CN108676177B

CN108676177B - 一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法

Info

Publication number: CN108676177B
Application number: CN201810368070.0A
Authority: CN
Inventors: 缪铭; 江波; 齐阳; 刘瑶; 张涛; 金征宇
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: US11345785B2; CN108676177A; US20200040144A1; WO2019205749A1

Abstract

本发明公开了一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法，属于营养健康食品技术领域。本发明以树枝化水溶性淀粉粒子为骨架，利用糖基转移酶的转苷扩链‑糖链缠结反应，获得空间网状结构的智能化水凝胶。本发明的产品具有良好复水性、生物相容性、凝胶强度强、酶促响应不可逆、pH响应可逆且能运载多元营养因子的智能淀粉基水凝胶。本发明的水凝胶可保护和控制释放食品功能因子，应用范围可涉及到食品、生物载药、功能性材料等方面。

Description

一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法

技术领域

本发明涉及一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法，属于营养健康食品技术领域。

背景技术

随着人们对健康保健意识的不断增强，各类营养健康食品的研发层出不穷，新型的营养物质载体材料的需求更是十分迫切。以仿生特性而著称的水凝胶是诸如药物递送、干细胞治疗等生物医学应用的主要材料，常被用于药物负载、组织工程、环境保护等方面。生物基水凝胶由于具备可再生性、环境友好性、生物相容性、良好吸附性等优点，成为研究热点，得到了国内外的研究者们的广泛关注。

近年来，对于生物基水凝胶的研究，更多涉及蛋白基水凝胶，蛋白质来源广泛、更是天然的亲水高分子。例如：Gil等将明胶和无定形丝纤蛋白混合合成蛋白基水凝胶。但是，蛋白基水凝胶仍存在着不少缺点，例如力学性能不够好、热稳定性差等。基于此，更多研究者从多糖大分子角度研究，开发了可应用于医疗卫生、食品及化妆品、农业及环保领域等的多糖基水凝胶，高分子多糖水凝胶的研究与应用近年来得到迅速发展，但主要研究领域仍然集中在生物医学方面，并且研究方向逐渐转向提高水凝胶的材料性能、功能特性、凝胶形成机理和功能材料模拟等方面。因此，建立新型智能淀粉基水凝胶研制将能够扩宽水凝胶领域的应用范围。

目前，淀粉基水凝胶的制备有了一定的发展，均向智能化水凝胶的制备、应用等方面转变。例如，张洪珊等研究了叔氨淀粉基pH敏感水凝胶以羟乙基淀粉为原料，通过功能性改性合成叔氨基pH敏感淀粉衍生物，并以此为原料合成一系列叔氨基淀粉基pH敏感水凝胶。该制备方法，过程繁琐，且凝胶的形成过程需要交联剂、催化剂等等，具有一定毒性。此外，其制备过程决定了该水凝胶的应用范围，无法酶促降解，用于染料吸附与环境净化等等。孔晓峰等研制了pH敏感性多孔半纤维素水凝胶及其药物释放的性能。以聚乙二醇为致孔剂，利用自由基聚合法制备具有多孔结构的半纤维素接枝共聚丙烯酰胺水凝胶，该水凝胶具有多孔结构和pH值敏感性，能够实现药物的控制释放。其中，致孔剂和交联剂在水凝胶形成起着重要作用，致孔剂PEG的量严重影响形成水凝胶的负载含量，交联剂的用量决定着凝胶的凝胶强度，水凝胶形成的可控因素较多。本发明人深入调查和研究了现有技术并对淀粉类水凝胶加工方法进行了研究，最终我们发现一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法。基于上述发现提出了本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法，是一种保护功能活性成分、提高其生物利用有效性及增强缓释功效新型材料的加工方法。该方法具有生产工艺简单、技术先进、安全性高的优点，制备得到的水凝胶产品是具有良好复水性、生物相容性、凝胶强度强、酶促响应不可逆、pH响应可逆、能运载多元营养因子且营养物质缓释的智能淀粉基水凝胶，可用于保护和控制释放食品功能因子，应用范围可涉及到食品、生物载药、功能性材料等方面。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种适用于保护和调节释放功能性物质的淀粉基水凝胶的生物制备技术，是以来源于生物合成的淀粉粒子或天然可溶性植物淀粉为原料，利用糖基转移酶的转苷扩链-糖链缠结反应，获得空间网状结构的智能化水凝胶。

在一种实施方式中，所述纳米级智能淀粉基水凝胶的加工方法，包括：

(1)将水溶性淀粉粒子配制成质量浓度为0.2～1％的均一溶液；

(2)按照每10mg水溶性淀粉粒子添加50～100mg提供葡萄糖的供体分子和50～200U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度35～40℃下反应12～24h后冷却，静置成胶。

