CN115486494A

CN115486494A - 一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法

Info

Publication number: CN115486494A
Application number: CN202211155580.2A
Authority: CN
Inventors: 许江; 王爱勤; 惠爱平; 朱永峰; 康玉茹
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2042-09-22
Also published as: CN115486494B

Abstract

本发明公开了一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，是以棒晶束解离后的凹凸棒石作为稳定乳液的固体纳米粒子，海藻酸钠溶液和植物精油作为连续相和分散相，得到高稳定性Pickering抗菌乳液，进一步将该乳液与阳离子交联制备出凝胶球状或膜状抗菌产品，有效解决了植物精油物作为饲料添加剂存在的易挥发、易氧化、刺激性气味重及适口性差等实际应用问题。本发明以易降解且生物相容性高的植物提取物和黏土矿物为主要原料，结合高效、环保的Pickering乳液制备方法和离子交联构筑抗菌产品，工艺流程设计合理且反应过程易于控制，抗菌产品在抗菌药剂、动物饲料添加剂和缓释药物等领域具有良好的应用前景。

Description

一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法

技术领域

本发明涉及一种Pickering乳液基抗菌产品的制备，尤其涉及一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，属于黏土矿物高值化应用和抗菌材料制备领域。

背景技术

Pickering乳液主要由水相、油相和固体颗粒稳定剂组成，将一种难溶性固体粒子不可逆吸附在油水两相界面，形成一个封闭的壳状结构包裹住分散相，从而阻止分散相的流出或破乳等不稳定行为，具有热力学稳定性优和固体粒子来源广泛等优点，已在食品、生物、化妆品和医药等行业得到应用。与传统表面活性剂稳定的乳液相比，天然黏土矿物稳定的Pickering乳液方面还具有绿色无毒、价格低廉和便于修饰等独特优势，例如凹凸棒石、高岭石、海泡石等。乳液悬浮稳定性是评价Pickering乳液产品性能的重要关键指标之一，要保证乳液在存放过程中至少不会有破乳、沉淀或变质发生，然而Pickering乳液的悬浮稳定性会受到中所添加黏土矿物的晶体形态、分散性和表面电荷等多种因素的影响，因此，高稳定性Pickering乳液体系是一个涉及多组分、非均相且多因素影响的复杂体系。

抗生素在人和动物疾病治疗中发挥着重要作用，然而抗生素的长期使用不仅使病原菌产生耐药性，更造成畜产品和生态环境中的药物残留问题，对人类健康安全造成极大威胁。目前，我国饲料生产已全面进入“无抗时代”，从生命大健康作为出发点或从安全养殖等方面考虑，都急需寻找一种安全且可靠的替代抗生素产品。现有饲用抗生素替代产品包括酶制剂、微生态制剂、中兽药/植物提取物制剂、酸化剂、寡糖、抗菌肽、噬菌体等，其中酶制剂、微生态和中兽药/植物提取物制剂是最具有潜力的替抗产品。植物精油作为纯天然植物提取物中的重要次生代谢产物，当其作用于细菌时，会影响细菌的细胞结构，从而造成无法逆转的细胞损伤，还可以诱导菌丝体的溶解，最终导致细菌死亡；同时精油还可减少或抑制细菌分生孢子的生成和继续萌发，从而降低或彻底阻断病原菌后代继续造成危害。正是基于独特的抗菌、抗病毒、抗炎、抗氧化等作用属性，植物精油在改善动物免疫功能、调节肠道菌群、促进动物生长性能以及实现安全健康养殖等方面具有积极影响，还不会产生耐药性，因此，植物精油被认为是拟替代抗生素的高价值生物资源之一，尤其是综合抑菌性能较优的牛至、肉桂、百里香和茶树精油。但是，将植物精油直接加入饲料存在常温下挥发性强（如芳香族化合物、小分子萜源衍生物挥发）和易发生氧化等缺陷，会降低精油的抑菌活性和抗氧化性，同时释放出的刺激性气味也会影响饲料的适口性。

发明内容

针对上述植物精油作为抗菌添加剂或动物安全健康养殖中替代抗生素类产品时，存在挥发性强、易氧化以及适口性差等不足之处，本发明在深入理解Pickering乳液制备方法和植物精油抗菌机理的基础上，提供一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的方法，得到一种凝胶球状或膜状植物精油基绿色抗菌产品，可应用于抗菌药剂、动物饲料添加剂和缓释药物等领域。此项技术或工艺可作为解决植物精油基抗菌产品中植物精油易挥发和易氧化问题的重要途径之一，有利于实现凹凸棒石和植物精油在抗菌材料和动物安全健康养殖领域的高值利用，而且此项技术并没有相关研究报道，也未见应用先例。

