通过LiBr溶液制备的纤维素-果胶复合水凝胶：一种可持续的冻融循环及溶剂再生方法，可显著提升材料的结构-功能关系

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Cellulose–pectin composite hydrogels fabricated via LiBr solution: A sustainable approach to freeze–thaw and solvent regenerated networks with enhanced structure–function relationships

　　尹素贤|白多赫|林秀熙|金大英
韩国京畿道高阳市一山洞区东国大学生物与环境科学系，邮编10326

**摘要**
利用LiBr溶液合成了纤维素-果胶复合水凝胶，以研究果胶对纤维素网络形成的影响，并探索其在生物材料中的潜在应用。这些水凝胶通过溶解-再生过程制备，使用了不同浓度的纤维素和果胶。FT-IR和XPS分析证实果胶发生了部分脱甲基化，氢键相互作用减弱；XRD结果显示随着果胶含量的增加，结晶度逐渐降低。机械强度测试和水分保持值（WRV）测量表明，过量的果胶会破坏纤维素的再生过程，导致网络结构变得松散且强度降低。相反，冻融处理和有机溶剂再生处理显著提高了结构稳定性，通过氢键重组和网络致密化恢复了硬度和水分保持能力。此外，果胶酶活性测试表明，处理后果胶的还原能力仍然存在，这支持了其作为水凝胶基质功能性成分的作用。使用FRAP测定法测得的抗氧化能力表明，含有果胶的水凝胶表现出更强的抗氧化性能。这些发现突显了基于LiBr的纤维素-果胶复合水凝胶在机械增强和材料应用方面的潜力。

**1. 引言**
基于生物的多糖（如纤维素）作为石油衍生聚合物的可持续替代品受到了关注[1]。特别是纤维素，这种天然存在的线性聚合物由重复的β-(1–4)-D-葡萄糖吡喃糖单元组成，由于其可生物降解性、无毒性、低密度和易于改性而显示出巨大的应用前景[2]。然而，其广泛的分子内和分子间氢键网络使得纤维素在水中和有机溶剂中几乎不溶。为克服纤维素的溶解度限制，人们探索了多种溶剂系统，包括有机溶剂和离子液体[3][4][5][6]。然而，这些系统大多存在成本高、环境问题或加工复杂等问题，因此需要寻找更简单、更可持续的替代方案[7]。
作为一种替代方案，水溶性溴化锂（LiBr）最近被证明是一种环保且经济高效的纤维素再生溶剂[8]。水溶性LiBr具有环保特性，如可生物降解性、低挥发性和低空气毒性。在高温下，浓LiBr溶液能有效溶解纤维素，破坏氢键，随后的非溶剂处理会置换Li+和Br-离子，使氢键在室温下重新形成，从而生成再生水凝胶。总体而言，LiBr的这些有利特性使其再生过程比传统方法更具优势，尤其是在简单性和成本效益方面。尽管对环保再生方法的兴趣日益增加，但迄今为止的大多数研究仅集中在使用基于LiBr的溶剂系统来再生纤维素、丝素和壳聚糖等天然聚合物上。这种局限性突显了进一步研究水溶性LiBr系统在制备生物基复合材料方面潜力的必要性。

**2. 实验部分**
**2.1. 材料**
实验中使用的原材料包括分子量为120 kDa的商业α-纤维素和分子量为711.9 kDa的高甲氧基苹果果胶，均购自Sigma-Aldrich公司。根据文献[14]，该果胶的甲酯化程度为65%，半乳糖醛酸残基含量为54.80%。LiBr（99.0%，Samchun Chemicals，韩国）用于制备凝胶溶液。水分保持和膨胀实验中使用了氯化钠（NaCl；99.5%，Samchun Chemicals，韩国）。水凝胶的抗氧化能力使用Sigma-Aldrich公司的Ferric Reducing Antioxidant Power (FRAP) Assay Kit (MAK369)进行测定。

**2.2. 不同果胶浓度下纤维素-果胶水凝胶的制备**
制备纤维素-果胶复合水凝胶时，使用60%的水溶性LiBr溶液作为溶剂。溶液在加热套（MS-EAMDS9603-03，Misung Scientific Co., Korea）中加热至145°C后搅拌。达到设定温度后，依次加入纤维素和果胶，并以350 rpm的速度搅拌7分钟直至溶解。按纤维素总质量的1 wt%比例加入不同浓度的果胶（1–3%），分别标记为0CP、1CP、2CP和3CP（C表示纤维素，P表示果胶）。将溶解后的纤维素-果胶溶液倒入模具中并让其再生。随后，将再生水凝胶用去离子水（D.I.）冲洗一天以去除LiBr。样品标记如下：CP表示室温（RT）再生。

