CN110200821A - 一种基于石墨烯量子点的l-薄荷醇缓释材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于石墨烯量子点的l-薄荷醇缓释材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯量子点的L‑薄荷醇缓释材料及其制备方法，属于缓释材料领域。本发明利用功能化石墨烯量子点为颗粒乳化剂，分散在薄荷醇/水界面，形成Pickering乳液；其中L‑薄荷醇被微小的石墨片覆盖，冷却结晶后得到的缓释材料负载的L‑薄荷醇具有良好的缓释性能。本发明方法工艺简单，能够有效高负载L‑薄荷醇，并能够实现有效缓释；成本低、可实现工业化生产，所得L‑薄荷醇缓释材料可用于食品、烟草、日化和医药领域。

Description

一种基于石墨烯量子点的L-薄荷醇缓释材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯量子点的L-薄荷醇缓释材料及其制备方法，属于缓释材料领域。
背景技术
L-薄荷醇(左旋薄荷醇)是天然薄荷油的主要成分，可从天然薄荷油中提取得到。L-薄荷醇为无色柱状或针状结晶，易挥发而不持久，暴露在空气中易升华。由于具有很强的清凉效果，L-薄荷醇被广泛用作食品添加剂、烟草矫味剂、日化加香剂及医药等领域。在应用中，L-薄荷醇往往是作为添加剂直接溶解或机械混合于基质中使用，如牙膏、口香糖、药物等。但是由于L-薄荷醇的高挥发性，在使用过程中释放速度过快、耐久性差，需要开发新型制备工艺来提高其使用性能。将薄荷醇微胶囊化是解决这个问题的途径之一。微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆使形成半透性或封闭性的微小粒子的技术，广泛应用于烟草、食品、制药和化妆品等许多领域。彭荣淮等(彭荣淮，徐华军，雍国平，等.相分离-凝聚法制备薄荷醇微胶囊试验.烟草科技，2003，(08)：27-28+41.)以明胶和阿拉伯胶为囊材，采用相分离-凝聚法制备了薄荷醇微胶囊。朱丽云等(朱丽云，李素芳，邵慧娟.复凝聚喷雾干燥法制备香精香料微胶囊的研究.食品科技，2006，1(4)：25-27+33.)以壳聚糖和阿拉伯胶为囊材，采用复凝聚相喷雾干燥法制备了薄荷醇微胶囊。但这些方法的工业化生产操作繁琐，而且制备的微胶囊粒径较大，生物利用度较低。因此，开发出一种新型、高效的微胶囊化薄荷醇剂，实现L-薄荷醇的有效负载和控制释放是有迫切需求的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明利用特定的两亲性石墨烯量子点与L-薄荷醇可形成稳定的Pickering乳液，其中两亲性石墨烯量子点分散在薄荷醇/水界面，L-薄荷醇被微小的石墨片覆盖，实现L-薄荷醇的高效负载，所得负载的L-薄荷醇的材料具有良好的缓释性能。
Pickering乳液是指由固体颗粒代替传统乳化剂制备的乳液，通过固体颗粒吸附在不相溶的两相界面而形成稳定的分散体系。许多纳米材料被开发并用于制备Pickering乳液，如SiO2纳米粒子，TiO2纳米粒子和Fe3O4纳米粒子。然而，这些无机纳米粒子缺乏理想的表面活性，具有高表面活性的两亲性固体粒子的制备日益受到重视。石墨烯量子点(GQDs)是一种具有石墨烯结构的量子点材料，其横向尺寸小于100nm、厚度低于10层，具有显著的量子局限效应和独特的光电性能。近年来，GQDs凭借其低毒环保、生物相容性好、光致发光稳定、荧光量子产率高等优点，被广泛应用于光电传感器、生物成像、光电催化等不同的领域。将GQDs的边缘基团看作是亲水基，而其内部平面看作为疏水基，纳米级的GQDs具有比微米级的氧化石墨烯更大的表面体积比和更高的界面活性。通过控制两亲性GQDs边缘亲水基团与疏水基团的种类和数目，开发出一种高效的两亲性GQDs表面活性剂，并将其应用于L-薄荷醇的有效负载和控制释放，具有广阔的应用前景。
本发明采用柠檬酸为碳源，以长链烷基伯胺为功能化试剂，设计并合成了具有两亲性的长链烷基胺功能化石墨烯量子点(AA-GQD)。以AA-GQD作为固体颗粒表面活性剂制备薄荷醇/水Pickering乳液，其中AA-GQD固体颗粒分散在薄荷醇/水界面，L-薄荷醇被微小的石墨片覆盖，冷却结晶后得到的缓释材料负载的薄荷醇，具有良好的缓释性能；同时形成的Pickering乳液的粒径较小，材料具有非常好的分散性能。
