聚乙烯醇（PVA）对壳聚糖（CS）冷冻水凝胶在模拟消化条件下溶胀行为的影响

《Carbohydrate Polymers》：The effect of poly(vinyl alcohol) (PVA) on the swelling behavior of chitosan (CS) cryogel under simulated digestion

　　

摘要壳聚糖 (CS) 多孔凝胶（如气凝胶、冷冻凝胶和干凝胶）是胃肠道中营养物和生物活性化合物的有前景载体，但在消化条件下的稳定性差限制了其应用。本研究调查了 0–5 质量分数 (wt%) 聚乙烯醇 (PVA) 对壳聚糖冷冻凝胶在模拟胃肠道条件下的微观结构、机械性能和溶胀行为的影响。PVA 的加入增加了有效交联密度 (????????)、堆积密度 (????) 和杨氏模量 (??)。然而，扫描电子显微镜 (SEM) 表明孔隙异质性增加，并在 CS-P5 处伴随孔隙塌陷和收缩。在酸性条件 (pH 3.0) 下，PVA 显著降低了 120 min 时的溶胀比 (从 4.13 ± 1.13 降至 1.06 ± 0.29)。胃相溶胀遵循 Weibull 模型，其中 τ 和 β 表明 CS-P0 具有快速初始溶胀，而 CS-PVA 冷冻凝胶则更平缓地趋向平衡。在肠相中，CS-P0 在消化后表现出干质量增加 (?0.28 ± 0.03 至 0.22 ± 0.20)，表明捕获了消化成分。总体而言，适量的 PVA 加入减缓了水合作用并提高了结构稳定性，而过量的 PVA 增加了孔隙异质性。这些发现建立了模拟胃肠道条件下的结构 - 溶胀关系，为基于壳聚糖的冷冻凝胶递送系统的理性设计提供了结构基础。

引言消化过程控制着营养物从食物中释放和吸收的方式，从而影响餐后代谢和整体健康。消化的速度和程度与葡萄糖稳态和脂质调节等代谢结果密切相关，进而影响包括肥胖和糖尿病在内的慢性疾病风险 (Butterworth et al., 2022; Keogh et al., 2011)。因此，调节营养物分解和吸收的动力学以最大化营养益处并改善代谢健康至关重要。这种调节为预防代谢紊乱提供了有效手段 (Dey, 2025)。在此背景下，设计具有定制消化特性的食品结构和材料已成为开发面向健康的食品产品的一种有前景的方法。

在不同的消化调节剂和营养载体中，基于多糖的多孔凝胶最近引起了广泛关注，因其具有超低密度、高孔隙率和相互连接的多孔结构。它们的聚合物网络形成了坚固且机械性能强的支架。当由天然生物聚合物配制时，这些材料表现出与人体生理系统极好的生物相容性 (García-González et al., 2025; Gong et al., 2021; Karaaslan et al., 2016; Yang et al., 2025)。在过去十年中，开发了各种基于多糖的多孔凝胶，包括气凝胶、冷冻凝胶和干凝胶，用于各种营养相关应用，分别使用超临界 CO? 干燥、冷冻干燥和蒸发干燥。例如，纤维素 - 大豆分离蛋白干凝胶已被用作奶油状产品中的脂肪替代品，以减少脂质摄入 (Sun et al., 2015)。小麦淀粉气凝胶和干凝胶已被配制成低热量食品成分 (Ubeyitogullari et al., 2018)。最近，开发了基于冷冻凝胶的递送系统，用于生物活性化合物的控释 (Su et al., 2022)。

壳聚糖 (CS) 是一种由甲壳素脱乙酰化产生的线性多糖，甲壳素是一种存在于甲壳类动物外壳和昆虫中的丰富生物聚合物。CS 能抵抗人体消化道的消化 (McConnell et al., 2008)。除这一特性外，CS 在同一聚合物主链内具有可电离的氨基和乙酰基，使其同时具有阳离子域和疏水域。这使得 CS 能够在胃肠道 (GIT，例如胆盐和游离脂肪酸) 内参与多种相互作用。这些相互作用可能影响消化的理化环境，从而调节脂质消化 (Helgason et al., 2008; Zhang et al., 2025)。因此，预期基于 CS 的冷冻凝胶在 GIT 内作为营养载体和消化调节剂将表现出不同的功能。

基于 CS 的冷冻凝胶的理化性质通过组分修饰具有高度可调性。与聚乙烯醇 (PVA) 混合提供了一种调整其网络结构和界面性质的有效手段，从而增强机械韧性、稳定性和亲水性 (Enoch et al., 2023; Hu et al., 2013; Xu et al., 2025; Yang et al., 2021; Zhang et al., 2018)。尽管 CS-PVA 冷冻凝胶已被广泛研究用于各种应用 (Maroulas et al., 2023; Peng et al., 2025; Sun et al., 2024)，但先前的研究主要侧重于改善单一材料性质。然而，PVA 诱导的结构修饰与这些材料的理化行为之间的关系，特别是在胃肠道条件下，仍然知之甚少。GIT 环境本质上是动态的，涉及 pH 值、离子强度、酶活性的变化以及胆盐和其他生物分子的存在 (Dressman et al., 1990; Minekus et al., 2014)。这些条件强烈影响凝胶结构的溶胀、侵蚀和质量传输行为，最终决定营养物或生物活性化合物的释放曲线 (Leite et al., 2025)。因此，关于网络结构如何控制 CS-PVA 多孔凝胶消化行为的机制理解仍然缺乏，限制了这些材料在食品递送应用中的理性优化。

