菜籽蛋白-壳聚糖纳米颗粒的扫频超声波制备方法 |
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| 申请号 | CN201710411623.1 | 申请日 | 2017-06-05 | 公开(公告)号 | CN107298773A | 公开(公告)日 | 2017-10-27 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 任晓锋; 陈环; 侯婷; 张熙; 梁秋芳; 朱文静; 马海乐; 钟永梅; 王彤; 王丽; 田雨; 刘尧刚; 王志荣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了菜籽蛋白-壳聚糖纳米颗粒的扫频 超 声波 制备方法，涉及功能食品纳米复合颗粒技术领域。是由以下重量份的原料制备而成： 油菜籽 活性蛋白：2～10份；壳聚糖：1～2.5份。本发明在油菜籽活性蛋白添加壳聚糖，改变油菜籽活性蛋白的高级结构，使其结构打开，暴露活性基团，同时 蛋白质 和多糖形成小的聚集体，从而促进各聚集体通过疏 水 相互作用形成纳米颗粒为包埋 生物 活性成分 提供 基础 。本发明在包埋姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒的制备过程中，使用扫频 超声波 处理技术，通过超声波的物理 力 促进了蛋白质和多糖交联成聚集体，从而促进各聚集体通过疏水相互作用形成纳米颗粒为包埋 生物活性成分 提供基础。 | ||||||
| 权利要求 | 1.油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒，其特征在于是由以下重量份的原料制备而成： |
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| 说明书全文 | 菜籽蛋白-壳聚糖纳米颗粒的扫频超声波制备方法技术领域背景技术[0002] 油菜籽因含有丰富的油脂和优质蛋白质而成为世界及我国重要的油料作物之一。我国历来是油菜生产大国，目前种植面积和产量均居世界之首，其种植面积占全国油料作物总种植面积的30％以上；菜籽油产量占主要食用植物油总产量的35％以上；2016年全国油菜籽总产量已达到1400万吨。油菜籽含有40-45％的油脂，20-25％的蛋白质和25％的碳水化合物，不仅是主要的油料作物，也是巨大的植物蛋白资源，菜籽蛋白的氨基酸组成合理，其赖氨酸含量与大豆相当，而蛋氨酸等含硫氨基酸的含量则高于大豆蛋白，是我国有待开发利用的最大优质实用蛋白，具有重要的经济价值。 [0003] 目前菜籽蛋白并没有能像大豆蛋白那样得到广泛的应用，主要有两个原因：一是菜籽粕中含有硫苷、植酸等有毒有害物质，主要还是用作肥料，产品附加值低，资源浪费严重；二是对菜籽蛋白的研究力度、深度和广度远不及对大豆蛋白的研究。随着“双低”油菜的推广种植，菜籽蛋白作为大宗植物蛋白成为可能，对菜籽蛋白的研究也随之变得更加重要。国内外对菜籽蛋白的提取工艺、结构特性以及功能性质进行了相应研究，但都存在一些诸如提取率不高和工艺复杂等缺陷，并未实现产业化，目前国内外都很重视菜籽粕的加工潜质，积极采用现代加工技术，进行综合加工，以实现更好的经济和社会效益。目前菜籽粕的深加工主要集中于加工制备菜籽蛋白、菜籽蛋白活性肽以及采用微生物发酵制备菜籽饼粕饲料。 [0004] 壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。壳聚糖是自然界中仅次于纤维素的第二大天然多糖，来源丰富，具有安全无毒、易降解、良好的生物相容性等优点。壳聚糖分子中带有游离氨基，在酸性溶液中易成盐，呈阳离子性质。壳聚糖随其分子中氨基数量的增多，其氨基特性越显著，这正是其独特性质的所在，由此奠定了壳聚糖的许多生物学特性及加工特性的基础。因而，壳聚糖不仅是一种天然资源，更是一种新材料，其在医药、化工、农业等领域有着良好的应用前景。 [0005] 多酚类化合物、不饱和脂肪酸或益生菌等生物活性成分，能调节人体生理机能，延缓和预防慢性疾病。如姜黄素(curcumin)，从姜科植物.(Curcuma longa L)中提取的一种相对分子质量小的多酚类物质，通常认为它是姜黄中最有效的成分。研究表明，姜黄素具有抗炎症、抗肿瘤、清除自由基、抗癌作、抗氧化、降低血糖、血脂等多种生理活性。