CN115211462B - 一种Janus粒子、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Janus粒子、制备方法及其应用，涉及纳米功能材料制备及其应用领域。所述的制备方法包括：（1）使用苯乙烯单体作为分散相，酰化菜籽蛋白纳米凝胶水溶液作为连续相，制备水包油型Pickering乳液；（2）将上述Pickering乳液加热，并持续搅拌，反应结束后得Janus粒子。该Janus粒子的制备方法简单，各向异性可调节，具有延缓水果的成熟、抑制水果中真菌的生长作用，在易腐烂水果保鲜方面展现出巨大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米功能材料制备及其应用领域，具体涉及一种Janus粒子、制 备方法及其应用。
背景技术
Janus粒子是指同一结构中含有两种不同化学组成或不同极性的非对称结构， 新颖独特的微结构，使其在功能因子递送、纳米-生物界面等方面具有广泛的应 用前景。Janus粒子的制备方法有很多，主要有自组装法、相分离法、固体基质 改性法和微流控法等。Pickering乳液聚合法相比于其他方法，具有大规模制备的独特潜力，但该方法操作不易精准控制、颗粒旋转抑制较难且对颗粒大小具有严 格要求、颗粒须在界面形成单层覆盖。Janus粒子概念提出至今已有30年，但 Janus粒子在批量构建时，对其各向异性实现可变调节仍然面临巨大挑战。
近年来，天然抑菌材料难以满足食品生产和包装的需求，蛋白质基材料自身 抑菌性较差，保鲜效果不显著，多与抑菌剂复配使用以提高其抑菌性。然而，在 与抑菌剂复配使用中，存在多种问题，限制了其实际应用。因此，新型无抑菌剂 的蛋白基材料的开发，对于食品保鲜工业具有重要意义。
发明内容
本发明目的是提供一种Janus粒子的制备方法，该方法简单，各向异性(Janus 平衡常数，即粒子亲水半球与疏水半球体积比)可调节，且可实现批量化制备。
本发明另一个目的是提供一种无抗菌剂的Janus粒子，该粒子可延缓水果的 成熟，抑制水果中真菌的生长，在易腐烂水果保鲜方面展现出巨大的应用价值。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种Janus粒子的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用苯乙烯作为分散相，酰化菜籽蛋白纳米凝胶水溶液作为连续相， 制备水包油型Pickering乳液。
(2)将所述Pickering乳液在搅拌状态下加热，得到Janus粒子。
步骤(1)中，所述连续相含有0-9mM的NaCl且pH为5.5-7.5，所述酰化 菜籽蛋白纳米凝胶与苯乙烯的质量比为0.055:1-0.075:1；酰化菜籽蛋白纳米凝胶 水溶液的浓度为6-8mg/ml。
步骤(2)中，所述Pickering乳液加热温度为60-80℃，加热时间为14-17h， 搅拌速度为150-250rpm。
在本发明中，酰化菜籽蛋白纳米凝胶的制备方法如下：在菜籽蛋白水溶液中加 入丁二酸酐，进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；将酰化菜籽蛋白水溶液调节 pH至5.0-6.0，在85-95℃水浴中加热25-35min，然后置于冰水中冷却，冻干后 得到酰化菜籽蛋白纳米凝胶。
在本发明中，所述酰化反应中，菜籽蛋白与丁二酸酐的质量比为20:0.5-1.5， 酰化反应过程中控制pH为9.5-10.5，酰化反应时间为25-35min。
在本发明中，所述酰化菜籽蛋白水溶液的浓度为0.8-1.2mg/mL。
在本发明中，所述菜籽蛋白是采用碱溶酸沉方法从脱脂菜籽粕中提取所得。
本发明还提供所述方法制备得到的Janus粒子及其在在水果保鲜中的应用。
在本发明中，所述水果包括香蕉和草莓。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明基于Pickering乳液聚合法，利用酰化菜籽蛋白纳米凝胶，在批 量化制备的前提下，可实现Janus粒子的各向异性的可变调节。
