阅读说明：本技术 一种基于丝素蛋白的纳米乳及其制备方法和应用 (Silk fibroin-based nanoemulsion and preparation method and application thereof ) 是由 王晓沁 郑兆柱 郭文君 王永峰 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于丝素蛋白的纳米乳及其制备方法和应用。本发明的基于丝素蛋白的纳米乳的制备方法,包括以下步骤：制备低分子量丝素蛋白,所述丝素蛋白溶液中丝素蛋白的分子量主要分布在40kDa以下。向处理后的丝素蛋白溶液中加入油相,将得到的混合液匀浆处理后得到初乳,所述混合液中,丝素蛋白的质量分数为0.05-2％,油相的质量分数为40％以下；向初乳中加入多元醇类,经高压均质或微射流处理后得到所述基于丝素蛋白的纳米乳。本发明的方法制备出纳米乳,且其具有高温、低温保存长期稳定性。(The invention relates to a silk fibroin-based nanoemulsion and a preparation method and application thereof. The preparation method of the silk fibroin-based nanoemulsion comprises the following steps: preparing low molecular weight silk fibroin, wherein the molecular weight of the silk fibroin in the silk fibroin solution is mainly distributed below 40 kDa. Adding an oil phase into the treated silk fibroin solution, and homogenizing the obtained mixed solution to obtain primary emulsion, wherein in the mixed solution, the mass fraction of silk fibroin is 0.05-2%, and the mass fraction of the oil phase is below 40%; and adding polyols into the colostrum, and carrying out high-pressure homogenization or micro-jet treatment to obtain the silk fibroin-based nanoemulsion. The nano-milk prepared by the method has long-term stability in high-temperature and low-temperature storage.)

一种基于丝素蛋白的纳米乳及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种基于丝素蛋白的纳米乳及其制备方法和应用。

背景技术

纳米乳液，是由水性物质、油性物质、和界面物质等自发形成，粒径为10～500nm的热力学稳定，透明或半透明的均相分散体系。一般来说，纳米乳分为三种类型，即水包油型纳米乳(O/W)、油包水型纳米乳(W/O)以及双连续型纳米乳(B.C)，1943年由Hoar和Schulman首次发现并报道了这一分散体系。直到1959年，Schulman才提出“微乳液”这一概念。此后，纳米乳的理论和应用研究获得了迅速的发展。目前，纳米乳化技术已渗透到日用化工、精细化工、石油化工、材料科学、生物技术以及环境科学等领域，成为当今国际上具有巨大应用潜力的研究领域。

纳米乳一般由两亲性表面活性剂做为乳化剂制备，但天然脂质体类两亲性表面活性剂提取过程复杂成本高，提取过程使用的化学试剂残留在乳液中对皮肤表面组织造成破坏并且在进入体内时构成肝损伤。合成脂质体类表面活性剂解决了乳化剂的陈本问题，但无法解决残留物质对机体的损伤。随者生活水平的不断提高，人们对绿色、环保、安全和高质量高档次产品的需求也在不断增强，传统的乳化剂已不能满足高新科技产业发展的需求，具有优良生物相容性、生物可降解性和强界面稳定性的天然乳化剂必将成为乳液技术发展的迫切需求和必然趋势，尤其是化妆品和生物制药行业。因此，研究和开发更安全的乳化剂成为该领域亟待解决的问题。

丝素蛋白与人体角蛋白构成相近，和人体皮肤具有极强的亲和力、安全性和良好的生物相容性，蚕丝蛋白中包含18种氨基酸，其中11种是人体所需要的成分，通过有效补充，能增进皮肤细胞的活力，防止皮肤老化并促进新陈代谢。丝素蛋白作为乳液护肤品成分已经得到行业普遍认可，如专利CN107412023 A、CN201710369732.1将丝素蛋白作为皮肤细胞修复功效成分加入到羧甲基纤维素钠作为乳化剂的精油乳液中。美国专利(WO2014012105A1)中描述丝素蛋白可以作为乳化剂稳定乳化后的磷脂微滴，分散在丝素基材料中“丝素蛋白可用作乳化剂，以稳定分散在丝素基材料中的脂滴乳液”。

