TWI625306B - 以酸鹼處理法製備稻殼萃取物生物合成高安定性且分散可逆性奈米銀懸浮液之方法 - Google Patents

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本發明涉及一種以酸鹼處理法製備稻殼萃取物生物合成高安定性且分 散可逆性奈米銀懸浮液之方法，係利用高壓反應器酸水解及鹼處理(acid and alkaline pretreatment extraction,AAPE)提高其中具還原力之抗氧化物質萃取量，總酚含量為熱水萃取法(boiling water extraction,BWE)的100倍以上。製備奈米銀條件為以1：3之體積比，pH 10之稻殼萃取物與0.00001-0.0001mol/L之硝酸銀溶液混合，於25℃的溫度下反應1小時，合成穩定分散、高結晶度、粒徑介於1-100nm之奈米銀懸浮液。本發明直接利用稻殼之萃取物作為還原劑及分散劑奈米銀，不需額外添加化學還原劑及分散劑，具綠色環保之優點。縱使奈米銀顆粒因聚集而沉澱，亦可經由稀釋而恢復高安定性奈米銀懸浮液。

Description

以酸鹼處理法製備稻殼萃取物生物合成高安定性且分散 可逆性奈米銀懸浮液之方法
本發明係關於一種奈米材料的綠色製備法；特別關於一種以農業副產物製備奈米銀之方法，其中上述農業副產物係選用稻殼。
稻米是世界上產量排行第三的農作物，亦為現今全球最多人口食用的主食。收割後的稻米需進行加工處理，以供人類食用。碾米過程中將去除稻殼(rice husk)，即稻穀構造的最外層，約佔全榖乾物重量的20%，台灣每年約產生34萬公噸稻殼，為主要農業廢棄物之一，大部分都被當作廢棄物，透過露天燃燒或直接傾倒在河川、空地來處理，造成環境污染。
稻殼中的總酚含量為477.6mg/100g乾重，是稻米全穀中最高的部位。稻殼中的酚酸有94%屬於羥基肉桂酸類的酚酸(如：對香豆酸、阿魏酸等)，這些酚酸易釋出氫原子，具強還原能力。酚酸可分為游離型及結合型酚酸，稻穀中有74%酚酸都以結合型酚酸的形式存在，通常與細胞壁中的纖維素、果膠、脂蛋白等或其他基質以酯化的形式緊密結合，使用一般溶劑萃取後，仍保留在殘渣中。目前已開發的萃取酚酸技術中，超音波震盪萃取法、超臨界流體萃取、索氏萃取法、微波輔助萃取、加壓溶液萃取法等，雖方法簡單，但普遍存在萃取效率差、萃取時間長、萃取溫度高、毒性物質殘留等缺點。
本發明為提供一種奈米材料的綠色製備法，特別關於一種以稻殼製備奈米金屬懸浮液之方法，該製備方法係利用稻殼萃取具還原能力的抗氧化物作為還原劑將金屬離子還原成金屬，並作為分散劑穩定所合成的奈米金屬。
在本發明的一實施例中，包括以稻殼萃取物合成奈米銀，該製備方法萃取稻殼中之抗氧化物質作為還原劑及穩定劑，稀釋1-10,000倍後調整其pH介於2-12之間，以1：10-10：1之體積比將0.00001-1mol/L作為前驅物的硝酸銀加入萃取物中，於25-80℃的溫度下反應0-24小時，合成穩定分散的奈米銀懸浮液，乾燥處理後得奈米銀。
本發明另一技術特徵係提供一種提高稻殼還原物質之萃取效率的製備方式，係經由下述步驟所製備，包括：於磨成粉末的稻殼中加入包含硫酸之水溶液，置於高壓反應器中加熱後，將固形物與液體分離，將酸水解後之固形物洗至中性，烘乾後再加入鹼液，置於高壓反應器中加熱後冷卻至室溫，以酸液調整pH，加入溶劑震盪萃取三次，合併收集上層液，去除溶劑，回溶至甲醇中，得酸鹼預處理過之稻殼萃取物(AAPE)。
在合適的合成條件下，不需使用化學還原劑及穩定劑，所合成的奈米銀為具高結晶度、穩定且粒徑範圍介於1-100nm之間的近球狀奈米銀，並具有分散可逆性，亦即縱使奈米銀顆粒因聚集而沉澱，亦可經由稀釋而恢復高安定性奈米銀懸浮液。