(2)本发明制备的Janus粒子，首次发现可作为新型无抑菌剂的蛋白基材 料，用于水果保鲜，该粒子可延缓水果的成熟，抑制水果中真菌的生长。
附图说明
图1各酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子电镜图，其中(1)、(2)、(3) 依次是Janus粒子A、B、C的电镜图。
图2是聚苯乙烯粒子的电镜图。
图3不同Janus平衡常数的Janus粒子溶液对不同水果感官品质的影响。(A) 经Janus粒子溶液喷涂处理的草莓在贮藏过程中的照片；(B)经Janus粒子溶 液喷涂处理的香蕉在贮藏过程中的外部照片；(C)经Janus粒子溶液喷涂处理 的香蕉贮藏6d后的内部照片；(D)经Janus粒子溶液喷涂处理的香蕉在贮藏 过程中的感官评分。
图4不同Janus平衡常数的Janus粒子对草莓(A)和香蕉(B)失重率的影 响，横坐标为天数，单位是天，纵坐标为失重率，单位是％。
图5不同Janus平衡常数的Janus粒子对草莓(A)和香蕉(B)硬度的影响， 纵坐标为硬度，横坐标为组别，initial是指喷涂前，final是指第6天。
图6不同Janus平衡常数Janus粒子对草莓真菌(图6A)、细菌(图6B) 菌落总数的影响横坐标为天数，单位是天。
具体实施方式
以下结合具体实例及其附图，进一步阐述本发明，且本发明的实施并不仅限 于此方式。
实施例1不同Janus平衡常数的Janus粒子的制备
(1)Janus粒子A的制备
①按照每15毫升水中加入1克脱脂菜籽粕的比例，将脱脂菜籽粕分散在去 离子水中，用1M的NaOH水溶液调节pH至11.0，然后在45℃下搅拌2h，混 悬液以10000g离心30min。回收上清液，用1M的盐酸调节pH至4.5，并以 10000g离心30min，取沉淀分散于去离子水中，用1M的NaOH水溶液调节pH 至7.0，冷冻干燥，得到菜籽蛋白。
②在1L去离子水(pH为10)中，加入20g菜籽蛋白并搅拌至充分溶解， 之后将1g丁二酸酐(酰化剂)缓慢加入到溶液当中，进行酰化反应。在酰化反应过程中，通过加入1M的NaOH水溶液使溶液pH维持在10。当溶液pH不再 改变时，反应结束，将反应产物置于透析袋(截留分子量为10kDa)中透析过夜，取保留液冷冻干燥，即得酰化菜籽蛋白。以去离子水为溶剂，配制3mg/mL 的酰化菜籽蛋白水溶液，采用0.1M的盐酸调节pH至5.6，然后置于90℃水浴 中加热30min。加热结束后，立即将加热后的酰化菜籽蛋白溶液置于冰水中冷却 至室温，冻干后得到酰化菜籽蛋白纳米凝胶。其中，pH为10的去离子水，是采用NaOH水溶液调节去离子水的pH为10后所得。注意：酰化菜籽蛋白水溶液加 热过程中，不搅拌。
③将0.3g酰化菜籽蛋白纳米凝胶溶解在45mL的去离子水中，用0.1M的 NaOH水溶液调节pH至6.0，得到连续相。将45mg偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME) 加入到5mL苯乙烯(4.51g)中，涡旋混匀，得到分散相。将分散相加入到连续相 中，用高速分散器在搅拌转速为20000rpm的条件下分散2min。最后，用超高 压微射流均质机的微射流功能处理1min，得水包油型Pickering乳液。
④将步骤③所得水包油型Pickering乳液注入到三口玻璃烧瓶中，通入氮气 2min以置换空气，加热至70℃，在70℃、搅拌速度为150rpm条件下反应16 h，苯乙烯单体聚合形成聚苯乙烯，同时纳米凝胶被固定在聚苯乙烯颗粒表面。反应结束后，将反应产物冷却至室温，加入反应产物体积1/3的无水乙醇，搅拌 均匀，然后10000g离心10min，沉淀物即为酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒 子A，冷冻干燥备用。
(2)Janus粒子B的制备
按照本实施例标题(1)中步骤①②制备酰化菜籽蛋白纳米凝胶。
