CN108686575B - 一种具有磁响应性能的复合乳化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有磁响应性能的复合乳化剂，属于胶体与界面化学技术领域。本发明的乳化剂包含未经任何改性的商品纳米Fe3O4颗粒和酶所组成。纳米Fe3O4颗粒的原生粒径为20～200nm，使用浓度为0.05％～5.0％(以水相为基准)；所用脂肪酶为蛋白类酶、核酸类酶，以水相为基准的使用浓度为0mg·mL‑1～20mg·mL‑1。由该复合乳化剂稳定的乳状液属于Pickering乳状液；该乳化剂和由其稳定的乳状液具有磁响应性能：室温下，乳状液经过具有一定磁场强度的区域，该复合乳化剂即可从Pickering乳状液界面上脱离并发生聚集，从而导致乳状液破乳，但该复合乳化剂仍具有界面活性，将分离后的体系均质可重新得到稳定的Pickering乳状液。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有磁响应性能的复合乳化剂，属于胶体与界面化学技术领域。
背景技术
乳状液在日常生活及工业领域都有着广泛的应用。常规乳状液是用表面活性剂或聚合物稳定的，属于热力学不稳定体系，乳状液稳定性较差，并且表面活性剂的使用浓度较高，一般要显著大于其临界胶束浓度cmc。而Pickering乳状液是一类由表面活性颗粒稳定的乳状液，一般乳化剂用量小且具有超强稳定性，但这也使得Pickering乳状液的破乳相对比较困难。为了满足应用需求，目前已开发出一系列具有开关性或刺激响应性的胶体颗粒，其触发机制包括磁，pH，温度，氧化-还原，光，CO2/N2等。然而这类胶体颗粒大多为功能高分子颗粒，一般通过化学合成法得到且合成制备相当复杂，不具有普适性及较广的工业化应用前景
已有研究表明，普通无机纳米颗粒可以通过原位疏水化作用而变成表面活性纳米颗粒。常见的原位改性方法为：水相中带电纳米颗粒通过静电作用吸附带相反电荷的离子型双亲化合物，双亲化合物以亲水离子头基朝向颗粒表面，疏水端朝向水相，在颗粒表面形成单分子层，从而显著提高颗粒表面的亲油性，使颗粒具有表面活性。相比于合成制备具有功能性纳米颗粒的方法，原位改性直接制备表面活性颗粒的方法更加简单且适于工业化应用。
现有的磁响应复合乳化剂主要利用化学接枝改性的方法获得，即先合成表面未经改性修饰的磁性纳米颗粒(该类颗粒亲水性较强，无法稳定乳状液)，而后通过共价键作用，将具有疏水性的改性试剂(如聚丙烯酸、壳聚糖等)接枝到纳米颗粒表面，使颗粒表面部分亲水部分疏水，从而得到复合乳化剂。这种方法，存在制备繁琐、成本高、不适合应用于工业化生产等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有磁响应性能的复合乳化剂。酶这类蛋白质与无机纳米颗粒之间可通过疏水相互作用、静电相互作用、氢键等作用方式形成“蛋白冠”复合物，这类复合物在生物领域有着重要的应用，但未在胶体与界面化学技术领域有所报道。发明人在实验过程中意外地发现基于磁性纳米颗粒和酶的复合乳化剂可用于稳定Pickering乳状液，制备得到的乳状液，一方面具有超强稳定性，当乳状液无需继续保持稳定时，仅需给予乳状液一定强度的磁场即可使乳状液破乳，另一方面分离后的复合乳化剂可以回收循环利用。
与已有的利用化学接枝改性制备磁响应复合乳化剂的方法相比，本发明的磁响应复合乳化剂具有如下区别：(1)改性方法不同，本发明为原位疏水化改性，而非化学接枝改性；(2)修饰颗粒表面的改性试剂不同，本发明为大分子蛋白质，而非小分子。
本发明的第一个目的是提供一种具有磁响应性能的复合乳化剂，所述复合乳化剂中包括磁性纳米颗粒和酶。
在一种实施方式中，所述磁性纳米颗粒为未改性的商品纳米Fe3O4颗粒。本发明利用原位疏水化改性来制备颗粒复合乳化剂，未经改性的商品化纳米颗粒，廉价易得来源广泛。
在一种实施方式中，所述磁性纳米颗粒Fe3O4原生粒径为20nm～200nm。
在一种实施方式中，所述磁性纳米颗粒，以水相为基准的使用浓度(质量分数)为0.05％～5％，可选地，为0.05％～1.0％。
在一种实施方式中，所述酶可以是蛋白类酶或者核酸类酶，比如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、核酸酶、异构酶、氧化还原酶等。
在一种实施方式中，所述酶的用量，以水相为基准的使用浓度为0.001mg·mL-1～20mg·mL-1。
在一种实施方式中，所述酶的用量为0.2mg·mL-1以上，可选地，为0.4mg·mL-1以上。
本发明的第二个目的是提供一种乳状液，含有本发明的复合乳化剂。
在一种实施方式中，所述乳状液为Pickering乳状液。
在一种实施方式中，所述乳状液的油相可以是以下任意一种或多种：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油，乳状液中油相的体积分数为5％～80％。