丝素蛋白由重复单元-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-组成，并且非亲水基团五个单元-Gly-Ala-Gly-Ala Gly-对于亲水性-Ser-一个单元，亲水-亲油平衡(HLB)是在中等范围内，可以制备从O/W型乳液到W/O型乳液的各种乳液。因此，丝素蛋白可以作为“绿色”乳化剂的解决方案。目前已出现较多使用丝蛋白作为表面活性剂的发明。如专利CN107412023 A、CN1864833 A、CN201110027281.6、CN 103417497 B(1-10微米)、CN201710307628.X(100-200微米)、CN201810251754(3.4-5.3微米)、CN201810251755(2.5-4.7微米)、CN 101244277B(5.84-86.27微米)、CN 107157811A、CN201710369732.1、CN108192731 A中公开的基于丝素蛋白的乳液、微胶囊或载药微球。这些发明用于含有蚕丝或生丝提取的丝胶蛋白、丝胶蛋白或其分解产物作为有效成分的表面活性剂，用于化妆品的乳化剂。但是丝素蛋白的乳化剂与合成表面活性剂相比，其乳化能力较差，形成的均为微米乳液。但微米乳液的稳定性很差，无法达到乳液稳定性检测标准(冷冻负18度保存1个月；高温45度保存1个月；冻融循环(负18℃-融化45℃)5次；离心3000rpm，30分钟不破乳)。日本专利(US7901668)利用蚕丝提取平均分子量为5,000或更大的丝心蛋白用作乳化剂乳化油脂，形成蛋白稳定的油滴，其中蛋白在油水界面起稳定作用，其分子量较大且主要以无规卷曲结构为主。详细讨论了能够形成乳液的丝心蛋白和油相的比例范围。产品用作护肤材料，细胞生长效果较低。但未涉及乳液稳定性研究，而乳液的稳定层对乳液原料及使用乳液加工成的成品至关重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于丝素蛋白的纳米乳及其制备方法和应用。本发明的方法利用丝素蛋白作为乳化剂制备出纳米乳，所制备的纳米乳的乳液直径为500nm以下，具有离心、高温、低温和冻融长期稳定性。

本发明的第一个目的是提供一种基于丝素蛋白的纳米乳的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备低分子量丝素蛋白。

(2)向经步骤(1)处理后的丝素蛋白溶液中加入油相，所述混合液中，丝素蛋白的质量分数为0.05-2％，油相的质量分数为40％以下。

(3)将得到的混合液匀浆处理后得到初乳。

(4)将上述初乳溶液经均质或微射流处理后得到所述基于丝素蛋白的纳米乳。

进一步地，所述丝素蛋白溶液中丝素蛋白的分子量主要分布在40kDa以下。

进一步地，优选地将低分子量丝素蛋白进行预处理。预处理的结果是将部分丝素蛋白转变为聚集状态，颗粒度在100～200nm。预处理方法包括但不局限于将步骤(1)获得的丝素蛋白与一定浓度磷酸盐混合，经高温高压处理；

进一步地，与磷酸盐混合后，所述丝素蛋白浓度为0.01～8wt％；

进一步地，与丝素蛋白混合后，所述磷酸盐浓度为0.05～20mM；高温高压处理的压力不高于0.4MPa；处理温度为121～140摄氏度。

进一步地，在步骤(2)中，所述油相包括精油、植物油、动物油、油溶性药物和蜡中的一种或其任意组合。

进一步地，精油类包含但不局限于玫瑰精油、茶树精油、天竺葵精油、茉莉精油、甜橙精油、洋甘菊精油、迷迭香精油、橙花精油等单一组分或其任意组合；植物油包含但不局限于鳄梨油、山茶油、圆柚油、阿甘油、荷荷巴油、葡萄籽油、紫苏油、椰子油、玉米油、大豆油、蓖麻油、花生油、核桃油、葵花油等单一组分或其任意组合；动物油包含但不局限于鲸油、鱼油、DHA等单一组分或其任意组合。

