一种辅助控制饮食的水凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于医疗辅助技术领域，具体涉及一种辅助控制饮食的水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

2016年英国著名医学杂志《柳叶刀》发表全球成年人体重调查报告，调查发现我国肥胖人口超过9000万，已超越美国成为全球肥胖人口最多的国家，其中包括4320万男性和4640万女性，分别占全球的16.3％和12.4％。在过去的几十年中，肥胖已经成为全球性流行性疾病，肥胖还会伴随着并发症，包括糖尿病、脂肪肝、高血压、冠心病、睡眠呼吸暂停综合症等，重度肥胖还可能诱发心肌梗塞和脑卒中，严重威胁人们的健康。目前治疗和预防肥胖症的主要方法有药物治疗、手术治疗、运动和饮食控制。其中药物治疗的毒副作用可能会伤害身体健康，手术治疗均会对人体造成不同程度的创伤且治疗费用昂贵。运动减肥结合饮食控制是公认最为安全有效的减肥方法，其关键是运动，但还必须配合科学的饮食控制，注重控制摄入热量的同时又必须确保满足人体正常的营养需求。

饮食控制的本质是和人本能的饥饿感做斗争，一般人往往缺乏意志力长久坚持。为此需要使用额外的辅助手段，人为地提供饱腹感以降低饮食控制的难度。目前已有研究人员开发出多种具有提供饱腹感功能的胶囊或其他形式的组合物。

中国专利201510670166公开了一种胃减容减肥胶囊，其通过磁敏传感器遥控磁控开关，胶囊中无机酸盐与有机酸反应使囊体膨胀，填充患者部分胃腔，使胃容积减小，从而达到减肥的效果。但胶囊外壳由不可消化的高分子物质组成，其材质成分存在生物安全性风险，个别人群可能产生过敏反应，且胶囊可能在消化过程中破损，导致内部化学物质进入消化系统。

中国专利201510112695公开了一种减肥胶囊及其制备方法，该种胶囊内含有聚氨酯的球形颗粒，进入人体遇水后，球形颗粒逐渐膨胀，恢复聚氨酯球的形状，从而将胃或肠内的食物吸收储存于聚氨酯球内，随大便排出体外。其实质是不经科学控制地节食，该类胶囊服用量过多会导致摄入营养不足，服用量过少则无法有效提供饱腹感。而其吸收营养物质的随机性决定了其难以精确确定合适用量，难以配合科学的饮食控制。

中国专利201280051478公开了提供饱腹感的组合物，其主要成分为高分子量的甲基纤维素。当其被人体摄入后，在胃部甲基纤维素与水形成凝胶团诱导饱腹感、可逆地减小胃空隙容量并减少热量摄入。但甲基纤维素在体内无法均匀与水接触，外层吸水膨胀成胶团会阻止水分进入里层，导致膨胀率较小，需要大量服用才能满足功能需求，形成的凝胶团体积较大可能影响肠胃消化。

因此，有必要开发一种饱腹感更好、安全无害，且不影响人体对营养吸收的产品。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种辅助控制饮食的水凝胶及其制备方法与应用，所得水凝胶不但对人体安全无害，而且饱腹感非常好，又不影响人体对营养吸收的产品。

为了达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种辅助控制饮食的水凝胶，主要由羧甲基纤维素钠、水溶性多糖类高分子以及多元羧酸交联而成，其中所述羧甲基纤维素钠的取代度为0.7-1.2，且由所述羧甲基纤维素钠配制而成的质量浓度1％的水溶液在25℃下的粘度为3000-15000mPa·s，所述水溶性多糖类高分子为非离子型且其配制而成的质量浓度2％的水溶液在25℃下的粘度为150-1500mPa·s。

上述水凝胶通过多元羧酸上的羧基与羧甲基纤维素钠以及水溶性多糖类高分子上的羟基发生缩合反应制得，具有介于液体和固体之间的三维网络结构，是一种能显著溶胀于水但不溶解于水的亲水聚合物，具有pH敏感性，当其在胃部的酸性环境中时，其原料羧甲基纤维素钠解离产生的羧基离子(－COO