**2.3. 使用不同再生策略制备纤维素-果胶水凝胶**
为了提高复合水凝胶的性能，仅使用2CP和3CP配方制备了新的水凝胶，因为这些水凝胶的性能低于其他CP配方的水凝胶。与标准CP水凝胶不同，这些新水凝胶经过了冻融循环处理：在-20°C的深冻柜中冷冻一天，然后在室温（RT，约25°C）下用去离子水解冻。解冻后，样品分别在乙醇和甲醇中各处理一天。根据冻融处理和再生溶剂的不同，样品标记如下：FCP表示冻融处理的水凝胶，CP-E和FCP-E表示乙醇再生水凝胶，CP-M和FCP-M表示甲醇再生水凝胶。

**2.4. 纤维素-果胶水凝胶的表征**
**2.4.1. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）**
使用Vertex 80v仪器（Bruker Optics GmbH & Co. KG，德国）进行FT-IR光谱分析。采用KBr颗粒法，将固体样品与KBr粉末按100:1的比例混合制成颗粒，然后检测红外吸收光谱。测量范围为4000–500 cm?1。

**2.4.2. X射线衍射（XRD）**
使用多功能X射线衍射仪（PANalytical B.V.，荷兰）和长焦Cu Kα辐射源，通过XRD评估样品的晶体结构。测量范围为10–40°。

**2.4.3. X射线光电子光谱（XPS）**
使用K-Alpha光谱仪（Thermo Fisher Scientific，英国）和单色Al Kα源（1486.6 eV）在30°入射角下，研究水凝胶样品的元素组成和表面化学键合状态。扫描范围为0–1300 eV，步长为1.0 eV。

**2.4.4. 流变性能**
使用Discovery HR 20流变仪（TA Instruments Inc., USA）测量流变性能，该仪器配备20 mm不锈钢平行板几何结构。样品在1.0 N的恒定轴向力下测试，间隙为2000 μm。在固定角频率10 rad/s下进行振幅扫描，测量储能模量（G′）和损耗模量（G″）。随后在线性粘弹性区域（LVER）内进行频率扫描，应变固定为0.5%，频率范围为0.1–100 Hz，确定粘弹性参数（G′、G″和复合粘度η*）。

**2.4.5. 扫描电子显微镜（SEM）**
使用扫描电子显微镜（Hitachi S-4800，Hitachi High-Technologies Corporation，日本）研究水凝胶的横截面形态和微观结构。水凝胶被切片进行内部观察，加速电压为5.0 kV。

**2.4.6. 力学性能分析**
使用纹理分析仪（TA-CT3，AMETEK Brookfield，美国）的纹理剖面分析（TPA）模式测量力学性能。重复测量的平均值用于表征水凝胶的硬度。

**2.4.7. 水分保持值（WRV）和膨胀行为的测定**
根据ASTM D570标准方法（符合ISO 62）评估水凝胶的水分保持能力。测量水凝胶的初始重量和干燥后的重量，使用公式（1）计算水分保持值：
(1) WRV(%) = (Ww - Wd) / Wd × 100
其中Ww表示干燥前的水凝胶重量，Wd表示干燥后的水凝胶重量。

**2.4.8. 果胶酶活性的分析**
果胶酶是一种催化果胶水解的酶。通过QuantiChromTM Pectinase Assay Kit (DPEC-100)检测水凝胶中的果胶底物来评估果胶酶活性。样品在100 mM醋酸缓冲液中干燥、匀浆后，以14000 rpm离心5分钟。上清液用于分析。每个样品与试剂反应10分钟后，测量600 nm处的吸光度以计算果胶酶活性。

**2.4.9. 抗氧化能力的分析**
根据制造商的方案，使用FRAP Assay Kit (MAK369)评估抗氧化能力。FRAP反应中，水凝胶提取物作为样品，在37 ± 0.5 °C下孵育。样品和阳性对照（各10 μL）分别与FRAP测定缓冲液、FeCl3溶液和FRAP Probe混合，在微孔板中孵育60分钟。随后使用UV/VIS分光光度计（The Multiskan GO，Thermo Fisher Scientific，芬兰）在594 nm处测量吸光度，根据标准曲线计算抗氧化能力。

