CN115216310B

CN115216310B - 一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂及其制备与应用

Info

Publication number: CN115216310B
Application number: CN202211052835.2A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 袁毅; 张援; 李琳; 张霞; 郭奇泳; 郑青松
Original assignee: Guangdong Institute Of Sports Science; South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangdong Institute Of Sports Science; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2042-08-31
Also published as: WO2024045396A1; CN115216310A

Abstract

本发明属于Pickering乳化剂制备技术领域，公开了一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂及其制备方法与应用。本发明通过壳聚糖的修饰可以调节虫胶纳米颗粒的表面湿润性，提高了虫胶纳米颗粒稳定油水界面的能力，从而增强虫胶纳米颗粒稳定Pickering乳液的能力。本发明提供的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的工艺简单，原料安全，可以作为界面稳定剂稳定Pickering乳液，在食品、化学工业等具有推广使用的前景。

Description

一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂及其制备与应用

技术领域

本发明属于Pickering乳化剂制备技术领域，特别涉及一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂及其制备方法与应用。

背景技术

乳液是由两种不混溶的液体组成的系统，其中一种液体分散在另一种液体中。由于两个不混溶相之间的高表面能，乳液体系通常被认为是热力学不稳定的，因此乳液的形成通常需要在表面活性剂或稳定剂(如化学表面活性剂或固体颗粒)的存在下进行。在这两者中，固体颗粒稳定的乳液(即Pickering乳液)由于与常规表面活性剂相比，具有毒性小、成本低、回收简单等优点，近年来已成为众多研究人员的选择。固体颗粒(即Pickering乳化剂)的部分湿润特性使其在两种不混溶液体的界面上不可逆吸附，使其稳定的乳液具有相当高的抗变形能力。显然，Pickering乳化剂的理性设计对Pickering乳液的构建至关重要。

虫胶是一种由寄生在印度、缅甸、泰国和中国南部的某些树木上的昆虫Lacciferlacca分泌的树脂物质精制而成的天然聚合物，已被美国食品和药物管理局(FDA)赋予普遍认为安全(GRAS)的标签，因此，虫胶在食品药品领域得到了广泛的应用。借助虫胶在不同溶液中具有明显不同的溶解度，可以通过调整溶液使虫胶从溶解状态转变成不溶状态，从而获得虫胶纳米颗粒。虫胶本身具有两亲性分子结构，具有一定的稳定油水界面形成乳液的潜力，但是，由于虫胶疏水性极强，虫胶纳米颗粒本身难以稳定油水界面形成乳液。因此，要使虫胶纳米颗粒可以被顺利用作Pickering乳化剂，需要对虫胶纳米颗粒的表面湿润性进行操控以增强其稳定油水界面的能力。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，通过壳聚糖表面改性的方式调节虫胶纳米颗粒的表面湿润性，增强虫胶纳米颗粒稳定乳液的能力，提供一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的制备方法。

本发明在一目的在于提供上述方法制备得到的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂。

本发明另一目的在于提供上述基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将虫胶溶于无水乙醇，搅拌均匀形成虫胶乙醇溶液，然后将虫胶乙醇溶液滴入处于搅拌状态的水中，再通过旋转蒸发去除乙醇，获得虫胶纳米颗粒分散液；

(2)将壳聚糖溶解于醋酸溶液，形成壳聚糖溶液；

(3)将步骤(1)制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液中，持续搅拌形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液，然后经冷冻干燥获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒，即为基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂。