以咖啡酸為例(如下段附圖)，稻殼萃取物能將銀離子還原成奈米銀的機制如下述：在鹼性下，咖啡酸放出一個電子還原Ag+成Ag0，形成咖啡酸自由基，接著咖啡酸自由基還原另一個Ag0，最終氧化形成鄰位醌化合物。另一方面，兩 個咖啡酸偶合成二聚物，此咖啡酸二聚物可還原四個Ag+成Ag0並氧化形成醌類化合物。咖啡酸的鄰位醌化合物及醌類化合物可透過C=O與奈米銀結合，使奈米銀周圍產生空間阻礙作用，而不易聚集，藉此穩定奈米銀的結構。
(以咖啡酸為例，稻殼萃取物將銀離子還原成奈米銀的機制。)
與現有技術相比，本發明以AAPE粹取稻殼中的總酚含量達3428.2±20.6(mg GAE/100g rice husk)，為以BWE粹取的總酚含量33.3±3.3(mg GAE/100g rice husk)的102.9倍。選用稻殼之萃取物作為銀離子的還原劑及分散劑，於溫和條件下生物奈米銀，避免毒性較高的化學藥劑的使用，並利用一般作為廢棄物的稻殼綠色合成具高經濟價值之奈米材料，降低奈米材料製程對環境的衝擊，具製程簡單、環境友善、反應溫和、綠色環保等優點。
圖1係本發明中稻殼萃取物之製備流程圖。
圖2係本發明實施例1製備所得的奈米銀懸浮液之全波長掃描圖譜。
圖3本發明實施例1製備所得的奈米銀懸浮液鑲嵌於鍍碳銅網上之穿透式顯微鏡下觀察的圖像。
圖4本發明實施例2製備所得的奈米銀懸浮液鑲嵌於鍍碳銅網上之穿透式顯微鏡下觀察的圖像。
圖5本發明實施例1製備所得的奈米銀懸浮液乾燥於蓋玻片上，粉碎後與粉末態銀標準品比較之XRD繞射圖譜。
圖6依照本發明之該稻殼萃取物之製備方法，萃取所得的該稻殼萃取物之HPLC分析測定圖譜：(a)AAPE經濃縮回溶至水相；(b)BWE。
圖7係本發明實施例3製備所得分散於AAPE中的奈米銀懸浮液在不同反應時間下之全波長掃描圖譜。
圖8係本發明實施例4製備所得的奈米銀懸浮液之全波長掃描圖譜：(a)離心前；(b)離心後上層液；(c)離心後下層沉澱物回溶於甲醇中。
以下結合圖式及實施例對本發明作詳細敘述。
實施例1：
請參見第1圖，稻殼經60℃烘箱熱風乾燥至水分含量小於5%，於乾燥器中冷卻至室溫，磨成粉末狀，過篩保留小於60 mesh之顆粒，取125g加入稻殼：H2SO4的比例為1：8(w/v)的硫酸溶液體積，使最後H2SO4濃度為250mg H2SO4/g稻殼，置於具雙攪拌葉片的高壓反應器中，於115℃下加熱40分鐘，抽氣過濾，將酸水解後之稻殼以RO水洗至中性，於50℃烘箱中烘乾6小時，取40g以稻殼：NaOH為1：30(w/v)的比例添加濃度為8.7%之NaOH，置於加熱反應器中，於132℃下加熱118分鐘，冷卻至室溫，取15mL置於離心管中以6M HCl調整其pH至2-3(大部份的酚酸pKa14-5)，加入4℃預冷之乙醚：乙酸乙酯=1：1(v/v)的冰冷混合液15mL，經超音波震盪30分鐘，以高速離心機設定轉速 2500×g，於溫度4℃離心15分鐘，收集上層液，下層再重複萃取三次，隨後合併三次萃取液並於40℃下以60rpm的轉速減壓濃縮配合吹氮濃縮至乾，以甲醇回溶定量至40mL，經0.22μm濾膜過濾，即製得經AAPE法之萃取物。
由於粒徑介於1-100nm之間的奈米銀在分類上屬膠體溶液，易受到電解質或其他物質影響，失去靜電斥力等作用力而互相聚集產生沉澱，影響實驗結果判斷，為確保使用容器無雜質，實驗用玻璃容器皆以丙酮、甲醇、去離子水經超音波震盪各10分鐘清潔並於40-60℃烘乾方予以使用。
利用甲醇將AAPE稀釋10倍，取1mL以NaOH調整至pH為10，慢慢加入3mL 0.001M AgNO3，超音波震盪5分鐘，置於25℃水浴下反應60分鐘，製得奈米銀懸浮液。
當奈米銀粒徑遠小於入射光波長時，表面電子因受到入射光的激發，引起集體式的偶極振盪，造成表面電子偏極化，在可見光波長下產生明顯的表面電漿共振，作為液態奈米銀初步觀察的鑑定工具(。參見第2圖，係200μL本實施例製得的奈米銀懸浮液，於300-700nm全波長掃描所獲得之圖譜，於440-460nm處出現典型球狀奈米銀特性吸收峰。
