CN110054785A - 一种高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶，它是以大豆蛋白、聚乙烯醇以及丙烯酰胺三元复合交联而成的水凝胶，利用聚乙烯醇分子链上的羟基与水分子形成氢键作用，将水分子包覆在三维网状结构中，有效提高了水凝胶的保水性能，40℃条件下24小时保水率最高可达60％，有望应用于农业灌溉、食品工程、生物医学等领域。本发明公开了其制法。

Description

一种高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种亲水但不溶于水的高分子聚合物，具有吸水，保水，缓释等功能，拥有广泛的应用前景。目前，大多数水凝胶都是由石油基原料制备而成，存在难降解、污染环境等问题。因此，利用可再生的生物质资源制备具有可降解、生物相容性好、环境友好的水凝胶已受到广泛的关注与重视。当前，人们已采用淀粉、植物纤维、壳聚糖、胶原蛋白等生物质资源制备了一系列生物基水凝胶。其中，利用蛋白质为原料制备的水凝胶生物相容性好、可刺激响应，可应用于生物医药、组织工程等领域；利用纤维素为原料制备的水凝胶溶胀率高、强度高、光学透明性好，可应用于生物医药、农业、食品以及组织工程等领域；利用淀粉为原料制备的水凝胶对pH值、温度敏感等特性，可应用于生物制药等领域。但由于水凝胶体系内自由水含量较高，高温甚至常温条件下极易蒸发而使凝胶失去原有功能，极大的限制了生物基水凝胶的应用。因此，研究开发一种具有高保水性能的生物基水凝胶具有重要意义。
聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯经过水解、醇解或氨解得到的一种合成长链水溶性高聚物，根据聚合度以及醇解度的不同，可以将聚乙烯醇分为不同种类。聚乙烯醇具有无毒、无副作用、可生物相容等特点，是一种安全的外用辅料，可用于胶黏剂、涂料、吸附剂等方面；也是一种良好的凝胶材料，可通过电子束、紫外线辐射形成水凝胶，也可通过化学交联剂经过化学交联以及通过反复冻结法经过物理交联形成水凝胶。聚乙烯醇由于分子链上含有大量的羟基，在形成三维网络结构时，易与水分子结合，能有效的束缚水分子的运动，起到保水的作用。
本发明提出了一种具有高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶的制备方法，它是将聚乙烯醇与大豆蛋白复合，通过聚乙烯醇分子链上的羟基与水分子的氢键作用，使水分子被包裹在复合网络中而不易挥发。制备的大豆蛋白三元复合水凝胶，具有优异的保水性能，在农业灌溉、食品工程、生物医学等领域具有潜在的应用前景。
发明内容
解决的技术问题：为了解决生物基水凝胶保水性能差的问题，本发明将聚乙烯醇引入到大豆蛋白水凝胶体系内，利用聚乙烯醇分子链上的羟基与水分子形成氢键作用，将水分子包覆在三维网状结构中，有效提升了水凝胶的保水性能，40℃条件下24小时保水率最高可达 60％，在农业灌溉、食品工程、生物医学等领域具有潜在的应用前景。
技术方案：本发明提供一种具有高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶的制备方法，步骤为：将大豆蛋白溶于聚乙烯醇溶液中，加热使大豆蛋白充分溶解，加入丙烯酰胺、金属离子以及其他助剂，在加热作用下发生聚合交联，制备出大豆蛋白三元复合水凝胶。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于加入的聚乙烯醇可为1788、1799、2099、 2399、2699中的任意一种。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于制备的聚乙烯醇溶液质量分数为0.5 wt％～25wt％。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于聚乙烯醇、大豆蛋白与丙烯酰胺的质量比为0.1∶1∶10～5∶1∶2。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于加入的金属离子可为Ca2+、Ba2+、Sr2+中的一种。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于加入的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于加入丙烯酰胺、引发剂、交联剂质量比为 100∶0.5∶0.05～100∶1∶1。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于大豆蛋白和金属离子的质量比为20∶1～5∶ 1。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于加热温度范围60℃-90℃。
所述的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征在于含水率为60wt％～90wt％。
有益效果：本发明提供了一种具有高保水性能的大豆蛋白三元复合水凝胶及其制备方法，利用聚乙烯醇分子链上的羟基与水分子形成氢键作用，从而将水分子包覆在三维网状结构中，有效提高了水凝胶的保水性能，40℃条件下24小时保水率最高可达60％，有望应用于农业灌溉、食品工程、生物医学等领域。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。再不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。上述一种大豆蛋白复合水凝胶及其制备方法，所用原料及试剂均为市售。
一种具有高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶，具体步骤为：
步骤1.在质量分数为0.5wt％～25wt％的聚乙烯醇溶液中加入大豆蛋白，控制聚乙烯醇与大豆蛋白的质量比为0.1∶1～5∶1，加热搅拌，使大豆蛋白充分分散在聚乙烯醇溶液中。
步骤2.在上述分散液中加入丙烯酰胺单体、交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵以及金属离子，搅拌，使其混合均匀，控制大豆蛋白与丙烯酰胺的质量比为1∶10～1∶2，丙烯酰胺、引发剂、交联剂质量比为100∶0.5∶0.05～100∶1∶1，大豆蛋白和金属离子的质量比为20∶1～5∶1。
步骤3.将步骤2所得的混合液倒入模具中，加热24小时，最终得到大豆蛋白三元复合水凝胶。
实施例1：大豆蛋白三元复合水凝胶的制备
将9.1g聚乙烯醇-1788溶于30g去离子水中，配成聚乙烯醇溶液，并在溶液中加入1.82g 大豆分离蛋白，加热使大豆蛋白充分溶解。大豆蛋白溶解后，再加入9.1g丙烯酰胺，搅拌溶解。在溶解后的混合溶液中依次加入9.1mg N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、91mg过硫酸铵、91 mgBaCl2，搅拌后倒入模具中，在温度为80℃的水箱中凝胶24h。
实施例2～实施例10，按照实施例1的制备方法和步骤制备大豆蛋白三元复合水凝胶，各组分组成见附表1。聚乙烯醇用量记为A，类型记为B，大豆蛋白记为C，丙烯酰胺记为D，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺记为E，过硫酸铵记为F，金属离子用量记为G，类型记为H，去离子水记为I。
实施例12：大豆蛋白三元复合水凝胶的保水性能
将大豆蛋白三元复合水凝胶在40℃的极端条件下进行保水性能测试。将上述实施例1～10 制得的大豆蛋白三元复合水凝胶在室温下分别称重，然后将上述样品置于40℃的烘箱中，每隔一小时称量记录一次样品的质量，共计24小时，得到样品水分含量随时间的变化关系，并由此得到样品在24小时的保水率。如附表2可知，大豆蛋白三元复合水凝胶的保水率最高可达 60％；随着聚乙烯醇含量的增加，水凝胶的保水率先增加后不变；随着聚乙烯醇醇解度的增大，水凝胶的保水率升高；随着聚乙烯醇聚合度的增加，水凝胶的保水率先升高后降低。
附表1
实施例 A/g B C/g D/g E/mg F/mg G/mg H I/g
2 9.1 1799 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
3 5.4 1799 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
4 3.6 1799 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
5 1.8 1799 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
6 3.6 2099 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
7 3.6 2399 1.82 9.1 9.1 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
8 3.6 2699 1.82 9.1 91 91 91 BaCl<sub>2</sub> 30
9 1.82 2099 1.82 18.2 182 182 364 SrCl<sub>2</sub> 30
10 3.6 2399 2.4 12.6 63 63 120 CaCl<sub>2</sub> 60
附表2
24小时失水率(％) 24小时保水率(％)
实施例1 51 49
实施例2 42 58
实施例3 42 58
实施例4 43 57
实施例5 70 30
实施例6 40 60
实施例7 47 53
实施例8 50 50
实施例9 60 40
实施例10 49 51

