一种淀粉-蛋白复合微凝胶及其制备方法和应用与流程

专利检索2022-05-10  14

一种淀粉‑蛋白复合微凝胶及其制备方法和应用
技术领域
:1.本发明涉及淀粉、蛋白深加工
技术领域
:,具体涉及一种淀粉‑蛋白复合微凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
::2.微凝胶是通过聚合物分子交联形成三维网状结构,平均粒径分布于0.1~100微米之间,尺寸较小,独特的结构特点也让微凝胶易与其他物质相互结合,常用于食品功能因子与药物的包埋与递送,是良好的运输载体。近年来,微凝胶在食品、医药、化妆品等领域发挥了独特优势。复合微凝胶是由两种或两种以上物质共聚形成同时具有各单体特性的微凝胶,复合微凝胶不仅适合于水溶性功能因子的固定,还可用于脂溶性物质的包埋,并且在包埋率和载量方面表现良好,显著提高了生物活性物质在各种环境中的稳定性。3.中国专利cn110754651a(申请号201911050866.2)公开了一种淀粉凝胶食品添加剂的制备方法,包括如下步骤:将淀粉、修饰组分和水搅拌至形成预糊化溶液立项所述预糊化溶液中加入氢氧化钠和三偏磷酸钠,加热使反应形成均已的凝胶混合物;将所述凝胶混合物离心洗涤,经冷冻干燥、粉碎过筛后得淀粉凝胶食品添加剂。此发明将凝胶作为食品添加剂加入到食品体系中,用于增强食品体系的凝胶型和粘度。但此技术方案制备的凝胶颗粒仍较大且未兼顾对于功能因子传递及药物包埋递送方面的应用;同时此制备方法中,实际操作过程中,虽然原料中淀粉具有水溶性,但玉米醇溶蛋白不溶于水,无法形成预想的预糊化溶液,从而使后续操作难以实现。4.淀粉‑蛋白复合微凝胶是由多糖和蛋白质两种物质通过物理或化学作用得到的多糖‑蛋白质复合物,由于蛋白质和多糖的生物来源特性,这使得二者的复合物具有较好的生物相容特性,蛋白质和多糖的特征官能团分别赋予了传递体系独特的理化性质,使其环境稳定性更好,应用领域更广泛。且由于二者的复合,对于被包封物质的包容度增大,凝胶强度增加,对于外界刺激的响应能力也随之增强,对于易受环境影响,半衰期较短的功能因子具有较强的靶向递送作用。5.现有的淀粉‑蛋白复合微凝胶虽然具备一定的乳化活性,但乳化稳定性不佳,质构特性较差,在实际应用过程中,容易受到外界环境的影响。乳液填充类型的微凝胶由于含有乳化油滴,具备固定脂溶性生物活性物质的条件,可以作为脂溶性物质的递送型微凝胶,但普通的淀粉‑蛋白微凝胶难以实现此功能。严重限制了此类微凝胶在功能因子递送方面的应用。技术实现要素:6.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种淀粉‑蛋白复合微凝胶及其制备方法和应用,通过对制备步骤的优化,实现了复合微凝胶的凝胶强度、保水性能的提升,同时制备出的复合微凝胶还具有一定ph响应的特性,能使其使用在食品功能因子或药物的包埋递送领域中。7.为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:8.一种淀粉‑蛋白复合微凝胶,所述复合微凝胶为羧甲基淀粉和玉米醇溶蛋白交联制成的复合微凝胶,其颗粒粒径范围为30μm‑50μm,最大耐热温度为161.67℃‑174.16℃,凝胶强度范围为838.78g~1563.80g,25℃,43%rh下放置30min后的保水性为61.1%~65.2%,且在ph7.0条件下具有最大溶胀度。9.所述淀粉‑蛋白复合微凝胶在傅里叶红外光谱中,1602cm‑1处有由羧基的c=o键伸缩振动叠加引起的吸收峰。10.所述复合微凝胶的制备步骤如下:11.s1.将玉米醇溶蛋白添加到乙醇溶液中,搅拌后保存过夜以确保玉米醇溶蛋白完全溶解;12.s2.保持搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入去离子水进行水合,旋蒸去除多余乙醇即得储备溶液;13.s3.将羧甲基淀粉投入储备溶液中并使用去离子水将溶液补齐至20ml,搅拌使其充分溶解即得聚合物溶液;14.s4.在聚合物溶液中加入三偏磷酸钠和氢氧化钠,搅拌使其充分混合,混合物经水浴形成凝胶,随后保持低温过夜,粉碎后过筛,得到微凝胶颗粒初品;15.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品清洗,将盐分和水分去除;16.s6.将步骤s5制得的产品干燥,干燥后研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物。17.