本研究旨在解决Ca2+交联海藻酸钠水凝胶膜极易脱水收缩，三维网络结构单一及热机械性能较差等问题，具体是以海藻酸钠和明胶为成膜基材，以碳酸钙和葡糖酸内酯为交联剂，通过流延法制备水凝胶膜，探究明胶/海藻酸钠的不同比例（0:6、1:6、2:6、3:6、4:6、5:6）对水凝胶膜物理性能的影响。本实验利用傅里叶变换红外光谱对水凝胶膜分子间作用力进行分析，并通过微观结构、溶胀率、凝胶含量、水接触角、机械性能和热性能等指标对水凝胶膜物理性能进行表征。结果表明：明胶和海藻酸钠之间的作用力主要为氢键和聚电解质相互作用，明胶的引入有效改善了单一海藻酸钠水凝胶膜的三维网络结构，提高了水凝胶膜的凝胶含量和疏水性，增强了水凝胶膜的机械性能和热性能，但明胶/海藻酸钠的比例过大也会造成明胶与海藻酸钠相容性和机械性能的下降。综上，当明胶/海藻酸钠的比例为3:6时，水凝胶膜的拉伸强度（29.6 MPa）、弹性模量（164.99 MPa）、凝胶含量（38.91%）和溶胀率（2942.50%）最高，此时水凝胶膜的物理性能最佳，在诸多领域具有潜在的应用价值。
This study aimed to solve the problems of Ca2+ crosslinked sodium alginate hydrogel film, such as easy syneresis, single three-dimensional network structure, and poor thermomechanical properties. Specifically, sodium alginate and gelatin were used as filming substrates, calcium carbonate and gluconolactone were used as crosslinking agents to prepare hydrogel films by casting method. To investigate the effects of different ratios of gelatin or sodium alginate (0:6, 1:6, 2:6, 3:6, 4:6, 5:6) on the hydrogel films physical performance. In this experiment, the intermolecular forces of hydrogel films were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy, and the physical properties of hydrogel films were characterized by microstructure, swelling ratio, gel fraction, water contact angle, mechanical properties and thermal properties. The results showed that the interaction between gelatin and sodium alginate was mainly hydrogen bonding and polyelectrolyte interaction. The introduction of gelatin effectively improved the three-dimensional network structure of the single sodium alginate hydrogel film, increased the gel fraction and hydrophobicity of the hydrogel film, and enhanced the mechanical properties and thermal properties of the hydrogel film. However, the ratio of gelatin/sodium alginate was too high resulting in poor compatibility and mechanical properties of gelatin and sodium alginate. In summary, the tensile strength (29.6 MPa), elastic modulus (164.99 MPa), gel fraction (38.91%) and swelling ratio (2942.50%) of the hydrogel film were optimal when the ratio of gelatin/sodium alginate was 3:6, at which time the physical properties of the hydrogel film were optimal and had potential applications in many fields.
