CN115477783B - 一种制备甲壳素基超吸水材料的方法、凝胶及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备甲壳素基超吸水材料的方法、凝胶及其应用，该超吸水材料包含被一种环氧交联剂交联的甲壳素，以及连接在交联甲壳素上的胍。该制备方法包括将甲壳素溶解在水溶剂中形成溶液；溶解的甲壳素与一种环氧交联剂、胍或者其盐交联，从而形成水凝胶；水凝胶的干燥。该超吸水材料能够吸收酸溶液发生高度膨胀。

Description

一种制备甲壳素基超吸水材料的方法、凝胶及其应用

技术领域

本发明涉及超吸水材料的合成领域，具体涉及一种制备甲壳素基超吸水材料的方法、凝胶及其应用。

背景技术

甲壳素是一种天然形成的聚合物。比如，从鱿鱼顶骨中提取的β-甲壳素已被证实具有生物相容性、生物安全性以及生物可降解性，在药、妆、食品、农业和生物材料领域具有极大的发展前景。作为自然界中含量及其丰富且具有上述多种优良特性的天然聚合物，甲壳素及其衍生物在许多应用领域中是最优选的初始材料。然而，甲壳素是一种接近电中性的聚合物，将其作为超吸水材料时，其溶胀率普遍低于合成聚合物，比如聚丙烯酸钠。同时，甲壳素分子的高链刚性进一步阻止了其在水中的溶胀行为，很难与聚丙烯酰胺相比。

甲壳素材料的溶胀能力或许可以通过对甲壳素分子进行化学修饰来提升，比如羧化，羧甲基化，磺化，黄原酸化，磷化，羟基化，羟乙基化，硝化，以及被其他用作超吸水材料的合成聚合物化学修饰。这些方法引入了可被离子化的化学基团，以及减少甲壳素分子间的氢键相互作用降低了分子链刚性，或许能够提高甲壳素分子的渗透压。此外，交联剂的使用或许能够进一步增加其溶胀能力。然而，这些化学修饰方法为甲壳素分子提供了高负电荷密度，从而使高溶胀仅能发生在水或者碱性溶液中，但在酸溶液中会收缩。

壳聚糖使甲壳素的脱乙酰产物。甲壳素C-2位上乙酰基团的脱去形成了一个亲质子的氨基官能团，并使壳聚糖能够在酸溶液中溶解。制备壳聚糖基超吸水材料的普遍做法是，将丙烯酰胺和丙烯酸类单体通过化学接枝连接到壳聚糖C-6位的羟基上，然后通过进一步的聚合制备壳聚糖-聚丙烯酰胺和壳聚糖-聚丙烯酸盐复合水凝胶。但这种方法在壳聚糖分子上提供了过量的负电荷，致使其在酸溶液中收缩。因为环氧类交联剂在酸溶液中的反应性很低，而壳聚糖在碱溶液中的溶解度很低，所以利用醛类交联剂制备壳聚糖水凝胶也具有挑战性。

因此，目前需要一种甲壳素基聚合物，能够作为在酸溶液中有效溶胀的超吸水材料。

另外，目前针对肥胖治疗的领域，利用水凝胶作为胃内球囊是一种十分良好的选择。以天然高分子为底物的水凝胶更是大大提高了水凝胶的安全性。甲壳素是一种主要源于海洋生物的多糖食品，具有良好的生物相容性、无生物毒性、促伤口修复等众多优良特点，其衍生物壳聚糖和降解产物N-乙酰-D-葡萄糖胺均具有抑制肥胖、改善糖尿病的功能。高分子量、高乙酰度的甲壳素不能被身体利用，将其制备成为具备高吸水率的水凝胶可以有效占据胃部空间，提供饱腹感减少进食量。将甲壳素转变为水凝胶需要将其溶解，并利用环氧类物质进行化学交联，从而制备出具有高吸水能力的水凝胶。

然而一般的甲壳素水凝胶在酸环境中不具备良好的吸水率，原因是聚合物大分子受氢离子的影响产生电离屏蔽，致使聚合物网络无法有效伸展而丧失吸水能力。

中国发明专利CN101857684A公开了一种利用环氧类交联剂制备甲壳素水凝胶的方法，其中环氧类交联剂包括环氧氯丙烷及其他类似的试剂。然而，通过化学修饰将胍官能团合并到甲壳素的聚合物结构上，目前还没有报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种制备甲壳素基超吸水材料的方法、凝胶及其应用，通过在甲壳素的交联过程中加入胍成分，胍与环氧类交联剂和甲壳素三者之间发生无规聚合从而形成水凝胶。胍基的引入有效地使聚合物大分子在酸性环境下发生质子化而非电离屏蔽，从而能够吸收酸溶液发生高度膨胀。

本发明的目的通过如下的技术方案实现：

一种制备甲壳素基超吸水材料的方法，包括将甲壳素溶解在水溶剂中形成溶液；溶解的甲壳素与一种环氧交联剂、胍无机盐或者含有胍端基的有机物交联，从而形成水凝胶；水凝胶的干燥。

