吳修利,姜雪,段蕾,郭春香
(長(zhǎng)春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012)
溶劑交換法制備淀粉納米顆粒及表征
吳修利,姜雪,段蕾,郭春香
(長(zhǎng)春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012)
采用沉淀技術(shù)以二甲基亞砜為溶劑,短鏈醇為不良溶劑利用溶劑交換法制備淀粉納米顆粒。實(shí)驗(yàn)考察了不良溶劑種類,乙醇體積濃度和溶劑/不良溶劑體積比對(duì)顆粒尺寸的影響,并對(duì)獲得的淀粉納米顆粒結(jié)構(gòu)與形態(tài)進(jìn)行了紅外光譜、掃描電鏡以及X-射線衍射分析。結(jié)果表明:采用無水乙醇為不良溶劑,當(dāng)溶劑與不良溶劑體積比1∶20情況下,制備的淀粉納米顆粒尺寸(218.8±4.66)nm,粒子尺寸分布較均勻,化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變,晶體結(jié)構(gòu)被破壞,衍射峰消失。
淀粉納米顆粒;溶劑交換法;結(jié)構(gòu);研究
納米顆粒通常定義為尺寸直徑為10 nm~1 000 nm的固體或膠體微粒。由于納米顆粒具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注[1-2]。到目前為止,有機(jī)高分子材料制備的納米顆粒已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、生物和食品等諸多領(lǐng)域[3-5]。
與其它人工高分子材料相比,淀粉為原料制備的納米材料具有一系列的優(yōu)點(diǎn),尤其在安全性和降解性要求較高的領(lǐng)域方面更表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)異性能。納米粒子的特性與制備工藝具有一定關(guān)聯(lián)性,目前國(guó)內(nèi)外制備納米顆粒方法有很多[6-8]。
本實(shí)驗(yàn)采用溶劑交換法是制備淀粉納米顆粒,首先將淀粉溶于溶劑相二甲基亞砜中,然后滴加到另一種不良溶劑短鏈醇分散相中,由于淀粉在該分散相中不溶解,當(dāng)兩相接觸淀粉懸浮液便發(fā)生聚集迅速形成淀粉納米粒子。溶劑交換法具有操作簡(jiǎn)單,快速易完成,納米粒子分布峰較窄,重現(xiàn)性好,所需有機(jī)溶劑較少等優(yōu)點(diǎn)。
玉米淀粉:長(zhǎng)春大成玉米淀粉有限公司;乙醇(分析純)和二甲基亞砜(分析純):北京化工廠。
高速離心機(jī)(LG10-2.4 A):北京雷勃爾離心機(jī)有限公司;高功率數(shù)控超聲波清洗器(KQ-600KDE):昆山市超聲儀器有限公司;電子天平(AL104):梅特勒-托利多儀器有限公司;磁力攪拌器(JB-3):上海雷磁新涇儀器有限公司;納米粒徑電位分析儀(Nano-ZS90):馬爾文公司(英國(guó));場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JSM-670 0F):日本 JEOL 公司;紅外分析儀(Spectrum One):美國(guó)PE儀器公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(101A-3):上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。
90℃條件下,將質(zhì)量濃度10 g/L淀粉二甲基亞砜溶液保溫0.5 h,磁力攪拌下,滴加到乙醇中,分散后離心,舍去上清液,再用醇洗3次,備用。
配制濃度為10 mg/mL的淀粉納米顆粒水溶液,通過激光粒度儀進(jìn)行顆粒尺寸檢測(cè)。25℃條件下,每個(gè)樣品測(cè)試3次取平均值。
采用溴化鉀(KBr)壓片法進(jìn)行紅外光譜分析。測(cè)試條件:光譜分辨率為4 cm-1,掃描范圍為4 000 cm-1~400 cm-1,掃描次數(shù)32次。
用導(dǎo)電膠把樣品固定在樣品臺(tái)上,經(jīng)真空鍍金膜后進(jìn)行觀察和拍攝。
采用 Cu 靶特征射線 Kα(λ =1.542 ?),石墨單色器,電流30 mA,工作電壓40 kV,掃描速度8.000°/min,步長(zhǎng)0.02°,掃描范圍5.00°~40.00°。測(cè)試前,樣品50℃烘至恒重。
溶劑交換法制備淀粉納米顆粒,淀粉應(yīng)能夠很好地溶解于溶劑,而在不良溶劑中則需要完全不溶,溶劑與不良溶劑二者之間應(yīng)具有良好的混溶性,基于此條件,實(shí)驗(yàn)對(duì)不良溶劑的類型、乙醇濃度以及良溶劑/不良溶劑體積比進(jìn)行了考察。
