CN113461968B - 一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液及其制备方法，本发明的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液的制备方法包括以下步骤：S1、将羧甲基壳聚糖分散于水或水溶液中，静置后配制成质量百分比浓度为0.3％～20％和pH为6.6～7.5的羧甲基壳聚糖溶液的水相；S2、将S1配制的水相和油相进行剪切混合，得到油相体积分数为74％～90％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。本发明只需单独使用羧甲基壳聚糖，无需任何其他的凝固剂或表面活性剂，通过一步剪切混合即可高效简便制备高内相乳液，且制得的高内相水包油型乳液安全性高、凝胶性好和稳定性强，在食品、药品、化工及生物工程材料等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于乳液制备技术领域，具体涉及一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液及其制备方法。
背景技术
高内相乳液作为一种内相体积高(内相体积分数≥74％)，可以综合乳液与凝胶双重特性的胶体体系，以其优异的稳定性与卓越的功能性质越来越成为研究的前沿热点。高内相乳液的形成与稳定需要使用合适的乳化稳定剂，但是，通常用于稳定高内相乳液需使用大量的表面活性剂或无机颗粒，这些成分可能对人体健康或生态环境产生不利影响，不能满足人们对“清洁标签”的需求。因此，具有部分双重润湿性的生物类胶体颗粒稳定的高内相乳液更加绿色环保，且表现出较强的凝聚稳定性和可调节粘弹性的凝胶网络结构，还可以进行灵活接枝调控进而赋予乳液新的功能。
目前，已开发了大量的生物基高内相乳液稳定剂，包括纳米颗粒、微凝胶颗粒、纤维状微粒、天然磷糖蛋白和以此为模型的新型核壳颗粒等。可以发现，大量的研究主要集中在具有天然两亲活性的蛋白质聚合物和表面活性良好的小分子物质上，但对于多糖基界面活性物质的挖掘相对较少。并且大部分常见的颗粒型高内相乳液稳定剂需通过复杂的修饰手段制备，从而使颗粒具备良好的性质，能耗较高、工艺较繁琐，降低了资源利用率，增加了生产成本。因此，寻求更简便、成本更低廉的多糖基乳化稳定剂以控制高内相乳液的形成和稳定具有重要意义。
壳聚糖是甲壳素脱乙酰度达到50％以上时生成的线性高分子多糖，在自然界中分布广泛、丰度很高且具有多功能性，可广泛应用。然而，壳聚糖的溶解性较差在一定程度上限制了其应用，利用分子主链上的氨基和羟基对壳聚糖进行改性，可以增加其溶解性。其中，羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl chitosan，CMCS)是一种水溶性、无毒、可生物降解和生物相容性好的衍生物，其具有抗菌、抗氧化等更好的生物活性及良好的水凝胶和薄膜形成能力。羧甲基壳聚糖因其优异的性质已被广泛应用于生物医用材料等领域。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液的制备方法，能够通过简单的制备方法得到安全性高、凝胶性好和稳定性强的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。
本发明还提出通过上述方法制备得到的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。
根据本发明的一个方面，提出了羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将羧甲基壳聚糖分散于水或水溶液中，静置后配制成质量百分比浓度为0.3％～ 20％和pH为6.6～7.5的羧甲基壳聚糖溶液的水相；
S2：将S1配制的水相油相混合后剪切混合，得到含有油相体积分数为74％～90％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。
根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：(1)本发明首次以羧甲基壳聚糖为乳化稳定剂制备高内相乳液，羧甲基壳聚糖生物相容性好，具有突出的抗氧化能力和抗菌性及成膜性，可有效延缓乳液凝胶中食用油的氧化，并赋予乳液凝胶新的功能活性；(2)本发明的制备方法通过一步剪切分散即可高效简便构建高内相乳液，无需采用其它均质、超声、高压、二次乳化、浓缩等措施，生产成本较低，对设备要求低、简单易行、成本低、能耗低。
