一种淀粉纳米水凝胶的制备方法与流程

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种淀粉纳米水凝胶的制备方法

背景技术

水凝胶是三维的聚合网络，能吸收维持大量的水分，被广泛应用在食品、化妆品、生物医药领域，以及骨组织和药物装载。纳米级水凝胶具有更大的比表面积、纳米孔径、较大的孔径体积以及可直接被上皮细胞吞噬等特性，作为活性物质或药物载体的研究具有十分重要的现实意义。纳米运载体系能够有效提高活性物质的缓释效果、生物利用率和活性。

水凝胶在应用时需要有高强度和灵活性，以及可逆的形变特性。然而，普通化学交联的聚合物水凝胶在一定压力下易碎，易断。目前大多数研究集中在合成高分子水凝胶上，而对天然淀粉为基质制备水凝胶的研究相对较少。纳米级淀粉水凝胶具有较小的纳米孔径、更大比表面积和较大的孔径体积，纳米级颗粒可直接被上皮细胞吞噬等特性，作为活性物质或药物载体的研究具有十分重要的现实意义。

目前淀粉纳米颗粒的制备方法主要采用酸解法，主要利用h2so4或者hcl水解淀粉颗粒的无定型区，获得淀粉纳米晶。这种方法反应时间长，颗粒形状多为片状，比表面积不理想，还会产生大量的酸性废水。淀粉纳米颗粒还可以通过高压均质、电喷雾等方法制备，但上述方法产率低，耗能大，成本较高。因此，亟需一种绿色、高效和低成本的制备淀粉纳米颗粒的方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种淀粉纳米水凝胶的制备方法，该方法绿色、高效、低成本，得到的淀粉纳米复合水凝胶机械性能可控，具有极好的稳定性，可以广泛应用在食品化妆品和医药领域。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种淀粉纳米水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将原淀粉糊化，与油相混合，均质得到初乳，超声，将所得淀粉纳米颗粒溶液放入冰箱中进行回生；

2)向原淀粉纳米颗粒的溶液中加入去离子水进行破乳，离心，取沉淀，再用乙醇洗涤，取沉淀，用液态氮迅速将沉淀冷冻，低温真空冻干，得到干燥的淀粉纳米水凝胶。

进一步的，所述步骤1)中原淀粉的浓度为9～11％，原淀粉溶液作为水相与油相的体积比为3:7。

进一步的，所述油相为大豆油、菜籽油、花生油、玉米油、葵花油或者蓖麻油。

进一步的，所述步骤1)超声时间为20～30s。

进一步的，所述步骤1)淀粉回生的时间为6～36h。

进一步的，所述步骤2)向原淀粉纳米颗粒的溶液中加入5倍体积的去离子水。

进一步的，所述步骤2)先用浓度分别为50％的乙醇清洗一次，再用浓度80％的乙醇清洗一次。

进一步的，所述原淀粉的种类为豌豆淀粉、玉米淀粉或者马铃薯淀粉。

本发明提供的淀粉纳米水凝胶的制备方法，不使用强酸试剂，制备条件温和，制备方法简单、高效。将整个未形成凝胶块之前的原淀粉溶液在剪切和超声等外力作用下，无限细分为纳米级的w/o的水液滴，淀粉溶液在微小的水液滴中，逐渐凝胶化，提高了淀粉凝胶化程度，且凝胶网络结构更加牢固。得到的淀粉纳米水凝胶由于纳米级颗粒可直接被上皮细胞吞噬等特性，作为活性物质或药物载体的研究。

附图说明

图1为实施例1豌豆淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图；

图2为实施例2玉米淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图；

图3为实施例3马铃薯淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图；

图4为实施例1豌豆淀粉纳米水凝胶的透射电子显微镜图；

图5为实施例2玉米淀粉纳米水凝胶的透射电子显微镜图；

图6为实施例3马铃薯淀粉纳米水凝胶的透射电子显微镜图；

图7为实施例1豌豆淀粉纳米水凝胶的红外光谱图；

图8为实施例2玉米淀粉纳米水凝胶的红外光谱图；

图9为实施例3马铃薯淀粉纳米水凝胶的红外光谱图；

图10为实施例1豌豆淀粉纳米水凝胶的x-射线衍射图；

图11为实施例2玉米淀粉纳米水凝胶的x-射线衍射图；

图12为实施例3马铃薯淀粉纳米水凝胶的x-射线衍射图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1-3