所述水溶性多糖类高分子的粘度会影响水凝胶在胃肠液中的溶胀，通过控制所述水溶性多糖类高分子配制而成的质量浓度2％的水溶液在25℃下的粘度为150-1500mPa·s，使所述水凝胶在胃和小肠环境中具有非常高的溶胀比，同时在结肠环境中能更好的溃散溶解。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，所述羧甲基纤维素钠、所述水溶性多糖类高分子以及所述多元羧酸的重量比为羧甲基纤维素钠：水溶性多糖类高分子：多元羧酸＝＝50-90：50-10：0.5-2。多元羧酸的用量太低或太高，都会使水凝胶在胃液和小肠液中的溶胀比降低，并使水凝胶在结肠中的溃散溶解性降低，当所述羧甲基纤维素钠、所述水溶性多糖类高分子以及所述多元羧酸的重量比在上述范围内时，采用效果例1所述的方法对所得水凝胶进行溶胀性能测试，发现水凝胶在人工胃液中的溶胀比在12.5以上，在人工小肠液中的溶胀比在65以上，在人工结肠液中溃散溶解至溶胀比在10.5以下，甚至为0。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，所述水溶性多糖类高分子为羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基纤维素、琼脂中的至少一种。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，所述多元羧酸为柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、富马酸中的至少一种。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，所述水溶性多糖类高分子为羟乙基纤维素，所述多元羧酸为柠檬酸。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，所述羧甲基纤维素钠、所述羟乙基纤维素以及所述柠檬酸的重量比为羧甲基纤维素钠：羟乙基纤维素：柠檬酸＝80：20：1。当羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素以及柠檬酸在该特定比例下，水凝胶在胃液和小肠液中的溶胀性以及在结肠中的溃散溶解性都更好。

作为本发明水凝胶的优选实施方式，由所述羧甲基纤维素钠配制而成的质量浓度1％的水溶液在25℃下的粘度为5000-15000mPa·s。

第二方面，本发明提供了一种上述水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水溶性多糖类高分子和多元羧酸溶于纯水中，得到溶液；

(2)边搅拌所述溶液边加入羧甲基纤维素钠，然后搅拌至所述羧甲基纤维素钠完全溶解均匀，得到胶团；

(3)在温度70℃以上的条件下对所述胶团进行干燥处理以发生交联反应，即得所述水凝胶。

发明人在研究过程中发现，在70℃以上的高温下所述交联反应才能发生。

作为本发明制备方法的优选实施方式，在所述步骤(2)和所述步骤(3)之间还包括以下步骤A：将所述胶团在温度50℃以下的条件进行干燥，直至含水量降至50-90wt％。当干燥温度超过50℃时，胶团外侧水分蒸发过快，形成干燥致密的外壳会阻碍胶团水分蒸发。

作为本发明制备方法更优选的实施方式，所述步骤A中干燥温度为40-50℃，干燥时间为4-8小时。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述胶团在进行所述交联反应前，先被切成体积更小的胶团，以使后续交联反应更充分。

交联反应的温度和时间必须严格控制，以防过度交联，而使水凝胶的溶胀性能变差，优选控制所述步骤(4)中干燥温度为70-90℃，干燥时间为4-8h。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)纯水用量为羧甲基纤维素钠用量的15-25倍。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述制备方法还包括以下步骤：将所述步骤(3)所得水凝胶进行研磨筛分处理，得到粒径不超过2mm的干燥水凝胶颗粒。

第三方面，本发明还提供了一种辅助控制饮食的水凝胶胶囊，包括胃溶或肠溶胶囊壳以及在所述胶囊壳内的内容物，所述内容物包括上述水凝胶，所述水凝胶为干颗粒。所述水凝胶胶囊被吞服后，胶囊壳在胃肠中溶解，胶囊中的干燥水凝胶颗粒接触液体后发生溶胀，体积迅速增大，膨胀后的水凝胶占据胃肠空间产生饱腹感，服用少量即可提供明显饱腹感，水凝胶进入碱性的结肠环境后水解溃散溶解，不影响人体对营养的吸收。

