CN109293954A - 一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，包括以下步骤：将淀粉溶于水中，制备淀粉悬浮液；将淀粉悬浮液在沸水浴中加热搅拌，至完全糊化形成淀粉溶液；用缓冲液调节淀粉溶液，至pH为4.5～5.5，加入生物酶恒温水浴水解，离心，乙醇洗涤沉淀，真空冷冻干燥，得短直链淀粉；将短直链淀粉加入到尿素/氢氧化钠溶液中，在冰盐浴中进行机械搅拌；冷冻；在室温下解冻至完全融化，继续机械搅拌；透析，将透析所得透析液进行真空冷冻干燥，即得纳米淀粉颗粒。本方法所需设备简单，产物粒度易控制。

Description

一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法

技术领域

本发明涉及一种纳米淀粉颗粒的制备方法，具体涉及一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法。

背景技术

近年来，纳米粒子因具有比表面积大，吸附能力强，存在量子效应和尺寸效应等优点成为当今科学研究的热点。纳米粒子的应用涉及诸多行业，而在食品、医药和生物技术领域使用的纳米粒子必须是无毒的，并具有良好的生物相容性和生物降解性。因此，淀粉、纤维素、壳聚糖等天然多糖类高分子物质成为制备纳米粒子的理想材料，其中淀粉来源广泛，价格低廉，无生物毒害及无免疫原性，具有广阔的市场前景，尤其在生物医学领域得到了越来越广泛的应用。

常见的淀粉有玉米淀粉、马铃薯淀粉、大米淀粉、木薯淀粉等。淀粉分子式为(C₆H₁₀O₅)_n，是由葡萄糖单元通过ɑ-1,4糖苷键和ɑ-1,6糖苷键组成的高分子多糖化合物。淀粉作为天然半结晶体系，包括结晶区和非结晶区。结晶区主要为支链淀粉，结构较致密，而非结晶区主要为直链淀粉，结构疏松。淀粉的这种半结晶结构对于制备纳米粒子是有利的，当采用不同的方法对淀粉进行处理时，结晶区和非结晶区均遭到不同程度的破坏，达到减小粒径的目的。

纳米淀粉应用广泛，可添加到热塑性淀粉、大豆蛋白、天然橡胶等聚合物中，制成安全环保的纳米复合材料；也可作为胶黏剂用于制造涂布纸，大大降低生产成本；还可作为乳化剂，应用于食品、化妆品、催化及功能纳米材料等领域；还可用作药物载体及其他材料的填充剂。

制备纳米淀粉颗粒常采用物理、化学或生物等方法，使原淀粉由微米级减小到纳米级。其中，酸水解法使用范围最广，用2.2mol/L盐酸水解马铃薯淀粉，15天后得到直径为几十纳米的纳米晶，但耗时长，产率低。高压均质法是一个通过压力能的释放和高速运动使淀粉细化的方法，当压力为160MPa，均质次数为20次时，可得20nm左右淀粉颗粒，但存在能源损耗大的缺点。反相微乳法是将低浓度的淀粉溶液作为水相缓慢滴加到含表面活性剂的有机溶液中，快速搅拌，形成油包水(W/O)型的反相微乳液，加入交联剂使淀粉分子相互交联，得到细小的纳米微球。有人将淀粉液滴加到含Span-60的正己烷中形成微乳液，以环氧氯丙烷作为交联剂，得到平均粒径为92.2nm的淀粉微球，但交联剂不易除尽。

《大米微孔淀粉的酶法制备工艺优化研究》（《粮油加工》，2007年第5期，P104-106），公开了一种采用淀粉酶直接水解淀粉溶液，获得非纳米级的微孔淀粉的方法，虽然在一定程度上增大了比表面积，但远小于纳米淀粉，这就直接导致淀粉颗粒的吸附性、包埋性和载药量大大降低。

