CN113528093A - 一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用 - Google Patents

一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用，所述微胶囊具有核壳结构，并以脂肪酸类有机相变材料为核结构，以酵母菌细胞壁为壳结构。通过被动扩散的作用，使相变材料扩散到酵母菌细胞壁中，形成结构稳定的相变微胶囊。制得的微胶囊产品呈球形或椭球形、大小均一、相变温度适宜、相变潜热高、包覆率高、热稳定好且可被生物降解，可应用于纺织、建筑、电池、太阳能等领域，节能环保。

Description

一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种相变储能材料，特别是涉及一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用。
背景技术
目前，如何有效提高能源利用率成为了产业界和科技界研究的热点。相变储能材料是指随着环境温度的改变而自身物理状态发生变化，吸收或大量热能被用于能量储存的材料。但相变材料在相变过程中会发生相分离，产生泄露，这限制了其实际应用。
常用的方法为将相变材料微胶囊化，微胶囊化的壁材分为有机和无机类两种，微胶囊化的芯材分为有机相变材料和无机相变材料。但现有的微胶囊具有一些缺点：1.有机类壁材导热系数低、机械性能差、价格高；2.无机类壁材的制备工艺复杂且不易被生物降解；3.无机类相变材料具有相分离、过冷和腐蚀性；4.有机、无机相变微胶囊制备添加化学试剂多，制备过程繁琐。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊及其制备方法和应用，以脂肪酸类有机相变材料为芯材，以酵母菌细胞壁为壁材，通过被动扩散的作用，使相变材料扩散到酵母菌细胞壁中，形成结构稳定的相变微胶囊。
技术方案：本发明所述的一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊，所述微胶囊具有核壳结构，并以脂肪酸类有机相变材料为核结构，以酵母菌细胞壁为壳结构。
其中，脂肪酸类有机相变材料为硬脂酸、癸酸、月桂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、花生酸中的一种或多种。
其中，微胶囊的粒径为0.1～100μm，包裹率为5～80％，相变温度为10～40℃，相变潜热值为10～300J/g。
上述酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)取干酵母细胞在NaCl溶液中质解48～72h，离心、清洗、抽滤、干燥处理得到壁材；
(2)取脂肪酸类有机相变材料加热搅拌混合均匀，冷却得到芯材；
(3)将芯材和壁材混合，加入去离子水和乙醇，在磁力搅拌器的作用下搅拌处理；
(4)搅拌好后将混合溶液离心、清洗、抽滤、干燥后得到酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊粉末。
步骤(1)中，NaCl溶液中干酵母细胞的质量分数为5～10wt％；NaCl溶液的质量分数为5～10wt％。
步骤(3)中，芯材和壁材的质量比为2～4∶1；在磁力搅拌器的作用下，于45～65℃搅拌3～9h。
本发明还公开了上述酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊在建筑、电池、太阳能领域中作为调温储能装置的应用。
发明原理：本发明中的相变微胶囊具有核壳结构，以脂肪酸类有机相变材料为芯材，以酵母菌细胞壁为壁材。首先将酵母细胞质解获得酵母细胞壁，然后将脂肪酸类有机相变材料和酵母细胞壁混合，加入一定量的水和乙醇，在磁力搅拌器的作用下搅拌一定时间，经离心、清洗、抽滤、干燥后制得酵母菌细胞壁包裹的相变材料微胶囊。所述制备方法制备过程中不需要或很少引入其他化学试剂，原料来源广泛、价格低廉、操作简单，制得的微胶囊产品呈球形或椭球形、大小均一、相变温度适宜、相变潜热高、包覆率高、热稳定好且可被生物降解，可应用于建筑、电池、太阳能领域，节能环保。
有益效果：
(1)本发明以脂肪酸类有机相变材料为芯材，以酵母菌细胞壁为壁材，采用被动扩散作用，脂肪酸类有机相变材料通过扩散进入酵母菌细胞壁，完整细胞壁具有一定的强度和通透性，具有很好的吸附性能，脂肪酸类有机相变材料结构中含有的亲水的羧基能够与细胞壁组成物质蛋白质中的氨基和糖类中的羟基通过氢键作用键合，从而在细胞内部稳定下来，形成结构稳定的相变微胶囊，有效解决相变过程中的泄露问题。
(2)制备过程中，仅添加乙醇和去离子水，不引入其它化学试剂，制备过程简单，安全无毒，且原料价格低廉、可生物降解，可操作性强，可重复性好。
(3)本发明还提供了通过上述制备方法制得的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊，该相变微胶囊大小均一，可用于建筑、电池、太阳能领域。
附图说明
图1为实施例1得到的质解后的酵母菌细胞壁的光学显微镜图片。
图2为实施例2得到的芯材和相变微胶囊的时间-温度曲线。
图3为实施例2得到的芯材、酵母菌细胞壁和相变微胶囊的FT-IR曲线；其中图3(a)为二元低共熔脂肪酸的红外谱线，图3(b)为酵母菌细胞壁的红外谱线，图3(c)为酵母相变微胶囊的红外谱线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
本发明中的一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，包括如下步骤：
1)制备壁材，取适量干酵母细胞在质量分数为5wt％的NaCl溶液质解48h，离心、清洗、抽滤、干燥后备用；
2)制备芯材，取硬脂酸、癸酸、月桂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、花生酸等脂肪酸类有机相变材料中的一种或多种加热搅拌混合均匀；
3)将芯材和壁材混合，加入去离子水和乙醇，在磁力搅拌器的作用下搅拌一定时间；
4)搅拌好后将混合溶液离心、清洗、抽滤、干燥后得到酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊粉末。
实施例1：
(1)制备壁材，称取一定量干酵母，加入质量分数为5wt％的NaCl溶液，NaCl溶液中干酵母细胞的质量分数为5wt％，在55℃下振荡48h，然后以3500r/min的转速离心15min，离心完后用去离子水清洗3次，干燥备用；
(2)制备芯材，按质量分数比为4∶6称取月桂酸和癸酸于烧杯中，将烧杯封口置于80℃干燥箱中加热2h，将月桂酸与癸酸完全融化，然后在磁力搅拌作用下搅拌0.5h(80℃，300r/min)，确保月桂酸与癸酸均匀混合，冷却至室温备用；
