从大豆废料生产营养凝胶材料制造技术

本文公开了使用豆渣颗粒和聚合链形成的超吸收性水凝胶。水凝胶含有交联，诸如N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺，其通过聚合链之间的交联基团或通过与每个豆渣颗粒键合的多个聚合链(这些链中的每个也与至少一个其他豆渣颗粒键合)来提供，其中所述聚合链可以是聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或其共聚物或包含聚乙二醇二缩水甘油醚的两个或更多环氧键的聚合链。所得的超吸收性水凝胶可用于帮助植物生长、营养和水合，并可与土壤混合以形成用于此目的的复合材料。

Production of nutritional gel materials from soybean waste

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从大豆废料生产营养凝胶材料
本专利技术涉及衍生自大豆残渣(豆渣(Okara))的水凝胶及其制备方法。水凝胶可在农业中用作土壤添加剂。
技术介绍
在本说明书中对先前出版的文件的列出或讨论不应必然被认为承认该文件是现有技术的一部分或是公知常识。在基于土壤的农业中，水和营养物对于植物的生长必不可少。传统的基于土壤的农业受到有关水和营养物利用的低效率的影响。这引起过度施肥和淋洗，导致地下水污染。可以通过开发包覆有肥料的控释吸水性材料作为生态友好的土壤添加剂来改善水和营养物利用的效率。超吸收性聚合物材料被广泛用于这一领域，因为它们能够吸收是其自身重量数百倍高的水，并且甚至在扩大的压力下也不能容易地将水去除。普通超吸收性聚合物材料通常是吸湿材料。为了降低材料成本，出现了利用废物诸如污水污泥和园艺废物、亚麻纱线废物和废弃桑枝的新兴趋势。
技术实现思路
在新加坡，每天都会产生大量的大豆残渣(豆渣)，这些豆渣大多作为废物被处理或燃烧。作为豆浆和豆腐生产的副产物，豆渣包含基于干物质约40-60％的纤维，并且具有发展成超吸收性材料的潜力。据报道，其纤维成分为半纤维素、纤维素、木质素和植酸，其含有大量的羟基和羧基基团，使得可以将豆渣转化为超吸收性材料。另外，豆渣的其他成分，包括蛋白质、油、碳水化合物、维生素和矿物质，可以用作土壤中的营养物，其将有益于植物生长。本专利技术提供了用于修饰豆渣并将其转化成本文描述为“营养凝胶(Nutrigel)”的土壤补充剂的一些实例，这可以增强土壤特性用于更有效的植物或农作物生产(蔬菜、水果、树木等)。因此，在本专利技术的第一方面，提供了超吸收性水凝胶，其包含交联的聚合物网络，该交联的聚合物网络包含接枝到豆渣颗粒上的聚合链，其中交联通过以下形成：聚合链；和/或每个豆渣颗粒键合至一个或更多聚合链。在本专利技术的一般实施方式中：(a)豆渣颗粒可以是一个或更多未分级的豆渣颗粒、水不溶性豆渣颗粒和水溶性豆渣颗粒；(b)水凝胶还可以包含植物营养物质(例如，植物营养物质可以是尿素)。在本专利技术的某些实施方式中，聚合链可以由聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或其共聚物形成。在其中聚合链由聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或其共聚物形成的实施方式中：(a)通过聚合链形成的交联可以衍生自双丙烯酰胺交联剂，任选地其中双丙烯酰胺交联剂是N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；(b)交联剂可以以水凝胶的0.010至2干wt％，诸如0.1至1干wt％，诸如0.16至0.34干wt％的量存在于水凝胶中；(c)豆渣颗粒可以形成水凝胶的15至50干wt％，聚合链可以形成水凝胶的50至85干wt％，诸如20至50干wt％的豆渣颗粒和50至80干wt％的聚合链，诸如25至40干wt％的豆渣颗粒和60至75干wt％的聚合链，诸如30至34干wt％的豆渣颗粒和66至70干wt％的聚合链；(d)聚合链可以是丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物(例如，聚合链中丙烯酸与丙烯酰胺的重量比为1:10至10:1，诸如3:7至7:3，诸如7:3)；(e)水凝胶可以在约7的pH值下具有90至500的平衡溶胀值。在本专利技术的其他实施方式中，水凝胶可以通过包含一个或更多羧酸官能团的羧化豆渣颗粒与包含两个或更多环氧基团的聚合链的反应形成，其中酯键通过羧酸基团与环氧化物的反应形成。在这样的实施方式中：(a)包含两个或更多环氧键的聚合链可以是聚乙二醇二缩水甘油醚；(b)羧化豆渣与包含两个或更多环氧基团的聚合链的重量比可以是1:2至2:1，诸如1:1.2至1:0.6；(c)水凝胶可以具有10至110的平衡溶胀值。在本专利技术的第二方面，提供了超吸收性水凝胶在农业中的用途，其中该超吸收性水凝胶如本专利技术第一方面或其实施方式的任何技术上合理的组合中所限定。在本专利技术第二方面的实施方式中，水凝胶可进一步包含植物营养物质，任选地其中植物营养物质是尿素。在本专利技术的第三方面，提供了用于种植植物的复合材料，其包含土壤和如本专利技术第一方面或其实施方式的任何技术上合理的组合中所限定的超吸收性水凝胶。在本专利技术的第三方面的实施方式中：(a)复合材料可以包含0.5至10干wt％的水凝胶(例如1至5干wt％的水凝胶，诸如2至3干wt％；(b)复合材料可具有125至250％，诸如145至230％，诸如175至225％的持水百分比；(c)水凝胶可进一步包含植物营养物，任选地其中植物营养物是尿素(例如，植物营养物可在3至20天，诸如4至18天，诸如10至15天，诸如14天的时间段内从复合材料中释放)。在本专利技术的第四方面，提供了形成如本专利技术第一方面所限定的超吸收性水凝胶的方法，其中聚合链可以由聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或其共聚物(和适当实施方式的任何技术上合理的组合)形成，该方法包含以下步骤：(a)提供豆渣的水悬浮液；(b)将自由基引发剂添加到该水悬浮液以形成第一反应混合物，该第一反应混合物老化持续第一时间段；(c)将丙烯酸和/或丙烯酰胺与交联剂添加到该第一反应混合物中以形成第二反应混合物，该第二反应混合物老化持续第二时间段以形成超吸收性水凝胶。在本专利技术的第五方面，提供了形成如本专利技术第一方面所限定的超吸收性水凝胶的方法，其中该水凝胶可以通过包含一个或更多羧酸官能团的羧化豆渣颗粒与包含两个或更多环氧基团的聚合链的反应形成，其中酯键通过羧酸基团与环氧化物的反应(以及适当实施方式的任何技术上合理的组合)形成，该方法包含以下步骤：(a)提供羧化豆渣在碱性水溶液中的水悬浮液；以及(b)将具有两个或更多环氧基团的聚合链材料添加到水悬浮液中，以与羧化豆渣反应以形成超吸收性水凝胶。附图说明图1.Ok(01)及其不溶成分(Ok(01)-I)和可溶成分(Ok(01)-S)的FT-IR光谱。图2.通过接枝聚合的Ok(01)-I-PAA的合成途径。图3.Ok(01)、Ok(01)-I、Ok(01)-I-PAA1:2沉淀和Ok(01)-I-PAA1:2上清液在CDCl3中的1HNMR谱。图4.(a)Ok(01)-I-PAA1:2上清液，(b)PAA(1:2的对照)上清液和(c)Ok(01)-I上清液的显微图像。比例尺＝200μm。图5.Ok(01)、Ok(01)-I、Ok(01)-I-PAA1:2沉淀、Ok(01)-I-PAA1:2上清液和PAA(1:2的对照)以KBr盘的形式的FT-IR光谱。图6.(a)Ok(01)-I-PAA1:2和PAA(1:2的对照)的振荡时间扫描是在25℃下1.0Pa的恒定剪切应力和1.0Hz的固定频率下进行的。储能模量(G′)和损耗模量(G″)相对于时间绘制。(b)通过在25℃下施加从0.1Pa至100Pa对数增加的剪切速率来测量剪切粘度。图7.在干燥状态(a)和湿润状态(b、c)下茶包中的营养凝胶和润湿剂的照片(b：正视图，c：侧视图)。图8.(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超吸收性水凝胶，所述超吸收性水凝胶包含交联的聚合物网络，所述交联的聚合物网络包含接枝到豆渣颗粒上的聚合链，其中所述交联通过以下形成：/n聚合链；和/或/n每个豆渣颗粒键合至一个或更多聚合链。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170828 SG 10201707018V1.一种超吸收性水凝胶，所述超吸收性水凝胶包含交联的聚合物网络，所述交联的聚合物网络包含接枝到豆渣颗粒上的聚合链，其中所述交联通过以下形成：
聚合链；和/或
每个豆渣颗粒键合至一个或更多聚合链。