**2.5. 统计分析**
统计分析使用IBM SPSS（版本27.0，IBM公司，美国）进行单因素方差分析（ANOVA）。实验值之间的显著差异在p < 0.05时被认定。每个实验都进行了三次重复，结果以平均值±标准差的形式呈现。3. 结果与讨论 3.1. 不同果胶含量的LiBr溶液-再生水凝胶的结构和性质 3.1.1. CP水凝胶的特性 图1a显示了α-纤维素、果胶和再生0-3CP水凝胶的FT-IR光谱。观察到相当大的光谱重叠，表明复合水凝胶保留了两种多糖的特征化学结构。在3600–3000 cm?1范围内出现了一个宽带，这归因于纤维素和果胶共有的O–H伸缩振动。1440 cm?1处的峰对应于脂肪族–CH2和–CH3基团的弯曲振动，而C–H伸缩带出现在3000–2800 cm?1范围内。在所有样品中都观察到一个接近1639 cm?1的峰，该峰归因于羧酸基团（COO–）[15]的存在。此外，在2940 cm?1处出现了一个微弱的峰，这是由甲基酯（–COOCH3）基团的–CH3伸缩引起的，证实了果胶的存在[16]。水凝胶光谱还显示了一个在1750–1720 cm-1处的羰基带，这是果胶中C=O伸缩的特征。纯果胶在这个波长处显示这个峰，而在复合水凝胶中它略微向较低的波长移动（图1b），这表明纤维素羟基和果胶羧基之间存在氢键相互作用。这种移动也可能与高温溶解过程中的部分脱甲基作用有关，这种作用促进了–COOCH3/–COOH基团转化为COO–物种。在水凝胶光谱中，还观察到一个在1639 cm?1附近的带。虽然这个区域通常包括吸收水的H–O–H弯曲振动的贡献，但在这种情况下，果胶中自由羧基的C=O伸缩也可能对此有所贡献。后者源于酯基团的部分脱甲基作用[17]，这一过程在高温（145 °C）下加速，并可能发生在溶解过程中。另外，在1158 cm?1和1118 cm?1处也观察到了特征性带。这些带被归因于多糖主链的C–O–C/C–O伸缩振动，与纤维素和果胶各自的贡献一致[18]，[19]。复合水凝胶中同时存在纤维素和果胶的光谱特征表明两种多糖成分都有贡献，这与纤维素和果胶的预期混合一致。下载：下载高分辨率图像（198KB）下载：下载全尺寸图像 图1. (a) 不同果胶浓度的CP水凝胶的FT-IR光谱，(b) 由于果胶中的羰基干扰导致的FT-IR峰位移，(c) CP水凝胶的XRD图案轮廓。 图1c显示了不同浓度CP水凝胶的XRD图案。原材料α-纤维素的特征峰出现在2θ = 12.6 ? (1?10)、15.1? (100)、22.5? (200)和34.6? (004)，对应于纤维素I的晶体结构。然而，所有水凝胶样品的XRD图案显示出代表纤维素II的图案；这种XRD图案的变化表明纤维素链的成功溶解和重排[20]。关于果胶，Zhou等人（2022年）报告说，其无定形性质反映在一个没有明显晶体峰的宽晕XRD图案中[21]，这一特征也在本研究中观察到。同时，与0CP相比，1-3CP水凝胶的XRD图案显示出果胶浓度依赖性的整体峰强度降低，特别是在大约20.2°的主衍射峰（宽峰110, 020）处。由于纤维素对照水凝胶（0CP）经历了相同的LiBr再生过程，它作为代表再生引起的结构重排的基线。因此，随着果胶含量的增加，衍射强度的进一步降低反映了无定形果胶相对纤维素晶粒形成的额外破坏[22]，[23]。 图2展示了水凝胶的XPS光谱，使用高分辨率的C 1 s和O 1 s扫描来评估表面化学功能随果胶含量的变化。随着果胶含量的增加，特别是在3CP中，两个光谱中的整体信号强度都降低了，这表明由于网络松弛和果胶链在纤维素基质内的部分内化，导致表面聚合物密度降低。纤维素的C 1 s光谱通常在284.8 eV（C–C/C–H）、286.5 eV（来自羟基或醚基团的C–O）和288.0–288.3 eV（O–C–O/O–C=O）处显示峰[24]，这些峰也在仅含纤维素的对照（0CP）中观察到。