壳聚糖-κ-卡拉胶复合胶体的固液相变：相行为、多尺度结构与流变特性

《Food Hydrocolloids》：Solid-to-gel phase transition of chitosan-κ-carrageenan complex coacervates: Phase behavior, multiscale structure, and rheology

壳聚糖-κ-卡拉胶复合凝聚体的相行为、多尺度结构和流变学特性研究表明，其固-凝胶相变由盐掺杂和质子化调控，纤维状宏观结构与凝胶状介观网络共存，0.3-0.4 M NaCl下表现出增强的结构弹性，氢键和疏水相互作用随pH变化（4-6）提升材料力学性能。

　　

孟旭|张浩奇|郑家宝|孙伟正

华南理工大学食品科学与工程学院，广州，510641，中国

摘要

基于多糖的复合凝聚体在先进材料和生物医学应用中展现了巨大的潜力。本研究探讨了壳聚糖-κ-卡拉胶（CHI-κ-CG）复合凝聚体的相行为、多尺度结构及其流变特性。在pH 4、5和6条件下，CHI与κ-CG复合体的化学计量比分别为1:2.3、1:2.1和1:1.2。CHI-κ-CG复合凝聚体在各种pH值下均呈现类似固体的纤维结构。加入盐分会诱导外部离子对的掺入并增加水分含量，从而触发从类固体到类凝胶的多尺度相变。小角X射线散射显示，初级聚集体从类固体纳米球状结构转变为类凝胶网络结构。结合水的加速动态变化进一步证实了这一相变过程。然而，盐分还会导致κ-卡拉胶从螺旋结构转变为卷曲结构，由于链刚性增加，这阻碍了凝聚体随后从类凝胶向类液体的转变。因此，非线性流变测量结果显示，在0.3–0.4 M NaCl浓度下，CHI-κ-CG复合凝聚体表现出更高的结构弹性。此外，从pH 4到6的过程中，氢键和疏水相互作用的增强提高了凝聚体的结构弹性和抗大应变能力。最后，本文提出了CHI与κ-卡拉胶之间的复合机制，为基于多糖的复合凝聚体材料的设计和应用提供了宝贵的见解。

引言

在水溶液中，带有相反电荷的聚合物可以通过多价相互作用发生液-液相分离，形成富含聚合物的凝聚相，并与稀薄的的上清液共存（Sing & Perry, 2020）。这种现象被称为复合凝聚作用，最早由Bungenberg de Jong在1929年报道（Bungenberg De Jong & Kruyt, 1929）。自那时起，复合凝聚体作为一种多功能软凝聚态物质，已在食品工业、材料科学和生物医学领域得到广泛应用，例如作为食品添加剂（Dickinson, 2008; Schmitt & Turgeon, 2011）、微胶囊（Devi et al., 2017; T. C. Li et al., 2025）、水下粘合剂（Hwang et al., 2010; Stewart et al., 2011; Zhao et al., 2016）以及响应性材料（Nichols et al., 2018; B. H. Wu et al., 2023）。最近关于生物分子凝聚体在细胞组织中作用的突破进一步激发了对复合凝聚作用的兴趣（Alberti et al., 2019; Rumyantsev et al., 2021）。

目前关于复合凝聚体的研究主要集中在合成聚电解质、多肽、蛋白质-多糖和异源蛋白系统上（S. Meng et al., 2020; Schmitt & Turgeon, 2011; Zheng, Gao, et al., 2020）。然而，近年来，以壳聚糖-透明质酸（CHI-HA）和壳聚糖-阿拉伯胶（CHI-GA）为代表的天然多糖基复合凝聚体在动态行为研究及先进材料应用方面展现了显著潜力，例如电纺纳米纤维（Sun et al., 2019）、可注射凝胶（Jin & Kim, 2008; S et al., 2018）和3D生物打印墨水（Khoonkari et al., 2023; Khorsandi et al., 2025）。这些材料在组织工程（Kim et al., 2016）、伤口愈合（M. Wu et al., 2025; X. Zhang et al., 2024）和细胞培养（Khoonkari et al., 2023）等前沿应用中具有独特优势。此外，天然多糖基复合凝聚体来源广泛，生物相容性和可降解性优异，其功能特性可以通过外部参数（如pH值、离子强度）和内在链性质（如分子量、电荷密度）轻松调节（S.-K. Chen et al., 2023; Huo et al., 2022）。