在一种实施方式中，所述提供葡萄糖分子的供体分子与水溶性淀粉粒子的质量比为5～10:1。

在一种实施方式中，还包括在步骤(1)的均一溶液体系中或者步骤(2)的反应体系中添加功能性成分，包括水溶性蛋白与脂溶性活性物质。

在一种实施方式中，水溶性淀粉粒子来自于生物合成的淀粉粒子或天然植物淀粉，分子量10⁷～10⁸g/mol，α-1,6糖苷键比例7％～10％，粒径30～100nm。

在一种实施方式中，所述提供葡萄糖分子的供体分子为蔗糖、麦芽糊精或葡萄糖-1-磷酸盐。

在一种实施方式中，糖基转移酶为识别双糖或短链葡聚糖的非Leloir型糖基转移酶等。

在一种实施方式中，所述加工方法还包括将将步骤(2)静置成胶产品用水反复冲洗、冻干处理可获干凝胶。

本发明的第一个目的是提供一种按照上述方法制备得到的智能响应水凝胶或者干凝胶。

本发明的第二个目的是提供一种功能性成分的载运体系，含有本发明的水凝胶。

本发明的第三个目的是提供所述水凝胶在食品、医药、日化等领域的应用。

本发明的有益成果：

本发明有以下优点：

1)可溶性淀粉粒子作为可再生资源，具有廉价易得、可降解性等特点。此外，本发明充分利用我国资源丰富的谷物原料，原料来源广、不受产地和季节的限制。本发明的原料采用来自于生物合成的淀粉粒子或天然植物淀粉并无动物糖原中的四聚体多肽存在，而制备的淀粉基水凝胶，酶促可水解；从而克服了现有牡蛎糖原水凝胶中因含多肽不能被完全降解以及多肽链缠结糖链一定程度上破坏凝胶中氢键作用使凝胶强度减弱的缺陷。

2)本发明的水凝胶具有良好的复水性，吸水复凝可重复至少5次；生物相容性好；酶促响应不可逆(α-淀粉酶、糖化酶、β-淀粉酶)、pH响应可逆性等特性，进而开发新型智能响应淀粉基水凝胶。酶促响应的智能响应水凝胶能在胰淀粉酶、糖化酶的环境中解除交联结构并释放水凝胶其内营养因子；智能响应水凝胶凝胶强度均达235.67g以上；智能响应水凝胶形成的特殊结构能够吸附多元的功能性营养成分，且具缓释功效，因此，在保护营养成分稳定性外，还提高了生物利用有效性等等。

3)本发明步骤简便，易于操作，反应条件可控，成本相对较低，而且采用清洁绿色生产工艺，对环境基本无污染。

4)本发明制备的产品可保护和控制释放功能性成分，包括水溶性蛋白与脂溶性活性物质，如溶菌酶、牛血清蛋白、共轭亚油酸、白藜芦醇等，并具有缓释效能，可应用于食品、生物载药、功能性材料等方面，市场前景十分看好，经济效益广阔。

附图说明

图1为本发明智能响应淀粉基水凝胶演化图；

图2为智能淀粉基水凝胶的水解率及营养因子的释放率；

图3为干凝胶的扫描电镜图。

具体实施方案

下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明所保护的内容不仅仅局限于下面的实例。

实施例1

将10.0mg纳米淀粉粒子溶于Tris-HCl缓冲液(50mmol/L，pH 7.0)配制成质量浓度为0.2％的均一溶液。成胶反应：溶液超声15min，再继续添加50mg葡萄糖基的供体分子和80U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度40℃恒温反应24h。室温下放置6h冷却，静置成胶。智能水凝胶的凝胶强度均达235.67g以上。经酶促反应营养成分的释放率达98.2％。蒸馏水反复冲洗，冻干处理可获得干凝胶。干凝胶经吸水可复凝且反复成胶次数达5次。

其中，凝胶强度的测定方法：使用物性分析仪对水凝胶凝胶强度分析；酶促反应后的营养成分释放率的测定方法大致为：取干凝胶(1.5％，w/v)在pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液，290units/ml的α-淀粉酶，35units/ml的糖化酶。营养成分的释放率公式如下：

释放率％＝释放量/负载量×100％

如图1所示，为智能淀粉基水凝胶不同状态的演化图。其过程大致为淀粉粒子与葡萄糖供体分子溶液在糖基转移酶催化作用后，经接枝扩链，接枝链间相互交联缠绕螺旋，形成空间网状结构即智能淀粉基水凝胶。网状空隙结构中水分经冻干除去后，水凝胶将脱水形成干凝胶固体。干凝胶固体粉末溶于碱液，因碱液能够破坏接枝链间的氢键相互作用。再向透明溶液中加酸中和，此时分两组：其一，当溶液pH达7.0不加碘液，溶液会先从透明状态变浑浊再逐渐复凝成水凝胶，溶液中的氢氧根离子得到中和，氢键重新形成，接枝长链又经螺旋缠绕而复凝；其二，在溶液达到中性时立即加入碘液，此时溶液变深蓝色，静置多时仍不再形成凝胶，因为碘液中的单质碘能够被长链单螺旋包合形成直链-碘复合物，无法形成双螺旋，即无法形成凝胶。这说明了本发明的水凝胶具有pH响应可逆性。

