一种自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法和应用

1.本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法和应用。


背景技术：

2.纳米颗粒作为生物活性营养物和药物的封装和递送系统，在过去的几十年里引起了研究者的广泛关注。纳米颗粒的亚细胞大小具有良好的功能特性，如优越的稳定性，延长胃肠道停留时间，提高的组织穿透性，增强的细胞摄取能力。与合成材料形成的纳米颗粒相比，天然生物基纳米颗粒具有良好的生物相容性和生物降解性，蛋白质作为一种两亲性生物聚合物被认为是制备纳米颗粒的理想材料。
3.蛋白质纳米颗粒的制备方法被广泛探索，如戊二醛交联、部分酶解、ca
2+
诱导、乙醇辅助拆卸重组、加热后静电筛选等。这些方法可能存在一些缺陷，例如，由于戊二醛的毒性，由戊二醛交联的纳米颗粒可能引起健康问题。酶解制备大豆蛋白纳米颗粒是一种安全的方法，但由于酶的环境敏感性，可能是一个复杂的过程。ca
2+
诱导的纳米颗粒易于制备。然而，由于ca
2+
对电荷的屏蔽作用，纳米颗粒的ζ
‑
电位较低，导致其稳定性降低。因此，有必要寻找一种新的制备纳米颗粒的方法。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法和应用，以克服现有技术中存在的不足。
5.为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：
6.本发明实施例提供了一种自组装蛋白纳米颗粒的制备方法，包括：
7.使亚硫酸盐与豌豆蛋白混合，打破豌豆蛋白中的二硫键，暴露蛋白质的疏水性基团；
8.加热所获混合液，使豌豆蛋白之间因疏水作用发生聚集，并重新形成二硫键，形成自组装蛋白纳米颗粒。
9.进一步地，所述的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)将豌豆分离蛋白与水充分混合，之后离心去除不溶性聚集体，得到可溶性的豌豆蛋白溶液；
11.(2)将亚硫酸盐与步骤(1)所获豌豆蛋白溶液混合，并加热进行反应获得豌豆蛋白纳米颗粒分散液；
12.(3)对步骤(2)所获豌豆蛋白纳米颗粒分散液进行透析处理获得自组装蛋白纳米颗粒。
13.更进一步地，步骤(1)具体包括：将豌豆分离蛋白与水充分混合，于2
‑
8℃静置12
‑
36h，使豌豆蛋白充分水合，之后于4000
‑
8000rpm下离心20
‑
45min。
14.更进一步地，步骤(2)中具体包括：将亚硫酸盐溶液滴加至持续搅拌的豌豆蛋白溶
液中，形成含有亚硫酸盐的豌豆蛋白溶液，之后加热处理，冷却，调节ph值至6.5
‑
7.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液；
15.优选的，所述亚硫酸盐包括焦亚硫酸钾、亚硫酸钠或亚硫酸氢钠中的至少一种，更为优选的，所述亚硫酸盐为焦亚硫酸钾；
16.优选的，所述亚硫酸盐溶液中亚硫酸盐的浓度为100
‑
1000mmol/l；
17.优选的，所述亚硫酸盐溶液的滴加速度为0.5
‑
3ml/min；
18.优选的，所述含有亚硫酸盐的豌豆蛋白溶液中亚硫酸盐的浓度为2
‑
8mmol/l。
19.本发明实施例还提供了一种自组装蛋白纳米颗粒，是由上述的方法制备而成。
20.进一步地，所述自组装蛋白纳米颗粒的粒径为124.7
‑
297.5nm，ζ
‑
电位为32.2～
‑
35.8mv。
21.本发明实施例还提供了所述的自组装蛋白纳米颗粒于食品、医药或化妆品领域中的应用。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.(1)本发明白组装蛋白纳米颗粒及其制备方法，采用的豌豆蛋白具有广泛的来源，成本低廉，通过亚硫酸盐打破二硫键，并且在加热条件下促进蛋白质分子自组装形成纳米颗粒；制备过程简单，容易操作，不需要复杂的设备，成本低廉，安全，易于推广。
24.(2)本发明自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法，采用亚硫酸盐对豌豆蛋白进行处理，亚硫酸盐是一种允许在食品中使用的添加剂，而且在纳米颗粒形成后，残余的亚硫酸盐被透析除去，具有安全的特点；亚硫酸盐在打破蛋白中二硫键的同时，磺酸基团还会封闭一分子的巯基，增加了纳米颗粒的带电量，使纳米颗粒具有非常好的稳定性。
25.(3)本发明自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法，形成的蛋白纳米颗粒主要通过二硫键和疏水相互作用来稳定，辅以氢键，可以通过添加不同数量的亚硫酸盐，控制形成的纳米颗粒的大小。
附图说明
26.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本申请实施例1中不同浓度的焦亚硫酸钾诱导形成的蛋白纳米颗粒的平均粒径。
28.图2是本申请实施例1中不同浓度的焦亚硫酸钾诱导形成的蛋白纳米颗粒的ζ
‑
电位。
29.图3是本申请实施例1中，在4mm的焦亚硫酸钾浓度下诱导形成的蛋白纳米颗粒，其在不同的变性剂中粒径大小的变化。
具体实施方式
30.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明
可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
31.鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是针对现有蛋白质纳米颗的制备方法中存在的缺陷，通过研制一种自组装蛋白纳米颗粒及其制备方法和应用，使制备流程简单，且使制备的自组装蛋白纳米颗粒具有可控的粒径，较高的稳定性，良好的生物相容性等优点。如下将对该技术方案、其实施过程及原理作进一步的解释说明。
32.本发明的反应原理为通过亚硫酸盐打破豌豆蛋白分子中的二硫键，暴露蛋白质的疏水性基团，并且在加热的条件下促进蛋白质分子之间的疏水相互作用，使其发生聚集，进而使具有较高反应活性的游离巯基被重新氧化成二硫键来形成自组装的蛋白纳米颗粒。
33.亚硫酸盐的作用原理为：
[0034][0035]
