CN111359550B - 一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶及其制备方法，属于营养与健康领域。本发明的具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶，以可食性材料制备气凝胶，通过高效吸附小麦中可抑制淀粉酶的小麦蛋白制备成可穿过胃液并在小肠中抑制淀粉酶的蛋白功能化气凝胶。本发明的具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶的制备工艺简洁，过程温和无副反应，可在普通食品、保健食品、特殊医学用途配方食品等食品领域中应用，而且具有明显的降低餐后血糖效果，为人类提高控制餐后血糖、预防糖尿病提供新思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶及其制备方法，属于营养与健康领域。
背景技术
随着科技的进步与经济的发展，人们生活条件不断提高。快节奏的工作生活中容易造成人们饮食结构不合理，特别是高糖、高脂肪、高热量、高蛋白食品摄入量过大，容易引起肥胖或糖尿病等慢性疾病，极大损害人们的健康。这也是近年来肥胖人群和糖尿病人群在发达国家及经济迅速发展的发展中国家的发病率逐年攀升的主要原因。针对高淀粉摄入人群食用一定量淀粉酶抑制剂能够有效降低淀粉在胃肠道中的消化率，在保证能量摄入的同时，也不会引起高血糖和肥胖。
有研究表明小麦蛋白中淀粉酶抑制剂对哺乳动物的唾液淀粉酶及胰淀粉酶有很高的抑制活性，并且具有很强的热稳定性，在100℃加热30min的条件下酶仍然具有较高活性。但该淀粉酶抑制剂属于蛋白质，会被胃蛋白酶分解而无法到达小肠发挥抑制淀粉酶的作用。这就是虽然体外测定小麦蛋白具有非常高淀粉酶抑制活力，但是实际上摄入小麦或小麦蛋白而无法实现降低餐后血糖的原因。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明提供了以可食性材料制备气凝胶，通过高效吸附小麦中可抑制α-淀粉酶的蛋白制备成可穿过胃液并在小肠中抑制淀粉酶的蛋白功能化气凝胶。
本发明从小麦中提取分离具有高α-淀粉酶抑制剂活力的蛋白，制备了较高纯度的α-淀粉酶抑制剂，并且其具有非常良好的耐高温和酸碱稳定性；之后用多糖类气凝胶对其进行吸附，所用气凝胶通过海藻酸钠、壳聚糖、氯化钙进行交联，得到三维网状结构的气凝胶，能够通过表面大面积的孔隙对小麦蛋白进行吸附，得到完整体系小麦蛋白功能化的气凝胶。气凝胶制备材料中的海藻酸钠含有较多羧基，其在较低pH条件下会发生质子化作用，导致分子链交结更加紧密，难以分解，能够将内容物小麦蛋白更好地包覆。
本发明的气凝胶的三维网络结构在胃液中具有较好的稳定性，可以保护小麦蛋白免受胃酸和胃蛋白酶的破坏，当其到达小肠后，体系环境呈碱性，海藻酸钠-壳聚糖气凝胶开始崩解，释放出小麦蛋白发挥对α-淀粉酶的抑制活性。通过该原理制备的具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶载药体系发挥效果好，并且天然安全成本低，具有良好的工业化应用前景。
本发明的第一个目的是提供一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶，所述蛋白功能化气凝胶包括具有三维空间结构的气凝胶和蛋白组分；其中，具有三维空间结构的气凝胶是由可食性材料交联构成；蛋白组分为从小麦中提取到的可抑制淀粉酶的蛋白类物质。
在本发明的一种实施方式中，所述小麦蛋白是一种α-淀粉酶抑制剂，能够阻止大分子碳水化合物分解成小分子糖类，并且具有耐高温和酸碱特性。
在本发明的一种实施方式中，所述可食性材料为海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的组合；所述海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:(0.4-1):(2-4)。
在本发明的一种实施方式中，所述气凝胶是水凝胶通过冷冻或高温干燥后，形成的一种多孔性吸附材料。
本发明的第二个目的是提供一种蛋白功能化气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将小麦蛋白溶解于去离子水中；得到小麦蛋白溶液；
(2)将壳聚糖在醋酸水溶液中充分溶解，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干或者干燥后形成气凝胶；
(3)将步骤(2)的气凝胶置于步骤(1)的溶液中，吸附一定时间后取出冻干，即得到所述的蛋白功能化气凝胶。
在本发明的一种实施方式中，所述的海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙在气凝胶中的质量比为5:(0.4-1):(2-4)。
在本发明的一种实施方式中，所述的海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:2。