作为本发明水凝胶胶囊的优选实施方式，所述水凝胶为粒径不超过2mm的颗粒。当所述水凝胶粒径不超过2mm时，在胃液和小肠液中的溶胀性更好，在结肠液中的溃散溶解性更好。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明以羧甲基纤维素钠以及可食用胶体——水溶性多糖类高分子为原料，以多元羧酸为交联剂，进行交联发应制得具有pH敏感性的水凝胶，在酸性的胃液与中性的小肠液中所得水凝胶能够溶胀，在碱性的结肠环境中所得水凝胶会溃散溶解，并通过控制多元羧酸的用量以及采用非离子型的水溶性多糖类高分子，使水凝胶在胃部酸性环境和小肠中性环境下均具有较高溶胀比，在结肠碱性环境下具有更好的溃散溶解性；本发明所得水凝胶能用于制备辅助控制饮食的水凝胶胶囊，不但对人体安全无害，而且饱腹感非常好，又不影响人体对营养吸收的产品，可以配合饮食的科学控制。

附图说明

图1为实施例1中交联反应产物的照片；

图2为效果例1中实施例1所得水凝胶在人工胃液中溶胀90min后的照片；

图3为效果例1中实施例1所得水凝胶在人工小肠液中溶胀90min后的照片；

图4为效果例1中实施例1所得水凝胶在人工结肠液中溶胀90min后的照片；

图5为效果例1中各实施例和对比例所得水凝胶在不同液体介质中的溶胀效果图；

图6为效果例2中热分析结果图；

图7为效果例2中红外光谱图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例为本发明辅助控制饮食的水凝胶的一种实施方式，本实施例辅助控制饮食的水凝胶所用原料种类以及各原料用量如表1所示，其主要由以下重量份的原料交联而成：羧甲基纤维素钠80.0重量份，羟乙基纤维素20.0重量份，柠檬酸1.0重量份；其中羧甲基纤维素钠的生厂厂家和型号见表2，其DS(取代度)为0.7-1.2，由该羧甲基纤维素钠配制而成的质量浓度1％的水溶液在25℃下的粘度为5000-15000mPa·s；羟乙基纤维素的生厂厂家和型号见表2，由该羟乙基纤维素配制而成的质量浓度2％的水溶液在25℃下的粘度为300-400mPa·s。

本实施例辅助控制饮食的水凝胶的制备方法包括以下步骤：

(1)将羟乙基纤维素和苹果酸溶于纯水中，搅拌1h以完全溶解均匀得到溶液；

(2)边搅拌步骤(1)所得溶液边加入羧甲基纤维素钠，然后持续搅拌24h以确保羧甲基纤维素钠完全溶解均匀，得到胶团；

(3)将步骤(2)所得胶团平铺在洁净的聚四氟乙烯板上，之后在40℃烘箱中干燥5h，含水量降至50-90wt％范围内；

(4)将步骤(3)所得胶团切割成边长约为1cm的方块；

(5)在温度75℃的条件下对步骤(4)所得胶团进行6h的干燥处理以发生交联反应；

(6)将步骤(5)所得交联反应产物进行研磨筛分，得到粒径不超过2mm的干燥水凝胶颗粒。

表1

表2

实施例2-7

实施例2-7均为本发明辅助控制饮食的水凝胶的一种实施方式，这些辅助控制饮食的水凝胶所用原料种类以及各原料用量如表1所示，制备方法同实施例1，其中所用羧甲基纤维素钠和水溶性多糖类高分子的生厂厂家和型号分别如表2所述。

对比例1

对比例1所用原料种类以及各原料用量如表1所示，制备方法同实施例1，其中所用羧甲基纤维素钠和水溶性多糖类高分子的生厂厂家和型号分别如表2所述。在效果例中结果显示，使用较低粘度的羧甲基纤维素钠，导致交联程度不足而使水凝胶在人工小肠液中即开始溃散溶解。

对比例2

对比例2所用原料种类以及各原料用量如表1所示，制备方法同实施例1，其中所用羧甲基纤维素钠和水溶性多糖类高分子的生厂厂家和型号分别如表2所述。在效果例中结果显示，降低柠檬酸的用量，导致交联程度不足而使水凝胶在人工小肠液中即开始溃散溶解。

效果例1：溶胀性能测试

采用溶胀试验评价实施例1-7以及对比例1中水凝胶在不同液体介质中的溶胀效果。参考2015版《中国药典》的规定配制人工胃液、人工小肠液与人工结肠液，具体配制方法分别如下所示：

人工胃液：取稀盐酸16.4mL，加入约800mL水以及10g胃蛋白酶，摇匀后，加水稀释至1000mL，最终pH值为1.5。

人工小肠液：取磷酸二氢钾6.8g，加水500mL使溶解，用0.1mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至6.8；另取胰酶10g，加入适量水使其溶解，将两液混合后，加水稀释至1000mL。