所述步骤(1)中虫胶乙醇溶液的浓度为5mg/mL～35mg/mL，优选为35mg/mL。

步骤(1)所述中的虫胶乙醇溶液滴入速率为0.3mL/min～0.6mL/min，优选为0.45mL/min。

步骤(1)中所述水的用量满足：每含700mg虫胶的虫胶乙醇溶液对应加入至75～200mL的处于搅拌状态的水中，优选为100mL。

步骤(1)中所述水的搅拌速度为500rpm～700rpm，优选为600rpm。

步骤(2)所述壳聚糖的分子量为30kDa～150kDa，优选的，壳聚糖的分子量为30kDa的壳聚糖。

步骤(2)中所述的醋酸溶液指浓度为0.1mol/L～0.3mol/L的醋酸水溶液，优选为0.1mol/L的醋酸水溶液。

步骤(2)中壳聚糖溶液的质量浓度为0.5％～1.5％，优选为1％(g/mL)。

步骤(3)中虫胶纳米颗粒分散液与壳聚糖溶液的用量满足：壳聚糖干重占虫胶纳米颗粒干重的百分比为5％～150％，优选为5％～60％，更优选为20％。

步骤(3)中的搅拌速度为600rpm～1000rpm，优选为1000rpm；步骤(3)中持续搅拌的时间为20min～40min，优选为30min。

步骤(3)中冷冻干燥的温度为-60℃～-80℃，优选为-80℃；冷冻干燥的时间为18h～30h，优选为24h。

一种由上述方法制备得到的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂。

上述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂在制备Pickering乳液中的应用。

所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂在制备Pickering乳液中的应用，具体包括以下步骤：

基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂分散于醋酸水溶液中形成分散液，然后将分散液与油脂进行剪切混合，得到Pickering乳液。

所述的醋酸水溶液优选为浓度为0.1mol/L～0.3mol/L的醋酸水溶液。

所述的Pickering乳化剂在分散液中保证以纳米颗粒存在的虫胶的浓度为4.0mg/mL～6.0mg/mL，优选为5.0mg/mL；所述的分散液和油脂的用量满足油脂的体积占分散液和油脂体积之和的10～30％，优选为30％。

所述的剪切速度为10000rpm～15000rpm，剪切时间为1min～3min。最优选的剪切速度为12000rpm，剪切时间为2min。

本发明的有益效果是：

由于虫胶优异的自组装特性，本发明选用反溶剂沉淀法，该方法绿色、环保、能耗低，是一种理想的制备虫胶纳米颗粒的方法。通过壳聚糖的修饰可以调节虫胶纳米颗粒的表面湿润性，提高了虫胶纳米颗粒稳定油水界面的能力，从而增强虫胶纳米颗粒稳定Pickering乳液的能力。

本发明提供的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的工艺简单，原料安全，可以作为界面稳定剂稳定Pickering乳液，在食品、化学工业等具有推广使用的前景。

目前尚未发现虫胶纳米颗粒用于稳定Pickering乳液的研究，本发明为基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的开发提供理论依据。

附图说明

图1为对比例和实施例1-5中制得的(A)未改性虫胶纳米颗粒和(B-F)壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒的扫描电镜图。

图2为对比例和实施例1-5中制得的未改性虫胶纳米颗粒和壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒的红外光谱图。

图3为对比例和实施例1-5中制得的(A)未改性虫胶纳米颗粒和(B-F)壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒的三相接触角。

图4为对比例和实施例1-5中制得的由(A)未改性虫胶纳米颗粒和(B-F)壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒稳定的Pickering乳液的光学显微图。

图5为对比例和实施例1-5中制得的由未改性虫胶纳米颗粒和壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒稳定的Pickering乳液储藏12h后的外观。

图6为对比例和实施例1-5中制得的由未改性虫胶纳米颗粒和壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒稳定的Pickering乳液离心后的外观。

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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

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

一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂及其制备方法与应用，包括以下步骤：

(1)将700mg虫胶溶于20mL无水乙醇，搅拌均匀形成虫胶乙醇溶液，然后将虫胶乙醇溶液以0.45mL/min滴入处于600rpm的搅拌状态下的100mL去离子水中，再通过旋转蒸发去除乙醇，获得虫胶纳米颗粒分散液；

(2)将1g分子量为30kDa的壳聚糖(上海麦克林生化科技有限公司)溶解于100mL0.1mol/L醋酸溶液，形成1％(g/mL)的壳聚糖溶液；

(3)将步骤(1)中制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于1000rpm快速搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液，使壳聚糖占虫胶纳米颗粒干重的5％，持续搅拌30min形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒；