壳聚糖（CHI）是一种线性阳离子多糖，由N-乙酰葡糖胺和D-葡糖胺通过β-1,4-糖苷键连接而成，通过壳聚糖的N-脱乙酰化获得。作为唯一天然存在的带正电荷的多糖，CHI具有良好的生物降解性和抗菌活性（Kou et al., 2022; Rocha et al., 2017）。CHI与羧基化阴离子多糖（如HA、GA）的复合凝聚作用已被广泛研究（Furlani et al., 2020; Schroeder et al., 2023）。卡拉胶（CG）是一种从红藻中提取的天然硫酸化阴离子多糖，其分子链中含有大量的硫酸基团（-OSO₃^–），使其成为一种在宽pH范围内保持完全离子化的强聚电解质（Udo et al., 2023）。与羧基化多糖相比，CG的可电离基团的pKa值较低，局部电荷更强（Jones & McClements, 2010）。这是因为根据共振理论，-OSO₃^–基团的负电荷具有更高的离域程度，从而赋予更高的稳定性并促进相应共轭酸的质子解离（图1）（Pauling & Sherman, 1933）。然而，CG与CHI之间的相互作用、相分离行为及凝聚体性质尚未被充分揭示。CG分为三种形式（κ-、ι-和λ-CG），其区别在于每个理想二糖亚单位上的硫酸基团数量分别为一个、两个和三个（Campo et al., 2009）。理论上，κ-CG的整体电荷密度较低，会导致其与CHI之间的静电相互作用较弱，有利于形成具有可控松弛动力学和材料特性的复合凝聚体。

鉴于天然多糖基复合凝聚体的广泛应用以及CHI-κ-CG复合凝聚体研究领域的空白，我们假设pH值和盐浓度会影响CHI与κ-CG之间的复合机制，以及CHI-κ-CG复合凝聚体的动态行为和机械性质。因此，我们（1）研究了pH值和NaCl浓度对CHI-κ-CG复合凝聚体相行为的影响；（2）表征了CHI-κ-CG复合凝聚体的多尺度结构及其在介观尺度上的演变；（3）探讨了pH值和NaCl浓度对CHI-κ-CG复合凝聚体内多糖链和水分子松弛动力学以及大应变下结构稳定性的影响。

材料

壳聚糖（CHI）的脱乙酰度为82%（通过¹HNMR确认，图S1），平均分子量为30 kDa，购自上海麦克林生化科技有限公司。κ-卡拉胶（κ-CG）购自Sigma-Aldrich（圣路易斯，密苏里州）。通过高效凝胶渗透色谱（HPGPC）系统（Thermo U3000，美国）测定其分子量为约683.6 kDa。氯化钠（NaCl）、盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）均从相关供应商处购买。

CHI-κ-CG复合凝聚体的相行为

研究CHI-κ-CG复合凝聚体的相行为有助于了解其基本组成（de Kruif et al., 2004）。首先，我们通过浊度法研究了pH 4–6范围内混合比对复合凝聚体形成的影响，以确定CHI-κ-CG复合体的化学计量比，因为CHI和κ-CG的pKa值分别为6.55和1.2（图S2）（Vleugels et al., 2018）。通常，复合凝聚体在化学计量比下产量最高。

结论

本研究探讨了CHI-κ-CG复合凝聚体的相行为、多尺度结构、动力学和非线性流变特性。CHI-κ-CG复合凝聚体在宏观尺度上呈现类似固体的纤维结构，在微米尺度上则表现出异质性的纤维网络特征。重要的是，加入盐分并未引发CHI-κ-CG复合凝聚体的固液相变，反而引发了固-凝胶相变。

CRediT作者贡献声明

孟旭：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据整理。张浩奇：验证结果、方法学设计、数据分析、形式化分析。郑家宝：撰写修订稿、监督工作、项目管理、资金申请、概念构思。孙伟正：监督工作、项目管理、资金申请。

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（2024ZYGXZR072）、国家自然科学基金（22478132; 32402178）、博士后创新人才支持计划（BX20230130）以及广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515012638; 2023A1515110600）的支持。