利用蛋壳进行果胶水凝胶的绿色合成及其在可控肥料释放中的应用

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Green synthesis of pectin hydrogels using eggshell and its application in controlled fertilizer delivery

　　

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  使用蛋壳和CaCl₂制备了果胶水凝胶。
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  该果胶水凝胶表现出增强的膨胀能力。
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  涂有果胶水凝胶的尿素能够缓慢释放。
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  释放过程受浓度和扩散作用的影响。
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  盆栽实验证明了该水凝胶的无毒性。

引言

基于生物的多糖，如果胶，作为石油衍生聚合物的可持续替代品，吸引了研究人员的关注（Gayen等，2026a）。果胶是一种天然存在的阴离子聚合物，由通过α-(1→4)糖苷键连接的D-半乳醛酸单元组成——由于其中一些羧基（–COOH）以甲酯（–COOCH₃）的形式存在，因此显示出巨大的潜力（Yang等，2026）。它是一种无毒、可生物降解、具有抗氧化和抗炎特性的生物聚合物。其结构特性使得它能够通过物理凝胶化方法或离子/共价交联形成水凝胶，并具有优异的膨胀能力（Kamoun等，2025）。水凝胶是亲水性的三维聚合物网络，能够保持大量水分/液体同时保持结构完整性（Gayen和Warkar，2025）。它的膨胀能力、孔隙率、结构稳定性、可重复的机械性能和生物特性吸引了科学家们对其实际应用的关注（Gayen等，2026b）。

由于其柔软性、柔韧性、生物相容性和高吸水能力等显著特性，果胶水凝胶在食品和农业行业中引起了极大的兴趣（Bhoi等，2026）。果胶被用作制药、食品和农业行业中的凝胶剂、稳定剂和乳化剂（Belousov等，2023）。本研究旨在使用果胶和蛋壳粉合成绿色水凝胶，并作为对比制备了氯化钙交联的果胶水凝胶。选择蛋壳作为可持续、成本效益高、可再生且丰富的食品工业废弃物，提供了一种比合成剂和化学交联剂（如氯化钙CaCl₂）更经济环保的替代品（Said等，2023）。

据报道，与氯化钙交联的果胶水凝胶表现出假塑性行为和粘弹性特性，其弹性模量（G′）大于粘性模量（G″），这表明它们作为促进伤口愈合的皮肤药物递送载体以及抗菌和抗氧化应用具有潜力（Bhoi等，2026）。与柠檬酸交联的聚乙烯醇/果胶水凝胶也显示出良好的凝胶化行为（Ahsan等，2024）。在另一项研究中，使用凝胶引发剂N-(2-羟基乙基)-哌嗪-N-2-乙撑磺酸（HEPES）与氯化钙交联的果胶水凝胶在水中表现出约744%的最大膨胀能力（Jiang等，2025）。此外，经过bell fruit gum改性的果胶水凝胶表现出更强的凝胶稳定性和负表面电荷（zeta电位为?18.1 mV）（Akter等，2023）。还开发了基于聚乙烯醇/海洋弹性蛋白水解物/果胶的水凝胶，这些水凝胶具有流变稳定性（G′ > G″）且无明显的细胞毒性（Sanboonmee等，2025）。

在本研究中，使用蛋壳粉作为交联剂制备了果胶水凝胶。蛋壳是鸡蛋和家禽行业的副产品/残留物/废弃物，由于其丰富性、成本效益、环保性和可再生性，被视为制备基于生物聚合物的水凝胶/复合材料的理想原料（Tan等，2026）。多项研究报告了使用蛋壳作为交联剂制备水凝胶和复合材料的情况。利用蛋壳制作的巨型蛇头鱼丸被用来评估凝胶性能，流变分析显示其储能模量（～500 kPa）高于损耗模量（～100 kPa）（Sanboonmee等，2025）。使用聚乙烯醇、海藻酸钠和蛋壳粉制备的复合材料在35天后表现出约79%的生物降解性（Jiang等，2025）。

本研究旨在制备一种使用蛋壳交联的环保型果胶水凝胶，作为尿素肥料的涂层材料。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、差示扫描量热法（DSC）、流变分析、膨胀实验和水分保持能力对其进行了表征。尿素被涂覆在果胶水凝胶上，并使用经验动力学模型研究了尿素的释放情况。这为干旱和半干旱地区的农业生产中土壤、水分和肥料管理提供了新的方法。此外，本研究有助于制造一种环保型绿色水凝胶，以实现可持续农业应用，符合循环经济理念，直接支持联合国可持续发展目标（SDG）7（负担得起和可持续的能源）、目标12（负责任的消费和生产）和目标13（停止气候变化）（Gayen等，2026f）。我们的研究结果支持果胶水凝胶在农业应用中作为养分载体和多种潜在用途方面的有益性。

章节摘要

材料

果胶（聚D-半乳醛酸甲酯）（CAS编号9000-69-5）和氯化钙（CAS编号10043-52-4）、酚酞指示剂、乙醇、盐酸（HCl）、氯化钠（NaCl）和氢氧化钠（NaOH）从Thermo Fisher Scientific（印度德里）购买，按收到时的状态使用。尿素（99%）从印度德里的Rohini购买。蛋壳废弃物来自德里理工大学（DTU）的食堂。去离子水（DI）在我们实验室制备。

果胶的化学分析

果胶水凝胶通过果胶和钙离子（Ca²⁺）之间的离子交联形成了蛋盒结构。当含有钙离子（Ca²⁺）的物质加入到果胶溶液中时，钙离子与平行的果胶链结合，将液态果胶溶液转化为三维固体网络。在理想的pH范围内，果胶中的平滑均聚半乳醛酸区域发生脱质子化。

结论

使用蛋壳粉和氯化钙作为交联剂制备了果胶水凝胶，用于农业实践。这些水凝胶（PC和PE）被用来涂覆尿素，并使用经验动力学模型研究了尿素的释放情况。尿素的释放模式遵循一级反应和Peppas-Shalin模型，表明尿素释放依赖于浓度并符合Fickian扩散规律。在去离子水中，涂有PC水凝胶的尿素累计释放量为94%，在土壤中为91%

CRediT作者贡献声明

Tarun Kumar Gayen: 负责撰写、审阅和编辑、原始草稿的撰写、可视化、验证、方法学设计、调查、数据分析、概念化。Mohammad Amdad Ali: 负责撰写、审阅和编辑、监督。Sudhir G Warkar: 负责撰写、审阅和编辑、监督

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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本手稿是原创论文，尚未在其他期刊上发表。作者同意遵守版权规定。

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