将原淀粉(豌豆、玉米、马铃薯淀粉)，溶解于100ml去离子中，制得10％的淀粉溶液。将淀粉悬浊液放置于沸水中加热30min，并用玻璃棒不断搅拌使淀粉完全至糊化。按照油水比例为3：7的添加比例，分别取30ml的淀粉溶液和70ml的大豆油，再添加1％的乳化剂span80，混合均匀，均质3min，得到初乳。将初乳用超声波清洗器超声20-30s，分别放置于4℃的冰箱中，回生(6、12、24和36h)，将回生不同时间的原淀粉纳米颗粒的溶液分别加入其体积5倍的去离子水进行破乳，离心，取沉淀，先用浓度为50％乙醇洗涤一次后，再用浓度80％的乙醇洗涤一次，取沉淀，用液态氮迅速将沉淀冷冻，低温真空冷冻冻干，得到干燥的淀粉纳米水凝胶。

将上述实施例1-3制备的淀粉纳米水凝胶进行检测及分析

一、淀粉纳米水凝胶的粒径分布

动态光散射粒径的测定：采用配备了氦氖激光和一个温度控制的电池座的动态光散射仪测定，在90°时，入射光束检测散射光的强度。配制万分之五浓度的上述冻干的淀粉纳米水凝胶样品溶液，将溶液置于nano－zs－90型激光粒度仪的测试皿中，在25℃条件下测定，来表征纳米颗粒的粒径分布，以初步判断溶液中纳米颗粒的粒径大小和分布。图1-3分别为豌豆淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图、玉米淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图和马铃薯淀粉纳米水凝胶的激光粒度分析图。

图1所示，4℃凝胶化条件下，豌豆淀粉纳米水凝胶的粒径范围分别集中在120-215nm(6h)，80-120nm(12h)，110-225nm(24h)和150-255nm(36h)，说明了不同凝胶化时间对制备得到的纳米水凝胶的粒径大小和粒径分布范围影响显著。凝胶化6h的纳米水凝胶相对12h较大，原因可能是开始凝胶化的过程比较缓慢，所以导致纳米颗粒处于膨胀状态，而随着凝胶化时间的增长，促使淀粉纳米水凝胶之间互相影响加强促使纳米水凝胶更加密实。然而随着凝胶化时间的继续延长，淀粉纳米水凝胶之间由于存在范德华力及分子间的氢键作用，从而促使纳米颗粒之间产生相互聚集，形成较大的聚集体。图2所示，玉米淀粉凝胶化6、12、24和36h形成的淀粉纳米水凝胶的粒径分别为122-174nm，55-80nm，91-122nm和106-150nm。图3所示，马铃薯淀粉凝胶化6、12、24和36h形成的纳米水凝胶颗粒大小为105-200nm，75-105nm，50-75nm和60-120nm。因为豌豆淀粉和玉米淀粉的直链淀粉含量相对较大，因此呈现出相同的颗粒分布趋势。马铃薯淀粉的直链淀粉含量相对较小，所以凝胶化时间为24h时，颗粒达到最小。

二、淀粉纳米水凝胶的形貌：

用透射电子显微镜(tem)观察样品形貌：使用悬滴法，取配制万分之五浓度的淀粉纳米颗粒，超声1min，将透射电镜专用碳膜置于上述溶液中吸附淀粉纳米颗粒，多余的溶液用滤纸吸干，迅速用液氮冷冻，然后冷冻干燥24h，将干燥后的样品放入透射电子显微镜系统，抽真空5min，在80kv加速电压下观察，拍照。如图4所示，凝胶化时间长短导致淀粉纳米凝胶颗粒呈现出椭圆形和球形的颗粒形貌，4℃凝胶化6-12h的玉米和马铃薯淀粉凝胶纳米颗粒形态多呈球状和不规则球状构造。如图5所示，豌豆淀粉纳米水凝胶主要成为球形的颗粒，原因可能是因为直链淀粉含量不同，凝胶化过程中凝胶程度强弱不同，然而，随着时间的延长，淀粉颗粒之间的产生更多的氢键而导致分子之间的相互作用加强，形成颗粒均匀和形貌规则的现象。因此，豌豆淀粉纳米水凝胶均为大小均匀的球状或椭球状结构，且边界清晰，结构紧凑，致密。与此同时，单个淀粉纳米颗粒的粒径大小也随着凝胶化时间的延长而逐渐减小。

三、不同凝胶时间的淀粉纳米水凝胶红外光谱分析

采用kbr压片法，将分析纯kbr置于烘箱内，在120℃条件下干燥48h后，在干燥器中取1～2mg待测样品放入研钵中，然后加入适量的kbr(约100mg，粒度200目)，红外灯照射下研磨。取适量研磨好的样品粉末装入模具内，放入压片机中进行压片，然后置于傅里叶变换红外光谱仪上进行红外光谱分析，得到红外光谱图。扫描波数范围为4,000～400cm-1，分辨率为4cm-1，采用dtgs检测器，空气为空白，扫描64次后取平均值。

