丁香酚天然抗菌微胶囊及其制备方法
阅读说明：本技术 丁香酚天然抗菌微胶囊及其制备方法 (Eugenol natural antibacterial microcapsule and preparation method thereof ) 是由 刘丽 周凌 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种丁香酚天然抗菌微胶囊及其制备方法,其壳材为聚氨酯和碱木质素的复合壳材,芯材为丁香酚,通过Pickering乳液法,界面聚合制备了一种包封丁香酚的微胶囊。壳材为异氰酸酯基的聚合物原料选择广泛、廉价易得,芯材丁香酚为天然源挥发性油性物质,具有广谱强效的抗菌性能。本发明制备的微胶囊为微米尺寸,具有较高的球形度,对丁香酚具有较高的包封率。本发明丁香酚天然抗菌微胶囊能够通过对丁香酚的缓释,具有潜在的长效抗菌效果。丁香酚的微胶囊化,由液态变为固态粉末结构,在抗菌材料、封装材料的应用中广泛的应用潜力。(The invention discloses a eugenol natural antibacterial microcapsule and a preparation method thereof, wherein a shell material is a composite shell material of polyurethane and alkali lignin, a core material is eugenol, and the eugenol encapsulated microcapsule is prepared by interfacial polymerization through a Pickering emulsion method. The shell material is the polymer raw material of the isocyanate group, the raw material is widely selected, cheap and easily available, and the core material eugenol is a natural volatile oily substance, so that the antibacterial agent has broad-spectrum and strong-effect antibacterial performance. The microcapsule prepared by the invention is micron-sized, has higher sphericity and higher encapsulation efficiency on eugenol. The eugenol natural antibacterial microcapsule disclosed by the invention can realize slow release of eugenol and has a potential long-acting antibacterial effect. The micro-encapsulation of the eugenol changes the liquid state into the solid powder structure, and has wide application potential in the application of antibacterial materials and packaging materials.)
技术领域
本发明涉及抗菌和微胶囊领域，具体来说，涉及一种丁香酚天然抗菌微胶囊的及其制备方法。
背景技术
天然抗菌剂是指从自然界中的动物、植物体内提取，或由微生物代谢产生的一类具有复杂结构的物质。天然抗菌剂因其抗菌性强、安全无毒，在食品包装、抗菌纺织品等领域应用广泛。其中，植物类天然抗菌剂来源广泛、成本低、兼具食用和药用价值，且制备技术成熟，抗菌效果显著。通过水蒸气蒸馏或溶剂萃取等方法从芳香植物和药用植物中提取精油，具有生物活性，具有抗菌和抗氧化的特性，可作为植物源的天然抗菌剂，如丁香油、百里香油、肉桂精油、迷迭香精油和香兰素等精油对细菌有着明显的抑制效果。