在本发明中，水溶性衍生物羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl chitosan，CMCS)是一种水溶性、无毒、可生物降解和生物相容性好的衍生物，其具有抗菌、抗氧化及良好的水凝胶和薄膜形成能力，以及具有较好的生物活性。
在本发明的一些实施方式中，所述高内相乳液中含有的油相体积分数为74％以上。该方法制备得到的高内相乳液的最终油相体积分数为74％～90％。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中的所述羧甲基壳聚糖溶液的质量百分比浓度为0.3％～2.0％。即在所述含油相体积分数80％的高内相乳液中羧甲基壳聚糖的加入量为总体系的0.06wt.％～0.4wt.％。
在本发明中，质量百分比浓度是指以溶质的质量占全部溶液的质量的百分比来表示的浓度，质量百分比浓度＝(溶质质量/溶液质量)×100％，在全文中，单位“wt.％”亦表示为质量百分比浓度。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中还包括在水相中加入无机盐和/或蛋白质。在本发明的体系中可以引入少量其他无机盐离子或蛋白质，不影响羧甲基壳聚糖稳定高内相乳液的功能的发挥。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述蛋白质为牛血清白蛋白。在本发明中，羧甲基壳聚糖和牛血清白蛋白的复配可有效克服牛血清白蛋白无法单独稳定高内相乳液的缺点。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中所述静置的时间不少于12h。本发明中，将羧甲基壳聚糖分散于水或水溶液中后静置12h以上是为了使羧甲基壳聚糖充分水化。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中所述静置的温度为冷藏或室温。具体地，步骤S1中所述静置的温度为4℃～36℃。在本发明中，一般条件下在室温环境中静置操作即可，不需要保证恒温恒湿的贮存条件，操作方便简单。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中所述水溶液为PBS缓冲溶液。配制羧甲基壳聚糖溶液时既可使用纯水，也可使用PBS缓冲溶液，使用的PBS缓冲溶液pH值在中性范围内。在本发明中，所述中性范围是指pH为6.6～7.5。
在本发明的一些优选的实施方式中，使用的PBS缓冲溶液的浓度为5mM。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S1中还包括使用盐酸或氢氧化钠溶液调节pH。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中所述加入油相的体积分数不大于90％。在本发明中，制备时加入油相体积分数小于74％时，乳化层的高度随油相体积分数增大而增加，待乳液静置分层后去除下层水相，根据水相回收率计算乳化层中油相体积分数不低于74％，得到油相体积分数不低于74％的羧甲基壳聚糖稳定的浓缩型高内相水包油型乳液；当使用0.4wt.％羧甲基壳聚糖水溶液，制备时加入油相体积分数为74％～82％时，乳液外观呈较为均一的凝胶状，可以直接得到油相体积百分含量不低于74％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相水包油型乳液；制备时加入油相体积分数大于82％时，浓度为0.4wt.％的羧甲基壳聚糖溶液难以包裹全部油相，体系呈现明显的油水分层；当羧甲基壳聚糖分散液浓度在0.3wt.％～1.2wt.％时，该油相体积分数形成高内相水包油型乳液也适应会增加；当羧甲基壳聚糖分散液浓度增加至1.2wt.％时，制备的高内相水包油乳液可稳定高达90％的油相体积分数；当羧甲基壳聚糖浓度在1.2wt.％～20wt.％时，其稳定的油相体积分数最高值均在90％。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中所述油相包括植物油、正己烷、正十二烷中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述植物油包括大豆油、花生油、亚麻油、蓖麻油和菜籽油中的至少一种。优选地，所述植物油为大豆油。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中所述剪切混合的条件为3000rpm～12000rpm 下剪切15s～60s。通过该剪切混合条件即可对羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液进行一步快速制备，得到性能优异的高内相乳液产品。