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• 水凝胶被定义为由氢键、范德华力或化学键等作用形成的三维聚合物材料和液相组成的体系^[1]。经过几十年的探索与研究，水凝胶已经广泛应用于各行业，例如作为生物材料^{[2, 3]}、药物输送系统^{[4, 5]}、水处理过程中的重金属离子去除剂^{[6, 7]}以及食品添加剂^[8]等。

  香兰素(3-甲氧基-4-羟基苯甲醛)是一种有着奶香味的酚类物质，广泛作为面包、饼干等食品的添加剂^[9]，其还有抗菌、抗氧化和抗诱变性能^[10~12]，可用作防腐剂。但因为它对空气和光的敏感性较高，所以需要将香兰素封装进载体中以提高其在食品与医药行业的应用效率。

  环糊精是直链淀粉在芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一组环状低聚糖的总称。构成环糊精分子的各D-吡喃葡萄糖均以1, 4-糖苷键连接成环，由于链接葡萄糖的糖苷键不能自由旋转，所以其分子是空心圆台状而不是圆筒。其中研究较多并且具有实际意义的为α-、β-以及γ-环糊精，分别由6、7、8个葡萄糖单元构成。环糊精分子上的羟基可以发生醚化反应、酯化反应和交联反应，可得到溶解度及基团活性更高、热力学性能更好的衍生物。目前已有很多研究发现β-CD可与离子^{[13, 14]}、生物分子^[15]、有机物^{[16, 17]}、无机物^{[18, 19]}形成主客体包合物。其分子间作用力主要为氢键作用和弱分子间作用力。许多研究都已证实环糊精无毒并且具有生物相容性^[20]，所以这也是其能广泛应用于食品与医药等行业的基础之一。Aytac等^[21]制备了一种快速溶解、具有良好热稳定性和抗菌能力的环糊精/柠檬烯包合物，能够应用于食品和医药行业。Hundre等^[22]首先使用喷雾冷冻干燥技术实现了环糊精对香兰素的封装，降低了香兰素的高度挥发性，使其更加稳定。但是，香兰素的封装率通常不到90%，因此，提高吸附剂体系的封装率以及释放效率在食品与医药行业中具有重要的研究价值和意义。

  纤维素是自然界最常见的多糖，可以发生酯化和醚化反应。羧甲基纤维素溶液有保水、乳化和悬浮的性质^{[23, 24]}。在石油、食品、制药工业应用中是一种非常有价值的水溶性聚合物。以环糊精对纤维素水凝胶进行改性可以增强其封装性能。

  本文针对香兰素等一类对光、空气或其他外界条件较为敏感、直接进行工业应用效率不高的物质，设计了一种成本低、生态友好的生物基水凝胶载体，可将香兰素封装进载体以增强稳定性，延长寿命，从而提高其在食品、医药行业中的应用效率。

  1.   实验部分

  1.1   试剂

  羧甲基纤维素(CMC，260.2g/mol，取代度0.9，动力粘度1500~3100 mPa·s)、1, 4-丁二醇二缩水甘油醚(1, 4-BDE)、β-CD、氢氧化钠、液体石蜡等均为市售分析纯级试剂。

  1.2   环糊精改性的羧甲基纤维素水凝胶的制备

  根据表 1的原料比可以制备出一系列的聚合物水凝胶，这里以试验3为例：将盛有25mL NaOH溶液(1mol/L)的烧杯置于搅拌器上以1500r/min的转速搅拌，加入5.7g β-CD，再在快速搅拌下将1.3g CMC缓慢加入体系中，然后在30℃下将4.0g 1, 4-BDE迅速加入烧杯。10min后，将200mL液体石蜡加入烧杯，搅拌反应24h。反应完成后将产物用去离子水/丙酮(体积比1:1)混合液洗涤3次，再用去离子水反复洗涤，直到其中的未反应原料、液体石蜡、丙酮等被完全去除为止。然后将产物放入35℃烘箱干燥，得到球状的干凝胶颗粒，备用。实验收率按公式(1)进行计算。

