一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物及其制备方法
阅读说明：本技术 一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物及其制备方法 (Halloysite nanotube-loaded carvacrol sustained-release compound and preparation method thereof ) 是由 卢立新 苏英杰 潘嘹 蔡莹 林自东 于 2021-02-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物及其制备方法,旨在提高埃洛石纳米管中香芹酚的负载量以及减缓香芹酚的释放速率。一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物的制备方法,该制备方法包括顺序进行的以下步骤,(1)埃洛石纳米管改性、(2)香芹酚负载,其特征在于：步骤(1)包括将埃洛石纳米管与H～+浓度为4M的强酸混合后刻蚀改性。本发明刻蚀改性后的埃洛石纳米管,其比表面积由29.506m～2/g增加到95.577m～2/g,不破坏埃洛石纳米管的管状结构以及管壁保持完整,并且香芹酚的负载量由6.7%提高到24.2%。(The invention provides a halloysite nanotube loaded carvacrol sustained-release compound and a preparation method thereof, and aims to improve the load capacity of carvacrol in halloysite nanotubes and slow the release rate of carvacrol. Halloysite nanotube loadThe preparation method of the carvacrol sustained-release compound comprises the following steps of (1) halloysite nanotube modification and (2) carvacrol loading, and is characterized in that: the step (1) comprises the steps of mixing halloysite nanotubes with H + And etching and modifying after mixing strong acid with the concentration of 4M. The specific surface area of the etched and modified halloysite nanotube is 29.506m 2 The/g is increased to 95.577m 2 The/g does not destroy the tubular structure of the halloysite nanotube and the tube wall is kept intact, and the carvacrol loading is improved from 6.7 percent to 24.2 percent.)
技术领域
本发明属于包装缓释材料领域，具体涉及一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物及其制备方法。
背景技术
氧化作用以及由病原微生物引起的微生物变质会缩短食品的货架期已成为全球关注的主要问题，而旨在控制食品氧化和微生物生长的食品包装材料为延长货架期提供了一种有效的解决办法。当前使用的活性包装材料大多在与食品直接接触后才发挥作用，对固体食品有限的功效以及安全性是限制其普遍使用的主要因素。
精油（EOs）是掺入食品包装材料中的极具吸引力的化合物，因为它们是天然且高效的抗菌剂和抗氧化，可以作为蒸气释放到包装的顶部空间，对食品表面和顶部空间环境都进行了杀菌；而且已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，可作为GRAS（通常被认为是安全的）用于食品用途。大量研究致力于将精油以及精油中的敏感活性物质掺入包装材料中，同时最大程度地减少它们在加工过程中的损失并保持其抗菌抗氧化功能。