(4)将步骤(3)中获得的干燥的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒在保证以纳米颗粒存在的虫胶的浓度为5.0mg/mL的前提下分散于0.1mol/L醋酸水溶液形成分散液，取14mL分散液与6mL鱼油在12000rpm的转速下高速剪切2min，得到基于壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒作为Pickering乳化剂的乳液。

实施例2：

(3)将步骤(1)中制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于1000rpm快速搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液，使壳聚糖占虫胶纳米颗粒干重的10％，持续搅拌30min形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒；

实施例3：

(3)将步骤(1)中制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于1000rpm快速搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液，使壳聚糖占虫胶纳米颗粒干重的20％，持续搅拌30min形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒；

实施例4：

(3)将步骤(1)中制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于1000rpm快速搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液，使壳聚糖占虫胶纳米颗粒干重的40％，持续搅拌30min形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒；

实施例5：

(3)将步骤(1)中制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于1000rpm快速搅拌下的步骤(2)中的壳聚糖溶液，使壳聚糖占虫胶纳米颗粒干重的60％，持续搅拌30min形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒；

(4)将步骤(3)中获得的干燥的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒保证以纳米颗粒存在的虫胶的浓度为5.0mg/mL的前提下分散于0.1mol/L醋酸水溶液形成分散液，取14mL分散液与6mL鱼油在12000rpm的转速下高速剪切2min，得到基于壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒作为Pickering乳化剂的乳液。

对比例：

一种基于虫胶纳米颗粒的Pickering乳化剂及其制备方法与应用，包括以下步骤：

(1)将700mg虫胶溶于20mL无水乙醇，搅拌均匀形成虫胶乙醇溶液，然后将虫胶乙醇溶液以0.45mL/min滴入处于600rpm的搅拌状态下的100mL去离子水中，再通过旋转蒸发去除乙醇，获得虫胶纳米颗粒分散液；然后经-80℃冷冻干燥24h获得干燥后的虫胶纳米颗粒；

(2)将步骤(1)中获得的虫胶纳米颗粒在保持虫胶纳米颗粒浓度为5.0mg/mL的前提下分散于水中形成分散液，取14mL分散液与6mL鱼油在12000rpm的转速下高速剪切2min，得到基于虫胶纳米颗粒作为Pickering乳化剂的乳液。

将对比例的步骤(1)和实施例1-5的步骤(3)中获得的干燥后的纳米颗粒粉末粘贴在导电胶上，通过喷金增强导电性，然后使用扫描电镜进行观察，其形貌特征如图1所示，结果可见，对比例中的虫胶纳米颗粒出现了明显聚集；与对比例相比，引入壳聚糖后，经改性的虫胶纳米颗粒的表面光滑，粒径均匀且未发生明显变化，但是颗粒的轮廓清晰并且聚集明显减少。

将对比例的步骤(1)和实施例1-5的步骤(3)中获得的干燥后的纳米颗粒粉末放置于红外光谱的载样台，通过全反射法在400cm^-1-4000cm^-1的波长范围内进行测试，测试分辨率为4cm^-1。测试结果如图2所示，可知改性纳米颗粒中壳聚糖与虫胶纳米颗粒之间未发生共价反应，主要通过静电相互作用和氢键结合。

将对比例的步骤(1)和实施例1-5的步骤(3)中获得的干燥后的纳米颗粒粉末使用压片机在10MPa下压制成直径为1cm、厚度为2mm的圆片。将圆片置入装有使用Florisi吸附剂纯化后的玉米油的玻璃槽置于载物台，使用高精度注射器将一滴3μL超纯水滴至圆片上，稳定30s后使用高速摄像机记录水滴在圆片表面的形状，并使用LaPlace-Young方程模拟成像液滴的轮廓计算三相接触角。纳米颗粒的三相接触角如图3所示，结果表明壳聚糖改性可以明显降低虫胶纳米颗粒的三相接触角，增强其亲水性，使其具有适用于稳定油水界面的表面润湿性。