加入果胶后，与羰基相关的峰的结合能从288.0 eV略微移动到288.3 eV，表明与果胶部分脱甲基作用产生的脱酯羧基团的电子变化有关[25]，[26]。此外，随着果胶含量的增加，C–O峰的相对强度逐渐降低。这种降低可能是由于果胶富集环境中纤维素羟基团的重排受限以及由于网络膨胀或分子重排导致极性功能团的可用性降低。相比之下，观察到C–C/C–H信号略有增加，这可能反映了果胶主链中相对非极性部分的优先暴露。与先前的研究[27]，[28]一致，这些观察结果共同支持了一个模型，即果胶不仅与纤维素混合，而且渗透到纤维素中并部分嵌入纤维素基质中，改变了表面组成和反应性。O 1 s光谱被分解为三个组分：531.5 eV（羧酸和羧酸盐中的C=O）、532.4 eV（醇和醚中的C–O）和533.0–534.0 eV（酯氧和吸附的水）。在533 eV附近也检测到C–O–C和C–OH基团的信号，这些信号可能与酯的贡献部分重叠，受到氢键和局部电子环境的影响。随着果胶含量的增加，531.5 eV处的峰变得更加明显，这与半乳糖醛酸残基脱甲基作用导致的羧基功能增加一致。同时，533.5 eV附近的酯相关峰减小，表明在LiBr介导的再生过程中–COOCH3基团水解成了可电离的–COOH/COO-基团。此外，3CP中O 1 s信号的总体降低进一步证明了果胶内化到水凝胶基质中。C 1 s和O 1 s分析共同证实，果胶在加工过程中经历了部分脱甲基和结构重排，导致羧基功能增加和酯含量减少。改变的表面组成——以羧基功能团增加和酯含量减少为特征——可能显著影响复合系统的机械和生物性质。下载：下载高分辨率图像（425KB）下载：下载全尺寸图像 图2. (a) CP水凝胶的XPS光谱宽扫描，(b) C 1 s XPS光谱的窄扫描，(c) O 1 s XPS光谱的窄扫描。 3.1.2. 流变性质 进行了应力扫描和频率扫描测试，以研究果胶浓度对水凝胶粘弹性行为的影响。如图3a所示，在低应力范围内，所有样品的储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），表明其表现出主导的弹性（类似固体的）行为。随着振荡应力的增加，G′减小并最终与G″相交，标志着凝胶结构开始崩塌的屈服点。凝胶-溶液转变点定义为tan (δ) ≈ 1时的应力，对于0CP为4008 Pa，1CP为3752 Pa，2CP为3361 Pa，3CP为1202 Pa [29]。随着果胶含量的增加，屈服应力的逐渐降低表明果胶降低了水凝胶网络的机械阻力。虽然0CP和1CP、2CP样品在高应力（4000–3300 Pa）下保持了结构完整性，但3CP样品的G′显著降低，并表现出早期屈服。这些发现表明过量的果胶含量显著削弱了水凝胶的结构稳定性（图3c）。3CP的屈服应力降低可能是由于果胶干扰了凝胶化过程中纤维素纤维的重新组装，从而降低了水凝胶的再生效率和网络密度，这一推断得到了IR和XPS结果的支持。频率扫描结果（图3b）进一步突出了水凝胶的频率依赖性粘弹性。对于所有样品，在整个角频率范围（0.1–100 rad/s）内，G′始终大于G″，在测量频率范围内没有从溶液到凝胶的转变，从而确认了它们的凝胶状行为。值得注意的是，对照和1CP样品在所有频率下都表现出更高的绝对G′值，表明网络更加坚固和相互连接[30]。另一方面，3CP样品显示出最低的模量，与其较低的屈服点一致。这些发现表明高果胶含量削弱了水凝胶的内部网络结构，并降低了其在振荡载荷下的抗变形能力。这些结果表明，超过一定浓度的果胶抑制了纤维素纤维的重新组装，定量降低了网络密度。 下载：下载高分辨率图像（232KB）下载：下载全尺寸图像 图3. CP水凝胶的流变性质：(a) 幅度扫描，(b) 频率扫描，(c) 涂抹在载玻片上的CP水凝胶的扩散行为。 3.1.3. 机械和WRV性质 表1显示了不同果胶含量的纤维素-果胶水凝胶的硬度和WRV。网络内的结合强度由分子内和分子间的氢键决定。纤维羟基之间的氢键程度越高，聚合物网络内的结合强度越大，从而具有更好的机械性能[31]。