一种结晶性可控的淀粉纳米颗粒、制备方法及应用

技术领域

本发明属于淀粉纳米颗粒制备技术领域，尤其涉及一种结晶性可控的淀粉纳米颗粒、制备方法及应用。

背景技术

淀粉是自然界中最丰富的生物质资源之一，为了拓宽天然淀粉的应用领域，人们利用物理、化学、酶法或者复合方法对原淀粉进行处理，以改善原淀粉的结构和功能特性。其中，淀粉的纳米改性是目前淀粉深加工的一个重要分析方向。淀粉的纳米改性是采用化学、物理或者生物等方法使原淀粉的颗粒尺度由微米级降低到纳米级，由于纳米尺度颗粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，使纳米淀粉获得常规尺度淀粉颗粒所不具备的物理、化学性质，从而可以提高淀粉的应用性能。

纳米淀粉可作为生物活性物质载体应用于生物医药领域。Santander-Ortega等使用丙基淀粉衍生物制备纳米颗粒，分别测试对氟芬那酸、睾酮和咖啡因的包封和释放特性，获得较高的药物包封效率，对疏水性药物的释放曲线接近线性，作为经皮给药系统，对氟芬那酸有明显的增强作用。用淀粉纳米颗粒作为胰岛素给药载体，有效控制了血浆胰岛素浓度(峰值258μIU/ml出现在给药1h)，对降糖作用持续6h仍有显著效果。以凝胶淀粉制备了直径范围为30-300nm的中空纳米淀粉，对盐酸阿霉素负载效率高达97.56％，负载量达37.12％，可望作为药物载体用于相关癌症的治疗。通过将含有β-胡萝卜素的乙醇滴加到淀粉糊中，获得平均直径小于900nm的负载β-胡萝卜素的淀粉纳米颗粒，其水分散度和稳定性良好，还增强了β-胡萝卜素抗化学氧化的稳定性。此外，纳米淀粉还可以用作酶制剂，香精等多种物质的载体。

纳米淀粉可以作为强化聚合物基体的填料应用于新型材料领域，改善天然或合成高分子材料的应用性能。以天然橡胶为基体，将糯玉米淀粉纳米颗粒作为增强填料制备复合材料，弹性模量显著提高，室温下的松弛模量是未填充基体的75倍。利用粒径约为130nm纳米淀粉制备纳米淀粉/乙烯-乙酸乙烯酯橡胶复合材料，改善了硫化胶的拉伸强度、硬度、300％定伸应力等物理性能。将500nm的乙酰化淀粉纳米颗粒用于制备热塑性淀粉薄膜，可降低薄膜的水蒸气渗透性及吸水率，提高薄膜的杨氏模量和热稳定性。使用淀粉纳米颗粒分别与λ-卡拉胶和黄原胶制备二元共混物，改善了共混胶的粘弹性及稳定性。纳米淀粉也可以作为基体应用于材料的制备。以玉米纳米淀粉为基质，甘油为增塑剂、纤维素纳米晶为增强剂，采用流延成膜法制备玉米纳米淀粉/纤维素纳米晶复合膜，成膜平整光滑，均一稳定，其抗张强度达20.18MPa，在可食性包装领域具有较好的应用前景。此外，纳米淀粉还可以应用于废水处理、造纸、乳化稳定剂、食品添加剂等领域。采用硬脂酸盐部分接枝改性的淀粉纳米晶作为吸附剂，对水中芳香族有机物的吸附量达150-900μmol/g，利用固定床装置进行多次吸附-解吸循环而吸附能力没有损失。利用玉米纳米淀粉作为涂布胶黏剂应用于低定量涂布纸中，直接以干粉形式与颜料一起分散配料，涂料的保水性能提高62.6％，印刷表面强度提高12.9％。用辛烯基琥珀酸改性玉米纳米淀粉制备皮克林乳液，液滴大小为0.5到45μm，有效提高抗乳液的稳定性。改性淀粉基纳米颗粒稳定的水包油(O/W)皮克林乳液体系，乳液贮存30d未出现相分离现象。综上，纳米淀粉由于具有纳米尺寸特性，且兼具淀粉的来源广泛、可再生、生物兼容性及降解性良好、安全无毒、无免疫原性等优势，使之具有广泛的应用前景，特别是对安全性和降解性要求较高的领域。因此，纳米淀粉制备已成为目前纳米技术分析的热点。