丁香酚是丁香油的有效抑菌活性成分，化学名为4-烯丙基-2-甲氧基苯酚，一般为具有强烈的丁香味或辛香味的无色至淡黄色液体，在空气中易挥发，久置变棕色。丁香酚具有抗菌消炎驱虫、抗氧化、抗癌和麻醉性能等药理作用，对皮肤疥癣有明显的治疗作用，还可治疗复发性口疮。但是丁香酚由于是挥发性油，在空气中易挥发、易氧化且难溶于水，在实际生产生活中的应用受到了极大的限制。
微胶囊技术对丁香酚等挥发性油类的应用提供了一个良好的解决方案。例如：中国发明专利202011436762.8中，提出了一种用环糊精包封植物精油制备微胶囊的方法，制备得到的微胶囊具有良好的化学好物理稳定性，能够实现精油的缓释。微胶囊是一种具有核壳结构的微型容器，其大小通常在5μm-200μm之间，通常由芯材和壳材两部分组成：芯材一般为具有特定功能的液体、固体或气体等活性组分，而壳材一般为具有良好成膜性能、致密稳定的聚合物，能够对芯材起到一定的保护作用。
Pickering乳液是一种使用固体颗粒作为稳定剂的乳液，其稳定机理是固体颗粒在油水界面形成一道固体屏障，相较于使用表面活性剂来稳定的经典乳液，具有抗凝聚能力强、稳定性高的特点；同时，由于不使用表面活性剂，避免了表面活性剂回收困难而带来的环境污染和成本问题。但将Pickering乳液应用于制备丁香酚天然抗菌微胶囊未见相关报道。
发明内容
为了解决丁香酚在作为天然抗菌剂在应用时易挥发、易氧化导致其难以应用的现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种丁香酚天然抗菌微胶囊及其制备方法，使用Pickering乳液法制备丁香酚天然抗菌微胶囊，具有较高的丁香酚负载量，将丁香酚从油性液体变成了固体粉末的形式，便于后续的利用和加工，更重要的是在聚氨酯和碱木质素复合壳材的保护下，减少了丁香酚与环境的直接接触，碱木质素具有抗氧化性，极大地提升了丁香酚在环境中的稳定性，防止丁香酚被氧化，减缓丁香酚的挥发速率，具有优秀的抗菌性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种丁香酚天然抗菌微胶囊，所述丁香酚天然抗菌微胶囊的芯材为丁香酚，壳材为异氰酸酯基聚合物，将丁香酚负载于缓释型抗菌微胶囊的壳材中，将丁香酚从油性液体变成了固体粉末的形式；所述丁香酚天然抗菌微胶囊为球状，颗粒尺寸均在1-100微米范围内。本发明长效抗菌微胶囊的芯材为丁香酚，且所述缓释型抗菌微胶囊的壳材为聚氨酯与碱木质素的复合物。
优选地，所述缓释型抗菌微胶囊的壳材为聚氨酯与碱木质素的复合物。
优选地，使用碱木质素颗粒稳定的Pickering乳液法制备乳液，利用异氰酸酯、多元醇在油水界面发生界面缩聚反应，得到所述丁香酚天然抗菌微胶囊。
优选地，丁香酚天然抗菌微胶囊颗粒平均尺寸为50μm。
一种本发明丁香酚天然抗菌微胶囊的制备方法，其步骤如下：
1)以异氰酸酯和丁香酚的混合物为油相，以碱木质素悬浮液为水相，制备Pickering乳液；
2)以多元醇为扩链剂，通过界面聚合反应制备香酚天然抗菌微胶囊；
3)进行后处理，得到香酚天然抗菌微胶囊产品。
优选地，在所述步骤1)中，Pickering乳液的油相为异氰酸酯与丁香酚的混合物，异氰酸酯与丁香酚的体积比为1:0.5-1:3；Pickering乳液的水相为碱木质素的悬浮液，碱木质素在悬浮液中的质量分数为0.5-3.0％。
优选地，在所述步骤1)中，异氰酸酯与碱木质素的混合比例为3mL：0.09g-3mL：0.24g。
进一步优选地，异氰酸酯与丁香酚的体积比为1:1-1:2。
进一步优选地，碱木质素在悬浮液中的质量分数为1.0-3.0％。
优选地，在所述步骤1)中，异氰酸酯采用异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、甲苯二异氰酸-80、二苯基甲烷二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的任意一种或任意几种的混合物。
优选地，在所述步骤1)中，所述碱木质素悬浮液制备方法为：将碱木质素与去离子水均匀混合，调节混合溶液pH为10-11，并超声3-5分钟混匀溶解；再加入盐酸调节pH为2-3，得到碱木质素悬浮液。
优选地，在所述步骤2)中，进行界面聚合反应时，所发生界面聚合反应在质量分数不低于0.1％的聚乙烯醇水溶液中进行，控制界面聚合反应的温度为50-60℃，磁力搅拌速率为200-500r/min,反应时间为1.5-3.0h。
