魔芋葡甘聚糖( KGM )–CaCl2电凝胶的制备、结构与流变特性

《Gels》：Preparation, Structure and Rheological Properties of Konjac Glucomannan–CaCl2 Electrogel

　　

凝胶化特性是魔芋葡甘聚糖( konjac glucomannan，KGM )的核心功能特征之一。KGM主要通过离子交联、脱乙酰化和与其他胶体复合的方式形成凝胶。探索新型凝胶技术以实现对KGM凝胶性能的精准调控是该领域的研究重点。本研究采用交流电( alternating current，AC )电场，在氯化钙( CaCl2)存在下诱导KGM凝胶化。研究人员通过傅里叶变换红外光谱( Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR )、拉曼光谱( Raman spectroscopy，RS )、扫描电子显微镜( scanning electron microscopy，SEM )、X射线衍射( X-ray diffraction，XRD )、同步差示扫描量热/热重分析仪( simultaneous differential scanning calorimetry/thermo-gravimetric analyzer，DSC/TGA )和流变仪分析了凝胶的结构与粘弹性特性（包括储能模量G′、损耗模量G″和损耗因子tanδ）。FTIR和RS结果显示，在AC电场作用下KGM发生了部分降解和脱乙酰化；CaCl2解离出的钙离子( Ca2+)和氯离子( Cl–)吸附在KGM分子的羟基上；构成凝胶的KGM分子仍保留了部分原有乙酰基。SEM图像显示凝胶具有多孔结构且表面粗糙。XRD图谱表明凝胶中含有复杂的CaCl2水合物。同步DSC/TGA分析表明，具有优异热稳定性的凝胶出现了对应于CaCl2水合物的明显熔融吸热峰。流变数据显示，除KGM浓度外，凝胶的G′和G″随CaCl2浓度、施加电压和电处理时间的增加而逐渐升高；但当CaCl2浓度、电压及电处理时间超过各自临界值时，两者均开始下降。以G′为评价指标，确定KGM–CaCl2电凝胶的最优制备条件为：KGM 0.5%、CaCl21.2%、电处理时间45 min、电压24 V。

该研究发表于《Gels》。研究背景方面，凝胶在新资源食品、食品添加剂、药物载体、组织工程支架、包装薄膜等领域应用广泛，其性能主要由制备方法和条件决定。传统KGM凝胶主要通过离子交联、脱乙酰化（碱热诱导）、与其他胶体复合等方式形成；电场诱导凝胶方面，直流（direct current，DC）电场易导致水解、电极腐蚀等问题，低频交流电（alternating current，AC）可克服上述缺陷，且在丝蛋白等体系已有应用；KGM因其可解离乙酰基、电场敏感糖苷键、丰富多羟基结构，在AC电场与金属离子共同作用下易发生结构和构象变化，从而改变凝胶行为，但目前缺乏KGM在AC电场下与CaCl₂协同凝胶化的系统研究。因此研究人员开展本研究，旨在利用AC电场诱导KGM在CaCl₂存在下形成新型电凝胶（electrogel），阐明其结构、流变特性与凝胶化机理，为KGM功能改性和多糖基电响应水凝胶开发提供新策略。研究得出该电凝胶在气液界面形成、具疏水性、含CaCl₂水合物、粘弹性可由制备参数调控等结论，意义在于提出一种操作简便、条件温和的KGM凝胶新技术，所获电凝胶在油吸附、疏水包装膜等方面有潜在应用价值。

为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法包括：在AC电场（50 Hz，电压23~27 V，时间25~55 min）下于KGM–CaCl₂溶胶体系中诱导凝胶形成；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（RS）分析分子结构变化（降解、脱乙酰化、基团相互作用）；采用扫描电子显微镜（SEM）观察冻干凝胶的微观形貌（多孔结构、表面特征）；采用X射线衍射（XRD，2θ范围5~80°）分析结晶结构及CaCl₂水合物存在形式；采用同步差示扫描量热/热重分析（DSC/TGA，30~400 ℃，升温速率10 ℃/min，氮气氛）表征热稳定性与热转变行为；采用应力控制流变仪（平行板，直径20 mm，间隙0.2 mm，25 ℃）进行应变振幅扫描确定线性粘弹区（linear viscoelastic region，LVR）后进行频率扫描，测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）和损耗因子（tanδ），并以单因素实验优化制备参数（KGM浓度、CaCl₂浓度、电压、时间）。