随着社会的发展与进步，可生物降解材料比传统石油基材料愈加受到研究人员的青睐。传统石油基材料难以降解，极易造成“白色污染”，且其自身材料的安全性也有待提高，而可生物降解材料除对环境友好之外，还具有安全性高等特点。生物基水凝胶作为其中的一种，除具有上述优点外，还具有高吸湿性、高保湿型、优良的闭合性、优异的生物相容性及功能可设计性等，已被广泛应用于组织修复与再生、伤口敷料、药物与活性物质的递送、食品包装与保鲜和环保等领域。水凝胶是聚合物链构成的三维网络结构，是通过物理作用或化学键随机交联的一种聚合物基质，它能够在其三维网络中吸收大量的水，吸水率可达其重量的100%。生物基水凝胶按来源可以分为蛋白质基水凝胶、多糖基水凝胶和多糖/蛋白基水凝胶，如乳清蛋白水凝胶、酪蛋白水凝胶、大豆蛋白水凝胶、纤维素水凝胶、壳聚糖水凝胶和壳聚糖/乳清蛋白水凝胶等。
在各种生物聚合物中，海藻酸钠（sodium alginate，SA）由于来源广泛、成本低廉，具有较好的凝胶性和成膜性而被广泛应用。海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）糖苷键连接成的两个结构单元，主要有GG、MM和GM三种连接方式。海藻酸钠能通过离子交联和物理交联形成三维网状的水凝胶，离子交联是海藻酸钠与二价金属阳离子Cu2+、Zn2+和Ca2+等形成稳定“蛋盒结构”的过程，物理交联则是利用海藻酸钠作为阴离子多糖，引入阳离子电解质后使二者之间发生聚电解质交联的过程。刘云等以京尼平与CaCl2为交联剂，制备了明胶/海藻酸钠互穿网络膜，相似的，Saarai等以Ca2+与戊二醛为交联剂，制备了明胶/海藻酸钠水凝胶。徐梦洁等以聚乙烯醇与海藻酸钠为原料，利用CaCl2/硼酸进行化学交联，制备出聚乙烯醇与海藻酸钠水凝胶。但京尼平与戊二醛等交联剂具有细胞毒性，不宜应用在食品和医疗领域，而仅通过外源Ca2+交联的海藻酸钠水凝胶膜通常存在不均匀、易脱水收缩造成较差的机械性能与热性能等问题。Tang等研究发现，基于蛋白和多糖的复合凝胶可以改善基于蛋白和多糖单一凝胶的三维网络结构和功能特性。明胶（gelatin，G）是胶原蛋白部分水解得到的蛋白质，其氨基酸组成与胶原蛋白分子十分接近，具有较好的生物相容性和生物可降解性。此外，明胶是一种两性聚电解质，A型明胶等电点为6.0~9.0，当体系pH低于其等电点时，明胶分子带正电荷，当体系pH高于其等电点时，明胶分子带负电荷，因此可通过调节体系的pH使明胶具有阳离子聚电解质的性质。闫慧敏等研究了明胶和沙蒿胶共混提升Ca2+交联海藻酸钠水凝胶的机械性能与溶胀率，但外源Ca2+交联会导致水凝胶不均匀易收缩。王雨生等制备高G型海藻酸钠-明胶复合水凝胶，研究两者比例合水凝胶性质的影响，但对水凝胶的热稳定性没有涉及。
基于此，针对Ca2+交联海藻酸钠水凝胶膜极易脱水收缩、热稳定性和机械性能不佳等问题，本研究选用海藻酸钠和明胶作为基质，通过加入碳酸钙（calcium carbonate，CaCO3）和葡糖酸内酯（gluconolactone，GDL）来制备水凝胶膜，探讨明胶/海藻酸钠的不同比例对水凝胶膜物理性能的影响。一方面，GDL释放的H+可将CaCO3中Ca2+解离出来，从而使其与海藻酸钠发生交联；另一方面，体系的pH也会因H+的释放而降低至明胶的等电点以下，进而使海藻酸钠和明胶发生聚电解作用，由此来制备一种双交联的水凝胶膜。
2.1 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的红外分析
傅里叶变换红外光谱分析是一种常用于分析水凝胶膜中各组分间作用力的方法。图1为海藻酸钠粉末、明胶和CaCO3的红外光谱图。如图所示，海藻酸钠粉末在3278、1594和1408 cm−1处出现了特征吸收峰，它们分别对应着海藻酸钠的O-H拉伸振动峰、−COO−非对称和对称伸缩振动峰。对比图2中海藻酸钠的红外光谱可以发现，由于CaCO3和GDL的交联破坏了海藻酸钠分子间氢键，海藻酸钠的O-H拉伸振动峰、−COO−非对称和对称伸缩振动峰移动到3290、1599和1426 cm−1处，由此可以证明Ca2+与海藻酸钠的成功交联。明胶在1637和1554 cm−1处出现了吸收峰，这是由−CO、−CN的拉伸振动和−NH的弯曲振动引起的。CaCO3在2517 cm−1处出现了特征吸收峰，1428、1873和731 cm−1处则分别对应了C=O的不对称伸缩振动峰、CO32−的面内弯曲和面外弯曲伸缩振动峰
图 1 海藻酸钠、明胶和CaCO3的红外光谱图
Figure 1. Infrared spectra of sodium alginate, gelatin and CaCO3
图 2 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的红外光谱图
Figure 2. Infrared spectra of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate
图2为G/SA水凝胶膜的红外光谱图。如图2所示，海藻酸钠水凝胶膜的羟基特征吸收峰在3290 cm−1处被观察到，随着G/SA比例的升高，即随着水凝胶膜中明胶添加量的增多，该峰逐渐向高波数移动（从3290 cm−1到3317 cm−1），这可能与海藻酸钠和明胶之间的氢键相互作用有关。海藻酸钠的−COO−非对称和对称伸缩振动吸收峰在1599和1426 cm−1处被观察到，随着G/SA比例的升高，海藻酸钠的−COO−非对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰均向高波数移动（1599 cm−1到1627 cm−1；1426 cm−1到1464 cm−1）。同时，位于1647 cm−1明胶的特征吸收峰（−CO和−CN的拉伸振动和−NH的弯曲振动）也随着明胶/海藻酸钠比例的升高逐渐向高波数移动（1647 cm−1到1660 cm−1），表明海藻酸钠与明胶之间发生了聚电解质和氢键相互作用。结果表明，明胶/海藻酸钠水凝胶膜被成功制备，且明胶和海藻酸钠之间的作用力主要为聚电解质相互作用和分子间氢键。
2.2 不同比例G/SA水凝胶膜的微观形貌分析
图3分别为不同比例G/SA水凝胶膜的表面微观结构。由图3可以看出，在未添加明胶时，海藻酸钠水凝胶膜表面存在一些皱褶和孔洞，但随着G/SA比例的升高，水凝胶膜表面的皱褶和孔洞逐渐消失，并在G/SA-3处理组中达到最佳，此时的膜表面平整，基本没有裂纹，仅有少量碳酸钙颗粒存在。但随着G/SA比例的继续升高，明胶和海藻酸钠相容性变差，在G/SA-4和G/SA-5处理组中出现了片层部分脱离膜基质的现象，说明上述两种比例不利于水凝胶膜的形成。
图 3 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的微观结构
Figure 3. Surface microstructure of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate
图4为不同比例G/SA水凝胶膜的断裂面的微观结构。由图4可以看出，在未添加明胶时，海藻酸钠水凝胶膜断裂面的三维结构较为单一，但随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的三维网状结构得到明显改善，这可能与海藻酸钠和明胶之间的聚电解质作用和分子间氢键的作用有关，这与Wang等的研究结果一致。但当明胶/海藻酸钠的比例高于G/SA-3处理组中的比例时，水凝胶膜的三维网络结构就不能保持其原有形态，这可能是因为海藻酸钠和明胶之间发生了过度交联从而造成了其三维网状结构的堆积。综上，G/SA-3处理组的水凝胶膜具有最佳的三维网状结构。
图 4 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的断裂面微观结构
Figure 4. Microstructure of fracture surface of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate
2.3 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的溶胀率和凝胶含量
表1为不同比例G/SA水凝胶膜的溶胀率及凝胶含量。由表可知，随着G/SA比例的升高，水凝胶膜的溶胀率呈现先显著升高后降低的趋势（P<0.05），并在G/SA-3处理组中达到最大的溶胀率2942.50%。这可能是因为海藻酸钠和明胶发生了聚电解质反应，使交联密度增大，改善了水凝胶膜的三维网状结构，同时抑制了海藻酸钠凝胶膜在水溶液中的分解，从而使溶胀率升高。但过高的G/SA比例会使二者的交联密度过大，形成致密的三维网状结构，此结构不利于水分子的进入，抑制了水凝胶膜的吸水溶胀，从而导致溶胀率下降。Geng等的研究也发现溶胀率与交联密度有关，交联密度越大溶胀率越小。
如表1所示，水凝胶膜的凝胶含量随明胶/海藻酸钠比例的升高而显著升高（P<0.05），但在G/SA-3处理组之后，即使G/SA比例继续升高，处理组之间的凝胶含量也未表现出显著差异（P>0.05）。这可能是由于明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的交联密度逐渐增大，表现为凝胶含量的增加。而当明胶/海藻酸钠的比例过高时，二者的交联度趋于饱和，表现为处理组间的凝胶含量无显著差异（P>0.05）。综上，明胶可以提高单一海藻酸钠水凝胶膜的凝胶含量和溶胀率，且G/SA-3（3:6）处理组具有最佳的溶胀率和凝胶含量。
2.4 不同比例G/SA水凝胶膜的疏水性分析