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中还包括剪切混合后进行静置分层，去除下层水相。在本发明中，当制备时使用的油相体积分数低于74％时，多余的水分会在下层分层，去除下层水相后经计算得到的乳液依旧为含有的油相体积分数为74％以上的高内相乳液。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中还包括剪切混合后在4℃～36℃下静置，静置时间为2h以上；优选地，静置时间为12h以上；更优选地，静置时间为7d以上。在本发明的一些实施例中，当静置时间大于7d时，凝胶性越来越明显。在本发明的一些实施例中，当静置八个月时，依然无任何漏油破乳现象，凝胶性保持良好。
根据本发明的再一个方面，提出了由上述制备方法制备得到的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。
根据本发明的一种优选的实施方式的高内相乳液，至少具有以下有益效果：(1)本发明制得的高内相乳液仅仅使用羧甲基壳聚糖作为乳化稳定剂，无其它表面活性剂或无机颗粒添加，成分绿色、无毒、环保；(2)本发明制得的高内相乳液安全性高、凝胶性好、稳定性强，具有一定的可塑性和抗菌性，有利于进一步加工。
在本发明的一些实施方式中，所述羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液中含有的油相体积分数为74％～90％。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例1中不同油相体积分数对羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液影响的外观图，其中，图中样品从左至右，制备中油相体积分数分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、74％、80％、82％、83％；
图2为本发明实施例1中油相体积分数为20％的羧甲基壳聚糖制备的高内相乳液的激光共聚焦显微图，图中比例轴为50μm；
图3为本发明实施例1中油相体积分数为80％的羧甲基壳聚糖制备的高内相乳液的激光共聚焦显微图，图中比例轴为50μm；
图4为本发明实施例2中以正十二烷为油相，不同浓度羧甲基壳聚糖制备的高内相乳液的外观图，其中，图中样品从左至右，羧甲基壳聚糖的浓度分别为2.0wt.％、1.8wt.％、1.4wt.％、1.0wt.％、0.8wt.％、0.5wt.％、0.4wt.％、0.3wt.％、0.2wt.％(本发明中wt.％表示质量百分数)；
图5为本发明实施例2中以正十二烷为油相，c＝0.5wt.％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液的外观图及自支撑外观图(A,B,C)和可塑性展示图(D,E)；右侧图为该浓度下制备的高内相乳液在储藏六个月前后的流变学性质测定结果；
图6为本发明实施例3中以大豆油为油相，不同浓度羧甲基壳聚糖制备的高内相乳液的外观图，其中，图中样品从左至右，羧甲基壳聚糖的浓度分别为0.4wt.％、0.5wt.％、1.0wt.％、1.4wt.％；
图7为本发明实施例4中不同pH条件下的羧甲基壳聚糖溶液制备的高内相乳液的外观图，其中，图中样品从左至右，pH分别为5.7、6.0、6.4、6.8、7.0、7.5、8.0、9.0、 9.5、10.5。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
本实施例制备了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液，具体过程为：
(1)配制质量浓度为0.4wt.％羧甲基壳聚糖水溶液，即将一定质量的羧甲基壳聚糖溶解于pH为7.0的5mM的PBS溶液中，室温温和磁力搅拌2h使之充分分散，冷藏或室温下放置12h以上使其充分水化，所得的羧甲基壳聚糖溶液作为水相，使用前调节 pH至7.0；
(2)以正十二烷作为油相，按油相体积分数分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、74％、80％、82％、83％，将水相和油相在高速剪切下混合，剪切速率为10000rpm，剪切时间30s，25℃静置12h(在温度为4℃～36℃条件下均能达到相同的实验效果)，油相体积分数小于74％时，乳化层的高度随油相体积分数增大而增加；油相体积分数为 74％～82％时，乳液外观呈较为均一的凝胶状，可以直接得到油相体积百分含量不低于 74％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相水包油型乳液；油相体积分数大于82％时，浓度为 0.4wt.％的羧甲基壳聚糖溶液难以包裹全部油相，体系呈现明显的油水分层；当羧甲基壳聚糖分散液浓度在0.3wt.％～1.2wt.％时，该油相体积分数形成高内相水包油型乳液也适应会增加；当羧甲基壳聚糖分散液浓度增加至1.2wt.％时，制备的高内相水包油乳液油相体积分数可高达90％；当羧甲基壳聚糖浓度在1.2wt.％～20wt.％时，其稳定的油相体积分数最高值均在90％。将油相体积分数低于74％的乳液静置分层稳定后，测量下层水相体积超过原有水相的90％，去除下层水相后，剩余的乳化层则为油相体积分数超过 74％的羧甲基壳聚糖稳定的水包油型高内相乳液。