研究结果如下：

2.1. 交流电（AC）电场诱导KGM–CaCl₂电凝胶的形成：研究人员发现仅施加低频低压AC（50 Hz）于KGM溶胶无凝胶形成；当溶胶中含一定量CaCl₂（0.6~1.4%）且电压在23~27 V范围内时，AC处理后在气液界面出现白色聚集体、溶液升温、产生气泡并形成凝胶；AC电解的电极腐蚀明显低于直流（DC）；该电凝胶在气液界面形成，表现出不同于传统块体凝胶的疏水性，在油吸附和疏水包装膜方面有潜力；传统KGM水凝胶多通过离子交联、碱热诱导、复合交联制备，而本方法操作简便、条件温和。

2.2. FTIR光谱分析：研究人员对比纯KGM粉末、AC处理冻干KGM溶胶（KGM?AC）和KGM–CaCl₂凝胶的FTIR光谱发现，KGM?AC在3340 cm^?1处羟基振动峰变弱变宽且向高波数偏移，1720 cm^?1（羰基）、1640 cm^?1、1020 cm^?1（C?O?C）吸收峰强度下降，表明AC电场下KGM发生部分降解和脱乙酰化（糖苷键断裂、乙酰基脱落）；KGM–CaCl₂凝胶中3330 cm^?1（?OH）、1640 cm^?1（CH₃COO?）、1020 cm^?1（C?O?C）峰强有所恢复，1720 cm^?1羰基峰说明部分乙酰基仍保留；变化源于离子吸附与静电相互作用对分子链的影响。

2.3. 拉曼光谱分析：研究人员获得原生KGM、KGM?AC、KGM–CaCl₂凝胶的拉曼光谱（0~3500 cm^?1），KGM?AC中2926 cm^?1（C?H）、1665 cm^?1（C=O）、1113 cm^?1和1085 cm^?1（C?O?C骨架振动）峰强降低，证实AC处理后KGM分子一定程度降解和部分脱乙酰化；KGM–CaCl₂凝胶中这些振动带因静电相互作用显著恢复；1456 cm^?1和2883 cm^?1（KGM的?CH弯曲与伸缩振动）在凝胶中分别移至1464 cm^?1和2904 cm^?1，表明烃链构象变化（?CH₃或?CH₂暴露于CaCl₂溶液极性环境）；结合凝胶在气液界面形成，研究人员认为凝胶主要作用力为静电相互作用和疏水相互作用，而非氢键。

2.4. SEM观察：研究人员通过不同放大倍数（1000×、3000×、10000×）SEM观察冻干KGM–CaCl₂凝胶，发现凝胶整体具多孔结构、孔径分布不均、孔壁粗糙；归因于AC电处理过程中凝胶骨架（KGM分子链）发生断裂，短链无法充分包封水分子形成完整支架结构。

