CN109809373B - 一种纳米硒的回收方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于硒资源利用领域，公开了一种纳米硒的回收方法及应用。本发明通过将纳米硒水溶液与喷干辅料混合，然后进行喷干处理，得到纳米硒粉末。本发明通过一体化设计，将反应容器，超滤装置及喷干设备进行合理的设计，形成了一个较为智能的体系，降低了成本，成功实现纳米硒的大规模工业化生产，为从实验室小规模到大规模生产提供了宝贵的经验。本发明还发现，麦芽糊精是一种非常好的喷干辅助剂，使得产品的回收率大大提高，成功地解决了纳米硒产率和回收率低的问题，为纳米硒的大规模使用提供了极大的可行性。

Description

一种纳米硒的回收方法及应用

技术领域

本发明属于硒资源利用领域，特别涉及一种纳米硒的回收方法及应用。

背景技术

硒在人体的生命活动中，可起到抵御疾病，延缓衰老，增强机体免疫功能和平衡机体的作用。世界卫生组织根据中国科学家对硒的研究成果，结合美国桑那癌症中心一项被称为硒防癌里程碑的研究结果，主要结论是每日补充200微克硒，癌症总发病率下降37％，癌症死亡率下降50％。以及其他对硒的研究新发现，于上个世纪后半叶确认硒是人体必需的微量元素。通过文献调研，中国是一个缺硒大国。中国硒分布图显示：在我国地表硒的分布极不平衡，特别是从东北到西南的45个地区构成了贫硒地带。我国有72％地区属于缺硒或低硒地区，三分之二的人口存在不同程度的硒摄入不足。因此，我们需要重视补硒，加大对硒产业的投入，从而解决我国目前缺硒的困境。目前，如中国专利授权文本CN 103420344B公布了一种常温常压合成纳米硒的方法，其合成的纳米硒尺寸较小。中国专利公开文本CN108208349 A公布纳米硒在农业生产及加工中的应用，扩大了硒在食品及保健品等方面的用途。中国专利公开文本CN 105154474 A其提供了一种红色纳米硒的生物制备方法，这不仅能够降低纳米硒的生产成本，还为蛋白核小球藻开辟了新的药用价值和保健用途。通过这些专利我们发现：这些方法得到的纳米硒都是液体，放置时间长了，会造成纳米硒的聚沉，影响进一步使用。因此，亟需一种可以长期保存使用的方法，适宜工业化生产，使纳米硒都能保持其稳定性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米硒的回收方法。

本发明的另一目的在于提供上述纳米硒的回收方法的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：一种纳米硒的回收方法，具体包括以下步骤：将纳米硒水溶液与喷干辅料混合，然后进行喷干处理，得到纳米硒粉末。