2.根据权利要求1所述的水凝胶，其中，所述豆渣颗粒为未分级的豆渣颗粒、水不溶性豆渣颗粒和水溶性豆渣颗粒中的一种或多种。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的水凝胶，其中，所述水凝胶还包含植物营养物质。


4.根据权利要求3所述的水凝胶，其中，所述植物营养物质是尿素。


5.根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，其中，所述聚合链由聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或其共聚物形成。


6.根据权利要求5所述的水凝胶，其中，通过所述聚合链形成的所述交联衍生自双丙烯酰胺交联剂，任选地其中所述双丙烯酰胺交联剂是N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。


7.根据权利要求5所述的水凝胶，其中，所述交联剂以所述水凝胶的0.010至2干wt％，诸如0.1至1干wt％，诸如0.16至0.34干wt％的量存在于所述水凝胶中。


8.根据权利要求5至7中任一项所述的水凝胶，其中，所述豆渣颗粒形成所述水凝胶的15至50干wt％，并且所述聚合链形成所述水凝胶的50至85干wt％，诸如20至50干wt％的豆渣颗粒和50至80干wt％的聚合链，诸如25至40干wt％的豆渣颗粒和60至75干wt％的聚合链，诸如30至34干wt％的豆渣颗粒和66至70干wt％的聚合链。


9.根据权利要求5至8中任一项所述的水凝胶，其中，所述聚合链是丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物。


10.根据权利要求9所述的水凝胶，其中，在所述聚合链中丙烯酸与丙烯酰胺的重量比为1:10至10:1，诸如3:7至7:3，诸如7:3。


11.根据权利要求5至10中任一项所述的水凝胶，其中，所述水凝胶具有在约7的pH值下90至500的平衡溶胀值。


12.根据权利要求1至4中任一项所述的水凝胶，其中，所述水凝胶通过包含一个或更多羧酸官能团的羧化豆渣颗粒与包含两个或更多环氧基团的聚合链的反应形成，其中通过羧酸基团与环氧化物的反应形成酯键。


13.根据权利要求12所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊，朱晶玲，宋夏，王俊南，罗青松，陈玮琪，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG