低酰基结冷胶流体凝胶的流变行为、颗粒性质和超分子结构：流体凝胶形成前钙浓度的影响

《Carbohydrate Polymers》：The rheological behavior, particle properties and supramolecular structure of low acyl gellan gum fluid gels: impact of the calcium concentration before fluid gel formation

　　加布里埃莱·多里亚（Gabriele D’Oria）|闫申朱（Yanshen Zhu）|汉斯·约尔格·林巴赫（Hans Joerg Limbach）|克里斯托夫·哈特曼（Christoph Hartmann）|巴特·戈德里斯（Bart Goderis）|莉莉娅·阿恩内（Lilia Ahrné）|德尼兹·Z·古内斯（Deniz Z. Gunes）
丹麦哥本哈根大学理学院食品科学系，Rolighedsvej 26，DK-1958，Frederiksberg C

**摘要**

流体凝胶是通过在凝胶-溶胶转变过程中对凝胶化水胶体进行剪切而获得的堵塞微凝胶悬浮液。本研究重点关注由钙离子诱导的低酰基结兰胶（Low Acyl Gellan Gum, LAGG）制成的流体凝胶，并探讨了钙离子浓度在流体凝胶形成前对流体凝胶的流变行为、颗粒性质和超分子结构的影响。当钙离子浓度从0.78 mmol/kg增加到约30 mmol/kg时，流体凝胶和静置冷却凝胶的弹性和屈服应力达到最大值。小角X射线散射（SAXS）分析显示，随着钙离子浓度的增加，凝胶网络的连通性逐渐增强，直到观察到流变性能的峰值；而在峰值之后的钙离子浓度下，网络连通性减弱。此外，结合自由钙离子和ζ电位测量结果，表明流变响应的下降是由于流体凝胶颗粒软化以及表面电荷减少共同作用的结果。本研究的结果有助于建立流体凝胶的流变行为、颗粒性质和超分子结构之间的更清晰联系，从而为从食品到制药和生物材料的各种应用更有效地设计流体凝胶的属性。

**引言**

低酰基结兰胶（LAGG）是一种从微生物Pseudomonas elodea中提取的生物聚合物，其四糖重复单元由两个β-D-葡萄糖、一个β-D-葡糖醛酸和一个α-L-半乳糖组成（图1）。由于其凝胶化和流变特性，LAGG在食品、制药和艺术品修复等领域得到了广泛应用（Bagheri等，2014；Das & Giri，2020；Franco等，2025；Mahdi等，2016；Picone & Cunha，2011）。既往研究表明，LAGG的凝胶化机制是从单螺旋构象转变为双螺旋聚集（Upstill等，1986；Yuguchi等，1996），离子类型和浓度会影响双螺旋的结合（Grasdalen & Smidsr?d，1987；Yuguchi等，2002）。配方中的阳离子可以与LAGG链上的负电荷结合，促进双螺旋的聚集，最终形成三维网络。Dentini等人（2001）提出了一个钠离子结兰胶的分子模型，其中由平行排列的双螺旋形成的小晶体充当物理交联剂。这些连接区域通过短而灵活的未缠结的结兰胶链段相互连接，构成交联点之间的主要网络骨架。他们的X射线散射（SAXS）分析进一步支持了有序域在网络形成中的作用，尽管该模型的详细结构特征仅得到实验散射数据的部分支持（Dentini等，2001）。从宏观凝胶力学性质的角度来看，钙离子Ca2+浓度会影响钙离子诱导的LAGG静置凝胶的杨氏模量和破坏应力，随着离子强度的增加，这两种性质先增加后减少（Huang等，2003）。

除了静置宏观凝胶外，LAGG还具有在凝胶-溶胶转变过程中通过施加剪切形成微凝胶悬浮液的能力（Norton等，1999），在本研究中将其称为流体凝胶。该过程结束后，通常会得到尺寸在5到500微米之间的不规则形状的凝胶颗粒，这些颗粒由胶体性质的“臂”包围（D'Oria等，2023；D'Oria, Zeng等，2024；Ellis等，2017；Ellis等，2019；Ghebremedhin, Seiffert和Vilgis，2021；Ghebremedhin, Seiffert和Vilgis，2022；Norton等，1999）。流体凝胶具有与颗粒物质（例如间歇性堆积和沉淀后形成的颗粒堆）和软玻璃态材料（例如由于物理老化而产生时间依赖性流变的特性）相似的特征（D'Oria等，2023；D'Oria, Zeng等，2024）。由于其流变特性（如屈服应力（D'Oria, Zeng等，2024）、剪切稀释行为（Gabriele等，2009）以及在低变形下的显著弹性响应（Fernández Farrés等，2013），流体凝胶在食品工业中引起了兴趣，用作悬浮剂（Bagheri等，2014）、口腔润滑剂（Fernández Farrés等，2013；Gabriele等，2010）、质地改良剂（Abd Aziz等，2022）、泡沫稳定剂（Ellis等，2017；Ellis等，2019）、硬颗粒的口腔质地调节涂层（D'Oria, Bredie等，2024）和脂肪替代品（Cox等，2009）。流体凝胶还被研究作为功能性载体，用于改善药物的局部递送（Mahdi等，2016）和细胞（ter Horst等，2019）在生物医学领域的应用。它们可以使用离子型（如低酰基结兰胶（LAGG）（D'Oria等，2023）、κ-卡拉胶（Gabriele等，2009）和海藻酸（Fernández Farrés & Norton，2014）以及非离子型生物聚合物（如琼脂糖（Ghebremedhin等，2021）和蛋白质（如乳清蛋白分离物和豌豆蛋白（Moakes等，2015；Ren等，2026））来制备。流体凝胶的性质可以通过工艺（如搅拌速度（D'Oria, Zeng等，2024）和配方参数（如生物聚合物浓度（Ghebremedhin等，2021；Sworn等，1995）进行调节）来调节。