进一步地，所述溶液中包含碱性氢氧化物、尿素，及其混合物。

进一步地，所述甲壳素从天然产物中提取。

进一步地，所述天然产物为鱿鱼顶骨。

进一步地，水凝胶的干燥过程包括将水凝胶中的水溶液置换为有机溶剂。

进一步地，水凝胶的干燥包括冷冻干燥。

进一步地，环氧交联剂选自以下中的任意一种或多种的组合：环氧丙烷、环氧氯丙烷、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、三(4-羟基苯基)甲烷三缩水甘油基醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚。

进一步地，所述甲壳素为β-甲壳素，所述环氧交联剂与所述β-甲壳素的摩尔比在0.5：1至20：1之间

进一步地，所述胍盐选自以下中的任意一种的多种的组合：盐酸胍、碳酸胍、异氰酸胍、硝酸胍、双缩胍及其衍生物、三缩胍及其衍生物。

进一步地，所述胍盐与所述环氧交联剂的摩尔比在0.2：1至2：1之间。

一种基于上述的方法得到的甲壳素基超吸水材料。

进一步地，该超吸水材料为气凝胶。

进一步地，该超吸水材料包含由环氧类交联剂交联的甲壳素，以及连接在交联甲壳素上的胍。

进一步地，由环氧类交联剂交联的甲壳素至少是部分脱乙酰的。

一种具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，包括：

(1)将β-甲壳素溶解在碱性溶液中；

(2)向溶解甲壳素的碱性溶液中加入环氧交联剂进行交联，并加入胍无机盐或者含有胍端基的有机物，从而形成水凝胶；

(3)对水凝胶进行清洗、干燥以及粉碎，得到可食用凝胶；

所述环氧类交联剂选自乙二醇二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚；

所述碱性溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠；

所述胍为盐酸胍。

进一步地，按照1g/kg计，所述β-甲壳素中的蛋白质残留应小于0.1％，灰分残留应小于0.1％。

进一步地，所述环氧类交联剂和胍盐均为分析纯，且所述环氧类交联剂的环氧度大于0.7。

进一步地，所述β-甲壳素来自于鱿鱼顶骨。

进一步地，从鱿鱼顶骨制备得到可食用凝胶的步骤如下：

鱿鱼顶骨的纯化、鱿鱼顶骨的溶解、凝胶的制备、凝胶的清洗、干燥以及粉碎四步；

所述鱿鱼顶骨的溶解包括：

(1)将纯化后的鱿鱼顶骨浸入碱性溶液中，然后将反应容器密封，并加热，使得甲壳素部分脱乙酰后，放入-30度以下的环境中冷冻至结冰；

(2)将冷冻后的鱿鱼顶骨溶液取出，进行充分搅拌后，然后继续冷冻；重复搅拌、冷冻若干次，使得鱿鱼顶骨完全溶解在碱性溶液中；

所述凝胶的制备包括：

(1)向溶解鱿鱼顶骨的碱性溶液中加入盐酸胍、环氧类交联剂，并搅拌使其溶解；

所述凝胶的清洗、干燥以及粉碎包括：

(1)将凝胶浸入异丙醇水溶液中脱模，然后用异丙醇溶液进行初步清洗，且清洗配合摇床进行；清洗重复多次，每次更换新的异丙醇溶液进行清洗，直至洗液的pH为6.5～7.5；

(2)清洗干净后，用纯的醇将凝胶中的水分置换，得到干燥后的凝胶；

(3)将干燥后的凝胶粉碎成粉末，并过筛，然后放置于真空干燥设备中除去残余的异丙醇。

进一步地，纯化后的鱿鱼顶骨按g/kg来计，则鱿鱼顶骨的蛋白质残留应小于0.1％，灰分残留应小于0.1％。

一种由上述制备方法得到的具有吸酸性能的可食用凝胶。

一种可食用凝胶在制备肥胖控制药物中的应用。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的超吸水材料的制备方法，通过胍以及环氧交联剂的引入，使得胍吸附氢离子并且调整聚合物网络在酸溶液中的电荷密度，使聚合物网络在酸溶液中具有较高的网络柔性，在水和酸溶液中快速、显著地溶胀；材料的溶胀能力可以通过调整甲壳素、环氧类交联剂以及胍盐的比例来控制；通过调整甲壳素的脱乙酰度来提高材料在酸溶液中的吸收能力。

2.本发明的可食用凝胶，以天然高分子甲壳素为原料，通过可食用的活性成分，制备成凝胶粉末，通过缩小凝胶尺寸，使得可食用凝胶短时间内快速达到溶胀平衡的能力，

3.通过可食用凝胶在酸溶液的高度膨胀能力，而将该可食用凝胶用于肥胖控制药物，能够有效占据胃部空间，提供饱腹感，减少进食量。

附图说明

图1为凝胶的合成示意图；

图2为凝胶的服用方式、吸酸前(i)和后(ii)的对照图；

图3为本发明的可食用凝胶与现有技术中已有的其他可食用凝胶在酸溶液和水中的溶胀度对比图；

图4为不同形状的凝胶在不同pH值溶液中的溶胀度(a)以及随时间的溶胀度变化(b)图；

图5为凝胶在不同溶液中其质量随时间的变化(a)，以及凝胶降解物的核磁氢谱表征(b)和降解机理(c)；

图6为小鼠实验中，小鼠(雌雄参半)连续服用凝胶一个月后的体重变化；

图7为大鼠实验中，大鼠(雌雄参半)连续服用凝胶两周后的体重变化(a)，以及大鼠体重增长速率的比较(b)，服用凝胶后体重增长率降低25％(雄性)和18％(雌性)。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。