  表 1

  

  表 1  CMC-β-CD水凝胶的制备条件

  Table 1.  Preparation conditions of gel CMC-β-CD

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  Entry	Mole ratio/mmol(β-CD:CMC)	Weight ratio/g(β-CD:CMC)	Volume of NaOH/mL	Weight of BDE/g	Yield/%
  1	1.7:8.3(1:5)	1.9:2.2	35	4	72.7
  2	2.5:7.5(1:3)	2.8:2.0	30	4	80.2
  3	5.0:5.0(1:1)	5.7:1.3	25	4	84.6
  4	7.5:2.5(3:1)	8.5:0.7	20	4	82.1
  5	8.3:1.7(5:1)	9.4:0.45	15	4	82.9
  6	0:5.0	0:1.3	25	4	87.4

  $ Y\left( \% \right) = \frac{{{W_{{\rm{dry - gel}}}}}}{{{W_{{\rm{CMC}}}} \;+ {W_{{\rm{ \mathsf{ β} }}-{\rm{CD}}}} + {W_{{\rm{BDE}}}}}} \times 100 $

  (1)

  1.3   水凝胶溶胀行为研究

  吸附能力是衡量水凝胶材料各项性能的一个重要指标，本文研究了CMC-β-CD水凝胶以及未经β-CD改性的CMC水凝胶的吸附能力与pH和时间的关系。在室温下，将一定量(W₀，100mg)的干凝胶颗粒放入200mL去离子水中，让其溶胀(W₁)48h，达到平衡(W_eq)，溶胀率(SR)和平衡溶胀率(ESR)由式(2)和式(3)计算得到。

  $ {\rm{SR}}(\% ) = \frac{{{W_1}-{W_0}}}{{{W_0}}} \times 100 $

  (2)

  $ {\rm{ESR}}(\% ) = \frac{{{W_{{\rm{eq}}}}-{W_0}}}{{{W_0}}} \times 100 $

  (3)

  1.4   香兰素封装与释放实验

  室温下，将几组100mg干凝胶颗粒分别放入不同pH的盛有40mL香兰素溶液的烧杯中，通过测量吸附前后香兰素溶液的浓度，可以用公式(4)计算出香兰素封装效率(VEE)。

  $ {\rm{VEE}}(\% ) = \frac{{{c_{{\rm{initial}}}}\;-{c_{{\rm{eq}}}}}}{{{c_{{\rm{initial}}}}}} \times 100 $

  (4)

  其中，c_initial是吸附前溶液浓度，c_eq是达到吸附平衡后溶液浓度(由UV-3802紫外分光光度计在波长345nm处测得)。

  VEE最大的一组CMC-β-CD水凝胶将用来进行后续的释放实验，测量其香兰素释放效率(VRE)。室温下将100mg吸附平衡后的CMC-β-CD水凝胶放入50mL去离子水中，在不同时间对水中香兰素的浓度进行测定，可以得到释放量与时间的关系；在达到平衡释放后可以得到平衡释放量。VRE可以用公式(5)计算。

  $ {\rm{VRE}}(\% ) = \frac{{{c_{\rm{R}}}}}{{{c_{{\rm{initial}}}} - {c_{{\rm{eq}}}}}} \times 100 $

  (5)