将制备的乳液倒置时，虽然存在水相层的重力，但是当油相体积分数大于10％时，乳液均可以倒置不流动，如图1所示。在4℃～36℃的常温变温条件下，储藏八个月时，依然非常稳定。经激光共聚焦观察油相体积分数分别为20％的内部结构为图2所示，其中显色部分为荧光白染色的羧甲基壳聚糖，可以看到羧甲基壳聚糖均匀包裹在油滴表面，并且油滴致密且粒径均一。经激光共聚焦观察油相体积分数分别为80％的内部结构为图3所示，其中显色部分为荧光白染色的羧甲基壳聚糖，可以看到羧甲基壳聚糖均匀包裹在油滴表面，并且油滴致密且粒径均一。由该测试实验结果可知，本发明制备得到的羧甲基壳聚糖稳定的水包油型高内相乳液具有稳定性强、凝胶性好等优点。
实施例2
本实施例制备了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液，具体过程为：
(1)配制质量浓度分别为0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％、0.8wt.％、1.0wt.％、 1.4wt.％、1.8wt.％、2.0wt.％的羧甲基壳聚糖水溶液，即将一定质量的羧甲基壳聚糖溶解于pH为7.0的5mM的PBS溶液中，室温温和搅拌2h使之充分分散，冷藏或室温下放置12h以上使其充分水化，所得的羧甲基壳聚糖溶液作为水相，使用前均调节pH至 7.0；
(2)以正十二烷作为油相，将水相和油相按体积比1:4在高速剪切下混合，剪切速率为8000rpm，剪切时间30s，25℃静置12h，当羧甲基壳聚糖浓度在0.3wt.％及以上时均可以得到倒置不流动的油相体积百分含量为80％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相水包油型乳液，如图4所示。室温放置八个月时未出现分层漏油破乳等失稳现象，表现出优异的贮藏稳定性。并且没有任何肉眼可见的霉变腐败现象，这与羧甲基壳聚糖优异的抗菌性和抗氧化性密切相关。如图5中左侧图所示，制备的高内相乳液具有凝胶状外观 (图5中A)、良好的自支撑性能(图5中B和C)和一定的可塑性，可以绘制不同的图案(图5中D和E)。图5右侧图显示羧甲基壳聚糖质量浓度为0.5wt.％时制备的高内相乳液储藏6个月前后流变学特性测定结果。将应变固定在0.1％时的剪切频率扫描结果显示，具有明显的以弹性为主(弹性模量G′＞粘性模量G″)的粘弹性，制备的高内相乳液的粘弹性几乎不受剪切频率(0.1Hz～10Hz)的影响。这些表明，羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液具有十分牢固、耐外力的凝胶状网络结构。并且羧甲基壳聚糖稳定高内相乳液的凝胶强度在贮藏静置数月后得到明显的提升，高内相乳液越放置越稳定。这可能由两方面原因造成：一是较长的静置时间给予了体系内局部微弱浓度差足够的驱动时间，以及被羧甲基壳聚糖形成的薄膜包裹的油滴在排阻作用下均可以逐渐增强油滴间的空缺絮凝；二是吸附于油水界面或表面的羧甲基壳聚糖分子缠结，链间的相互作用加强，成膜效果更好，乳液整体的最表面也形成较厚的保护膜，这些膜状物质实际上起着阻挡作用，阻碍了液滴和絮凝体的流动。这些均增强了油滴间的相互联系。这赋予了高内相乳液更加稳定的凝胶网络结构。
实施例3
本实施例制备了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液，具体过程为：
(1)配制质量浓度分别为0.4wt.％、0.5wt.％、1.0wt.％、1.4wt.％的羧甲基壳聚糖水溶液，即将一定质量的羧甲基壳聚糖溶解于pH为7.0的5mM的PBS溶液中，室温温和搅拌2h使之充分分散，冷藏或室温下放置12h以上使其充分水化，所得的羧甲基壳聚糖溶液作为水相，使用前均调节pH至7.0；
(2)以大豆油作为油相，将水相和油相按体积比1:4在高速剪切下混合，剪切速率为8000rpm，剪切时间30s，25℃静置12h，均可以得到油相体积百分含量为80％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相水包油型乳液，如图6所示，并且室温放置八个月时依然很稳定。
