明胶改善海藻酸钠水凝胶膜的物理性能研究

范旭，朱迎澳，朱嘉敏，陈 倩，王 辉

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030）

随着社会的发展与进步，可生物降解材料比传统石油基材料愈加受到研究人员的青睐。传统石油基材料难以降解，极易造成“白色污染”，且其自身材料的安全性也有待提高，而可生物降解材料除对环境友好之外，还具有安全性高等特点[1−2]。生物基水凝胶作为其中的一种，除具有上述优点外，还具有高吸湿性、高保湿型、优良的闭合性、优异的生物相容性及功能可设计性等，已被广泛应用于组织修复与再生、伤口敷料、药物与活性物质的递送、食品包装与保鲜和环保等领域[3]。水凝胶是聚合物链构成的三维网络结构，是通过物理作用或化学键随机交联的一种聚合物基质，它能够在其三维网络中吸收大量的水，吸水率可达其重量的100%[3−4]。生物基水凝胶按来源可以分为蛋白质基水凝胶、多糖基水凝胶和多糖/蛋白基水凝胶[3]，如乳清蛋白水凝胶、酪蛋白水凝胶、大豆蛋白水凝胶、纤维素水凝胶、壳聚糖水凝胶和壳聚糖/乳清蛋白水凝胶等[4]。

在各种生物聚合物中，海藻酸钠（sodium alginate，SA）由于来源广泛、成本低廉，具有较好的凝胶性和成膜性而被广泛应用[5−6]。海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）糖苷键连接成的两个结构单元，主要有GG、MM 和GM 三种连接方式[6−8]。海藻酸钠能通过离子交联和物理交联形成三维网状的水凝胶，离子交联是海藻酸钠与二价金属阳离子Cu2+、Zn2+和Ca2+等形成稳定“蛋盒结构”的过程，物理交联则是利用海藻酸钠作为阴离子多糖，引入阳离子电解质后使二者之间发生聚电解质交联的过程[9−11]。刘云等[12]以京尼平与CaCl2为交联剂，制备了明胶/海藻酸钠互穿网络膜，相似的，Saarai 等[13]以Ca2+与戊二醛为交联剂，制备了明胶/海藻酸钠水凝胶。徐梦洁等[14]以聚乙烯醇与海藻酸钠为原料，利用CaCl2/硼酸进行化学交联，制备出聚乙烯醇与海藻酸钠水凝胶。但京尼平与戊二醛等交联剂具有细胞毒性，不宜应用在食品和医疗领域，而仅通过外源Ca2+交联的海藻酸钠水凝胶膜通常存在不均匀、易脱水收缩造成较差的机械性能与热性能等问题[9−10,13−15]。Tang等[16]研究发现，基于蛋白和多糖的复合凝胶可以改善基于蛋白和多糖单一凝胶的三维网络结构和功能特性。明胶（gelatin，G）是胶原蛋白部分水解得到的蛋白质，其氨基酸组成与胶原蛋白分子十分接近，具有较好的生物相容性和生物可降解性[17]。此外，明胶是一种两性聚电解质，A 型明胶等电点为6.0～9.0，当体系pH 低于其等电点时，明胶分子带正电荷，当体系pH 高于其等电点时，明胶分子带负电荷[9,18]，因此可通过调节体系的pH 使明胶具有阳离子聚电解质的性质。闫慧敏等[19]研究了明胶和沙蒿胶共混提升Ca2+交联海藻酸钠水凝胶的机械性能与溶胀率，但外源Ca2+交联会导致水凝胶不均匀易收缩。王雨生等[20]制备高G 型海藻酸钠-明胶复合水凝胶，研究两者比例合水凝胶性质的影响，但对水凝胶的热稳定性没有涉及。

基于此，针对Ca2+交联海藻酸钠水凝胶膜极易脱水收缩、热稳定性和机械性能不佳等问题，本研究选用海藻酸钠和明胶作为基质，通过加入碳酸钙（calcium carbonate，CaCO3）和葡糖酸内酯（gluconolactone，GDL）来制备水凝胶膜，探讨明胶/海藻酸钠的不同比例对水凝胶膜物理性能的影响。一方面，GDL 释放的H+可将CaCO3中Ca2+解离出来，从而使其与海藻酸钠发生交联；另一方面，体系的pH 也会因H+的释放而降低至明胶的等电点以下，进而使海藻酸钠和明胶发生聚电解作用，由此来制备一种双交联的水凝胶膜。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

