一种食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒乳化剂的绿色制备方法与流程

1.本发明涉及乳化剂制备领域，尤其涉及一种食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒乳化剂的绿色制备方法。


背景技术：

2.姜黄素是从姜黄植物根茎中提取的一种疏水性多酚，约占原料干重的3wt.％。由于姜黄素分子结构中存在酮/烯醇结构和两个酚基，使其具有良好的抗炎、抗氧化、抗肿瘤、抗衰老等药理作用，在医药、化妆品、功能食品等领域展现了巨大的应用潜力。据统计，2017年全球姜黄素市场价值在5245万美元左右，随着其应用领域的多样化，预计到2027年全球姜黄素市场规模将达到1.519亿美元。然而，姜黄素固有的缺陷如化学不稳定性导致的短保质期以及低水溶性导致的生物可利用性差等难题依旧限制着其在食品、化妆品和医药等领域中的规模化应用。
3.乳液作为软模板或营养成分的载体被广泛用于食品、医药和化妆品的加工过程以及最终的消费产品。其中，高内相乳液(hipes)由于其超高的内相体积(≥74％)导致的高载药量以及可调的流变性能等优点，在食品、医药和化妆品等领域备受关注。此外，hipes可直接将液体油相转化为固体脂肪，是氢化油(phos)理想的替代者之一。其次，水包油hipes因为含水量低，能有效的阻止微生物的滋生，较其他乳液体系具有更长的保质期。传统hipes的制备通常需要大量小分子表面活性剂(5
‑
50wt％)如apg和sds，随着消费者和法律对绿色、安全、无毒、生物相容性和生物可降解性要求的增加，小分子表面活性剂在食品、生物医药和化妆品领域中的应用越来越受到限制。
4.无定形二氧化硅纳米颗粒(sio
2 nps)已在欧盟(eu)和美国(us)注册并批准为e551食品添加剂，在食品中常用作助流剂或稳定剂，例如稳定巧克力糖果中的油包水乳液。此外，sio
2 nps稳定的乳液液滴尺寸可达微米甚至亚微米级，这是改善食品外观和稳定性所需的典型液滴尺寸。然而，作为hipes的稳定剂，sio
2 nps的表面性质需进一步调整，以获得适当程度的疏水性，确保在油
‑
水界面上的最佳润湿性。目前，研究者虽然通过化学接枝策略成功制备了多种两亲性sio
2 nps，并构建了智能型hipes，但是新化合物的毒性和生物相容性有待进一步研究，限制了其在食品、化妆品和医药等领域中的规模化应用。bismarck等人通过吸附油酸疏水化sio
2 nps，构建了内相体积高达92vol％hipes。然而，该类hipes缺乏紫外氧化防护性能，使得负载其内的活性物质易变质，甚至毒变。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒乳化剂的绿色制备方法。
6.本发明另一目的在于提供一种上述木质素/sio2稳定的高内相乳液的制备方法及最佳配方。
7.本发明再一目的在于提供一种基于木质素/sio2稳定的高内相乳液在乳液领域中的应用。
8.本发明的目的通过下述方案实现：一种食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒乳化剂的绿色制备方法，其特征在于反应原料包括酶解木质素、壳聚糖、纳米sio2。
9.优选的，所述制备过程包括以下步骤：
10.s1、酶解木质素溶解于氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质，然后调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后制得水溶性木质素备用；
11.s2、称取sio2纳米颗粒分散在水中，加入壳聚糖溶液，搅拌一段时间后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗，之后再次将上述颗粒再次分散于水中，并加入上述水溶性木质素并搅拌，然后离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗后，经冷冻干燥得最终样品。
12.优选的，所述步骤s2中加入酶解木质素的浓度为15
‑
25wt％。
13.优选的，所述步骤s2中所述壳聚糖溶液浓度为5
‑
20g/ml。
14.优选的，所述步骤s2中所述二氧化硅质量为2
‑
8g。
15.优选的，所述步骤s2中水溶性木质素加入质量为0.5
‑
20g。
16.优选的，所述步骤s2中所述透析袋分子量为mw＝3000da。
17.一种稳定高内相乳液的制备方法，使用任一项方法所制备的纳米颗粒乳化剂，称取任一项方法所制备的纳米颗粒乳化剂纳米颗粒分散在水中，加入大豆油，通过高速剪切乳化，构建hipes食品乳液。
18.优选的，所述大豆油加入量为75
‑
90vol％。
19.优选的，所述乳化剂称取量为0.1
‑
1.5g。
20.有益效果：
21.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
22.1、本发明从生物乙醇酶解残渣出发，创新性的绿色合成了一种多功能食品级木质素/sio2纳米颗粒，用于构建hipes，为多功能食品级乳化剂的绿色制备提供一种新方法，拓展了木质素和sio2在食品领域中的应用潜力。
23.2、木质素与二氧化硅的巧妙结构结合，即可提升sio
2 nps的乳化活性，又可赋予其良好的抗紫外氧化性能，拓展了食品级sio
2 nps在生物医药、化妆品和食品等领域的应用潜力。
附图说明
24.图1高内相乳液的宏观数码相片和微观结构；
25.图2食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒制备示意图；
26.图3高内相乳液体外模拟消化性能图。
具体实施方式
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清
楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
31.实施例2