进一步地，在油相或丝素蛋白溶液中还可添加其他辅料，如肤感改良剂，矫味剂，香精，跨黏膜、透皮吸收促进剂，pH调节剂，防腐剂，增稠剂，保湿剂，抗菌剂，抗炎剂，颜料，芳香剂，抗氧化剂，紫外线吸收剂，维生素，有机或无机粉末，醇，糖等，只要不损害本发明的功能和效果即可。本发明的基于丝素蛋白的纳米乳可用于制备化妆品、护肤品、保健品、食品或医疗器械。

图4是能够形成纳米乳液时的丝素蛋白与油相比例关系图，图中横坐标表示丝素蛋白浓度，纵坐标表示油相浓度，实心圆圈表示可形成纳米乳，空心圆圈表示无法形成纳米乳。

进一步地，在步骤(2)和(3)中，匀浆处理条件为转速不低于12000～25000rpm，优选地不低于16000rpm，匀浆时间不少于1分钟。匀浆后效果是混合溶液中油相均匀分散在水相，无肉眼可见油滴；静置30分钟后无油水分层现象发生。

进一步地，匀浆过程分为三步：第一步油相加入到丝素溶液中，第二步多元醇加入到油相-丝蛋白初乳中，第三步，苯氧乙醇等防腐剂加入到油相-丝素蛋白-多元醇初乳中。

进一步地，所述多元醇包括但不局限于1,3丁二醇、乙醇和聚乙二醇、1,2丙二醇、1,3丙二醇等单一组分或其任意组合。

进一步地，所述防腐剂包括但不局限于苯氧乙醇、2-苯乙醇、尼泊金甲酯、尼泊金乙酯、苯甲酸、对羟基苯乙酮、甘油辛酸酯、辛酰羟肟酸等单一组分或其任意组合。

进一步地，所述多元醇的添加比例5-30wt％，防腐剂的添加比例0.5-1wt％。多元醇和防腐剂的添加比例均以匀浆处理的混合液的总重为基准。

进一步地，在步骤(4)中，均质或微射流处理的压力不低于400bar。循环处理次数不低于5次。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的基于丝素蛋白的纳米乳，该纳米乳的乳液粒径为500nm以下。

本发明的第三个目的是公开上述基于丝素蛋白的纳米乳在制备化妆品、护肤品、保健品、食品中的应用。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明发现乳液尺寸对乳液的稳定性至关重要，而丝素蛋白分子量及其与油相的比例能够调控乳液粒径，及获得稳定的纳米级乳液。本发明以特定分子量的丝素蛋白作为乳化剂，通过一系列步骤控制其结构变化，以实现纳米乳液制备。本发明的方法所制备的纳米乳液的直径为500nm以下，具有离心、高温、低温和冻-融长期稳定性。可在-18℃下保存1个月以上，45℃保存1个月以上，在3000rpm条件下离心30min不发生破乳。本发明的基于丝素蛋白的纳米乳在制备化妆品、护肤品、保健品、食品中具有良好的应用前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是丝素蛋白SDS-PAGE电泳图；

图2是丝素蛋白纳米乳液的光学照片；

图3是不同处理条件的丝素蛋白溶液乳化的鳄梨油丝素蛋白乳液离心后的状态图；

图4是能够形成纳米乳液时的丝素蛋白与油相比例关系图；

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：不同分子量的丝素蛋白制备乳液及其粒径测试

(1)称取250克家蚕丝生丝，切割丝纤维，每段长度15厘米左右。用电加热罐加热100升纯水，待加热至接近沸腾时缓慢加入212克无水碳酸钠，搅拌均匀，持续加热至沸腾后放入生丝，待生丝全部没入水中开始计时，每隔7分钟搅拌一次，分别30和90分钟后取出。将脱胶蚕丝放入洗衣机中，设定漂洗程序，用纯水清洗两次，将脱水的脱胶蚕丝放入鼓风干燥箱干燥12小时至18小时。