葡糖酸内酯 分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；海藻酸钠、A 型明胶 分析纯，上海源叶生物科技有限公司；甘油、碳酸钙 分析纯，国药试剂化学有限公司。

ZNCL-BS 智能数显恒温磁力搅拌器 上海越众仪器设备有限公司；SU8020 场发射扫描电子显微镜 日本日立公司；OCA200 视频光学角测量仪德国dataphysics 公司；DTG-60 热重分析仪 日本岛津公司；DSC-50 示差扫描量热分析仪 美国TA Instruments 公司；Nicolet iS50 傅里叶变换红外光谱仪 美国赛默飞科技有限公司；ME204 电子天平上海梅特勒托利多仪器有限公司；TA-XT 质构仪英国Stable Micro System 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不同比例G/SA 水凝胶膜的制备 取一定体积的水，加入海藻酸钠并使其体积分数为2%（w/v），然后加入明胶，使明胶/海藻酸钠的质量比为0:6、1:6、2:6、3:6、4:6、5:6，随后加入CaCO3使其体积分数为0.3%（w/v），并在60 ℃加热搅拌2 h 使其混合均匀。随后加入与海藻酸钠等量的甘油增塑，混匀后将1%（w/v）的葡萄酸内酯缓慢滴加到混合液中，滴加的过程快速搅拌，然后再将混合液搅拌30 s 即可。将此时的溶液倒入培养皿中，在25 ℃下自然干燥后置于恒温恒湿箱中（25 ℃，50%相对湿度）平衡48 h，即得到不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜（膜厚为0.23 mm），用以下字母表示不同的比例：SA（0:6）、G/SA-1（1:6）、G/SA-2（2:6）、G/SA-3（3:6）、G/SA-4（4:6）和G/SA-5（5:6）。

1.2.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析 参考Soltanzadeh 等[21]的方法，使用傅里叶变换红外光谱仪对海藻酸钠粉末（SA Powder）、明胶（G）和CaCO3以及SA（0:6）、G/SA-1（1:6）、G/SA-2（2:6）、G/SA-3（3:6）、G/SA-4（4:6）、G/SA-5（5:6）水凝胶膜进行红外光谱分析。波数范围为500～4000 cm−1，分辨率为4 cm−1，扫描32 次。

1.2.3 微观形貌分析 使用钨灯丝扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶膜的表面形态，并对水合后冻干的水凝胶膜表面与断裂面的结构进行观察，扫描电镜电压为10 kV，电流为69 μA。

1.2.4 溶胀率和凝胶含量 参考Mayachiew 等[22]的方法，将样品剪裁为10 mm×30 mm 的矩形，称重后置于盛有水的烧杯中，浸泡24 h 后取出，用滤纸擦干表面的水分后称重。水凝胶膜的溶胀率按式（1）计算。

式中：M1为初始重量（g）；M2为浸泡后擦干水后的重量（g）。

参考Wang 等[23]的方法将样品裁剪为10 mm×30 mm 的矩形并称重（M3），在10 mL 蒸馏水中浸泡24 h 后，在70 ℃下烘干至恒重，并记录其重量（M4）。水凝胶膜的凝胶含量按式（2）计算。

式中：M3为初始质量（g）；M4为干燥后样品的质量（g）。

1.2.5 水接触角分析 参考Soltanzadeh 等[21]的方法用视频光学角测量仪测量水凝胶膜的水接触角，对其表面亲疏水性进行表征。测试过程在室温下进行，液滴在膜表面的平衡时间为3 s，每个样品3 次重复测定。

1.2.6 机械性能的测定 参考Ding 等[24]的方法，使用TA.XT Plus C 质构仪测定样品的机械性能。将水凝胶膜裁剪成10 mm×50 mm 的矩形，初始夹持间距设定为30 mm，测试速度为0.5 mm/s，根据应力应变曲线计算薄膜的弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率，对每个样品分别进行5 次重复测定。

1.2.7 示差扫描量热分析 参考Qin 等[25]的方法，对水凝胶膜进行示差扫描量热分析（DSC）。将5 mg样品密封于铝盘中，以10 ℃/min 的升温速率从25 ℃加热到170 ℃。整个加热过程以氮气为载气，速率为50 mL/min。

1.2.8 热重分析 参考Qin 等[25]的方法对水凝胶膜进行热重分析（TGA）。将10 mg 样品以10 ℃/min的速率从30 ℃加热至600 ℃。整个过程以氮气为载气，速率为50 mL/min。

