BB娱乐平台登录艾弗森《食品科学》：广西大学陈山教授等：可得然胶基水凝胶

　　可得然胶（CUR）又称凝胶多糖、热凝胶、凝结多糖、可德兰、可德胶，是由β-(1,3)-D糖苷键连接形成的中性无支链胞外多糖，具有三螺旋构象。CUR除具有免疫调节、抗病毒、抗炎等生物活性外，还具有独特的凝胶特性。CUR被美国食品药品监督管理局批准应用在食品加工中，其常被用于食品的增稠、稳定和改善质构，也可用于食品抗菌包装膜、生物医药领域。CUR可通过热诱导、溶剂诱导、离子交换等方法形成凝胶，但传统物理凝胶机械强度小，研究人员根据对CUR三螺旋构象变化诱导方式的调控设计了冻融与溶剂交换水凝胶以及超分子组装水凝胶，赋予了CUR基水凝胶更强的机械性能和特殊的功能特性。

　　广西大学轻工与食品工程学院的刘霄莹、张润峰、陈山*等人分类介绍了不同制备方式下CUR基水凝胶的凝胶特性、凝胶化机理，以及CUR基复合水凝胶的研究近况，并综述了CUR基水凝胶在食品和生物医药领域的应用，以期为拓展CUR的应用范围提供理论参考。

　　CUR在不同的制备方式下形成水凝胶的凝胶特性不同。以下按照制备方法进行分类，并介绍CUR基水凝胶的各种制备方式、凝胶特性和凝胶化机理。

　　物理交联水凝胶通过氢键、疏水作用、离子键等发生交联，形成物理交联网络。由于物理交联法无需采用有毒的交联剂，可降低操作人员接触有机溶剂及产生有害副产物的可能性，制备过程较为绿色环保。

　　热诱导法是目前CUR基水凝胶在食品和生物医药领域中应用最广的制备方法。CUR不溶于水，但其水分散体在加热处理后能形成凝胶，基于这一特性，CUR被称作“热凝胶”。CUR在不同温度的热诱导下可获得两种不同的凝胶状态，CUR水悬液加热到55～60 ℃后冷却，可形成热可逆凝胶；而加热到80～90 ℃再退火时，可形成热不可逆凝胶。热不可逆凝胶的凝胶强度较高，而热可逆凝胶的凝胶强度较弱。CUR热诱导水凝胶无色无味，能在pH 2～12范围内保持凝胶的稳定，具有冻融稳定性、热稳定性和保水能力，可吸收大约为自身质量100倍的水，且凝胶化可以在pH 2～10的较宽范围内进行，凝胶的稳定性较好。

　　CUR在热诱导时形成的热可逆凝胶与热不可逆凝胶的凝胶化机理与CUR三螺旋解旋-复旋的构象变化有关。CUR粉末被认为是纠缠的微纤维（此处微纤维是指CUR分子链聚集而成的束状结构）。加热是吸水溶胀、微纤维及三螺旋解离的过程；冷却则是CUR单链复旋为三螺旋的过程，CUR水分散体加热时，其构象变化如图1A所示。虽然对CUR热诱导凝胶化机理存在一定争议，但是目前普遍认可的理论是热可逆凝胶中较少的单螺旋链复旋为三螺旋链，因而单螺旋含量较高，胶束通过氢键相互连接；而热不可逆凝胶中有较多的单螺旋链发生复旋，因而三螺旋含量较高，且通过疏水作用交联形成三维网络结构，因此形成的凝胶强度比热可逆凝胶高。CUR基热可逆和热不可逆凝胶形成机制如图1B所示。