  2.   结果与讨论

  2.1   CMC-β-CD水凝胶的制备、改性和表征

  图 1给出了CMC-β-CD水凝胶的合成路线。30℃、碱性条件下，CMC和β-CD在交联剂1, 4-BDE的作用下反应，交联剂的缩水甘油基被烷氧基亲核攻击，可以交联到CMC的羟基上，通过基团间的醚化反应可以将β-CD连到CMC网络上。在制备过程中，CMC和β-CD溶解于水相中逐渐成为胶状物质，再将大量液体石蜡倒入体系之中。在两相比例合适时，液相会在搅拌下分散于油相中形成大小均一的颗粒。如果转速过小，水相得不到足够的剪切力，不能分散为颗粒；如果转速过大，胶状的液相会被整个挤在容器的上部，得不到良好的分散。除此之外，各相的密度、粘度、表面张力以及容器和磁力转子的几何形状都会在一定程度上影响到反相悬浮聚合的成功。为探究β-CD与CMC的进料比对水凝胶性能的影响，本文制备了一系列CMC-β-CD水凝胶，具体原料比见表 1。

  图 1

  

  图 1.  CMC-β-CD水凝胶的合成路线

  Figure 1.  Synthetic route of gel CMC-β-CD

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  2.2   表征

  2.2.1   红外光谱

  图 2为CMC、β-CD、CMC水凝胶和CMC-β-CD水凝胶的红外图谱。在CMC水凝胶和CMC-β-CD水凝胶图谱里，2918和2857 cm^-1处为C-H的吸收峰，3436和3391 cm^-1处为O-H键的伸缩振动吸收峰，而1100和1057 cm^-1处为C-C键的弯曲振动。CMC-β-CD水凝胶图谱里1631和1453 cm^-1处的吸收峰是酯基-COOR的吸收峰，表明CMC上的羧基与交联剂环氧基结合，说明CMC和交联剂成功交联。938cm^-1处的弱吸收峰为吡喃葡萄糖结构特有的吸收峰，该吸收峰在β-CD图谱里也可见，说明了交联剂的环氧基与β-CD的羟基结合，成功制备了CMC-β-CD水凝胶。

  图 2

  

  图 2.  CMC、β-CD、CMC水凝胶和CMC-β-CD水凝胶的红外图谱

  Figure 2.  FI-TR spectra of CMC, β-CD, gel CMC and gel CMC-β-CD

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  2.2.2   形貌分析

  图 3(a，b)表明CMC-β-CD水凝胶具有均匀光滑的外表面，其干凝胶颗粒粒径在0.6~1.3 mm之间，实验过程中搅拌的速率在一定程度上也会影响凝胶的粒径。图 3(c~f)揭示了干凝胶颗粒的内部结构是层状和片状为主，这是由于CMC与交联剂的聚合作用和交联作用使得原料中一维丝状的纤维素交联成了二维平面或曲面的结构，多层的平面曲面结构最终构成了三维的网状结构。横切面中一些小的圆孔状结构是实验搅拌过程中混进的气泡所致。

  图 3

  

  图 3.  CMC-β-CD干凝胶的徕卡光学照片(a)和扫描电镜照片(b~f)

  Figure 3.  Leica optical picture (a) and SEM images of hydrogel bead (b~f)

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  2.2.3   热重分析

  图 4是CMC-β-CD水凝胶的TG和DTG曲线。温度从40℃升高到255℃时，聚合物失重4.33%，是由于脱去在长时间的存储过程中吸收的水分所致。在CMC-β-CD水凝胶的DTG曲线上，第一个主峰在255℃处，此时聚合物的失重由β-CD的分解所致；紧接着的第二个主峰在345℃处，峰值大小由CMC的分解速率所控制。CMC-β-CD水凝胶有着较高的外推起始温度，意味该聚合物在工业应用中拥有较好的稳定性。

  图 4

  