随着果胶含量的增加，水凝胶的硬度值从0%到2%逐渐下降（0–2CP），而3CP由于其结构脆弱的状态无法测试硬度。虽然0CP样品表现出最高的硬度和屈服应力，表明结构最强且最刚性，但1CP样品在低应力范围内显示出更高的G′值，表明弹性更大（图3a）。这意味着少量的果胶增强了水凝胶的灵活性，而没有显著损害其机械完整性。然而，当同时考虑屈服应力和硬度时，水凝胶的整体结构坚固性呈下降趋势，顺序为0CP > 1CP > 2CP > 3CP，表明过量的果胶逐渐削弱了水凝胶网络。与这一趋势一致，0–3CP系列的线性回归分析显示果胶含量与机械强度之间存在强烈的负相关（R = 0.898，R2 = 0.778，p < 0.001），证实强度随着果胶含量的增加而比例降低。果胶的高亲水性可能导致COO–离子插入相邻的纤维素分子之间。这些离子的静电排斥减少了链的接近性，从而削弱了氢键[32]。 表1. 根据处理条件的水凝胶硬度和水分保持值。水凝胶硬度*(×103 g)水分保持值 *(×103%)0CP1.42 ± 0.45 a8.72 ± 2.87 a1CP1.14 ± 0.28 ab7.14 ± 0.30 ab2CP0.86 ± 0.08 ab4.05 ± 0.29c3CPNA **4.49 ± 0.37 bc2CP-E0.96 ± 0.19 ab3.82 ± 0.10c3CP-E0.82 ± 0.16 ab4.27 ± 0.28c2CP-M1.02 ± 0.27 ab3.74 ± 0.10c3CP-M0.72 ± 0.16 ab3.76 ± 0.27c2FCP1.00 ± 0.22 ab3.88 ± 0.12c3FCP1.10 ± 0.22c4.91 ± 1.58 bc2FCP-E0.88 ± 0.04 ab3.61 ± 0.42c3FCP-E0.70 ± 0.18c3.83 ± 0.21c2FCP-M0.78 ± 0.13 ab3.08 ± 0.06c3FCP-M0.79 ± 0.09 ab3.82 ± 0.15c具有相同字母的组之间没有显著差异，而具有不同字母的组之间有显著差异。*列内的平均值使用Tukey检验进行分析；在5%的水平上未检测到显著差异。**不可用。WRV也显示出从0CP到3CP的类似下降趋势，表明随着凝胶网络变得不那么紧凑和相互连接，其保水能力降低。2CP和3CP的WRV大幅下降进一步支持了过量果胶破坏水凝胶网络完整性的解释，导致结构更松散，保水能力降低[33]，[34]。此外，由于3CP的再生效果较差，其WRV高于2CP，导致分子链排列松散，相对于凝胶体积，可用于吸水的面积增加（见表2）。 表2. 对水凝胶样品测量的果胶酶活性。水凝胶果胶酶活性 (U/L)平均值 ± 标准差0CP37.61 ± 5.12b2CP178.81 ± 1.53 a3CP180.70 ± 3.93 a3CP-E185.19 ± 8.74 a3FCP199.18 ± 12.6 a3FCP-E180.25 ± 1.74 a具有相同字母的组之间没有显著差异，而具有不同字母的组之间有显著差异。 3.2. 通过溶剂再生和冻融处理改善3CP系列的结构 3.2.1. 形态和化学结构分析 为了提高3CP水凝胶的机械坚固性和结构稳定性，应用了两种后处理方法——冻融循环和基于有机溶剂的再生。图4a中的SEM图像显示，所有CP凝胶都具有由细小纤维组成的纤维素基多孔网络。由于果胶的无定形性质及其在纤维素基质中的均匀分散，无法区分果胶，也没有观察到优先的纤维取向。随着果胶含量的增加，水凝胶形成了更大的孔隙，而再生处理产生了不规则的、膨胀的多孔形态。使用有机溶剂再生的凝胶（CP-E和CP-M样品）显示出比未增强的0-3CP对照更大的孔径，其中CP-M样品的孔径甚至更大。已经证明溶剂分子渗透到凝胶基质中并在再生过程中触发体积变化[35]，这解释了在溶剂处理凝胶中观察到的孔径增大。相比之下，通过冻融处理（FCP样品）获得的水凝胶的扫描电子显微镜（SEM）分析显示，其纤维更加细小且边界更加清晰，与CP-E和CP-M样品相比有显著改善。