CN104804200公开了一种采用生物酶法制备纳米淀粉的方法，该方法对环境要求高，温度限制严格，不同温度下所得到的产物粒度变化大，容易导致外界温度稍有变化就可能得不到纳米级的淀粉颗粒，操作难度大。且此技术得到的产物虽为纳米级别，但颗粒仍然较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服上述现有技术存在的诸多缺点，提供一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，利用该方法制得的纳米淀粉颗粒，颗粒均匀，纯度高，且未改变淀粉固有结构，基本保持原淀粉的功能特性；所需设备简单，产物粒度容易控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，包括以下步骤：

（1）将淀粉溶于水中，制备淀粉悬浮液；

（2）将步骤（1）所得淀粉悬浮液在沸水浴中加热搅拌，至完全糊化形成淀粉溶液；

（3）用缓冲液调节步骤（2）所得淀粉溶液，至pH为4.5～5.5，加入生物酶恒温水浴水解，离心，乙醇洗涤沉淀，真空冷冻干燥，得短直链淀粉；

（4）将步骤（3）所得短直链淀粉加入到尿素/氢氧化钠溶液中，在冰盐浴中进行机械搅拌；

（5）对步骤（4）的产物进行冷冻；

（6）将步骤（5）的产物在室温下解冻至完全融化，继续机械搅拌；

（7）透析，将透析所得透析液进行真空冷冻干燥，即得纳米淀粉颗粒。

优选的，步骤（1）中，所述的淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉和红薯淀粉中的任一种，淀粉悬浮液浓度为1%～10%。

优选的，步骤（1）中，所述水为蒸馏水。

优选的，步骤（2）中，所述加热搅拌的温度为60～100℃，所述加热搅拌的时间为10～20min。

优选的，步骤（3）中，所述缓冲液为酸性溶液。

优选的，步骤（3）中，所述生物酶为ɑ-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和普鲁兰酶中一种或几种混合物；所述生物酶用量为6～12u/g，在45～55℃恒温水浴锅中水解5～12h。

优选的，步骤（3）中，所述离心功率为3500～4500r/min,所述离心时间为10~20min，乙醇洗涤沉淀的次数为3~6次。

优选的，步骤（4）中，所述尿素/氢氧化钠溶液由4～10g氢氧化钠以及2～8g尿素加入蒸馏水定容至100mL形成，所述冰盐浴温度为-10～-20℃，所述机械搅拌的速度为500～1000r/min，所述机械搅拌时间为2～5h。

优选的，步骤（5）中，所述冷冻的温度为-80～-20℃，所述冷冻的时间为12～48h。

优选的，步骤（6）中，所述机械搅拌速度为200～400r/min；所述机械搅拌时间为30～60min。

优选的，步骤（7）中，所述透析使用的透析袋为500-1000分子截流量，透析时间为1～7天，每12h更换一次透析液并收集前一次透析液。

本发明的有益效果表现在：（1）本发明采用生物酶和碱冷冻技术联用的方法制备纳米淀粉颗粒，所得到的纳米淀粉颗粒粒径分布集中，且可通过控制工艺条件有效调节粒度大小，以及可调控粒径范围在纳米级别以内；（2）碱冷冻技术采用尿素/氢氧化钠混合溶液作为淀粉的溶剂，解决了淀粉不溶于水的问题，且低温能使淀粉溶胀、进一步溶解，从而达到有效破坏淀粉间和淀粉内氢键的作用，得到的产物粒度普遍偏小（10～200nm）；（3）本发明所需设备简单，节能环保，对环境要求低；（4）产率高，耗能少，有效降低生产成本，可进行大规模工业化生产；（5）颗粒均匀，纯度高，且未改变淀粉固有结构，基本保持原淀粉的功能特性。