与其它纳米材料的制备方法相似，淀粉纳米颗粒的制备也可分为“自上而下”和“自下而上”两条路线。“自上而下”是利用物理或化学的手段(水解和机械研磨等)将淀粉颗粒的尺寸不断减小来制备淀粉纳米颗粒材料；“自下而上”则是以淀粉分子为基本单元，通过组装来制备淀粉纳米颗粒材料(如纳米沉降法和反相微乳液法等)。水解法淀粉是由葡萄糖分子间脱水缩合形成的高聚糖，包括只含α-1,4糖苷键的直链淀粉，以及除α-1,4糖苷键外还有α-1,6糖苷键的支链淀粉。直、支链淀粉分子在淀粉颗粒中呈径向排列，产生了结晶区与无定形区交替层的结构。其中支链淀粉双螺旋排列的分层结构构成淀粉的结晶区，直链淀粉、无序化的支链淀粉和淀粉链分支点共同构成淀粉的无定形区。利用酸、酶或者酶/酸联合水解方法处理淀粉颗粒，分解去除颗粒的无定形区并使其尺寸达到纳米级，即为淀粉纳米晶。水解法制备的淀粉纳米颗粒结晶度高、结构致密、刚度大、具有较好抗酸性；但颗粒多为片状结构，易于聚集形成微小颗粒。对淀粉纳米晶的水解制备条件进行优化后，反应5d产率仅为15％。可见，水解法制备的淀粉纳米颗粒在反应效率、产物得率以及产物形貌控制等方面尚难让人满意。机械法制备淀粉纳米颗粒主要是通过均质、挤压、摩擦与剪切等作用将淀粉颗粒粉碎，使其尺寸减小到纳米级。以乙醇为介质，采用研磨法制备平均粒径100nm的淀粉纳米颗粒。以ZrO

纳米沉降法是先将聚合物溶于一种溶剂中(良溶剂)形成均匀的聚合物相，然后将此聚合物溶液转入到另一种溶剂中(非溶剂)，或将非溶剂加入溶解聚合物的良溶剂中，使高分子聚合物沉淀形成纳米颗粒的方法。沉降法制备的颗粒形貌和尺寸不仅与淀粉的来源有关，还与乙醇用量有关。采用纳米沉降法，以7种不同来源的淀粉为原料制备淀粉纳米颗粒，发现原料淀粉的颗粒越小，产物的粒径越小。以乙醇作为非溶剂制备出尺寸分布在50-300nm的淀粉纳米颗粒。以丙酮作为非溶剂，制备了一系列尺寸可控的乙酰化淀粉纳米颗粒，实验表明，水和丙酮混合物极性的理论值与颗粒尺寸之间的线性关系。以DMSO为溶剂，分别以甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、正戊醇为非溶剂，分析淀粉纳米颗粒的制备，结果表明，溶剂与非溶剂亲和力越强，纳米颗粒粒径越小。通过调整乙醇用量、降低直链淀粉溶液浓度、沉淀过程中超声波搅拌等操作，使粒径降至160nm。在沉降法制备西米淀粉纳米颗粒中，通过加入不同比例的表面活性剂来调控颗粒的尺寸及形貌，但产率较低。目前分析表明，纳米沉降法制备的淀粉纳米颗粒过程中，溶剂与非溶剂选择及比例、淀粉乳浓度、淀粉分子量均对颗粒尺寸有影响。该方法操作简单，所得纳米颗粒尺寸容易控制、形貌规整，但淀粉溶液浓度低，且需使用大量的非溶剂，产量较低。反相微乳液法是在外力(均质、超声波等)作用下将淀粉溶液分散到与之不相容的有机溶液中，加入表面活性剂使两相形成均一、稳定的油包水结构，然后在交联剂的作用下使淀粉分子交联形成纳米颗粒析出。以环己烷和氯仿复配作为连续相，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，表面规整的淀粉纳米微球。使用60MPa的高压均质处理淀粉微乳液5次后，使颗粒粒径降至123.3nm。以淀粉离子液体溶液作为水相，以环己烷作为油相，环氧氯丙烷作交联剂，制备出平均粒径为96.9nm的淀粉纳米微球。反相微乳液法制备淀粉纳米颗粒操作较简单，颗粒形貌规整，但对设备的要求比较高，能耗较大，而且引入大量有机试剂，限制了纳米产物的应用。

酶解回生法首先利用酶降解糊化的淀粉分子，然后低温处理样品，由于低温下分子运动减慢，使直链淀粉分子和支链淀粉分子的分支都趋向于平行排列，互相靠拢，彼此通过氢键重新缔合，组装成混合微晶束而沉淀析出。以蜡质玉米淀粉为原料，利用普鲁兰酶酶解脱支制备短直链淀粉，在4℃下自组装形成球形或椭球形、粒径30-150nm纳米颗粒。通过优化酶解回生过程淀粉浓度、普鲁兰酶用量、重结晶时间等参数，使淀粉纳米颗粒粒径减小到60-120nm左右、收率提高到85％。在50℃下通过短葡聚糖链自组装制备了30-40nm的球形淀粉纳米颗粒，颗粒的聚合度(DP)约为12-30。酶解回生法具有产量较高、对设备无腐蚀、对环境友好等优点，但需低温操作，制备时间也较长。