本发明实施例的一个方面提供的一种自组装蛋白纳米颗粒的制备方法，包括：
[0036]
使亚硫酸盐与豌豆蛋白混合，打破豌豆蛋白中的二硫键，暴露蛋白质的疏水性基团；
[0037]
加热所获混合液，使豌豆蛋白之间因疏水作用发生聚集，并重新形成二硫键，形成自组装蛋白纳米颗粒。
[0038]
在一些优选实施例中，所述的制备方法，包括以下步骤：
[0039]
(1)将豌豆分离蛋白与水充分混合，之后离心去除不溶性聚集体，得到可溶性的豌豆蛋白溶液；
[0040]
(2)将亚硫酸盐与步骤(1)所获豌豆蛋白溶液混合，并加热进行反应获得豌豆蛋白纳米颗粒分散液；
[0041]
(3)对步骤(2)所获豌豆蛋白纳米颗粒分散液进行透析处理获得自组装蛋白纳米颗粒。
[0042]
在一些优选实施例中，所述的自组装蛋白纳米颗粒的制备方法，步骤(1)具体包括：
[0043]
将豌豆分离蛋白与水充分混合，于2
‑
8℃静置12
‑
36h，使豌豆蛋白充分水合，之后于4000
‑
8000rpm下离心20
‑
45min。
[0044]
在一些更为优选的实施例中，所述豌豆蛋白溶液中豌豆蛋白的浓度为0.5
‑
15mg/ml。
[0045]
在一些优选实施例中，所述的自组装蛋白纳米颗粒的制备方法，步骤(2)中具体包括：
[0046]
将亚硫酸盐溶液滴加至持续搅拌的豌豆蛋白溶液中，形成含有亚硫酸盐的豌豆蛋白溶液，之后加热处理，冷却，调节ph值至6.5
‑
7.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液；
[0047]
优选的，所述亚硫酸盐包括焦亚硫酸钾、亚硫酸钠或亚硫酸氢钠中的至少一种，更为优选的，所述亚硫酸盐为焦亚硫酸钾；
[0048]
优选的，所述亚硫酸盐溶液中亚硫酸盐的浓度为100
‑
1000mmol/l；
[0049]
优选的，所述亚硫酸盐溶液的滴加速度为0.5
‑
3ml/min；
[0050]
优选的，所述含有亚硫酸盐的豌豆蛋白溶液中亚硫酸盐的浓度为2
‑
8mmol/l。
[0051]
在一些更为优选的实施例中，步骤(2)中，所述加热处理的温度为75
‑
95℃，加热处理的时间为20
‑
45min。
[0052]
在一些更为优选的实施例中，所述制备方法包括：采用冰水将加热后的反应液冷却至15
‑
25℃。
[0053]
在一些更为优选的实施例中，步骤(3)中，所述透析处理采用的透析袋的截留分子量为6000
‑
12000da。
[0054]
在一些更为优选的实施例中，所述透析处理的温度为2
‑
8℃。
[0055]
在一些更为优选的实施例中，透析处理过程中，所述豌豆蛋白纳米颗粒分散液与水的体积比为1∶5
‑
1∶20，换水次数为2
‑
8次。
[0056]
本发明实施例的另一个方面还提供了一种自组装蛋白纳米颗粒，是由上述的方法制备而成。
[0057]
在一些优选实施例中，所述自组装蛋白纳米颗粒的粒径为124.7
‑
297.5nm，ζ
‑
电位为
‑
32.2～
‑
35.8mv。
[0058]
本发明实施例还提供了所述的自组装蛋白纳米颗粒于食品、医药或化妆品领域中的应用。
[0059]
其中，在一些更为具体的实施案例之中，本发明提供的一种自组装蛋白纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
[0060]
(1)将豌豆分离蛋白溶于去离子水中，在2
‑
8℃环境中静置12
‑
36h，充分水合后，在4000
‑
8000rpm下离心20
‑
45min去除不溶性聚集体，收集得到豌豆蛋白浓度为0.5
‑
15mg/ml的可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0061]
(2)配制浓度为100
‑
1000mm的亚硫酸盐溶液，将亚硫酸盐溶液以0.5
‑
3ml/min的速度加入到步骤(1)得到的可溶性豌豆蛋白溶液中，使其在豌豆蛋白溶液中的浓度分别为2mm、4mm、6mm、8mm，并将含有亚硫酸盐的豌豆蛋白溶液在75
‑
95℃下加热20
‑
45min，然后采用冰水浴冷却到15
‑
25℃，调节ph至6.5
‑
7.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0062]
(3)将步骤(2)得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于截留分子量为6000
‑
12000da透析袋中透析除去残余的亚硫酸盐，透析温度为2
‑
8℃，透析处理过程中，豌豆蛋白纳米颗粒分散液与去离子水的体积为1∶5
‑
1∶20，且期间换水2
‑
8次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0063]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0064]
实施例1
[0065]
(1)将豌豆分离蛋白以5mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在4℃条件下放置24h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在4500rpm离心20min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0066]
(2)配制200mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以2ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在80℃下加热处理30min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.0，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0067]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于截留分子量为8000da的透析袋中透析
