一种低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶的制备及应用

1.本发明涉及食品、玩具、工业吸附、药物载体和生物医用等领域，具体涉及一种低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶的制备及应用。


背景技术：

2.凝胶是指溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成三维空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体(在干凝胶中也可以是气体，干凝胶也称为气凝胶)，这样一种特殊的分散体系称作凝胶，分散介质为水的称作水凝胶。凝胶内部常含有大量液体，且没有流动性。
3.根据形状大小，水凝胶可分为微观凝胶和宏观凝胶，微观凝胶一般为凝胶微球，目前制备的微球有微米级及纳米级，但同时也可根据要求做到毫米级、厘米级；宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状和球状。根据来源，水凝胶可分为合成高分子(如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚吡咯、聚丙烯酰胺、卡波姆、聚氧乙烯等)和天然高分子(如海藻酸钠、瓜尔胶、卡拉胶、仙草多糖、丝胶蛋白、壳聚糖、透明质酸、黄胶原、明胶、聚谷氨酸等)。
4.其中，海藻酸钠主要从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，其分子由β-d-甘露糖醛酸(m)和α-l-古洛糖醛酸(g)按(1
→
4)键连接而成，其水溶液具有较高的黏度，具有易得、易改性、生物相容性良好等优点，已用于食品增稠剂、稳定剂和乳化剂等。由于海藻酸钠含有-cooh基团，当有ca
2
、zn
2
、sr
2
和ba
2
等多价阳离子存在时，海藻酸钠单元上单元上g单元上的na

可与多价阳离子发生离子交换反应，g单元堆积形成类似“蛋盒”的交联网络结构，由于大分子链间的交联固化，海藻酸基水凝胶由此形成，并广泛应用于食品、玩具、工业吸附和生物医用等领域。
5.瓜尔胶是一种从豆科植物-瓜尔豆中提取出来的天然高分子多糖，主链由(1-4)-β-d-甘露糖为单元联接而成，侧链由单个α-d-半乳糖组成并以(1-6)键与主链相接。瓜尔胶因来源不同分子量约为100-200万，甘露糖与半乳糖之比约为1.5-2∶1，从支链的半乳糖来看，有四个羟基均可以参与酯化或醚化反应，甘露糖的羟基也有一定的反应活性，是已知的最有效和水溶性最好的天然聚合物。瓜尔胶在水溶液中表现出典型的缠绕生物大分子的性质，能分散在热水或冷水中形成胶液，但在80℃以上长时间加热会使主链糖苷键断裂，就会丧失黏度。瓜尔胶分子主链上每个糖残基都有两个顺式羟基，在控制溶液ph值的条件下，瓜尔胶将会通过极性键和配位键与交联剂进行交联，如硼酸盐、金属离子等反应，可生成稍带弹性的水凝胶，此外还能形成一定强度的水溶性薄膜。以往研究证明瓜尔胶具有良好的生物相容性、生物可降解性，常温下有良好的亲水性，可用做药物载体和水凝胶支架，而且成本低廉，来源广。
6.仙草多糖是仙草中含量最多、应用最广的有效成分，占仙草质量的20％左右。仙草多糖的单糖组成为：半乳糖醛酸、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖等，其中含有β-糖苷键，又有α-糖苷键；进一步结合smith降解、gc-ms和核磁共振等几种方法发现结构十分复杂，以(1
→
4)-α-gala-(1
→
2)-α-d-rhap为主链，阿拉伯糖半乳聚糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖作为支链
连接在鼠李糖残基的位置c-4上。有报道证实仙草多糖并不能自身形成凝胶但其具有促进凝胶、抑菌和抗氧化等功能作用，可与多价金属阳离子制备凝胶。