一.定义

术语“鱿鱼顶骨提取物”，在此处指代从鱿鱼顶骨中提取的、主要成分是β-甲壳素的物质。提取物中可能仅含有少量残留的蛋白质或矿物质以确保其在生物应用领域的生物安全性(比如用在人体内)。在某些情况下，提取物中的蛋白质和矿物质可以完全去除。

术语“有效量”，在此处指代某一活性成分的剂量，或者达到某种效果的某一有效组分的剂量。该术语在此处还可以指代对于动物，尤其是人带来体内效果时(比如疾病治疗，比如皮肤疾病或负面情况)，所需要的有效量。

术语“基本上没有”意思是某个成分中包含的某组分的含量低于1％质量分数。这包括质量分数小于0.5％，0.1％，0.05％甚至是0.01％。某成分中“基本上没有”某组分，也可以指代完全没有该组分。

术语“治疗”在本文件中作为治疗一种状况(比如皮肤疾病或负面状况)的意思使用，主要是关于治疗及其相关处理办法，对象是人或者动物(比如兽医用途)，并旨在达到一种想得到的治疗效果。比如，治疗包括预防、改善或减轻某种状况、疾病或病症，或者通过治疗达到抑制状况或疾病的发展(比如降低或中断疾病/病症的发展)。

二.方法

本发明的制备超吸水材料的方法，是通过环氧交联将胍连接到甲壳素分子上，通过化学修饰将胍官能团合并到甲壳素的聚合物结构上，从而使胍吸附氢离子并且调整聚合物网络在酸溶液中的电荷密度，使聚合物网络在酸溶液中具有较高的网络柔性，达到高吸附的目的。具体的反应原理如图1所示。

本发明的制备超吸水材料的方法，包括将甲壳素溶解在水溶剂中形成溶液；溶解的甲壳素与一种环氧交联剂、胍或者其盐交联，从而形成水凝胶；水凝胶的干燥。

其中，甲壳素可能是一种合成材料，一种天然材料或者是一种天然材料的衍生物。在一些实施例中，甲壳素提取自天然产物，比如动物、菌类、植物或者以上组合。比如，适用的甲壳素包括从蟹、虾或菌类中提取的α-甲壳素，或者从鱿鱼、墨鱼中提取的β-甲壳素。当前实施例中所使用的是从鱿鱼顶骨中提取的β-甲壳素。

水溶液可以是水或者水与其他至少一种合适溶质的混合物。

在一些实施例中，水溶液中包含碱性氢氧化物，尿素或者两者的组合。碱性氢氧化物可以是氢氧化锂、氢氧化钠或者氢氧化钾。在一些实施例中，甲壳素在包含碱性氢氧化物、尿素及其混合溶液中发生部分脱乙酰并形成壳聚糖。在该溶液中，可能同时包含甲壳素和壳聚糖。

在一些实施例中，环氧类交联剂可以从以下物质中选取：环氧丙烷、环氧氯丙烷、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、三(4-羟基苯基)甲烷三缩水甘油基醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚，以及这些物质的组合。

在一些实施例中，该方法中环氧类交联剂与β-甲壳素的摩尔比在0.5：1至20：1之间。这个比例也包括0.5：1，1：1，2：1，5：1，10：1，15：1或者20：1。

该方法中所用的胍可能是一种盐。这些胍盐可以是盐酸胍、碳酸胍、异氰酸胍、硝酸胍、双缩胍及其衍生物、三缩胍及其衍生物，或者这些物质的组合。在一些实施例中，使用盐酸胍。

在一些实施例中，该方法中盐酸胍和环氧类交联剂的摩尔比在0.2：1至2：1之间。这个比例也包括0.2：1，0.5：1，1：1，1.2：1，1.5：1或者2：1。

干燥过程基本上是把凝胶中残余的溶剂除去。在一些实施例中，干燥过程完全除去了凝胶中残余的溶剂。在一些实施例中，干燥过程包括把凝胶中的水溶液置换为有机溶剂，例如乙醇、丙醇或异丙醇。溶剂交换后水凝胶变为有机凝胶。在一些实施例中，该方法的干燥过程包括冷冻干燥。在一些实施例中，干燥过程包括把水凝胶中的水溶液置换为有机溶剂从而获得有机凝胶，然后进一步冷冻干燥有机凝胶。

