在大豆蛋白-氧化海藻酸盐原位水凝胶中通过氧化工程实现交联：从“点对点”交联到“线对线”交联的演变过程——基于动态席夫碱交联机制

《Food Research International》：Oxidation-engineered in soy protein-oxidized alginate in situ hydrogels: The evolution from “point-point” to “line-line” via dynamic Schiff base crosslinking

本研究利用SPI与氧化 sodium alginate（OSA）通过动态Schiff碱键直接交联制备新型环保原位水凝胶，发现氧化程度影响网络结构演变，OSA-4（SPI:OSA=5:4）水凝胶表现出最佳机械性能和稳定性。中文摘要结束。

　　

程晓毅|王中江|郭增旺|徐静

东北农业大学文理学院，哈尔滨，黑龙江省150030，中国

摘要

在本研究中，利用大豆蛋白分离物（SPI）和氧化海藻酸钠（OSA）开发了一种新型的环保原位水凝胶，这两种物质通过动态席夫碱键直接交联。结果表明，SPI和OSA之间紧密有序的网络结构是通过分子链的定向和排列形成的，这依赖于席夫碱的共价键和非共价相互作用。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，随着氧化程度的增加，网络之间的交联从“线性结构”发展为“平面结构”，并且交联区域持续增厚。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，适度氧化增强了席夫碱的共价相互作用，同时非共价相互作用也得到了加强，从而促进了凝胶网络结构的稳定构建。有趣的是，GSPI-OSA-4（SA:NaIO? = 5:4，w/w）表现出最佳的稳定性和保水能力，以及最低的膨胀特性。此时，该凝胶具有最高的支撑性和机械性能，并且能够很好地整合到网络中，显示出最强的抗变形能力。本研究的目的是为环保水凝胶的开发提供理论支持和潜在应用。

引言

水凝胶是一种独特的材料，通过化学或物理方法将亲水聚合物链交联成三维网络结构，能够吸收和保持大量水分，并呈现出类似于生物组织的柔软性。水凝胶在众多领域的独特应用潜力归功于其高吸水性、保水性、生物相容性和可调性（Gu等人，2025年）。近年来，原位水凝胶已成为此类研究的重点。最重要的是，原位水凝胶可以作为伤口愈合的注射材料发挥重要作用（Lu等人，2015年）。此外，用于制备水凝胶的原材料广泛可用，包括天然聚合物（如多糖和蛋白质）和合成聚合物（如聚丙烯酸和聚丙烯酰胺）。使用生物大分子（如明胶和壳聚糖系统）制备水凝胶具有显著的优势，包括生物降解性、良好的生物相容性和丰富的来源（Li等人，2021年）。因此，基于生物大分子的水凝胶在众多领域展现出出色的应用前景。植物蛋白作为一种可持续的蛋白质来源，正在被广泛研究。Fang等人（2024年）制备了具有热可逆性的麻蛋白水凝胶，用作快速伤口愈合的敷料。

大豆蛋白分离物（SPI）是一种丰富的植物蛋白来源，由多个亚基（2S、7S、11S和15S）组成。分子中的丰富氨基、羧基和疏水区域提供了交联位点，赋予蛋白质丰富的功能特性（如乳化、发泡、溶解性和凝胶化性能等）（Peles & Zilberman，2011年）。SPI的凝胶特性是指其在特定条件下能够形成三维（3D）网络结构，将水分和其他成分困在其中，从而为食品和其他材料赋予特定的质地和稳定性（Lan等人，2024年）。基于SPI的水凝胶已应用于多个领域，包括食品（豆腐）、生物医学（药物载体）和材料科学（可降解材料）。然而，由于机械强度不足、脆性高和稳定性有限等问题，纯SPI凝胶的应用受到了限制。研究人员设计了策略来克服这些缺点，通常通过添加辅助成分或进行改性来实现（Wang, Liu等人，2023年）。特别是，多糖的改性是改善SPI凝胶性能的有效方法之一。多糖的独特结构和性质与SPI通过物理或化学交联形成复合凝胶，从而提高了凝胶的性能。Yan等人（2021年）通过添加漆酶和热处理，开发了一种具有优异结构和质地特性的玉米纤维-大豆蛋白分离物双网络水凝胶。

海藻酸钠（SA）是从褐藻中提取的天然多糖。其分子结构由β-D-甘露糖醛酸（M单元）和α-L-古洛糖醛酸（G单元）通过1,4-糖苷键连接而成（Ci等人，1999年）。SA良好的水溶性、生物相容性和可降解性使其在食品、医药和生物工程领域得到广泛应用。SA分子中的邻二醇结构可以被NaIO?选择性氧化，转化为醛基（Gomez等人，2007年）。氧化海藻酸钠（OSA）不仅保留了原有的生物相容性，还因引入醛基而获得了新的反应性（Boontheekul等人，2005年）。OSA中的醛基（-CHO）和SPI中的氨基（-NH?）在温和条件下可以迅速形成共价交联，生成席夫碱共价键（-C=N-）（Cheng, Yang等人，2025年）。与物理交联相比，这种化学交联网络表现出更高的稳定性和机械强度。然而，从动态共价交联过程的角度探讨SPI和OSA原位水凝胶的结构和功能特性的研究尚不多。

基于此，本研究采用简单、快速且高效的席夫碱反应，在温和条件下制备了具有优异物理和化学特性的原位水凝胶。通过调节氧化状态，研究了动态共价键形成对SPI-OSA复合材料性能的影响，重点关注从溶胶-凝胶到复合材料的转变过程。评估了SPI-OSA水凝胶的结构、微观结构和机械性能。假设SPI可以通过OSA作为交联剂迅速凝胶化，形成具有出色性能的水凝胶网络，而无需其他物质的辅助。本研究为开发具有优越性能的环保水凝胶提供了见解和理论支持。

材料

脱脂大豆购自哈尔滨的Yihai Kerry Grain and Oil Food Industry Co., Ltd.。海藻酸钠（纯度>90%，粘度1000–1200 mPa·s，Mn = 25,805 g/mol，Mw = 52,411 g/mol，M/G = 2:1）和过氧化钠（纯度99.5%，分子量213.36 Mw）由上海的Maclin Biochemical Technology Co., Ltd.提供。实验中使用的其他所有试剂均为分析级。

大豆蛋白（SPI）的提取

大豆蛋白的提取方法参考了Cheng, Li等人的研究（2024年）

时间依赖性的流变学变化

测量了SPI、SPI-SA和SPI-OSA样品在一定时间（4000秒）内的粘弹性能，以预测复合材料内部相互作用强度随时间的变化，从而评估样品的凝胶性能。随着时间的推移，所有样品的G'和G"逐渐增加，表明系统内的分子间相互作用不断加强（Li等人，2014年）。与SPI和SPI-SA相比，SPI-OSA...

结论

本研究介绍了一种基于大豆蛋白分离物（SPI）的水凝胶，该水凝胶的制备过程中未使用加热或外部交联剂，主要依靠SPI和氧化海藻酸钠（OSA）之间的动态席夫碱共价键。在网络形成过程中，席夫碱结构的稳定化和扩展促进了分子链的逐步缠结和交联，奠定了原位凝胶网络结构的基础。此外，氧化程度的增加...

CRediT作者贡献声明

程晓毅：撰写——原始草案、方法学、数据分析、概念化。王中江：软件、正式分析。郭增旺：可视化、监督。徐静：监督、资源管理、项目申请。

未引用的参考文献

Su等人，2024

Wang等人，2024

Wang等人，2023

Wang等人，2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省重点研发计划项目 [2024TZXD053]的支持。