本發(fā)明屬于功能高分子，具體涉及一種高吸水性魔芋水凝膠聚合物及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、魔芋水凝膠是一種基于魔芋葡甘聚糖(konjac?glucomannan)的高吸水性材料，因其卓越的吸水和膨脹性能，在多個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，尤其是在食品、醫(yī)藥及健康領(lǐng)域。魔芋葡甘聚糖作為一種天然的非淀粉類多糖，其分子結(jié)構(gòu)由葡萄糖和甘露糖組成，屬于膳食纖維的一種。該纖維遇水后能吸收大量水分并形成黏稠的凝膠狀物質(zhì)，吸水能力可達(dá)到自身體積的50倍以上。這一特性使魔芋水凝膠成為體重管理和腸道健康產(chǎn)品的理想候選成分，因為它能夠在胃腸道內(nèi)迅速膨脹，增加飽腹感，同時延緩胃排空速度，有助于減少食物攝入。此外，魔芋葡甘聚糖的黏稠特性有助于促進(jìn)腸道蠕動，改善腸道功能，降低便秘發(fā)生率，并調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡。然而，盡管魔芋水凝膠表現(xiàn)出顯著的膨脹和吸水能力，其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在不同環(huán)境條件下的物理和化學(xué)穩(wěn)定性問題。魔芋水凝膠的黏度表現(xiàn)對外界因素如溶液的ph值、離子強(qiáng)度和溫度高度敏感。尤其是在酸性環(huán)境(如胃酸)中，魔芋葡甘聚糖的黏度往往會顯著下降，進(jìn)而削弱其膨脹性和吸水能力，這種黏度變化不僅影響魔芋水凝膠的物理穩(wěn)定性，還可能降低其在體內(nèi)的實(shí)際功效。魔芋水凝膠雖然具備良好的膨脹能力，但其機(jī)械強(qiáng)度較為薄弱。在胃腸道的機(jī)械作用力或外部壓力下，凝膠結(jié)構(gòu)容易破裂或變形，導(dǎo)致其在復(fù)雜的消化系統(tǒng)環(huán)境中難以保持穩(wěn)定性，這限制了其在食品和醫(yī)藥制劑等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，基于上述問題，研發(fā)一種高吸水性、高穩(wěn)定性和緩慢膨脹的魔芋水凝膠聚合物是極其有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高吸水性魔芋水凝膠聚合物及其制備方法。

2、本發(fā)明所述的技術(shù)效果通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種高吸水性魔芋水凝膠聚合物，其組成包括以下按重量份的原料：30～40份乙?；в笃细示厶?、10～15份改性殼聚糖、5～8份氯化鈣溶液、1～3份醋酸溶液、3～5份納米纖維素、2～5份蜂蠟、10～15份mct中鏈甘油三酸酯和1～3份乳化劑組成。

3、優(yōu)選地，所述乳化劑是卵磷脂、吐溫-80和單硬脂酸甘油酯中的任意一種。

4、優(yōu)選地，所述氯化鈣溶液的濃度為0.2～0.5m。

5、優(yōu)選地，所述醋酸溶液的濃度為0.1～0.2m。

6、優(yōu)選地，所述乙?；в笃细示厶堑木唧w制備步驟如下：

7、a1：將魔芋葡甘聚糖加入到蒸餾水中，攪拌溶解均勻，獲得5～10wt%的魔芋葡甘聚糖溶液；將魔芋葡甘聚糖溶液冷卻至0～5℃，然后加入檸檬酸鈉調(diào)節(jié)ph至6.5～7，持續(xù)攪拌下緩慢滴加乙酸酐，攪拌反應(yīng)2～3h，反應(yīng)結(jié)束后，加入3～4倍溶液體積乙醇終止反應(yīng)，6000rpm離心10min，蒸餾水洗滌至中性，50～60℃真空干燥至恒重，獲得乙?；в笃细示厶?。