32.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取4.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
33.实施案例3
34.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取6.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
35.实施案例4
36.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取8.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
37.实施案例5
38.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 10g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗。
39.实施例6
40.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 15g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗。
41.实施案例7
42.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0gsio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 20g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入0.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗。
43.实施例8
44.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0gsio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入1.0g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
45.实施例9
46.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0gsio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入1.5g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
47.实施例10
48.将4.0g酶解木质素溶解于20ml 1mol/l氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用0.1mol/l盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取2.0g sio2纳米颗粒分散在10ml纯水中，加入1ml 5g/ml壳聚糖溶液，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，加入2.0g上述水溶性木质素，搅拌10min后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品为食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒。
49.实施例11
50.取0.1g的实施例1食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在2ml纯水中，加入8ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
51.实施例12
52.取0.5g的实施例2食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在2ml纯水中，加入8ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
53.实施例13
54.取1.0g的实施例3食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在2ml纯水中，加入8ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
55.实施例14
56.取1.5g的实施例4食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在2ml纯水中，加入8ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
57.实施例15
58.取0.5g的实施例5食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在1.5ml纯水中，加入8.5ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
59.实施例16
60.取0.5g的实施例6食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在1.5ml纯水中，加入8.5ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
61.实施例17
62.取0.5g的实施例7食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在1.7ml纯水中，加入8.3ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
63.实施例18