本研究重点探讨了钙离子Ca2+浓度在流体凝胶形成前对LAGG流体凝胶性质的影响，因为Ca2+在LAGG流体凝胶配方中经常被使用（Compaan等，2019；D'Oria等，2023；D'Oria, Bredie等，2024；D'Oria, Zeng等，2024；García等，2018；Sworn等，1995；Tong等，2018）。离子类型和离子浓度也可以在调节LAGG流体凝胶的流变特性方面发挥重要作用。Ca2+诱导的LAGG流体凝胶表现出比钠离子Na+诱导的LAGG流体凝胶更高的弹性模量，但所需的Ca2+浓度较低（García等，2018；Sworn等，1995）。在Ca2+和Na+诱导的LAGG流体凝胶中，都观察到随着离子浓度的增加流变性能达到峰值（Sworn等，1995）。流变性能随离子浓度增加而达到峰值的现象可以解释为什么在一些研究中LAGG流体凝胶的弹性模量随盐浓度增加而降低（García等，2018），而在其他研究中G'、粘度和屈服应力随离子浓度增加而增加（ter Horst等，2019）。

基于现有文献，并考虑到在制备开始时总钙浓度固定的系统（即在凝胶化之前，没有后续稀释或浓缩），本研究提出了以下假设：虽然Ca2+诱导的LAGG凝胶网络的超分子结构受总Ca2+浓度控制，但流体凝胶系统的流变特性受两种因素的影响：一是构成凝胶微观结构的结合Ca2+部分（可通过X射线散射检测到），二是受游离Ca2+离子浓度通过颗粒表面电荷影响的颗粒间相互作用（这与可测量的ζ电位相关）。目前，Ca2+诱导的LAGG网络超分子结构变化与流体凝胶的宏观流变特性之间的关系尚未得到充分理解。建立颗粒内部凝胶网络结构（特别是通过详细的SAXS分析）、由此产生的颗粒表面电荷、流变响应和流体凝胶宏观行为之间的联系，对于合理设计用于食品、制药和生物材料系统的流体凝胶至关重要。

因此，本研究的目的是通过跨超分子、颗粒和宏观材料尺度的技术手段，探讨钙离子浓度在LAGG流体凝胶形成前对最终性质的影响。

**使用的材料**

本研究未对低酰基结兰胶（LAGG）（Kelcogel? F?，CAS：71010–52-1，CP Kelco，美国乔治亚州亚特兰大）进行进一步处理，其水分含量为7.8 ± 1.2%（重量/重量）。据报道，LAGG的化学组分为：中性糖（Glc/Rha）= 6/4，乙酰基0%，尿酸酸13%，蛋白质17%，灰分8%（Prajapati等，2013）。核磁共振光谱数据也证实了LAGG中不存在乙酰基残基（Severini等，2023）。

**分子量估计**

本研究中使用的LAGG的平均分子量为约2.1·10^5 Da，这一范围与其他研究中的报道一致（Franco等，2025；Mikusheva等，2025）。如2.1.2节所述，平均分子量Mw通过Mark–Houwink–Sakurada关系式，基于Huggins和Kraemer图得出的平均内在粘度η = 7.73 ± 0.35 dL/g来确定（图3）。

**结论**

本研究采用多尺度方法研究了钙离子浓度[Ca2+]Ini在形成前的影响，即由低酰基结兰胶制成的凝胶颗粒悬浮液（即流体凝胶）。流变测试清楚地显示，当[Ca2+]Ini逐渐增加时，低酰基结兰胶流体凝胶和静置冷却的宏观凝胶的G'LVR和σy会出现峰值。SAXS数据分析揭示了流体凝胶中低酰基结兰胶超分子网络的特性。

**作者贡献声明**

加布里埃莱·多里亚（Gabriele D’Oria）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。
闫申朱（Yanshen Zhu）：撰写——审阅与编辑、验证、数据分析。
汉斯·约尔格·林巴赫（Hans Joerg Limbach）：撰写——审阅与编辑、验证。
克里斯托夫·哈特曼（Christoph Hartmann）：撰写——审阅与编辑、验证。
巴特·戈德里斯（Bart Goderis）：撰写——审阅与编辑、方法论。
莉莉娅·阿恩内（Lilia Ahrné）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。
德尼兹·Z·古内斯（Deniz Z. Gunes）：撰写——

**未引用的参考文献**

Beaucage, 1995
Pedersen, 1997

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：莉莉娅·阿恩内（Lilia Ahrne）报告称获得了雀巢公司（Nestlé SA）的财务支持。莉莉娅·阿恩内表示与雀巢研发部门（Nestlé Research & Development）存在合作关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

**致谢**

我们感谢欧洲同步辐射设施（ESRF）提供了DUBLE光束线（BM26）下的同步辐射设施（提案编号A26-2-997），并感谢Martin Rosenthal在使用BM26光束线方面提供的帮助和支持。作者还感谢佛兰德研究基金会（FWO Vlaanderen）对DUBBLE项目的财务支持。同时也感谢雀巢研发部门（Nestlé Research）对这项研究的部分资助。