③将0.3g酰化菜籽蛋白纳米凝胶溶解在45mL含有3mMNaCl的去离子水 中，用0.1M的NaOH水溶液调节pH至6.0，得到连续相。将45mg偶氮二异 丁酸二甲酯(AIBME)加入到5mL苯乙烯中，涡旋混匀，得到分散相。将分散 相加入到连续相中，用高速分散器在搅拌转速为20000rpm的条件下分散2min。 最后，用超高压微射流均质机的微射流功能处理1min，得水包油型Pickering乳 液。
④将步骤③所得水包油型Pickering乳液注入到三口玻璃烧瓶中，通氮气2 min以置换空气，加热至75℃，在75℃、搅拌速度为180rpm条件下反应16h， 苯乙烯单体聚合形成聚苯乙烯，同时纳米凝胶被固定在聚苯乙烯颗粒表面。反应 结束后，将反应产物冷却至室温，加入反应产物体积1/3的无水乙醇处理，搅拌 均匀，然后10000g离心10min，沉淀物即为酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒 子B，冷冻干燥备用。
(3)Janus粒子C的制备
按照本实施例标题(1)中步骤①②制备酰化菜籽蛋白纳米凝胶。
③将0.3g酰化菜籽蛋白纳米凝胶溶解在45mL含有6mMNaCl的去离子水 中，用0.1M的NaOH水溶液pH至6.0，得到连续相。将45mg偶氮二异丁酸 二甲酯(AIBME)加入到5mL苯乙烯中，涡旋混匀，得到分散相。将分散相加 入到连续相中，用高速分散器在搅拌转速为20000rpm的条件下分散2min。最 后，用超高压微射流均质机的微射流功能处理1min，得水包油型Pickering乳液。
④将步骤③所得水包油型Pickering乳液注入到三口玻璃烧瓶中，通氮气2 min以置换空气，加热至72℃，在72℃、搅拌速度为160rpm条件下反应16h， 苯乙烯单体聚合形成聚苯乙烯，同时纳米凝胶被固定在聚苯乙烯颗粒表面。反应 结束后，将反应产物冷却至室温，加入反应产物体积1/3的无水乙醇，搅拌均匀， 在10000g离心10min，沉淀物即为酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子C，冷 冻干燥备用。
(4)聚苯乙烯粒子的制备
量取45mL去离子水倒入三口玻璃烧瓶中，通氮气1min，用移液枪向其中 加入5mL苯乙烯，再通氮气1min。将溶液加热至75℃，用数显恒流泵向其中 滴加过硫酸钾水溶液(0.03g过硫酸钾和5mL去离子水混合所得)，调整适宜 流速滴加1h。在持续搅拌状态下反应16h，向反应后的溶液中加入其体积1/3 的无水乙醇，混匀后10000g离心10min，沉淀物即为聚苯乙烯粒子，冷冻干燥 备用。
(5)Janus粒子的性质
检测本实施例标题1中(1)、(2)和(3)得到的酰化菜籽蛋白纳米凝胶 基Janus粒子及聚苯乙烯粒子的粒径、多分散性指数(PDI)和Janus平衡常数(缩 写为JB)。
采用粒度分析仪分析各酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子及聚苯乙烯粒子 的粒径和PDI。根据Janus粒子在界面上的平衡定位原理，Janus边界应与界面处 于同一纬度。当Janus粒子吸附在水/空气界面上时，接触角(θ)取决于Janus 平衡常数，即亲水与疏水半球的体积比。因此，可以通过接触角计算粒子的Janus 平衡常数。用压片机将Janus粒子粉末或聚苯乙烯粒子压制成2mm厚的晶片。 将10μL去离子水滴在晶片上，并通过光学表面分析仪测定粒子的接触角θ。Janus 平衡常数可通过以下公式计算：
其中，Vphi和Vpho分别代表亲水半球和疏水半球的体积。 亲水半球和疏水半球的体积，按照如下公式计算：/>其中V是体积， r是半球的半径，h代表半球的高度。半球的高度h按照如下公式计算：
h＝r1-cosθ，其中r是半球的半径，θ是接触角。
酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子及聚苯乙烯粒子的检测结果，见表1、 图1和图2。从图1中可以看出，不同的反应条件，改变了酰化菜籽蛋白纳米凝 胶在聚苯乙烯粒子表面的分布，这种分布致使聚苯乙烯粒子具有不同的各向异性 (不同的Janus平衡常数，见表1)。从图2中可以看出，无酰化菜籽蛋白纳米 凝胶存在的条件下，聚苯乙烯粒子表面无凸起、光滑，表面化学组成单一(不具 有各向异性特性)。此外反应条件的改变，也导致酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus 粒子的粒径发生显著变化，但粒子分布仍然均匀(PDI<0.3)。