在一些特定的实施例中，该文件提供了一种基于鱿鱼顶骨提取物的超吸水材料的制备方法，其中包括：

1、从鱿鱼顶骨中提取β-甲壳素并对其进行纯化，纯化步骤按顺序为脱蛋白、脱矿物质、清洗和干燥；

2、将β-甲壳素溶解在碱/尿素水溶液中形成甲壳素溶液；

3、向甲壳素溶液中添加环氧类交联剂和胍盐，三者发生反应形成凝胶，然后用去离子水进行清洗从而获得水凝胶；

4、利用溶剂交换将水凝胶中的水分置换为异丙醇使之变为有机凝胶，然后对有机凝胶进行冷冻干燥使之变为气凝胶。

从鱿鱼顶骨中提取β-甲壳素的过程可以是一个包含脱蛋白、脱矿物质、清洗和干燥的连续过程。脱蛋白可以利用碱对鱿鱼顶骨进行处理。比如，利用碱溶液进行处理，碱的种类可以是氢氧化钠、氢氧化钾及其混合物。碱在溶液中的质量分数在3％至7％之间，碱溶液与鱿鱼顶骨的比例在5：1至20：1之间。碱处理的温度在20至80摄氏度，处理时间在3到24小时之间。脱矿物质可以利用酸对鱿鱼顶骨进行处理。比如，利用酸溶液进行处理，酸的种类可以是盐酸、硫酸及其混合物。酸在溶液中的质量分数在3％至7％之间，酸溶液与鱿鱼顶骨的比例在5：1至20：1之间。碱处理的温度在20至60摄氏度，处理时间在3到12小时之间。清洗步骤是利用大量去离子水将残余的碱、酸、蛋白质、多肽、氨基酸和矿物质等物质除去。鱿鱼顶骨中蛋白质和矿物盐的种类可能有不同种类，并且脱蛋白、脱矿物盐和清洗步骤可能需要重复1到3次。提取过程中的干燥步骤可以是室温风干、热风烘干或者冷冻干燥。在该公开文件中，所提取的β-甲壳素的分子量在10⁶至2×10⁶g/mol之间(由体积排阻色谱法测得)。

将β-甲壳素溶解在碱/尿素水溶液中的方法，可以使用中国发明专利CN103059320B中所描述的完整方法。具体的，可以利用碱/尿素水溶液和冷冻/解冻循环来溶解甲壳素，其中，碱的种类包括氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种。甲壳素可以是提取自蟹、虾、菌类的α-甲壳素，或者提取自鱿鱼、墨鱼的β-甲壳素。

比如，氢氧化钾和尿素的混合溶液可以用于溶解甲壳素。按照溶液的总质量计算，氢氧化钾的质量分数在8％到15％之间；尿素的质量分数咋4％到6％之间；甲壳素的质量分数在0.5％到3％之间。溶解时，首先将β-甲壳素分散于氢氧化钾/尿素水溶液中，然后将该混合物放置于-30度至-18度的冰箱中。在降温过程中，β-甲壳素会发生高度溶胀并部分溶解于溶液中。结冰的混合物在室温下进行解冻，同时赋予剧烈搅拌使其形成溶液。该冷冻和解冻处理代表一次冷冻/解冻循环。冷冻/解冻循环需要重复1到3次以获得均相、粘稠、完全透明的甲壳素溶液。甲壳素溶液中可能含有大量气泡(比如在搅拌过程中引入)。溶解好的甲壳素溶液中不应该含有溶胀但未溶解的团块状物质。

该方法中所用的环氧类交联剂至少含有一个环氧基团，比如环氧丙烷、环氧氯丙烷、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、三(4-羟基苯基)甲烷三缩水甘油基醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚，以及这些物质的组合。环氧类交联剂和甲壳素单体单元之间的摩尔比在0.5：1至20：1之间。考虑到某些应用的生物安全性，需要选择合适的环氧交联剂。

该方法中所用的胍可以是盐酸胍、碳酸胍、异氰酸胍、硝酸胍、双缩胍及其衍生物、三缩胍及其衍生物的水溶液，或者这些物质的组合的水溶液。胍盐和环氧类交联剂之间的摩尔比在0.2：1至2：1之间。考虑到某些应用的生物安全性，需要选择合适的胍盐。

溶剂交换处理用于将水凝胶中的水分置换为异丙醇。利用该公开文件中所描述的制备方法得到的水凝胶在异丙醇中显著收缩，但依然能够保持其聚合物网络的完整性。异丙醇还可以用于控制水凝胶的体积及其密度。比如，可以利用梯度浓度的异丙醇水溶液进行溶剂交换。

从该方法中获得的有机凝胶可以利用商品化冻干机进行干燥。比如，在冷冻干燥前，先把有机凝胶浸入液氮中将其完全冷冻。在液氮中的快速降温过程仅会形成极小尺寸的溶剂晶体，从而避免破坏聚合物网络。为了提高冷冻干燥的效率，样品可以裁剪成小块状。根据样品总质量，干燥过程一般持续1到3天。有机凝胶中的有机溶剂(比如异丙醇)通过冷冻干燥可以完全除去，并形成气凝胶。冷冻干燥后，气凝胶样品会有所收缩，但已经不再含有异丙醇。

实施例1

室温下向98g氢氧化钾/尿素水溶液(包含10g氢氧化钾，4g尿素和84g水)中加入2gβ-甲壳素配置成悬浮液。将悬浮液保存在-20度冰箱中12h直至完全结冰。将结冰的悬浮液取出后于室温下解冻，解冻过程中赋予剧烈搅拌。甲壳素在该过程中逐渐溶解。经过5次冷冻/解冻循环后，甲壳素完全溶解并形成均相溶液。

随后，向甲壳素溶液中加入5g乙二醇二缩水甘油醚和5g盐酸胍，并搅拌均匀。将搅拌均匀的溶液转移至平板模具上，并加盖防止水分挥发。化学反应从乙二醇二缩水甘油醚的加入即开始，在室温下反应6h后完成，并得到凝胶。利用大量的去离子水将凝胶洗净，即可得到具有高溶胀率的水凝胶。随后，利用梯度浓度的异丙醇水溶液(质量分数为20％、40％、60％、80％和100％)对水凝胶中的水分进行溶剂交换。水凝胶在溶剂交换的过程中显著收缩，并形成有机凝胶。将有机凝胶浸入液氮中快速冷冻，然后利用商品化冻干机进行冷冻干燥。2天后，样品完全干燥。干燥后粉碎为50目粉末。