  图 4.  CMC-β-CD水凝胶的热重分析

  Figure 4.  TG analysis of gel CMC-β-CD

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  2.3   溶胀行为研究

  溶胀率是评价水凝胶材料性能的一个重要参数。干凝胶颗粒在吸水后会膨胀，图 5是CMC-β-CD水凝胶和CMC水凝胶溶胀后的形貌，均为规则的球状颗粒。CMC凝胶颗粒在溶胀后粒径较大，但失水后粒径显著减小，在0.3~0.6 mm之间；CMC-β-CD水凝胶失水前后粒径相差不大，干凝胶粒径在0.6~1.3 mm之间。二者的溶胀能力有着很大的差距，一方面是因为CMC水凝胶比CMC-β-CD水凝胶的比表面积大，另一方面是因为β-CD的存在使凝胶的交联密度有所增大，使得凝胶在体积变得很大之前就已经达到了平衡溶胀的状态。此外，CMC水凝胶的透明度较高，是因为其组成中没有β-CD；随着β-CD/CMC进料比的增大，凝胶的透明度会下降。

  图 5

  

  图 5.  溶胀后的CMC-β-CD水凝胶(a)和CMC水凝胶(b)

  Figure 5.  Swelled gel CMC-β-CD and gel CMC

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  由图 6(a)可知，随着溶液pH的升高，CMC-β-CD水凝胶的平衡溶胀增长率变化不大，而CMC水凝胶则是迅速增加。在碱性条件下，溶液中存在的质子数量少，凝胶内部主要由静电斥力的作用主导凝胶的溶胀；而在酸性条件下，一部分质子与凝胶内部的羧基迅速结合，静电斥力作用减弱，溶胀行为被抑制。由图 6(b)可知，β-CD与CMC的进料比越大，凝胶的溶胀能力越弱。

  图 6

  

  图 6.  CMC-β-CD水凝胶与CMC水凝胶在不同pH、不同进料比下的平衡溶胀率

  Figure 6.  ESR of gel CMC-β-CD and gel CMC under different pH and feed ratio

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  2.4   香兰素封装实验

  图 7(a)显示了室温下pH对不同凝胶的VEE的影响；图 7(b)为不同初始香兰素浓度情况下pH对VEE的影响。结果发现，β-CD/CMC比是一个十分重要的参数，随着进料比的增大，VEE也逐渐增高。造成此种现象主要有三个方面的因素，一是β-CD分子内腔对香兰素分子的包合作用，使得二者形成了一种主客体包合物；二是凝胶内部羧基对香兰素分子羟基的氢键作用；三是凝胶层状和片状的结构使得香兰素分子和水分子易于进入凝胶内部。酸性环境下进行的封装效果不理想，是因为酸性环境会导致凝胶结构收缩，香兰素分子和水分子不易进入凝胶内部；但是在中性和碱性环境里，凝胶结构会伸展，所以会得到更高的VEE。当pH为7、进料比为1:1时，CMC-β-CD水凝胶的VEE可以高达95.0%。VEE最高的该组凝胶将被用来进行接下来的香兰素释放效率(VRE)实验。

  图 7

  

  图 7.  室温下原料比和香兰素初始浓度对VEE的影响(a，b)以及不同pH对VRE的影响(c)

  Figure 7.  Effect of feed ratio on vanillin encapsulation efficiency (a); Effect of initial vanillin concentration on VEE (b) Vanillin release efficiency at different pH (c)

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  图 7(c)为不同pH下VRE与时间的关系。酸性环境下，凝胶处于收缩的状态，被吸附和封装在凝胶内部的香兰素分子难以扩散出去，但随着pH的升高，凝胶的结构逐渐舒张，环境pH达到中性时，凝胶结构充分舒张，其中的香兰素分子在浓度差推动力的作用下扩散到环境中去。中性环境比碱性环境的VRE略高，而这二者都比酸性环境的VRE高得多。中性条件下扩散出前50%的香兰素只用了10h，而达到扩散平衡则用了40h，是因为高浓度差有更大的推动力。在进行工业生产时，有了时间与释放浓度的对应关系，就可根据实际需要来调节释放时间，得到所需的释放浓度与释放量。

  香兰素封装实验中，通过数学软件的模拟计算，发现吸附数据最符合准二级吸附动力学模型，可用公式(6)表示。

  $ \frac{t}{{{Q_t}}} = \frac{t}{{{Q_{eq}}}} + \frac{1}{{K \times Q_e^2}} $

  (6)

