通过双重预乳化结合高剪切均质化技术，简便制备六偏磷酸酯交联淀粉纳米颗粒：优化方法、作用机理及能源效率分析

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Facile fabrication of hexametaphosphate-crosslinked starch nanoparticles via dual pre-emulsion coupled high-shear homogenization: Optimization, mechanism and energy efficiency

淀粉纳米粒子制备工艺及性能优化研究。采用双预乳液耦合高剪切均质化（DP-HSH）策略制备硫酸铝交联淀粉纳米粒子（SNPs），系统研究淀粉类型、AAR、浓度、交联剂比例、交联时间及剪切速率对粒径（804 nm）、多分散指数（0.76）、球状度及包封率（36.5%）的影响。对比发现DP-HSH较机械搅拌节能44.7%。首次证实DP-HSH可有效形成稳定水油微乳液，为SNPs绿色制备提供新方法。

　　

程亚龙|张昆明|段超|张美琪|卢晓菊|唐向义|黄永春|于慧群|任贤娥

广西科技大学生物与化学工程学院，中国柳州545006

摘要

淀粉纳米颗粒（SNPs）作为生物活性化合物的载体具有巨大潜力。本研究开发了一种双预乳化结合高剪切均质化（DP-HSH）策略，以增强水包油（W/O）微乳液的交联，从而制备出六偏磷酸钠（SHMP）交联的SNPs。系统研究了直链淀粉与支链淀粉的比例（AAR）、淀粉类型、淀粉浓度（c_s）、SHMP与淀粉的比例（φ_s）、交联时间（t_c）以及剪切速率（r_s）对SNPs性能的影响。较高的AAR（>1.0）有助于形成结构明确的SNPs。与玉米淀粉相比，由可溶性淀粉制备的SNPs具有更小的粒径、更低的粒度分布、更好的球形度以及更好的分散性。在最佳条件下（c_s=25%、φ_s=30%、t_c=3.0小时、r_s=6500转/分钟），粒度分布指数为0.760的SNPs粒径为804.0纳米；洛沙坦的包封效率为36.5%，最大产率为77.1%。通过计算Weber数和Capillary数，提出了主要的形成机制，该机制主要涉及惯性和粘性应力。研究表明，与机械搅拌相比，DP-HSH方法在减小粒径方面更有效，且能耗降低了44.7%。本研究提供了一种简便且节能的SNPs制备方法。

引言

天然淀粉是一种中性多糖，广泛存在于谷物、块茎和豆类中。由于其可生物降解性、可再生性和无毒性等优良特性，常用于制备可食用薄膜、生物降解水凝胶和功能性纳米颗粒（NPs）[1]、[2]。近年来，直径在1至1000纳米范围内的淀粉纳米颗粒（SNPs）被视为极具前景的纳米系统[3]。这些SNPs具有较大的比表面积、低免疫原性和优异的生物渗透性，可用作乳液稳定剂、纳米复合薄膜填料以及生物活性化合物（如姜黄素、叶黄素、维生素E和环丙沙星）的输送载体[4]、[5]、[6]、[7]。此外，与其他常用的金属纳米颗粒（如AuNPs）相比，SNPs具有较低的毒性、更好的生物降解性和更高的成本效益。鉴于这些优势，SNPs的制备在生物医学及相关领域受到了越来越多的关注。

纳米沉淀、酸水解和乳液交联是常用的SNPs制备方法。与酸水解所需的较长处理时间和纳米沉淀复杂的操作程序相比，乳液交联因其温和的反应条件和简单的操作流程而成为制备SNPs的优选方法[8]、[9]。根据乳化过程后形成的乳液性质，乳液交联通常分为水包油（W/O）微乳液和微乳液两种方式。实际上，W/O微乳液需要大量的表面活性剂、较高的油水比和较低的淀粉浓度[10]，这导致产率低和生产成本高。相比之下，W/O微乳液具有显著优势，如减少表面活性剂的使用、提高生产效率和经济效益[11]、[12]。在制备W/O微乳液时，通常采用高能量乳化技术将大水滴破碎成亚微米或纳米级水滴（直径100～1000纳米）[13]、[14]。这些纳米级水滴作为交联的微反应器，促进了SNPs的形成[15]。因此，W/O微乳液交联被认为是制备SNPs的一种高效且简便的方法。

文献中，Sihler等人[16]利用超声乳化法制备了含有牛血清白蛋白的水包十二烷微乳液，滴粒大小约为220.0纳米；加入1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亚胺盐酸盐水溶液并在搅拌下进行24小时交联，获得了直径约为200.0纳米的交联牛血清白蛋白纳米颗粒。Lv等人[17]使用膜乳化法制备了水包石蜡微乳液，滴粒大小约为300.0纳米；逐滴加入戊二醛饱和甲苯，随后在机械搅拌下反应10小时，获得了直径约为300.0纳米的戊二醛交联壳聚糖纳米球。Du等人[18]以己烷作为油相，通过超声乳化法制备了含有壳聚糖的W/O微乳液，滴粒大小约为120.0纳米；随后加入戊二醛水溶液，在60°C下磁力搅拌下进行4小时交联反应，获得了直径约为110.0纳米的戊二醛交联壳聚糖-寡糖纳米颗粒。这些研究清楚地表明，W/O微乳液的制备是W/O微乳液交联过程中成功制备纳米材料的关键步骤。