实施例2

室温下向99g氢氧化钾/尿素水溶液(包含20g氢氧化钾，4g尿素和75g水)中加入1gβ-甲壳素配置成悬浮液。将悬浮液保存在-30度冰箱中12h直至完全结冰。将结冰的悬浮液取出后于室温下解冻，解冻过程中赋予剧烈搅拌。甲壳素在该过程中逐渐溶解。经过3次冷冻/解冻循环后，甲壳素完全溶解并形成均相溶液。

随后，向甲壳素溶液中加入8g乙二醇二缩水甘油醚和10g硝酸胍，并搅拌均匀。将搅拌均匀的溶液转移至平板模具上，并加盖防止水分挥发。化学反应从乙二醇二缩水甘油醚的加入即开始，在室温下反应4h后完成，并得到凝胶。利用大量的去离子水将凝胶洗净，即可得到具有高溶胀率的水凝胶。随后，利用梯度浓度的异丙醇水溶液(质量分数为20％、40％、60％、80％和100％)对水凝胶中的水分进行溶剂交换。水凝胶在溶剂交换的过程中显著收缩，并形成有机凝胶。将有机凝胶浸入液氮中快速冷冻，然后利用商品化冻干机进行冷冻干燥。2天后，样品完全干燥。干燥后粉碎为50目粉末。

实施例3

室温下向99g氢氧化钾水溶液(包含20g氢氧化钾，其余为水)中加入1gβ-甲壳素配置成悬浮液。将悬浮液保存在-30度冰箱中12h直至完全结冰。将结冰的悬浮液取出后于室温下解冻，解冻过程中赋予剧烈搅拌。甲壳素在该过程中逐渐溶解。经过3次冷冻/解冻循环后，甲壳素完全溶解并形成均相溶液。

随后，向甲壳素溶液中加入0.6g 1，6-己二醇二缩水甘油醚和0.05g盐酸胍，并搅拌均匀。将搅拌均匀的溶液转移至平板模具上，并加盖防止水分挥发。化学反应从乙二醇二缩水甘油醚的加入即开始，在室温下反应3h后完成，并得到凝胶。利用大量的去离子水将凝胶洗净，即可得到具有高溶胀率的水凝胶。随后，利用梯度浓度的异丙醇水溶液(质量分数未20％、40％、60％、80％和100％)对水凝胶中的水分进行溶剂交换。水凝胶在溶剂交换的过程中显著收缩，并形成有机凝胶。将有机凝胶浸入液氮中快速冷冻，然后利用商品化冻干机进行冷冻干燥。2天后，样品完全干燥。干燥后粉碎为50目粉末。

实施例4

室温下向99g氢氧化钾/尿素水溶液(包含20g氢氧化钾，其余为水)中加入1gβ-甲壳素配置成悬浮液。将悬浮液保存在-25度冰箱中12h直至完全结冰。将结冰的悬浮液取出后于室温下解冻，解冻过程中赋予剧烈搅拌。甲壳素在该过程中逐渐溶解。经过4次冷冻/解冻循环后，甲壳素完全溶解并形成均相溶液。

随后，向甲壳素溶液中加入18g聚乙二醇二缩水甘油醚和20g双缩胍，并搅拌均匀。将搅拌均匀的溶液转移至平板模具上，并加盖防止水分挥发。化学反应从乙二醇二缩水甘油醚的加入即开始，在室温下反应6h后完成，并得到凝胶。利用大量的去离子水将凝胶洗净，即可得到具有高溶胀率的水凝胶。随后，利用梯度浓度的异丙醇水溶液(质量分数未20％、40％、60％、80％和100％)对水凝胶中的水分进行溶剂交换。水凝胶在溶剂交换的过程中显著收缩，并形成有机凝胶。将有机凝胶浸入液氮中快速冷冻，然后利用商品化冻干机进行冷冻干燥。2天后，样品完全干燥。干燥后粉碎为50目粉末。

三.超吸水材料

本发明的超吸水材料由甲壳素、环氧类交联剂和胍之间通过交联反应形成，包括由环氧类交联剂交联的甲壳素，以及连接在交联甲壳素上的胍。在一些实施例中，超吸水材料中的交联甲壳素是部分脱乙酰的。交联甲壳素可以是甲壳素或者脱乙酰甲壳素被环氧类交联剂交联后获得。在一些实施例中，胍通过环氧类交联剂连接在交联甲壳素上。比如，甲壳素或脱乙酰甲壳素可能连接在环氧类交联剂的一端、而胍连接在同一个环氧类交联剂的另一端。

在一些实施例中，该超吸水材料可能以气凝胶形态出现。比如，此处描述的甲壳素基水凝胶通过冷冻干燥后形成气凝胶。气凝胶可以在水和酸溶液中快速、显著地溶胀。材料的溶胀能力可以通过调整甲壳素、环氧类交联剂以及胍盐的比例来控制。在一些实施例中，可以通过调整甲壳素的脱乙酰度来提高材料在酸溶液中的吸收能力。