埃洛石纳米管（HNT）是一种天然的廉价纳米粒子，其在聚合物材料中的具有较好分散性。将精油或其敏感活性物质负载于埃洛石纳米管，然后掺入包装材料中，是活性包装膜开发的可行方向之一。而如何提高埃洛石纳米管中香芹酚的负载量以及减缓香芹酚的释放速率，是行业内亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明提供了一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物及其制备方法，旨在提高埃洛石纳米管中香芹酚的负载量以及减缓香芹酚的释放速率。
其技术方案是这样的，一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物的制备方法，该制备方法包括顺序进行的以下步骤，（1）埃洛石纳米管（HNT）改性、（2）香芹酚（Carvacrol，crv）负载，其特征在于：步骤（1）包括将埃洛石纳米管与H+浓度为4M的强酸混合后刻蚀改性。
进一步的，步骤（1）中，所述强酸为盐酸，埃洛石纳米管与4M浓度的盐酸以0.0625g/mL的比例混合后，经反应、离心、洗涤、干燥、研磨，获得白色、粉末状的改性的埃洛石纳米管。
更进一步的，步骤（1）中，所述反应在加热磁力搅拌条件下进行，温度为80 ℃，转速为600rpm，时间为8h。
进一步的，步骤（2）中，改性的埃洛石纳米管与香芹酚以0.1g/mL的比例混合，经超声、真空负载、离心、干燥后获得埃洛石纳米管-香芹酚复合物。
更进一步的，步骤（2）中，所述超声在冰浴条件下进行，时间为30分钟，功率为200W，脉冲打开2秒钟，脉冲关闭3秒钟。
更进一步的，步骤（2）中，所述真空负载步骤为，减压至0.1MPa，持续30分钟，然后恢复至常压，持续10分钟。
进一步的，该制备方法还包括以下步骤，（3）聚电解质封装，将埃洛石纳米管-香芹酚复合物与聚电解质溶液混合后，经搅拌、离心、洗涤，完成层封装，将所得固体干燥，研磨，获得成品。
更进一步的，步骤（3）中，聚电解质包括聚乙烯亚胺（PEI）和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，将埃洛石纳米管-香芹酚复合物与聚乙烯亚胺溶液按质量比2：8混合，经搅拌、离心、洗涤，完成第一层封装，再加入与聚乙烯亚胺等体积的聚苯乙烯磺酸钠，经搅拌、离心、洗涤，完成第二层封装。
更进一步的，所述聚乙烯亚胺溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液的浓度均为2mg/ml。
本发明还提供了一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物，其由以上方法制备得到。
本发明的制备方法以及该方法制备得到的埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物具有以下有益效果：
（1）利用H+浓度为4M的强酸溶液对埃洛石纳米管进行选择性刻蚀改性，埃洛石纳米管比表面积由29.506m2/g增加到95.577m2/g，且不破坏埃洛石的管状结构，并确保管壁完整，改性后的埃洛石纳米管，相较于未改性的埃洛石纳米管，香芹酚的负载量由6.7%提高到24.2%；
（2）香芹酚负载采用真空负载法，通过减压去除埃洛石纳米管内的空气，实现香芹酚的高量负载；
（3）选用两种聚电解质对HNT-crv复合物进行两层自主封装，形成控释体系，显著减缓了埃洛石纳米管中香芹酚的释放速率，使得该方法制备的埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物具备作为一种控释载体应用于抗菌抗氧化气相控释包装膜的潜力。
附图说明
图1a为未刻蚀改性的HNT的透射电镜图，200nm标尺。
图1b为HNT-4M的透射电镜图，200nm标尺。
图1c为未刻蚀改性的HNT（管口）的透射电镜图，50nm标尺。
图1d为HNT-4M（管口）的透射电镜图，100nm标尺。
图2为酸刻蚀前后埃洛石纳米管的氮气吸附-脱附等温曲线图。
图3为酸刻蚀前后埃洛石负载香芹酚的热重分析图。
图4为不同封装层数下HNT-crv-4M复合物的Zeta电位。
图5为HNT-crv-4M复合物封装后的热重分析图。
图6为不同封装层数HNT-crv-4M复合物的释放曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明技术方案，不以此来限制本发明的保护范围。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步说明。
原料说明：
常规埃洛石纳米管（HNT），长度在0.2-1.5μm之间，外径为50-75nm，管腔内径为10-30nm，以下实施例的HNT购置于远鑫纳米科技有限公司，比表面积为29.506m2/g，孔容为0.196 cm3/g。
