淀粉纳米颗粒的制备与应用

第1章　绪论 1.1　纳米技术 纳米技术是20世纪末迅速发展起来的一门高新技术，包括微观世界（原子、分子）、微观与宏观的过渡区（纳米领域）和宏观世界，是在传统技术基础之上进行大胆创新的结果。首批研究成果因新颖、独*的思路，在学术研究领域引起了巨大的反响，并受到广泛关注，纳米技术被称为21世纪的又一次工业革命。随着时代的发展，高精监测仪器的不断推陈出新，纳米技术得到了进一步的成熟和完善。纳米技术作为一门高新技术已经形成了包括纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米药物学、纳米材料学等在内的多个分支学科，其中发展*早和*快的就是纳米材料学。纳米材料由于可产生多种特殊效应，包括小尺寸效应、量子尺寸效应、界面效应和宏观量子隧道效应等，具有常规材料所不具备的性能。作为纳米技术领域的典型代表，纳米颗粒因具有小尺寸效应，已经被广泛应用于食品、医药、生物和化工等各个领域。 1.1.1　食品无机纳米颗粒 无机纳米颗粒在纳米尺度范围（1～100nm）具有一个或多个关键尺寸，存在于某些类型的食品或食品包装材料中[1]。在一些食品和食品包装材料中加入无机纳米粒子，如二氧化钛、二氧化硅、氧化铁、氧化锌或银纳米粒子，以获得特定的功能属性。二氧化硅纳米颗粒被用作抗结块剂和用于澄清液体，而二氧化钛纳米颗粒通常被用作增白剂[2]。氧化锌和碳酸钙纳米粒子作为膳食锌和钙补充剂[3，4]。银纳米颗粒由于其抗菌作用，被用于食品包装材料中[5]。氧化铁纳米颗粒作为食品着色剂而广泛应用[6]。 1.1.2　食品有机纳米颗粒 在食品系统的背景下，蛋白质、脂质和生物多糖等制成特定尺寸如粒径小于100nm的有机纳米颗粒[7]。与无机纳米颗粒一样，有机纳米颗粒由于其特定的功能特性而被应用于食品领域。此外，一些纳米颗粒可以通过表面改性实现特定的功能特性。目前研究多集中于有机纳米颗粒的包埋与装载作用。根据原材料的理化性质、胶体和聚合物科学以及材料科学与工程的基本原理，可以使用“自下而上”和“自上而下”的方法或两者的组合来制造有机纳米颗粒[8]。有机纳米颗粒具有尺寸、形态、表面特性、内部结构和生物特性等方面的特征，可用于了解结构与功能的相关性，进而探索它们的应用。这些潜在应用包括改变物理特性、改善感官特性和食品质量、保护不稳定化合物并提供封装活性物质的载体，以提高生物活性和生物利用度[9，10]。 蛋白质具有较好的凝胶性、乳化性、成膜性和持水能力，被认为是一种很有潜力的载体[11]。利用多肽初级结构上的官能团与众多生物活性物质的亲和作用，采用乳化、喷雾干燥、薄膜和冷凝水凝胶等手段开发得到微米颗粒、水凝胶和纳米颗粒等材料，通过靶向运送方式，将功能性成分运输至目标位置，实现高的生物利用度[12]。目前，胶原蛋白、明胶、清蛋白、玉米蛋白、酪蛋白和乳清蛋白已经被应用于药物和生物活性肽的递送体系[13]。近年来，以蛋白质为基础的天然聚合物通常被认为是安全的，其作为功能物运载体系得到了很大的关注。同时，它在生物体内的降解产物能够被生物体代谢并排出体外，无毒副作用。然而，蛋白质作为纳米载体材料在包封效率、稳定性和药物释放方面的性能仍不尽如人意。 脂质可以自然形成纳米薄膜、胶束、反胶束和脂质体纳米颗粒。其中，胶束或反胶束是单层结构，而脂质体是双层结构。固体脂质纳米颗粒和脂质复合物也称为脂质纳米颗粒。固体脂质纳米颗粒被开发为一种新型的纳米载体，作为传统胶体药物载体的替代品[14]。固体脂质纳米颗粒具有稳定性高、药物泄漏少、口服生物利用度高、毒性低、能大规模生产等优点[15]；但仍存在载药能力有限、储藏过程中药物排挤等问题。 多糖类高分子如纤维素、魔芋葡甘露聚糖、壳聚糖、明胶等具有较好的生物相容性，在农业生产、食品工业、生物医学、污水处理和造纸等领域具有广泛的应用前景。