淀粉的结晶性是淀粉的重要物化特性之一。根据X-射线衍射峰，将淀粉晶型主要分为A、B、C型三种；有些淀粉是由直链淀粉与其它物质络合形成，为V型。淀粉的结晶性与热焓值、硬度呈显著正相关，对淀粉颗粒的机械性能、热稳定性、抗消化性、分散性能等应用性能具有关键性影响。不同方法制备的淀粉纳米颗粒，影响结晶性的因素各不相同。再生法制备淀粉纳米颗粒中，降低回生过程温度可以提高结晶度。沉降法制备淀粉纳米颗粒的结晶度随原淀粉中直链淀粉含量的增加而增加。干燥过程对淀粉纳米颗粒的结晶结构有影响。此外，采用4℃和40℃的温度循环处理乙醇沉降得到的淀粉纳米颗粒，可提高结晶度。总体上，目前关于淀粉纳米颗粒结晶控制的分析报道较少，而对于纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒的结晶形成机制鲜见报道。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)水解法制备的淀粉纳米颗粒在反应效率、产物得率以及产物形貌控制。(2)机械法制备淀粉纳米颗粒对设备要求较高、动力消耗大、处理时长、而且颗粒形态不规则，尺寸分布宽，在工业上受到了一定的限制。(3)纳米沉降法通过加入不同比例的表面活性剂来调控颗粒的尺寸及形貌，产率较低。(4)酶解回生法需低温操作，制备时间也较长。解决以上问题及缺陷的难度为：纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中，纳米沉降及干燥是两个不同的过程，且均会影响淀粉颗粒的结晶性，如何获得这两个过程各种因素对淀粉颗粒结晶性的影响机制是现有技术不能克服的难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：深入了解沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中，颗粒的结晶形成机制及控制规律，指导制备结晶度、结构刚度可控、热稳定性好的淀粉纳米颗粒，具有现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结晶性可控的淀粉纳米颗粒、制备方法及应用。

本发明是这样实现的，一种结晶性可控的淀粉纳米颗粒的制备方法，包括：

将纳米沉降过程及干燥过程分开，分别测定纳米沉降过程及干燥过程中试验因素对颗粒内部及表面形貌结构、关键基团相互作用、溶剂组成与含量、溶剂转移速率、颗粒结晶性方面的影响，获得对淀粉纳米颗粒结晶形成及控制中沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制、干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。

进一步，在纳米沉降过程中，通过改变影响因素的作用水平，分析导致含溶剂与非溶剂的淀粉预聚体在溶剂与非溶剂两相溶剂相互置换速率、以及结晶性方面的变化；整理分析相关数据及结果，分析影响因素、溶剂置换、结晶性的相关性及影响规律，得到纳米沉降过程对淀粉颗粒结晶性的影响机制。

进一步，在干燥过程中，以干燥空气的流量、温度、相对湿度为干燥影响因素，通过改变影响因素的作用水平，分析导致淀粉颗粒在溶剂脱离速率、颗粒结晶性方面的变化，整理分析相关数据及结果，并分析影响因素、溶剂脱离、结晶性的相关性及影响规律，得到干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。

进一步，对制备的结晶性可控的系列淀粉纳米颗粒，还对其进行结构特性、尺度、形貌、晶体结构、机械性能、成膜性能、吸附性能表征及分析。

进一步，所述结晶性可控的淀粉纳米颗粒的制备方法进一步包括：

步骤一，木薯淀粉原料预处理，采用超声处理、普鲁兰酶酶解处理以及超声/酶解联合处理的方式，对木薯淀粉溶液进行预处理；

步骤二，纳米沉降过程中影响颗粒结晶性因素的初筛；

步骤三，通过建立沉降过程的溶剂置换动力学、结晶生成动力学模型获取沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制；

步骤四，通过建立干燥过程的溶剂脱离动力学、及结晶生长动力学模型，获取干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制；

步骤五，进行结晶性可控淀粉纳米颗粒的结构及性能分析。

进一步，所述步骤一中，以淀粉分子量、直链淀粉含量为控制指标，通过对淀粉液浓度、pH、处理温度、处理时间、酶用量或超声功率条件进行分析优化，获得制取分子量、直链淀粉含量指标符合要求的预处理方法；

所述步骤二中，影响淀粉颗粒结晶性的各种因素包括：

(1)原料性质因素：淀粉分子量、直链淀粉含量；

(2)淀粉溶液因素：淀粉溶液的浓度、pH、离子强度、添加结晶诱导模板分子、添加表面活性成分；

(3)非溶剂因素：非溶剂的极性、浓度、添加表面活性成分；

(4)操作因素：沉降温度、超声功率及时间、滴加流速、淀粉溶液与非溶剂的体积比。采用单因素分析方法，以颗粒结晶性为分析指标，分别分析上述各种因素对纳米沉降过程中淀粉颗粒结晶性的影响。

进一步，所述步骤三中获得沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制的方法包括：

在步骤二纳米沉降过程中影响颗粒结晶性因素的初筛后，选择影响显著的试验因素，通过改变影响因素的作用水平，分析导致淀粉预聚体在颗粒内部及两相界面形貌结构、预聚体内溶剂组成与含量、两相溶剂相互置换速率、糖链排列及氢键缔合、以及结晶性方面的变化：分析整理相关数据及结果，建立沉降过程的溶剂置换动力学、结晶生成动力学模型，分析影响因素、溶剂置换、结晶性的相关性及影响规律，获得纳米沉降过程对淀粉颗粒结晶性的影响机制；

