基于菠萝皮渣高值化改性的环境敏感型水凝胶制备及活性成分的包埋和缓释

Abstract：This project focusese on preparation of environment-sensitive hydrogels and its controlling release of functional components based on modification of pineapple peel. The high lights of this project involve: 1. Preparation of pH-sensitive hydrogel,temperature-sensitive hydrgol and ultrasonic-sensitive hydrogel from pineapple peel fibre; 2. embedment of tea catechin (EGCG) and immobilization of trypsin in the prepared hydrgels; 3. Characterization on the prepared hydrogels and additive effect; 4. EGCG is used as the printing molecule to prepare molecularly imprinted hydrgel; 5. Study on the controlling release of EGCG from the hydrogels and the reaction kinetics of the immobilized trypsin on the hydrogels; 6. Evaluation on binding capacity of EGCG released from the hydrogels with bile salts in vitro. The above results will benefit to find the way to reuse the peel residue of processed pineapple and clarify the mechanisms of controlling release and the reaction kinetics of some functional components from the prepared hydrogels.

在前一个国家自然科学基金小额探索项目的基础上，通过对纤维分子的改性，将加工后的菠萝余渣制备成环境敏感型水凝胶，包埋和固定化茶多酚表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、胰蛋白酶等在食品工业中有重要应用价值的生物活性成分，分析其缓释模型和反应动力学。创新性研究内容包括：一、提取色素含量低的菠萝皮渣纤维素，通过离子液体溶解和疏水改性、交联剂及致孔剂作用，制备出具有一定响应范围的pH敏感型、温度敏感型和超声波型敏感型的水凝胶并进行特性表征；二、以EGCG、胰蛋白酶为活性成分代表，利用分子印迹技术和添加剂的影响，研究水凝胶对活性成分的包埋效果；三、研究环境敏感型水凝胶中活性成分的控制释放模型和反应动力学；四、分析EGCG缓释后对胆酸盐的结合能力。本项目对引导农产品高值化利用有两个层面的意义：一是探索果蔬加工余渣的改性及高值化利用的理论和技术；二是获得所制备水凝胶中活性成分的包埋、缓释模型和反应动力学

本项目从菠萝等主要农产品的加工余渣中提取和改性纤维素，制备成高效的吸附剂和功能性水凝胶，并进行活性成分的包埋和固定化，分析其缓释模型和反应动力学。主要研究结果如下：.（1）:以菠萝皮渣为原料，通过碱性过氧化处理，分离得到4个纤维素组分，利用FT-IR, IC, TGA和DSC进行结构表征。提取的纤维素得率23.62%，纯度较高、热稳定性良好，纤维素C3葡萄糖含量高达93%以上。当纤维素浓度为4%，以离子液体种类BMIMCl制备的再生纤维素水凝胶具备良好的质构特性和机械特性。纤维素在离子液体溶解再生形成水凝胶的过程中纯度会进一步升高，纤维素晶型会由纤维素I转变为纤维素II。.（2）：在离子液体BmimCl中对菠萝皮渣纤维素进行乙酰化改性并负载乌贼墨制备复合水凝胶。反应后纤维素晶体类型从I型转为II型。乌贼墨均匀分布在水凝胶表面，并能提高水凝胶的热稳定性。最佳条件下制备的水凝胶对亚甲基蓝吸附量可达到147.41 mg/g。通过接枝丙烯酸反应并负载乌贼墨和高岭土制备成具有pH敏感性特征的复合水凝胶，增强水凝胶的热稳定性。水凝胶的溶胀过程符合Schott二阶动力学模型，且具有pH响应特性。添加10%高岭土和20%乌贼墨制备的水凝胶对亚甲基蓝吸附量为153.85 mg/g，吸附率为95.45%。水凝胶对亚甲基蓝的吸附过程遵循准二级动力学模型，属于化学吸附。.（3）：通过接枝聚合反应制备菠萝皮渣羧甲基纤维素/丙烯酸-丙烯酰胺/白土超吸水智能水凝胶。溶胀率达到到515.24 g/g。添加明胶和海藻酸钠制备具有多重智能响应性的天然聚电解质复合水凝胶。溶胀率增加，水凝胶的溶胀具有明显的pH、盐和尿素溶液敏感性。溶胀过程遵循Fickian扩散模型和Schott二阶动力学模型。可作为化肥缓释剂和保水剂应用到农业领域，在药物输送、生物传感器等领域具有一定的应用前景。.（4）：通过添加聚乙烯醇，介孔二氧化硅SBA-15，将菠萝皮渣羧甲基纤维素制备成复合水凝胶，对木瓜蛋白酶蛋白酶固定化。固定化后的木瓜蛋白酶具有明显的pH敏感性，同时pH、温度和储存稳定性也得到一定程度的提高。