但是，纤维素不能在大多数溶剂（如水、乙醇、丙酮等）中溶解，也不能加热熔融，制备纳米级纤维素需要用到浓度较高的碱性或酸性溶液作为溶剂，后续的废液处理成本巨大，而且污染环境[16]。此外，魔芋葡甘露聚糖分子量大、结晶度高、黏度大和流动性差，且低浓度也易成凝胶而难于纳米化[17]。壳聚糖是甲壳素经过脱乙酰化后得到的产物，是自然界中唯一的阳离子多糖，壳聚糖的主要研究方向是壳聚糖纳米颗粒和纳米纤维，其制备需要独*的设备或复杂的后处理方法[18]，不利于大规模生产与应用。 淀粉是一种来源丰富、廉价、可再生、可降解和具有良好生物相容性的天然聚合物，在自然界的分布十分广泛。淀粉分子结构中具有很多活性羟基，可对其进行物理和化学改性，从而满足不同实际生产需要。近年来，淀粉纳米颗粒已经成为淀粉研究的一个新的领域[19]，淀粉纳米颗粒以其生物相容性、生物降解性、低成本、可再生性和无毒等特性，在医药、食品和包装等领域的工业应用中脱颖而出。与其他食品级有机纳米颗粒相比，淀粉纳米颗粒已被证明具有不同的理化和生物学特性[20]，具有更高的溶解度、反应表面、吸收能力和生物渗透率，因此它们适合用作载体以模拟脂质胶束并促进活性物质的运输。 1.2　纳米颗粒 1.2.1　淀粉 淀粉是一种天然的、可降解的、可再生的天然高分子材料，在自然界中分布很广，植物的种子、根部和块茎中都蕴藏着丰富的淀粉。淀粉是食品的重要组成成分，也是人类的主要能量来源。淀粉化学结构式为(C6H10O5)n，是由单一类型的糖单体（D-葡萄糖）组成的天然高分子，主要存在于植物中，如玉米、大米、小麦、马铃薯、木薯等都含有大量的淀粉[21]。 淀粉是由D-葡萄糖单元通过1，4糖苷键和α-1，6糖苷键结合而成的高分子聚合物，可分为直链淀粉和支链淀粉。淀粉的颗粒结构包含结晶区和无定形区[22]。结晶区构成了淀粉颗粒的紧密层，无定形区构成了稀疏层，紧密层与稀疏层交替排列从而形成了淀粉颗粒。 1.直链淀粉 直链淀粉（图1.1）是D-葡萄糖单元通过α-1，4糖苷键连接而成的线型聚合物，分子呈链状，聚合度为100～6000，整个链分子是以每6个葡萄糖残基为螺旋节距卷曲而成的。 2.支链淀粉 支链淀粉（图1.2）是D-葡萄糖通过α-1，4和α-1，6糖苷键连接而成的高度分支化的大分子聚合物。每个支链淀粉分子由1条主链和许多连接侧链组成。主链是由α-1，4糖苷键连接构成的一直链，此主链上又分出侧链，侧链由α-1，6糖苷键与主链连接。支链淀粉分子的聚合度为1200～3000000，一般在6000以上，远大于直链淀粉的聚合度。 1.2.2　淀粉纳米颗粒 淀粉纳米颗粒是一种以天然淀粉为原料，粒径小于300nm的生物材料，包括单一淀粉纳米颗粒、正负电荷改性的淀粉纳米颗粒和双亲改性的淀粉胶束或淀粉囊泡等[23]。淀粉纳米颗粒具有粒径小、比表面积大、生物相容性好等优势，可以增强膜的机械性能，也可以通过氢键和疏水作用把酚类物质包埋到纳米颗粒中，增强酚类物质的溶解性[19]。纳米颗粒包埋也能阻止酚类物质在消化道中的氧化和降解。更重要的是，30～50nm的纳米颗粒可由小肠上皮细胞直接吸收，增加酚类物质的生物利用率。 1.3　淀粉纳米颗粒的传统制备方法 1.3.1　酸水解法 酸水解制备淀粉纳米颗粒的原理是通过硫酸或盐酸的水解作用去掉淀粉的无定形区，而保留淀粉的高结晶部分。淀粉纳米晶的粒径大小和得率受许多因素的影响，如淀粉类型及酸解条件（如酸浓度、酸解时间及温度等）等。不同来源的淀粉经酸解得到的纳米晶长度主要为20～200nm，宽为10～30nm。在10年之前淀粉纳米晶的制备是在盐酸催化体系中进行的，但是盐酸水解需要40天，时间较长，而且其得率低，只有0.5%，限制了纳米晶的进一步应用。为了提高纳米颗粒的得率并缩短制备时间，Angellier等[23]筛选了制取淀粉纳米晶的条件。在体系温度为40℃、硫酸浓度为3.16mol/L、淀粉浓度为14.69%、转速为100r/min的条件下水解5天，淀粉纳米晶的得率可以提高到15%。