CN111903961A - 基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，属于激光技术在保健品和食品产业的应用技术领域，该制备方法包括以下步骤：非水溶性混合液的制备：将待破壁的孢子放入纯水中，搅拌，以混合均匀，得到非水溶性混合液，非水溶性混合液置于透明容器中；非水溶性混合液的搅拌：通过搅拌装置对非水溶性混合液进行高速搅拌；激光照射：利用激光，聚焦并辐照高速旋转时的非水溶性混合液，以使孢子进行破壁得到破壁孢子水剂。本发明利用激光破壁几丁质的灵芝孢子壁，可以维持较高的灵芝孢子破壁率，且解决了已破壁灵芝孢子易被氧化的难题。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术在保健品和食品产业的应用技术领域，更具体地说，它涉及一种基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法。
背景技术
灵芝孢子是灵芝在生长成熟期从灵芝菌褶中弹射出来的极其微小的卵形生殖细胞，是灵芝的精华。灵芝孢子粉在自然条件下非常难以收集，1吨灵芝大约能收集50-100千克孢子，比较稀少珍贵。每个灵芝孢子只有4-6微米，是活体生物体，具有双壁结构，外被坚硬的几丁质(几丁聚糖)纤维素所包围。孢子壁结构非常稳定，不溶于水和酸，具有极好的保护作用。孢子原生质包裹在双层孢壁内面，活性多糖多数都附着在孢壁的内侧，所以，不破壁的孢子粉极少能被人体吸收利用，如果直接服用人体吸收率仅有10-15％，营养成分根本不会得到充分利用。而灵芝孢子粉在破壁后，人体对其吸收率会大幅度增强。因此，为了提高灵芝孢子的营养吸收利用率，通常需要对孢子壁进行破壁处理。破壁后的灵芝孢子富含灵芝多糖、灵芝三萜、天然有机锗、蛋白质、氨基酸、腺嘌呤核苷和微量元素硒，其在扶正固本、增强免疫力等方面远远超过灵芝子实体。因此，破壁孢子粉比非破壁孢子粉具有更强的药用和保健价值，特别在恶性肿瘤治疗中可以用来减少癌细胞的活性，具有十分广阔的应用前景。
一般，不破壁灵芝孢子粉的保质期可长达几年甚至更长时间；但是破壁的灵芝孢子由于起到保护作用的孢子壁遭到破坏，孢子内的有效成分尤其是多种不饱和脂肪酸(孢子油)会直接暴露在空气中很容易被氧化变质，这样就会使灵芝孢子的功效大幅度降低。使用现有的绝大部分技术，破壁后的孢子一般都无法避免地要与空气接触，这不仅会造成孢子内的有效成分被氧化变质，也非常不易保存。从人体对孢子成分的有效吸收来说，破壁后的孢子必须在无菌、绝氧条件下保存，否则容易造成有效成分的挥发、氧化变质和结块而导致失效。灵芝孢子的有效物质一旦被氧化变质，就会失去相当部分的医疗保健效果。
迄今为止，灵芝孢子破壁方法主要分为以下几种：
一、机械振动磨破壁技术
该技术存在两个问题：一是长时间的破壁加工会造成多数孢子粉颗粒过细。但过细的颗粒并不能更好地吸收，因为孢子粉细胞壁是几丁质，无论研磨成多细的颗粒，人体都无法吸收利用；此外，过细的颗粒会有更大的比表面积，而过大的表面积则会吸附更多的营养成分，降低人体对有效成分的吸收。二是过长时间的研磨，通过高速震动金属棒、筒壁与孢子之间的碰撞和剪切会带入很多金属碎屑形成二次污染，使得灵芝孢子粉产品中铬(Ni)、镍(Cr)、锰(Mn)等重金属含量超标，长期服用会造成结石和癌变。同时由于高速摩擦，导致孢子粉破壁过程中温度很高(经常在250℃以上)，生产出的孢子粉在破壁过程中就会出现焦化和氧化现象、使灵芝孢子原有的有效营养成分大部分破坏和流失而降低或丧失医疗保健效果。另外，壁壳和孢子内容物混在一起，降低了有效使用率，壁壳占总重量常常达到70％左右。
二、高压气流法破壁技术
高压气流破壁技术不引入高温或强酸强碱的外加条件或因素，对灵芝孢子中的营养成分破坏较少。但其设备的一次性投资较大且容易损坏，难以用于大规模的生产，并且灵芝孢子的利用率较差，这主要是由于孢子粉的外壁有弹性，气流对撞的结果只能使外壁变形或向内塌陷，破壁的效果不甚理想，此方法并不适合于灵芝孢子粉的破壁。
三、超音速气流破壁技术
超音速气流破壁技术的主要缺点是在破壁作业时使用相对高速的气流，可以将药物的挥发份带走，从而造成灵芝孢子粉的药效损失。另外，这种技术的一次性投资过大且设备复杂，生产成本过高，难以用于大规模的生产。
四、超低温气流破壁技术
超低温气流破壁技术的工艺十分复杂，需要在零下50-60℃的超低温条件下进行加工，各种处理过程的参数要求较为苛刻，同时需要多种设备，破壁后的灵芝孢子极易混入杂质。
五、生物破壁技术(发酵法)