在本研究中，我们假设加入 PVA 会强化 CS 冷冻凝胶的聚合物网络结构，从而提高其结构稳定性，减少在酸性和模拟消化条件下的质量损失，并导致在各种流体中更受控的溶胀行为。因此，配制了含有 0–5 质量分数 (wt%) PVA (CS-P0, CS-P1, CS-P2 和 CS-P5) 的 CS-PVA 水凝胶，并采用冷冻干燥获得相应的冷冻凝胶。聚合物网络结构通过基于 Flory-Rehner 理论的定量分析和使用扫描电子显微镜 (SEM) 的形态观察进行表征，并结合机械测试以评估结构完整性。冷冻凝胶的溶胀/溶解行为在去离子水、HCl 溶液 (pH 3.0) 和含有或不含有消化成分的模拟消化液 (SDF(+E) 和 SDF(?E)) 中进行了评估，以模拟体外消化环境。本研究通过将 PVA 诱导的网络修饰与 CS 冷冻凝胶在胃肠道条件下的理化行为联系起来，建立了结构 - 性能关系，为基于壳聚糖的用于功能食品和食品递送系统的结构坚固冷冻凝胶的理性设计提供了机制基础。

章节片段材料壳聚糖 (CS; ???? 187.4 ± 17.4 kDa; 21% 乙酰化，448869) 和聚乙烯醇 (PVA; ??w 146–186 kDa; 87–89% 水解；363,103) 购自 Sigma-Aldrich? (Merck, 德国)，醋酸、绝对乙醇、氢氧化钠购自 Supelco? (Merck, 德国) 用于冷冻凝胶制备。对于体外消化，磷酸二氢钾 (KH?PO?; SAFC?, Merck, 德国)、盐酸 (37% HCl; BDH Chemicals/VWR)、六水氯化镁 (MgCl?·6H?O; EMSURE?,

术语表
符号 定义 单位
???? 冷冻凝胶的堆积密度 g/mL
??0 冷冻凝胶的初始重量 g
???? 冷冻凝胶的体积 mL
???? 冷冻凝胶的最大横截面积 cm2
?? 体积收缩 V/V, ?
??? 水凝胶的体积 mL
??? 水凝胶的最大横截面积 cm2
?? 冷冻凝胶的水分含量 w/w, %
???????? 干燥冷冻凝胶 g
?? 杨氏模量 MPa
?? 应力 MPa
?? 应变 %
?? 力 N
??? 位移 mm
?? 接触压缩面积 mm2
??0 冷冻凝胶的原始高度 mm
???? 分形维度 –
?? 盒子大小 像素
???(??) 占据盒子的数量 –
Λ 空隙度 –
?? 体积收缩的平均值 –

冻干后 CS-PVA 水凝胶的体积收缩

在图 1 (a) 中，展示了冻干后 CS-PVA 冷冻凝胶的体积收缩和堆积密度。所有样品在冻干后都表现出体积收缩，随着 PVA 含量的增加，这种收缩变得更加明显。与 CS-P0 相比，所有含 PVA 的配方都显示出显著更大的体积收缩 (P < 0.05)。这一趋势在图 1 (b) 中进一步说明，其中 CS-P2 和 CS-P5 与 CS-P0 相比显示出明显的尺寸减小。冷冻凝胶的堆积密度随着

结论本研究阐明了 PVA 加入如何影响壳聚糖冷冻凝胶的结构完整性和溶胀行为。作为基线，纯壳聚糖 (CS-P0) 冷冻凝胶表现出轻质和高孔隙率结构，堆积密度为 0.1 ± 0.02 g/mL，并具有以 1.9 ± 0.8 MPa 杨氏模量为特征的坚固支架。在模拟消化条件下的进一步调查表明，基于 CS 的冷冻凝胶通过胃溶解失去干质量并吸附或

CRediT 作者贡献声明
Ziqi Zhuang: 写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿起草，验证，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。Edoardo Capuano: 写作 - 审查与编辑，监督，项目管理，概念化。Lu Zhang: 写作 - 审查与编辑，监督，项目管理，概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
我们感谢中国国家留学基金委 (资助号 202307720026) 对本项目的资金支持。

Ziqi Zhuang|Edoardo Capuano|Lu Zhang
瓦赫宁根大学与研究所学食品质量与设计实验室，荷兰瓦赫宁根 Bornse Weilanden 9, 6708, WG