參見第3圖，係本實施例製得的奈米銀懸浮液，鑲嵌於鍍碳銅網上，以穿透式顯微鏡(TEM)放大300,000倍下觀察所得到的圖像，奈米銀懸浮液為近球狀的顆粒，粒徑<14.5nm，且未觀察到聚集現象。一般以植物合成法製備的奈米銀會被萃取物中的酚類化合物包覆，本實施例也能看到黑色的奈米銀皆分散在灰色區塊中，推測灰色部分(第3圖及第4圖紅色箭頭處)為萃取物，萃取物表現了其覆蓋在奈米銀四周的特性，避免奈米銀顆粒彼此接觸而聚集，藉此防止奈米銀粒徑的增長，穩定奈米銀的顆粒結構。
參見第5圖，圖中橘色線條為本實施例製得的奈米銀，與藍色線條(粉末態銀標準品)繞射峰非常接近，於2 θ=38、44、64、77及81°具繞射峰，分別對應{111}、{200}、{220}、{311}及{222}晶面。此結果表示所合成的奈米銀為高度結晶的純粒子，並與標準品一樣，屬面心立方(faced centercubic)結晶結構。其中{111}晶面之繞射強度為所有晶面中最高，由於{111}晶面之奈米銀具有抗菌效果，由此可推估以本實施例製備的奈米銀可作為抗菌材料使用。
實施例2：
稻殼經60℃烘箱熱風乾燥至水分含量小於5%，於乾燥器中冷卻至室溫，磨成粉末狀，過篩保留小於60 mesh之顆粒，取稻殼粉末10g，加入10mL去離子水，於90℃下加熱30分鐘，冷卻至室溫，在8000×g下離心30分鐘，取上層液經0.22μm濾膜過濾，即製得經BWE法之萃取物。
實驗用玻璃容器皆以丙酮、甲醇、去離子水經超音波震盪各10分鐘清潔並於40-60℃烘乾方予以使用。取1mL上述經BWE法製得之萃取物並以NaOH調整至pH為10，再慢慢加入3mL 0.001M AgNO3，超音波震盪5分鐘，置於25℃水浴下反應60分鐘，製得粒徑<50nm之近球狀奈米銀懸浮液。
參見第4圖，係本實施例製得的奈米銀懸浮液，鑲嵌於鍍碳銅網上，以穿透式顯微鏡放大300,000倍下觀察所得到的圖像，奈米銀懸浮液為粒徑<50nm但粒徑分佈較不均勻的近球狀顆粒。
為避免甲醇相樣品於75%以上為水相之移動相中出現伸舌峰而影響數據判斷，實施例1中之AAPE在測定前先取5mL通氮氣吹乾至體積剩下1mL，再以去離子水回溶至5mL，通過0.22μm濾膜，並經超音波震盪脫氣10分鐘，利用HPLC(C-18分析管柱配合紫外光偵測器，固定管柱溫度為50±0.1℃，偵測波長為 280nm，樣品注射體積為20μL)梯度分析測定其中酚酸之種類與含量，與九種常見於稻穀中之酚酸標準品(沒食子酸、原兒茶酸、4-羥基苯甲酸、3-羥基苯甲酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、對香豆酸、阿魏酸)比對得知，AAPE中總酚酸含量約為762.53ppm，參見第6(a)圖，AAPE以對香豆酸為含量最高的酚酸(佔432.84ppm)，波峰位於滯留時間約為25分鐘處。
實施例3：
將實施例1中超音波震盪處理後的奈米銀懸浮液置於密閉容器中，於25℃水浴中反應10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘、60分鐘、24小時、1星期、5個月，取200μL進行300-700nm全波長掃描，參見第7圖，觀察到隨著反應時間的增長，奈米銀懸浮液的特性吸收峰也隨之增高，表示奈米銀的合成隨著時間的增長而增加。以本實施例製備奈米銀的反應相當迅速，10分鐘內便有奈米銀的生成，波峰位於445nm下。隨著時間的增長，波峰位置並不會改變，此乃奈米銀的成核(nucleation)是在反應的起始階段，在反應過程中奈米銀的粒徑並不再有太大差異，惟有數量上的增加，推論AAPE中酚酸的分散性有助於防止奈米銀聚集。