所述步骤四干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制的获得方法包括：

将干燥空气的流量、温度、相对湿度为干燥影响因素，通过改变影响因素的作用水平，分析导致淀粉颗粒在颗粒内部及表面形貌结构、溶剂组成与含量、溶剂脱离速率、糖链排列及氢键缔合、颗粒结晶性的变化；分析整理相关数据及结果，建立干燥过程的溶剂脱离动力学、及结晶生长动力学模型，并分析影响因素、溶剂脱离、结晶性的相关性及影响规律，获得干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制；

所述步骤五，结晶性可控淀粉纳米颗粒的结构及性能分析的方法包括：

对具不同结晶性的纳米颗粒产物的形貌、粒度和粒度分布、官能团、结晶结构、颗粒表面电荷和zeta电位、以及纳米颗粒的热力学特性、机械性能、流动性、抗消化性、稳定性、乳化性、溶胀性能进行系统的分析。

本发明的另一目的在于提供一种由所述结晶性可控的淀粉纳米颗粒的制备方法制备的淀粉纳米颗粒。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述淀粉纳米颗粒制备的废水处理吸附剂、造纸中的涂布胶黏剂及乳化稳定剂。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述淀粉纳米颗粒制备的生物医药领域中的生物活性物质载体、新型材料领域的强化聚合物基体填料、降低薄膜的水蒸气渗透性及吸水率的热塑性淀粉薄膜、可食性包装领域的纳米淀粉/纤维素纳米晶复合膜。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述制备方法中干燥过程的干燥操作装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中，纳米沉降及干燥是两个不同的过程，且均会影响淀粉颗粒的结晶性，本发明将分别将两个过程各种因素对淀粉颗粒结晶性的影响。在纳米沉降过程中，通过改变影响因素的作用水平，分析其导致淀粉预聚体(含一定量的溶剂与非溶剂)在两相溶剂相互置换速率、以及结晶性等方面的变化。整理分析相关数据及结果，分析“影响因素-溶剂置换-结晶性”的相关性及影响规律，得到纳米沉降过程对淀粉颗粒结晶性的影响机制。在干燥过程中，计划以干燥空气的流量、温度、相对湿度作为主要的干燥影响因素，通过改变影响因素的作用水平，分析其导致淀粉颗粒在溶剂脱离速率、颗粒结晶性等方面的变化。整理分析相关数据及结果，分析“影响因素-溶剂脱离-结晶性”的相关性及影响规律，得到干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。通过对纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程的结晶形成机制及控制，为制备结晶度、结构刚度可控、热稳定性好的淀粉纳米颗粒新工艺的开发提供理论基础；并为其它生物基高聚物的纳米制备技术发展提供重要思路。此外，本发明将制备结晶性可控的系列淀粉纳米颗粒，对其结构特性及主要性能特点(包括尺度、形貌、晶体结构、机械性能、成膜性能、吸附性能等)进行表征及分析，为拓展淀粉纳米颗粒的应用提供参考。

本发明通过分析沉降过程中“影响因素-溶剂置换-结晶性”的相互联系，干燥过程中“影响因素-溶剂脱离-结晶性”的相互联系，测定淀粉纳米颗粒制备过程中，淀粉的糖链在空间构象上发生相互匹配重排，以及糖链间、糖链与水分子间发生氢键重新缔合的规律性，获得对结晶形成机制及控制的科学认识。为开发制备结晶性可控、性能良好的淀粉纳米颗粒的新工艺提供理论基础；并为其它生物基高聚物的纳米制备技术发展提供思路。

本发明结晶性是淀粉的重要物化特性之一，对淀粉颗粒的机械性能、热稳定性、抗消化性、分散性能等均有影响。然而对沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中结晶形成机制的测定，至今鲜见文献报道。本发明针对纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中的结晶形成机制测定，既有理论与应用意义，也有创新性。本发明将淀粉纳米颗粒制备的纳米沉降过程及干燥过程两个过程分开，分别测定两个过程中试验因素对颗粒内部及表面形貌结构、关键基团相互作用、溶剂组成与含量、溶剂转移速率、颗粒结晶性等方面的影响，进而分析淀粉纳米颗粒的结晶形成机制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的结晶性可控的淀粉纳米颗粒的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的淀粉纳米颗粒干燥操作实验装置示意图。

图3是本发明实施例提供的纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程的结晶形成机制及控制的路线图。

图4是本发明实施例提供的湿热法、超声波、微波、糊化、碱处理等预处理方法对木薯淀粉结构及反应性能的影响图。

图5是本发明实施例提供的预处理对木薯淀粉酯化反应DS值的影响图。

图6是本发明实施例提供的淀粉酯酶促合成实验室用反应器实物图。

图7是本发明实施例提供的响应面优化松香酸淀粉酯合成图。

图8是本发明实施例提供的淀粉纳米颗粒的SEM图。

图9是本发明实施例提供的原淀粉和淀粉纳米颗粒XRD图。

图10是本发明实施例提供的淀粉纳米颗粒稳定Pickering乳液的显微照片(1000×)图。

具体实施方式

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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结晶性可控的淀粉纳米颗粒、制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的结晶性可控的淀粉纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：