水接触角（WCA）是评价膜性能的一个重要参数，它能反映膜的亲水或疏水性能。一般来说，膜的水接触角越大，其表面疏水性越强。图5为不同比例G/SA水凝胶膜的WCA，海藻酸钠水凝胶膜的WCA为36.82°，表现出很强的亲水性，这与海藻酸钠表面具有较多的亲水基团有关。添加明胶之后水凝胶膜的WCA都在90°以上，且随着G/SA比例的升高，WCA逐渐升高，G/SA-1、G/SA-2、G/SA-3、G/SA-4和G/SA-5的WCA分别为93.87°、103.28°、109.31°、113.09°和115.28°。这一结果归因于海藻酸钠和明胶之间聚电解质相互作用及氢键作用，减少了水凝胶膜表面的亲水基团，同时明胶的加入提升了交联密度，分子间排列更为紧密，形成了更为致密的三维网络，改善了疏水性。Bishnoi等研究发现海藻酸钠水凝胶膜中引入乳清蛋白可以发生聚电解质交联，有效改善海藻酸钠水凝胶薄膜的水溶性和水蒸气透过率。综上，明胶可以显著增强海藻酸钠水凝胶膜的表面疏水性，且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的表面疏水性逐渐增强。
图 5 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的水接触角
Figure 5. Water contact angle of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate
通过感官评分可知，添加乳酸菌粉的杂粮面包感官评分均显著高于单一酵母菌发酵杂粮面包（P<0.05），尤其乳酸菌粉添加量为0.06%感官评分最高为81.56，表现出外形光滑、平整，质地柔软、有弹性，面包内芯气孔细密均匀，口感细腻，香气浓郁。当乳酸菌粉添加量高于0.09%时，面包内芯气孔大小不均匀，略有酸味，口感发粘，降低了感官评分值。单一酵母菌发酵杂粮面包质地较硬，弹性较小，面包内芯气孔小而且孔壁厚，口感略粗，香气较淡，导致感官评分较低。由此可见，适量添加乳酸菌粉对多谷物杂粮面包的形态、质地、纹理结构、风味和口感均具有较好的改善效果。有研究表明，含有乳酸菌和酵母菌的酸面团发酵不仅可以改善面包的质地、风味等感官品质，而且增加氨基酸、膳食纤维、多酚等营养和功能物质含量，提高产品的抗氧化等功能特性。
2.5 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的机械性能
不同比例G/SA水凝胶膜的机械性能如图6所示，包括膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。由图可知，随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的拉伸强度和弹性模量显著上升（P<0.05），并在G/SA-3处理组中达到最大，随后显著降低（P<0.05）。结合红外光谱的结果可知，这是由于明胶与海藻酸钠发生聚电解质交联所致，但在G/SA-4和G/SA-5处理组中，明胶和海藻酸钠相容性变差，出现片层部分脱离膜基质（SEM），这些区域容易出现应力集中现象，从而导致拉伸强度和弹性模量的下降。不同比例G/SA水凝胶膜的断裂伸长率均显著低于SA水凝胶膜（P<0.05），且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的断裂伸长率显著降低（P<0.05）。上述结果表明，当明胶/海藻酸钠的比例逐渐升高时，水凝胶膜展现出较强的刚性和较差的柔性，这可能与交联密度的增大有关。通常水凝胶膜的交联密度越高，网络结构越紧凑，孔径越小，机械强度也就越高，Zhang等的研究也有此发现。综上，G/SA-3处理组的水凝胶膜具有最佳的机械性能。
图 6 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的机械性能
Figure 6. Mechanical property of hydrogel film with different proportions of gelatin/sodium alginate
注：同一指标不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。
2.6 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的热性能分析
采用DSC和TGA分析不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的热稳定性，结果如图7和表2所示。由图7（a）可以看出，所有处理组的DSC曲线均只存在一个吸热峰，此峰对应的温度就是其熔化温度（Tm）。由表1知SA水凝胶膜的Tm为113.93 ℃，G/SA水凝胶膜的Tm均高于SA水凝胶膜（P<0.05），且随着G/SA比例的升高，即明胶添加量的增加，Tm也逐渐升高（118.85~132.72 ℃）。这可能是由于海藻酸钠和明胶之间的氢键作用和在葡糖酸内酯作用下的聚电解质作用增强了聚合物组分之间的相互作用，使海藻酸钠主链的迁移受到阻碍，增加了破坏聚合物内部结构所需的温度，从而使水凝胶膜的Tm升高。
图 7 不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的DSC曲线（a）、TGA曲线（b）和DTG曲线（c）