1.3 数据处理

实验共进行3 次重复，每个测试进行3 个平行，结果以平均值±标准差表示。使用Statistix 8.1 软件对数据进行统计分析，使用Tukey HSD 程序进行显著性分析（以P<0.05 为差异有统计学意义），使用Origin 2019 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的红外分析

傅里叶变换红外光谱分析是一种常用于分析水凝胶膜中各组分间作用力的方法。图1 为海藻酸钠粉末、明胶和CaCO3的红外光谱图。如图所示，海藻酸钠粉末在3278、1594 和1408 cm−1处出现了特征吸收峰，它们分别对应着海藻酸钠的O-H 拉伸振动峰、−COO−非对称和对称伸缩振动峰[26]。对比图2中海藻酸钠的红外光谱可以发现，由于CaCO3和GDL 的交联破坏了海藻酸钠分子间氢键，海藻酸钠的O-H 拉伸振动峰、−COO−非对称和对称伸缩振动峰移动到3290、1599 和1426 cm−1处，由此可以证明Ca2+与海藻酸钠的成功交联。明胶在1637 和1554 cm−1处出现了吸收峰，这是由−CO、−CN 的拉伸振动和−NH 的弯曲振动引起的[27]。CaCO3在2517 cm−1处出现了特征吸收峰，1428、1873 和731 cm−1处则分别对应了C=O 的不对称伸缩振动峰、CO32−的面内弯曲和面外弯曲伸缩振动峰[28]。

图1 海藻酸钠、明胶和CaCO3 的红外光谱图Fig.1 Infrared spectra of sodium alginate,gelatin and CaCO3

图2 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

图2 为G/SA 水凝胶膜的红外光谱图。如图2所示，海藻酸钠水凝胶膜的羟基特征吸收峰在3290 cm−1处被观察到，随着G/SA 比例的升高，即随着水凝胶膜中明胶添加量的增多，该峰逐渐向高波数移动（从3290 cm−1到3317 cm−1），这可能与海藻酸钠和明胶之间的氢键相互作用有关[29]。海藻酸钠的−COO−非对称和对称伸缩振动吸收峰在1599 和1426 cm−1处被观察到，随着G/SA 比例的升高，海藻酸钠的−COO−非对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰均向高波数移动（1599 cm−1到1627 cm−1；1426 cm−1到1464 cm−1）[30]。同时，位于1647 cm−1明胶的特征吸收峰（−CO 和−CN 的拉伸振动和−NH的弯曲振动）也随着明胶/海藻酸钠比例的升高逐渐向高波数移动（1647 cm−1到1660 cm−1），表明海藻酸钠与明胶之间发生了聚电解质和氢键相互作用[31]。结果表明，明胶/海藻酸钠水凝胶膜被成功制备，且明胶和海藻酸钠之间的作用力主要为聚电解质相互作用和分子间氢键。

2.2 不同比例G/SA 水凝胶膜的微观形貌分析

图3 分别为不同比例G/SA 水凝胶膜的表面微观结构。由图3 可以看出，在未添加明胶时，海藻酸钠水凝胶膜表面存在一些皱褶和孔洞，但随着G/SA 比例的升高，水凝胶膜表面的皱褶和孔洞逐渐消失，并在G/SA-3 处理组中达到最佳，此时的膜表面平整，基本没有裂纹，仅有少量碳酸钙颗粒存在。但随着G/SA 比例的继续升高，明胶和海藻酸钠相容性变差，在G/SA-4 和G/SA-5 处理组中出现了片层部分脱离膜基质的现象，说明上述两种比例不利于水凝胶膜的形成[30]。

图3 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的微观结构Fig.3 Surface microstructure of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

图4 为不同比例G/SA 水凝胶膜的断裂面的微观结构。由图4 可以看出，在未添加明胶时，海藻酸钠水凝胶膜断裂面的三维结构较为单一，但随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的三维网状结构得到明显改善，这可能与海藻酸钠和明胶之间的聚电解质作用和分子间氢键的作用有关[32−34]，这与Wang等[5]的研究结果一致。但当明胶/海藻酸钠的比例高于G/SA-3 处理组中的比例时，水凝胶膜的三维网络结构就不能保持其原有形态，这可能是因为海藻酸钠和明胶之间发生了过度交联从而造成了其三维网状结构的堆积[35]。综上，G/SA-3 处理组的水凝胶膜具有最佳的三维网状结构。

图4 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的断裂面微观结构Fig.4 Microstructure of fracture surface of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