S101，木薯淀粉原料预处理，采用超声处理、普鲁兰酶酶解处理以及超声/酶解联合处理的方式，对木薯淀粉溶液进行预处理。

S102，纳米沉降过程中影响颗粒结晶性因素的初筛。

S103，通过建立沉降过程的溶剂置换动力学、结晶生成动力学模型获取沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。

S104，通过建立干燥过程的溶剂脱离动力学、及结晶生长动力学模型，获取干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。

S105，进行结晶性可控淀粉纳米颗粒的结构及性能分析。

步骤S101，中，以淀粉分子量、直链淀粉含量为控制指标，通过对淀粉液浓度、pH、处理温度、处理时间、酶用量或超声功率条件进行分析优化，获得制取分子量、直链淀粉含量指标符合要求的预处理方法。

所述步骤S102中，影响淀粉颗粒结晶性的各种因素包括：

(1)原料性质因素：淀粉分子量、直链淀粉含量。

(2)淀粉溶液因素：淀粉溶液的浓度、pH、离子强度、添加结晶诱导模板分子、添加表面活性成分。

(3)非溶剂因素：非溶剂的极性、浓度、添加表面活性成分。

(4)操作因素：沉降温度、超声功率及时间、滴加流速、淀粉溶液与非溶剂的体积比。采用单因素分析方法，以颗粒结晶性为分析指标，分别分析上述各种因素对纳米沉降过程中淀粉颗粒结晶性的影响。

所述步骤S103中获得沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制的方法包括：在步骤S102纳米沉降过程中影响颗粒结晶性因素的初筛后，选择影响显著的试验因素，通过改变影响因素的作用水平，分析导致淀粉预聚体在颗粒内部及两相界面形貌结构、预聚体内溶剂组成与含量、两相溶剂相互置换速率、糖链排列及氢键缔合、以及结晶性方面的变化：分析整理相关数据及结果，建立沉降过程的溶剂置换动力学、结晶生成动力学模型，分析影响因素、溶剂置换、结晶性的相关性及影响规律，获得纳米沉降过程对淀粉颗粒结晶性的影响机制；

所述步骤S104干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制的获得方法包括：

将干燥空气的流量、温度、相对湿度为干燥影响因素，通过改变影响因素的作用水平，分析导致淀粉颗粒在颗粒内部及表面形貌结构、溶剂组成与含量、溶剂脱离速率、糖链排列及氢键缔合、颗粒结晶性的变化；分析整理相关数据及结果，建立干燥过程的溶剂脱离动力学、及结晶生长动力学模型，并分析影响因素、溶剂脱离、结晶性的相关性及影响规律，获得干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制。

所述步骤S105，结晶性可控淀粉纳米颗粒的结构及性能分析的方法包括：

对具不同结晶性的纳米颗粒产物的形貌、粒度和粒度分布、官能团、结晶结构、颗粒表面电荷和zeta电位、以及纳米颗粒的热力学特性、机械性能、流动性、抗消化性、稳定性、乳化性、溶胀性能进行系统的分析。

下面结合实验对本发明的技术方案作进一步的描述。

1、方法

1.1具体实施例1，木薯淀粉原料预处理

本发明将以处理液淀粉分子量、直链淀粉含量为主要分析指标。采用超声处理、普鲁兰酶酶解处理以及超声/酶解联合处理的方式，对木薯淀粉溶液进行预处理，通过对预处理过程的淀粉液浓度、pH、处理温度、处理时间、酶用量或超声功率等条件进行分析优化，分析高效制取分子量、直链淀粉含量指标符合要求的预处理方法。

1.1.1淀粉的分子量

用90％的DMSO溶解不同分子量的萄聚糖标样，使用高效液相色谱(HPLC)分析各个标样分子量相对应的保留时间，绘制标准曲线。相同色谱条件对淀粉样品进样分析，检测样品的分子量分布图和分子量，并计算淀粉分子的聚合度。

HPLC条件：安捷伦公司Polaris 5NH

1.1.2直链淀粉含量

分光光度法(UV-Vis)：配制浓度为0.0235mg/mL的直链和支链淀粉标准溶液，按比例配制直链和支链淀粉标准混合溶液，加入碘液后测定600nm吸光值。以混合溶液中直链淀粉的含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标曲，求出线性回归方程；同样方法检测淀粉样品吸光值，计算直链淀粉含量。