人工结肠液：取磷酸氢二钾5.59g与磷酸二氢钾0.41g，加水溶解，并定容至1000mL，用0.1mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至8.4。

分别精确称量实施例1-7以及对比例1中的干态水凝胶颗粒0.500±0.005g，记为W

将在人工胃液中溶胀的水凝胶样品，分别投入到装有500mL人工小肠液的烧瓶中，在37℃水浴加热下利用磁力搅拌器持续搅拌，水凝胶溶胀90min后，通过抽滤得到在人工小肠液中溶胀的水凝胶样品，精确称重记为W

将在人工小肠液中溶胀的水凝胶样品，投入到装有500mL人工结肠液的烧瓶中，在37℃水浴加热下利用磁力搅拌器持续搅拌，水凝胶溶胀90min后，通过抽滤得到在人工结肠液中溶胀的水凝胶样品，精确称重记为W

按以下公式计算水凝胶的溶胀比：

水凝胶在人工胃液中的溶胀比Q

水凝胶在人工小肠液中的溶胀比Q

水凝胶在人工结肠液中的溶胀比Q

实施例1-7以及对比例1-2中的干态水凝胶颗粒在不同液体介质中的溶胀效果入表3和图1所示。

表3

效果例2：水凝胶交联温度探究试验

为了确定合适的交联温度，使用差示扫描量热仪(型号:DSC204F1德国耐弛公司)与傅立叶红外光谱仪(型号:VERTEX70德国布鲁克公司)对水凝胶及其原材料进行热分析与红外光谱分析。

(1)热分析

热分析方法：扫描温度范围为10-200℃，加热速率为5℃/min；热循环方式为:(1)10-100℃升温；2)100℃保温3分钟；(3)冷却至室温。

羧甲基纤维素钠测试样品的制备方法为：直接取羧甲基纤维素钠(5000-15000mpa.s,25℃)5g，平铺在洁净培养皿中在30℃鼓风干燥箱中持续干燥24小时后上机测试。

羟乙基纤维素测试样品的制备方法为：直接取羟乙基纤维素(250-450mpa.s,25℃)5g，平铺在洁净培养皿中在30℃鼓风干燥箱中持续干燥24小时后上机测试。

凝胶制备方法为：将1g羟乙基纤维素和0.05g柠檬酸溶于100mL纯水中，搅拌1h以完全溶解均匀得到溶液，边搅拌边加入5g羧甲基纤维素钠，然后持续搅拌24h以确保羧甲基纤维素钠完全溶解均匀形成胶团，将胶团平铺在洁净的聚四氟乙烯板上，在30℃鼓风干燥箱中干燥48h后上机测试。

上述样品的热分析测试结果见图1，从中可知，羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素和柠檬酸的交联发应大约在70℃时发生。

(2)红外光谱分析

红外光谱测试条件：扫描范围为4000cm

测试样品为(i)未交联水凝胶原材料；(ii)70℃交联水凝胶。其中未交联水凝胶原材料的制备方法为：将1g羟乙基纤维素和0.05g柠檬酸溶于100mL纯水中，搅拌1h以完全溶解均匀得到溶液，边搅拌边加入5g羧甲基纤维素钠，然后持续搅拌24h以确保羧甲基纤维素钠完全溶解均匀形成胶团，将胶团平铺在洁净的聚四氟乙烯板上，在30℃鼓风干燥箱中干燥48h后上机测试。

70℃交联水凝胶的制备方法为：(ii)将1g羟乙基纤维素和0.05g柠檬酸溶于100mL纯水中，搅拌1h以完全溶解均匀得到溶液，边搅拌边加入5g羧甲基纤维素钠，然后持续搅拌24h以确保羧甲基纤维素钠完全溶解均匀形成胶团，将胶团平铺在洁净的聚四氟乙烯板上，在30℃鼓风干燥箱中干燥48h后，在70℃下加热8h，然后上机测试。

上述样品的红外光谱测试结果见图2，从中可知，在70℃下进行交联后，水凝胶的醚基-C-O-C-与羰基C＝O的吸收带强度增加，这说明随着加热温度升高，样品中的-OH和-COOH发生反应，酯基增加。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。