生物破壁技术在样品的制备过程中需要经过长时间发酵，速度较慢，而且发酵结束后必须经过固液分离,干燥，才能得破壁后的灵芝孢子粉，工艺较为复杂，容易引入其它杂质，破坏灵芝孢子的营养成分。另外，最终产品也不宜长时间保存和长途运输。
此外，还有高速剪切超细破壁技术、化学法破壁技术和低温冷冻破壁技术、水冷防氧化超微破壁技术等另外几种方法，但由于它们均具有重金属污染、设备昂贵、能耗大、生产成本太高等诸多固有缺点。
以上现有的灵芝孢子破壁技术或存在破壁后裸露于空气中的孢子被氧化现象；或存在孢子粉在破壁过程中由于温度过高出现的焦化现象；或存在重金属碎屑所造成的二次污染；或存在因破壁率较低使灵芝孢子利用率变差的现象；或存在相对高速气流将药物的挥发份带走造成灵芝孢子粉的药效损失等不足；或存在制备过程中需要长时间的发酵、速度较慢等不足；或存在工艺十分复杂、各种处理过程的参数要求较为苛刻、破壁的灵芝孢子中极易混入杂质等不足；或存在一次性投资过大且设备复杂昂贵、能耗大、生产成本太高等固有缺点。
有鉴于此，本发明提供一种基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，通过新型的、相对简单的技术以同时实现灵芝孢子的无氧化破壁和水剂制备。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法。主要特点在于，利用激光破碎几丁质的灵芝孢子壁，既能回避上述既有技术的大部分缺点、同时又能维持较高的灵芝孢子破壁率，而且还解决了长期以来一直困扰业界的已破壁灵芝孢子易被氧化的难题，以同时实现灵芝孢子的无氧化破壁和水剂制备。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、非水溶性混合液的制备：将待破壁的孢子以每毫升水10-50毫克孢子的比例放入纯水中，搅拌，以混合均匀，得到非水溶性混合液，所述非水溶性混合液置于透明容器中；
S2、非水溶性混合液的搅拌：对所述非水溶性混合液进行高速搅拌；
S3、激光照射：利用激光，聚焦并辐照高速旋转时的所述非水溶性混合液，以使孢子进行破壁和粉碎。
进一步优选为：所述孢子为灵芝孢子。
进一步优选为：通过搅拌装置对所述非水溶性混合液进行高速搅拌。
进一步优选为：在步骤S3中，所述激光为使用纳秒或皮秒脉冲输出的激光。
进一步优选为：纳秒激光的脉冲半高宽为1-400纳秒，皮秒脉冲激光的脉冲半高宽为1-999皮秒。
进一步优选为：所述激光为基频或二倍频或三倍频的脉冲固体激光，或光纤激光，或波长处于紫外-可见-近红外波段的脉冲激光，或准分子脉冲激光。
进一步优选为：在步骤S2中，所述搅拌装置包括搅拌棒，所述搅拌棒搅拌速度为300-2800转/分。
进一步优选为：孢子水剂制备过程中，所述非水溶性混合液的温度不能超过95℃。
进一步优选为：在步骤S3中，激光辐照时间为10-50min。
进一步优选为：所述搅拌装置还包括支撑平台和驱动装置，装有所述非水溶性混合液的所述透明容器置于所述支撑平台上，所述搅拌棒位于所述透明容器内底部，所述驱动装置位于所述支撑平台内且用于带动所述搅拌棒在所述透明容器内高速旋转；
所述搅拌棒包括搅拌棒本体和外部包裹的无毒保护层，所述搅拌棒本体采用磁性材料制成；
所述驱动装置包括电机、转动轴、圆盘和磁铁石，所述转动轴一端与所述电机输出轴连接，另一端与所述圆盘底部中心固定，所述磁铁石固定在所述圆盘顶部，所述磁铁石设置有两个，两个所述磁铁石固定在所述圆盘中部的两侧。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.由于所有破壁过程都在水溶液中进行，加工过程中温度保持在95℃以下，孢子在破壁过程中不会出现被氧化现象和因温度过高而出现的焦化现象；同时，也几乎不存在孢子粉的流失，回避了现有方法中普遍存在的因破壁率较低使灵芝孢子利用率变差的现象；
2.灵芝孢子破壁和水剂制作是在时间上交联的、既有所不同而又紧密相关的两个过程，由单一技术同时完成灵芝孢子破壁和水剂制作两个目的。另外，脉冲激光的辐照可以对样品有一定的消毒作用，可相对简易而高效率地生产破壁后的稳定性较高的灵芝孢子水剂；
3.没有任何重金属碎屑和其他杂质所造成的污染；
4.制备过程中不需要长时间的发酵等化学过程；
5.没有诸如超高速气流和超低温气流将药物的挥发成分带走造成灵芝孢子粉有效成分的损失等现象，也回避了已破壁的灵芝孢子中极易混入杂质等不足，技术环节独特简洁，工艺步骤相对较少；
6.设备相对低廉、一次性投资较小、生产成本较低、能耗较小。
附图说明
图1是实施例的流程框图，主要用于说明孢子水剂的制备方法；
图2是实施例的结构示意图，主要用于说明搅拌装置的结构；
图3是实施例的剖视示意图，主要用于说明搅拌装置的具体结构；
图4主要用于说明破壁过程(Break-down)和聚合过程(Build-up)；
图5是Nd:YAG脉冲激光照射灵芝孢子溶液前的光学显微镜照片；
图6是Nd:YAG脉冲激光照射灵芝孢子溶液后的光学显微镜照片。
图中，11、支撑平台；111、壳体；112、支撑板；12、搅拌棒；121、搅拌棒本体；122、无毒保护层；131、电机；132、转动轴；133、圆盘；134、磁铁石；2、透明容器；3、非水溶性混合液；31、纯水；32、灵芝孢子。
图2中的箭头表示激光光束方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
实施例：基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，如图1-4所示，包括以下步骤：
S1、非水溶性混合液3的制备
将待破壁的灵芝孢子32以每毫升水10-50毫克孢子的比例放入纯水31中，搅拌，以使待破壁的灵芝孢子32均匀混合在纯水31中，得到非水溶性混合液3，非水溶性混合液3置于透明容器2中。优选的，在本实施例中，待破壁的灵芝孢子32以每毫升水20毫克孢子的比例放入纯水31中。
非水溶性混合液3需要进行激光辐照，因此非水溶性混合液3通过透明容器2盛放，以便激光光束穿过透明容器2从而对非水溶性混合液3辐照，且便于透过透明容器2对沉淀现象进行人眼观察。
S2、非水溶性混合液3的搅拌
通过搅拌装置对非水溶性混合液3进行高速搅拌。
参照图2-3，搅拌装置包括搅拌棒12、支撑平台11和驱动装置。装有非水溶性混合液3的透明容器2置于支撑平台11上，支撑平台11包括壳体111和支撑板112，所述支撑板112固定在所述壳体111内且用于将壳体111分成上下两个独立腔室。透明容器2放置在壳体111顶部。搅拌棒12位于透明容器2内底部，搅拌棒12的重量应足以克服非水溶性混合液3的浮力，以使搅拌棒12沉在透明容器2内底部。搅拌棒12包括搅拌棒本体121和外部包裹的无毒保护层122，搅拌棒本体121采用磁性材料制成。
参照图2-3，驱动装置位于支撑平台11内且用于带动搅拌棒12在透明容器2内高速旋转。驱动装置包括电机131、转动轴132、圆盘133和磁铁石134。电机131安装在支撑板112下方，转动轴132下端穿过支撑板112后与电机131输出轴连接，上端与圆盘133底部中心固定。磁铁石134固定在圆盘133顶部，磁铁石134设置有两个，两个磁铁石134固定在圆盘133中部的相对两侧。
在上述技术方案中，搅拌时，将搅拌棒12放入透明容器2，在自身重力下，搅拌棒12将自动落入透明容器2底部，且在磁铁石134吸引下，搅拌棒12位置将自动发生变化，以使磁铁石134与搅拌棒12配合软连接。电机131启动时，转动轴132将带动圆盘133在透明容器2下方转动，由于磁铁石134固定在圆盘133顶部，磁铁石134设置有两个，两个磁铁石134固定在圆盘133中部的相对两侧，因此圆盘133转动时，搅拌棒12将以圆盘133中心为圆心进行转动，以实现非水溶性混合液3的高速搅拌。
本搅拌装置具有以下特点：
1.只要能放入搅拌棒12的容器都能放置在支撑平台11上使用，适用范围广，基本不受容器和待搅拌物料的类型、形状等影响；
2.采用磁性软连接的方式进行搅拌，相对于机械联接方式，噪音更小，且不易损坏。
3.不需要对放置在支撑平台11上使用的容器进行特殊处理，也不需要在容器上安装其他部件，使用简单方便。
优选的，透明容器2可以为圆柱形、方柱形、多边柱形或其他柱形。
优选的，透明容器2采用非磁材料制成，如玻璃等，以免影响搅拌棒12搅拌。
优选的，搅拌棒12搅拌速度为300-2700转/分，具体的，在本实施例中，搅拌棒12搅拌速度为420转/分。
S3、激光照射
使用纳秒(脉冲半高宽为1-400纳秒)或皮秒脉冲(脉冲半高宽为1-999皮秒)输出的激光，聚焦并辐照高速旋转时的灵芝孢子32破壁前的非水溶性混合液3，激光辐照时间为10-50min，一般为30min左右，从而实现灵芝孢子32进行粉碎和分散过程。
优选的，辐照时，从透明容器2一侧的外部进行辐照。
优选的，激光为基频或二倍频或三倍频的脉冲固体激光，或光纤激光，或波长处于紫外-可见-近红外波段的脉冲激光，或准分子脉冲激光。
具体的，在本实施例中，激光由Nd:YAG脉冲纳秒激光器输出。