所述的纳米硒为多糖修饰纳米硒。

所述的多糖为香菇多糖、壳聚糖、水溶性壳聚糖衍生物、壳寡糖、云芝多糖、茶树菇多糖和黑木耳多糖中的至少一种；优选为香菇多糖

所述的香菇多糖为来自香菇子实体的多糖。

所述的喷干辅料为乳糖、麦芽糊精和可溶性淀粉中的至少一种；优选为麦芽糊精。

所述的纳米硒水溶液中纳米硒的浓度为0.26～1.28g/L；优选为0.64g/L。

所述的喷干辅料的用量按其与纳米硒水溶液＝固液比为1kg：10～30L配比；更优选为按其与纳米硒水溶液＝固液比为1kg：20L配比。

所述喷干处理的干燥温度为180～250℃，优选为220℃。

所述的纳米硒水溶液优选为通过以下步骤制备得到：

(1)将多糖水溶液与还原剂水溶液混合搅拌得到混合溶液1；

(2)向步骤(1)所得混合溶液1中加入水，继续搅拌得到混合溶液2；

(3)向步骤(2)所得混合溶液2中加入亚硒酸钠水溶液，搅拌均匀，形成反应体系，反应后得到多糖修饰纳米硒水溶液；

(4)将步骤(3)所得多糖修饰纳米硒水溶液纯化，得到纯化后的多糖修饰的纳米硒水溶液。

步骤(1)所述的多糖为香菇多糖、壳聚糖、水溶性壳聚糖衍生物、壳寡糖、云芝多糖、茶树菇多糖和黑木耳多糖中的至少一种；优选为香菇多糖。

所述的香菇多糖为来源于香菇子实体的多糖。

步骤(1)所述的多糖水溶液中多糖的浓度为5～10g/L。

步骤(1)所述的还原剂优选为维生素C(Vc)。

步骤(1)所述的还原剂水溶液中还原剂的浓度为50～80mM。

步骤(1)所述搅拌的条件为：以50～120转/分钟的转速搅拌15～60分钟；优选为以90转/分钟的转速搅拌30分钟。

步骤(2)所述水的用量按每100～200g多糖配比50～100L水计算。

步骤(2)所述搅拌的条件为：以40～80转/分钟的转速搅拌5～20分钟。

步骤(3)所述的亚硒酸钠水溶液中亚硒酸钠的浓度为2～4g/L。

步骤(3)所述反应体系中多糖、还原剂和亚硒酸钠的质量比为(0.1～5)：1：(0.1～1)；优选为(0.5～2)：1：(0.17～1)；更优选为(0.6～0.8)：(0.9～1.1)：(0.4～0.6)；最优选为0.7：1：0.5。

步骤(3)中所述的反应体系的体积为50L以上，优选为50～1000L，进一步优选为100～1000L，进一步优选为200～1000L，更优选为200～500L，最优选为500L。

步骤(3)所述的搅拌条件为：以50～100转/分钟的转速搅拌2～5分钟。

步骤(3)所述的反应条件为：压力为0.1～1MPa，反应温度为15～70℃，反应时间为4～12h；

优选地，步骤(3)所述的反应条件为：压力为0.1MPa，反应温度为50℃，反应时间为8h。

步骤(4)所述的纯化的方式为通过使用滤膜对步骤(3)所得的多糖修饰纳米硒水溶液超滤。

所述的滤膜的规格为截留分子量是1～200KD的滤膜；优选为截留分子量是5～100KD的滤膜；更优选为截留分子量是5KD、10KD或100KD的滤膜。

所述的纳米硒的回收方法在回收大规模制备得到的多糖修饰纳米硒中的应用。

所述的大规模是反应体系为50L以上的规模，优选为反应体系为50～1000L的规模；进一步优选为100～1000L的反应规模；进一步优选为200～1000L的反应规模；最优选为200～500L的反应规模。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

1、本发明通过一体化设计，将反应容器，超滤装置及喷干设备进行合理的设计，形成了一个较为智能的体系，降低了成本，成功实现纳米硒的大规模工业化生产，成为其他从实验室小规模到大规模生产提供了宝贵的经验。

2、本发明通过合理的设计实验，对比发现，麦芽糊精是一种非常好的喷干辅助剂，使得产品的回收率大大提高，成功地解决了纳米硒产率和回收率低的问题。

附图说明

图1为实施例1制备得到的纳米硒粒子的透射电镜(TEM)图；其中，图A为香菇多糖-纳米硒×97000的TEM图，图B为香菇多糖-纳米硒×370000的TEM图。

图2为实施例1所得香菇多糖-纳米硒溶液通过不同截留分子量滤膜所需要的时间图。

图3为实施例3～5加入不同喷干辅料后香菇多糖-纳米硒的回收率图。

图4为实施例5～7加入不同固液比的麦芽糊精后香菇多糖-纳米硒的回收率图。

图5为实施例5所得香菇多糖-纳米硒重悬于水后的稳定性图。

图6为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的粒径图。

图7为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的电位图。

图8为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的TEM图；其中，图a为放大37000倍的TEM图，图b为放大97000倍的TEM图，图c为放大18500倍的TEM图，图d为放大195000倍的TEM图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

实施例1

将100L浓度为10g/L的香菇多糖(陕西森弗天然制品有限公司，1kg/包，纯度50％，CAS号37339-90-5)水溶液和100L浓度为80mM的Vc水溶液混合，然后将混合溶液泵入500L发酵罐中，搅拌速度维持在90转/min；加水至450L，启动发酵罐，搅拌5min，继续将香菇多糖水溶液与Vc水溶液混匀。接着用低压水泵缓慢加入30L含700g的亚硒酸钠水溶液。封闭发酵罐，设置转数70转/min，在压力为0.1MPa，反应温度为50℃的条件下反应8h，得到香菇多糖修饰的纳米硒(简称：香菇多糖-纳米硒)水溶液。