附图说明

图1（a）为本发明实施例1中原料大米淀粉的扫描电镜图。

图1（b）为本发明实施例1中纳米淀粉颗粒扫描电镜图。

图2为根据图1统计得到的纳米淀粉颗粒的粒径分布图。

图3为本发明实施例1中原料大米淀粉和产物纳米淀粉颗粒的红外光谱对比图，其中，a曲线为原料大米淀粉的红外光谱图，b曲线为纳米淀粉颗粒的红外光谱图。

图4为本发明实施例1中原料大米淀粉和产物纳米淀粉颗粒的X-射线衍射对比图，其中a曲线为原料大米淀粉的X-射线衍射图，b曲线为纳米淀粉颗粒的X-射线衍射图。

具体实施方式

实施例1：

（1）将5g大米淀粉溶于100mL蒸馏水中，配成5%的淀粉悬浮液液；

（2）将步骤（1）中的淀粉悬浮液在70℃沸水浴中加热搅拌15min，糊化形成淀粉溶液；

（3）将磷酸氢二钠2.21g，柠檬酸0.75g溶于100mL蒸馏水中，充分混合制备缓冲液，用制备的缓冲液调节步骤（2）中的淀粉溶液，至pH为4.5，加入6u/g的ɑ-淀粉酶，在50℃恒温水浴锅中水解5h，在4000r/min条件下离心15min，乙醇洗涤沉淀3次，放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥，得短直链淀粉；

（4）将步骤（3）中短直链淀粉加入到100mL尿素/氢氧化钠/蒸馏水的质量比为6:2:100的混合溶液中，在500r/min条件下，机械搅拌3h；

（5）冷冻：在-20℃下冷冻24小时；

（6）解冻：室温解冻至完全融化，以200r/min继续机械搅拌30min；

（7）透析，采用500-1000分子截流量的透析袋，进行透析，透析时间为2天，其中每12小时更换一次透析液并收集前一次的透析液，将收集的透析液放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥，产物为纳米淀粉颗粒。

图1（a）为本实施例原料大米淀粉的扫描电镜图，如图1（a）所示颗粒轮廓清晰，表面光滑，呈椭圆形，平均粒径在3～5μm左右;图1（b）是本实施例所得到的纳米淀粉颗粒，颗粒直径明显变小，基本呈椭圆形。

根据图2的纳米淀粉颗粒的粒径分布图，可知，颗粒分布集中，平均粒径约为122nm。

根据图3的红外光谱对比图可知，本实施例所得纳米淀粉颗粒（b曲线）与原淀粉（a曲线）的红外图谱基本一致，没有新的峰出现，表明没有引入其他官能团，纳米淀粉仍保持原淀粉的基本特性。

根据图4的X-射线衍射对比图可知，原料大米淀粉（a曲线）2θ在15°、17°、19°、23°附近存在明显的特征衍射峰，为A型结构，而本实施例所得纳米淀粉颗粒（b曲线）2θ仅在19°和23°附近存在特征峰，晶体结构改变，结晶度下降。

实施例2：

（1）将2g大米淀粉溶于100mL蒸馏水中，配成2%的淀粉悬浮液；

（2）将步骤（1）中的淀粉悬浮液在100℃沸水浴中加热搅拌20min，糊化形成淀粉溶液；

（3）将柠檬酸1.8g以及柠檬酸钠0.41g溶于100mL蒸馏水形成缓冲液，采用该缓冲液调节步骤（2）中的淀粉溶液，至pH为5，加入12u/g普鲁兰酶，在50℃水浴锅中水解8h，在4000r/min条件下离心15min，乙醇洗涤沉淀4次，真空冷冻干燥，得短直链淀粉；

（4）将步骤（3）中短直链淀粉加入到100mL尿素/氢氧化钠/蒸馏水质量比为6:4:100的混合溶液中，在800r/min条件下，机械搅拌3h；

（5）冷冻：在-80℃下冷冻48小时；

（6）解冻：室温解冻至完全融化，以400r/min继续机械搅拌40min；

（7）透析，采用500分子截流量的透析袋，进行透析，透析时间为3天，其中每12小时更换一次透析液并收集前一次的透析液，将收集的透析液放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥，产物为纳米淀粉颗粒。