(2)将脱胶蚕丝按重量体积比为1:4的比例溶于9.3M溴化锂溶液，30分钟煮丝脱胶丝置于60度烘箱中分别溶解4小时，90分钟煮丝脱胶丝置于60度烘箱中分别溶解4小时，90分钟煮丝脱胶丝置于140度烘箱中溶解6小时。取出冷却后倒入透析袋中，在去离子水中透析36小时。将透析好的丝素蛋白溶液用5层纱布过滤以去除杂质，然后置于2-8度冷藏柜中待用。同时使用烘干称重法确定丝素蛋白的质量分数，其质量分数约为6％。SDS-PAGE法测定90分钟煮丝脱胶丝置于140度烘箱中溶解6小时后透析所得丝素蛋白分子量，结果如图1所示，结果表明，丝素蛋白的分子量小于40kDa。

(3)确定质量分数后，用磷酸盐缓冲液将丝素蛋白溶液稀释至3wt％，使磷酸盐缓冲液的终浓度为5mM。将稀释后的丝素蛋白溶液放入高温高压湿热灭菌锅，温度设置为121℃，压力为0.1MPa，时间20分钟。

(4)为了作为对照，将步骤(3)稀释后的丝素蛋白溶液不经灭菌处理。分别取经过和未经过高温高压湿热灭菌处理的100毫升3wt％的丝素蛋白溶液，向其中加入238毫升水和110克鳄梨油，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min，得到初乳。

(5)将初乳使用高压均质机处理，压力设置为400bar均质1次，再将压力调到700bar均质4次，得到鳄梨油丝素蛋白乳液。

将鳄梨油丝素蛋白乳液稀释100倍，用马尔文激光粒度仪测试高压均质处理后鳄梨油丝素蛋白乳液的粒径。同时测试未高速匀浆后的初乳的粒径。测试结果见表1。

表1不同分子量的丝素蛋白溶液乳化的鳄梨油丝素蛋白乳液和初乳的粒径

由表1可看出，仅经过高速匀浆而未经过高压均质的鳄梨油丝素蛋白乳液的粒径在4～7微米之间，而经过高压均质的鳄梨油丝素蛋白乳液的粒径在0.2～2微米之间，且仅组6(经过高温高压湿热灭菌处理的小分子量丝素蛋白溶液制备的鳄梨油丝素蛋白乳液的粒径在300nm以下(☆)。以上结果表明，丝素蛋白分子量的控制可影响初乳和最终形成的乳液的粒径。

将鳄梨油丝素蛋白乳液及未经过高压均质处理的初乳用离心机离心，离心条件为3000rpm，时间30分钟。离心后乳液的状态见表2。

表2不同处理条件的丝素蛋白溶液乳化的鳄梨油丝素蛋白乳液的离心稳定性

由表2可知，仅有小分子量丝素蛋白且经过高温高压湿热灭菌处理的丝素蛋白溶液制备的鳄梨油丝素蛋白乳液(☆)，经3000rpm离心30分钟后可仍然保持均一稳定的乳液态。图3是不同处理条件的丝素蛋白溶液乳化的鳄梨油丝素蛋白乳液离心后的状态图。图中编号分别对应表2中的分组编号。

实施例2：不同醇类物质对丝素蛋白纳米乳稳定性影响

(1)按照实施例1制备小分子量丝素蛋白，及预处理。

(2)取100毫升上述3wt％的丝蛋白溶液，加入238毫升水和110克鳄梨油，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min。

(3)向上述乳液中分别加入1,3丁二醇，混合后，1,3丁二醇的质量分数为10wt％、16wt％或20wt％，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min。

(4)向上述乳液中分别加入0.8wt％苯氧乙醇，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min，得到初乳。