　　CUR凝胶的强度会受到温度的影响，随着温度的升高，CUR的分子间或分子内氢键发生断裂，进而构象发生改变，形成三维网络分子之间的作用力更强，弹性活性链的数量更多，使得凝胶更具弹性，因此凝胶强度更高。此外，在食品或其他应用的复杂体系中，外源物质也可能对CUR的凝胶特性产生影响。研究结果表明盐在凝胶过程中充当的作用，会导致CUR溶胀行为和热不可逆凝胶的形成受到抑制。蔗糖的添加对CUR的凝胶强度也有一定影响，蔗糖分子可通过增强整体氢键结构防止水分离来稳定CUR凝胶，从而增强CUR的凝胶强度。

　　CUR热诱导凝胶的制备方式简单、强度可控、稳定性好，但高温的制备条件容易使热敏性物质挥发或变性失活，在热敏性物质存在的情况下可选用其他制备方法。

　　离子交换透析是一种在室温下制备CUR凝胶的方法，将CUR溶解在NaOH溶液或二甲基亚砜（DMSO）中使CUR三螺旋链打开，再将溶液置于金属盐溶液中进行离子交换透析，此过程中由于极性溶剂的流出，CUR的构象会从无规卷曲变成三螺旋，盐离子流入透析管并与CUR交联形成凝胶。Ca2＋是CUR离子交换透析凝胶常用的一种阳离子，Ca2＋入透析管，通过离子键或配位键与CUR分子发生交联，从而形成水凝胶，透析过程由Ca2＋扩散驱动。Sato等发现Ca2＋交联可形成液晶凝胶和无定形凝胶交替层，且这种交替层的形成是Ca2＋透析独有的，其他离子无法诱导形成该种凝胶。在医药应用方面，CUR凝胶多层结构的特点可减轻药物的突释问题，获得零级释放曲线。盐溶液的浓度对凝胶的特性也有影响，盐溶液浓度越大，获得的凝胶机械性能越好。此外，用不同离子诱导会形成强度不同的凝胶，如Sr2＋诱导的凝胶强度大于Mg2＋。离子交换透析凝胶的制备方法由于不涉及高温加热过程，不会对不耐高温的物质产生破坏作用，因此常用于生物活性物质的包封。

　　溶剂诱导形成的CUR基水凝胶强度较低，具有较好的流变特性，溶剂诱导下会发生CUR三螺旋解旋-复旋现象，通过改变溶剂的浓度、种类可调控CUR凝胶的网络结构，这对CUR基水凝胶新型制备方法的研究及新型功能材料的开发具有重要意义；因此，应了解溶剂诱导法CUR基水凝胶制备过程中的构象转化及凝胶特性。

　　CUR难溶于水，但在碱溶液中其溶解性大幅提升。在提升CUR溶解度及溶液中三螺旋含量方面，研究者引入了碱中和处理方式来诱导CUR三螺旋发生解旋-复旋，该处理方式下CUR溶液会形成弱凝胶，称为碱中和凝胶。

　　碱中和处理包括碱处理和中和处理两个阶段，两个阶段下CUR的构象会发生不同变化。在碱浓度增加的过程中，CUR三螺旋的构象会发生转变，当NaOH浓度小于0.19 mol/L时，CUR呈三螺旋结构；在NaOH浓度大于0.24 mol/L时，CUR呈无规卷曲构象。对碱处理后的CUR进行酸中和可析出凝胶。叶剑等对碱中和得到的CUR凝胶进行分析，发现CUR碱中和凝胶的强度会随着碱浓度的增加而呈线性降低，碱浓度的增大还会导致凝胶的硬度、咀嚼性下降，但对其弹性、内聚性和回复性的影响不大，这是由于碱处理后CUR三螺旋解旋为无规则链，酸中和后无法完全复旋到原有状态，即发生三螺旋损失，这导致了凝胶强度的下降。将碱中和凝胶和用水分散的CUR分别加热至90 ℃后冷却，碱中和处理的CUR比分散在水中的CUR基水凝胶有更大的储能模量（G’）和更小的损耗角正切值（tan δ），即加热后的碱中和凝胶的固体弹性行为更好，这是由于碱中和处理可减少CUR三螺旋聚集体，增加三螺旋单体的数量，因此有助于促进凝胶内分子的连接。