图1为实施例1制备得到的纳米硒粒子的透射电镜图。通过图1可看到，香菇多糖修饰得到的纳米硒粒径大小为80～120nm，并且其稳定性及分散性都非常良好。

实施例2

待实施例1中反应完成后，通过发酵罐出料口将制备的香菇多糖-纳米硒水溶液导出，放置于干净的桶内。然后将香菇多糖-纳米硒溶液通过截留分子量分别为5KD、10KD和100KD的滤膜过滤，得到纯化后的香菇多糖-纳米硒溶液，在4℃下保存。

图2为实施例1所得香菇多糖-纳米硒水溶液通过不同截留分子量滤膜所需要的时间图。由图可知，流速最快的是100KD的滤膜，但是综合时间成本和滤膜的成本，10KD滤膜的综合效果最好。

实施例3

将实施例2中通过截留分子量为100KD的滤膜超滤后的香菇多糖-纳米硒水溶液(浓度是0.64g/L)500L，与50kg可溶性淀粉(分子量343，CAS号9005-84-9分析纯，天津市大茂化学试剂厂)混合，搅拌均匀后，然后通过筛网过滤，以免堵塞雾化器及管道，用喷雾干燥机进行回收，得到红色纳米硒粉末。

使用可溶性淀粉作为喷干辅料时，香菇多糖-纳米硒的回收率可以达到70％左右，但是将所得香菇多糖-纳米硒粉末重新悬于水中(10mg/mL)，结果发现其重悬性比较差，且需要加入沸水才能溶解，不利于工业生产。

实施例4

本实施例与实施例3的不同之处在于，所用喷干辅料为乳糖。具体为：将实施例2中通过截留分子量为100KD的滤膜超滤后的香菇多糖-纳米硒水溶液500L，与50kg乳糖混合，搅拌均匀后，然后通过筛网过滤，以免堵塞雾化器及管道，用喷雾干燥机进行喷干回收，得到红色纳米硒粉末。

使用乳糖作为喷干辅料时，香菇多糖-纳米硒的回收率不到40％，造成了资源的严重浪费。

实施例5

本实施例与实施例3的不同之处在于，所用喷干辅料为麦芽糊精。具体为：将实施例2中通过截留分子量为100KD的滤膜超滤后的香菇多糖-纳米硒水溶液500L，与50kg麦芽糊精混合(固液比1kg：10L)，搅拌均匀后，通过筛网过滤，以免堵塞雾化器及管道，用喷雾干燥机进行喷干回收，干燥温度为220℃，得到红色纳米硒粉末，重复三次实验。

使用麦芽糊精作为喷干辅料时，香菇多糖-纳米硒的回收率可以达到90％以上。

图3为实施例3～5加入不同喷干辅料后香菇多糖-纳米硒的回收率图。通过对比，可以发现，在三种常见的喷干辅料中，麦芽糊精的回收率是最高的，比乳糖的40％，提高了2.25倍。

实施例6

本实施例与实施例5的不同之处在于，麦芽糊精的加入量为25kg，具体如下：将实施例5中通过截留分子量为100KD的滤膜超滤后的香菇多糖-纳米硒水溶液500L，与25kg麦芽糊精混合(固液比1kg：20L)，搅拌均匀后，然后通过筛网过滤，以免堵塞雾化器及管道，用喷雾干燥机进行喷干回收，干燥温度为220℃，得到红色纳米硒粉末。

实施例7

本实施例与实施例5的不同之处在于，麦芽糊精的加入量为15kg，具体如下：将实施例5中通过截留分子量为100KD的滤膜超滤后的香菇多糖-纳米硒溶液500L，与15kg麦芽糊精混合(固液比1kg：30L)，搅拌均匀后，然后通过筛网过滤，以免堵塞雾化器及管道，用喷雾干燥机进行喷干回收，干燥温度为220℃，得到红色纳米硒粉末。

图4为实施例5～7加入不同固液比的麦芽糊精后香菇多糖-纳米硒的回收率图。当固液比为1kg：10L时，回收率为90％左右，当固液比为1kg：20L时，回收率为87％左右，当固液比为1kg：30L时，回收率为88％左右。三种固液比之间的差异并不大。

