一种基于氧化果胶的凝胶及其制备方法与流程

1.本发明属于生物化学技术领域，具体涉及一种基于氧化果胶的凝胶及 其制备方法。


背景技术：

2.果胶分子是一种阴离子杂多糖普遍的分布于高等植物的细胞壁中，作 为凝胶剂广泛的应用在食品工业中，其主要的凝胶机制可根据甲酯化程度 分为离子型凝胶机制(低酯果胶)及酸 糖凝胶机制(高酯果胶)。两种凝 胶机制分别基于羧基与阳离子间的离子键和羟基之间的氢键，属于弱相互 作用，限制了果胶的凝胶强度及应用范围。
3.cn109046190a公开了一种果胶复合二氧化硅气凝胶及其制备方法与应 用，具体公开了包括以下步骤：步骤1：调节硅酸钠溶液ph至3-4，加入 果胶和二氧化硅混合，得到混合物；步骤2：将混合物与含钙离子化合物混 合后调节ph至5-6，得到凝胶；步骤3：将凝胶依次经过老化、溶剂置换 和冷冻干燥，得到果胶复合二氧化硅气凝胶。该技术方案中使用了钙离子， 能很好稳定气凝胶中的果胶，让气凝胶保持介孔的结构，在干燥过程中使 气凝胶的网络骨架不会被过大的表面张力破坏，但是使用了过量的有毒有 害的无机物，还存在改进空间。
4.cn 113731307 b公开了一种含硫酸铵的高酯果胶凝胶及其制备方法与 应用，具体公开了1)将高酯果胶溶于水中，调节ph为4～7，获得高酯果 胶溶液；将硫酸铵或硫酸铵水溶液与高酯果胶溶液混合，获得含硫酸铵的 混合溶液；2)调节含硫酸铵的混合溶液的ph≤3.5，均质，静置，获得高酯 果胶凝胶；步骤1)中含硫酸铵的混合溶液中硫酸铵的质量浓度为25％～30％，高酯果胶的质量浓度为0.2～1.5％。该技术方案在硫酸铵 酸体系下 成功实现了高酯果胶凝胶化，但是该技术方案是纯物理交联，并没有化学 改性，
5.综述所述，现有技术仍缺少一种提升果胶的凝胶强度的方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于氧化果 胶的凝胶及其制备方法，其目的在于对氧化改性，在果胶分子中引入活性 更高的双醛基结构，使得氧化果胶具备了与氨基化合物共价交联的能力， 由此解决现有果胶凝胶强度不够的技术问题。
7.高碘酸氧化可以将相邻的羟基氧化成双醛基结构，而在果胶分子中引 入活性醛基可以进一步丰富其凝胶机制。schiff碱反应是氨基和醛基发生 交联形成动态共价亚胺键的化学过程，以多糖为原料制备不同类型的 schiff碱凝胶，可以获得可调控的机械性能以及化学稳定性，在生物材料、 组织修复以及药物缓释等医学领域有广阔的应用前景。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于氧化果胶 的凝胶的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)制备氧化果胶：将果胶溶液ph调节至5.0以下，随后加入氧化 剂进行氧化改
性，加入终止剂终止反应，然后将反应溶液醇沉得到沉淀， 将沉淀中的醇溶剂分离得到氧化果胶；
10.(2)将氧化果胶重新溶解后，调节ph至5.0以下，然后加入化学交 联剂和物理交联剂，充分混合后静置凝胶化，其中所述化学交联剂用于与 氧化果胶发生席夫碱反应形成共键交联，所述物理交联剂用于与氧化果胶 形成离子交联。
11.作为优选，所述氧化果胶的醛基含量0.75mmol/g以上。
12.作为优选，氧化剂为高碘酸钠、过氧化氢和次氯酸钠中的至少一种， 优选为高碘酸钠。
13.作为优选，所述终止剂包括聚乙二醇、抗坏血酸和硫代硫酸钠中的至 少一种。
14.作为优选，所述化学交联剂为己二酸二酰肼(adh)、**和**中的至少 一种，可以列举多氨基化合物，优选为己二酸二酰肼。
15.作为优选，所述物理交联剂为氯化钙、氯化锌、氯化铁、硫酸镁和氯 化镁中的至少一种。
16.作为优选，步骤(1)中所述的果胶原料为柠檬皮果胶、橙皮果胶、苹果 皮果胶的至少一种。
17.作为优选，所述步骤(1)和步骤(2)中加入碱调节ph，ph为4.0-5.0。
18.作为优选，所述步骤(1)和步骤(2)中的反应温度为20℃-30℃。
19.按照本发明的另一方面，提供了一种所述基于氧化果胶的凝胶的制备 方法制备而成的氧化果胶的凝胶。
20.果胶类多糖含量大量的羟基和羧基，其凝胶主要靠离子键和氢键稳定， 具有凝胶强度较弱的缺点，且凝胶条件需要额外高温熬煮以及大量共溶质。 这不仅使得凝胶制备工艺复杂增加能耗，同时限制果胶凝胶的应用。
21.本发明通过对氧化改性，在果胶分子中引入活性更高的双醛基结构， 使得氧化果胶具备了与氨基化合物共价交联的能力。通过控制氧化剂用量、 与果胶的比例以及氧化时间，可以制备不同氧化程度的果胶；随后以多氨 基化合物和多价阳离子交联氧化果胶分子，构建了由共价键和离子键共同 稳定的双凝胶网络。该方法制备的果胶凝胶具有凝胶条件简单、凝胶弹性 更强的特点，在生物医学领域具有应用前景。本发明提出的果胶凝胶制备 方法操作简单，凝胶强度及弹性远高于传统的基于物理相互作用的果胶凝 胶，丰富了果胶的凝胶策略及应用场景。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能 够取得下列有益效果：