本发明以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的方法，包括以下步骤：

（1）Pickering乳液的制备

将凹凸棒石原矿依次经破碎、制浆、旋流分级、低频（20~50 Hz）超声组合或高压均质、压滤以及强力干燥处理得到解离凹凸棒石；在搅拌下向质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液中依次加入表面活性剂和解离凹凸棒石，并高速搅拌（≥6000 rpm）形成均一悬浮液；然后向该悬浮液中加入植物精油，并在4000~6000 rpm下持续搅拌5~10 min，形成稳定的Pickering乳液；其中，各组分按以下质量百分比加入海藻酸钠水溶液：表面活性剂0.25%~0.50%，解离凹凸棒石1.5%~3.0%，植物精油3.0%~10.0%。

所述的低频超声组合处理至少由3个不同频率超声处理组合而成，功率密度为40~70 W/L的，处理时间为10～20 min。所述的低频超声组合处理按超声频率逐步增大组合而成。低频&高功率超声处理在液相介质中更易于产生强烈的空穴效应，而且不破坏其物质结构和化学形态，即有助于实现凹凸棒石棒晶束高效、无损解离，而且低频超声设备的使用寿命更长、金属部件受到的气蚀破坏也更小。而低频超声组合会协同加强超声波空化效应，导致悬浮液中发生的空化事件数量增多、空化强度增加近而提升空化效率，而且逐步增加超声频率也有利于在微观尺度上进行连续且逐级将棒晶聚集体解离成单个棒晶的物理反应过程。

所述的高压均质解离凹凸棒石棒晶束处理是在20~40 Mpa均质压力下进行，先除砂后解离也保证了棒晶束解离的高效性和连续性。

所述的表面活性剂为十二烷基三苯基溴化磷、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、Tween系列表面活性剂以及Span系列表面活性剂中至少一种。所述的植物精油为肉桂精油（如肉桂醛）、百里香精油（百里香酚）、牛至精油（香芹酚、丁香酚、香芹酮）以及茶树精油（如月桂精油）中至少一种。乳液制备过程中合理控制搅拌速率和精油添加量不但有利于水包油乳液的乳化包封效率，也有利于控制产品的制备成本和生产效率。

（2）植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的制备

将上述高稳定性的Pickering乳液逐滴加入钙盐或锌盐水溶液中，经交联、干燥，得到凝胶球状抗菌产品；或将Pickering乳液流延成膜后浸渍在钙盐或锌盐水溶液中，经交联、干燥得到膜状抗菌产品。

所述钙盐为氯化钙、碘化钙、磷酸二氢钙或硝酸钙，钙盐溶液的质量分数为0.5%~3.0%。钙离子的引入可实现快速和密实交联。所述的锌盐为硝酸锌、氯化锌或硫酸锌，锌盐水溶液的质量分数为0.5%~3.0%。锌离子的引入除了实现交联还可以进一步提升产品的抗菌性能。

图1 为凹凸棒石原矿、超声组合处理解离后以及高压均质解离后SEM（a、b、c）和TEM图像（d、e、f）。从图1可见，在低频高功率超声组合解离或高压均质解离带来的强大的空化、剪切、碰撞以及温度效应作用下，凹凸棒石的棒晶分散性明显提升，大量的棒晶聚集体已被高效、无损解离（平均粒径D₅₀减小至原来的1/3左右）；解离凹凸棒石具有更大的比表面积（比表面积由原来的154.09 m²/g增大到197.23 m²/g），表面或端面暴露出更多的负电荷，而且大量高分散性棒晶无规则排列形成大量的堆积孔（总孔体积也由原来的0.2389 cm³/g增大到0.3254 cm³/g），这些都有利于进一步提升凹凸棒石的吸附容量和胶体性能，最终有助于保证Pickering乳液的长期和高效稳定。凹凸棒石解离前后的比表面积、孔结构参数以及平均粒径见表1。

图2为本发明解离凹凸棒石悬浮液的旋转黏度变化曲线（a）和沉降曲线（b）。从解离凹凸棒石悬浮液的旋转黏度变化和沉降性能变化可以看出，相对于原矿悬浮液，解离凹凸棒石悬浮液的旋转黏度和悬浮稳定性有较大幅度提升，连续相黏度增加进一步降低了乳液液滴的迁移速率和程度，从而阻止乳液液滴聚结和提高乳液的稳定性。