本发明的第一个目的是提供一种L-薄荷醇缓释材料的制备方法，所述方法包括：
(1)两亲性石墨烯量子点的制备：碳源与功能化试剂混合，水热反应得到功能化石墨烯量子点；所述功能化试剂为烷基伯胺，其中烷基中碳数量为8～20，烷基为直链烷基或者支链烷基；
(2)将步骤(1)所得功能化石墨烯量子点分散于水相中，加入热熔的L-薄荷醇，混合形成乳液，冷却干燥；其中水相中功能化石墨烯量子点的质量浓度不低于0.5％；L-薄荷醇的体积浓度不低于0.1％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中碳源与功能化试剂的摩尔比为10:1～20:1。
在本发明的一种实施方式中，所述碳源为柠檬酸。
在本发明的一种实施方式中，所述功能化试剂优选1-烷基伯胺，其中烷基中碳数量为8～20，烷基为直链烷基或者支链烷基。
在本发明的一种实施方式中，所述功能化试剂进一步优选十二胺。
在本发明的一种实施方式中，所述水热反应的热裂解温度为120～250℃。
在本发明的一种实施方式中，所述水热反应的热裂解时间为1～10h。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)还包括加入氨水进行水热。
在本发明的一种实施方式中，所述氨水的浓度为0.01～1.0mol·L-1。
在本发明的一种实施方式中，所述水相中功能化石墨烯量子点的质量浓度为0.5～5.0wt％。
在本发明的一种实施方式中，所述热熔的L-薄荷醇相对水相的体积分数为0.1～3.0％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)还包括混合后进行均质，形成乳液。
在本发明的一种实施方式中，所述均质是8000-12000rpm条件下均质1～3min。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括如下步骤：
(1)以柠檬酸为碳源，1-烷基伯胺为功能化试剂，通过在氨水中一步水热法制备长链烷基胺功能化石墨烯量子点(AA-GQD)；
(2)将步骤(1)所得的AA-GQD溶解在去离子水中配成一定浓度的水溶液，再加入预先热熔的L-薄荷醇，以10000rpm均质一定时间，制备Pickering乳液；
(3)将步骤(2)所得的Pickering乳液置于冰箱中冷藏，抽滤，干燥，得到负载L-薄荷醇的AA-GQD，即为L-薄荷醇缓释材料。
在本发明的一种实施方式中，所述AA-GQD优选十二胺功能化石墨烯量子点(DA-GQD)。
本发明的第二个目的是利用上述方法提供一种L-薄荷醇缓释材料。
本发明的第三个目的是提供一种食品添加剂，所述食品添加剂为上述的L-薄荷醇缓释材料。
本发明的第四个目的是提供一种烟草矫味剂，所述烟草矫味剂为上述的L-薄荷醇缓释材料。
本发明的第五个目的是提供一种日化加香剂，所述日化加香剂为上述的L-薄荷醇缓释材料。
本发明的第六个目的是将上述L-薄荷醇缓释材料应用于医药领域中。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明方法原料易得，工业简单：本发明首先以廉价易得的柠檬酸为碳源，“自下而上”一步法合成具有两亲性的长链烷基胺功能化石墨烯量子点(AA-GQD)，其表面活性远高于文献报道的氧化石墨、石墨烯和氧化亚铜等固体颗粒乳化剂，较高的表面活性可以大大提高Pickering乳液的稳定性。然后以AA-GQD作为固体颗粒表面活性剂制备薄荷醇/水Pickering乳液，AA-GQD固体颗粒分散在薄荷醇/水界面，L-薄荷醇被微小的石墨片覆盖，从而使冷却结晶后得到的缓释材料负载的薄荷醇具有良好的缓释性能。制备方法简单高效、成本低，可实现工业化生产。
(2)本发明方法所得负载L-薄荷醇的石墨烯量子点缓释材料产品分散性良好：采用透射电子显微镜和超景深三维显微镜对所制备的负载L-薄荷醇的石墨烯量子点缓释材料进行形貌分析，从得到的透射电镜照片和光学显微镜照片可知：制备的AA-GQD颗粒比较均匀、分散性良好、团聚现象较少，基本上为椭球形纳米颗粒，粒径主要分布在1～15nm；制备的Pickering乳液的液滴约为5～30μm，具有规则统一的球形形貌；继而制得了负载L-薄荷醇的石墨烯量子点缓释材料，样品分布比较均匀，基本上为规则的球形颗粒形貌，粒径分布在5～30μm。