在一种实施方式中，所述乳状液的配制方法包括：在分散有磁性纳米颗粒的水相中添加一定浓度的酶和一定体积的油，然后均质乳化。本发明的乳化剂和由其稳定的乳状液具有磁响应性能：室温下，乳状液经过具有一定磁场强度的区域，该复合乳化剂会从Pickering乳状液界面上脱离并发生聚集，从而导致乳状液破乳，但将分离后的体系再次均质可重新得到稳定的Pickering乳状液。
在一种实施方式中，所述乳状液的配制方法具体是：首先将Fe3O4超声分散在水中，使用浓度(质量分数)为0.05％～1.0％，然后加入一定浓度的酶溶液，以及一定体积的油，如烷烃、烃类矿物油等，用均质机在7000rpm～11000rpm转速下乳化2min，即可得到稳定的Pickering乳状液。在室温下，给予乳状液一定磁场强度，该复合乳化剂即可从Pickering乳状液界面上脱离并发生聚集，从而导致乳状液破乳，即复合乳化剂具有磁响应性能。分离后的复合乳化剂仍具有界面活性，均质可重新得到稳定的Pickering乳状液。
本发明的第三个目的是提供所述复合乳化剂或者所述乳状液的应用。
本发明的有益效果
本发明的复合乳化剂具有磁响应性能，可用于制备稳定的Pickering乳状液。当乳状液无需继续保持稳定时，仅需给予乳状液一定强度的磁场即可实现乳状液的破乳，另一方面破乳后复合乳化剂仍然具有界面活性，可重复使用。本发明复合乳化剂直接使用商品化的纳米颗粒和酶，构建极其简单方便，在乳状液催化及酶催化等领域具有重要的应用价值。
本发明的基于磁性纳米颗粒和酶的Pickering乳状液，不同于利用开关型表面活性剂对纳米颗粒进行原位疏水化改性的常规方法，拓展了表面活性颗粒的制备方法，拓宽了开关型Pickering乳状液的应用前景。
附图说明
图1为单独脂肪酶制备的乳状液外观图，其中上排为制备后立即拍摄；下排为制备后24h拍摄；其中脂肪酶浓度从左至右分别为0mg·mL-1、0.2mg·mL-1、0.4mg·mL-1、0.6mg·mL-1、0.8mg·mL-1、1mg·mL-1、3mg·mL-1、6mg·mL-1、10mg·mL-1；
图2为纳米Fe3O4颗粒和脂肪酶共同制备的Pickering乳状液外观图，其中上排为制备后立即拍摄；下排为制备后24h拍摄；其中脂肪酶浓度从左至右分别为0mg·mL-1、0.2mg·mL-1、0.4mg·mL-1、0.6mg·mL-1、0.8mg·mL-1、1mg·mL-1、3mg·mL-1、6mg·mL-1、10mg·mL-1；
图3为单独脂肪酶制备的Pickering乳状液显微照片，其中脂肪酶浓度依次为0.4mg·mL-1、0.6mg·mL-1、0.8mg·mL-1、1mg·mL-1、3mg·mL-1、6mg·mL-1、10mg·mL-1；
图4为纳米Fe3O4颗粒和脂肪酶共同制备的Pickering乳状液显微镜照片，其中脂肪酶浓度依次为0.4mg·mL-1、0.6mg·mL-1、0.8mg·mL-1、1mg·mL-1、3mg·mL-1、6mg·mL-1、10mg·mL-1；
图5为图1和图2中Pickering乳状液的液滴粒径分析比较图；其中CRL代表脂肪酶；
图6为Pickering乳状液磁响应分离过程图。
具体实施方式
实施例1：脂肪酶稳定乳状液性能检验。
用超纯水配制一系列浓度的脂肪酶溶液。在一个25mL的柱状小瓶中，加入7mL脂肪酶溶液和7mL异辛烷(＞99％)，用高剪切乳化机(IKA，转头直径1cm)在11,000rpm转速下乳化2min(下同)，由于脂肪酶具有一定的界面活性，因此随着脂肪酶浓度的增加可以得到稳定的乳状液。但当脂肪酶浓度较低时(低于1mg·mL-1)，乳状液液滴粒径较大，稳定性较差。
实施例2：脂肪酶对纳米Fe3O4颗粒表面的疏水化作用。
7mL水中加入0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，待纳米颗粒分散均匀，加入一定浓度的脂肪酶溶液及7mL异辛烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液，该乳状液放置24h后拍摄其外观照片和显微照片。
图2为乳状液的外观图，上图为乳状液制备后立即拍摄，下图为24h后拍摄，从图中可以直观看出当脂肪酶浓度不小于0.4mg·mL-1时，由脂肪酶和纳米颗粒共同稳定的乳状液可以稳定。
比较图3和图4的显微照片可知，与单独脂肪酶制备的Pickering乳状液相比，纳米颗粒和脂肪酶共同制备的乳状液更为稳定。从图5的粒径分析图可知，当脂肪酶的浓度低于1mg·mL-1时，纳米颗粒与脂肪酶共同稳定的乳状液液滴粒径比仅用脂肪酶制备的乳状液液滴粒径明显偏小，说明由两者共同制备的乳状液更加稳定。当脂肪酶浓度进一步增大，虽然两个体系的乳状液液滴粒径相差不大，但由两者共同稳定的乳状液液滴粒径仍然较小。原因在于脂肪酶本身具有一定的界面活性，当脂肪酶浓度达到较高浓度时也可稳定乳状液。相关作用机理可能为：纳米Fe3O4颗粒与脂肪酶通过疏水作用、氢键、静电作用等相互作用方式形成“蛋白冠”复合物，使得纳米颗粒的亲水表面部分被覆盖，且脂肪酶本身具有一定的亲疏水性，因此原本亲水的纳米颗粒部分疏水化，变成双亲性颗粒，具有表面活性，能够吸附到油/水界面稳定乳状液。
实施例3：Pickering乳状液的磁响应性验证