图3为以本发明制备方法得到的Pickering乳液的稳定性随时间变化情况，并与不引入解离凹凸棒石的情形进行对比。从图3可以看出，不加入解离凹凸棒石形成的乳液中精油会漂浮在上层，30天后可观察到清晰的油/水界面，180天后上层精油已被空气氧化且颜色加深；加入未经解离的凹凸棒石原矿只能形成稳定性较差的Pickering乳液，短期内即会快速沉降；加入解离凹凸棒石可以形成稳定的Pickering乳液，即使在静置180天后仍展现出良好的悬浮稳定性，这说明解离凹凸棒石可与表面活性剂、海藻酸钠分子相互作用并严密包裹在精油液滴表面，有利于形成高悬浮性和稳定性的Pickering乳液。

图4为本发明实施例制备的Pickering乳液静置180天后光学显微镜照片。从图4可以看出，即使乳液静置了180天，大小均一且形状完整的乳液液滴仍均匀分布在连续相中，这是因为凹凸棒石棒晶会稳定吸附且紧密排布在乳液液滴表面，形成一层致密的阻隔膜，有效阻止了乳液液滴之间的碰撞聚并，并增加了乳液液滴之间的相互斥力，二者共同作用提高了乳液的稳定性。

图5为本发明实施例制备的Pickering乳液静置180天后对细菌的抑制效果图。本发明中乳液抗菌性能评价采用菌落计数法，具体测试步骤参考卫生部2002版消毒技术规范2.1.8抗（抑）菌试验。图5评价结果可以看出，本发明制备的Pickering乳液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出较优的抗菌活性，对两种常见细菌的抑菌率最高均可达到100%。

图6为本发明实施例制备的植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品。通过不同的交联方式可得到凝胶球状或膜状抗菌产品，植物精油被二次包封，刺激性气味会大幅降低，饲料适口性增加，当该类抗菌产品进入动物的胃或肠道等酸性环境中，包封结构会被展开或部分破坏，抗菌因子植物精油会被释放和吸收，而且通过调节乳液滴加量和阳离子浓度等参数可调控交联程度，依据不同的交联程度和密度可实现抗菌精油的缓释或控释。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首先以低频超声组合或高压均质处理为核心的解离工艺得到高分散性的解离凹凸棒石，再以解离凹凸棒石作为制备Pickering乳液的稳定剂和增黏剂，以海藻酸钠水溶液和植物精油分别作为连续相和分散相，并优化乳液制备条件（如搅拌速率、时间、表面活性剂添加量等）得到高稳定性的Pickering抗菌乳液，进一步将所得高稳定性乳液与含Ca²⁺或Zn²⁺溶液交联制备出凝胶球状或膜状抗菌产品，即结合凹凸棒石棒晶束解离、乳液模板法和离子交联等工艺解决了植物精油作为饲料添加剂时的挥发性强、适口性差等问题，在动物饲料、替代抗生素类产品等领域具有良好的应用前景；

2、本发明制备抗菌产品所用原料主要为海藻酸钠、凹凸棒石、植物精油、Ca盐溶液以及具有抗菌活性的Zn等，多为天然黏土矿物、植物提取物或可生物合成的活性抗菌因子，具有来源广泛、无毒、易降解和生物相容性好等特点，产品的制备、应用和废弃物均不会对环境和生态造成污染，以绿色、环保和低碳反应模式得到了一种高效、无毒副作用的饲料添加剂，有助于实现凹凸棒石和植物精油资源的高值化应用。整个制备工艺流程设计合理，反应条件温和、过程易于控制。

附图说明

图1为本发明制备Pickering乳液所用解离凹凸棒石的微观结构图像。

图2为本发明解离凹凸棒石悬浮液的旋转黏度变化曲线和沉降曲线。

图3为以本发明制备方法得到的Pickering乳液的稳定性随时间变化情况，并与不引入解离凹凸棒石的情形进行对比。

图4为本发明实施例制备的Pickering乳液静置180天后光学显微镜照片。

图5为本发明实施例制备的Pickering乳液静置180天后对细菌的抑制效果。

图6为本发明实施例制备的植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备方法作进一步说明。

对比例1

乳液的制备：取500 mL质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入2.5g Tween-60，持续搅拌10 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入25g百里香酚并在6000 rpm下持续搅拌5 min得到乳液；该乳液稳定性见图3。

实施例1

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水中搅拌制浆4h，然后依次经过旋流分级、低频超声组合处理（频率分别为20、30、40Hz，功率密度为40 W/L，处理时间为20 min）得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.25%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入2.5g十八烷基三甲基氯化铵和7.5g解离凹凸棒石，持续搅拌10 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入15g香芹酚并在4000 rpm下持续搅拌10 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液10 mL逐滴加入0.5%氯化钙水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