(3)将质量比为2∶1的芯材和壁材加入烧杯中，加入去离子水60mL，乙醇0mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(45℃，180r/min)搅拌3h；
(4)将制得的混合液以3500r/min离心15分钟，倒出上清液，收集不溶物，从液体介质中分离出装有芯材的微胶囊，真空抽滤，然后用乙醇清洗3次，去离子水清洗3次以除去未封装的相变材料，最后将封装好的微胶囊在室温下干燥至恒重获得固体粉末。
实施例2：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(3)中芯壁质量比改为3∶1，加入乙醇5mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(45℃，180r/min)搅拌6h；
其余步骤均与具体实施例1相同。
如图1所示为实施例1得到的质解后的酵母菌细胞壁的光学显微镜图片，从图1可以看出酵母菌细胞呈圆形或椭圆形，尺寸在5-10μm左右，可以看出明显的细胞核和细胞壁。
如图2所示为实施例2得到的芯材和相变微胶囊的时间-温度曲线，从图2可以看出酵母相变微胶囊和芯材(二元低共熔脂肪酸)的时间-温度曲线趋势大致相同。升温过程中，在21℃左右出现一个拐点，这说明发生了相变，此过程中，相变材料由固态转变为液态；降温过程中，在22℃左右出现微小平台，对应着相变材料由液态转变为固态的凝固过程，此时相变材料发生物态转变以维持温度的恒定。
如图3所示为实施例2得到的芯材、酵母菌细胞壁和相变微胶囊的FT-IR曲线。图3(a)为二元低共熔脂肪酸的红外谱线，不同的特征峰对应不同的官能团。2922.98cm-1、2851.57cm-1处的吸收峰是由于-CH3、-CH2的反对称伸缩振动、对称伸缩振动引起的，月桂酸和癸酸均含有的羧基中的碳氧双键的伸缩振动峰在1706.12cm-1处出现，1459.71cm-1处的吸收峰为-CH3和-CH2的弯曲振动峰，1411.57cm-1和932.56cm-1处的吸收峰是由于-OH面内弯曲和面外弯曲振动引起，721.32cm-1处的峰为-CH2的面内摇摆弯曲振动吸收峰。
图3(b)为酵母菌细胞壁的红外谱线，3306.78cm-1处的强宽峰为缔合的-OH的伸缩振动峰，2920.00cm-1和2848.59cm-1处具有与二元低共熔脂肪酸一样的特征峰，分别代表甲基和亚甲基，1456.20cm-1处为-CH3和-CH2的弯曲振动峰，1247.93cm-1是酰胺带，是C-N的伸缩振动峰和N-H的弯曲振动峰，1158.68cm-1处的峰可能是细胞壁的主要成分糖类中的C-O的伸缩振动峰，1042.64cm-1处出现的峰为碳水化合物的C-OH的伸缩振动峰。
图3(c)为酵母相变微胶囊的红外谱线，可以看出酵母相变微胶囊的红外谱线与酵母细胞壁的红外谱线相似，不同的是，在1718.02cm-1和718.35cm-1处出现了二元低共熔脂肪酸的特征峰，分别对应着脂肪酸的羰基C＝O伸缩振动峰和-CH2的面内摇摆弯曲振动吸收峰；其他特征峰只是位置和强弱发生了相应的偏移，没有新的特征峰的产生。另外可以看到，与二元低共熔脂肪酸的谱线相比，932.56cm-1处的-OH面外弯曲振动峰消失，这是因为二元低共熔脂肪酸的-OH与蛋白质主链上的肽基-NH-CO或者与其侧链上的羟基、氨基或羧基等键合，从而消失。由此可见，通过被动扩散作用，二元低共熔脂肪酸成功与酵母菌细胞壁复合，且二者通过氢键作用相结合，没有生成新的物质，仅是简单的物理结合。
实施例3：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中干酵母细胞的质量分数为8wt％，将步骤(3)中芯壁质量比改为4∶1，加入乙醇10mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(45℃，180r/min)搅拌9h；
其余均与具体实施例1相同。
实施例4：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中干酵母细胞的质量分数为10wt％，将步骤(3)中加入乙醇改为10mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(55℃，180r/min)搅拌6h；
其余与具体实施例1相同。
实施例5：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：中芯壁质量比改为3∶1，加入乙醇0mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(55℃，180r/min)搅拌9h；
其余与具体实施例1相同。
实施例6：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(3)中芯壁质量比改为4∶1，加入乙醇5mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(55℃，180r/min)搅拌3h；
其余与具体实施例1相同。
实施例7：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(3)中加入乙醇改为5mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(65℃，180r/min)搅拌9h；
其余与具体实施例1相同。
实施例8：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(3)中芯壁质量比改为3∶1，加入乙醇10mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(65℃，180r/min)搅拌3h；
其余与具体实施例1相同。
实施例9：
本实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(3)中芯壁质量比改为4∶1，加入乙醇0mL，混合均匀后，将悬浮液在磁力搅拌器作用下(65℃，180r/min)搅拌6h；
其余与具体实施例1相同。
将实施例3-9的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊进行测试，测试结果同实施例1相符。
综上，上述实施例制备得到的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊均具有核壳结构，均以脂肪酸类有机相变材料为核结构，以酵母菌细胞壁为壳结构。本发明以脂肪酸类有机相变材料为芯材，以酵母菌细胞壁为壁材，采用被动扩散作用，脂肪酸类有机相变材料通过扩散进入酵母菌细胞壁，完整细胞壁具有一定的强度和通透性，具有很好的吸附性能，脂肪酸类有机相变材料结构中含有的亲水的羧基能够与细胞壁组成物质蛋白质中的氨基和糖类中的羟基通过氢键作用键合，从而在细胞内部稳定下来，形成结构稳定的相变微胶囊，有效解决相变过程中的泄露问题。