1.2具体实施例2，影响淀粉颗粒结晶性条件的初筛

以颗粒结晶性为主要分析指标，对淀粉原料的分子量大小、直链淀粉含量不但影响淀粉液的粘度、流动性、分散性，还会影响沉降过程对淀粉分子中糖链的有序排列及氢键缔合的重新生成，因此淀粉的分子量、直链淀粉含量还将影响淀粉纳米颗粒制备过程的效率，粒径大小、粒径分布宽窄，以及颗粒的结晶性影响因素进行系统的分析筛选，并为后续机理测定选择影响显著的试验因素。为了固定沉降过程所得淀粉颗粒的结晶状态，沉降获得的颗粒样品均使用液氮进行快速冷冻，采用对颗粒结晶性影响较小的冻干方法进行干燥处理，然后进行结晶性分析。

淀粉结晶性：XRD分析，使用日本理学公司MiniFlex600型X射线衍射仪进行XRD分析：Cu(ka)射线，Ni片滤波，电压40kV，电流15mA，扫描范围2θ为4-30°，扫描速率为8°/min，扫描步长为0.02°，根据衍射峰振动波数、散射峰面积，分析淀粉样品晶型并计算结晶度。

1.3具体实施例3，沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制

实验过程中，设置某影响因素的作用水平后，往一定体积非溶剂中滴加适当体积淀粉液，对形成的淀粉预聚体进行定时取样。一方面，迅速对淀粉预聚体残留的溶剂(包括水与非溶剂)进行萃取，利用气相色谱法(GC)分析淀粉预聚体中溶剂的组成与含量；以样品中淀粉干重为基准，根据取样时间间隔，计算两相溶剂相互置换速率；采用拉曼光谱(Raman)方法，得到淀粉预聚体中氢键缔合的变化。另一方面，使用液氮对淀粉预聚体进行快速冷冻，固定其表面的形貌结构、及其内部糖链的排列状态，随后进行冻干处理，利用显微表征技术分析颗粒内部及两相界面的形貌结构；通过XRD分析颗粒的结晶性；在XRD分析的基础上，分析淀粉的糖链排列状态；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征技术分析淀粉预聚体中氢键缔合的变化。

1.3.1淀粉的形貌结构

利用德国卡尔蔡司公司SUPRA 55Sapphire型场发射扫描电子显微镜(SEM)、美国Digital Instrument公司DI Dimension 3000原子力显微镜(AFM)分析两相接触界面的结构。利用激光共聚焦显微镜(CLSM)在分析两相接触界面的结构及淀粉预聚体内部的结构变化。

1.3.2溶剂的组成、含量及置换速率

使用丁酮-仲丁醇混合溶液萃取淀粉预聚体的残留溶剂，进行GC分析，以样品含淀粉干重为基准，计算溶剂的组成、含量及置换速率。GC条件：GDX-104固定相填充柱、TCD检测器、汽化温度175℃、柱温145℃。

1.3.3淀粉结晶性

XRD分析。使用日本理学公司MiniFlex600型X射线衍射仪进行XRD分析：Cu(ka)射线，Ni片滤波，电压40kV，电流15mA，扫描范围2θ为4-30°，扫描速率为8°/min，扫描步长为0.02°，根据衍射峰振动波数、散射峰面积，分析淀粉样品晶型并计算结晶度。

1.3.4淀粉的糖链排列状态

在XRD分析的基础上，根据衍射角(θ)的相关数据计算晶面间距(d)；根据淀粉样品的晶系类型，选择晶面间距(d)与点阵参数的关系式，计算密勒指数，分析晶平面的状态，分析淀粉的糖链排列。

1.3.5淀粉中氢键缔合的状态

采用FTIR及Raman方法，分析淀粉预聚体中亚甲基、羟基等特征基团的频谱位移、强度的变化，分析淀粉预聚体中氢键缔合的变化。

FTIR分析：使用美国赛默飞世尔科技公司MAGNA-1R550型傅里叶变换红外光谱仪，扫描分辨率4cm

Raman分析：使用英国雷尼绍公司InVia-Reflex激光共聚焦拉曼光谱仪，激光功率5mW、波长532nm、波数范围200-4000cm

1.4具体实施例4，干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制

为了使干燥作用均匀作用于淀粉颗粒的各个方向，本发明采用流化干燥方式，使用小型柱装填适量沉降过程获得的淀粉颗粒，进行通风干燥处理。干燥操作实验装置示意图见图2。

实验过程中，设置某影响因素的作用水平，对纳米沉降过程所得的淀粉颗粒进行处理，定时取样。一方面，迅速对样品残留的溶剂(包括水与非溶剂)进行萃取，利用GC分析样品中溶剂的组成与含量；并计算溶剂的脱离速率。另一方面，对样品进行快速冷冻，并冻干。然后利用显微表征技术分析纳米颗粒表面及内部的形貌结构，XRD分析颗粒的结晶性，并分析淀粉的糖链排列状态，FTIR分析淀粉中氢键缔合的状态。

1.4.1淀粉纳米颗粒的形貌结构

利用本学院的德国卡尔蔡司公司SUPRA 55Sapphire型场发射扫描电子显微镜(SEM)、美国Digital Instrument公司DI Dimension 3000原子力显微镜(AFM)分析两相接触界面的结构。利用激光共聚焦显微镜(CLSM)在分析两相接触界面的结构及淀粉预聚体内部的结构变化。