2.5. KGM–CaCl₂凝胶的X射线衍射（XRD）：研究人员对冻干KGM–CaCl₂溶胶（对照，0.5% KGM，0.6% CaCl₂）与不同AC处理时间（24 V）所得凝胶进行XRD（2θ 5~80°）分析；对照仅出现2θ≈77.4°和64.2°弱衍射峰，表明CaCl₂在KGM–CaCl₂复合体系中主要呈非晶态，少量CaCl₂呈结晶态（Ca²⁺和Cl^–吸附于KGM羟基，微量未解离CaCl₂吸附于KGM链易吸湿形成弱晶体峰）；凝胶在77.4°、64.2°、43.9°、37.7°（2θ）出现归属于复杂氯化钙水合物（CaCl₂未吸附于KGM分子的部分）的特征峰；处理30~45 min的凝胶CaCl₂水合物衍射强度较低（凝胶结构较致密，水合物被较好包封于网络内），50 min凝胶衍射强度较高（凝胶结构较弱，包封不足）；KGM在2θ≈20°附近的宽泛弥散衍射峰在溶胶和凝胶中均消失，表明KGM有序结构减少；原因包括Ca²⁺和Cl^–占据部分羟基削弱氢键，以及AC诱导的结构构象变化和断链穿插纠缠；AC电场驱动KGM分子缠结形成三维网络但未提高KGM结晶度。

2.6. DSC/TGA分析：研究人员通过同步DSC?TGA（30~400 ℃，10 ℃/min，氮气流）表征原生KGM粉末与KGM–CaCl₂凝胶的热行为；TGA曲线均显示三个阶段失重：第一阶段（<225 ℃）凝胶失重高于原生KGM，归因于结合水蒸发和凝胶中断链KGM更易热降解；第二阶段（225~250 ℃）尖锐失重源于凝胶网络热分解，持续时间比KGM短；第三阶段凝胶失重低于原生KGM，归因于凝胶中KGM结构相互缠结；225 ℃时凝胶失重约20%，表明较好热稳定性。DSC曲线：原生KGM在45.7~110.9 ℃有吸热峰，250~350 ℃附近有放热峰；KGM–CaCl₂凝胶出现两个明显吸热峰，第一强吸热峰近50 ℃源于氯化钙水合物熔融与凝胶孔内吸附结晶水的叠加，第二弱吸热峰在200~250 ℃归因于凝胶结构熔融，表明凝胶具良好热稳定性，与TGA一致。

2.7. KGM–CaCl₂电凝胶的流变特性：研究人员先进行应变振幅扫描确定线性粘弹区（LVR，应变<1%），频率扫描固定应变0.5%。2.7.1. CaCl₂浓度影响：在低频区G′低于G″，高频区G′超过G″，表现为弱疏水缔合凝胶动态网络特征；随CaCl₂浓度从0.6%增至1.2%，G′和G″逐渐上升，tanδ=1的交叉点移向低频，表明离子浓度升高使更多Ca²⁺和Cl^–结合KGM羟基，离子吸附增强表面电荷，促进带电KGM链相互穿透，AC电场下形成更稳定网络，中等沸腾（后期处理沸腾）助气液界面凝胶形成并排出部分气体；CaCl₂超过1.2%时G′和G″下降，过量CaCl₂在AC处理中释放更多热量加速KGM链降解并破坏预成凝胶网络稳定性，>1.4%无凝胶形成（剧烈沸腾抑制正常凝胶）；选1.2%为后续CaCl₂浓度。2.7.2. 电处理时间影响：处理时间<25 min无凝胶，25 min起始凝胶化；30~45 min延长处理时间G′和G″逐渐上升且G′>G″，因固定电压/浓度下更长时间使KGM分子链充分穿透缠结成更致密网络；45~50 min延长则G′和G″下降，>55 min预成凝胶溶解，因长时间电场与升温导致链解缠、解聚、降解；选45 min为最优时间。2.7.3. 电压影响：23 V升至24 V时G′和G″稳步上升（更强电场加速带电KGM链迁移缠结，提高网络机械强度）；24 V升至27 V时G′和G″下降，因高场强加速未吸附Ca²⁺/Cl^–迁移产热削弱凝胶结构，高温加强电场加剧KGM链断裂；<23 V或>27 V无凝胶（过低电流无法驱动链迁移缠结，过高电压过热及剧烈沸腾抑制完整网络形成）；选24 V为最优电压。2.7.4. KGM浓度影响：KGM浓度从0.5%增至1.1%时G′和G″逐渐下降，因较高KGM浓度提高溶胶粘度，阻碍链运动、穿透和交联，电场作用以KGM降解为主而非驱动迁移；Ca²⁺与KGM比例下降减少离子吸附，降低AC电场下电泳驱动力，链间碰撞与离子?偶极交联减少，凝胶强度降低；1.3%时溶胶粘度过高无法形成凝胶；趋势与KGM?KCl电凝胶相反，可能与CaCl₂水合焓较高阻碍Ca²⁺吸附有关；考虑到凝胶得率随KGM浓度升高增加，1.1%也可作为合适浓度；优化参数为KGM 0.5%、CaCl₂1.2%、24 V、45 min。