Claims (9)

1.一种酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊，其特征在于：所述微胶囊具有核壳结构，并以脂肪酸类有机相变材料为核结构，以酵母菌细胞壁为壳结构。
2.根据权利要求1所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊，其特征在于：脂肪酸类有机相变材料为硬脂酸、癸酸、月桂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、花生酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊，其特征在于：微胶囊的粒径为0.1～100μm，包裹率为5～80％，相变温度为10～40℃，相变潜热值为10～300J/g。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)取干酵母细胞在NaCl溶液中质解48～72h，离心、清洗、抽滤、干燥处理得到壁材；
(2)取脂肪酸类有机相变材料加热搅拌混合均匀，冷却得到芯材；
(3)将芯材和壁材混合，加入去离子水和乙醇，在磁力搅拌器的作用下搅拌处理；
(4)搅拌好后将混合溶液离心、清洗、抽滤、干燥后得到酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊粉末。
5.根据权利要求4所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，NaCl溶液中干酵母细胞的质量分数为5～10wt％。
6.根据权利要求4所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，芯材和壁材的质量比为2～4∶1。
7.根据权利要求4所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，NaCl溶液的质量分数为5～10wt％。
8.根据权利要求4所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在磁力搅拌器的作用下，于45～65℃搅拌3～9h。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的酵母菌细胞壁包裹相变材料微胶囊作为调温储能装置的应用。
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