在上述技术方案中，本发明提供了一种使用脉冲激光辐照技术手段对尺寸相对较大的物质—灵芝孢子32实施物理性破壁(Break-down)，这是一个与把呈离散状态的原子或分子聚合成较大的物质的方法(Build-up)完全相逆的过程。聚合过程和破壁过程如图4所示。
在上述技术方案中，由于灵芝孢子32的外壁结构非常稳定，基本不溶于水，故被激光破壁的部分孢子壁壳残物会慢慢沉淀到透明容器2的底部。因此，上面的包含已破壁灵芝孢子的溶液(灵芝孢子水剂)就被认为制备完毕。
在上述技术方案中，灵芝孢子水剂制备的整个过程中，非水溶性混合液3的温度不能超过95℃。
由图5-6可知，原来包含微米数量级的灵芝孢子32的非水溶性溶液3经激光辐照后，原来的较大尺寸的孢子颗粒在破壁和粉碎后变成为数百纳米或更小数量级的微小颗粒，灵芝孢子32破壁率达到了100％。
本发明可以用于灵芝孢子32的无氧化破壁和水剂制备，也适用于其他植物孢子基于激光辐照的无氧化破壁以及相应溶液的制备，也适用于其他微小颗粒基于激光辐照的细化和悬浊液制备。
本发明的搅拌装置不限于上述搅拌棒12搅拌的方式，也可以采用底部涡轮搅拌法、垂直螺旋蜗杆搅拌法等其他搅拌方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、非水溶性混合液(3)的制备：将待破壁的孢子以每毫升水10-50毫克孢子的比例放入纯水(31)中，搅拌，以混合均匀，得到非水溶性混合液(3)，所述非水溶性混合液(3)置于透明容器(2)中；
S2、非水溶性混合液(3)的搅拌：对所述非水溶性混合液(3)进行高速搅拌；
S3、激光照射：利用激光，聚焦并辐照高速旋转时的所述非水溶性混合液(3)，以使孢子进行破壁和粉碎。
2.根据权利要求1所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：所述孢子为灵芝孢子。
3.根据权利要求2所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：通过搅拌装置对所述非水溶性混合液(3)进行高速搅拌。
4.根据权利要求1所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述激光为使用纳秒或皮秒脉冲输出的激光。
5.根据权利要求4所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：纳秒激光的脉冲半高宽为1-400纳秒，皮秒脉冲激光的脉冲半高宽为1-999皮秒。
6.根据权利要求5所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：所述激光为基频或二倍频或三倍频的脉冲固体激光，或光纤激光，或波长处于紫外-可见-近红外波段的脉冲激光，或准分子脉冲激光。
7.根据权利要求2所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述搅拌装置包括搅拌棒(12)，所述搅拌棒(12)搅拌速度为300-2800转/分。
8.根据权利要求1所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：孢子水剂制备过程中，所述非水溶性混合液(3)的温度不能超过95℃。
9.根据权利要求1所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，激光辐照时间为10-50min。
10.根据权利要求7所述的基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，其特征在于：所述搅拌装置还包括支撑平台(11)和驱动装置，装有所述非水溶性混合液(3)的所述透明容器(2)置于所述支撑平台(11)上，所述搅拌棒(12)位于所述透明容器(2)内底部，所述驱动装置位于所述支撑平台(11)内且用于带动所述搅拌棒(12)在所述透明容器(2)内高速旋转；
所述搅拌棒(12)包括搅拌棒本体(121)和外部包裹的无毒保护层(122)，所述搅拌棒本体(121)采用磁性材料制成；
所述驱动装置包括电机(131)、转动轴(132)、圆盘(133)和磁铁石(134)，所述转动轴(132)一端与所述电机(131)输出轴连接，另一端与所述圆盘(133)底部中心固定，所述磁铁石(134)固定在所述圆盘(133)顶部，所述磁铁石(134)设置有两个，两个所述磁铁石(134)固定在所述圆盘(133)中部的两侧。
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