(5)将初乳使用高压均质机处理，压力设置为400bar均质1次，再将压力调到700bar均质4次，得到鳄梨油丝素蛋白乳液。

(6)取部分上述乳液，添加10wt％乙醇和10wt％聚乙二醇400，用磁力搅拌器搅拌以混合均匀。

(7)将上述乳液分装到50毫升瓶中，每瓶装40毫升以上，密封后分别置于45摄氏度、负18摄氏度保存1个月，如破乳视为耐热/耐寒稳定性不通过，未破乳视为耐热/耐寒稳定性通过；另取2毫升用离心机离心，转速设置为3000rpm，时间20min，如破乳视为离心稳定性不通过，未破乳视为离心稳定性通过。乳液的耐热、耐寒、离心稳定性结果见表3。

表3鳄梨油丝素蛋白乳液的耐热、耐寒及离心稳定性

由表3中样品1-4测试结果可见，未添加1,3丁二醇和苯氧乙醇以及1,3丁二醇添加量低于或等于16％时，鳄梨油丝素蛋白乳液的耐热和耐寒稳定性均不通过，而添加20％的1,3丁二醇时，鳄梨油丝素蛋白乳液的耐热和耐寒稳定性均通过。这说明1,3丁二醇可有效提高丝素蛋白鳄梨油乳液的耐热、耐寒稳定性，但添加量影响较大。由样品3、5、6测试结果可知，添加16％的1,3丁二醇时，如再同时添加10％聚乙二醇400，则可提高鳄梨油丝素蛋白乳液的耐寒稳定性，但耐热稳定性仍不通过；添加16％的1,3丁二醇时，如再同时添加10％乙醇，则鳄梨油丝素蛋白乳液的耐热和耐寒稳定性均可通过。这说明乙醇可以部分代替1,3丁二醇，此配方在对1,3丁二醇添加量有限制时可提供一个解决方案。

实施例3：不同含量低分子量丝素蛋白、油相浓度制备纳米乳液及其稳定性测试

(1)按照实施例1制备小分子量丝素蛋白及预处理。

(2)取一定量的上述丝素蛋白溶液，加入水和鳄梨油，控制丝素蛋白的终浓度在0.3wt％～1.8wt％，鳄梨油的终浓度在至6wt％～30wt％。将每个样品分别用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min。

(3)向上述乳液中加入1,3丁二醇，使1,3丁二醇的终浓度为20％，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min。

(4)向上述乳液中加入苯氧乙醇，使苯氧乙醇的终浓度为0.8wt％，用高速匀浆机匀浆，条件设置为转速16000rpm，时间2min，得到初乳。

(5)将初乳使用高压均质机处理，压力设置为400bar均质1次，再将压力调到700均质4次，得到不同丝素蛋白浓度和不同鳄梨油浓度的乳液。

(6)将鳄梨油丝素蛋白乳液稀释100倍，用马尔文激光粒度仪测试鳄梨油丝素蛋白乳液的粒径。另将上述乳液分装到50毫升瓶中，每瓶装40毫升以上，密封后分别置于45℃、-18℃保存1个月，如破乳或成胶则视为耐热/耐寒稳定性不通过，未破乳也未成胶视为耐热/耐寒稳定性通过；另取2毫升用离心机离心，转速设置为3000rpm，时间20min，如破乳视为离心稳定性不通过，未破乳视为离心稳定性通过。乳液的耐热、耐寒、离心稳定性结果见表4。

表4不同丝素蛋白浓度和不同鳄梨油浓度制备的乳液粒径及稳定性

本发明以上实施例中，油相还可选择其他精油、植物油、动物油、油溶性药物和蜡中的一种或几种。可根据纳米乳最终应用领域，选择合适的油相。在油相或丝素蛋白溶液中还可添加其他辅料，如肤感改良剂，矫味剂，香精，跨黏膜、透皮吸收促进剂，pH调节剂，防腐剂，增稠剂，保湿剂，抗菌剂，抗炎剂，颜料，芳香剂，抗氧化剂，紫外线吸收剂，维生素，有机或无机粉末，醇，糖等，只要不损害本发明的功能和效果即可。本发明的基于丝素蛋白的纳米乳可用于制备化妆品、护肤品、保健品、食品或医疗器械。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。