淀粉凝胶不同时间制备的纳米颗粒红外光谱图分析结果如图7-9所示。其中的特征峰是由直链和支链淀粉中各种化学键不断的伸缩振动形成的。3,500～3,300cm-1吸收峰为淀粉分子链中o-h的伸缩振动引起的，通过其峰的宽度和位置可以明显辨别产生分子内或分子间氢键的互相作用强度。相同淀粉纳米水凝胶，凝胶不同时间但其重结晶形成的淀粉纳米水凝胶样品的吸收峰位置会随着凝胶时间的不同而产生明显的变动；即凝胶时间长的淀粉纳米水凝胶比凝胶时间短的颗粒，其峰位置相对向较低的波长移动，实验结果表明了制备的淀粉纳米水凝胶颗粒分子之间羟基的作用力增加随着凝胶化时间的延长而逐渐增强。

四、不同原淀粉及回生不同时间对淀粉凝胶化结晶峰影响

x-射线衍射仪表征淀粉纳米颗粒的晶体结构。将干燥的淀粉纳米水凝胶颗粒，放在载玻片上，进行xrd测试，x-射线衍射测定条件为：cukα辐射(λ＝1.543)，管压40kv，管流100ma，扫描速度4°/min，扫描区域衍射角(2θ)为4°～40°，步长0.02°，积分时间0.1s，接受狭缝0.2mm。软件光谱分析仪通过对衍射图绘制的峰基线以及面积的计算，从而测定淀粉纳米颗粒样品的相对结晶度。曲线上、下的区域分别代表结晶区和非结晶区，上面的面积占总面积的比例即为该样品的结晶度：相对结晶度＝峰面积/总面积×100％。

根据淀粉纳米水凝胶的x-射线衍射可以分析，大部分谷物类的淀粉结晶类型为a-型的样式，即2θ为15.2°、17.0°、18.0°和23.6°有明显的衍射峰，其中17.0°和18.0°出现相连的衍射双峰(图11)；块根类植物淀粉的衍射峰型是b-型，即2θ为5.6°、17.0°、22.0°和23.6°有衍射峰，尤其是15°和20°有较弱的特征峰(图12)；豌豆等豆类的衍射峰型为c-型，即2θ为5.6°、15.2°、17.0°和23.6°有衍射峰(图10)。从图中分析可以得到，凝胶时间对重结晶制备得到的纳米水凝胶颗粒样品的相对结晶度有较大影响。所有淀粉纳米水凝胶的结晶度都随着凝胶化时间的延长而呈现不同程度的提高。凝胶36h获得的豌豆淀粉纳米水凝胶颗粒的样品具有最高的相对结晶度值19.37％，凝胶6h，12h和24h所制备的豌豆淀粉纳米水凝胶的结晶度分别为11.56％，14.39％和16.24％。结晶大小、支链淀粉含量(直链淀粉含量)和支链淀粉链的长度，双螺旋构造及单螺旋之间的互相作用强度，和结晶区的双螺旋和单螺旋构造趋向等因素都会导致结晶度的不同。

五、热特性分析：

采用瑞士梅特勒-托利多公司dsc1型差示扫描量热仪来表征淀粉纳米颗粒的热特性，用十万分之一电子天平精确称取10.00mg干燥的淀粉纳米颗粒，并置于铝盒中，加入20.00μl蒸馏水，用铝盖将盒压紧密封，于室温下放置平衡12h。以10℃/min的加热速率使铝盒温度从的加热速率使铝盒温度从25℃升温到125℃，以密封空白铝盒作为对照，可得到样品的dsc曲线。记录和计算吸热上的起始温度(to)，峰值温度(tp)，终止温度(tc)和糊化吸收热焓(δh)以及峰值宽度(δt＝tc–to)。

表1描述了不同种类淀粉凝胶化不同时间的淀粉纳米水凝胶热特性参数指标。相同种类的原淀粉，随着淀粉凝胶化时间的延长，相应的淀粉纳米水凝胶的起始(to)、峰值(tp)和终止糊化温度(tc)及其热糊化吸收焓值(δh)都增加。如豌豆淀粉纳米水凝胶，糊化温度范围分别为47.07-65.33℃(6h)、48.55-65.32℃(12h)、50.34-64.34℃(24h)和51.97-64.82℃(36h)。纳米水凝胶的糊化焓同样从2.29增加到4.13j/g。产生这种结果的原因可能是随着凝胶时间的延长，淀粉纳米颗粒分子间氢键相互作用增强，淀粉分子链重排，形成了一个更为有序的晶体矩阵，使晶体结构更加完善，因此破坏淀粉纳米水凝胶的晶体结构需要较高的温度和吸收较多的热量。

表1淀粉纳米水凝胶的糊化起始温度、峰值温度、终止温度和糊化焓.