7.卡拉胶是从红藻中提取的硫酸化多糖，是三大海藻胶(褐藻胶、卡拉胶、琼胶)之一，其产量仅次于褐藻胶，位居第2位，是由d-半乳糖和3，6-脱水半乳糖交替单元经α-1，3和β-1，4-糖苷键连接而成，具有生物相容性、可生物降解性、高保水性、流变特性、凝胶特性。根据其硫酸盐含量、提取来源和溶解度可分为6种基本形式，即：k-卡拉胶、t-卡拉胶、λ-卡拉胶、μ-卡拉胶、v-卡拉胶和θ-卡拉胶。其中t-卡拉胶和k-卡拉胶具有形成水凝胶的能力，通过相邻硫酸基的交联形成三维双螺旋网络，而λ-卡拉胶的硫酸基不发生交联，因此不形成凝胶。卡拉胶上羟基/硫酸盐基团的存在使其易于发生物理或化学交联，赋予卡拉胶更好的理化性质、新的特殊功能和特性。
8.近些年，对于生物高分子凝胶的研究逐渐增多并应用于各领域，研究人员尝试将生物高分子凝胶制成颗粒状、膜状、纤维状等，并开发了在食品、医用和控释等领域的应用。中国专利cn12586724a公开了一种耐高温易咀嚼低gi魔芋凝胶颗粒的制作方法，包括：混合制粒：将魔芋粉、海藻酸钠、碳酸钠、水混合均匀后静置0.5-2h得到膏状胶冻，在5℃以下冷冻成颗粒状。将制成的颗粒浸泡在含钙离子的溶液中，在温度为80-95℃钙化液，浸泡15-40min再将凝胶颗粒从钙化液中捞出，再加入保存液，进行高温灭菌、包装；中国专利cn109381733a将高岭土均匀混合到海藻酸钠水溶液中得到铸膜液，通过控制刮膜棒的厚度，经过钙离子交联，得到厚度和表面粗糙度可控的高岭上/海藻酸钙膜。其制备简单，不使用任何有机溶剂，对伤口没有副作用且不粘连伤口，具有良好的应用前景；中国专利cn110541209b公开了一种基于反应性纺丝的水凝胶光导纤维的连续制备方法，包括：皮层纺丝液、芯层纺丝液，利用横向同轴针头作为纺丝喷丝口，凝固浴再固化皮层海藻酸钠，加以紫外光源引发自由基聚合反应。牵伸后最终得到具有良好的生物相容性的皮芯结构水凝胶光纤。该水凝胶光纤具有连续、直径可控的特点，并具有优异的生物相容性和光导特性；中国专利cn112724474a提供了一种冷水凝胶及其应用，其冷水凝胶由黄原胶、瓜尔胶和聚丙烯酸钠按(1-2)∶(1-2)∶1质量比制成，得到的冷水凝胶具有极好的吸水性、保水性和凝胶速度，其微生物检测培养基的透明度更好，凝胶强度高，制成的微生物检测试剂盒简单高效，应用价值极高；中国专利cn106096581a公开了一种含阳离子瓜尔胶的抗过敏凝胶及其制备方法。配方中凝胶以高分子聚合物阳离子瓜尔胶作为增稠剂，在高速搅拌过程中与稳定剂、保湿剂、乳化剂等交联而成，通过减少鼻内的过敏原数量从而减轻过敏症状。该产品绿色环保无污染，制作工艺较为简便，重现性高，满足大生产需求；中国专利cn108066819a通过将卡拉胶和壳聚糖的稀醋酸溶液室温下混合均匀，得到白色的混合溶液体系再将混合溶液转移至平底容器中，70-90℃真空干燥，得到干态薄膜再将该干态薄膜浸泡在去离子水中，达到溶胀平衡，即得到了高强度卡拉胶壳聚糖水凝胶薄膜，具有透明、均匀、韧性好、抗细胞附黏性能强等优点，可作为生物隔膜材料应用于医学领域；中国专利cn106900848a公开了一种益生菌凝胶颗粒及其制备方法，其原料包括0.5-5wt％的卡拉胶，0.1-2wt％的摩芋胶，2.1-7wt％的食用油脂，0.5-5wt％的液体菌种培养基，0.2-0.8wt％的益生菌以及余量的水，益生菌的活菌存活率高；中国专利cn114403428a使用金属离子与仙草多糖中的糖醛酸的羧基交联制备仙草多糖凝胶球，具有良好的耐胃酸能力，有效保护活性成分在胃酸中的稳定性，且在肠道中能实现活性成分的肠靶向释放，有效提高益生菌或功能性成分的
利用率，帮助益生菌黏附于肠黏液并在肠道中长期定植，提高其他活性成分的肠道释放和吸收能力；中国专利cn109777126a以从罗非鱼鱼鳞中提取的胶原蛋白制备的罗非鱼鱼鳞蛋白，和仙草根、茎、叶中提取的仙草多糖粉为基料，加入羧甲基纤维素钠和甘油，再加入氯化钙制成，其工艺过程简单，材料均对人体无害，具有较好的抗菌和抗氧化效果，在自然环境下能完全降解，对环境无污染。