聚乙烯亚胺（PEI），Mw≈10000，聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，Mw≈70000；购置于阿拉丁上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
实施例1
一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物，其由以下方法制备得到：
（1）埃洛石纳米管改性，称取5g HNT置于100mL烧杯中，接着加入80mL预先配制的4M浓度的HCl溶液，搅拌均匀后，加热温度设定为80 ℃，磁力搅拌，600rpm、反应8h；酸刻蚀反应结束后，将埃洛石纳米管悬浮液冷却后离心，将固相通过去离子水洗涤至中性，烘干、研磨，获得白色、粉末状的改性的埃洛石纳米管，命名为HNT-4M。
（2）香芹酚负载，将HNT-4M与香芹酚以0.1g/mL的比例混合，获得HNT-4M与香芹酚的混合物，命名为HNT-crv；将HNT-crv在冰浴中超声处理30分钟（功率200W，脉冲打开2秒钟，脉冲关闭3秒钟）；然后将HNT-crv转移至连接至真空泵的真空干燥器中，减压至0.1MPa压力，持续30分钟以除去HNT内部的空气，然后恢复常压，持续10分钟以使香芹酚分子进入抽空的HNT管腔，重复该循环两次以增加装载效率，装载有香芹酚的埃洛石纳米管，即埃洛石纳米管-香芹酚复合物，命名为HNT-crv-4M；通过离心分离得到HNT-crv-4M悬浮液中的固相，再用乙醇将HNT-crv-4M离心2次，以除去外表面吸附的香芹酚分子，然后在室温下于开放容器中干燥过夜，获得埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物的成品，命名为HNT-crv-4M。
HNT-4M改性前后的形貌表征：
其透射电镜图参见图1a~1d。从图1a和图1c中可以清晰看到改性前的HNT呈中空的管状形态，内外管壁平整光滑，管口并不整齐；从图1b和图1d中可以看到改性后的HNT-4M的外管壁形态并未发生变化，管口处以及内管壁有刻蚀痕迹，内表面变得凹凸不平，并能够观察到残留的纳米SiO2颗粒。
HNT-4M改性前后的孔隙结构表征：
其吸附脱附曲线参见图2。在较低的P/P0区域，吸附气体的量随P/P0的增加而缓慢增加，在0.4<P/P0<1.0的范围内观察到了回滞环，这是埃洛石纳米管的介孔孔隙在吸、脱附时出现了毛细管凝聚导致的，且孔径增大的HNT-4M的回滞环也随之变大；通过BJH模型分析计算得出HNT-4M的比表面积由29.506m2/g增加到95.577m2/g，孔容由0.196 cm3/g增加到0.329 cm3/g，这与通过TEM图像揭示的微观结构变化是一致的，由于埃洛石纳米管内管壁被酸刻蚀，[AlO6]八面体被溶解，形成的微孔扩大了管腔内径，增大了比表面积与孔容。
HNT-crv-nM热重分析：
其热重分析图参见图3。HNT-crv-nM，n为步骤（1）中HCl溶液的摩尔浓度，n取值为0、1、2、3、4、5。与HNT-crv（未经盐酸刻蚀改性）相比，HNT-crv-nM还在95-180℃范围内出现了失重现象，这主要是负载在管腔内的香芹酚热分解脱失，通过这一阶段的失重率可间接推算出香芹酚在埃洛石纳米管的负载量，计算得出HNT-crv，HNT-crv-1M，HNT-crv-2M，HNT-crv-3M，HNT-crv-4M，HNT-crv-5M的香芹酚负载量分别为6.7%，10.08%，11.6%，16.51%，24.2%，13.71%。由此可见，埃洛石纳米管经4M盐酸酸刻蚀后负载量最大，将香芹酚的负载量提高了近4倍。其中，当HCl溶液的摩尔浓度为5M时，通过透射电镜观测发现内管壁经刻蚀后发生穿孔，负载时，香芹酚从穿孔处溢出，导致埃洛石纳米管的负载量降低。
HNT-crv-4M释放分析：
其香芹酚释放曲线参见图6。将制备好的HNT-crv-4M复合物置于敞口的培养皿中，使其在底部均匀分布，将培养皿放置在23℃、50%相对湿度的恒温恒湿箱中保存；每隔24 h取出0.05 g，加入无水乙醇，置于10 mL离心管中，超声震荡25 min，静置24 h，置入离心机，以5000 r/min离心15 min；提取上清液，稀释20倍，置入石英比色皿中，用紫外分光光度计在276 nm处测量吸光度，并根据之前测定的香芹酚浓度标准曲线，计算提取液中的香芹酚浓度，从而估算出HNT-crv-4M复合物中香芹酚含量，根据初始值计算得HNT-crv-4M复合物释放率，释放速率参见图6。在23℃、50%相对湿度下，未封装的HNT-crv-4M复合物在前期表现为快速释放，香芹酚的释放率几乎与天数成正比，20天释放量达到67.4%后，释放速率开始变缓慢。
实施例2
一种埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物，其由以下方法制备得到：