相比于未化学修饰的甲壳素，向环氧交联的甲壳素水凝胶中引入胍，能够提高材料在酸溶液中溶胀能力。此处描述的甲壳素的化学修饰，是形成了某种机制提高了材料在酸溶液中的溶胀能力。

该超吸水材料在酸溶液(3<pH<7)中的溶胀能力等于或大于其在中性水溶液(pH＝7)中的溶胀能力。

四.可食用凝胶的制备方法

本发明的可食用凝胶，以天然天然高分子甲壳素作为原料，将甲壳素从商品化鱿鱼顶骨中提取后，经过甲壳素的溶解以及简单可控的化学反应，制备在水和酸溶液中具有高吸水率的水凝胶；通过缩小凝胶尺寸赋予产品短时间内快速达到溶胀平衡的能力，(对产品的尺寸和形貌加以限制)溶胀后凝胶为小块状且相互之间可团聚形成更大的块状，在胃酸条件下仅发生轻微降解，降解产物为N-乙酰-D-葡萄糖胺(对降解加以说明)。如图2所示，展示了凝胶的服用方式、吸酸前(i)和后(ii)的对照图。

可食用凝胶的制备步骤与上述超吸水材料的制备步骤相同，但为了食用目的，所用的环氧交联剂选自乙二醇二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚；碱性溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠；胍为盐酸胍。

下面以一个具体的实施例，说明可食用凝胶每个步骤的详细操作过程。

(1)鱿鱼顶骨纯化

先将商品化鱿鱼顶骨剪碎成1平方厘米左右的小块状。然后按照每克鱿鱼顶骨需要20g氢氧化钠溶液的比例，将碎块浸入到预先配制好的质量分数为4％的氢氧化钠水溶液中，室温下处理48h，期间每3h翻动一次，并将底部的甲壳素翻动至上层。48h后倒去溶液，并用大量自来水清洗，直至鱿鱼顶骨中挤出的水分为中性。然后按照每克鱿鱼顶骨需要20g盐酸水溶液的比例，将碎块浸入到预先配制好的质量分数为4％的盐酸水溶液中，室温下处理48h，期间每3h翻动一次，并将底部的甲壳素翻动至上层。48h后倒去溶液，并用大量自来水清洗，直至鱿鱼顶骨中挤出的水分为中性。最后用纯水清洗三次后，即可挤干并放入40度鼓风烘箱中铺平烘干，大概需要48h，期间需要不停翻动鱿鱼顶骨，直至手感无水分。

商品化鱿鱼购自中国国内的甲壳素相关企业，购买时附带检测报告，一般而言蛋白质残余小于3％，灰分残余小于5％。

纯化鱿鱼顶骨为白色或带有浅黄色，其中蛋白质残留应小于0.1％(1g/kg)，灰分残留应小于0.1％(1g/kg)，水分残留应小于2％(质量分数)。

水分挤出的方式是手挤、机器挤压或甩干脱水等方式中的一种或几种。

中性pH为6.5至7.5之间。

(2)纯化鱿鱼顶骨的溶解

第一步，在玻璃容器中称量20g氢氧化钾，加入纯水79g溶解所有氢氧化钾，溶解后将溶液冷却至室温。第二步，向配制好的氢氧化钾溶液中加入1g纯化鱿鱼顶骨，待甲壳素完全浸入溶剂后，密封容器防止挥发，并放入80度水浴锅中加热2h。加热后趁热放入冷冻柜(-30度以下)中冷冻12h至结冰。第三步，将冷冻好的溶液取出，然后在25度下施加机械搅拌。搅拌结束后，将溶液密封后放入冷冻柜冷冻6h。第四步，重复第三步的搅拌操作三次，完成后鱿鱼顶骨完全溶解。溶解后将溶液放入冷冻柜中降温至-25度备用。

(3)利用交联剂进行化学交联

将100g已经溶解完全的甲壳素溶液从冰柜中取出，在25度下机械搅拌15分钟，然后边搅拌边加入10g盐酸胍，搅拌5min后盐酸胍完全溶解，然后边搅拌边加入7.5mL乙二醇二缩水甘油醚，继续搅拌1h。经过1h后停止搅拌，将溶液倒入玻璃培养皿中，溶液厚度不超过0.5cm。25度下静置反应时间4h。反应完成后即得预制凝胶。

氢氧化钾、盐酸胍、乙二醇二缩水甘油醚(环氧度大于0.7)、异丙醇(含量大于99％)均为试剂纯或分析纯。

(4)清洗、干燥和粉碎的步骤包括：

将刚结束反应的凝胶浸入体积分数为30％的异丙醇水溶液中脱模，非堆叠式平铺于容器底部，随后进行初次清洗，每100mL的凝胶需要1000mL异丙醇水溶液清洗。清洗温度为25度，清洗时配合摇床进行。初次清洗时间为12h。初次清洗完成后，更换新的异丙醇溶液清洗。每6h更换一次异丙醇溶液，异丙醇溶液的体积分数为50％，异丙醇溶液的体积为凝胶体积的10倍。清洗两次后，将凝胶剪成2cm×2cm的小块以便后续清洗。清洗过程持续至洗液的pH为中性，即为清洗干净。清洗干净后，用95％异丙醇/5％乙二醇混合有机溶剂将凝胶中的水分置换两次，混合溶剂的体积为凝胶体积的10倍。置换后将凝胶平铺于干净器皿上，置于30度鼓风箱中干燥24h。随后利用市售粉碎机将干燥后的凝胶颗粒打碎，打碎后收集粉末，过目数50目的筛网。未能过筛的颗粒富集后重新粉碎。粉碎后的粉末富集后置于真空干燥器中负压(-0.06MPa)以除去残余的异丙醇，真空干燥器中放置干燥氢氧化钾以吸收剩余的异丙醇。每次真空干燥进行24h，真空干燥3次后即可得到干净无异味的凝胶粉末。