本实施例中制备得到的纳米淀粉颗粒平均粒径为26nm，粒径分布集中；且没有引入其他官能团，纳米淀粉仍保持原淀粉的基本特性。

实施例3：

（1）将10g大米淀粉溶于100mL蒸馏水中，配成10%的淀粉悬浮液；

（2）将步骤（1）中的淀粉悬浮液在100℃沸水浴中加热搅拌10min，糊化形成淀粉溶液；

（3）将柠檬酸2.1g，氢氧化钠0.83g，市售浓盐酸1.06mL溶于100mL蒸馏水形成缓冲液，采用该缓冲液调节步骤（2）中的淀粉溶液，至pH为5.5，加入8u/g的β-淀粉酶，在50℃水浴锅中水解5h，在4000r/min条件下离心15min，乙醇洗涤沉淀3次，真空冷冻干燥，得短直链淀粉；

（4）将步骤（3）中短直链淀粉加入到100mL尿素/氢氧化钠/蒸馏水质量比为4:4:100的溶液中，在500r/min条件下，机械搅拌2h；

（5）冷冻：在-60℃下冷冻36小时；

（6）解冻：室温解冻至完全融化，以300r/min继续机械搅拌30min；

（7）透析，采用1000分子截流量的透析袋，进行透析，透析时间为3天，其中每12小时更换一次透析液并收集前一次的透析液，将收集的透析液放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥，产物为纳米淀粉颗粒。

本实施例制备得到的纳米淀粉颗粒平均粒径为192nm，粒径分布集中；且没有引入其他官能团，纳米淀粉仍保持原淀粉的基本特性。

本发明不仅限于上述实施例,在本发明的实质范围内所做出的增加、替换,也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将淀粉溶于水中，制备淀粉悬浮液；

（2）将步骤（1）所得淀粉悬浮液在沸水浴中加热搅拌，至完全糊化形成淀粉溶液；

（3）用缓冲液调节步骤（2）所得的淀粉溶液，至pH为4.5～5.5，加入生物酶恒温水浴水解，离心，乙醇洗涤沉淀，真空冷冻干燥，得短直链淀粉；

（4）将步骤（3）所得短直链淀粉加入到尿素/氢氧化钠溶液中，在冰盐浴中进行机械搅拌；

（5）对步骤（4）的产物进行冷冻；

（6）将步骤（5）的产物在室温下解冻至完全融化，继续机械搅拌；

（7）透析，将透析所得透析液进行真空冷冻干燥，即得纳米淀粉颗粒。

2.根据权利要求1所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉和红薯淀粉中的任一种，所述淀粉悬浮液质量浓度为1%～10%。

3.根据权利要求1或2所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述水为蒸馏水。

4.根据权利要求1-3任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述加热搅拌的温度为60～100℃，所述加热搅拌的时间为10～20min。

5.根据权利要求1-4任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述缓冲液为酸性溶液；所述生物酶为ɑ-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和普鲁兰酶中一种或几种混合物；所述生物酶用量为6～12u/g，在45~55℃恒温水浴锅中水解5～12h；所述离心功率为3500～4500r/min, 所述离心时间为10～20min，所述乙醇洗涤沉淀的次数为3～6次。

6.根据权利要求1-5任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（4）中，所述尿素/氢氧化钠溶液由4~10g氢氧化钠以及2～8g尿素加入蒸馏水定容至100mL形成，所述冰盐浴温度为-10～-20℃，所述机械搅拌的速度为500～1000r/min，所述机械搅拌时间为2～5h。

7.根据权利要求1-6任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（5）中，所述冷冻的温度为-80～-20℃，所述冷冻的时间为12～48h。

8.根据权利要求1-7任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（6）中，所述机械搅拌速度为200～400r/min；所述机械搅拌时间为30～60min。

9.根据权利要求1-8任一所述的生物酶结合碱冷冻技术制备纳米淀粉颗粒的方法，其特征在于：步骤（7）中，所述透析使用的透析袋为500～1000分子截流量，透析时间为1～7天，每12h更换一次透析液并收集前一次透析液。