Figure 7. DSC curves (a), TGA curves (b) and DTG curves (c) of gelatin/sodium alginate hydrogel films with different proportions
从图7（b）可以看出，所有处理组均表现出相似的热降解行为，说明在海藻酸钠占主体的水凝胶膜中，明胶的加入没有改变海藻酸钠的热降解行为。水凝胶膜热降解过程可分为三个阶段：第一阶段的热降解范围为30~140 ℃，失重率为13%，这主要与水凝胶膜中水分的蒸发有关；第二阶段热分解发生在150~495 ℃，是主要的重量损失温度范围，重量损失率约为60%，这可能与海藻酸钠的碳链分解、明胶结构的破坏、肽链的断裂和甘油的热降解有关；第三阶段热降解过程发生在500~600 ℃，是缓慢的碳化过程，由表2可知，SA水凝胶膜的YC为18.39%，G/SA水凝胶膜的YC均高于SA组，且随着G/SA比例的升高，YC也逐渐升高，这也表明明胶的加入可以显著提升水凝胶膜的热性能。
图7（c）为不同比例明胶/海藻酸钠水凝胶膜的DTG图，如表2所示，SA水凝胶膜的最大热降解速率温度（Td）为219.24 ℃，G/SA水凝胶膜的Td均显著高于SA水凝胶膜（P<0.05），而且随着G/SA比例的升高，即明胶添加量的增加，Td也逐渐升高（228.12~241.42 ℃）。这是因为在GDL的作用下，海藻酸钠和明胶发生了聚电解质作用，使水凝胶膜的交联密度增大，而海藻酸钠和明胶分子间的氢键也增强了水凝胶膜的热稳定性，进而使多糖碳链的分解受到抑制。Xiao等的研究发现明胶的加入能显著提升海藻酸钠薄膜的热稳定性。上述结果表明：明胶的引入可以显著增强海藻酸钠水凝胶膜的热稳定性，且随着明胶/海藻酸钠比例的升高，水凝胶膜的热稳定逐渐增强。
本研究针对Ca2+交联海藻酸钠水凝胶膜极易脱水收缩、热性能差和机械性能较差等问题，选用海藻酸钠和明胶作为基质，通过加入碳酸钙和葡糖酸内酯来制备水凝胶膜，并探讨明胶/海藻酸钠的不同比例（0:6、1:6、2:6、3:6、4:6、5:6）对水凝胶膜物理性能的影响。结果表明，明胶的引入明显改善了水凝胶膜的三维网状结构，提升了水凝胶膜的凝胶含量和疏水性，明胶和海藻酸钠之间的氢键和聚电解质相互作用显著提升了水凝胶膜的拉伸强度、弹性模量、熔化温度和最大热降解速率温度。但当明胶/海藻酸钠的比例过大时，会造成明胶与海藻酸钠的相容性变差及三维网状结构的堆叠，进而导致水凝胶膜溶胀率、拉伸强度和弹性模量的降低。故当明胶/海藻酸钠比例为3:6时，水凝胶膜具有最高的拉伸强度（29.6 MPa）、弹性模量（164.99 MPa）和溶胀率（2942.50%），此时凝胶含量（38.91%）、熔化温度（125.64 ℃）和最大热降解速率温度（236.67 ℃）也相对较高。因此，本研究制备的G/SA-3（3:6）水凝胶膜具有最佳的物理性能，在诸多领域具有良好的应用前景。
引用本文：范旭，朱迎澳，朱嘉敏，等. 明胶改善海藻酸钠水凝胶膜的物理性能研究[J]. 食品工业科技，2023，44（15）：108−115. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022100006.
Citation:FAN Xu, ZHU Ying'ao, ZHU Jiamin, et al. Gelatin Improves the Physical Properties of Sodium Alginate Hydrogel Films[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(15): 108−115. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022100006.
基金项目:黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2021C048）；黑龙江省科技厅，百千万工程重大科技专项（2021ZX12B05）。
陈倩，东北农业大学食品学院，教授，博士生导师，主要从事肉制品加工与安全控制、微生物菌种资源挖掘与利用等方面的教学与科研工作，主持国家自然科学基金3项，黑龙江“百千万”工程科技重大专项等科研项目10余项，获省部级科研奖励4项，授权专利15项，制定省级地方标准2项。发表学术论文200余篇，第一/通讯作者发表一区TOP期刊SCI论文50余篇，ESI高被引论文5篇，主编、副主编论著3部（2部获得“国家科学技术学术著作出版基金”资助），主编中国轻工业“十三五”规划教材1部。黑龙江省优青获得者，黑龙江省“科技特派员”，“东农学者计划”杰出学者，中国机械工程学会包装与食品工程分会委员，黑龙江省食品科学技术学会青年委员，《Foods》、《Food Science of Animal Products》、《肉类研究》编委，《食品研究与开发》、《食品安全质量检测学报》、《包装工程》青年编委。
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