然而姜黄素易受环境因素的影响，如在酸、中性环境中溶解性低；在碱液中容易降解，性质不稳定，；在光照、加热及铁离子的存在下易分解；口服用药吸收性差等问题。 [0006] 综上，生物活性成分对食品加工和储藏过程中温度、氧、光、pH和金属离子等因素敏感，易于发生氧化、异构化、聚集或降解等结构改变，导致生物活性降低或丢失。而且，疏水性和两亲性活性成分在水中溶解性非常低。这些在很大程度上限制了生物活性成分在食品和医药工业中的应用。对生物活性成分进行包埋是食品加工和储藏过程中对其保护、消化以及增加生物利用度的一种有效手段。天然的生物大分子(如蛋白质、多糖等)不但具有高的营养价值，而且具有多种功能特性，已被广泛用作包埋技术中的原料。 [0007] 研究发现蛋白质与多糖之间相互作用形成复合纳米颗粒可以克服单一组分溶解度差、稳定性差、包埋效率低的不足，对生物活性成分起到很好的包埋和保护作用。因此国内外学者进行了大量的有关蛋白质-多糖复合纳米颗粒的制备方法及其对生物活性成分包埋的研究。乳化法是制备复合纳米颗粒的常用方法，此法的不足表现在复合纳米颗粒的制备过程中需要添加有机溶剂、表面活性剂、戊二醛交联剂等，这些试剂的残留使复合纳米颗粒具有一定毒性；去溶剂法和化学交联法也涉及有毒交联剂的引入；以上三种方法不是制备复合纳米颗粒的理想方法。离子交联法和自组装法制备复合纳米颗粒，条件温和，不需要有毒的交联剂，不生成化合键，仅依靠非共价键连接，因而被广泛使用。特别是自组装法，对于营养递送系统设计而言，安全性等相对更佳。然而蛋白质与多糖毕竟是不同性质的两种大分子，仅仅通过简单自组装法进行凝聚，凝聚效果差，凝聚物对生物活性成分的包埋效率低。 [0008] 为了解决这一问题，本发明引进先进的扫频式超声波技术，希望超声波能激发蛋白质与多糖两种生物大分子溶液产生与其自身固有频率相匹配的共振频率，产生交联，获得了一种包埋效率高、pH稳定、粒径均一的蛋白质-多糖复合纳米颗粒，利用所得的蛋白质-多糖复合纳米颗粒对生物活性成分进行包埋和保护。 发明内容[0009] 为解决上述问题，该发明通过对油菜籽活性蛋白-壳聚糖进行复合凝聚，添加姜黄素，利用扫频式超声波处理等技术手段制备油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒，并究其对姜黄素的包埋。 [0010] 本发明油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒，是由以下重量份的原料制备而成： [0011] 油菜籽活性蛋白：2～10份； [0012] 壳聚糖：1～2.5份。 [0013] 优选以下重量份的原料制备而成： [0014] 油菜籽活性蛋白：5份； [0015] 壳聚糖：2份。 [0016] 其中所述的壳聚糖分子量为10万道尔顿或者15万-30万道尔顿。 [0017] 其中所述的油菜籽活性蛋白按照下述步骤进行制备： [0019] (2)将离心残渣按照料液比1:10(mg/ml)加入蒸馏水；调pH到12，于室温下搅拌1h，同时进行多频模式超声处理，超声处理结束后于4℃下10000r/min离心20min，保留上清液，[0020] (3)将上清液pH调到4，充分搅拌后静置30min；4℃温度下经10000r/min离心20min，收集沉淀，然后将沉淀按照料液比1:10(mg/ml)的比例用pH＝4的蒸馏水清洗两次，经冷冻干燥获得菜籽活性蛋白粉末。 [0021] 其中步骤(2)中所述的多频超声处理模式为：三频同步或者双频同步或者单频超声处理，超声功率密度80～120W/L；超声脉冲工作时间10s；脉冲间歇时间3s，超声处理时间为1h。 [0022] 其中步骤(2)中三频同步或者双频同步或者单频超声处理的超声波频率组合为：20kHz、35kHz、35/40kHz或者20/35/40kHz，优选20/35/40kHz。 [0023] 油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒的制备方法，按照下述步骤进行： [0024] (1)将油菜籽活性蛋白溶解到蒸馏水中，磁力搅拌的同时调节pH＝12，至蛋白完全溶解；得到油菜籽活性蛋白浓度为(2-10)mg/mL溶液； [0025] (2)将壳聚糖溶解到0.1M乙酸水溶液中，得到壳聚糖溶液浓度为(1-2.5)mg/mL溶液； [0026] (3)将步骤(2)壳聚糖溶液按体积比为1:1比例逐滴加入到步骤(1)油菜籽活性蛋白溶液中，使得油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例为：(2～10)：(1～2.5)，然后调节混合溶液的pH＝4-5。 [0027] (4)将步骤(3)得到的混合溶液进行双频扫频超声波处理，超声条件为：上下板间距为10cm，扫频周期300s，间歇比10s/12s，上下每块振板功率为600W。 [0028] (5)超声结束后，室温下静置6h，即得油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，喷雾干燥或者冷冻干燥后得油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒。 [0029] 其中步骤(3)中优选调节混合溶液的pH＝5。 [0030] 其中步骤(3)中所述的使得油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例优选为5：2。 [0031] 其中步骤(4)中所述的双频频率组合为：33/68kHz、33/40kHz、33/28kHz；最优选佳频率组合为33/68kHz。 [0032] 油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒负载姜黄素的制备方法，按照下述步骤进行： [0033] (1)将油菜籽活性蛋白溶解到蒸馏水中，磁力搅拌的同时调节pH＝12，至蛋白完全溶解；得到油菜籽活性蛋白浓度为(2-10)mg/mL溶液； [0034] (2)将壳聚糖溶解到0.1M乙酸水溶液中，得到壳聚糖溶液浓度为(1-2.5)mg/mL溶液； [0035] (3)将步骤(2)壳聚糖溶液按体积比为1:1比例逐滴加入到步骤(1)油菜籽活性蛋白溶液中，使得油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例为：(2～10)：(1～2.5)，然后调节混合溶液的pH＝4-5； [0036] (4)将浓度为(10-20)mg/mL的叶黄素乙醇溶液快速注入步骤(3)制备的油菜籽活性蛋白和壳聚糖复合纳米颗粒溶液中，使得油菜籽活性蛋白和姜黄素的质量比例为1：1； [0037] (5)室温下将步骤(4)得到的混合溶液进行双频扫频超声波处理，超声条件为：上下板间距为10cm，扫频周期300s，间歇比1:1.2(超声10s，间歇12s)，上下每块振板功率为600W； [0038] (6)超声结束后，即得负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，喷雾干燥或者冷冻干燥后得到负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒。 [0039] 其中步骤(3)中优选调节混合溶液的pH＝5。 [0040] 其中步骤(3)中所述的使得油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例优选为5：2。 [0041] 其中步骤(5)中所述的双频频率组合为：33kHz/68kHz、33kHz/40kHz、33kHz/28kHz、28kHz/40kHz；优选频率组合为33kHz/68kHz。 [0042] 本发明的有益效果在于： [0043] (1)本发明向油菜籽活性蛋白中添加壳聚糖，改变油菜籽活性蛋白的高级结构，使其结构打开，暴露活性基团，同时蛋白质和多糖形成小的聚集体，从而促进各聚集体通过疏水相互作用形成纳米颗粒为包埋生物活性成分提供基础。 [0044] (2)本发明在利用油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒包埋姜黄素的过程中，使用扫频超声波处理技术，通过超声波的物理力促进了蛋白质和多糖交联成聚集体，从而促进各聚集体通过疏水相互作用形成纳米颗粒，为包埋生物活性成分提供基础。 [0045] (3)本发明中包埋姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒的制备方法，工艺操作简单，制备过程中未涉及有机试剂，适宜工业化生产，且油菜籽活性蛋白和壳聚糖原料价格便宜，制备工艺简单。 [0046] (4)本发明的包埋姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒具有稳定性好、生物相容性好、缓释时间长、包载率高等优点，可应用于食品、保健品、药品及化妆品等多个领域。 [0047] (5)本发明以油菜籽饼粕为原料，分离提取油菜籽活性蛋白，以其作为制备包埋姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒的原料，有利于油菜籽加工副产物的综合利用，同时提高油菜籽的附加值。附图说明 [0049] 图2是扫频双频超声预处理装置的设备图，1-超声池，2-温度计，3-恒温水浴池，4-超声波上振板，5-超声波下振板，6-样品处理区域，7-电脑控制器，8-超声波发生器。 具体实施方式[0050] 在本发明中所使用的术语，除非另外说明，一般都能被本领域普通技术人员理解。下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。特此说明：这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。 [0051] 图1为本发明的多模式超声波生物处理设备，该设备配有一台电脑程序控制器8，可设定超声工作参数(超声功率密度、频率、脉冲工作时间、间歇时间和处理总时间)分别控制三个超声控制器9、10、11，分别连接三支不同频率的超声振板1、2、3，可实现单一频率/两个频率/三个频率超声波处理；将需要处理的溶液投入盛液器4中进行单频/双频/多频超声处理，启动循环泵7对溶液进行循环。通过水浴锅5和温度探头6实现溶液温度的自动控制。 [0052] 图2为本发明使用的扫频双频超声预处理装置的设备图，为江苏大学自主研制。超声发生器8能发出定频和扫频两种模式的超声波，单台超声波发生器功率为600W。在超声池1中上下对称放置超声波振板上板4和超声波下板5，通过超声波发生器8控制超声波振板上板4和超声波下板5；电脑控制器7设定超声波各参数后，控制超声波发生器8，发出符合要求的超声波；3为本发明中设备的恒温水浴池，通过温度计2实时监控温度，并根据工作需要调节介质温度；将需要处理的液原料置于样品袋中置于处理液区域6中进行超声波处理。 [0053] 本发明中的壳聚糖为市售产品，分子量为10万道尔顿或者15 30万道尔顿。 [0054] 本发明中的油菜籽活性蛋白或者按照下述步骤进行制备： [0055] (1)脱脂后的油菜籽饼粕粉碎过60筛，按照料液比1:10(mg/ml)加入蒸馏水；调pH到4，在室温下搅拌2h，4℃10000r/min离心20min，留离心残渣； [0056] (2)将离心残渣按照料液比1:10(mg/ml)加入蒸馏水；调pH到12，于室温下搅拌1h，同时进行多频模式超声处理，超声处理结束后于4℃10000r/min离心20min，保留上清液。多频超声处理模式为：三频同步或者双频同步或者单频超声处理，超声功率密度80～120W/L；超声脉冲工作时间10s；脉冲间歇时间3s，超声处理时间为1h。三频同步超声处理的超声波频率组合为：20/35/40kHz。 [0057] (3)将上清液pH调到4，充分搅拌后静置30min；4℃10000r/min离心20min，收集沉淀，然后将沉淀按照料液比1:10(mg/ml)的比例用pH＝4的蒸馏水清洗两次，经冷冻干燥获得菜籽活性蛋白粉末，经测定油菜籽蛋白的纯度为86％，油菜籽蛋白的得率为26％。 [0058] 实施例1-6(不加超声) [0059] 油菜籽活性蛋白和壳聚糖的比例见表1，壳聚糖分子量为10万道尔顿。 [0060] 油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒负载姜黄素的制备方法，按照下述步骤进行： [0061] (1)将油菜籽活性蛋白溶解到蒸馏水中，磁力搅拌的同时调节pH＝12，至蛋白完全溶解；得到油菜籽活性蛋白浓度为(2-10)mg/mL溶液； [0062] (2)将壳聚糖溶解到0.1M乙酸水溶液中，得到壳聚糖溶液浓度为(1-2.5)mg/mL溶液； [0063] (3)将步骤(2)壳聚糖溶液按体积比为1:1比例逐滴加入到步骤(1)油菜籽活性蛋白溶液中，油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例见表1，调节混合溶液的pH＝5。 [0064] (4)将浓度为10mg/mL的叶黄素乙醇溶液快速注入步骤(3)制备的油菜籽活性蛋白和壳聚糖复合纳米颗粒溶液中，使得油菜籽活性蛋白和姜黄素的质量比例为1：1，[0065] (5)静置1h后，即得负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，喷雾干燥或者冷冻干燥后得到负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒。 [0066] (6)叶黄素包封率和负载率的测定 [0067] 取负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，经超滤管(截留分子量12kD)在8 000×g下离心30min，取滤液500μL定容至25mL，测其在波长为450nm处的吸光值，并计算游离姜黄素质量。根据下式计算姜黄素的包封率和负载率： [0068] 姜黄素的包封率(％)＝(姜黄素总质量－游离姜黄素质量)×100/姜黄素总质量； [0069] 姜黄素的负载率(％)＝(姜黄素总质量－游离姜黄素质量)×100/样品总质量。 [0070] 实施例1-6制备过程相同，只是油菜籽活性蛋白/壳聚糖质量不同，具体见表1不同质量比的油菜籽活性蛋白/壳聚糖对姜黄素包封率和负载率的影响。 [0071] 表1不同油菜籽活性蛋白/壳聚糖质量比对姜黄素包封率和负载率的影响[0072] [0073] 通过表1中对比实施例1-6不同质量比的油菜籽活性蛋白/壳聚糖对姜黄素包封率和负载率的影响可以看出，与对照相比(不加壳聚糖，即实施例6)，添加壳聚糖可以显著提高油菜籽活性蛋白包埋姜黄素的包封率；油菜籽活性蛋白/壳聚糖质量比为1:1时即可使姜黄素的包封率提高39.1％，油菜籽活性蛋白/壳聚糖质量比为5:2时则使姜黄素的包封率提高了80.1％。 [0074] 实施例7-10(加超声) [0075] 油菜籽活性蛋白：1份； [0076] 壳聚糖：1份，其分子量为10万道尔顿。 [0077] 油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒负载姜黄素的制备方法，按照下述步骤进行： [0078] (1)将油菜籽活性蛋白溶解到蒸馏水中，磁力搅拌，调节pH＝12，至蛋白完全溶解，得到油菜籽活性蛋白浓度为2.5mg/mL溶液； [0079] (2)将壳聚糖溶解到0.1M乙酸水溶液中，得到壳聚糖溶液浓度为2.5mg/mL溶液； [0080] (3)将步骤(2)壳聚糖溶液按体积比为1:1比例逐滴加入到步骤(1)油菜籽活性蛋白溶液中，使得油菜籽活性蛋白和壳聚糖的质量比例为1:1，然后调节混合溶液的pH＝5； [0081] (4)将浓度为10mg/mL的叶黄素乙醇溶液快速注入步骤(3)制备的油菜籽活性蛋白和壳聚糖复合纳米颗粒溶液中，使得油菜籽活性蛋白和姜黄素的质量比例为1：1； [0082] (5)室温下将步骤(4)得到的混合溶液进行双频扫频超声波处理，超声条件：上下板间距为10cm，扫频周期300s，间歇比10s/12s，上下每块振板功率为600W。所述的双频频率组合见表2。 [0083] (6)超声结束后，即得负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，喷雾干燥或者冷冻干燥后得到负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒。 [0084] (7)叶黄素包封率和负载率的测定 [0085] 取负载姜黄素的油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒溶液，经超滤管(截留分子量12kD)在8 000×g下离心30min，取滤液500μL定容至25mL，测其在波长为450nm处的吸光值，并计算游离姜黄素质量。根据下式计算姜黄素的包封率和负载率： [0086] 姜黄素的包封率(％)＝(姜黄素总质量－游离姜黄素质量)×100/姜黄素总质量； [0087] 姜黄素的负载率(％)＝(姜黄素总质量－游离姜黄素质量)×100/样品总质量。 [0088] 实施例7-10制备过程相同，只是超声参数略有改变，表2不同超声波模式对姜黄素包封率和负载率的影响。 [0089] 通过表2中对比实施例7-10不同频率组合的扫频超声波对姜黄素包封率和负载率的影响，可以发现扫频超声波处理可以显著提高油菜籽活性蛋白-壳聚糖复合纳米颗粒包埋姜黄素的包封率，与对照相比(不超声)，双频扫频超声波处理即可使姜黄素的包封率提高22.1％～51.9％，而33/68kHz的双频扫频超声波处理则使姜黄素的包封率提高了51.9％。 [0090] 表2不同超声波模式对姜黄素包封率和负载率的影响 [0091] |
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