表1不同条件下制备的酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子的性质
| 粒子名称 | 粒径/nm | 多分散性指数(PDI) | Janus平衡常数 |
| Janus粒子A | 372.3 | 0.123 | 1.01 |
| Janus粒子B | 1224.7 | 0.296 | 0.95 |
| Janus粒子C | 1665.6 | 0.288 | 0.88 |
| 聚苯乙烯粒子 | 501.8 | 0.084 | 0 |
实施例2酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子在易腐烂水果保鲜中的应用
(1)水果喷涂处理
将0.4g的酰化菜籽蛋白纳米凝胶基Janus粒子A、B、C、聚苯乙烯粒子分别 溶于20mL去离子水，漩涡混匀，再用高速分散器在20000rpm条件下充分混匀 2min，得到对应的粒子喷涂液，后转移入喷壶备用。
选择重量、大小、颜色相似的草莓，分为5组，每组3个，购买日记为第一 天，各组在第一天采用各喷涂液均匀喷涂成膜。具体分组和喷涂方法如下：空白 对照组(记为Control组)，喷涂20mL去离子水；PS组喷涂20mL的聚苯乙烯粒子喷涂液，JB＝1.01组喷涂20mL的Janus粒子A喷涂液，JB＝0.95组喷涂 20mL的Janus粒子B喷涂液，JB＝0.88组喷涂20mL的Janus粒子C喷涂液。 选择重量、大小、颜色相似的香蕉，分为5组，每组3个，购买日记为第一天， 各组在第一天采用各喷涂液均匀喷涂成膜。按照草莓的分组方法和喷涂方法均匀 喷涂。各实验组样品喷涂各喷涂液后，均置于28℃、相对湿度80％的人工气候 箱中储存。
(2)不同Janus平衡常数的Janus粒子的保鲜效果评价
储存期间，每天对香蕉进行感官指标测定评分(薛琼,赵德坚,邓靖,等.不 同保鲜膜对香蕉贮藏效果影响的研究[J].食品科技,2015(06),28-31)，并测定其 失重率和硬度(Jin T Z,Huang M,Niemira B A,et al.Microbial reduction and sensory qualitypreservation of fresh ginseng roots using nonthermal processing andantimicrobial packaging[J].Journal of Food Processing and Preservation,2017,41(1): e12871)。储存期间，每天测定草莓的失重率、硬度(方法同上)，储存结束(第 六天)测定菌落总数(参照GB4789.2-2016和GB/T4789.15-2010)。采用高通 量测序法(Sun,Z.；Liu,W.；Bao,Q.；Zhang,J.；Hou,Q.；Kwok,L.；Sun,T.；Zhang, H.Investigation ofbacterial and fungal diversity in tarag using high-throughputsequencing.Journal of Dairy Science 2014,97(10),6085-6096)分析草莓表面微生 物群落组成变化。