除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶10，在4℃透析24h，期间换水4次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒；如图1可以看出，随着焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中浓度的提高，蛋白纳米颗粒的粒径从124.7nm增加到297.5nm，如图2可以看出，随着焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中浓度的提高，蛋白纳米颗粒的ζ
‑
电位从
‑
32.2mv减小到
‑
35.8mv。
[0068]
将本实施例中，在4mm的焦亚硫酸钾浓度下诱导形成的蛋白纳米颗粒，对蛋白纳米颗粒形成的驱动力进行分析，即其在不同的变性剂中粒径大小的变化，如图3所示，从图3中对纳米颗粒相互作用力的研究中可以看出，与分散在去离子水中的蛋白纳米颗粒相比，0.5％sds能使蛋白纳米颗粒的粒径增加，说明疏水相互作用的破坏导致了蛋白纳米颗粒结构的展开；然而，6m尿素或30mm二硫苏糖醇(dtt)的存在也导致了蛋白纳米颗粒粒径的增大，证明了氢键或二硫键的破坏会导致颗粒的部分膨胀。但变化幅度较小，其原因有二：(1)蛋白纳米颗粒外部存在较少的氢键和二硫键；(2)氢键不是维持纳米颗粒的主要作用力；当结合使用0.5％sds和30mm的dtt时，蛋白纳米颗粒的粒径显著下降，说明二硫键是位于蛋白纳米颗粒的内部，而且0.5％sds破坏内部疏水框架是蛋白纳米颗粒解离的先决条件。
[0069]
实施例2
[0070]
(1)将豌豆分离蛋白以8mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在5℃条件下放置20h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在5000rpm离心25min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0071]
(2)配制300mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以0.5ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在75℃下加热处理45min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0072]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于分子量为10000da的透析袋中透析除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶15，在2℃透析18h，期间换水3次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0073]
实施例3
[0074]
(1)将豌豆分离蛋白以10mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在2℃条件下放置12h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在4000rpm离心45min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0075]
(2)配制500mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以1.5ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在85℃下加热处理25min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至6.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0076]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于分子量为9000da的透析袋中透析除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶8，在6℃透析24h，期间换水5次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0077]
实施例4
[0078]
(1)将豌豆分离蛋白以3mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在6℃条件下放置36h，使豌豆分离蛋白充分水合；
之后在6000rpm离心30min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0079]
(2)配制100mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以3ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在90℃下加热处理20min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.0，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0080]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于分子量为7000da的透析袋中透析除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶5，在8℃透析18h，期间换水8次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0081]
实施例5
[0082]