在本发明的一种实施方式中，所述的海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:2；壳聚糖与醋酸的质量比为1：2；海藻酸钠的质量分数为1％；小麦蛋白的质量分数为8％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的小麦蛋白溶液中，小麦蛋白的质量分数为0.1-99％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的壳聚糖与醋酸(液体)的质量比为1：(2-20)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的海藻酸钠溶液为海藻酸钠水溶液，其中海藻酸钠的质量分数为0.1-3％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液与海藻酸钠溶液的体积比是1:(0-9)，但不为0。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的吸附时间为0.1-20h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的冻干具体为：在-55℃冻干48h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的气凝胶和小麦蛋白溶液的质量体积比为1：(160-400)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的醋酸水溶液中醋酸的质量分数为0.1-20％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的充分溶解是搅拌溶解，搅拌的速度为400-800r/min，搅拌的时间为0.5h-2h，搅拌过程中可以加热，加热温度为20-80℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的洗去具体指采用去离子水清洗。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的预冻温度为-80℃，所述的干燥温度为30-100℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的小麦蛋白的制备方法为：将含有小麦淀粉酶抑制蛋白的小麦进行粉碎，之后配制成水溶液或者小麦蛋白(谷朊粉)水溶液或小麦蛋白水解物或者小麦淀粉酶抑制剂粗提物。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的小麦蛋白的制备方法为：将小麦粗提物和水按照1:8的比例溶解，得到小麦粗提物溶液；并在小麦粗提物溶液中加入0.2M氯化钠(小麦粗提物溶液与氯化钠的质量比为9.5:1)，室温下搅拌2h，200目纱布过滤，滤液70℃加热30分钟灭酶；8000r离心20分钟后收集上清液，加入无水硫酸铵，至饱和度70％；静置2h后再以8000r转速离心20分钟后，取沉淀复溶(沉淀与水的质量比为1:(10-100))，用14kDa的透析袋透析24h，冻干(-55℃冻干48h)后得到小麦蛋白。
本发明的第三个目的是本发明的具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶在制备普通食品、保健食品或特殊医学用途配方食品领域中应用。
本发明的第四个目的是提供一种控制缓释α-淀粉酶抑制剂的方法，其中采用了本发明所述的具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了蛋白功能化气凝胶的制备方法，制备的气凝胶机械强度高，灵活性和稳定性优异(机械强度、灵活性和稳定性可以从体外活性释放效果来看，如果这些性能不好的话，体外释放的效果也会很差)，有效保护了α-淀粉酶抑制剂，使其在胃消化过程中免受破坏，从而能在小肠中发挥作用；
(2)本发明所制备的蛋白功能化气凝胶制作工艺简洁，过程温和无副反应，可在普通食品、保健食品、特殊医学用途配方食品等食品领域中应用。
(3)本发明的蛋白功能化气凝胶有明显的降低餐后血糖效果，为人类提高控制餐后血糖、预防糖尿病提供新思路。
附图说明
图1为小麦蛋白功能化气凝胶的形态。
图2为小麦蛋白功能化气凝胶动物实验结果图。
图3为模拟胃肠液连续消化对α-淀粉酶抑制率的测定结果。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
α-淀粉酶的抑制率的检测：采用3,5-硝基水杨酸(DNS)比色法(即Bernfeld法)测定实施例和对比例产物在模拟胃肠液连续消化后对α-淀粉酶的抑制效果，实验中α-淀粉酶用量为2.5U，各样品浓度为5mg/mL。