（1）埃洛石纳米管改性，称取5g埃洛石纳米管（HNT）置于100mL烧杯中，接着加入80mL预先配制的4M浓度的盐酸溶液。搅拌均匀后，加热温度设定为80 ℃，磁力搅拌反应8h。酸刻蚀反应结束后，将冷却后的埃洛石悬浮液离心洗涤至中性，烘干研磨，得到白色粉末并命名为HNT-4M，酸刻蚀后埃洛石纳米管参见图1，图2。
（2）香芹酚负载，将HNT-4M与香芹酚以0.1g/mL的比例混合。将HNT-crv混合物在冰浴中超声处理30分钟（脉冲打开2秒钟，脉冲关闭3秒钟）。然后将HNT-crv复合物转移至连接至真空泵的真空干燥器中。减压至0.1MPa，持续30分钟以除去HNT内部的空气，然后恢复常压，持续10分钟以使香芹酚分子进入抽空的HNT管腔。香芹酚负载操作重复两次以增加装载效率。通过离心分离得到悬浮液中的固相，再用乙醇将HNT-crv复合物离心2次，以除去外表面吸附的香芹酚分子，然后在室温下于开放容器中干燥过夜。
（3）聚电解质封装，通过去离子水配制浓度为2mg/ml的PEI聚电解质溶液和PSS聚电解质溶液，搅拌均匀后，超声30min。将HNT-crv-4M复合物按质量比2:8加入PEI溶液，室温下搅拌混合10 min使其分散均匀，离心分离出固相，去离子水洗涤，完成第一层封装；再加入等体积的PSS溶液中，搅拌10 min，再进行分离和洗涤，完成第二层封装。将所得固体真空干燥24小时，研磨成粉状，获得埃洛石纳米管负载香芹酚缓释复合物的成品，命名为HNT-crv-4M/PEI/PSS。
HNT-crv-4M/PEI/PSS封装表征：
其Zeta电位图参见图4。图4中，横坐标为封装层数，0为未封装，1层为仅封装1层PEI，2层为依次封装1层PEI和1层 PSS，3层为依次封装1层PEI、1层 PSS和1层PEI，4层为依次封装1层PEI、1层 PSS、1层PEI和1层PSS，其中，各层PEI以及各层PSS的前后封装工艺相同。HNT-crv-4M复合物呈负电性，其电位值为-23.5mV，这是因为HNT外表面具有丰富的羟基，在水中呈负电性。利用静电力作用，依次吸附带正电的PEI聚电解质和带负电的PSS聚电解质可以有效地封装埃洛石纳米管。封装一层PEI聚电解质后，HNT-crv-4M复合物电位值变为+30.2 mV，继续封装PSS后电位值变为-35.6 mV。随着正负聚电解质的封装，HNT-crv-4M复合物的电位值出现正负交替变化，说明聚电解质很好的封装在了纳米管表面。
HNT-crv-4M/PEI/PSS热重分析：
其热重分析图参见图5。封装后的HNT-crv-4M复合物有三个失重阶段，比之未封装的HNT-crv-4M复合物多出了250-450℃的失重阶段，且封装层数越大，失重越多，这主要是封装的PEI、PSS聚电解质的热分解脱失。另一方面，埃洛石纳米管内部负载的香芹酚也随着封装层数的增加而减少，这应该是HNT-crv-4M复合物在封装过程中搅拌离心等操作造成的香芹酚的流失，所以封装层数需要控制在1-2层，以确保较高的香芹酚负载量。
HNT-crv-4M/PEI/PS释放分析：
其香芹酚释放曲线参见图6。将制备好的HNT-crv-4M/PEI、HNT-crv-4M/PEI/PS复合物置于敞口的培养皿中，使其在底部均匀分布，将培养皿放置在23℃、50%相对湿度的恒温恒湿箱中保存。每隔24 h取出0.05 g，加入无水乙醇，置于10 mL离心管中，超声震荡25min，静置24 h，置入离心机，以5000 r/min离心15 min。提取上清液，稀释20倍，置入石英比色皿中，用紫外分光光度计在276 nm处测量吸光度，并根据之前测定的香芹酚浓度标准曲线，计算提取液中的香芹酚浓度，从而估算出HNT-crv-4M/PEI/PSS复合物中香芹酚含量，根据初始值计算得HNT-crv-4M/PEI/PSS复合物释放率。在23℃、50%相对湿度下，封装后的HNT-crv-4M/PEI/PSS复合物中香芹酚的前期释放速率明显减缓，20天后，封装1层（仅1层PEI）、2层（1层PEI和1层 PSS）、3层（1层PEI、1层 PSS和一层PEI）和4层（1层PEI、1层 PSS、1层PEI和1层PSS）的HNT-crv-4M复合物香芹酚的释放量分别为48.8%、38.7%、8.43%和4.83%。虽然封装3层、4层的HNT-crv-4M/PEI/PSS/ PEI、HNT-crv-4M/PEI/PSS/ PEI/PSS，相较于封装1层、2层的HNT-crv-4M/PEI、HNT-crv-4M/PEI/PS，其缓释速度大幅降低，但其香芹酚负载量较低，不予考虑，故未在图中示出相应曲线。香芹酚释放速率的下降主要是因为正负聚电解质在纳米管外部和管口处形成了良好的封装层，提供了扩散屏障，减缓了香芹酚的释放，而且封装层数越多，缓释效果越明显。
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