所述步骤s1中,加入的玉米醇溶蛋白质量为1.5g~3g,乙醇溶液的体积为50ml~100ml、体积浓度为70%~80%,搅拌转速为800rpm~1100rpm且搅拌时长为1h~2h,搅拌后保存时长为10h~12h。18.所述步骤s2中,搅拌的转速为900rpm~1100rpm,去离子水的加入量为50ml~100ml,水合时长为2h~4h。19.所述步骤s3中,羧甲基淀粉的投入量与储备溶液中含有的玉米醇溶蛋白的质量比为羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=(10~100):1,搅拌条件为200rpm~400rpm转速下搅拌30min~60min。20.所述步骤s4中三偏磷酸钠的加入量为0.5g~2.5g,氢氧化钠的加入量为0.15g~0.9g,搅拌条件为100rpm~200rpm转速下搅拌30min~60min,水浴条件为30℃~50℃水浴0.5h~2h,低温过夜条件为2℃~4℃保持10h~12h,过筛具体为过200目筛3~5次。21.所述步骤s5中,依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗3~5次,去离子水清洗时具体为抽滤清洗,去除微凝胶上附着的盐分,无水乙醇清洗去除微凝胶中的水分,丙酮清洗去除残留的乙醇及痕量水分。22.所述步骤s6中,干燥条件具体为将产品置于40℃环境中干燥2h~4h。23.本发明还提供了上述复合凝胶在功能因子或药物的包埋递送中的应用。24.在本技术提供的技术方案中,对玉米醇溶蛋白进行预先的水合处理。这是由于淀粉是水溶性物质,而玉米醇溶蛋白不溶解于水,也不溶解于无水醇类,仅可以溶解于体积分数为60%~95%的醇类水溶液中,这就导致淀粉与玉米醇溶蛋白无法在同一溶剂中进行复合。将玉米醇溶蛋白事先进行水合,是充分利用了玉米醇溶蛋白的自组装特性,解决了玉米醇溶蛋白水不溶特性的实际应用难题,使其既具有了玉米醇溶蛋白的特性,又能较好的与淀粉进行融合。此外,由于玉米醇溶蛋白具有良好的生物相容性、自组装特性,可以很好的与疏水性物质结合,玉米醇溶蛋白已成为现阶段研究较广的药物运输载体,很好的提高了难溶性药物的生物利用度、增加药物稳定性,也能减少药物对正常组织器官部位的毒副作用,增加药物作用的选择性,可以作为具有靶向作用的纳米给药系统。玉米醇溶蛋白的加入也在一定程度上增大了复合微凝胶对于功能因子的包容度,使其应用范围更为广泛,且也会增强凝胶一定的机械强度。25.天然淀粉颗粒是致密坚硬的实体,当加热糊化后,其半结晶结构被破坏发生膨胀变形成较大的颗粒。与合成的微凝胶相比,糊化的淀粉颗粒悬浮液的流变性可能更复杂。在糊化过程中,颗粒结构的变化可能引起直链淀粉和支链淀粉的降解进而导致其质构和性质的变化。为了克服这一缺点,可将天然的淀粉颗粒成分进行化学修饰或共价交联。26.羧甲基淀粉是淀粉的羧甲基衍生物,是以淀粉为原料经过醚化得到的一种能溶于冷水的天然高分子电解质醚,羧甲基淀粉的性能与羧甲基纤维素相似,不仅能够直接溶于冷水,亲水性好,常温下更易发生凝胶化,凝成性较淀粉来说更好,此外还具有良好的分散力、结合力和粘合力,以及较强的吸湿性和乳化性能,且化学稳定性强,不易腐败,同时具备淀粉低价格和羧甲基纤维素高质量的双重优点,因此在食品领域使用广泛。此外,经过羧甲基改性后的淀粉具有了更高的取代度和更高的反应效率,更易在后续的反应与中与三偏磷酸钠发生交联。27.本发明的有益效果是:28.通过对淀粉‑蛋白复合微凝胶制备方法的改进,解决了现有制备方法中因玉米醇溶蛋白不溶于水而难以实施的问题;制成的复合微凝胶成品具有优良的微凝胶颗粒粒径范围(30μm‑50μm),同时具有较好的凝胶强度(838.78g~1563.80g),且在ph7.0时具有最大溶胀度,使微凝胶能够很好地应用于功能因子或药物的包埋递送领域中。附图说明29.图1是复合微凝胶的实物图;30.图2是复合微凝胶的扫描电镜图;31.图3是复合微凝胶的傅里叶红外光谱图;32.图4是复合微凝胶的凝胶强度实验结果示意图;33.图5是复合微凝胶的保水性实验结果示意图;34.图6是复合微凝胶的差式扫描量热图;35.图7是实施例1制得的复合微凝胶在不同ph下的溶胀度实验结果示意图。具体实施方式36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。37.实施例中使用到的试剂及厂家情况如下:38.玉米醇溶蛋白,上海源叶生物科技有限公司;39.羧甲基淀粉,上海麦克林生化科技有限公司;40.无水乙醇,天津市富宇精细化工有限公司;41.三偏磷酸钠,rhawn(罗恩科技有限公司);42.氢氧化钠,天津市大茂化学试剂厂;43.