  其中，Q_eq是饱和吸附量，K为吸附常数。图 8是CMC-β-CD水凝胶的吸附动力学数据以及准二级吸附动力学模型。实验48h后，CMC-β-CD水凝胶(进料比为1:1)的Q_eq和K值分别为0.327和0.040，相关系数R²为0.985。说明该模型可适用于香兰素封装实验。

  图 8

  

  图 8.  CMC-β-CD水凝胶的准二级吸附动力学模型

  Figure 8.  Pseudo-second-order adsorption kinetic model of gel CMC-β-CD

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  3.   结论

  通过反相悬浮聚合法在碱性条件下制备了以1, 4-丁二醇二缩水甘油醚为交联剂、环糊精改性的羧甲基纤维素聚合物水凝胶。测量了其溶胀率、吸附能力与时间、pH、进料比等的关系，发现CMC-β-CD水凝胶的最大溶胀率为1765.1%(在pH为11时)；随着β-CD/CMC进料比增大，凝胶颗粒的溶胀率降低，透明度降低。凝胶对香兰素有着优良的封装性能与释放性能，在弱碱性环境，低香兰素初始浓度下，最大封装率可达到95.8%，最大释放率可达到93.9%。CMC-β-CD水凝胶对香兰素的吸附符合准二级吸附动力学模型，计算出的K值为0.040，Q_e值为0.327，相关系数达到0.985。研究结果显示该聚合物水凝胶材料具有优良的性能，有着良好的工业应用前景。

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  图 1  CMC-β-CD水凝胶的合成路线

  Figure 1  Synthetic route of gel CMC-β-CD

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  图 2  CMC、β-CD、CMC水凝胶和CMC-β-CD水凝胶的红外图谱

  Figure 2  FI-TR spectra of CMC, β-CD, gel CMC and gel CMC-β-CD

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  图 3  CMC-β-CD干凝胶的徕卡光学照片(a)和扫描电镜照片(b~f)

  Figure 3  Leica optical picture (a) and SEM images of hydrogel bead (b~f)

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  图 4  CMC-β-CD水凝胶的热重分析

  Figure 4  TG analysis of gel CMC-β-CD

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  图 5  溶胀后的CMC-β-CD水凝胶(a)和CMC水凝胶(b)

  Figure 5  Swelled gel CMC-β-CD and gel CMC

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  图 6  CMC-β-CD水凝胶与CMC水凝胶在不同pH、不同进料比下的平衡溶胀率

  Figure 6  ESR of gel CMC-β-CD and gel CMC under different pH and feed ratio

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  图 7  室温下原料比和香兰素初始浓度对VEE的影响(a，b)以及不同pH对VRE的影响(c)

  Figure 7  Effect of feed ratio on vanillin encapsulation efficiency (a); Effect of initial vanillin concentration on VEE (b) Vanillin release efficiency at different pH (c)

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  图 8  CMC-β-CD水凝胶的准二级吸附动力学模型

  Figure 8  Pseudo-second-order adsorption kinetic model of gel CMC-β-CD

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  表 1  CMC-β-CD水凝胶的制备条件

  Table 1.  Preparation conditions of gel CMC-β-CD

  Entry	Mole ratio/mmol(β-CD:CMC)	Weight ratio/g(β-CD:CMC)	Volume of NaOH/mL	Weight of BDE/g	Yield/%
  1	1.7:8.3(1:5)	1.9:2.2	35	4	72.7
  2	2.5:7.5(1:3)	2.8:2.0	30	4	80.2
  3	5.0:5.0(1:1)	5.7:1.3	25	4	84.6
  4	7.5:2.5(3:1)	8.5:0.7	20	4	82.1
  5	8.3:1.7(5:1)	9.4:0.45	15	4	82.9
  6	0:5.0	0:1.3	25	4	87.4

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