9.由以上分析可知，上述球状凝胶多采用将胶液滴加入固化液中使其自然形成的方式制备，薄膜状凝胶采用平铺干燥后再放入固化液交联的方式，而纤维状凝胶的制备更加繁琐，而他们的共同点都是在室温下将其放入金属阳离子溶液中交联固化。由此制得的凝胶交联网络结构不均匀，外层致密，内层疏松，且离子螯合作用前后形状和尺度不可控，需要后期剪裁或打磨或快速密封等工序。特别是，对于室温下的交联固化过程，时间过短，凝胶则易软化变形；时间过长，则胶液表面形成致密网状结构，内部难以形成网络结构，形成的凝胶液固共存，力学性能较脆，溶胀过度会导致整体形态发生畸变。综上，如何精确控制异型凝胶尺寸和形态、快速成型、网络结构均匀、交联和溶胀前后不变形是目前生物基离子交联凝胶存在的主要问题。
10.为克服上述问题，本发明采用一步低温冷冻法，首先将生物高分子及功能分子混合胶液在不同形状和尺度的模具中低温冷冻定型，随后置于金属阳离子的固化液中进行离子交联形成多尺度多形态凝胶。该方法解决了交联前后难定型、力学性能弱和网络结构不均一的问题，通过低温冷冻可使胶液内部交联过程更加快速，交联后的凝胶更加强韧，提高了交联网络的均匀性，避免了长时间离子交联后不规则样品凝胶的力学性能变脆，溶胀后易变形的弊端。该方法方便快捷，仅需冷冻处理，制备的生物凝胶形状、尺寸可控，颜色可调，且无有机溶剂的使用，产品安全可靠、可规模化生产，极具产业化前景，适用于快速制备各种形态、各种规格、各种类型凝胶，可用于制作儿童玩具、糖果、食品工业和医药用品。


技术实现要素：

11.本发明针对现有生物凝胶产品尺寸精度难控制、易变形，制作方法复杂等不足，提供一种低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶制备方法，其特征在于采用一步低温冷冻法，通过使用模具，即可使胶液形成不同形状、尺寸和颜色的冷冻固体，随后基于生物高分子相对应的结构单元与多价金属阳离子发生的离子螯合作用，缠结或堆积形成交联网络，由此可快速形成不同形态、尺度和颜色的凝胶。
12.为实现上述目的，本发明提供了一种低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)胶液配制：将生物高分子分次加入去离子水中，在50-80℃下搅拌1-4h使其充分溶解，形成均一透明溶液，即得到生物高分子胶液；
14.(2)胶液功能化：在步骤(1)中得到的胶液中加入功能性物质，在50-90℃下搅拌0.5-2h，使其混合均匀作为胶液；
15.(3)胶液冷冻定形：用一次性滴管将胶液加入模具中，密封后将模具置入-40-4℃低温冰箱中冷冻6-24h，直至胶液形成固体，得到胶液功能化的冷冻固体；
16.(4)固化液配制：将金属盐及水溶性染料加入蒸馏水，25℃下搅拌10-60min使其充分溶解，即得到有色金属阳离子溶液；
17.(5)交联固化：将步骤(3)中的冷冻固体从模具中取出，加至步骤(4)中的金属阳离子溶液中，交联固化5-30min，待其表面固化后拿出，即可得到低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶；
18.(6)高温灭菌包装：将步骤(5)中的凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌10-20min，再采用自动包装机，将产品进行无菌真空热封包装，即可得到高温灭菌包装后的低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶产品。
19.所述的制备方法中，各个组分的百分比为：生物高分子：1-5w/v％，金属盐：1-10w/v％，水溶性染料0.1-0.2w/v％，功能性物质：0.1-0.2w/v％，去离子水：84.6-97.8w/v％。
20.步骤(1)中所述生物高分子为海藻酸钠、瓜尔胶、k-卡拉胶、仙草多糖中的任意一种或其混合物。
21.步骤(2)中所述功能性物质为催化剂、吸附剂、生物药物分子、细菌细胞和可显影物质任意一种或其混合物，具体为pd催化剂、硅藻土、糖皮质激素、耐高温乳酸杆菌、纳米银分子中的任意一种或其混合物。
22.步骤(3)中所述模具可根据凝胶的用途进行相应的处理和选择，模具材质为金属、塑料、雪弗板、硅胶、亚克力板中的任意一种，模具尺寸为1μm-1m；模具形状为球形、方块形、圆片状、心形、星形、各种卡通形状、条状、膜状、纤维状且一套模具上有5-100个单一或混合图形，尺寸大小为1μm-0.5m。
23.所述的金属阳离子交联剂为含有ca
