植物基功能材料制造技术

本发明专利技术涉及植物基材料、其制造方法和包含植物基材料的生物材料。植物基材料的生物材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】植物基功能材料
专利

[0001]本专利技术涉及植物基材料(基于植物的材料，plant based material)、其制造方法和包含根据本专利技术的植物基材料的生物材料。
[0002]专利技术背景
[0003]合成聚合物如塑料表现出优异的机械和化学性能，并且在过去的60年期间已被广泛使用。然而，这些聚合物是不可生物降解的，并且能够在环境中积累，从而造成经济损害，并且可能通过食物链和空气影响人类健康。
[0004]表现出高度功能性以及高度生物降解性和生物相容性的材料的开发是满足在从包装到药品等领域中社会对改善的材料性能的需求的关键目标。
[0005]自组装作为朝向制造这样的材料的有吸引力的途径出现，但迄今为止开发的大多数结构单元都起源于合成。
[0006]在可以用作生产新功能材料的结构单元的不同类型的生物聚合物中，蛋白质由于其自组装成功能结构的能力而成为令人感兴趣的候选物。
[0007]目前，将这些材料在商业应用中的使用限于高度可溶的动物来源蛋白质。食品中常用的动物类蛋白质如乳清蛋白表现出良好的生物相容性、生物降解性、两亲性和功能特性如水溶性、乳化和起泡能力。然而，对于用植物基蛋白质代替动物来源蛋白质存在日益增加的需求，这不仅是因为它们对环境的影响较小，而且还因为它们的较低变应原性和降低的成本。
[0008]已经报道了由植物基蛋白质形成自组装的材料，其中可以在一系列实验条件下由大豆和豌豆蛋白获得水凝胶。然而，与由动物来源材料获得的机械性能相比，由结构化植物基材料获得的机械性能通常更低；并且植物蛋白更难加工，至少部分是由于它们固有的在水中的低溶解度。
[0009]因此，迄今为止，植物基蛋白质尚未成功地用作生物材料，并且从可再生和成本有效的来源以及利用环境可持续的方法来生产结构化蛋白质材料仍然是一种挑战。
[0010]专利技术概述
[0011]根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于生产植物基材料的方法，其包括：
[0012]a)在溶剂体系中形成包含一种或多种植物基蛋白质的溶液，其中该溶剂体系包含可混溶的共溶剂；其中第一共溶剂增大所述一种或多种植物基蛋白质的溶解度，并且第二共溶剂减小所述一种或多种植物基蛋白质的溶解度；和
[0013]b)诱导溶液中的蛋白质发生溶胶
‑
凝胶转变以形成植物基蛋白质水凝胶。
[0014]在另一个实施方案中，所述方法包括步骤：
[0015]c)将植物基蛋白质水凝胶形成为结构化材料(structured material)。
[0016]将植物基蛋白质水凝胶形成为结构化材料允许形成结构化材料，如凝胶、膜、微凝胶、微胶囊等。在一个优选的实施方案中，蛋白质水凝胶可以通过模制而形成为规定的形状。在另一个优选的实施方案中，可以使用微流体装置将蛋白质水凝胶形成为规定的形状。
[0017]本专利技术已经确定了一种用于由植物基蛋白质来制造功能材料的新方法。通过利用
共溶剂混合物，可以对溶胶
‑
凝胶转变施加控制，从而允许由可再生的植物蛋白源形成结构坚固的材料。该方法允许生成许多结构化材料，这包括水凝胶、膜、微胶囊、微凝胶、微型海绵等。在无需交联剂或任何其他危害性材料的情况下，可以可靠地形成结构化材料，从而使其适合与人体接触。这些材料也来源于可再生源，因此相对于合成类似物减少了环境影响。
[0018]在另一个方面，提供了共溶剂混合物的用途，其用于调节溶液中的植物基蛋白质的性质以控制溶胶
‑
凝胶条件并由此形成植物基材料。
[0019]通过选择溶剂体系包含可混溶的共溶剂，其中第一共溶剂增大一种或多种植物基蛋白质的溶解度，并且第二共溶剂减小所述一种或多种植物基蛋白质的溶解度，可以控制溶胶
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凝胶条件。
[0020]第一共溶剂与第二共溶剂的比率可以在约20
‑
80％v/v、约20
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60％v/v、约25
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55％v/v、约30
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50％v/v、约20％、约30％、约40％、约50％或约60％v/v，最优选约30
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50％v/v变化。这样的比率导致功能上有用的材料。
[0021]溶剂体系可以含有一种或多种第一共溶剂和/或一种或多种第二共溶剂。
[0022]首次地，可以使用可规模化的方法来可靠且可再现地形成植物基材料。通过能够控制溶胶
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凝胶条件，可以调整所得材料的性质和/或调整制造过程以允许生产有用的生物材料。
[0023]根据本专利技术的方法允许形成经由热可逆的冷
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凝固胶凝化(thermoreversible cold
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set gelation process)过程形成的植物基结构化材料。植物基结构化材料可以是植物基蛋白质超分子结构；或者可以是聚集和缠结的植物基蛋白质超分子结构的3
‑
维网络。
[0024]热可逆的冷
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凝固胶凝化过程可以认为是这样一种过程：其中可以将植物基蛋白质分子加热到高于某个温度以形成液体溶液，该液体溶液可以被加工成所需的构造，然后冷却该液体溶液以能够实现溶胶
‑
凝胶转变，从而形成由非共价分子间相互作用保持的自组装蛋白质聚集体的网络。因此，根据本专利技术的胶凝化过程不需要共价化学交联，并且因此是可逆的。本专利技术包括热可逆的冷胶凝化过程。
[0025]因此，在另一个方面，提供了一种经由热可逆的冷