实施例2

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水中搅拌制浆5h，然后依次经过旋流分级、低频超声组合处理（频率分别为20、30、50Hz，功率密度为40 W/L，处理时间为10 min）得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液，在6000 rpm下搅拌下依次加入1.25g Tween-20和10g解离凹凸棒石，持续搅拌5 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入30g百里香酚并在6000 rpm下持续搅拌5 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液10 mL逐滴加入3 %氯化锌水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

实施例3

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水中搅拌制浆6h，然后依次经过旋流分级、低频超声组合处理（频率分别为20、40、50Hz，功率密度为50 W/L，处理时间为15 min）得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.25%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入1.25g Tween-80和12.5g解离凹凸棒石，持续搅拌10 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入40g肉桂醛并在4000 rpm下持续搅拌10 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液10 mL逐滴加入2 %磷酸二氢钙水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

实施例4

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水中搅拌制浆4h，然后依次经过旋流分级和30 Mpa下高压均质处理得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入1.25g Tween-60和15g解离凹凸棒石，持续搅拌10min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入50g大蒜精油并在6000 rpm下持续搅拌5 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液20 mL流延成膜后浸渍在1.5 %硫酸锌水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

实施例5

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水搅拌制浆4h，然后依次经过旋流分级和低频超声组合处理（频率分别为30、40、50Hz，功率密度为70 W/L，处理时间为20 min）得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入2.5g Span-60和15g解离凹凸棒石，持续搅拌10 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入25g月桂精油并在6000 rpm下持续搅拌10 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液20 mL流延成膜后浸渍在1.5 %硝酸钙水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

实施例6

（1）Pickering乳液的制备：将2 kg天然凹凸棒石原矿经破碎、对辊后均匀分散到20 L水中搅拌制浆6h，然后依次经过旋流分级和低频超声组合处理（频率分别为20、30、40Hz，功率密度为70 W/L，处理时间为20 min）得到解离悬浮液，再经压滤和强力干燥处理（110℃）得到解离凹凸棒石；取500 mL质量分数0.5%的海藻酸钠水溶液，在8000 rpm下搅拌下依次加入2.5g Tween-60和10g解离凹凸棒石，持续搅拌5 min形成均一悬浮液；再在搅拌下加入50g丁香酚并在8000 rpm下持续搅拌5 min，形成稳定的Pickering乳液；该乳液的光学显微镜照片以及对细菌的抑制效果见图4、5；

（2）植物精油/解离凹凸棒石抗菌产品的制备：取上述Pickering乳液20 mL流延成膜后浸渍在3.0 %硝酸锌水溶液中，经交联反应、干燥得到凝胶球状抗菌产品。该产品图片见图6。

Claims

1.一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，包括以下步骤：

（1）Pickering乳液的制备：将凹凸棒石原矿依次经破碎、制浆、旋流分级、低频超声组合或高压均质、压滤、强力干燥处理，得到解离凹凸棒石；在搅拌下向质量分数为0.25%~0.50%海藻酸钠水溶液中，依次加入表面活性剂和解离凹凸棒石，并在6000~8000rpm下高速搅拌形成均一悬浮液；然后向该悬浮液中加入植物精油，并在4000~6000 rpm下持续搅拌5~10 min，形成稳定的Pickering乳液；其中，各组分按以下质量百分比加入海藻酸钠水溶液：表面活性剂0.25%~0.50%，解离凹凸棒石1.5%~3.0%，植物精油3.0%~10.0%；

（2）植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的制备：将上述高稳定性的Pickering乳液逐滴加入钙盐或锌盐水溶液中，经交联、干燥，得到凝胶球状抗菌产品；或将Pickering乳液流延成膜后浸渍在钙盐或锌盐水溶液中，经交联、干燥得到膜状抗菌产品。

2.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（1）中所述低频超声组合处理至少由3个不同频率超声处理组合而成，功率密度为40~70 W/L，处理时间为10～20 min。

3.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（1）中所述低频超声的频率为20~50 Hz，超声组合处理是按超声频率逐步增大的方式进行组合。

4.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（1）中所述高压均质处理是在20 ~40Mpa压力下进行。

5.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的植物精油为肉桂精油、百里香精油、牛至精油、茶树精油中至少一种。

6.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的表面活性剂为十二烷基三苯基溴化磷、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、Tween系列表面活性剂、Span系列表面活性剂中至少一种。

7.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的钙盐为氯化钙、碘化钙、磷酸二氢钙或硝酸钙，钙盐水溶液的质量分数为0.5%~3.0%。

8.如权利要求1所述一种以乳液为模板构筑植物精油/解离凹凸棒石复合抗菌产品的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的锌盐为硝酸锌、氯化锌或硫酸锌，锌盐水溶液的质量分数为0.5%~3.0%。