动物实验测试：大鼠适应环境1周后，分为3组；第1组为阳性对照组(阿卡波糖)，第2组为实验组(小麦蛋白功能化气凝胶)，第3组为空白对照组(无菌蒸馏水)。实验开始前，大鼠禁食12小时；测定各组大鼠的初始体重和空腹血糖，记录为0分钟，然后按体重(2g·kg-1)灌胃淀粉溶液。阳性对照组灌胃阿卡波糖(40mg·kg-1)，实验组灌胃小麦α-AI蛋白功能化气凝胶颗粒(0.1g)治疗，空白对照组灌胃无菌蒸馏水。在餐后0.5h，1h，2h时用血糖仪测定大鼠血糖值。
实施例1
一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶的制备方法，具体步骤如下：
(1)将小麦粗提物和水按照1:8的比例溶解，得到小麦粗提物溶液；并在小麦粗提物溶液中加入0.2M氯化钠(小麦粗提物溶液与氯化钠的质量比为(9.5:1)，室温下搅拌2h，200目纱布过滤，滤液70℃加热30分钟灭酶；8000r离心20分钟后收集上清液，加入无水硫酸铵，至饱和度70％；静置2h后再以8000r转速离心20分钟后，取沉淀复溶(沉淀与水的质量比为1:10)，用14kDa的透析袋透析24h，冻干(-55℃冻干48h)后得到小麦蛋白；
(2)将步骤(1)的小麦蛋白溶解于去离子水中；得到小麦蛋白溶液；其中小麦蛋白的质量分数为8％；
(3)将壳聚糖在2％醋酸水溶液(质量分数为0.1％)中充分溶解(搅拌溶解，搅拌的速度为400r/min，搅拌的时间为1h)，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干后形成气凝胶；其中，海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:2；壳聚糖与醋酸的质量比为1：2；海藻酸钠的质量分数为1％；
(4)将步骤(3)中气凝胶置于步骤(2)中溶液(气凝胶和小麦蛋白溶液的质量体积比为1:160)中，吸附4h后取出冻干(在-55℃冻干48h)，即得到所述的蛋白功能化气凝胶。
实施例2
一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶的其制备方法，具体步骤如下：
(1)将小麦粗提物和水按照1:8的比例溶解，得到小麦粗提物溶液；并在小麦粗提物溶液中加入0.2M氯化钠(小麦粗提物溶液与氯化钠的质量比为1:200)，室温下搅拌2h，200目纱布过滤，滤液70℃加热30分钟灭酶；8000r离心20分钟后收集上清液，加入无水硫酸铵，至饱和度70％；静置2h后再以8000r转速离心20分钟后，取沉淀复溶(沉淀与水的质量比为1:10)，用14kDa的透析袋透析24h，冻干(-55℃冻干48h)后得到小麦蛋白；
(2)将步骤(1)的小麦蛋白溶解于去离子水中；得到小麦蛋白溶液；其中小麦蛋白的质量分数为8％；
(3)将壳聚糖在醋酸水溶液(质量分数为0.2％)中充分溶解(搅拌溶解，搅拌的速度为400r/min，搅拌的时间为1h)，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干后形成气凝胶；其中，海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:3；壳聚糖与醋酸的质量比为1：4；海藻酸钠的质量分数为2％；
(4)将步骤(3)中气凝胶置于步骤(2)中溶液(气凝胶和小麦蛋白溶液的质量体积比为1:160)中，吸附4h后取出冻干(在-55℃冻干48h)，即得到所述的蛋白功能化气凝胶。
实施例3
一种具有降血糖作用的蛋白功能化气凝胶的其制备方法，具体步骤如下：
(1)将小麦粗提物和水按照1:8的比例溶解，得到小麦粗提物溶液；并在小麦粗提物溶液中加入0.2M氯化钠(小麦粗提物溶液与氯化钠的质量比为9.5:1)，室温下搅拌2h，200目纱布过滤，滤液70℃加热30分钟灭酶；8000r离心20分钟后收集上清液，加入无水硫酸铵，至饱和度70％；静置2h后再以8000r转速离心20分钟后，取沉淀复溶(沉淀与水的质量比1：10)，用14kDa的透析袋透析24h，冻干(-55℃冻干48h)后得到小麦蛋白；
(2)将步骤(1)的小麦蛋白溶解于去离子水中；得到小麦蛋白溶液；其中小麦蛋白的质量分数为8％；
(3)将壳聚糖在2％醋酸水溶液(质量分数为1％)中充分溶解(搅拌溶解，搅拌的速度为600r/min，搅拌的时间为1h)，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干后形成气凝胶；其中，海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:4；壳聚糖与醋酸的质量比为1：20；海藻酸钠的质量分数为3％；
(4)将步骤(3)中气凝胶置于步骤(2)中溶液(气凝胶和小麦蛋白溶液的质量体积比为1:400)中，吸附4h后取出冻干(在-55℃冻干48h)，即得到所述的蛋白功能化气凝胶。
对比例1(按照实施例1的小麦蛋白的制备方法制备得到小麦蛋白)
制备仅有小麦蛋白原料，具体步骤如下：