这种纤维形态的精细化可能是由于在冷冻过程中纤维素纤维的聚集和冰晶的形成（见图5）。下载：下载高分辨率图像（533KB）下载：下载全尺寸图像图4. (a) 不同果胶浓度下CP水凝胶的SEM图像，(b) 2CP系列水凝胶的FT-IR光谱，(c) 3CP系列水凝胶的FT-IR光谱，(d) 2CP系列水凝胶的XRD图案轮廓，(e) 3CP系列水凝胶的XRD图案轮廓。下载：下载高分辨率图像（84KB）下载：下载全尺寸图像图5. 3CP系列水凝胶的膨胀行为。图4b和4c展示了增强型2CP和3CP水凝胶的FT-IR结果。在对照组（0–3CP）和再生样品（图1a）之间未发现明显的化学结构差异。然而，–OH伸缩峰（3600–3000?cm?1）显示出依赖于再生方法的变化。在去离子水（DI water）和有机溶剂中再生的水凝胶显示出较窄的峰，而冻融再生的水凝胶则显示出更尖锐但更宽的峰。这种变化归因于分子间氢键的差异[36]，冻融再生的水凝胶表现出更强的氢键。图4d和4e展示了通过不同处理方法再生的2CP和3CP系列水凝胶的XRD图案。CP-E、CP-M、FCP-E和FCP-M的衍射峰明显低于CP和FCP，表明存在依赖于再生方法的效果。这可以归因于果胶本身的无定形性质及其对结晶和结构秩序的干扰。在去离子水中再生的CP和FCP水凝胶在大约20.0°处显示出明显的峰，而CP-E、CP-M、FCP-E和FCP-M则在21.3°（020）附近显示出略微偏移的峰。这种偏移并不一定表示晶面的变化，而是反映了晶体内部的微妙重排和氢键网络的修改。根据布拉格定律（nλ?=?2d?sin?θ），2θ值的增加对应于晶面间距（d）的减小，表明晶域内的分子堆积更加紧密[37]。这些峰值的偏移可能是由于再生和后处理条件的不同造成的。具体来说，在乙醇或甲醇中再生的样品（?E, ?M）显示出峰位移动，这可能是由于酒精诱导的凝胶化作用促进了纤维的物理聚集。这些溶剂可能部分恢复了之前被果胶破坏的纤维素-纤维素相互作用，通过增强的物理相互作用和氢键重排形成了更紧凑的结构[38]。冻融处理（FCP-样品）可能通过冰晶的形成和融化进一步促进了密实化和分子排列[39]。因此，尽管果胶在3CP中的无定形性质破坏了氢键网络，但有机溶剂再生和冻融处理的结合似乎促进了该网络的部分重组（见图6）。下载：下载高分辨率图像（34KB）下载：下载全尺寸图像图6. 通过FRAP测定法测量的抗氧化活性。3.2.2. 再生水凝胶的硬度和WRV分析由于控制组3CP水凝胶结构脆弱，其硬度无法测量；然而，对其进行不同的再生处理显著改善了其性能（表1）。这一效应与先前的研究结果一致，即乙醇和甲醇等有机溶剂作为再生纤维素的物理凝集剂，影响了其物理和化学性质（Zeng & Byrne, 2021）。在本研究中，溶剂处理部分恢复了原本被果胶破坏的纤维素-纤维素相互作用，通过增强的物理聚集和氢键重排产生了更紧凑的结构。冻融处理进一步通过冰晶的形成和融化促进了结构密实化和分子排列，从而实现了观察到的机械恢复。在WRV研究中也观察到了类似的模式。虽然2CP样品在不同再生方法之间没有统计学上的显著差异，但3CP水凝胶——尽管其初始网络完整性较差——显示出与对照组3CP相比保持或略有改善的WRV。值得注意的是，在相同的再生条件下，3CP水凝胶的WRV高于2CP水凝胶，表明果胶的羧基团有效地融入了水凝胶网络，从而增加了可结合水分子的位点数量。总体而言，随着果胶含量的增加和有机溶剂的暴露，WRV降低，其中甲醇始终产生最低的值。Isobe等人（2011）报告称，用甲醇凝固的纤维素凝胶的内表面极性低于用乙醇凝固的凝胶，这一趋势在本研究中也得到了验证。由此产生的疏水性降低了对水分子的亲和力，并可能与网络压缩有关，这减少了亲水表面积和毛细孔体积。这些硬度和WRV结果与XRD发现一致，其中溶剂再生和冻融处理样品的（020）反射峰从20.0°略微偏移到21.3°，表明晶面间距减小，结晶密度增加。