以脂肪醇尤其是短鏈醇為不良溶劑,更有利于得到穩(wěn)定的納米粒子懸浮液。當(dāng)?shù)矸?二甲基亞砜溶液與短鏈醇接觸時(shí),體系介電常數(shù)(ε)發(fā)生改變,二甲基亞砜與短鏈醇互相擴(kuò)散,短鏈醇分子會(huì)占據(jù)先前二甲基亞砜分子的空間位置而使混合液極性降低,淀粉溶解度下降。圖1表明淀粉納米粒徑尺寸隨不良溶劑變化情況。
隨短鏈醇碳原子數(shù)增多,介電常數(shù)逐漸下降,粒徑尺寸略有增加,但增幅較小,只有戊醇為不良溶劑時(shí)制備的粒子尺寸較大,這可能與其具有較低的介電常數(shù)(ε=13.9),呈現(xiàn)出非極性溶劑性質(zhì)有關(guān)[9]??紤]成本及毒性問題,實(shí)驗(yàn)采用乙醇作為不良溶劑。
圖1 不良溶劑種類對(duì)淀粉納米粒子尺寸的影響Fig.1 Effect of non-solvent type on the size of starch nanoparticles
以乙醇為不良溶劑,考察乙醇體積濃度對(duì)淀粉納米粒徑尺寸的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 不良溶劑乙醇體積濃度與表面張力及粒徑尺寸之間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between the alcohol volume concentration and the surface tension and particle size
由如圖2可知,當(dāng)乙醇中水分逐漸增加時(shí),表面張力也會(huì)逐漸增大,制備的納米粒子尺寸也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),當(dāng)以無水乙醇為不良溶劑時(shí)獲得的粒子尺寸最小。可能的原因是,乙醇中水分的增加導(dǎo)致溶劑能力提升,加快了Ostwald熟化[10],因而粒子尺寸增大。當(dāng)乙醇體積濃度低于80%時(shí),在沉淀過程中粒子會(huì)發(fā)生團(tuán)聚粘附至杯內(nèi)壁,而粒子在重新溶解過程甚至出現(xiàn)聚集,部分沉淀難以分散溶解。因而實(shí)驗(yàn)選擇無水乙醇作為不良溶劑。
溶劑/不良溶劑體積比對(duì)于納米粒子的形成也非常重要。溶劑與不良溶劑不同體積比制備淀粉納米顆粒掃描電鏡圖如圖3所示。
由圖3可知,當(dāng)兩者體積比1∶5時(shí),動(dòng)態(tài)光散射檢測(cè)粒子的等效粒徑尺寸為(219.9±0.81)nm,而當(dāng)體積比增加到1∶20時(shí),此時(shí)測(cè)得的粒徑為(209.2±4.31)nm,通過觀測(cè)顆粒形態(tài),圖3顯示粒子外貌差別較明顯,溶劑/不良溶劑體積比越大,球形粒子邊緣越清晰,粒子越小越均勻。
圖3 溶劑與不良溶劑不同體積比制備淀粉納米顆粒掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron microscope of starch nanoparticles prepared by different volume ratio of solvent and non-solvent
玉米淀粉和淀粉納米顆粒的掃描電鏡及動(dòng)態(tài)光散射圖如圖4所示。
圖4 玉米淀粉和淀粉納米粒徑分布及電鏡圖Fig.4 Particle size distribution and scanning electron microscope of corn starch and starch nanoparticles
從圖4A玉米淀粉掃描電鏡照片可清晰的看到,原淀粉顆粒的尺寸在5 μm~20 μm之間,形貌不規(guī)則大小不均一。動(dòng)態(tài)光散射檢測(cè)(圖C)平均粒徑14.4 μm。而制備的納米淀粉顆粒(圖B)形貌規(guī)整,直徑在150 nm~250 nm之間,動(dòng)態(tài)光散射(圖D)檢測(cè)平均粒徑尺寸為(218.8±4.66)nm,這與掃描電鏡所觀測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致,說明動(dòng)態(tài)光散射可作為淀粉納米顆粒分散液尺寸分布的檢測(cè)工具。圖D還顯示,在水溶液中淀粉納米粒子尺寸分布主要集中在3個(gè)區(qū)域,大尺寸的顆粒主要來自在水溶液中納米粒子聚集,而孤立淀粉納米顆粒尺寸約30 nm~40 nm,掃描電鏡圖上也證實(shí)了粒子存在的不同狀態(tài)。
玉米淀粉和淀粉納米顆粒X-射線衍射圖如圖5所示。
圖5 玉米淀粉和淀粉納米顆粒X-射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction pattern of corn starch and starch nanoparticles