所述的干燥凝胶粉末中，残留的异丙醇含量不超过0.01％(质量分数)，乙二醇二缩水甘油醚的含量不超过1μg/g，钾离子含量不超过20μg/g。残留物的检测方法符合食品安全国家标准管理相关法规。

五.可食用凝胶的性能验证

(1)吸液膨胀性能

吸液膨胀性能的测定以溶胀度来衡量，溶胀度是指0.1g的干凝胶在37度下经24小时后吸收去离子水或者酸溶液后的质量与干凝胶的质量之比。具体地，称取约0.1g干凝胶，将其浸泡于37度的去离子水或者酸溶液中，经过24小时后，用滤网收集吸液后的凝胶，并用滤纸拭去多余的水分，然后称量其吸液后的质量，并计算出溶胀度。制备的干凝胶粉末在水中能够吸收300至500倍的水分，在酸性溶液中(pH为2到5)中能够吸收100至400倍的溶液，在生理盐水中能够吸收30至50倍的溶液；溶胀后凝胶为小块状且相互之间可团聚形成更大的块状。如图3和4所示。

吸液膨胀的速度指不同时间点的溶胀度所描述得到的曲线。称取0.1g干凝胶粉末置于茶袋中，将茶袋和干凝胶一同浸泡于37度的酸性溶液中，每隔一段时间将茶袋取出并迅速用滤纸挤干茶袋中的水分，然后称量其总质量。取出茶袋和凝胶称重时，停止计时，将茶袋和凝胶重新浸入溶液中开始计时。累计时间为2小时。计算溶胀度时，利用总质量减去茶袋的质量得到凝胶吸液后的质量，然后再计算真实的溶胀度。干凝胶粉末在水和酸性溶液中具备短时间内(5至30分钟)快速达到溶胀平衡的能力，如图4所示。

(2)稳定性

凝胶在不同溶液中的稳定性通过凝胶的质量变化曲线来衡量。称取约0.1g干凝胶粉末置于茶袋中，将茶袋和干凝胶一同浸入37度的溶液中，每天固定的时间点称量凝胶的质量。以吸液24小时的凝胶的质量作为其最大溶胀度时的质量，其后每天的凝胶质量与最大溶胀度时的质量之比作为凝胶的质量变化。选取的溶液为磷酸缓冲溶液(pH＝7.4)、pH＝1酸溶液、人工胃液(pH＝1.8，含酶)和人工小肠液(pH＝6.8，含酶)。累计时间为14天。凝胶在磷酸缓冲溶液中不会出现任何溶解现象。在pH＝1酸溶液、人工胃酸、人工小肠液中经历24小时不发生降解；在pH＝1酸溶液、人工胃酸、人工小肠液经历1周，产品质量发生变化，理由是凝胶发生轻微降解，降解产物经核磁氢谱表征推定为N-乙酰-D-葡萄糖胺，该产物不会产生毒性或热量。结果如图5所示。

(3)口服安全性验证

口服安全性验证以小鼠实验来证明。选取80只健康小鼠，年龄为3周，雌雄参半。生理盐水能够有效抑制凝胶的溶胀度，因此选取生理盐水作为混合溶剂。将一定量的干凝胶粉末与生理盐水混合，通过灌胃针给小鼠喂食。给药量为：低剂量组0.1g/kg、中剂量组0.5g/kg、高剂量组1g/kg。样品喂食为每天早上10时，喂食后自由进食、饮水、活动。小鼠不分笼，无特殊环境饲养，无其他外界刺激干扰。每两天称量一次体重，每天观察小鼠的健康状态，尤其是是否出现腹泻、食欲减退等问题。无喂药小鼠作为对照组。小鼠连续1个月服用该产品(配合生理盐水口服)，没有出现死亡案例，体重增长与自由进食相似，没有出现任何不适症状。具体结果如图6所示。

(4)体重控制性能验证

体重控制性能以大鼠实验来验证。选取40只健康大鼠，初始体重为200至300克，雌雄参半。聚乙二醇能够有效分散凝胶，但不会干扰凝胶的吸水膨胀性能，因此选取聚乙二醇作为混合溶剂。将一定量的干凝胶粉末与聚乙二醇混合，通过灌胃针给小鼠喂食，喂药后立刻喂水3毫升。给药量为：低剂量组0.1g/kg、中剂量组0.5g/kg、高剂量组1g/kg。样品喂食为每天下午5时，喂食后自由进食、饮水、活动。大鼠分性别饲养，无特殊环境饲养，无其他外界刺激干扰。每两天称量一次体重，每天观察大鼠的健康状态，尤其是是否出现腹泻、食欲减退等问题。无喂药大鼠作为对照组。大鼠实验证明连续14日内服用该产品，没有出现死亡案例，与自由进食的大鼠相比，实验组大鼠的体重增长率下降明显，雄性大鼠体重增长率最多下降25％，雌性大鼠体重增长率最多下降18％，具有明显的体重增长抑制作用。需要注意的是，大鼠实验中，若大鼠的体重在给药后一直下降，说明药物具有毒性，从而无法区分出其毒性与体重抑制能力，因此采用体重增长率的衰减来衡量体重抑制性能。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，包括将甲壳素溶解在碱性氢氧化物的水溶液中，或者溶解在碱性氢氧化物与尿素的混合物的水溶液中；溶解的甲壳素与环氧类交联剂，以及胍无机盐或者含有胍端基的有机物中的一种进行交联，从而形成水凝胶；水凝胶的干燥；

所述甲壳素为β-甲壳素，所述环氧类交联剂与所述β-甲壳素的摩尔比在0.5：1至20：1之间；

所述胍无机盐或者含有胍端基的有机物与所述环氧类交联剂的摩尔比在0.2：1至2：1之间。

2.根据权利要求1所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，所述甲壳素从天然产物中提取。

3.根据权利要求2所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，所述天然产物为鱿鱼顶骨。

4.根据权利要求2所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，水凝胶的干燥过程包括将水凝胶中的水溶液置换为有机溶剂。

5.根据权利要求1所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，水凝胶的干燥包括冷冻干燥。

6.根据权利要求1所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，环氧类交联剂选自以下中的任意一种或多种的组合：环氧丙烷、环氧氯丙烷、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、三(4-羟基苯基)甲烷三缩水甘油基醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚。

7.根据权利要求1所述的制备甲壳素基超吸水材料的方法，其特征在于，所述胍无机盐选自以下中的任意一种或多种的组合：盐酸胍、碳酸胍、异氰酸胍、硝酸胍；所述含有胍端基的有机物选自双缩胍及其衍生物、三缩胍及其衍生物中任意一种或多种的组合。

8.一种基于权利要求1~7中任意一项的方法得到的甲壳素基超吸水材料。

9.根据权利要求8所述的甲壳素基超吸水材料，其特征在于，该超吸水材料为气凝胶。

10.根据权利要求8所述的甲壳素基超吸水材料，其特征在于，该超吸水材料包含由环氧类交联剂交联的甲壳素，以及连接在交联甲壳素上的胍。

11.根据权利要求8所述的甲壳素基超吸水材料，其特征在于，由环氧类交联剂交联的甲壳素至少是部分脱乙酰的。

12.一种具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

（1）将β-甲壳素溶解在碱性溶液中；

（2）向溶解甲壳素的碱性溶液中加入环氧类交联剂进行交联，并加入胍无机盐或者含有胍端基的有机物，从而形成水凝胶；

（3）对水凝胶进行清洗、干燥以及粉碎，得到可食用凝胶；

所述环氧类交联剂选自乙二醇二缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚；

所述碱性溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠；

所述胍无机盐为盐酸胍。

13.根据权利要求12所述的具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，按照1g/kg计，所述β-甲壳素中的蛋白质残留应小于0.1%，灰分残留应小于0.1%。

14.根据权利要求12所述的具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，所述环氧类交联剂和胍无机盐均为分析纯，且所述环氧类交联剂的环氧度大于0.7。

15.根据权利要求12所述的具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，所述β-甲壳素来自于鱿鱼顶骨。

16.根据权利要求15所述的具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，从鱿鱼顶骨制备得到可食用凝胶的步骤如下：

鱿鱼顶骨的纯化、鱿鱼顶骨的溶解、凝胶的制备、凝胶的清洗、干燥以及粉碎四步；

所述鱿鱼顶骨的溶解包括：

（1）将纯化后的鱿鱼顶骨浸入碱性溶液中，然后将反应容器密封，并加热，使得甲壳素部分脱乙酰后，放入-30度以下的环境中冷冻至结冰；

（2）将冷冻后的鱿鱼顶骨溶液取出，进行充分搅拌后，然后继续冷冻；重复搅拌、冷冻若干次，使得鱿鱼顶骨完全溶解在碱性溶液中；

所述凝胶的制备包括：

（1）向溶解鱿鱼顶骨的碱性溶液中加入盐酸胍、环氧类交联剂，并搅拌使其溶解；

所述凝胶的清洗、干燥以及粉碎包括：

（1）将凝胶浸入异丙醇水溶液中脱模，然后用异丙醇溶液进行初步清洗，且清洗配合摇床进行；清洗重复多次，每次更换新的异丙醇溶液进行清洗，直至洗液的pH为6.5~7.5；

（2）清洗干净后，用纯的醇将凝胶中的水分置换，得到干燥后的凝胶；

（3）将干燥后的凝胶粉碎成粉末，并过筛，然后放置于真空干燥设备中除去残余的异丙醇。

17.根据权利要求16所述的具有吸酸性能的可食用凝胶的制备方法，其特征在于，纯化后的鱿鱼顶骨按g/kg来计，则鱿鱼顶骨的蛋白质残留应小于0.1%，灰分残留应小于0.1%。

18.一种由上述权利要求12~17中任意一项的制备方法得到的具有吸酸性能的可食用凝胶。

19.一种如权利要求18所述的可食用凝胶在制备肥胖控制药物中的应用。