2
、cu
2
、ba
2
和fe
3
的氯化物、硫酸盐、碳酸盐、乳酸盐中的任意一种或其混合物。
24.所述的水溶性染料为花青素、水溶性褐色素、姜黄素、紫胶红、甜菜红、红花黄、茶黄色素、胡萝卜素、藻蓝素中的任意一种或其混合物。
25.所制备的凝胶形状、尺寸可控，颜色可调，方法方便快捷，符合绿色发展要求以及在催化剂、药物载体、吸附剂、栓塞剂、缓释剂、装饰品、食品、玩具领域中的应用。
26.本发明的原理：首先，海藻酸钠含有-cooh基团，当有ca2 、zn2 、sr2 等多价阳离子存在时，海藻酸钠单元上单元上g单元上的na 可与多价阳离子发生离子交换反应，g单元堆积形成类似“蛋盒”的交联网络结构，由于大分子链间的交联固化，水凝胶由此形成。其次，金属阳离子可以在k-卡拉胶离子链内或离子链间形成离子桥，平衡和屏蔽了k-卡拉胶离子链上硫酸根的负电荷，削弱了k-卡拉胶离子链之间的静电排斥作用，促进了k-卡拉胶离子链之间的结合与凝胶的形成。k-卡拉胶的凝胶化涉及两个过程：(1)线团到螺旋(coil-to-helix)，k-卡拉胶大分子链的无规线团形成螺旋；(2)聚集到凝胶(aggregation-to-gelation)，形成的螺旋聚集成三维网状凝胶。瓜尔胶与仙草多糖的交联原理与其类似。由于海藻酸盐、瓜尔胶、卡拉胶、仙草多糖是天然高分子多糖，水溶液具有较高粘度，持水性好，冻融效果好，在冷冻状态下并不会产生冰晶，故先采用低温冷冻的方法固定凝胶形状和尺寸。将冷冻后的固体放入固化液中，分子链解冻，分子间链段解缠结，可快速与金属阳离子结合成凝胶网络，并通过不同尺度、形状的模具来达到制备低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶的目的。
27.本发明所制备的低温冷冻多尺度多形态生物基多彩凝胶优点在于：
28.(1)采用生物大分子作为原料，并可与合成高分子如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚吡咯、聚丙烯酰胺、卡波姆、聚氧乙烯等共混，得到的凝胶生物相容性高，绿色无污染，与人体兼容
性好，更加安全。
29.(2)采用低温冷冻技术使胶液固化，保证了交联前后形状未发生显著变化，不仅可加快凝胶固化速度，还可在未交联时保持良好的形状，并保持模具的细节，使产品更精致。
30.(3)开发的产品使生物凝胶更具有趣味性，凝胶形态、尺度可达到多样化可控且可以根据需求变换形态，从而集科技性、趣味性、艺术性、科普性于一体。
31.(4)本发明方法可用于制作玩具，有效提高儿童智力、动手能力，增加亲子互动且无伤害；还可用于制作食品，产量高，无任何有机溶剂的使用，方便快捷，能够实现规模化生产，符合可持续发展战略，极具产业化前景。
附图说明
32.图1为本发明以球形模具，1w/v％的cacl2溶液为固化液制作得到的海藻酸基凝胶外观图。
33.图2为本发明以方块形模具，2w/v％的乳酸钙溶液为固化液制作得到的海藻酸基凝胶外观图。
34.图3为本发明以纤维状模具，1w/v％的cacl2溶液为固化液制作得到的海藻酸基凝胶外观图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
36.实施例1
37.(1)胶液配制：称取15g海藻酸钠粉末加入1000ml蒸馏水中，在60℃条件下搅拌2h使其充分溶解，即得1.5w/v％的海藻酸钠溶液；
38.(2)胶液功能化：在1.5w/v％海藻酸钠溶液中加入1g糖皮质激素，搅拌1h使其混合均匀作为胶液；
39.(3)胶液冷冻定形：将胶液加入球形模具中，将模具置入-10℃冰箱中冷冻8h，直至胶液形成固体，将球形固体从模具中取出备用；
40.(4)固化液配制：称取10g cacl2粉末和1g甜菜红色素加入1000ml蒸馏水中，搅拌30min使其充分溶解，即得1w/v％的cacl2溶液；
41.(5)交联固化：将模具中取出的球形固体加入1w/v％cacl2溶液交联固化25min得到球形海藻酸基凝胶；
42.(6)高温灭菌包装：将凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌20min，再采用自动包装机进行无菌真空热封包装，得到高温灭菌包装后的球形海藻酸基凝胶产品。