优选地，在所述步骤2)中，进行界面聚合反应时，多元醇和聚乙烯醇溶液的混合比例为1.9g：50mL-2.2g：50mL。
优选地，在所述步骤2)中，所述多元醇采用1,4丁二醇、二甘醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚氧化丙烯多元醇、聚四氢呋喃醚多元醇中的任意一种或任意几种的混合物；
优选地，在所述步骤2)中，多元醇的加入量与所用异氰酸酯等当量或过量。
优选地，在所述步骤3)中，后处理方法利用离心机，将微胶囊从混合反应液中分离出来，利用去离子水洗涤至少3次，在进行常温干燥12-24小时，得到白色或白色泛黄的粉末，即为丁香酚天然抗菌微胶囊产品。
优选地，在所述步骤3)中，所制备的丁香酚天然抗菌微胶囊产品最高包封率不低于微胶囊总质量的70％。本发明方法对丁香酚具有较高的包封率。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明将丁香酚微胶囊化，能够有效的解决丁香酚易挥发、易氧化的应用缺陷；
2.本发明使用Pickering乳液法制备微胶囊，乳液稳定性好，制备方法简单，成本低廉、环境友好；
3.本发明丁香酚微胶囊对丁香酚具有较高的包封率，具有优异抑菌效果，同时具有良好的稳定性，制备工艺简单、成本低廉，可以广泛应用于生活生产中。
附图说明
图1为根据实施例1、实施例2、实施例3及实施例4的丁香酚天然抗菌微胶囊扫描电镜图。图中a、b、c和d分别为根据实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的丁香酚天然抗菌微胶囊的扫描电镜图片。
图2为实施例6中液体培养基在加入细菌和丁香酚天然抗菌微胶囊后的抗菌效果照片。将实施例4中制备的丁香酚天然抗菌微胶囊进行抗菌实验，当细菌在液体培养基培养24小时后，对每个培养基进行拍照。
具体实施方式
下面将结合本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于下列实施方式。如无特别说明，所用的试剂和原材料都可通过商业途径购买。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
在本实施例中，一种丁香酚天然抗菌微胶囊，所述丁香酚天然抗菌微胶囊的芯材为丁香酚，壳材为异氰酸酯基聚合物，将丁香酚负载于缓释型抗菌微胶囊的壳材中，将丁香酚从油性液体变成了固体粉末的形式；所述丁香酚天然抗菌微胶囊为球状，颗粒尺寸均在1-100微米范围内。
在本实施例中，本实施例丁香酚天然抗菌微胶囊的制备方法，其步骤如下：
步骤1：以异氰酸酯和丁香酚的混合物为油相，碱木质素悬浮液为水相，制备Pickering乳液；
分别量取3mL甲苯二异氰酸酯-80和3mL丁香酚于茄形瓶中，摇晃混合均匀，作为Pickering乳液的油相待用；用天平称取0.12g碱木质素，溶于12mL去离子水中，超声3-5分钟，得到均匀分散的碱木质素溶液；用pH试纸检测制备的碱木质素溶液的pH，初始溶液pH值为9；用氨水调节pH至10-11，再用盐酸调节pH至2-3；此时，碱木质素溶液转化为碱木质素悬浮液，得到Pickering乳液水相；将制备好的油相加入到茄形瓶中，手摇30秒，得到均匀的碱木质素颗粒稳定的水包油Pickering乳液；
步骤2：以多元醇为扩链剂，界面聚合:
配制50mL的0.1％wt的聚乙烯醇溶液，加入到250mL的三颈烧瓶中，加热到50℃，保温30分钟使聚乙烯醇完全溶解；将制得的Pickering乳液加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入1.9g的1,4-丁二醇,开启磁力搅拌，在300转每分钟的磁力搅拌速率下，温度保持50℃，反应2小时；
步骤3：后处理：
将反应液在4000转每分钟的离心速率下离心5分钟，将丁香酚微胶囊离心分离出来；用去离子水洗涤离心后的产物，重复洗涤、离心3次，将得到的微胶囊置于常温下干燥24小时，得到本实施例缓释型丁香酚天然抗菌微胶囊产品。扫描电镜图参见图1中的插图a。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，丁香酚天然抗菌微胶囊的制备方法，其步骤如下：
步骤1：以异氰酸酯和丁香酚的混合物为油相，碱木质素悬浮液为水相，制备Pickering乳液；