64.取0.5g的实施例8食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在0.7ml纯水中，加入8.7ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
65.实施例19
66.取0.5g的实施例9食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在1.0ml纯水中，加入9.0ml大豆油，经高速剪切乳化得到稳定的高内相乳液。高内相乳液的宏观数码相片和微观结构如图2所示。
67.实施例20
68.取0.3g样品与30ml 10mol/l的磷酸盐缓冲液混合并在37℃下搅拌2min。然后，加入25ml模拟胃液，用1.0mol/l盐酸调节溶液ph值至2.0。将混合液在37℃的摇床中孵育1h，转数为100rpm。立即用0.25mol/l氢氧化钠溶液调节溶液ph值至7.5。随后，取8g胆盐溶液和5g脂肪酶悬浮液加入上述溶液。用水相电位滴定仪，以0.25mol/l氢氧化钠为滴定液，在37℃下维持溶液ph值为7.5，进行模拟肠道中脂肪分解过程，时间为2h。将消化后样品进一步以10000rpm的转数离心20min，用10ml正己烷从水溶液胶束中提取β
‑
胡萝卜素，采用紫外可见分光光度计测试其浓度。高内相乳液体外模拟消化性能如图3所示。
69.实施例21
70.一种食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒乳化剂，由包括以下质量份组分自组装得到：
71.酶解木质素；壳聚糖；纳米sio272.所述木质素/sio2纳米颗粒由包括以下步骤方法制备得到：
73.将酶解木质素溶解于氢氧化钠水溶液中，离心除去不容性杂质。然后，用稀盐酸溶液调节ph至中性，再次离心除去水不溶性木质素，透析，冷冻干燥后备用。称取一定量的sio2纳米颗粒分散在一定体积的纯水中，加入一定体积的壳聚糖溶液，搅拌一段时间后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次。随后，再次上述颗粒再次分散于纯水中，并加入一定质量的上述水溶性木质素，搅拌一段时间后，离心除去上层清液，剩余固体用超纯水清洗2次后，经冷冻干燥得最终样品。
74.所述的酶解木质素溶液浓度优选为20wt.％。
75.所述的透析袋分子量优选为mw＝3000da。
76.所述的壳聚糖溶液优选为5，10，15和20g/ml。
77.所述的二氧化硅质量优选为2，4，6和8g。
78.所述的水溶性木质素质量优选为0.5，1.0，1.5和20g。
79.所述水溶液的ph值优选为7.0，8.0，9.0和10.0。
80.本发明还进一步提供上述食品级多功能木质素/sio2纳米颗粒稳定高内相乳液的制备方法，包括以下步骤：称取一定量的多功能木质素/sio2纳米颗粒分散在一定体积的纯水中，加入一定体积的大豆油，通过高速剪切乳化，构建hipes食品乳液。
81.所述的大豆油体积优选为75，80，83，85和90vol％。
82.所述的多功能木质素/sio2颗粒质量优选为0.1，0.5，1.0和1.5g。
83.本发明还进行了上述高内相乳液的体外模拟消化测试，包括以下步骤：模拟胃液(sgf)制备：在100ml超纯水中加入0.2g氯化钠和0.32g胃蛋白酶，用1.0mol/l盐酸调节溶液ph值至1.2备用。胆盐溶液配制：3.75g胆盐溶于80ml 10mmol/l的磷酸盐缓冲液(ph＝7.0)备用。脂肪酶悬浮液配制：0.6g溶于50ml 10mmol/l的磷酸盐缓冲液(ph＝7.0)备用。
84.取0.3g样品与30ml 10mol/l的磷酸盐缓冲液混合并在37℃下搅拌2min。然后，加入25ml模拟胃液，用1.0mol/l盐酸调节溶液ph值至2.0。将混合液在37℃的摇床中孵育1h，转数为100rpm。立即用0.25mol/l氢氧化钠溶液调节溶液ph值至7.5。随后，取8g胆盐溶液和5g脂肪酶悬浮液加入上述溶液。用水相电位滴定仪，以0.25mol/l氢氧化钠为滴定液，在37℃下维持溶液ph值为7.5，进行模拟肠道中脂肪分解过程，时间为2h。样品被消化后释放的游离脂肪酸(faas)计算公式如下：
[0085][0086]
其中，v是不同时间下消耗的氢氧化钠体积，单位为ml；c是氢氧化钠的浓度，单位为mol/l；mw是大豆油的分子量，290g/mol；m是初始样品中大豆油含量，单位为g。
[0087]
将消化后样品进一步以10000rpm的转数离心20min，用10ml正己烷从水溶液胶束中提取β
‑
胡萝卜素，采用紫外可见分光光度计测试其浓度。最后，β
‑
胡萝卜素的生物可利用率可由以下公式计算获得：
[0088][0089]
本发明在纯水环境中，通过层层自组装技术，将木质素包覆在sio
2 nps表面，绿色合成了食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒(lignin@sio
2 nps)。随后，以上述颗粒为乳化剂，利用高速剪切法，制备稳定的hipes，探究颗粒表面性质和浓度以及油水比对乳液界面流变性、微观形貌以及宏观稳定性的影响规律，构建颗粒结构与性能间的构效关系。同时，通过体外模拟胃液和肠液的消化过程，计算模型药物的生物可利用率，用以评价该hipes在食品领域中的应用潜力。该发明的实施将为多功能食品级乳化剂的绿色制备提供一种新方法，为木质素和sio2在食品领域中的应用拓展新思路。
[0090]
本发明的机理为：
[0091]
木质素分子结构共轭结构、酚羟基和苯基含量大，具有两亲性和防紫外性。在纯水环境中，通过层层自组装技术将木质素接枝包覆在二氧化硅表面，过程绿色无污染，符合国家可持续发展战略。同时，即可提升sio
2 nps的乳化活性，又可赋予其良好的抗紫外氧化性能，拓展了食品级sio
2 nps在生物医药、化妆品和食品等领域的应用潜力。
[0092]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。