　　除了可溶于碱溶液，CUR还可溶于有机溶剂DMSO。DMSO/水体系是诱导CUR三螺旋解旋-复旋的一个重要方式，同时其也可使CUR发生凝胶化。

　　在DMSO溶液中CUR的三螺旋会解旋为单链，三螺旋刚性链变性为柔性链，这是由于DMSO可与三螺旋多糖形成相对稳定的氢键，导致三螺旋氢键被破坏，从而发生三螺旋构象的转变。向体系中加入水可使CUR的DMSO溶液发生凝胶化。随着水的添加，G’和损耗模量（G”）增大，同时CUR解离的链恢复成三螺旋。对于CUR在DMSO中的凝胶机理，有研究人员推测除了通过CUR分子疏水作用形成交联点之外，还涉及DMSO分子间的交联缔合及其与CUR分子的缠结，这些作用共同促成了CUR凝胶三维网络的形成。DMSO/水体系中水的含量越高，由单螺旋或无规卷曲复性的三螺旋含量越高，凝胶的刚性越大，且由疏水作用形成的交联点数量随着水含量的增加而增加，使得系统的G’增大。

　　此外，高浓度CUR在DMSO中也具有致密的三维网络结构，而低浓度的CUR链是非缠结的，在DMSO中CUR会通过自身的羟基自缔合，还可能与DMSO分子桥连缔合，DMSO中低于和高于临界浓度c*时CUR的缔合方式如图2所示。

　　冻融与溶剂交换技术是形成物理交联CUR基水凝胶的新方法，也是形成性能可调水凝胶的有效途径。冻融技术分为冻结和解冻两个过程，聚合物溶液在零下温度（-5～-20 ℃）下冻结，当聚合物浓度因水转化为冰而增加时，聚合物链的强制排列为形成分子缔合提供了可能，在解冻时交联结构保持不变，作为凝胶的连接区。溶剂交换可改善合成聚合物、蛋白质和多糖等凝胶体系的机械性能，首先聚合物分散在可以抑制聚合物之间非共价相互作用的良好溶剂中，以保证聚合物链拉伸构象并形成均质网络，然后置换到不良溶剂中，聚合物之间的相互作用得到恢复，交联网络得到加强，形成机械性能较好的水凝胶。据Wu Min等报道，将CUR置于DMSO有机溶剂中进行冻融处理，冻结过程中DMSO结晶迫使未冻结的浓缩相中CUR链接触，并形成氢键物理交联，解冻后得到的CUR有机凝胶具有良好的持水能力。将CUR有机凝胶的溶剂换成水，诱导CUR糖链发生自组装行为，在DMSO中的无规则链变为三螺旋链，新氢键的形成加强了凝胶的网络结构（图3）。该方法所制备CUR基水凝胶的tan δ远小于有机凝胶，即该凝胶的固体弹性行为更好。此外，其还具有更高的剪切模量和压缩性能，会发生体积的可逆收缩和透明度的改变。通过改变制备条件（如CUR浓度、冻结时间和冻融循环次数）可以调节凝胶的强度。

　　Wu Chaoxi等基于CUR与胶原蛋白都是三螺旋聚合物的相似之处，通过对温度和溶剂的控制，使CUR三螺旋构象在发生解旋-复旋的基础上形成了超分子纳米网络的组装。该法将CUR粉末溶解在DMSO中并加热至100 ℃，用同体积的水与CUR-DMSO溶液混合并冷却形成凝胶，在上述诱导条件下，CUR由在DMSO中的无规卷曲自组装为三螺旋链并成束构成纳米纤维，该纳米纤维还具有由单螺旋链组成的冠（图4），所形成的凝胶具有高保水能力、高弹性及极高的拉伸强度，且具有应力硬化行。