.根据权利要求1所述的包裹天然色素的纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中，紫胶在乙醇中的浓度为1mg/mL–125mg/mL。
3.根据权利要求1所述的包裹天然色素的纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，所述微通道的直径为0.1mm–2mm。
4.根据权利要求1所述的包裹天然色素的纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，所述混合液和水的体积比为1:2–1:200。
5.根据权利要求1-4任一项所述方法制备得到的包裹天然色素的纳米颗粒，其特征在于所述纳米颗粒的尺寸为10nm – 300nm。
6.权利要求5所述的纳米颗粒在制备功能性饮料、食品、营养品、药物中的应用。
7.一种特定颜色稳定分散液的制备方法，其特征在于选取不同颜色的天然色素，利用权利要求1所述方法分别获得天然色素对应颜色的纳米颗粒分散液；然后将不同颜色的纳米颗粒分散液按比例混合，获得所需颜色的稳定分散液。
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