分别量取3mL甲苯二异氰酸酯-80和3mL丁香酚于茄形瓶中，摇晃混合均匀，作为Pickering乳液的油相待用；用天平称取0.09g碱木质素，溶于9mL去离子水中，超声3-5分钟，得到均匀分散的碱木质素溶液；用pH试纸检测制备的碱木质素溶液的pH，初始溶液pH值为9；用氨水调节pH至10-11，再用盐酸调节pH至2-3；此时，碱木质素溶液转化为碱木质素悬浮液，得到Pickering乳液水相；将制备好的油相加入到茄形瓶中，手摇30秒，得到均匀的碱木质素颗粒稳定的水包油Pickering乳液；
步骤2：以多元醇为扩链剂，界面聚合：
配制50mL的0.1％wt的聚乙烯醇溶液，加入到250mL的三颈烧瓶中，加热到50℃，保温30分钟使聚乙烯醇完全溶解；将制得的Pickering乳液加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入2.2g二甘醇,开启磁力搅拌，在300转每分钟的磁力搅拌速率下，温度保持50℃，反应2小时；
步骤3：后处理：
将反应液在4000转每分钟的离心速率下离心5分钟，将丁香酚微胶囊离心分离出来；用去离子水洗涤离心后的产物，重复洗涤、离心3次，将得到的微胶囊置于常温下干燥24小时，得到本实施例缓释型丁香酚天然抗菌微胶囊产品。扫描电镜图参见图1中的插图b。
实施例3
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，丁香酚天然抗菌微胶囊的制备方法，其步骤如下：
步骤1：以异氰酸酯和丁香酚的混合物为油相，碱木质素悬浮液为水相，制备Pickering乳液；
分别量取3mL甲苯二异氰酸酯-80和6mL丁香酚于茄形瓶中，摇晃混合均匀，作为Pickering乳液的油相待用；用天平称取0.18g碱木质素，溶于18mL去离子水中，超声3-5分钟，得到均匀分散的碱木质素溶液；用pH试纸检测制备的碱木质素溶液的pH，初始溶液pH值为9；用氨水调节pH至10-11，再用盐酸调节pH至2-3；此时，碱木质素溶液转化为碱木质素悬浮液，得到Pickering乳液水相；将制备好的油相加入到茄形瓶中，手摇30秒，得到均匀的碱木质素颗粒稳定的水包油Pickering乳液；
步骤2：以多元醇为扩链剂，界面聚合：
配制50mL的0.1％wt的聚乙烯醇溶液，加入到250mL的三颈烧瓶中，加热到50℃，保温30分钟使聚乙烯醇完全溶解；将制得的Pickering乳液加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入2.2g二甘醇,开启磁力搅拌，在300转每分钟的磁力搅拌速率下，温度保持50℃，反应2小时；
步骤3：后处理：
将反应液在4000转每分钟的离心速率下离心5分钟，将丁香酚微胶囊离心分离出来；用去离子水洗涤离心后的产物，重复洗涤、离心3次，将得到的微胶囊置于常温下干燥24小时，得到本实施例缓释型丁香酚天然抗菌微胶囊。扫描电镜图参见图1中的插图c。
实施例4
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，丁香酚天然抗菌微胶囊的制备方法，其步骤如下：
步骤1：以异氰酸酯和丁香酚的混合物为油相，碱木质素悬浮液为水相，制备Pickering乳液；
分别量取1.5mL甲苯二异氰酸酯-80和6mL丁香酚于茄形瓶中，摇晃混合均匀，作为Pickering乳液的油相待用；用天平称取0.24g碱木质素，溶于24mL去离子水中，超声3-5分钟；得到均匀分散的碱木质素溶液；用pH试纸检测制备的碱木质素溶液的pH，初始溶液pH值为9；用氨水调节pH至10-11，再用盐酸调节pH至2-3；此时，碱木质素溶液转化为碱木质素悬浮液，得到Pickering乳液水相；将制备好的油相加入到茄形瓶中，手摇30秒，得到均匀的碱木质素颗粒稳定的水包油Pickering乳液；
步骤2：以多元醇为扩链剂，界面聚合：
配制50mL的0.1％wt的聚乙烯醇溶液，加入到250mL的三颈烧瓶中，加热到50℃，保温30分钟使聚乙烯醇完全溶解；将制得的Pickering乳液加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入2.2g二甘醇,开启磁力搅拌，在300转每分钟的磁力搅拌速率下，温度保持50℃，反应2小时；