用蒸馏水将对比例的步骤(2)和实施例1-5的步骤(4)获得的Pickering乳液稀释5倍，然后使用光学显微镜观察乳液的形貌特征。如图4所示，单纯的虫胶纳米颗粒无法很好的稳定油水界面形成乳滴，而经壳聚糖改性后的虫胶纳米颗粒则具有明显的稳定油水界面的能力，可以观察到大量乳滴。

将对比例的步骤(2)和实施例1-5的步骤(4)获得的Pickering乳液在25℃储藏12h以表征其储藏稳定性，乳液的外观如图5所示，单纯的虫胶纳米颗粒无法很好的稳定乳液，乳液出现析油现象，经过壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒稳定的乳液虽然出现乳液相和水相分离的情况，但是未发生析油现象，证明壳聚糖改性后的虫胶纳米颗粒很好地稳定了油水界面，是一种Pickering乳化剂。

将对比例的步骤(2)和实施例1-5的步骤(4)中获得的Pickering乳液在8000rpm下离心10min以表征其离心稳定性，外观如图6所示，由虫胶纳米颗粒稳定的乳液经离心出现严重的析油现象，而壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒稳定的乳液经离心出现乳液相和水相分离，但是未破乳析油，证明壳聚糖改性后的虫胶纳米颗粒稳定油水界面的能力强，是一种Pickering乳化剂。

上述实施例为本发明较优的实施方案，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，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将虫胶溶于无水乙醇，搅拌均匀形成虫胶乙醇溶液，然后将虫胶乙醇溶液滴入处于搅拌状态的水中，再通过旋转蒸发去除乙醇，获得虫胶纳米颗粒分散液；

（2）将壳聚糖溶解于醋酸溶液，形成壳聚糖溶液；

（3）将步骤（1）制得的虫胶纳米颗粒分散液加至处于搅拌下的步骤（2）中的壳聚糖溶液中，持续搅拌形成壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒分散液，然后经冷冻干燥获得干燥后的壳聚糖改性的虫胶纳米颗粒，即为基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂；

步骤（3）中虫胶纳米颗粒分散液与壳聚糖溶液的用量满足：壳聚糖干重占虫胶纳米颗粒干重的百分比为5%~60%;

所述步骤（1）中虫胶乙醇溶液的浓度为5 mg/mL~35 mg/mL；

步骤（1）中所述水的用量满足：每含700mg虫胶的虫胶乙醇溶液对应加入至75 mL~200mL的处于搅拌状态的水中;

步骤（2）中所述的醋酸溶液指浓度为0.1 mol/L~ 0.3 mol/L的醋酸水溶液；

步骤（2）中壳聚糖溶液的浓度为0.5%~1.5%，浓度单位为g/mL;

步骤（3）中的搅拌速度为600 rpm~1000 rpm；步骤（3）中持续搅拌的时间为20 min~ 40min；

步骤（3）中冷冻干燥的温度为-60 ℃~ -80 ℃，冷冻干燥的时间为18 h~ 30h。

2.根据权利要求1所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的制备方法，其特征在于：

步骤（2）所述壳聚糖的分子量为30 kDa~150 kDa。

3.根据权利要求1所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂的制备方法，其特征在于：

步骤（3）中虫胶纳米颗粒分散液与壳聚糖溶液的用量满足：壳聚糖干重占虫胶纳米颗粒干重的百分比为20%。

4.一种由权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂。

5.根据权利要求4所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂在制备Pickering乳液中的应用。

6.根据权利要求5所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂在制备Pickering乳液中的应用，其特征在于具体包括以下步骤：

7.根据权利要求5所述的基于虫胶纳米颗粒和壳聚糖的Pickering乳化剂在制备Pickering乳液中的应用，其特征在于：

所述的Pickering乳化剂在分散液中保证以纳米颗粒存在的虫胶的浓度为4.0 mg/mL~6.0 mg/mL；所述的分散液和油脂的用量满足油脂的体积占分散液和油脂体积之和的10~30%。