天然淀粉結(jié)晶類型可分為V型、A型、B型和C型[11]。玉米淀粉為典型的A型結(jié)晶圖譜,從圖5A可以看出曲線由尖峰衍射特征和彌散衍射特征兩部分組成,在衍射角 15 °,17 °,18 °,23 °處有尖銳的衍射峰[12]。而淀粉納米顆粒(B)譜圖明顯不同于原淀粉,結(jié)晶峰消失,這表明隨著淀粉顆粒在二甲基亞砜中溶脹,二甲基亞砜分子減弱或者破壞淀粉原有的分子內(nèi)和分子間氫鍵,致使淀粉螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域伸展,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)也隨之被破壞,導(dǎo)致衍射峰消失。
玉米淀粉(A)和淀粉納米顆粒(B)的紅外光譜圖如圖6所示。
對(duì)比二者紅外光譜圖可以看出在峰形峰位方面沒有明顯的差別。在淀粉納米顆粒譜圖上也未發(fā)現(xiàn)二甲基亞砜分子中-CH3基團(tuán)和-S=O基團(tuán)的特征吸收峰,說明二甲基亞砜在體系中僅作為溶劑,并沒有與淀粉基團(tuán)發(fā)生作用。
圖6 玉米淀粉和淀粉納米顆粒的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of corn starch and starch nanoparticles
以二甲基亞砜作為溶劑,采用溶劑交換法制備淀粉納米顆粒過程,不良溶劑的選取,其體積濃度以及溶劑與不良溶劑體積比都對(duì)制備的淀粉納米顆粒尺寸和形態(tài)產(chǎn)生較大影響。采用無水乙醇為不良溶劑,當(dāng)溶劑與不良溶劑體積比1∶20,制備的淀粉納米顆粒尺寸(218.8±4.66)nm,粒子尺寸分布較均勻。結(jié)構(gòu)表征表明,制備的淀粉納米化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變,晶體結(jié)構(gòu)被破壞,衍射峰消失,顆粒形態(tài)為球形均一粒子,改變制備條件調(diào)整相應(yīng)參數(shù)可對(duì)粒徑尺寸進(jìn)行調(diào)控。
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Preparation and Characterization of Starch Nanoparticles by Solvent Exchange Method
WU Xiu-li,JIANG Xue,DUAN Lei,GUO Chun-xiang
(College of Food Science and Engineering,Changchun University,Changchun 130012,Jilin,China)
The starch nanoparticles were prepared by solvent exchange method using two dimethyl sulfoxide as solvent and short chain alcohol as non-solvent.The influence of non-solvent type,concentration and solvent/non-solvent volume ratio on particle size was investigated,and the particle structure and morphology was also characterized by FT-IR spectrascopy,scanning electron microscope and X-ray diffraction.The results showed that the size of starch nanoparticles was (218.8±4.66)nm when absolute ethanol as solvent,solvent/non-solvent volume ratio 1∶20.The particle size was uniform,the chemical structure was unchanged,the crystal structure was destroyed,and the diffraction peak disappeared.
starch nanoparticles;solvent exchange method;structure;investigation
10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.002
吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2016]第301號(hào));長(zhǎng)春大學(xué)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目培育項(xiàng)目(2016JBC26L26)作者簡(jiǎn)介:吳修利(1974—),男(漢),副教授,博士,主要從事淀粉及淀粉衍生物方向的研究。
2017-09-28