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凝固胶凝化过程形成的植物基结构化材料；其中该结构化材料可以任选地是膜、薄膜、微图案化膜(或薄膜)、微米或纳米结构化薄膜、微凝胶、微胶囊、微珠、生物支架、生物支撑物、海绵、微型海绵、硬胶囊或功能涂层。
[0026]在另一个方面，提供了一种植物基热可逆凝胶。
[0027]在另一个方面，提供了一种植物基热可逆水凝胶。
[0028]在另一个方面，提供了一种复合材料，其包含根据本专利技术的植物基材料，以及一种或多种其他生物聚合物，例如蛋白质、多糖等。
[0029]在另一个方面，提供了根据本专利技术的方法制备的材料。
[0030]本专利技术的植物基材料和用于制造它们的方法允许精确控制溶胶
‑
凝胶转变，从而开启植物基蛋白质用于形成生物材料的用途，该生物材料迄今为止仅使用动物来源蛋白质成功地制造。合适的生物材料包括膜、微珠、微胶囊、支架、凝胶、海绵等。
[0031]在另一个方面，提供了一种包含根据本专利技术的植物基材料的微珠。
[0032]在另一个方面，提供了一种包含根据本专利技术的植物基材料的微胶囊。
[0033]在另一个方面，提供了一种包含根据本专利技术的植物基材料的硬胶囊。
[0034]在另一个方面，提供了一种包含根据本专利技术的植物基材料的海绵或微型海绵。
[0035]在另一个方面，提供了一种包含根据本专利技术的植物基材料的膜，优选薄膜。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种植物基结构化材料，其中所述结构化材料是：膜，薄膜，微图案化膜(或薄膜)，微米或纳米结构化薄膜，微凝胶，微胶囊，微珠，生物支架，生物支撑物，海绵，微型海绵，硬胶囊或功能涂层。2.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是微胶囊。3.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是微珠。4.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是生物支架或生物支撑物。5.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是海绵或微型海绵。6.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是硬胶囊。7.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是膜或薄膜。8.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是微图案化膜、微图案化薄膜或者微米或纳米结构化薄膜。9.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是微凝胶。10.根据权利要求1所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料是功能涂层。11.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料包含植物蛋白β
‑
折叠晶体。12.根据权利要求11所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料包含至少40％的β
‑
折叠晶体、至少50％的β
‑
折叠晶体、至少60％的β
‑
折叠晶体、至少70％的β
‑
折叠晶体、至少80％的β
‑
折叠晶体或至少90％的β
‑
折叠晶体。13.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料包含具有二级结构的植物基蛋白质，所述二级结构具有至少40％的分子间β
‑
折叠、至少50％的分子间β
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折叠、至少60％的分子间β
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折叠、至少70％的分子间β
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折叠、至少80％的分子间β
‑
折叠或至少90％的分子间β
‑
折叠。14.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料在10rad/s的储能模量(G
’
)为大于500Pa、大于1000Pa、大于2500Pa、大于3000Pa、大于4000Pa。15.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料的杨氏模量超过20MPa；优选超过50MPa，超过80MPa，超过100MPa，超过200MPa，超过300MPa，超过400MPa，超过500MPa或超过600MPa。16.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述结构化材料包含蛋白聚集体，所述蛋白聚集体的平均尺寸为小于200nm，优选小于150nm、小于125nm、小于100nm、小于90nm、小于80nm、小于70nm、小于60nm、小于50nm、小于40nm或小于30nm。17.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其中所述植物基结构化材料能够热可逆地胶凝化。18.根据权利要求17所述的植物基结构化材料，其中在升高的温度加热后和/或通过施加机械搅拌，所述植物基结构化材料将形成蛋白溶液，所述蛋白溶液的储能模量低于250Pa，优选低于100Pa、低于50Pa或低于10Pa。19.根据任一前述权利要求所述的植物基结构化材料，其经由热可逆的冷固化胶凝化过程形成。20.一种植物基热可逆水凝胶。
21.根据权利要求20所述的植物基热可逆水凝胶，其中所述水凝胶被模制为结构化形状、通过微流体装置形成为结构化形状或以其他方式形成为结构化形状；之后所述结构化水凝胶被任选地干燥。22.一种复合材料，所述复合材料包含根据任一前述权利要求所述的植物基材料，以及一种或多种其他生物聚合物，例如蛋白质和/或多糖。23.一种食品、...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：