8、優(yōu)選地，步驟a1中，所述乙酸酐的用量為魔芋葡甘聚糖溶液體積的1～2%。

9、優(yōu)選地，所述改性殼聚糖的具體制備步驟如下：

10、b1：將殼聚糖溶解于0.1m乙酸水溶液中，攪拌溶解均勻，獲得濃度為1～2wt%的殼聚糖溶液；將十六烷基三甲基溴化銨溶于二甲基亞砜溶劑中，水浴加熱至50℃，攪拌溶解均勻，獲得十六烷基三甲基溴化銨溶液；

11、b2：將步驟b1中制備的十六烷基三甲基溴化銨溶液緩慢滴加到殼聚糖溶液中，水浴加熱至50～60℃，控制ph至4～5，反應(yīng)3～6h后，將反應(yīng)溶液分三次倒入3～4倍溶液總體積的乙醇溶液中，離心，過濾，乙醇重復(fù)洗滌三次，60℃真空干燥至恒重，獲得改性殼聚糖。

12、優(yōu)選地，步驟b1中，所述十六烷基三甲基溴化銨和二甲基亞砜溶劑的用量之比為0.15～0.3g:1ml；

13、優(yōu)選地，步驟b2中，所述十六烷基三甲基溴化銨溶液和殼聚糖溶液的體積用量之比為0.6～1:1。

14、優(yōu)選地，本發(fā)明的另一方面在于提供一種高吸水性魔芋水凝膠聚合物的制備方法，具體制備步驟如下：

15、s1：將乙?；в笃细示厶侨苡谡麴s水中，攪拌溶解均勻，獲得1～3wt%的乙?；в笃细示厶侨芤?；將改性殼聚糖溶解到醋酸溶液中，攪拌溶解均勻，獲得殼聚糖溶液；將納米纖維素加入到蒸餾水中，超聲處理分散均勻，獲得1～2wt%納米纖維素懸浮液；

16、s2：將步驟s1中制備的殼聚糖溶液緩慢加入到乙?；в笃细示厶侨芤褐校^程中控制ph至5.5～6.5，持續(xù)攪拌30～60min后，逐步加入步驟s1中制備的納米纖維素懸浮液，持續(xù)攪拌30～50min，逐步加入氯化鈣溶液，持續(xù)攪拌30～60min，獲得凝膠溶液；

17、s3：向燒杯中加入四分之三重量份的mct中鏈甘油三酸酯，加入乳化劑，攪拌溶解均勻，獲得油相；將油相置于均質(zhì)機(jī)下，設(shè)置轉(zhuǎn)速為2000～3000rpm，持續(xù)攪拌下，緩慢加入步驟s2中制備的凝膠溶液，乳化反應(yīng)15～30min，乳化完成后靜置30min，獲得乳液；

18、s4：將步驟s3中制備的乳液在-20℃下預(yù)冷凍4h，然后再在-80℃預(yù)冷凍2h，獲得預(yù)冷凍凝膠，冷凍干燥處理，獲得凝膠顆粒；

19、s5：將蜂蠟和四分之一重量份的mct中鏈甘油三酸酯混合，水浴加熱至70℃完全溶解，獲得涂覆液，將步驟s3中制備的凝膠顆粒預(yù)熱至40℃，然后加入涂覆液中，攪拌1～2min后，篩網(wǎng)分離凝膠顆粒，立刻4℃冷卻固化，獲得魔芋水凝膠聚合物。

20、優(yōu)選地，步驟s2中，所述納米纖維素懸浮液分三批次加入；所述氯化鈣溶液分四批次加入；

21、優(yōu)選地，步驟s4中所述冷凍干燥處理的具體操作如下：設(shè)置冷凍干燥機(jī)的溫度為-50℃，真空度為0.1?mbar，將預(yù)冷凍凝膠在-50℃干燥24h，然后以1℃/min的速度升溫至20℃干燥6h。

22、本發(fā)明的有益效果如下：

23、本發(fā)明對魔芋葡甘聚糖進(jìn)行乙酰化改性，有效降低其親水性，延緩水分進(jìn)入凝膠的速度，同時提高凝膠在酸性和中性條件下的穩(wěn)定性，乙酰化基團(tuán)的引入還可與十六烷基改性殼聚糖的長鏈烷基之間產(chǎn)生疏水相互作用，增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，此外，乙酰化處理賦予水凝膠一定的耐酸性，使其在胃酸環(huán)境中能夠維持結(jié)構(gòu)完整性，從而增強(qiáng)其在復(fù)雜消化系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。多價金屬離子交聯(lián)(鈣離子)通過與魔芋葡甘聚糖形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，金屬離子交聯(lián)不僅增強(qiáng)了凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可調(diào)控凝膠的親水性，延緩初期吸水速率，同時逐步提升水分子滲透到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后的吸水性能，表現(xiàn)出逐步加速的高吸水性。乙?；男院徒饘匐x子交聯(lián)共同構(gòu)建的雙重結(jié)構(gòu)，不僅能夠減緩初期的吸水速度，還為后續(xù)的水分?jǐn)U散提供了充足的吸附位點(diǎn)，使水凝膠在吸水過程中保持良好的機(jī)械強(qiáng)度。殼聚糖的十六烷基長鏈改性在凝膠網(wǎng)絡(luò)中能夠通過疏水相互作用形成更緊密的分子排列，使得凝膠在吸水膨脹過程中更加穩(wěn)固，不易破裂或失穩(wěn)，十六烷基改性殼聚糖在界面誘導(dǎo)法中也能發(fā)揮協(xié)同作用，由于疏水性的引入，在水-油界面形成更加穩(wěn)定的相分離結(jié)構(gòu)，促進(jìn)孔隙的形成。

24、本發(fā)明通過納米纖維素的引入顯著提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。作為物理增強(qiáng)材料，納米纖維素與魔芋葡甘聚糖交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互作用，形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，使水凝膠在吸水膨脹過程中不易破裂或失穩(wěn)。同時，納米纖維素的高比表面積有助于增強(qiáng)后期的吸水性能，通過其親水性和納米尺度結(jié)構(gòu)，納米纖維素在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，促進(jìn)水分在凝膠內(nèi)部的擴(kuò)散，提升水凝膠的高吸水能力。在水凝膠的表面涂覆一層天然可食用的親脂性物質(zhì)蜂蠟和mct中鏈甘油三酸酯的混合涂覆液，進(jìn)一步調(diào)節(jié)水凝膠的表面性質(zhì)，該涂層具有一定的疏水性，能夠延緩水分從外部進(jìn)入凝膠內(nèi)部，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)緩慢吸水的效果；此外，植物蠟具有良好的生物相容性和安全性，還可以保護(hù)水凝膠在消化道中的結(jié)構(gòu)完整性，防止其被過早降解，延長其在消化道中的停留時間。

25、本發(fā)明利用界面誘導(dǎo)法結(jié)合冷凍干燥技術(shù)在水凝膠內(nèi)部生成多孔結(jié)構(gòu)，顯著提升其比表面積和水分傳遞效率，多孔結(jié)構(gòu)的引入有效延緩初期的吸水速率，基于水分需要逐步通過這些孔隙進(jìn)入凝膠內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)緩釋吸水的效果；同時，冷凍干燥技術(shù)通過形成穩(wěn)定且均勻的微孔網(wǎng)絡(luò)，使水凝膠在吸收一定量的水后能夠迅速膨脹，增加吸水容量，并保持凝膠的結(jié)構(gòu)完整性。通過上述協(xié)同作用，不僅延長了水凝膠在消化道中的停留時間，還提高了其在藥物制劑和膳食補(bǔ)充劑中的適用性。