反應5個月的奈米銀仍未有顏色變化及肉眼看得見的沉澱產生，顯示本實施例所製備的奈米銀能在溶液中分散均勻穩定存在。參見第7圖，其全波長掃描圖譜最大吸收峰的位置與剛製備時比較，無明顯變化，但吸收強度卻大幅增加，意即雖肉眼看起來沒有奈米銀的聚集產生，但銀離子的還原是持續不斷在進行的。
實施例4：
將實施例1中之AAPE利用甲醇稀釋10倍，取2.4mL以NaOH調整至pH為10，慢慢加入0.6mL 0.001M AgNO3，置於密閉容器中超音波震盪5分鐘，並於25℃、50℃、80℃水浴中反應60分鐘，降至室溫後取200μL進行300-700nm全波長掃描，參見第8a圖；其餘懸浮液經163,000×g離心10分鐘，上層液取200μL進行300-700nm全波長掃描，參見第8b圖；下層沉澱物回溶至甲醇中，取200μL進行300-700nm全波長掃描，參見第8c圖。
第8圖中觀察到，經離心後，上層液中幾乎不含奈米銀(第8b圖)，推測奈米銀幾乎與AAPE結合沉澱。濃度很高的下層沉澱物回溶至甲醇後，仍是分散均勻不沉澱的奈米銀懸浮液(第8c圖)。與第8a圖相比，奈米銀懸浮液的特性吸收峰峰寬有變寬的趨勢，表示奈米銀粒徑分佈變得較不均勻。離心前奈米銀懸浮液之全波長掃描圖譜，其波峰分別在445(25℃)、450(50℃)、455nm(80℃)，離心後其波峰則都在445nm，波峰位置往短波長方向移動，顯示離心後奈米銀的粒徑變小。由此現象發現，奈米銀被鑲在稻殼萃取物的酚類化合物中，縱使奈米銀因濃度變高而沉澱，亦可經由稀釋而恢復得高安定性奈米銀懸浮液，且奈米銀的粒徑有變小的趨勢。
本發明之上述實施例僅為清楚說明本發明所作之舉例，並非對本發明實施方法的限定。凡屬於本發明技術方案所引申的變化仍處於本發明的保護範圍之列。

Claims (14)

  1. 一種提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，包括以下步驟：步驟一：稻殼經60℃熱風乾燥1~24小時，按1：8(w/v)比例加入硫酸液，以100~150℃高溫加熱10~100分鐘，分離固形物以得一稻殼之酸水解物，並將其反覆清洗至中性；步驟二：經60℃熱風乾燥乾燥該稻殼之酸水解物，再按1：10~1：50(w/v)比例加入濃度8.7% NaOH鹼液，以132℃高溫加熱118分鐘以得一鹼處理液，將該鹼處理液以6M鹽酸調整至酸性，再加入乙醚：乙酸乙酯=1：1(v/v)之溶劑萃取30分鐘；步驟三：收集上層液並進行去除該萃取溶劑程序，再以一極性溶劑回溶並去除雜質，製得具高濃度有效成分之稻殼萃取物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟一之該酸液濃度係為每公克該稻殼得添加100~500mg之該酸液。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟一之高溫加熱程序的溫度範圍為115℃，且加熱時間為40分鐘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟二的稻殼之該酸水解物與該NaOH鹼液之比例為1：30(w/v)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟二的鹼酸處理萃取液與該萃取溶劑的比例為5：1~1：5(v/v)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟三的去除萃取溶劑程序係選自由常壓蒸餾法、減壓濃縮法以及吹氮濃縮法所組成之群組中的至少一種。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之提高農業副產物萃取物之有效成分的製備方式，其中該步驟三的極性溶劑係選自由水、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、乙腈、丙酮、二甲基甲醯胺(DMF)以及二甲基亞碸(DMSO)所組成之群組中的至少一種。