将0.021g纳米Fe3O4颗粒超声分散于7mL水中，加入一定量的酶溶液至其浓度为1mg·mL-1，加入7mL异辛烷，用高剪切乳化机均质乳化2min后，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。室温下，将乳状液导入图6所示装置中，经过两次循环(乳状液经过具有一定磁场强度的区域)，10min后乳状液破乳，油水分层。相关机理为：纳米Fe3O4颗粒具有超强的顺磁性，在磁棒的磁场作用下，原本在油水界面上的复合乳化剂被吸附到装置内壁上(即从Pickering乳状液界面上脱离并发生聚集)，没有乳化剂的稳定作用，油水两相分离，乳状液破乳。
破乳后的体系，再次均质可重新得到稳定的Pickering乳状液。
实施例4：胃蛋白酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液。
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的胃蛋白酶溶液及7mL十二烷烃，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例5：菠萝蛋白酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液。
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的菠萝蛋白酶溶液及7mL动物油脂，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例6：乳酸脱氢酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的乳酸脱氢酶溶液及7mL正己烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例7：谷丙转氨酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液。
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的谷丙转氨酶溶液及7mL异辛烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例8：淀粉酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的淀粉酶溶液及7mL异辛烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例9：核酸酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的核酸酶溶液及7mL异辛烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
实施例10：纤维素酶与纳米Fe3O4颗粒形成磁性Pickering乳状液
0.021g商品纳米Fe3O4颗粒(原生粒径约20～200nm)，用超声分散器(JYD-650，上海)将颗粒分散(50W,1min)，分散于7mL水中，待纳米颗粒分散均匀，加入0.001mg·mL-1～20mg·mL-1的纤维素酶溶液及7mL异辛烷，用高剪切乳化机乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液。结果显示，酶和Fe3O4颗粒作为复合乳化剂制备得到的乳状液的效果，要比仅添加相同浓度的酶作为乳化剂制备得到的乳状液的效果好。
Claims (6)
1.一种O/W型Pickering乳状液，其特征在于，含有一种具有磁响应性能的复合乳化剂，所述复合乳化剂中包括磁性纳米颗粒和酶；
所述复合乳化剂中酶的用量，以水相为基准的使用浓度为0.4mg·mL-1～20mg·mL-1；
磁性纳米颗粒为未改性的商品纳米Fe3O4颗粒；所述磁性纳米颗粒，以水相为基准的使用质量浓度为0.05％～5％；
在分散有磁性纳米颗粒的水相中添加一定浓度的酶和一定体积的油，然后均质乳化，即得O/W型Pickering乳状液；所述油相的体积分数为5％～80％。
2.根据权利要求1所述的乳状液，其特征在于，所述复合乳化剂中的酶是蛋白类酶或者核酸类酶。
3.根据权利要求1所述的乳状液，其特征在于，所述磁性纳米颗粒的粒径为20nm～200nm。
4.根据权利要求1所述的乳状液，其特征在于，所述乳状液的油相是以下任意一种或多种：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油。
5.根据权利要求2所述的乳状液，其特征在于，所述乳状液的油相是以下任意一种或多种：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油
6.根据权利要求3所述的乳状液，其特征在于，所述乳状液的油相是以下任意一种或多种：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油。
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