(3)本发明方法所得负载L-薄荷醇的石墨烯量子点缓释材料产品负载率较高，缓释性能优良：本发明方法所得缓释材料的薄荷醇的负载率为24.7％～34.8％。在高温(80℃)吹扫下，相同质量的负载型样品完全释放薄荷醇所需要的时间高达空白样品(L-薄荷醇)的4～10倍，显著长于空白样品。以上实验结果说明，AA-GQD对于负载的薄荷醇释放具有显著的抑制作用，制备的负载L-薄荷醇的石墨烯量子点样品具有良好的缓释性能。
附图说明
图1(A)是十二胺功能化石墨烯量子点(DA-GQD)的透射电镜图；(B)是DA-GQD的粒径分布图。
图2(A)是DA-GQD稳定的Pickering乳液光学显微镜照片；(B)和(C)分别是负载L-薄荷醇的DA-GQD样品在5μm、10μm下的透射电镜图。
图3是L-薄荷醇(a)，DA-GQD混合型样品(b)和DA-GQD负载型样品(c)在80℃空气吹扫下的薄荷醇释放曲线。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
L-薄荷醇缓释材料中L-薄荷醇的负载率的测定方法：
称取负载L-薄荷醇的石墨烯样品质量(W1)，用石油醚淋洗，抽滤，室温晾干后称其质量(W2)，通过下式(1)计算L-薄荷醇的负载率：
热稳定性测试：
使用热分析系统对负载l-薄荷醇的石墨烯样品进行热重(DSC)分析：加热温度范围为-10～100℃，以N2为气流，升温速率为10℃/min。
L-薄荷醇缓释材料中L-薄荷醇的释放率的测定方法：
分别取相同质量的L-薄荷醇(空白样品)、DA-GQD负载样品和DA-GQD混合样品置于80℃的烘箱中，鼓风模式，每隔一段时间用精密电子天平称量样品的质量，记录样品的质量变化；通过下式(2)计算L-薄荷醇的释放率：
实施例1
(1)两亲性的长链烷基胺功能化石墨烯量子点的制备：
将0.96g柠檬酸(5.0mmol)，0.060g 1-十二胺(0.3mmol)和氨水(0.04mL)溶于超纯水(10mL)中，将混合溶液转移至20mL高压反应釜，放入烘箱中，于180℃下热裂解3h，冷却至室温。用0.5mol·L-1NaOH调节至pH 7，用水配制成0.06mg·L-1溶液，经0.22μm滤膜过滤后，在截留分子量3kDa的透析袋中透析24h，得量子点储备液，冷冻干燥后得到DA-GQD固体。
(2)利用Pickering乳液法制备L-薄荷醇缓释材料：
将1.0g DA-GQD分散于100mL水中(1％水溶液)，置于离心管中，加入预先热熔的L-薄荷醇0.5mL，以10000rpm均质2min后得到Pickering乳液；将制备的Pickering乳液置于冰箱中冷藏过夜，抽滤，得到负载L-薄荷醇的DA-GQD(样品标记为DA-GQD负载样品)，L-薄荷醇的负载率为24.7％。
图1显示了DA-GQD的透射电镜图和粒径分布图。从图1可以看出，制备的DA-GQD颗粒比较均匀、分散性好、团聚现象较少，基本上为椭球形纳米颗粒，粒径主要分布在1～7nm，平均粒径约为3.5nm。
图2(A)显示了制备的Pickering乳液的光学显微镜照片，从图中可以看出，Pickering乳液的液滴约为10μm，具有规则统一的球形形貌。由于DA-GQD具有较高的亲水性，因此倾向于稳定的水包油型乳液。DA-GQD固体颗粒分散在薄荷醇/水界面，这是因为液-液界面的一部分被液-颗粒界面代替时，总界面能降低，薄荷醇被微小的石墨片覆盖，位于液滴的中心。由于L-薄荷醇的熔点较低(44℃)，在温度较低时易形成结晶。将制备得到的水包油型Pickering乳液放置于4℃冰箱冷藏，负载L-薄荷醇的DA-GQD样品便结晶析出。图2(B)和(C)显示了DA-GQD负载样品的透射电镜照片，可以看出Pickering乳液制备法得到的负载样品分布比较均匀，基本上为规则的球形颗粒形貌，粒径分布在10μm左右。具有两亲结构的DA-GQD在薄荷醇/水界面上发生吸附，并通过自组装在液滴的表面紧密排布，从而在乳液液滴的外侧产生一层壳状结构的紧密薄膜。
对比例1
机械混合法制备L-薄荷醇缓释材料：
参照实施例1中的方法制备得到两亲性的长链烷基胺功能化石墨烯量子点(DA-GQD固体)；
按照实施例1中Pickering乳液制备方法相同的芯壁比，在1.0g DA-GQD固体中加入L-薄荷醇0.445g(0.5mL)，混合后在玛瑙研钵中研磨10min，所得的样品标记为DA-GQD混合样品。
