微流控辅助内凝胶化制备可调水凝胶：凝胶化机制解析与甜菜红素包封性能提升

《Food Hydrocolloids》：Millifluidic-Assisted Internal Gelation of Tunable Hydrogels: Mechanistic Insights into Gelation and Enhanced Betanin Encapsulation

　　

•连续流微流控实现了亲水性溶质的有效包埋•内部凝胶化对甜菜红素的包埋效率达到96.35%•风干水凝胶在储存6天后仍保留95%的甜菜红素•甜菜红素的释放遵循pH依赖性的溶胀和溶解机制引言亲水性聚合物（溶胶-凝胶转化）的交联形成水凝胶，引起了研究者对驱动这一现象的基本物理/化学过程的深思，并使其在生物医学工程（Z?ller等，2025）、化妆品配方（Rashid等，2025）、药物包埋（Peppas等，2000）、食品技术（Ryu & McClements，2025；Ya-Nan等，2026；T. Zhang等，2026）和环境修复（Visan & Negut，2025）等领域具有广泛的相关性。最近，溶胶-凝胶转化被用于制备可穿戴电子设备（Jiang等，2026；Wang等，2026；Zhao等，2026）。离子型（离子）凝胶化涉及聚电解质与带相反电荷的多价离子的"物理"交联，形成三维聚合物网络，主要用于包埋（Bel??ak-Cvitanovic等，2016）和药物递送（Gadziński等，2023）应用。海藻酸盐来源于褐藻，是一种无毒、廉价、可生物降解的聚合物，广泛用于离子凝胶化（Paques等，2014）。海藻酸盐是一种聚阴离子生物聚合物，由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）的1-4连接残基组成，两者结构相似，但在C-5原子上的吡喃环构象上存在差异。β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）残基均带有羧基。海藻酸盐的这些结构单体（M和G残基）在统计上可表征为二聚体，有四种可能的组合，即M-M、M-G、G-M和G-G（Depta等，2022；Fang等，2007）。由于结构单体的构象差异，G-G对呈弯曲结构，而M-M对则形成扁平带状结构（Depta等，2022）。当暴露于多价阳离子（金属离子，M2+）时，G-G对的羧酸根基团与M2+形成有利的相互作用，形成巢状构型（G-M2+-G）。这些巢状构型的堆叠发展为"蛋箱"连接，作为凝胶化的构建单元（Fang等，2007）。M?rch等人研究了不同多价阳离子与不同二聚体形成有利相互作用的亲和力，报告了G-G区块的以下亲和力顺序：Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+（Donati & Christensen，2023；M?rch等，2006）。然而，由于其食品生物相容性、低成本和温和的凝胶化特性，钙离子（Ca2+）是生物活性包埋应用的首选。根据引入Ca2+离子的方式，离子凝胶化主要分为外部凝胶化和内部凝胶化。外部凝胶化是将海藻酸盐溶液滴入钙离子（主要为CaCl2）水溶液中诱发的，其中Ca2+离子径向向内迁移，导致后续的径向凝胶化（Shu等，2023）。这会在外围引起快速凝胶化，导致凝胶化不均匀。对于内部凝胶化，Ca2+离子预先分散在海藻酸盐溶液中，或以不溶性Ca2+基盐（CaCO3、CaHPO4）或螯合钙络合物（EDTA、EGTA）的形式存在（Djemaa等，2024）。这种不溶性/结合的钙在酸触发（由于质子化）下释放，并与海藻酸盐的羧酸单元发生凝胶化。内部凝胶化可实现Ca2+离子的受控/缓慢释放，从而保持结构均匀性（Shu等，2023）。凝胶化结合微流控或毫秒流控技术，可对流体流动进行精确控制，从而实现可调乳化模板的制备（Xie等，2025）。毫秒（微）流控是指在具有毫米（亚毫米）级特征尺寸通道/导管中加工流体的技术。流体和流动特性的综合影响由不可混溶流体之间相互竞争的惯性（）、粘性（）和界面（）应力所表征，这些应力定义了毫秒流控通道中的流动模式（射流、液滴和并行流）。区室化毫秒流控技术可以生成复杂的、多维的（单核或多核）结构，用于同时包埋亲水性和疏水性生物活性物质（Leister & Vladisavljevi?，2026；F. Zhang等，2026）。比较了批量凝胶化和微流控凝胶化形成的凝胶的结构和流变学性能，后者产生均匀的球形凝胶颗粒（Lacroix等，2022）。相比之下，批量凝胶化导致聚结和不均匀的凝胶。已开发出多种与凝胶化方法整合的微流控和毫秒流控平台，用于包埋生物活性溶质。一种基于同轴流聚焦的毫秒流控设计已被开发用于生成W/O/W双乳液模板，滴入氯化钙水溶液后即发生凝胶化（外部凝胶化）（Martins等，2017；Vivo & Sarghini，2026）。同样，毫秒流控共流几何结构被用于生成O/W海藻酸盐颗粒以包埋肉桂精油（Farahmand, Emadzadeh等，2022）。作为W/O乳液分散的益生菌已被整合到毫秒流控共流设计中，用于生成W/O/W海藻酸盐颗粒（Farahmand, Ghorani等，2022）。