丙酮,天津市富宇精细化工有限公司;44.去离子水,实验室自制。45.实施例中使用到使用到的仪器有:46.电热恒温水浴锅,dk‑98‑ⅱ,上海实验仪器厂有限公司;47.电热鼓风干燥箱,101a‑1et,天津市泰斯特仪器有限公司;48.旋转蒸发器,re‑32aa,上海亚荣生化仪器厂;49.光学显微镜,cx32rtsf,日本olympus公司;50.质构仪,ta‑xt,英国stablemicrosystems公司;51.差示扫描量热仪,q2000,美国ta仪器;52.扫描电子显微镜,phenom,荷兰phenom公司;53.傅里叶红外光谱仪,vertex70,德国bruker公司。54.附图中starchmicrogel或sm指代淀粉微凝胶即对比例制得成品;zein或z指代玉米醇溶蛋白。55.实施例1:56.s1.将1.5g玉米醇溶蛋白添加到50ml的70%乙醇溶液中,以800rpm得知转速搅拌2h,保存12h以确保完全溶解;57.s2.保持1000rpm的转速搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入50ml去离子水进行水合,水合时长2h,旋蒸除去多余乙醇即得储备溶液;58.s3.将5g羧甲基淀粉中加入含有0.1g玉米醇溶蛋白的储备溶液中并用去离子水补齐至20ml,在300rpm转速下搅拌30min使其充分溶解即得聚合物溶液;59.s4.在聚合物溶液中加入1g三偏磷酸钠和0.3g氢氧化钠,在100rpm转速下搅拌40min使其充分混合,混合物放入40℃的水浴锅中加热1h形成凝胶,随后置于4℃环境中12h,粉碎后过200目筛3次,得到微凝胶颗粒初品;60.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗3次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;61.s6.将步骤s5制得的产品放入40℃环境中干燥2h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(投入的羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=50:1)。62.实施例2:63.s1.将3g玉米醇溶蛋白添加到100ml的80%乙醇溶液中,以1000rpm的转速搅拌1h,保存11h以确保完全溶解;64.s2.保持900rpm的转速搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入100ml去离子水进行水合,水合时长3h,旋蒸除去多余乙醇即得储备溶液;65.s3.将5g羧甲基淀粉中加入含有0.05g玉米醇溶蛋白的储备溶液中并用去离子水补齐至20ml,在200rpm转速下搅拌40min使其充分溶解即得聚合物溶液;66.s4.在聚合物溶液中加入0.5g三偏磷酸钠和0.15g氢氧化钠。在200rpm转速下搅拌30min使其充分混合,混合物放入30℃的水浴锅中加热1.5h形成凝胶,随后置于4℃环境中10h,粉碎后过200目筛4次,得到微凝胶颗粒初品;67.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗3次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;68.s6.将步骤s5制得的产品放入40℃环境中干燥2h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(投入的羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=100:1)。69.实施例370.s1.将1.5g玉米醇溶蛋白添加到50ml的80%乙醇溶液中,以1100rpm的转速搅拌2h,保存12h以确保完全溶解;71.s2.保持1100rpm的转速搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入50ml去离子水进行水合,水合时长4h,旋蒸除去多余乙醇即得储备溶液;72.s3.将5g羧甲基淀粉中加入含有0.0625g玉米醇溶蛋白的储备溶液中并用去离子水补齐至20ml,在400rpm转速下搅拌40min使其充分溶解即得聚合物溶液;73.s4.在聚合物溶液中加入1g三偏磷酸钠和0.3g氢氧化钠。在100rpm转速下搅拌50min使其充分混合,混合物放入50℃的水浴锅中加热1.5h形成凝胶,随后置于3℃环境中12h,粉碎后过200目筛5次,得到微凝胶颗粒初品;74.