实施例4
本实施例制备了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液，具体过程为：
(1)配制质量浓度为0.4wt.％羧甲基壳聚糖水溶液，即将一定质量的羧甲基壳聚糖溶解于pH为7.0的5mM的PBS溶液中，室温温和搅拌2h使之充分分散，冷藏或室温下放置12h以上使其充分水化，所得的羧甲基壳聚糖溶液作为水相，使用前调节pH 分别为5.7、6.0、6.4、6.8、7.0、7.5、8.0、9.0、9.5、10.5；
(2)以正十二烷作为油相，将水相和油相按体积比1:4在高速剪切下混合，剪切速率为8000rpm，剪切时间1min，25℃静置12h，pH为6.8～7.5条件下可以得到油相体积百分含量为80％的羧甲基壳聚糖稳定的倒置不流动的高内相水包油型乳液，而pH在6.4 及以下时无法形成乳液，pH大于7.5时形成的乳液比较稀，无法倒置不流动，具体见图 7。
实施例5
本实施例制备了一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液，具体过程为：
(1)配制羧甲基壳聚糖与牛血清白蛋白的混合水溶液，使羧甲基壳聚糖质量浓度为0.4wt.％，牛血清白蛋白质量浓度分别为0.4wt.％、0.8wt.％，即将一定质量的羧甲基壳聚糖与牛血清白蛋白溶解于pH为7.0的5mM的PBS溶液中，室温温和搅拌2h使之充分溶解，冷藏或室温下放置12h以上使其充分水化，所得溶液作为水相，使用前调节 pH为7.0；
(2)以正十二烷作为油相，将水相和油相按体积比1:4在高速剪切下混合，剪切速率为8000rpm，剪切时间1min，25℃静置12h，得到油相体积百分含量为80％的羧甲基壳聚糖与牛血清白蛋白共同稳定的倒置不流动的高内相水包油型乳液。
总之，本发明的制备方法，操作简单、绿色环保，制备得到的高内相乳液为物理凝胶，无反式脂肪酸产生，安全性好、可塑性强，此外，在室外存在温度波动及各种微生物条件下，长达八个月的无任何抗菌措施的储藏过程中，没有任何肉眼可见的霉变腐败现象发生，无漏油破乳现象，其结构非常稳定，充分发挥了羧甲基壳聚糖优异的抗菌性及乳化稳定性。因此，羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液具有良好的应用潜力与开发价值，可应用于食品、药品、化工与生物工程材料等领域。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (5)
1.一种羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将羧甲基壳聚糖分散于水或水溶液中，静置后配制成一定质量百分比浓度和pH为6.6～7.5的羧甲基壳聚糖溶液的水相；
S2：将S1配制的水相和油相剪切混合，得到含有一定油相体积分数的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液；当使用0.4wt.％羧甲基壳聚糖溶液的水相时，得到含有油相体积分数为74％～82％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液；当使用1.2wt.％～20wt.％羧甲基壳聚糖溶液的水相时，得到含有油相体积分数为74％～90％的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液；
其中，所述制备方法中单独以羧甲基壳聚糖为乳化稳定剂制备高内相乳液，不添加其它表面活性剂或无机颗粒；
步骤S1中，所述水溶液为中性范围内的PBS缓冲溶液，所述静置的时间不少于12h；
步骤S2中，所述油相为大豆油或正十二烷，所述剪切混合的条件为3000rpm～12000rpm下剪切15s～60s，剪切混合后在4℃～36℃下静置分层，静置时间为2h以上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中还包括在所述水相中加入蛋白质，所述蛋白质为牛血清白蛋白。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中的所述静置时间为12h以上。
4.根据根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中的所述静置时间为7d以上。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的制备方法制备得到的羧甲基壳聚糖稳定的高内相乳液。
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