此外，内部凝胶化已与毫秒流控整合，用于生成O/W/O单分散乳液颗粒（Dias Meirelles等，2022）。基于T形接口的毫秒流控技术被用于通过酸化内部凝胶化包埋藻蓝蛋白（色素-蛋白质）（Rueangkrachai等，2025）。这表明研究重点主要在于利用微流控和毫秒流控技术包埋脂溶性生物活性物质和高分子量蛋白质。然而，相比之下，基于离子凝胶化的亲水性溶质包埋在交联过程中存在严重的扩散损失，导致包埋效率较低。将离子凝胶化用于包埋低分子量亲水性溶质的挑战在综述文章中得到了充分讨论（Kurozawa & Hubinger，2017）。甜菜红素是一种来源于石竹目的低分子量亲水性溶质，因其抗氧化和治疗特性而在食品和制药行业具有吸引人的应用（Chen等，2021；Madadi等，2020；Moraga-babiano等，2025）。目前主要用于稳定甜菜红素的包埋技术是喷雾干燥和冷冻干燥（Shofinita等，2023）。这些传统方法不仅能耗大（Baker & McKenzie，2005），而且生产成本较高（Boravelli等，2026）。作为这些高能耗方法的替代方案，离子凝胶化已被用于甜菜红素的包埋（Gorbunova等，2018）。值得注意的是，关于基于离子凝胶化包埋甜菜红素的研究主要集中在外部凝胶化方法上。其中，将海藻酸钠和甜菜红素的水溶液滴入氯化钙水溶液中，引发离子凝胶化，从而包埋甜菜红素。然而，钙-海藻酸盐基质的高度多孔性导致甜菜红素向CaCl2溶液中产生严重的扩散损失，从而降低包埋效率。相对湿度（%RH）对基于离子凝胶化的甜菜红素水凝胶稳定性的影响已被研究，揭示了%RH与甜菜红素稳定性之间的反比关系（Otálora等，2016、2018）。其中，钙海藻酸盐凝胶颗粒在84.3%RH和34.6%RH下分别保留了7.2%和48.8%的甜菜红素（Otálora等，2016）。此外，（Aguirre Calvo等，2019）研究了用于包埋甜菜红素的外部凝胶化水凝胶颗粒的微观结构，作者报告的载药（包埋）效率在10.6–35.1%范围内。Tekin等（2023）优化了凝胶化参数以最大化甜菜红素的保留和稳定性，其中约50%的甜菜红素在外部凝胶化交联过程中因扩散而损失（海藻酸钠浓度-3%，交联时间-5分钟）。最近，（Khanal等，2027）将玉米醇溶蛋白作为疏水屏障整合到外部凝胶化水凝胶颗粒中，实现了甜菜红素的持续释放和65.2%的高包埋效率。尽管外部凝胶化方法的研究取得了进展，但由于扩散损失，甜菜红素的包埋效率仍然较低。这凸显了开发实验方法来包埋亲水性溶质（甜菜红素）并实现更高包埋效率的重要性。在本研究中，我们提出了一种基于内部凝胶化的毫秒流控方法来包埋亲水性甜菜红素，实现高包埋效率和优异的稳定性。我们旨在研究操作和组成参数对包埋水凝胶颗粒的结构和流变学性能的影响。为了表征凝胶化/交联反应，我们采用反卷积FT-IR光谱来了解交联剂浓度对水凝胶颗粒流变学性能的影响。将基于内部凝胶化的毫秒流控方法在包埋效率和水凝胶颗粒粒径分布方面与外部凝胶化和批量凝胶化进行了比较。评估了内部凝胶化水凝胶颗粒中甜菜红素的包埋效率和储存稳定性。此外，全面研究了不同pH环境下甜菜红素的释放动力学。分段摘要化学试剂Sodium alginate (C6H7NaO6)n HV Extrapure购自SRL Pvt. Ltd。乙二胺四乙酸钙二钠盐水合物（> 98%）– C10H12CaN2Na2O8.xH2O（分子量 – 374.27 g/mol），甜菜红素（红甜菜提取物用糊精稀释）购自TCI chemicals Ltd。冷压向日葵油购自Organic India Pvt. Ltd。冰醋酸 –（99.9%，C2H4O2）购自SRL Pvt. Ltd。磷酸二氢钾 – KH2PO4（分子量结果与讨论通过本研究，我们旨在开发一种毫秒流控辅助的内部凝胶化方法来生成可调的、单分散的水凝胶颗粒，用于包埋亲水性甜菜红素。我们最初研究了海藻酸钠（生物聚合物）、醋酸（质子化酸触发剂）和Ca-EDTA（交联剂载体）浓度对凝胶化程度、水凝胶颗粒直径及相应粘弹性特性的影响，讨论如下。结论我们提出了一种毫秒流控辅助的内部凝胶化方法来包埋亲水性甜菜红素，实现高包埋效率。最初，我们研究了海藻酸钠（0.5% - 1.5% w/v）、Ca-EDTA（0.17% - 6% w/w）和醋酸触发剂（0% - 0.5% w/v）浓度对凝胶化程度影响。增加海藻酸钠浓度导致形成更致密的水凝胶颗粒，归因于更高浓度的CRediT作者贡献声明Anil B. Vir：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，概念化。Joseph Abhisheka Rao Boravelli：写作 – 原始草稿，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化未引用参考文献Farahmand等，2022；Zhang等，2026。利益冲突声明? 作者声明他们没有任何已知的 competing financial interests或可能影响本文所报告工作的个人关系。致谢JARB感谢印度政府MoE的资助支持。Joseph Abhisheka Rao Boravelli | Anil B. Vir