这些峰值的偏移可能反映了晶体内部的微妙重排和氢键网络的修改。根据布拉格定律（nλ?=?2d?sin?θ），2θ值的增加对应于晶面间距（d）的减小，表明晶域内的分子堆积更加紧密[37]。这些峰值的偏移可能是由于再生和后处理条件的不同造成的。具体来说，在乙醇或甲醇中再生的样品显示出峰位位移，这可能是由于酒精诱导的凝胶化作用促进了纤维的物理聚集。这些溶剂可能部分恢复了之前被果胶破坏的纤维素-纤维素相互作用，通过增强的物理相互作用和氢键重排形成了更紧凑的结构[38]。冻融处理（FCP-样品）可能通过冰晶的形成和融化进一步促进了密实化和分子排列[39]。因此，尽管果胶在3CP中的无定形性质破坏了氢键网络，但有机溶剂再生和冻融处理的结合似乎促进了该网络的部分重组（见图6）。下载：下载高分辨率图像（34KB）下载：下载全尺寸图像图6. 通过FRAP测定法测量的抗氧化活性。3.2.2. 再生水凝胶的硬度和WRV分析由于控制组3CP水凝胶结构脆弱，其硬度无法测量；然而，对其进行不同的再生处理显著改善了其性能（表1）。这一效应与先前的研究结果一致，即乙醇和甲醇等有机溶剂作为再生纤维素的物理凝集剂，影响了其物理和化学性质（Zeng & Byrne, 2021）。在本研究中，溶剂处理部分恢复了原本被果胶破坏的纤维素-纤维素相互作用，通过增强的物理聚集和氢键重排产生了更紧凑的结构。冻融处理进一步通过冰晶的形成和融化促进了结构密实化和分子排列，从而实现了观察到的机械恢复。在WRV研究中也观察到了类似的模式。虽然2CP样品在不同再生方法之间没有统计学上的显著差异，但3CP水凝胶——尽管其初始网络完整性较差——显示出与对照组3CP相比保持或略有改善的WRV。值得注意的是，在相同的再生条件下，3CP水凝胶的WRV高于2CP水凝胶，表明果胶的羧基团有效地融入了水凝胶网络，从而增加了可结合水分子的位点数量。总体而言，随着果胶含量的增加和有机溶剂的暴露，WRV降低，其中甲醇始终产生最低的值。Isobe等人（2011）报告称，用甲醇凝固的纤维素凝胶的内表面极性低于用乙醇凝固的凝胶，这一趋势在本研究中也得到了验证。由此产生的疏水性降低了对水分子的亲和力，并可能与网络压缩有关，这减少了亲水表面积和毛细孔体积。这些硬度和WRV结果与XRD发现一致，其中溶剂再生和冻融处理样品的（020）反射峰从20.0°略微偏移到21.3°，表明晶面间距减小，结晶密度增加。这些变化表明水凝胶内的氢键网络发生了重组；然而，当无定形的果胶域主导整个网络时，机械强度的改善仍然有限。尽管如此，这些结构重排似乎有助于3CP系列硬度和WRV的改善。总体而言，这些结果表明，尽管高果胶含量的水凝胶如3CP最初结构较弱，但有针对性的再生策略——特别是冻融辅助过程——可以部分克服果胶引起的网络破坏，从而在硬度和WRV方面实现可测量的改善。3.2.3. 膨胀行为分析为了评估再生方法对3CP水凝胶系列膨胀能力的影响，我们测量了每个样品的膨胀率。3FCP-E显示出最高的膨胀率（1,433%），而3CP-M最低，乙醇再生的样品通常优于甲醇再生的样品。3CP-E和3FCP-E相对于对照组3CP的优越膨胀能力表明，再生处理可以显著改善结构完整性较差的高果胶水凝胶的性能；这一观察结果与先前关于水有机溶剂和冻融过程影响水凝胶聚集和网络孔隙度的报告一致[42]、[43]。膨胀趋势部分反映了硬度和WRV的结果（表1），有机溶剂再生和冻融处理通常导致这些参数的值升高。然而，也观察到了一些例外情况；例如，3CP-E的膨胀率高于3CP，但硬度和WRV变化不大，而3FCP-M尽管在3FCP样品中硬度 and WRV值最低，却显示出相对较高的膨胀率。这种情况发生在松散交联的网络允许快速吸水但在压缩下保持水分的能力较差，或者密集网络限制了膨胀但更有效地保持吸收的水分，从而增加了WRV和强度[44]、[45]。虽然更大的膨胀提高了吸水能力，但它可能会降低机械稳定性，这突显了平衡这些特性的必要性。3.2.4. 