1.4.2溶剂的组成、含量及脱离速率

使用丁酮-仲丁醇混合溶液萃取淀粉预聚体的残留溶剂，进行GC分析，以样品含淀粉干重为基准，计算溶剂的组成、含量及置换速率。GC条件：GDX-104固定相填充柱、TCD检测器、汽化温度175℃、柱温145℃。

1.4.3淀粉结晶性

XRD分析。使用日本理学公司MiniFlex600型X射线衍射仪进行XRD分析：Cu(ka)射线，Ni片滤波，电压40kV，电流15mA，扫描范围2θ为4-30°，扫描速率为8°/min，扫描步长为0.02°，根据衍射峰振动波数、散射峰面积，分析淀粉样品晶型并计算结晶度。

1.4.4淀粉纳米颗粒的糖链排列状态

在XRD分析的基础上，根据衍射角(θ)的相关数据计算晶面间距(d)；根据淀粉样品的晶系类型，选择晶面间距(d)与点阵参数的关系式，计算密勒指数，分析晶平面的状态，分析淀粉的糖链排列。

1.4.5淀粉纳米颗粒中氢键缔合的状态

采用FTIR及Raman方法，分析淀粉预聚体中亚甲基、羟基等特征基团的频谱位移、强度的变化，研究淀粉预聚体中氢键缔合的变化。

采用FTIR方法，分析淀粉预聚体中亚甲基、羟基等特征基团的频谱位移、强度的变化，得到淀粉预聚体中氢键缔合的变化。FTIR分析：使用美国赛默飞世尔科技公司MAGNA-1R550型傅里叶变换红外光谱仪，扫描分辨率4cm

1.5具体实施例5，结晶性可控淀粉纳米颗粒的结构及性能测定

采用粉体综合特性测试仪、XRD、SEM、FTIR等仪器以及化学分析方法，对具不同结晶性的纳米颗粒产物的形貌、粒度和粒度分布、官能团、结晶结构、颗粒表面电荷和zeta电位、以及纳米颗粒的热力学特性、机械性能、流动性、抗消化性、稳定性、乳化性、溶胀性能等进行系统的分析，深入了解结晶性可控的系列淀粉纳米颗粒的结构特性与主要性能，为拓展其应用提供参考。

SEM、XRD、FTIR等方法；采用上海思百吉仪器系统有限公司ZEN3690型Malvern激光粒度仪测定系列纳米淀粉的zeta电位、粒径大小以及粒径分布规律。纳米淀粉颗粒的热力学特性、机械性能、抗消化性、稳定性、乳化性、溶胀性能等均采用常规成熟方法进行分析。

2技术路线

本发明的技术路线见图3所示：

3可行性分析

3.1纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程中，纳米沉降及干燥是两个不同的过程，且均会影响淀粉颗粒的结晶性，本发明通过分别得到这两个过程各种因素对淀粉颗粒结晶性的影响，再综合纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒过程的结晶形成机制及控制，在方法论上是合理的。

溶解后的淀粉分子重新形成结晶，本质是淀粉分子内部糖链与糖链之间以及糖链与水分子之间在空间构象上相互匹配重排，达到体系平衡的有序稳定态。一方面，在纳米沉降过程中，当带有一定浓度淀粉的溶液相加入到非溶剂时，形成水相与非溶剂相接触界面，水与非溶剂相互置换，这种置换的速率与两相界面的形貌结构间存在相互影响；溶剂相互置换速率的变化又会导致淀粉预聚体样品内溶剂(含一定量的水与非溶剂)组成与含量的变化，进而影响淀粉样品内糖链间、以及糖链与水分子间羟基的相互作用，从而影响结晶的形成。本发明通过分析“影响因素-溶剂置换-结晶性”的相关性，得到沉降过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制，在理论上是正确。另一方面，在干燥过程中，干燥影响因素会对淀粉颗粒间及颗粒内部残留溶剂的挥发速率(水及非溶剂的挥发速率存在差异)产生影响，使淀粉颗粒间及颗粒内部残留溶剂的组成及含量均发生变化；溶剂的脱离速率还与淀粉颗粒表面的形貌结构产生相互影响，并造成淀粉颗粒内部残留溶剂组成及含量的变化，进而影响淀粉分子上糖链间、以及糖链与水分子间羟基的相互作用，从而影响结晶的形成。本发明通过分析“影响因素-溶剂脱离-结晶性”的相关性，干燥过程对淀粉纳米颗粒结晶性的影响机制是正确的。