23.(1)本发明中制备了含有双醛基结构的氧化果胶，在adh和ca
2
双重 交联下轻松实现了凝胶化。
24.(2)本发明可以根据氧化剂用量、比例以及氧化时间控制果胶氧化程 度，进而以氧化果胶的氧化程度、含量以及交联剂用量控制果胶凝胶的机 械性能，拓宽了果胶凝胶的适用范围。
25.(3)本发明制备的果胶凝胶由离子键和共价键共同稳定，凝胶强度与 弹性显著优于传统物理交联的果胶凝胶。
26.(4)本发明中的制备氧化果胶凝胶中形成的亚胺键具有可逆性。
附图说明
27.图1是实施例1、对比例1-2的凝胶形态和流变学性质测试图。图2是对比例3和实施例1-3的凝胶流变强度。图3是对比例1-3和实施例1-3的凝胶形态图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，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。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
29.实施例
30.对比例1
31.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；不加入高碘酸 钠，搅拌12h后加入10ml乙二醇，将上述果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇 中沉淀，如此重复3次，最后冻干去除乙醇得到果胶。
32.(2)称取1g上述果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节 至5.0，向上述果胶溶液中加入2mlcacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶 化。
33.对比例2
34.本实施例与实施例1不同之处在于，步骤(1)中对果胶进行氧化改性， 具体如下所述。
35.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；将固体高碘酸 钠添加到果胶溶液中，使溶液中果胶与高碘酸的质量之比为10：1，加入高 碘酸按的同时对果胶溶液持续搅拌，反应12h后加入10ml乙二醇终止氧化 反应，将上述果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇中沉淀，如此重复3次，最 后冻干去除乙醇得到氧化果胶。通过测试，所述氧化果胶的醛基含量0.75 mmol/g。
36.(2)称取1g氧化果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节 至5.0，向上述果胶溶液中加入2ml cacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶 化。
37.对比例3
38.本实施例与对比例2不同之处在于，步骤(1)中未对果胶进行氧化改 性，且在步骤(2)中加入化学交联剂己二酸二酰肼(adh)，具体如下所 述。
39.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；搅拌12h后加 入10ml乙二醇，将上述果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇中沉淀，如此重复 3次，最后冻干去除乙醇得到果胶。
40.(2)称取1g果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节至5.0， 先后向上述果胶溶液中加入0.8ml己二酸二酰肼(adh)溶液(0.5m)和 2ml cacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶化。
41.实施例1
42.本实施例与对比例3不同之处在于，步骤(1)中对果胶进行氧化改性， 具体如下所述。
43.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；将固体高碘酸 钠添加到果胶溶液中，使溶液中果胶与高碘酸的质量之比为50：1，加入高 碘酸按的同时对果胶溶液持续搅拌，反应12h后加入10ml乙二醇，将上述 果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇中沉淀，如此重复3次，最后冻干去除乙 醇得到氧化果胶。通过测试，所述氧化果胶的醛基含量0.35mmol/g。