(1)将豌豆分离蛋白以0.5mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在7℃条件下放置18h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在8000rpm离心20min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0083]
(2)配制800mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以1ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在85℃下加热处理30min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.5，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0084]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于分子量为6000da的透析袋中透析除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶20，在3℃透析36h，期间换水2次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0085]
实施例6
[0086]
(1)将豌豆分离蛋白以15mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在8℃条件下放置24h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在6000rpm离心20min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0087]
(2)配制1000mm的焦亚硫酸钾溶液，将焦亚硫酸钾溶液以2.5ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终焦亚硫酸钾在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有焦亚硫酸钾的豌豆蛋白溶液在95℃下加热处理20min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.0，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0088]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于截留分子量为12000da的透析袋中透析除去残余的焦亚硫酸钾，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶10，在5℃透析24h，期间换水6次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0089]
实施例7
[0090]
(1)将豌豆分离蛋白以5mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在4℃条件下放置24h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在4500rpm离心20min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0091]
(2)配制200mm的亚硫酸钠溶液，将亚硫酸钠溶液以2ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终亚硫酸钠在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有亚硫酸钠的豌豆蛋白溶液在80℃下加热处理30min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.0，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0092]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于截留分子量为8000da的透析袋中透析
除去残余的亚硫酸钠，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶10，在4℃透析24h，期间换水4次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0093]
实施例8
[0094]
(1)将豌豆分离蛋白以5mg/ml的浓度溶于去离子水中，在25℃下800rpm持续搅拌3h，将ph调至7.0，所得豌豆分离蛋白溶液在4℃条件下放置24h，使豌豆分离蛋白充分水合；之后在4500rpm离心20min，去除不溶性聚集物，收集得到可溶性的豌豆蛋白溶液。
[0095]
(2)配制200mm的亚硫酸氢钠溶液，将亚硫酸氢钠溶液以2ml/min的速度加入到持续搅拌的可溶性豌豆蛋白溶液中，使最终亚硫酸氢钠在可溶性豌豆蛋白溶液中的浓度分别达到2mm、4mm、6mm和8mm；将含有亚硫酸氢钠的豌豆蛋白溶液在80℃下加热处理30min，然后冰水浴冷却至25℃，并将ph调至7.0，得到豌豆蛋白纳米颗粒分散液。
[0096]
(3)将制备的豌豆蛋白纳米颗粒分散液置于截留分子量为8000da的透析袋中透析除去残余的亚硫酸氢钠，豌豆蛋白纳米颗粒分散液和去离子水的比例为1∶10，在4℃透析24h，期间换水4次，即得到自组装的蛋白纳米颗粒。
[0097]
综上所述，藉由本发明的上述技术方案获得的一种自组装的蛋白纳米颗粒，主要通过二硫键和疏水相互作用来稳定，辅以氢键；且具有可控的大小，良好的稳定性和安全性；制备过程简单，容易操作，不需要复杂的设备，成本低廉，安全，易于推广。
[0098]
此外，本案发明人还参照实施例1～8的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了自组装的蛋白纳米颗粒。
[0099]
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。