  8. 一種以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，包括下列步驟：先製備一稻殼萃取物以及一銀離子前驅物，該稻殼萃取物係由如申請專利範圍第1至7頊所述之提高稻殼萃取物之有效成分的製備方式製得；步驟一：稀釋該稻殼萃取物至10倍，並調整pH至範圍10；步驟二：將硝酸銀稀釋至銀離子濃度0.0001~0.001mol/L步驟三：按照稀釋萃取液與稀釋硝酸銀體積比例1：3，於25℃的溫度下反應1小時，製得一奈米銀懸浮液。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該稻殼萃取物係作為還原劑。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該稻殼萃取物係作為分散劑。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該稻殼萃取物係同時作為還原劑兼分散劑。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該銀離子前驅物之該預定濃度範圍係0.001mol/L。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該奈米銀懸浮液中奈米銀粒子之粒徑範圍為1~100nm。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之以稻殼萃取物製備高安定奈米銀懸浮液之方法，其中該奈米銀懸浮液具高度安定性及分散可逆性，即當該奈米銀懸浮液中之奈米銀顆粒因聚集而沉澱，亦可經由稀釋而恢復高安定性。
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CN103319328A (zh) * 2013-05-23 2013-09-25 暨南大学 一种阿魏酸的制备方法

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Eric C. Njagi等撰寫，「Biosynthesis of Iron and Silver Nanoparticles at Room Temperature Using Aqueous Sorghum Bran Extracts」，Langmuir，Vol. 27(1)，2010年12月6日出版，p.264~271
Eric C. Njagi等撰寫，「Biosynthesis of Iron and Silver Nanoparticles at Room Temperature Using Aqueous Sorghum Bran Extracts」，Langmuir，Vol. 27(1)，2010年12月6日出版，p.264~271 Zhongkai Zhou等撰寫，「 The distribution of phenolic acids in rice」， Food Chemistry，Vol. 87(3)，2004年9月出版，p.401~406 *
Zhongkai Zhou等撰寫，「 The distribution of phenolic acids in rice」， Food Chemistry，Vol. 87(3)，2004年9月出版，p.401~406

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