结果如图3-6。Janus粒子的保鲜效果与其亲疏水性(Janus平衡常数)有关， 各组喷涂后，control组草莓4d时开始发霉，到6d时果实有一半长出灰霉，完 全失去食用价值(图3A)。PS组4d时，也能看到草莓明显发霉，相比control组 霉斑较小，颜色也更浅。而Janus粒子A、B、C处理后的草莓到贮藏期结束(6 d)，用较为亲水(JB＞1)的Janus粒子处理草莓后，6d出现少量霉斑，而较 为疏水(JB<1)的Janus粒子处理草莓，储藏期间，草莓都未发霉。贮藏6d时， control组香蕉表面有较大的褐变面积，内部具有明显腐败，完全不可食用(图 3B和3C)。PS组在贮藏后期表面也出现黑斑，内部有明显的腐烂趋势。Janus 粒子处理后的香蕉表面黑斑显著减少，其中JB＝0.95组和JB＝0.88组贮藏6d时， 内部果实完好，感官评分能达到6分(control组只有1.5分)，不影响食用(图 3D)。
如图4A所示，五组草莓的失重率在贮藏3d时差别仍较小；贮藏6d时， control组和PS组草莓的失重率分别达到53％和41％，而JB＝0.95组失重率仅有 28％。贮藏6d时，control组、PS组和JB＝0.95组的香蕉失重率分别为15％、11％ 和7％(图4B)，说明Janus粒子喷涂处理有效抑制草莓和香蕉的水分散失。
如图5A所示，草莓的初始硬度值约为1.2kg/cm2，贮藏6d，control组和 PS组分别降为0.3kg/cm2和0.5kg/cm2，明显低于JB＝0.95组的0.7kg/cm2。如 图5B所示，香蕉的初始硬度值约为6kg/cm2，贮藏6d时，control组和PS组 分别降为0.5kg/cm2和1kg/cm2，JB＝0.95组硬度值为2.5kg/cm2，与JB＝0.88组 数值相近，而JB＝1.01组硬度稍低。
如图6A所示，草莓的初始真菌菌落总数为2.8lg CFU/g，3d时出现明显上 升趋势，6d时control组和PS组的菌落总数分别达到了9.3lg CFU/g和8.9lg CFU/g，聚苯乙烯粒子并未对草莓中真菌的生长产生较大影响。相比之下，Janus 粒子处理组显著降低了真菌菌落总数(其中JB＝0.95组在6d时，真菌总数只有 7.6lg CFU/g，相比于control组真菌总数下降达18％)，显示出优异的抑菌效果。 此外，由草莓的细菌菌落总数结果发现，五组草莓样品在整个贮藏期内都未有明 显差异(图6B)，再次证明Janus粒子的抑菌性主要针对真菌。
上述结果表明，草莓、香蕉等易腐烂水果经无抗菌剂的各向异性的Janus粒 子喷涂处理后，保鲜效果显著。
Claims (6)
1.一种Janus粒子在水果保鲜中的应用，其特征在于，所述Janus粒子的制备方法包括如下步骤：
（1）使用苯乙烯作为分散相，酰化菜籽蛋白纳米凝胶水溶液作为连续相，制备水包油型Pickering乳液；
（2）基于Pickering乳液聚合法，将所述Pickering乳液在搅拌状态下加热，得到Janus粒子；
步骤（1）中，所述连续相含有0-9 mM的NaCl且pH为5.5-7.5，所述酰化菜籽蛋白纳米凝胶与苯乙烯的质量比为0.055:1-0.075:1；酰化菜籽蛋白纳米凝胶水溶液的浓度为6-8mg/mL；步骤（2）中，所述Pickering乳液加热温度为60-80℃，加热时间为14-17h，搅拌速度为150-250 rpm。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于酰化菜籽蛋白纳米凝胶的制备方法如下：在菜籽蛋白水溶液中加入丁二酸酐，进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；将酰化菜籽蛋白水溶液调节pH至5.0-6.0，在85-95°C水浴中加热25-35min，然后置于冰水中冷却，冻干后得到酰化菜籽蛋白纳米凝胶。
3.根据权利要求2所述应用，其特征在于所述酰化反应中，菜籽蛋白与丁二酸酐的质量比为20:0.5-1.5，酰化反应过程中控制pH为9.5-10.5，酰化反应时间为25-35min。
4.根据权利要求3所述应用，其特征在于所述酰化菜籽蛋白水溶液的浓度为0.8-1.2mg/mL。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于所述菜籽蛋白是采用碱溶酸沉方法从脱脂菜籽粕中提取所得。
6.根据权利要求5所述应用，其特征在于所述水果包括香蕉和草莓。
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