Claims (9)

1.一种高保水性的大豆蛋白三元复合水凝胶，其特征是：为一种具有优良保水性能的水凝胶，将大豆蛋白溶于聚乙烯醇溶液中，加热使大豆蛋白充分溶解，加入丙烯酰胺、金属离子以及其他助剂，在加热作用下发生聚合交联，制备出大豆蛋白三元复合水凝胶。
2.一种制备权利要求1所述的大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：将大豆蛋白在聚乙烯醇溶液中加热使其充分溶解，然后加入丙烯酰胺、交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵、金属离子，在加热条件下得到水凝胶。
3.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：加入的聚乙烯醇可为1788、1799、2099、2399、2699中的任意一种。
4.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：聚乙烯醇溶液质量分数为0.5wt％～25wt％。
5.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征在于聚乙烯醇、大豆蛋白与丙烯酰胺的质量比为0.1∶1∶10～5∶1∶2。
6.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：加入单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸铵以及交联剂N，N’一亚甲基双丙烯酰胺，单体、引发剂和交联剂的质量比为100∶0.5∶0.05～100∶1∶1。
7.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：大豆蛋白与金属离子的质量比为20∶1～5∶1。
8.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：所述的盐离子可为Ca2+、Ba2+、Sr2+中的一种。
9.如权利要求2所述的制备大豆蛋白三元复合水凝胶的方法，其特征是：所述的大豆蛋白三元复合水凝胶的含水率为60wt％～90wt％。
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