实施例8

通过透射电镜及马尔文粒度仪对所制备的香菇多糖-纳米硒的稳定性及形貌和粒径分布进行表征。

将实施例5所得香菇多糖-纳米硒重新悬于水中(10mg/mL)，检测其重悬性。图5为实施例5所得香菇多糖-纳米硒重悬于水后的稳定性图。由图可知，在64天中，香菇多糖-纳米硒粉末重悬性良好，且粒径变化不大，都在165nm左右。图6为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的粒径图。由图可知，喷干回收后所得香菇多糖-纳米硒比喷干回收前大了15nm左右，这有可能是由于香菇多糖-纳米硒表面修饰了部分麦芽糊精所致。图7为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的电位图。由图可知，喷干回收前后其电位差异不大，都是带负电的。图8为实施例5所得香菇多糖-纳米硒在喷干回收前和喷干回收后的TEM图。由图可知，喷干前后其形貌没有发生变化，仍然维持开始的球形。这也证明了喷干回收并不会使其结构破坏。因此，证明本发明大规模回收纳米的方法，成功地解决了多糖修饰的纳米硒回收率低的问题。

对比例1

在25毫升反应器中，用壳聚糖(国药集团化学试剂有限公司，生化试剂，批号20160525，100g/瓶)为修饰剂制备纳米硒。首先将0.05g壳聚糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，添加0.2mL 1％(v/v)的醋酸溶解，然后加水5mL，在90转/min的条件下搅拌5min。再加入浓度为23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数为70转/min，在0.1MPa、50℃的条件下反应8h，所得溶液呈透明的橙色溶液。最后将壳聚糖修饰的纳米硒水溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤，得到纯化后的壳聚糖修饰的纳米硒水溶液，外观呈现橙色，在4℃下保存。

将所得橙色溶液放置120小时后，出现大量灰红色絮状沉淀，且无法摇匀分散，壳聚糖纳米硒大量沉淀，稳定性差。因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

对比例2

在25毫升反应器中，用羧甲基壳聚糖(取代度大于80％，麦克林Mackin(生产))代替对比例1中的酸溶性的壳聚糖制备纳米硒。首先将0.05g羧甲基壳聚糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，然后加水5mL，在90转/min搅拌5min。再加入23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数70转/min，在0.1MPa，50℃下反应8h。最后将羧甲基壳聚糖修饰的纳米水硒溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤得到纯化后的羧甲基壳聚糖修饰的纳米水硒溶液，在4℃下保存。

实验结果表明，虽然羧甲基壳聚糖很容易溶解在水中，但在向羧甲基壳聚糖与亚硒酸钠混合溶液中滴加Vc水溶液时，纳米硒迅速聚沉，不能制得性质稳定的纳米硒。因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

对比例3

本实施例与对比例2的不同之处在于，用壳寡糖(分子量为3600，CAS号148411-57-8青岛博智汇力生物科技有限公司)代替壳聚糖为修饰剂制备纳米硒，具体步骤如下：在25毫升反应器中，先将0.05g壳寡糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，在90转/min搅拌5min；然后加入23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数70转/min，在0.1MPa，50℃下反应8h，反应结束后将壳寡糖修饰的纳米水硒溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤。所制得的壳寡糖纳米硒稳定性有所提高，但在透析的过程中依然容易聚沉。因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

对比例4

本实施例与对比例2的不同之处在于，用云芝多糖(分子量1.3×10⁶以上，1kg/袋，10％～50％纯度，山西玉宁生物科技有限公司)为修饰剂制备纳米硒，具体步骤如下：在25毫升反应器中，先将0.05g云芝多糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，在90转/min搅拌5min。最后加入23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数70转/min，在0.1MPa，50℃下反应8h，反应结束后将云芝多糖水溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤。所得到的云芝多糖纳米硒水溶液依然容易聚沉，因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

对比例5

本实施例与对比例2的不同之处在于，用茶树菇多糖(1kg/袋，98％含量西安青芷生物技术有限公司)为修饰剂制备纳米硒，具体步骤如下：在25毫升反应器中，先将0.05g茶树菇多糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，在90转/min搅拌5min，然后加入23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数70转/min，在0.1MPa，50℃下反应8h，反应结束后将茶树菇多糖水溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤。所得茶树菇多糖纳米硒水溶液依然容易聚沉，因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

对比例6

本实施例与对比例2的不同之处在于，用黑木耳多糖(30％，大于80目，1kg/袋，陕西慈缘生物技术有限公司)为修饰剂制备纳米硒，具体步骤如下：在25毫升反应器中，先将0.05g的黑木耳多糖与5mL浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，在90转/min搅拌5min，然后加入23.3g/L的亚硒酸钠水溶液5mL，设置转数70转/min，在0.1MPa，50℃下反应8h，反应结束后将黑木耳多糖水溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤。所得黑木耳多糖纳米硒水溶液依然容易聚沉，因此，无法进行后续纳米硒大量合成。