高剪切均质化（HSH）作为一种高能量乳化技术，广泛用于制备W/O微乳液。它具有设备要求低、生产成本低和操作简便等优点[19]。例如，Amadei等人[20]使用HSH以4200转/分钟的高剪切速率混合蔗糖水溶液和葵花籽油10分钟，制备出了最小粒径为175.0纳米的W/O微乳液。同样，Haider等人[21]以10000转/分钟的高剪切速率混合蒸馏水和黑籽油10分钟，获得了粒径约为376.5纳米的W/O微乳液。相比之下，Zhang等人[22]以17000转/分钟的高剪切速率混合聚乙烯醇（PVA）溶液和甲苯5分钟，获得了粒径约为150.0纳米的微乳液。这些研究表明，HSH是制备W/O微乳液的有效技术。

从理论角度来看，淀粉作为一种生物大分子，与上述高分子量的PVA具有许多相似的性质。具体而言，这两种大分子（即淀粉和PVA）的分子链中都含有大量的羟基，表现出优异的亲水性[23]。此外，浓缩的淀粉水溶液表现出与浓缩的PVA水溶液类似的剪切稀化行为[24]、[25]。因此，HSH有望用于制备含有淀粉的W/O微乳液。然而，与使用甲苯作为油相的W/O微乳液相比，本研究中使用棕榈油作为油相，其性质（如粘度）与甲苯不同。因此，HSH技术是否适用于制备含有淀粉的W/O微乳液尚不清楚。此外，本研究中使用的六偏磷酸钠（SHMP）与三偏磷酸钠（STMP）具有相同的分子组成；两者都属于通过氧原子连接多个磷酸基团形成的环状或链状聚合物结构。虽然已证明STMP的磷酸基团能够与淀粉分子中的羟基发生交联，但SHMP的分子结构与STMP并不完全相同（例如，这两种物质中磷酸基团的聚合度不同）。因此，从学术界和工业界的角度来看，HSH技术是否能够成功用于通过W/O微乳液交联制备SHMP交联的SNPs仍是一个未解决的问题。因此，进行基础实验研究以消除这一疑问至关重要。据我们所知，目前尚未有关于通过HSH诱导的W/O微乳液交联制备SHMP交联SNPs的相关报道。

本研究的主要目的是探讨双预乳化结合HSH（DP-HSH）策略在增强W/O微乳液交联、制备SHMP交联SNPs方面的应用潜力。另一个目的是研究各种工艺参数对SNPs性能（如平均粒径（MPS）、表面形态和产率（P_y）的影响。同时，还讨论了通过DP-HSH制备的SNPs的形成机制。此外，使用洛沙坦作为模型化合物，研究了在优化工艺参数下获得的SNPs的包封效率（EE）和负载能力（LC）。最后，比较了HSH和机械搅拌（MS）在SNPs性能和能源效率方面的差异。

材料

可溶性淀粉（马铃薯来源）和无水碳酸钠购自中国广东省的Xilong Scientific有限公司。棕榈油购自中国天津市的Tianjin Julong Grain and Oil有限公司。玉米淀粉购自中国河南省的Shiwulian Biological Technology有限公司。SHMP购自中国天津市的Tianjin Damo Chemical Reagent Factory。山梨醇单油酸酯（Span 80，HLB=4.3，C.P.）购自中国天津市的Tianjin Kemiou Chemical Reagent有限公司。

直链淀粉与支链淀粉的比例（AAR）和淀粉类型的影响

淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，它们不同的分子结构导致物理化学性质（如溶解度、粘度和凝胶稳定性）存在显著差异[27]。先前的研究表明，AAR显著影响淀粉的结晶强度，进而影响SNPs的结晶度和药物释放特性[28]、[29]。然而，SNPs的制备需要先溶解淀粉，这使得淀粉的溶解度成为关键因素

结论

本研究首次开发了DP-HSH策略，以增强W/O微乳液的交联过程，制备出含有生物活性化合物的SHMP交联SNPs。具有较高AAR的淀粉有助于形成结构明确的SNPs。与玉米淀粉相比，由可溶性淀粉制备的SNPs具有更小的粒径、更低的粒度分布、更好的球形度和更好的分散性。在最佳工艺参数下（c_s=25%、φ_s=30%、t_c=...）

CRediT作者贡献声明

程亚龙：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、实验研究、数据分析。张昆明：撰写 – 审稿与编辑、研究指导、方法论设计、资金申请、数据分析、概念构思。段超：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。张美琪：实验研究、数据分析。卢晓菊：研究指导、概念构思。唐向义：研究指导、资源协调。黄永春：项目统筹

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：32260601、31701646）和广西科学基地与人才专项基金（项目编号：GUIKEAD19110075）的财政支持。