2.3 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的溶胀率和凝胶含量

表1 为不同比例G/SA 水凝胶膜的溶胀率及凝胶含量。由表可知，随着G/SA 比例的升高，水凝胶膜的溶胀率呈现先显著升高后降低的趋势（P<0.05），并在G/SA-3 处理组中达到最大的溶胀率2942.50%。这可能是因为海藻酸钠和明胶发生了聚电解质反应，使交联密度增大，改善了水凝胶膜的三维网状结构，同时抑制了海藻酸钠凝胶膜在水溶液中的分解，从而使溶胀率升高[36]。但过高的G/SA 比例会使二者的交联密度过大，形成致密的三维网状结构，此结构不利于水分子的进入，抑制了水凝胶膜的吸水溶胀，从而导致溶胀率下降[33]。Geng 等[37]的研究也发现溶胀率与交联密度有关，交联密度越大溶胀率越小。

表1 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的凝胶含量和溶胀率Table 1 Gel fraction and swelling ratio of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

如表1 所示，水凝胶膜的凝胶含量随明胶/海藻酸钠比例的升高而显著升高（P<0.05），但在G/SA-3 处理组之后，即使G/SA 比例继续升高，处理组之间的凝胶含量也未表现出显著差异（P>0.05）。这可能是由于明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的交联密度逐渐增大，表现为凝胶含量的增加。而当明胶/海藻酸钠的比例过高时，二者的交联度趋于饱和，表现为处理组间的凝胶含量无显著差异（P>0.05）[38]。综上，明胶可以提高单一海藻酸钠水凝胶膜的凝胶含量和溶胀率，且G/SA-3（3:6）处理组具有最佳的溶胀率和凝胶含量。

2.4 不同比例G/SA 水凝胶膜的疏水性分析

水接触角（WCA）是评价膜性能的一个重要参数，它能反映膜的亲水或疏水性能。一般来说，膜的水接触角越大，其表面疏水性越强。图5 为不同比例G/SA 水凝胶膜的WCA，海藻酸钠水凝胶膜的WCA 为36.82°，表现出很强的亲水性，这与海藻酸钠表面具有较多的亲水基团有关[39]。添加明胶之后水凝胶膜的WCA 都在90°以上，且随着G/SA 比例的升高，WCA 逐渐升高，G/SA-1、G/SA-2、G/SA-3、G/SA-4 和G/SA-5 的WCA 分别为93.87°、103.28°、109.31°、113.09°和115.28°。这一结果归因于海藻酸钠和明胶之间聚电解质相互作用及氢键作用，减少了水凝胶膜表面的亲水基团，同时明胶的加入提升了交联密度，分子间排列更为紧密，形成了更为致密的三维网络，改善了疏水性[30,40]。Bishnoi 等[41]研究发现海藻酸钠水凝胶膜中引入乳清蛋白可以发生聚电解质交联，有效改善海藻酸钠水凝胶薄膜的水溶性和水蒸气透过率。综上，明胶可以显著增强海藻酸钠水凝胶膜的表面疏水性，且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的表面疏水性逐渐增强。

图5 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的水接触角Fig.5 Water contact angle of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

2.5 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的机械性能

不同比例G/SA 水凝胶膜的机械性能如图6 所示，包括膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。由图可知，随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的拉伸强度和弹性模量显著上升（P<0.05），并在G/SA-3处理组中达到最大，随后显著降低（P<0.05）。结合红外光谱的结果可知，这是由于明胶与海藻酸钠发生聚电解质交联所致，但在G/SA-4 和G/SA-5 处理组中，明胶和海藻酸钠相容性变差，出现片层部分脱离膜基质（SEM），这些区域容易出现应力集中现象，从而导致拉伸强度和弹性模量的下降。不同比例G/SA 水凝胶膜的断裂伸长率均显著低于SA 水凝胶膜（P<0.05），且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的断裂伸长率显著降低（P<0.05）。上述结果表明，当明胶/海藻酸钠的比例逐渐升高时，水凝胶膜展现出较强的刚性和较差的柔性，这可能与交联密度的增大有关[42]。通常水凝胶膜的交联密度越高，网络结构越紧凑，孔径越小，机械强度也就越高，Zhang 等[43]的研究也有此发现。综上，G/SA-3 处理组的水凝胶膜具有最佳的机械性能。

图6 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的机械性能Fig.6 Mechanical property of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate

2.6 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的热性能分析

采用DSC 和TGA 分析不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的热稳定性，结果如图7 和表2 所示。由图7（a）可以看出，所有处理组的DSC 曲线均只存在一个吸热峰，此峰对应的温度就是其熔化温度（Tm）[44]。由表1 知SA 水凝胶膜的Tm 为113.93 ℃，G/SA 水凝胶膜的Tm均高于SA 水凝胶膜（P<0.05），且随着G/SA 比例的升高，即明胶添加量的增加，Tm也逐渐升高（118.85～132.72 ℃）。这可能是由于海藻酸钠和明胶之间的氢键作用和在葡糖酸内酯作用下的聚电解质作用增强了聚合物组分之间的相互作用，使海藻酸钠主链的迁移受到阻碍，增加了破坏聚合物内部结构所需的温度，从而使水凝胶膜的Tm升高[38,45]。

表2 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的熔化温度（Tm）、最大热降解速率温度（Td）和残碳率（YC）Table 2 Melting temperature (Tm),maximum thermal degradation rate temperature (Td) and carbon residue rate (YC) of gelatin/sodium alginate hydrogel films with different proportions

图7 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的DSC 曲线（a）、TGA 曲线（b）和DTG 曲线（c）Fig.7 DSC curves (a),TGA curves (b) and DTG curves (c) of gelatin/sodium alginate hydrogel films with different proportions

从图7（b）可以看出，所有处理组均表现出相似的热降解行为，说明在海藻酸钠占主体的水凝胶膜中，明胶的加入没有改变海藻酸钠的热降解行为。水凝胶膜热降解过程可分为三个阶段：第一阶段的热降解范围为30～140 ℃，失重率为13%，这主要与水凝胶膜中水分的蒸发有关[46]；第二阶段热分解发生在150～495 ℃，是主要的重量损失温度范围，重量损失率约为60%，这可能与海藻酸钠的碳链分解、明胶结构的破坏、肽链的断裂和甘油的热降解有关[47]；第三阶段热降解过程发生在500～600 ℃，是缓慢的碳化过程，由表2 可知，SA 水凝胶膜的YC为18.39%，G/SA 水凝胶膜的YC均高于SA 组，且随着G/SA比例的升高，YC也逐渐升高，这也表明明胶的加入可以显著提升水凝胶膜的热性能[48]。

图7（c）为不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的DTG 图，如表2 所示，SA 水凝胶膜的最大热降解速率温度（Td）为219.24 ℃，G/SA 水凝胶膜的Td均显著高于SA 水凝胶膜（P<0.05），而且随着G/SA 比例的升高，即明胶添加量的增加，Td也逐渐升高（228.12～241.42 ℃）。这是因为在GDL 的作用下，海藻酸钠和明胶发生了聚电解质作用，使水凝胶膜的交联密度增大，而海藻酸钠和明胶分子间的氢键也增强了水凝胶膜的热稳定性，进而使多糖碳链的分解受到抑制[48−49]。Xiao 等[50]的研究发现明胶的加入能显著提升海藻酸钠薄膜的热稳定性。上述结果表明：明胶的引入可以显著增强海藻酸钠水凝胶膜的热稳定性，且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的热稳定逐渐增强。

3 结论

本研究针对Ca2+交联海藻酸钠水凝胶膜极易脱水收缩、热性能差和机械性能较差等问题，选用海藻酸钠和明胶作为基质，通过加入碳酸钙和葡糖酸内酯来制备水凝胶膜，并探讨明胶/海藻酸钠的不同比例（0:6、1:6、2:6、3:6、4:6、5:6）对水凝胶膜物理性能的影响。结果表明，明胶的引入明显改善了水凝胶膜的三维网状结构，提升了水凝胶膜的凝胶含量和疏水性，明胶和海藻酸钠之间的氢键和聚电解质相互作用显著提升了水凝胶膜的拉伸强度、弹性模量、熔化温度和最大热降解速率温度。但当明胶/海藻酸钠的比例过大时，会造成明胶与海藻酸钠的相容性变差及三维网状结构的堆叠，进而导致水凝胶膜溶胀率、拉伸强度和弹性模量的降低。故当明胶/海藻酸钠比例为3:6 时，水凝胶膜具有最高的拉伸强度（29.6 MPa）、弹性模量（164.99 MPa）和溶胀率（2942.50%），此时凝胶含量（38.91%）、熔化温度（125.64 ℃）和最大热降解速率温度（236.67 ℃）也相对较高。因此，本研究制备的G/SA-3（3:6）水凝胶膜具有最佳的物理性能，在诸多领域具有良好的应用前景。