43.实施例2
44.(1)胶液配制：称取15g瓜尔胶粉末加入1000ml蒸馏水中，在60℃条件下搅拌2h使其充分溶解，即得1.5w/v％的瓜尔胶溶液；
45.(2)胶液功能化：在1.5w/v％瓜尔胶溶液中加入1g耐高温乳酸杆菌，搅拌1h使其混合均匀作为胶液；
46.(3)胶液冷冻定形：将胶液加入月牙形模具中，将模具置入-10℃冰箱中冷冻8h，直至胶液形成固体，将月牙形固体从模具中取出备用；
47.(4)固化液配制：称取20g fecl3粉末和1g姜黄素染料加入1000ml蒸馏水中，搅拌40min使其充分溶解，即得2w/v％的fecl3溶液；
48.(5)交联固化：将模具中取出的月牙形固体加入2w/v％fecl3溶液交联固化10min得到月牙形瓜尔胶凝胶；
49.(6)高温灭菌包装：将凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌10min，再采用自动包装机进行无菌真空热封包装，得到高温灭菌包装后的月牙形瓜尔胶凝胶产品。
50.实施例3
51.(1)胶液配制：称取15g k-卡拉胶粉末加入1000ml蒸馏水中，在60℃条件下搅拌2h使其充分溶解，即得1.5w/v％的k-卡拉胶溶液；
52.(2)胶液功能化：在1.5w/v％k-卡拉胶溶液中加入1g pd催化剂，搅拌1h使其混合均匀作为胶液；
53.(3)胶液冷冻定形：将胶液加入膜状模具上，将模具置入-10℃冰箱中冷冻8h，直至胶液形成固体，将固体从模具中取出备用；
54.(4)固化液配制：称取20g zncl2粉末和1g花青素染料加入1000ml蒸馏水中，搅拌50min使其充分溶解，即得2w/v％的zncl2溶液；
55.(5)交联固化：将模具中取出的膜状固体加入2w/v％zncl2溶液交联固化20min得到膜状k-卡拉胶凝胶；
56.(6)高温灭菌包装：将凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌15min，再采用自动包装机进行无菌真空热封包装，得到高温灭菌包装后的膜状k-卡拉胶凝胶产品。
57.实施例4
58.(1)胶液配制：称取15g仙草多糖粉末加入1000ml蒸馏水中，在60℃条件下搅拌2h使其充分溶解，即得1.5w/v％的仙草多糖溶液；
59.(2)胶液功能化：在1.5w/v％仙草多糖溶液中加入1g纳米银分子，搅拌1h使其混合均匀作为胶液；
60.(3)胶液冷冻定形：将胶液加入条形模具中，将模具置入-10℃冰箱中冷冻8h，直至胶液形成固体，将条状固体从模具中取出备用；
61.(4)固化液配制：称取30g乳酸钙粉末和1g水溶性褐色素加入1000ml蒸馏水中，搅拌30min使其充分溶解，即得3w/v％的乳酸钙溶液；
62.(5)交联固化：将取出的条状固体加入3w/v％乳酸钙溶液交联固化10min得到条状仙草多糖凝胶；
63.(6)高温灭菌包装：将凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌10min，再采用自动包装机进行无菌真空热封包装，得到高温灭菌包装后的条状仙草多糖凝胶产品。
64.实施例5
65.(1)胶液配制：称取15g海藻酸钠粉末加入1000ml蒸馏水中，在60℃条件下搅拌2h使其充分溶解，即得1.5w/v％的海藻酸钠溶液；
66.(2)胶液功能化：在1.5w/v％海藻酸钠溶液中加入1g硅藻土，搅拌1h使其混合均匀作为胶液；
67.(3)胶液冷冻定形：将胶液加入纤维状模具中，将模具置入-10℃冰箱中冷冻8h，直至胶液形成固体，将纤维状固体从模具中取出备用；
68.(4)固化液配制：称取100g cacl2粉术和1g胡萝卜素加入1000ml蒸馏水中，搅拌40min使其充分溶解，即得10w/v％的cacl2溶液；
69.(5)交联固化：将取出的纤维状固体加入10w/v％cacl2溶液交联固化10min得到纤维状海藻酸基凝胶；
70.(6)高温灭菌包装：将凝胶置于高压灭菌锅中115℃灭菌10min，再采用自动包装机进行无菌真空热封包装，得到高温灭菌包装后的纤维状海藻酸基凝胶产品。