44.(2)称取1g氧化果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节 至5.0，先后向上述果胶溶液中加入0.8ml己二酸二酰肼(adh)溶液(0.5 m)和2ml cacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶化。
45.实施例2
46.本实施例与实施例1不同之处在于，步骤(1)中氧化剂用量不同，具 体如下所述。
47.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；将固体高碘酸 钠添加到果胶溶液中，使溶液中果胶与高碘酸的质量之比为10：1，加入高 碘酸按的同时对果胶溶液持续搅拌，反应12h后加入10ml乙二醇，将上述 果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇中沉淀，如此重复3次，最后冻干去除乙 醇得到氧化果胶。通过测试，所述氧化果胶的醛基含量0.75mmol/g。
48.(2)称取1g氧化果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节 至5.0，先后向上述果胶溶液中加入0.8ml己二酸二酰肼(adh)溶液(0.5 m)和2ml cacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶化。
49.实施例3
50.本实施例与实施例1不同之处在于，步骤(1)中氧化剂用量不同，具 体如下所述。
51.(1)将2.5g果胶加入100ml蒸馏水中，在磁力搅拌器中，30摄氏度 条件下，搅拌至充分溶解得到果胶溶液，并调节ph至5.0；将固体高碘酸 钠添加到果胶溶液中，使溶液中果胶与高碘酸的质量之比为8：1，加入高 碘酸按的同时对果胶溶液持续搅拌，反应12h后加入10ml乙二醇，将上述 果胶溶液倒入3倍体积无水乙醇中沉淀，如此重复3次，最后冻干去除乙 醇得到氧化果胶。通过测试，所述氧化果胶的醛基含量1mmol/g。
52.(2)称取1g氧化果胶溶解于20ml蒸馏水中，将果胶溶液的ph调节 至5.0，先后向上述果胶溶液中加入0.8ml己二酸二酰肼(adh)溶液(0.5 m)和2ml cacl2(0.1m)，充分混合后静置凝胶化。
53.测试实施例
54.以下制造例中所使用的高酯化橙皮果胶购于广州市莱檬生物科技有限 公司。
55.实施例中所用仪器：均质机型号为t10 homogenizer(ika)。
56.果胶的醛基含量测定：
57.参照文献“刘文迎.氧化纤维素/壳聚糖复合止血材料的制备及性能研 究[d].”进行，称取一定量的氧化果胶，加入一定体积的0.25m的盐酸羟 胺-甲基橙溶液，充分搅拌4h。最后用0.1m的标准naoh溶液滴定，至溶液 颜色由粉红色变为黄色，其滴定总店为溶液ph＝5.0。醛基含量[cho]计算 公式如下：
[0058]
[cho]＝(v
2-v1)
×
c/m
[0059]
其中醛基含量[cho]单位为mmol/g；c：naoh溶度，mol/l；v2：滴定 终点需用naoh体积，ml；v1：空白滴定消耗的naoh体积，ml；m：氧化果 胶质量，g。
[0060]
1.果胶凝胶的流变学测试：
[0061]
参照文献“田燕.环境条件及糖基化对大豆7s蛋白油水界面性质影响 及乳化机理研究[d].”进行，在流变仪上采用直径35mm的平行板对果胶 凝胶进行测试。设置间距为1mm，测试温度25℃。固定剪切频率为5rad/s， 进行应变扫描(0.1％-1000％)。
[0062]
图1是对比例1和对比例2的凝胶流变强度。
[0063]
图2是对比例3和实施例1-3的凝胶流变强度。
[0064]
图3是对比例1-3和实施例1-3的凝胶形态图
[0065]
由图1可知，本发明方法采用adh ca
2
交联的氧化果胶可以形成稳定的 凝胶结构。根据对比例1和2(图1)，可知氧化导致果胶分子链断裂，不 适用于基于离子键物理交联模式。由对比例3和实施例1-3(图2)可知以 adh ca
2
为交联模式时，较低的氧化程度的果胶(醛基含量小于0.75mmol/g) 由于分子量降低且醛基含量不够，形成的果胶凝胶强度反而不及ca
2
交联的 为氧化果胶；而随着氧化程度的提高，基于adh ca
2
交联模式的果胶凝胶的 强度逐渐增强，且由adh ca
2
交联的氧化果胶凝胶能够抵抗更强的变性，保 持凝胶结构稳定，表明本发明制备的氧化果胶凝胶具有独特的凝胶性质。
[0066]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。