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗3次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;75.s6.将步骤s5制得的产品放入40℃环境中干燥2h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(投入的羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=80:1)。76.实施例477.s1.将3g玉米醇溶蛋白添加到100ml的80%乙醇溶液中,以1100rpm的转速搅拌2h,保存12h以确保完全溶解;78.s2.保持1100rpm的转速搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入100ml去离子水进行水合,水合时长4h,旋蒸除去多余乙醇即得储备溶液;79.s3.将5g羧甲基淀粉中加入含有0.25g玉米醇溶蛋白的储备溶液中并用去离子水补齐至20ml,在400rpm转速下搅拌60min使其充分溶解即得聚合物溶液;80.s4.在聚合物溶液中加入1.5g三偏磷酸钠和0.5g氢氧化钠。在100rpm转速下搅拌30min使其充分混合,混合物放入50℃的水浴锅中加热2h形成凝胶,随后置于4℃环境中12h,粉碎后过200目筛3次,得到微凝胶颗粒初品;81.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗4次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;82.s6.将步骤s5制得的产品放入40℃环境中干燥4h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(投入的羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=20:1)。83.实施例584.s1.将1.5g玉米醇溶蛋白添加到50ml的80%乙醇溶液中,以1100rpm的转速搅拌2h,并持续12h以确保完全溶解;85.s2.保持1100rpm的转速搅拌的同时,向步骤s1所得溶液加入50ml去离子水进行水合,水合时长3h,旋蒸除去多余乙醇即得储备溶液;86.s3.将5g羧甲基淀粉中加入含有0.5g玉米醇溶蛋白的储备溶液中并用去离子水补齐至20ml,在400rpm转速下搅拌60min使其充分溶解即得聚合物溶液;87.s4.在聚合物溶液中加入2.5g三偏磷酸钠和0.9g氢氧化钠。在100rpm转速下搅拌30min使其充分混合,混合物放入50℃的水浴锅中加热2h形成凝胶,随后置于4℃环境中12h,粉碎后过200目筛4次,得到微凝胶颗粒初品;88.s5.对步骤s4制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗5次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;89.s6.将步骤s5制得的产品放入40℃环境中干燥4h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(投入的羧甲基淀粉:玉米醇溶蛋白=10:1)。90.对比例:91.s1.将5g羧甲基淀粉中加入到20ml去离子水,在300rpm转速下搅拌40min使其充分溶解即得聚合物溶液;92.s2.在聚合物溶液中加入1g三偏磷酸钠和0.3g氢氧化钠,在100rpm转速下搅拌30min使其充分混合,混合物放入40℃的水浴锅中加热1h形成凝胶,随后置于4℃环境中12h,粉碎后过200目筛3次,得到微凝胶颗粒初品;93.s3.对步骤s2制得的微凝胶颗粒初品依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮分别清洗3次,其中去离子水清洗时为抽滤清洗,确保将杂质去除完全;94.s4.将步骤s3制得的产品放入40℃环境中干燥2h,干燥后继续研磨粉碎,过270目筛,即得目标产物(即淀粉微凝胶)。95.实验例:96.对上述实施例和对比例制得的复合微凝胶进行相关特性表征实验,结果如下,97.对实施例1中制得的淀粉‑蛋白复合微凝胶的实物图和扫描电镜图,如图1所示,可以观察到,随着玉米醇溶蛋白(以下简称蛋白)添加量的增多,复合微凝胶的颜色逐渐变黄,且质地更为紧密,凝胶塑性更强。