LeCorre等[24]为了进一步缩短酸水解时间，采用酶法辅助酸法，先用淀粉酶对蜡质玉米淀粉进行预处理后再酸解，时间缩短到15h。采用酸解法制备淀粉纳米晶工序简单，但是其耗时长，纳米晶得率低，且在浓硫酸体系中进行反应污染环境，对反应设备要求较高等缺点限制了淀粉纳米晶的应用。 1.3.2　机械方法 机械方法制备淀粉纳米颗粒的原理是在机械作用力（如挤压、剪切和摩擦等）下将淀粉颗粒破碎至纳米级。Liu等[25]采用高压均质技术制备淀粉纳米颗粒，淀粉颗粒在207MPa的高剪切压力下均质20次，颗粒大小由减小到10～20nm。Shi等[26]采用高压均质乳化交联法制备出粒径在50～250nm之间的淀粉纳米颗粒。Song等[27]用双螺杆挤压机对添加交联剂（乙二醛）的淀粉进行处理，挤出温度在75～100℃，可以得到粒径在100～200nm的淀粉纳米颗粒。Haaj等[28]采用了一种简单、环境友好且淀粉纳米颗粒得率较高的方法—高功率超声破碎法，1.5%的淀粉乳在低温（8～10℃）下超声75min，可以得到尺寸在30～100nm的纳米颗粒。机械方法操作简单，不使用化学试剂或使用较少，有利于环保，但是耗能较大，且对设备要求比较高，设备成本高。 1.3.3　细乳液法 细乳液法是制备淀粉纳米颗粒的新方法。细乳液的液滴粒径大小一般为100～500nm。细乳液不能自发形成，需与能产生高能量的乳化技术（高压均质乳化、高剪切乳化等）结合使用。Dziechciarek等[29]在高剪切速率下细微乳化，制备出淀粉纳米颗粒。Jain等[30]以环氧氯丙烷为交联剂、剪切速率22000r/min、乳化10min时制得淀粉纳米颗粒的大小为194.2nm。细乳液法制备的淀粉纳米颗粒是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂组成的热力学稳定的体系。王晋等[31]采用反相乳液（W/O型）聚合法，以三氯氧磷为交联剂，制备了球形淀粉纳米颗粒，当淀粉浓度为8%、油水相体积比为25∶1时，淀粉纳米颗粒平均粒径大小为440.1nm。张洪斌等[32]在W/O型淀粉乳液中制备出圆球形淀粉纳米颗粒，淀粉质量分数为1%时，制取的淀粉纳米颗粒平均颗粒尺寸为92.2nm。细乳液法乳化剂用量一般较大，所以成本较高。 1.3.4　反相微乳液法 反相微乳液法是近年来应用较多的制备淀粉纳米颗粒的方法。微乳液体系是指互不相溶的两相，如油相和水相，在表面活性剂的作用下形成的均一、透明、热力学稳定的分散体系，有水包油型、油包水型和双连续型。Gao等[33]以环己烷和氯仿为连续相，以淀粉-N，N′-亚甲基双丙烯酰胺溶于水中作为分散相，在引发剂的作用下制备出尺寸分布均匀的淀粉纳米微球。等[34]提出了一条“绿色合成工艺”，以可溶性淀粉为原料，环氧氯丙烷为交联剂，在离子液体微乳液体系中合成淀粉纳米微球，微球的平均水力学粒径为93.2nm，尺寸分布较窄，具有良好的分散性。该体系避免了传统的有机溶剂的使用，是一种绿色的制备淀粉纳米微球的方法。 1.3.5　纳米沉淀法 纳米沉淀法是一种简便和绿色的制备纳米颗粒的方法。在纳米颗粒形成的过程中，通过缓慢滴加无水乙醇，纳米颗粒缓慢沉出，通过控制乙醇比例和滴加速率防止纳米颗粒聚集。纳米沉淀法的条件容易控制、操作简单、高效，得到的纳米颗粒粒径较小，且不易聚集。Qiu等[35]研究了乙醇沉淀法制备的纳米颗粒粒径是20～100nm，结晶度为43.2%～49.5%。Ma等[36]将乙醇逐滴滴入到糊化的淀粉糊中，搅拌离心，用乙醇对沉淀物进行脱水处理后，得到粒径为50～300nm的淀粉纳米颗粒。Chin等[37]将无水乙醇逐滴滴加到淀粉/氢氧化钠/尿素混合溶液中，制备出300～400nm的淀粉纳米颗粒。另外，淀粉溶液中加入不同的表面活性剂可以得到不同颗粒大小的淀粉纳米颗粒。