将小麦粗提物和水按照1:8的比例溶解，得到小麦粗提物溶液；并在小麦粗提物溶液中加入0.2M氯化钠(小麦粗提物溶液与氯化钠的质量比为1:200)，室温下搅拌2h，200目纱布过滤，滤液70℃加热30分钟灭酶；8000r离心20分钟后收集上清液，加入无水硫酸铵，至饱和度70％；静置2h后再以8000r转速离心20分钟后，取沉淀复溶(沉淀与水的质量比为1:10)，用14kDa的透析袋透析24h，冻干(-55℃冻干48h)后得到小麦蛋白。
对比例2
制备空白气凝胶，具体步骤如下：
(1)将1份海藻酸钠溶于100份去离子水中；加入20份壳聚糖-氯化钙溶液末，使其成凝胶状。
(2)将步骤(1)得到的凝胶预冻冻干后得到空白气凝胶。
图1为小麦蛋白功能化气凝胶的形态。从图1可以看出：气凝胶的孔隙中充满小麦蛋白，气凝胶成功结合小麦蛋白形成小麦蛋白功能化气凝胶。
图2为小麦蛋白功能化气凝胶动物实验结果图。从图2可以看出：小麦蛋白功能化气凝胶可以有效降低大鼠的餐后血糖值，相对于阿卡波糖来说，效果可能会更好。
表1模拟胃肠液连续消化对α-淀粉酶抑制率的测定结果
图3和表1为模拟胃肠液连续消化对α-淀粉酶抑制率的测定结果(0-2h在胃里消化，测试的抑制率是在胃里面进行消化得到的数据；2-4h在肠里消化，测试的抑制率是在肠里面消化得到的数据)。从图3和表1可以看出：实施例1-3制得的蛋白功能化气凝胶随消化过程渐进，缓慢释放对α-淀粉酶的抑制活力，可控制餐后血糖上升。对比例1是只有小麦蛋白样品，测试结果中会发现小麦蛋白在胃液中就失去活性，而对比例2是空白气凝胶，对α-淀粉酶几乎没有抑制率，可以说明在所制备的蛋白功能化气凝胶对α-淀粉酶是共同作用，二者缺一不可。
而且胃肠液连续消化是一个缓释的过程，蛋白功能化气凝胶会慢慢在肠液中释放活性，检测到在模拟肠液消化2h后，实施例1的抑制率仍然可达到99％，效果最好。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (6)
1.一种蛋白功能化气凝胶，其特征在于，所述蛋白功能化气凝胶包括具有三维空间结构的气凝胶和蛋白组分；其中，具有三维空间结构的气凝胶是由可食性材料交联构成；蛋白组分为从小麦中提取到的可抑制淀粉酶的蛋白类物质；
所述可食性材料为海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的组合；
所述的蛋白功能化气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将小麦蛋白溶解于去离子水中，得到小麦蛋白溶液；
(2)将壳聚糖在醋酸水溶液中充分溶解，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干或者干燥后形成气凝胶；
(3)将步骤(2)的气凝胶置于步骤(1)的溶液中，吸附一定时间后取出冻干，即得到所述的蛋白功能化气凝胶；
其中，所述的海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:2；壳聚糖与醋酸的质量比为1：2；海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量分数为1％；小麦蛋白溶液中小麦蛋白的质量分数为8％。
2.权利要求1所述的蛋白功能化气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将小麦蛋白溶解于去离子水中，得到小麦蛋白溶液；
(2)将壳聚糖在醋酸水溶液中充分溶解，得到壳聚糖-醋酸溶液；之后在壳聚糖-醋酸溶液中加入氯化钙充分溶解，得到壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液；然后将壳聚糖-醋酸-氯化钙混合溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀成水凝胶后洗去表面液体，之后通过预冻冻干或者干燥后形成气凝胶；
(3)将步骤(2)的气凝胶置于步骤(1)的溶液中，吸附一定时间后取出冻干，即得到所述的蛋白功能化气凝胶；
其中，所述的海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙的质量比为5:0.4:2；壳聚糖与醋酸的质量比为1：2；海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量分数为1％；小麦蛋白溶液中小麦蛋白的质量分数为8％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的吸附时间为0.1-20h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的预冻温度为-80℃，所述的干燥温度为30-100℃。
5.权利要求1所述的蛋白功能化气凝胶在制备普通食品、保健食品或特殊医学用途配方食品领域中应用。
6.一种控制缓释α-淀粉酶抑制剂的方法，其特征在于，其中采用了权利要求1所述的蛋白功能化气凝胶。
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