同样,如图2所示,扫描电镜图中也可以观察到随着蛋白添加量的增多,复合微凝胶形貌也随之发生变化,未添加蛋白的淀粉凝胶的扫描电镜图像(图2中左上角标有sm的图像)显示颗粒表面较为平整光滑,随着玉米醇溶蛋白的添加量增多,颗粒表面褶皱增多(图中对应位置为从左上起第二图向右下),说明随着蛋白添加量的增加,成品形成了愈发致密的凝胶结构。98.如图3所示,对实施例和对比例制得的复合微凝胶分别在傅里叶红外光谱仪中进行测定,不同蛋白添加量的微凝胶同时具有了淀粉微凝胶和蛋白的特征峰,证明二者发生复合,微凝胶在3460cm‑1附近出现由羰基伸缩振动导致的宽吸收峰而在复合物中,宽峰明显缩短,微凝在胶2929cm‑1处的峰由亚甲基对称伸缩振动引起的,随着蛋白添加量的增多,峰逐渐减弱,1019cm‑1的吸收峰是由c‑o和c‑c单键伸缩和弯曲振动耦合引起的,在蛋白中并未见到相关峰的出现。1602cm‑1处的吸收峰是由羧基的c=o伸缩振动叠加引起的,在复合微凝胶中也见到了相关峰的出现,以上均证明蛋白和淀粉微凝胶发生了复合。99.对实施例和对比例制得的复合微凝胶通过ta‑xtplus质构仪的凝胶强度测定程序,使用p0.5探头进行测定,测试速率1mm/s,测试后速率1mm/s,下压距离10mm,触发力5g。测定后所得到的曲线以第1个峰顶点为样品破裂点,定义为样品的凝胶强度(单位记为g)。如图4所示,加入羧甲基淀粉与蛋白的添加比例为100:1时,复合微凝胶的凝胶强度与淀粉微凝胶相比无显著变化,此后,随着蛋白添加量的增多,复合微凝胶的凝胶强度逐渐增大。这证明添加蛋白可显著提高淀粉微凝胶的凝胶强度。100.得益于以上两种特性,复合微凝胶能够很好地应用于功能因子或药物的包埋递送领域中。101.具体各实施例及对比例的凝胶强度如表1所示:102.表1103.组别凝胶强度(g)实施例11257.96实施例2888.52实施例31091.29实施例41292.29实施例51563.80对比例2838.78104.如图5所示,在25℃和43%rh条件下,对复合微凝胶放置3min时长后,取5g样品在4℃、10000g条件下离心10min,用吸水纸擦去多余水分,记录离心前后离心管和样品的质量,计算公式如下:[0105][0106]式中:m0为离心管的质量/g;m1为离心前样品和离心管总质量/g;m2为离心后样品和离心管的总质量/g。[0107]保水性数据如表2所示,[0108]表2[0109]组别保水性实施例165.2%实施例261.1%实施例364.3%实施例463.7%实施例563.2%对比例260.5%[0110]由表2可知,羧甲基淀粉和蛋白的添加比为50:1时,复合微凝胶具有最佳的保水性能。[0111]对各复合微凝胶样品的热特性通过差示扫描量热法测定。取2mg样品于铝盘中,加入4μl蒸馏水,混合均匀,压片并以空铝盘为对照。以10℃/min的升温速率由20℃升至300℃,氮气流速为50ml/min。记录此过程的起始温度(t0)、峰值温度(tp)、终止温度(te)和热焓变(δh)。使用ta仪器通用分析软件分析得到的热曲线,计算出样品的变性温度。如图6所示,加入蛋白后,凝胶的耐热性有了显著提高,最大耐热温度出现整体后移,具体数值如表3所示,[0112]表3[0113][0114][0115]由表格数据可得,蛋白的加入增强了分子间的作用力,导致凝胶结构更加紧密,增强体系耐热性,而当淀粉与蛋白比例为50:1时,复合凝胶耐热性最佳。[0116]将50:1的复合微凝胶分别投入不同ph值的缓冲溶液中(均使用常见的ph缓冲溶液),如图7所示,复合微凝胶在酸性环境中的溶胀度显著低于中性环境中的溶胀度,具体溶胀度数值如表4所示,[0117]表4[0118]ph溶胀度(%)2.0479.1%3.0478.7%4.0496.7%5.0497.6%6.0344.6%7.0547.4%8.0532.7%[0119]由表4数据可知,在ph=6时,复合微凝胶具有最低溶胀度,这是由于ph=6时更靠近共聚物的等电点,造成复合微凝胶体系内分子间聚集,导致共聚体系发生聚沉,导致溶胀效果不佳,这也说明复合微凝胶具备一定的ph响应特性。且由于人体肠液ph值约在7~8左右,这使复合微凝胶在药物和功能因子递送体系构建领域更具优势。[0120]结合上述表格数据和附图可知,本技术方案制得的复合微凝胶不仅有较好的凝胶强度和保水性,且耐热性能更好,同时在中性环境下时具有较好的溶胀度。[0121]上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12当前第1页12
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