根据图1，在酶促反应之前，含营养因子的智能淀粉基水凝胶在稀溶液因为浓度差，营养因子从水凝胶表面渗透到溶液中。随着酶促反应的进行，淀粉基水凝胶缓慢水解，营养因子从水凝胶中缓慢释放出来，延续至5～6h。在保护营养成分稳定性外，还提高了生物利用有效性等等。这也说明，本发明的水凝胶具缓释功效。

同时，本发明的本发明的水凝胶酶促响应不可逆的效果，能在胰淀粉酶、糖化酶的环境中解除交联结构并释放水凝胶内的营养因子，结果如图2所示。

实施例2

将10.0mg纳米淀粉粒子溶于Tris-HCl缓冲液(50mmol/L，pH 7.0)配制成质量浓度为0.5％的均一溶液。成胶反应：溶液超声20min，再继续添加80mg葡萄糖基的供体分子和100U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度40℃恒温反应24h。室温下放置6h冷却，静置成胶。智能水凝胶的凝胶强度达358.38g。经酶促反应营养成分的释放率达97.7％。蒸馏水反复冲洗，冻干处理可获得干凝胶。干凝胶经吸水可复凝且反复成胶次数达5次。

实施例3

将10.0mg纳米淀粉粒子溶于Tris-HCl缓冲液(50mmol/L，pH 7.0)配制成质量浓度为1.0％的均一溶液。成胶反应：溶液超声30min，再继续添加100mg葡萄糖基的供体分子和200U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度40℃恒温反应24h。室温下放置6h冷却，静置成胶。智能水凝胶的凝胶强度达397.21g。经酶促反应营养成分的释放率达97.1％。蒸馏水反复冲洗，冻干处理可获得干凝胶。干凝胶经吸水可复凝且反复成胶次数达6次。

实施例4：不同葡萄糖供体分子用量对水凝胶的影响

在实施例1的基础上，改变葡萄糖基的供体分子的添加量，研究葡萄糖供体分子用量对水凝胶的影响，具体是：

将10.0mg纳米淀粉粒子溶于Tris-HCl缓冲液(50mmol/L，pH 7.0)配制成质量浓度为0.2％的均一溶液。成胶反应：溶液超声15min，再继续添加葡萄糖基的供体分子(分别是10mg、20mg、30mg、40mg、50mg、60mg、70mg、80mg、100mg)和80U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度40℃恒温反应24h。室温下放置6h冷却，静置。

结果显示，葡萄糖供体分子的添加量为20mg以下的，无法形成水凝胶葡萄糖基的供体分子添加量为20～50mg，可以形成，但是凝胶强度仅仅20～150g；葡萄糖基的供体分子添加量为50mg及以上的凝胶强度为＞200g。

如图3所示，为淀粉基水凝胶的扫描电镜图，图3a、图3c是实例3的水凝胶双固定法和干凝胶镀金法的扫描电镜图；图3b、图3d是实施例1的水凝胶双固定法和干凝胶镀金法的扫描电镜图。从图中可以看出，实施例3所形成的凝胶空隙较大，这是因为形成更长的接枝直链结构。

本文所描述的具体实施案例仅作为对本发明精神和部分实验做举例说明。本发明所述领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种以纳米淀粉粒子为骨架的智能水凝胶加工方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)将水溶性淀粉粒子配制成质量浓度为0.2～1％的均一溶液；

(2)按照每10mg水溶性淀粉粒子添加50～100mg提供葡萄糖的供体分子和50～200U糖基转移酶，搅拌均匀，在温度35～40℃下反应12～24h后冷却，静置成胶；

水溶性淀粉粒子来自于生物合成的淀粉粒子或天然植物淀粉，分子量10⁷～10⁸g/mol，α-1,6糖苷键比例7％～10％，粒径30～100nm；

葡萄糖分子的供体分子为蔗糖、麦芽糊精或葡萄糖-1-磷酸盐；糖基转移酶为识别双糖或短链葡聚糖的非Leloir型糖基转移酶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供葡萄糖的供体分子与水溶性淀粉粒子的质量比为5～10:1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在步骤(1)的均一溶液体系中或者步骤(2)的反应体系中添加功能性成分，所述添加功能性成分含有水溶性蛋白和/或脂溶性活性物质。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工方法还包括将步骤(2)静置成胶产品用水反复冲洗、冻干处理可获干凝胶。

5.一种按照权利要求1～4任一所述方法制备得到的智能响应水凝胶或干凝胶。

6.一种功能性成分的载运体系，含有权利要求1～4任一所述的水凝胶。

7.权利要求1～4任一所述水凝胶在食品、医药、日化领域的应用。