对实施例1与对比例1所得材料的L-薄荷醇释放性能进行测试：
使用热分析系统对负载L-薄荷醇的石墨烯样品进行热重(DSC)分析。加热温度范围为-10～100℃，以N2为气流，升温速率为10℃/min。分别取相同质量的L-薄荷醇(空白样品)、DA-GQD负载样品和DA-GQD混合样品置于80℃的烘箱中，鼓风模式，每隔一段时间用精密电子天平称量样品的质量，记录样品的质量变化，并做出质量随时间的变化曲线，结果如图3所示。
从图3可以看出，空白样品和DA-GQD混合型样品在释放初期显示出类似的释放行为，随着时间的推移，L-薄荷醇的释放速率都急剧上升；2.5h后，空白样品即达到完全释放，而此时混合型样品的释放率达91.4％；随后，混合型样品在5h后达到完全释放。
而DA-GQD负载样品与前两者的差别在释放初期(0.5h之内)就明显体现出来，其释放率在2.5h时仅为12.5％，5h之后为23.5％，远远低于空白样品与混合型样品；随着时间的延长，负载型样品逐渐释放薄荷醇，经过23h的高温空气吹扫，负载型样品的薄荷醇完全释放。可见，在高温(80℃)吹扫下，相同质量的负载型样品完全释放薄荷醇所需要的时间显著长于空白样品与混合型样品，分别是其9.2倍与4.6倍。
以上实验结果说明，在高温条件下，未经过处理的薄荷醇相比于负载在DA-GQD上的薄荷醇更容易挥发，DA-GQD不仅能够有效地负载薄荷醇，而且能够抑制薄荷醇的过快释放，但是机械混合法得到的负载效果较差，通过Pickering乳液的制备，DA-GQD固体颗粒分散在薄荷醇/水界面，薄荷醇被微小的石墨片覆盖，从而使冷却结晶后得到的样品负载的薄荷醇具有良好的缓慢释放行为。
实施例2不同功能化石墨烯量子点对所得缓释材料的影响
参考实施例1，将十二胺分别替换为表1所示的功能化试剂，其他条件不变，制备得到L-薄荷醇缓释材料。
表1不同功能化石墨烯量子点对所得缓释材料的结果
实施例3水相中不同质量浓度石墨烯量子点对缓释材料的影响
参考实施例1，将十二胺量子点的用量分别替换为表2所示的用量，其他条件不变，制备得到L-薄荷醇缓释材料。
表2不同功能化石墨烯量子点对所得缓释材料的结果
实施例4水相中不同L-薄荷醇添加量对缓释材料的影响
参考实施例1，将L-薄荷醇添加量分别替换为表3所示的用量，其他条件不变，制备得到L-薄荷醇缓释材料。
表3不同功能化石墨烯量子点对所得缓释材料的结果

Claims (10)

1.一种L-薄荷醇缓释材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)两亲性石墨烯量子点的制备：碳源与功能化试剂混合，水热反应得到功能化石墨烯量子点；所述功能化试剂为烷基伯胺，其中烷基中碳数量为8～20，烷基为直链烷基或者支链烷基；
(2)将步骤(1)所得功能化石墨烯量子点分散于水相中，加入热熔的L-薄荷醇，混合形成乳液，冷却干燥；其中水相中功能化石墨烯量子点的质量浓度不低于0.5％；L-薄荷醇的体积浓度不低于0.1％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳源与功能化试剂的摩尔比为10:1～20:1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功能化试剂为1-烷基伯胺，其中烷基中碳数量为8～20，烷基为直链烷基或者支链烷基。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中水热反应还包括加入氨水进行水热。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述水相中功能化石墨烯量子点的质量浓度为0.5～5.0wt％。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述热熔的L-薄荷醇相对水相的体积分数为0.1～3.0％。
7.权利要求1-6任一所述方法制备的L-薄荷醇缓释材料。
8.权利要求7所述的L-薄荷醇缓释材料在食品添加剂中的应用。
9.权利要求7所述的L-薄荷醇缓释材料在烟草矫味剂或者日化加香剂中的应用。
10.权利要求7所述的L-薄荷醇缓释材料在医药领域中的应用。
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