3.2本发明将纳米沉降法制备淀粉纳米颗粒的纳米沉降过程及干燥过程分开，是为了避免干燥过程对淀粉颗粒结晶的影响干扰对纳米沉降过程结晶形成机制的分析。为此，采取了两方面措施。第一，利用Raman光谱适宜于测试溶液体系的优势，不经干燥直接对淀粉预聚体的进行表征分析。第二，为了迅速固定淀粉预聚体的结晶状态，并在保持该状态下将溶剂移除。本发明采用液氮快速冷冻，固定其形貌结构及结晶状态，然后采用对颗粒结构及结晶性影响较小的冻干方法进行干燥处理，再进行FTIR及XRD分析。通过综合、分析比对Raman、FTIR及XRD的数据，可以全面了解沉降过程中淀粉预聚体中糖链排列、氢键缔合的变化规律。

本发明采用的GC、XRD、SEM、FTIR等分析方法成熟可靠。

下面结合具体实验及效果对本发明作进一步描述。

本发明对木薯淀粉修饰改性进行了广泛的分析，在淀粉原料的预处理、木薯淀粉的酶促酯化、淀粉颗粒的可控去结晶化、以及沉降法制备淀粉纳米颗粒等方面均取得了良好的成果。

1、木薯淀粉的预处理

本发明对比分析了湿热法、超声波、微波、糊化、碱处理等预处理方法对木薯淀粉结构及反应性能的影响。其中，经碱预处理后，木薯淀粉颗粒改变了原有形貌，表面有破面和裂缝，淀粉晶体的结晶性能降低(见图4，其中(a)原木薯淀粉、(b)湿热法处理淀粉、(c)超声波处理淀粉、(d)微波处理淀粉、(e)糊化处理淀粉、(f)碱处理淀粉SEM图)，在冷水中的溶解度提高，透明度和粘度增强。活化后的木薯淀粉与松香酸反应的取代度显著性的提高，取代度可达0.088(见图5预处理对木薯淀粉酯化反应DS值的影响)。

2、酶促合成酯化淀粉

本发明设计了用于合成松香酸淀粉酯的固定床反应器(见图6)，开展了酶促合成松香酸淀粉酯的技术方法、反应动力学的研究。结果表明：松香酸淀粉酯的合成反应为表观一级反应，其表观活化能为30802J/mol，酯水解反应的表观活化能为1006J/mol，酶促制备松香酸淀粉酯的总反应动力学方程为:r＝k·CA·CAGU。应用响应面分析的方法对酯化过程的反应温度、时间及酶料比三个因素及其交互作用进行了优化(见图7)，获得优化反应条件：反应时间4.11h,反应温度48.18℃，酶用量15.47％，产物取代度达0.106。

本发明关于酯化淀粉酶促合成的分析，为本发明沉降法制备淀粉纳米颗粒的沉降过程及干燥过程所使用实验装置的设计提供了参考；对淀粉的各种表征、分析技术方法，均可应用于本发明。

1.3淀粉颗粒的可控去结晶化

本发明以木薯淀粉为原料，系统分析了高温醇碱法处理过程中碱浓度、处理温度、时间以及料液比等条件对木薯淀粉结晶度及晶体结构的影响。结果表明，碱浓度及处理温度对淀粉去结晶化过程中结晶度的影响是线性负相关(碱浓度与结晶度的r值为﹣0.97，而处理温度与结晶度的r值为﹣0.84)，通过控制碱浓度可有效控制木薯淀粉晶型由A型转变为无定形状态、结晶度从23.63％逐渐降至0.00％(见表1)。

表1不同碱浓度处理的木薯淀粉样品的相对结晶度

淀粉颗粒的可控去结晶化分析与本发明分析淀粉纳米颗粒制备过程的结晶形成机制，目标方向刚好是相反的，但所涉及的均为淀粉颗粒内部糖链与糖链之间、以及糖链与水分子之间在空间构象上相互匹配的有序稳定态及影响因素。

1.4沉降法制备淀粉纳米颗粒

项目组为了拓展木薯淀粉的应用，开展了超声波辅助制备木薯淀粉纳米颗粒研究。以纳米颗粒尺寸及多分散系数为目标指标，优化了制备条件，制备获得的木薯淀粉纳米颗粒呈球形、形貌较好、尺寸分布较均一(见图8)。颗粒晶型由A型变为无定型，相对结晶度显著降低(见图9)。使用淀粉纳米颗粒可以作为颗粒乳化剂，可制备获得稳定良好的O/W乳液，乳液液滴的体积平均粒径小于50μm(见图10)。

本发明通过优化制备条件，把原料淀粉乳浓度提高至5％，使制备效率、淀粉纳米颗粒粒径的分布及形貌的控制均有改善。

本发明主要依托广西民族大学的省级重点实验室“广西多糖材料与改性重点实验室”开展工作，围绕多糖材料的制备与应用进行了大量分析工作，在蔗糖合成葡聚糖过程调控和葡聚糖改性、木薯淀粉颗粒活化及改性、蔗渣纤维素分离提纯及改性，以及多糖材料应用于无机纳米复合材料制备、膜分离过程等方面取得了系列效果。

基本构建起了基于膜分离的多糖分离提纯、多糖化学结构测试和部分高级结构测试、多糖化学或生物改性及应用、基于理论计算和分子模拟的软硬件等平台及相应的仪器设备。拥有近2000m

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。