2.8. KGM–CaCl₂电凝胶凝胶化机理：研究人员总结机理为：AC处理下KGM分子链发生一定程度断裂和部分脱乙酰化；CaCl₂解离的Ca²⁺和Cl^–吸附于KGM分子羟基位点使链带荷电性质；AC驱动下带电KGM分子链通过静电相互作用聚集并相互穿透缠结，在两电极间形成缠结结构；疏水相互作用驱动KGM分子链在气液界面形成凝胶；该机理不同于钛离子、硼酸根、钨酸根等与KGM羟基直接交联的离子交联凝胶（如KGM–钛、KGM–硼、KGM–钨酸钠凝胶），也不同于DC电场下靠pH变化诱导的凝胶；核心为离子吸附带电+AC驱动缠结+疏水作用共同促成凝胶网络，其中离子–氢桥结构（Ca²⁺与?OH等）参与作用。

讨论部分总结：研究人员在讨论中综合结构表征与流变结果指出，AC电场下KGM发生可控降解与部分脱乙酰化，Ca²⁺/Cl^–吸附赋予KGM链电荷并削弱氢键，AC驱动带电链静电组装与缠结，疏水作用使其在气液界面成凝胶；凝胶含CaCl₂水合物、多孔粗糙形貌、良好热稳定性；流变模量随CaCl₂浓度、电压、时间增加至临界值前上升，超出则下降，KGM浓度增加则模量下降；最优条件为KGM 0.5%、CaCl₂1.2%、24 V、45 min；该电凝胶区别于传统KGM离子交联凝胶，具疏水性，在油吸附、疏水包装膜等有独特定位；后续需考察乙酰基含量、KGM分子量、电极间距等影响；研究完善了AC诱导KGM凝胶形成机制，也为多糖基电响应水凝胶设计提供理论参考。

结论部分翻译：在这项工作中，研究人员通过交流电成功制备了KGM–CaCl₂电凝胶；研究了凝胶的结构和流变特性，提出了潜在的凝胶化机理。结果表明，KGM分子链在AC电场处理过程中发生部分降解和脱乙酰化；凝胶保留了KGM部分固有特征乙酰基，表现为不均匀多孔结构和粗糙表面；此外，凝胶含有复杂CaCl₂水合物，并显示出良好的热稳定性；储能模量（G′）和损耗模量（G″）随CaCl₂浓度、施加电压和电处理时间增加而升高，但随KGM浓度增加而降低；然而前三者超过各自临界值时两模量均下降；单因素实验表明最优制备条件为0.5% KGM、1.2%无水CaCl₂、24 V处理45 min；凝胶化机理可描述为：KGM与CaCl₂相互作用构建离子–氢桥结构（Ca²⁺与?OH等）；在AC电场下，带电KGM分子链相互穿透缠结，最终组装成稳定凝胶网络；与传统KGM凝胶不同，该凝胶表现出显著疏水性，暗示其在油吸附和疏水薄膜制备方面的应用潜力；未来应研究乙酰基含量、KGM分子量及电极间距对凝胶形成、结构和性能的影响；该凝胶的成功制备进一步支持了AC诱导KGM凝胶的形成机理，其结构特征和粘弹模量不同于KGM–KCl电凝胶，可能赋予其相较于KGM–KCl电凝胶独特的应用潜力。