通过对比可以发现，壳寡糖和云芝多糖修饰的纳米硒，在反应的过程中就会产生沉淀，而茶树菇多糖和黑木耳多糖在纳米硒透析纯化的过程中也会发生聚沉的现象，说明这四种多糖都不适合工业化生产纳米硒。

对比例7

在10升反应器中，用壳聚糖为修饰剂制备纳米硒。首先将20g壳聚糖(国药集团化学试剂有限公司，生化试剂，批号20160525，100g/瓶)与2L浓度为80mM的Vc水溶液混合均匀，再用1％(v/v)的醋酸水溶液溶解壳聚糖，然后加水2L，在90转/min搅拌5min。再加入浓度为23.3g/L的亚硒酸钠水溶液2L，设置转数70转/min，在0.1MPa、50℃下反应8h。然后将壳聚糖修饰的纳米硒水溶液通过滤膜(截留分子量：10KD)过滤得到纯化后的壳聚糖修饰的纳米硒水溶液，在4℃下保存。

在溶解壳聚糖的过程中，发现壳聚糖大量聚集，无法溶解。即使提高醋酸水溶液浓度为5％(v/v)、10％(v/v)，壳聚糖的溶解度略有提高但依然无法全部溶解，致使无法进行后续纳米硒的制备。并且使用高浓度的醋酸不仅会造成反应器的腐蚀，还会带来环境污染问题。在加入亚硒酸钠水溶液后，发现制备的纳米硒大量沉淀，稳定性差。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米硒的回收方法，其特征在于包括以下步骤：将纳米硒水溶液与喷干辅料混合，然后进行喷雾干燥处理，得到纳米硒粉末；

所述的喷干辅料为麦芽糊精；

所述的纳米硒水溶液中纳米硒的浓度为0.26～1.28 g/L；

所述的喷干辅料的用量按其与纳米硒水溶液=固液比为1 kg：10～30 L配比；

所述的纳米硒为多糖修饰纳米硒；

所述的多糖为香菇多糖。

2.根据权利要求1所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：所述的喷雾干燥处理的干燥温度为180～250℃。

3.根据权利要求1所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：所述的纳米硒水溶液为通过以下步骤制备得到：

（1）将多糖水溶液与还原剂水溶液混合搅拌得到混合溶液1；

（2）向步骤（1）所得混合溶液1中加入水，继续搅拌得到混合溶液2；

（3）向步骤（2）所得混合溶液2中加入亚硒酸钠水溶液，搅拌均匀，形成反应体系，反应后得到多糖修饰纳米硒水溶液；

（4）将步骤（3）所得多糖修饰纳米硒水溶液纯化，得到纯化后的多糖修饰的纳米硒水溶液。

4.根据权利要求3所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：

步骤（1）所述的还原剂为维生素C；

步骤（3）所述反应体系中多糖、还原剂和亚硒酸钠的质量比为（0.1～5）：1：（0.1～1）。

5.根据权利要求3所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：

步骤（1）所述的多糖水溶液中多糖的浓度为5～10 g/L；

步骤（1）所述的还原剂水溶液中还原剂的浓度为50～80 mM；

步骤（2）所述水的用量按每100～200 g多糖配比50～100 L水计算；

步骤（3）所述的亚硒酸钠水溶液中亚硒酸钠的浓度为2～4 g/L。

6.根据权利要求3所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：

步骤（1）所述搅拌的条件为：以50～120转/分钟的转速搅拌15～60分钟；

步骤（2）所述搅拌的条件为：以40～80转/分钟的转速搅拌5～20分钟；

步骤（3）所述的搅拌条件为：以50～100转/分钟的转速搅拌2～5分钟。

7.根据权利要求3所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：

步骤（3）中所述的反应体系的体积为50 L以上；

步骤（3）所述的反应条件为：压力为0.1～1 MPa，反应温度为15～70℃，反应时间为4～12 h；

步骤（4）所述的纯化的方式为通过使用滤膜对步骤（3）所得的多糖修饰纳米硒水溶液超滤。

8.根据权利要求7所述的纳米硒的回收方法，其特征在于：

所述的反应体系的体积为50～1000 L；

所述的反应条件为：压力为0.1 MPa，反应温度为50℃，反应时间为8 h；

所述的滤膜的规格为截留分子量是1～200 KD的滤膜。

9.权利要求1～8任一项所述的纳米硒的回收方法在回收大规模制备得到的多糖修饰纳米硒中的应用。

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