再生水凝胶中果胶的化学和酶稳定性对?E系列进行了果胶酶活性分析，统计分析显示该组在硬度和WRV方面表现最差（表1）。单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）显示这些水凝胶样品之间存在显著的组效应，但Tukey的事后检验未检测到含果胶的水凝胶（2CP、3CP、3CP-E、3FCP和3FCP-E；α?=?0.05）之间的显著差异，表明顺序冻融和乙醇处理并未减少复合材料中可被酶切割的果胶部分。为了评估果胶在LiBr中溶解时温度升高对果胶酶活性的影响，在加热前后使用果胶溶液（2%和3% w/v）测量了果胶酶活性，并将这些作为外部对照。加热后的果胶溶液显示出相对于未加热样品（用LiBr校准）97.5%（2%）和96.9%（3%）的活性。外部对照结果表明，在LiBr中高温溶解并未显著改变果胶底物的反应性。因此，针对水凝胶样品测量的果胶酶活性仅反映了果胶的相互作用状态。如果果胶与纤维素紧密结合（例如，共价连接或紧密复合），酶的可及性会降低，导致活性降低。相反，未结合的果胶保持易于被果胶酶降解的结构，从而具有较高的活性[46]、[47]。结合FT-IR和XPS的结果，这些数据支持果胶渗透并部分嵌入纤维素基质中的结论。因此，顺序冻融和乙醇再生处理并未减少复合材料中可被酶切割的果胶部分。3.2.5. 通过FRAP测定法评估抗氧化性能FRAP测定法用于评估3FCP-E的抗氧化活性。在3CP系列中，3FCP-E显示出最低的硬度和水合度（3FCP-E < 3CP-E < 3FCP）；因此选择该样品进行FRAP测定，以测试在最严格的处理条件下抗氧化功能是否得以保留。FRAP方法通过测量还原剂在低pH下将三价铁（Fe3+）还原为二价铁（Fe2+）离子的能力来评估抗氧化活性。如图7所示，0CP（0.18?±?0.003?mM）和3FCP-E（0.29?±?0.06?mM）均表现出抗氧化活性，但3FCP-E显示出更高的还原潜力，表明两种样品之间的抗氧化能力差异很小。这一结果可能反映了处理后结合和游离酚类化合物水平的相似性。果胶的脱甲基化不太可能显著影响FRAP值，因为用羧基替换甲氧基不会直接增强还原能力。任何由于热解聚合作用导致的轻微增强可能反映了低分子量酚类化合物的潜在收益与其同时损失或氧化之间的平衡，从而导致两种样品之间的净差异很小。因此，3FCP-E显示出比0CP更高的还原潜力，反映了果胶的固有抗氧化性能[48]。观察到的值约为阳性对照的55%，这强调了需要进一步研究以确定在标准化果胶含量和分子特性后这种趋势是否持续存在。4. 结论本研究证明，可以使用LiBr溶液有效制备纤维素-果胶复合水凝胶，为探索果胶在纤维素网络中的结构-功能关系提供了一个多功能平台。光谱分析显示，纤维素再生和氢键相互作用逐渐被破坏，导致水凝胶网络变弱，表现为结晶度降低、机械强度减弱和WRV降低，这归因于果胶含量的增加及其部分脱甲基化。尽管如此，冻融和有机溶剂再生策略通过促进氢键重组和网络密实化成功提高了3%果胶含量水凝胶的结构稳定性，从而恢复了机械强度和保水能力。抗氧化测定进一步证实，即使经过处理，果胶的还原能力仍然存在，强调了其功能贡献。基于我们的初步假设，这项工作不仅验证了果胶掺入的结构和功能效应，还提出了实际策略来减轻果胶引起的弱化。总体而言，这项研究为果胶在LiBr基纤维素水凝胶中的作用提供了新的见解，并为通过控制聚合物相互作用和再生策略调节多糖基水凝胶提供了实用的设计指南。我们未来的研究将集中在更严格控制的组成条件下定量关联纤维素网络演变与果胶化学特性，旨在促进其在吸剂和贴片型化妆品中的应用。未引用的参考文献[40]、[41]。CRediT作者贡献声明Yoon Sohyun：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，概念化。Baek Dohak：写作——审阅与编辑，验证。Lim Sohee：验证，调查。Kim Dae-Young：监督，项目管理，概念化。