步骤3：后处理：
将反应液在4000转每分钟的离心速率下离心5分钟，将丁香酚微胶囊离心分离出来；用去离子水洗涤离心后的产物，重复洗涤、离心3次，将得到的微胶囊置于常温下干燥24小时，得到根据本实施例的缓释型丁香酚天然抗菌微胶囊。扫描电镜图参见图1中的插图d。
实施例5
在本实施例中，使用日本HITACHI牌型扫描电子显微镜，在600倍下对对实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的丁香酚天然抗菌微胶囊进行观察，其扫描电镜图如图1所示。图a、b、c、d分别为实施例1、2、3、4的扫描电镜图。在电镜图里，我们可以看到所有的实施例均成功合成了微胶囊，具有封闭完整的壳结构，呈现出球状，尺寸均在1-100微米范围内。对比发现，实施例1选择用1,4丁二醇作为扩链剂，异氰酸酯与丁香酚的用量比为1:1，微胶囊的表面具有较多的凹陷；实施例2、3、4均采用二甘醇作为扩链剂，但异氰酸酯与丁香酚的用量比分别为1:1、1:2、1:3，实施例2的微胶囊表面光滑，但是有少量的孔洞；实施例3具有最优形态的微胶囊，球形度高且饱满，表面光滑；实施例4的微胶囊表面具有较大的凹陷。
实施例6
本实施例涉及测定实施例4的丁香酚天然抗菌微胶囊的抗菌效果。
步骤一：配制LB液体培养基：
以胰蛋白胨2g，酵母提取物1g，氯化钠2g，200mL超纯水的配比配制200mlLB液体培养基，用1mol/L氢氧化钠溶液调节pH为7.0，分装后121℃高压蒸汽灭菌20min，待用；
步骤二：供试菌种的活化及菌悬液的制备：
首先将保存的菌种在37℃下活化24h；步骤如下：
从低温保存的各种菌体的斜面上挑取两环菌体接种于相应的液体培养基中，37℃、120r/min条件下恒温震荡培养24h，制得活化的菌悬液；
步骤三：抗菌测试：
分别精确称量分别取实施例4样品15mg、25mg、30mg于试管中，置紫外灯下灭菌15min备用，移取0.10ml菌悬液和9.9ml液体培养基加入含丁香酚天然抗菌微胶囊的试管中，在37℃、120r/min条件下恒温震荡培养24h；同时取9.9m液体培养基和0.1ml菌悬液不加丁香酚天然抗菌微胶囊单独培养，作为参比样。测定液体培养基中吸光度，计算抑菌率，得到表1的结果。图2为细菌在液体培养基培养24h后的照片，从左到右，分别为参照组和加入15mg、25mg、35mg微胶囊的细菌液体培养基。参见表1。
表1.实施例6中丁香酚天然抗菌微胶囊的抑菌率对比表
通过表1数据可以发现，丁香酚天然抗菌微胶囊对大肠杆菌和金色葡萄球菌都具有很好的抗菌效果，能在1.5mg/mL的浓度下实现对金色葡萄球菌的百分之百抑菌，在2.5mg/mL时实现对大肠杆菌的百分之百抑菌。在图2中，图左为大肠杆菌抗菌效果图，图右为金色葡萄球菌抗菌效果图，且图中从左至右，4根试管分别为参照组和分别加入15mg、25mg、35mg的丁香酚天然抗菌微胶囊的液体培养基。从图2也可以直观的看出，参照组试管中由于细菌的生长繁殖使菌液浑浊，图2左图中，加入15mg微胶囊的液体培养基因为不能实现百分百抑菌，也出现浑浊状；而其他液体培养基中均达到了百分之百抑菌，液体培养基呈现出清澈透明的状态。
综上所述，上述实施例丁香酚天然抗菌微胶囊及其制备方法，所述丁香酚天然抗菌微胶囊微胶囊壳材为聚氨酯和碱木质素的复合壳材，芯材为丁香酚，通过Pickering乳液法，界面聚合制备了一种包封丁香酚的微胶囊。壳材为异氰酸酯基的聚合物原料选择广泛、廉价易得，芯材丁香酚为天然源挥发性油性物质，具有广谱强效的抗菌性能。本发明制备的微胶囊为微米尺寸，具有较高的球形度，平均尺寸在50μm；对丁香酚具有较高的包封率，最高包封率可达到微胶囊总质量的70％。上述实施例使用Pickering乳液制备微胶囊，克服了经典乳液中由于大量使用表面活性剂带来的高成本、环境污染等缺点，制备工艺简单；最终得到的丁香酚天然抗菌微胶囊，可以克服丁香酚易挥发、不溶于水的缺陷，有较高的稳定性和丁香酚包封率，具有良好的抗菌效力；并且能够通过对丁香酚的缓释，具有潜在的长效抗菌效果。丁香酚的微胶囊化，由液态变为固态粉末结构，在抗菌材料、封装材料的应用中广泛的应用潜力。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
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