改性雞肺、牛肺、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的制備及性能

李良 黃春陽 王哲 王靈娟 張新笑 鄒燁 徐為民 邵俊花

摘要： ?為提高畜禽養(yǎng)殖效益、實現(xiàn)高附加值的畜禽肺資源化利用，本研究以雞肺、牛肺、豬肺及與羧甲基殼聚糖為原料，在雞肺、牛肺、豬肺明膠制備及改性的基礎(chǔ)上，將羧甲基殼聚糖分別與改性雞肺、牛肺、豬肺明膠按1∶1、1∶2和2∶1體積比進行交聯(lián)反應(yīng)制備復(fù)合水凝膠，并進一步對復(fù)合水凝膠的關(guān)聯(lián)度、凝膠強度、紅外光譜、溶脹性、熱變特征、微觀結(jié)構(gòu)及失水率等理化性質(zhì)進行分析。結(jié)果表明，當(dāng)羧甲基殼聚糖分別與改性雞肺、牛肺、豬肺明膠按1∶2體積比時，配制得到的復(fù)合水凝膠性質(zhì)最好。其中，羧甲基殼聚糖與改性牛肺明膠按1∶2體積比配制得到的復(fù)合水凝膠交聯(lián)度、凝膠強度、孔隙率和失水率分別為45.4%、5.24 N、64.58%和87.6%，優(yōu)于羧甲基殼聚糖分別與改性雞肺明膠、改性豬肺明膠按1∶2體積比配制得到的復(fù)合水凝膠。本研究結(jié)果為畜禽肺的高附加值資源化利用提供了新思路。

關(guān)鍵詞： ?改性畜禽肺明膠； 羧甲基殼聚糖； 水凝膠

中圖分類號： ?TQ427.2+6 ???文獻標(biāo)識碼： A ???文章編號： ?1000-4440（2024）03-0552-10

Preparation and properties of modified chicken， bovine and porcine lung gelatin/carboxymethyl chitosan composite hydrogels

LI Liang1，2， HUANG Chun-yang2， WANG Zhe2，3， WANG Ling-juan2，3， ZHANG Xin-xiao2，3， ZOU Ye2，3，XU Wei-min1，2，3， SHAO Jun-hua1

（1.Food Science College， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China; 2.Institute of Agricultural Products Processing， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China; 3.School of Food and Biological Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract： ?In order to improve the efficiency of livestock and poultry breeding and realize the resource utilization of high value-added livestock and poultry lung， this study used chicken lung， bovine lung， pig lung and carboxymethyl chitosan as raw materials. On the basis of the preparation and modification of chicken lung， bovine lung and pig lung gelatin， carboxymethyl chitosan was cross-linked with the modified gelatin of chicken lung， bovine lung and pig lung at 1∶1， 1∶2 and 2∶1 volume ratios to prepare composite hydrogels. The physical and chemical properties of the composite hydrogel， such as correlation degree， gel strength， infrared spectrum， swelling property， thermal change characteristics， microstructure and water loss rate， were further analyzed. The results showed that when the volume ratio of carboxymethyl chitosan to modified chicken lung， bovine lung and pig lung gelatin was 1∶2， the prepared composite hydrogel had the best properties. Among them， the crosslinking degree， gel strength， porosity and water loss rate of the composite hydrogel prepared by carboxymethyl chitosan and modified bovine lung gelatin at a volume ratio of 1∶2 were 45.4%， 5.24 N， 64.58% and 87.6%， respectively， which were better than those of the composite hydrogel prepared by carboxymethyl chitosan and modified chicken lung gelatin and modified pig lung gelatin at a volume ratio of 1∶2. The results of this study provided a new idea for the high value-added resource utilization of livestock and poultry lung.

Key words： ?modified livestock and poultry lung gelatin; carboxymethyl chitosan; hydrogel

明膠是工業(yè)生產(chǎn)常用的蛋白質(zhì)類水凝膠組分，具有良好的熱可逆性、透明度、冷水不溶、體溫溶點和促進細胞黏附等特征，且可以通過物理、化學(xué)和酶處理等方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗z[1]。徐達達[2]將改性明膠與大黃多糖、淫羊藿多糖混合制備的水凝膠可作為細胞外基質(zhì)用于組織工程。張秀梅等[3]利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶和鈣離子雙交聯(lián)的方法制備明膠/海藻酸鈉水凝膠，再將制備好的水凝膠浸泡在單寧酸溶液中，使水凝膠發(fā)生進一步交聯(lián)，進而得到黏附性高、可剝離性好的傷口敷料。

殼聚糖可抑制生物合成并破壞細胞壁之間的運輸，導(dǎo)致細菌死亡[4]。羧甲基殼聚糖作為殼聚糖衍生物，具有良好的膠凝性、抗菌性和生物相容性等特性，是近些年來廣受關(guān)注的一種新型工業(yè)材料。Ouyang等[5]將羅非魚皮膚中提取的肽與殼聚糖混合制備出可以增強細胞遷移、促進皮膚再生的水凝膠。張寶忠等[6]用羧甲基殼聚糖與明膠交聯(lián)，制得具有止血、保濕功能的水凝膠。Poverenov等[7]將殼聚糖/明膠復(fù)合水凝膠涂層于辣椒表面，發(fā)現(xiàn)涂層能抑制辣椒腐敗、延長辣椒的貨架期。

目前在魚皮明膠及動物皮膚明膠的制備、改性及其與多糖類聚合物交聯(lián)制備水凝膠方面已有較多研究，但在畜禽肺部改性明膠與羧甲基殼聚糖交聯(lián)制備水凝膠的研究相對較少。近年來，中國畜禽屠宰量逐年上升，除了少量牛肺、豬肺用作烹飪材料外，大部分牛肺、豬肺與雞肺被簡單處理成飼料。李小勇等[8]、王春煥等[9]、潘佳昕等[10]研究發(fā)現(xiàn)豬肺、牛肺和雞肺中含有豐富的膠原蛋白，因此牛肺、豬肺與雞肺的飼料化處理不但造成了資源浪費，還降低了畜禽養(yǎng)殖效益。本研究通過牛肺、豬肺、雞肺明膠的改性及其與羧甲基殼聚糖不同混合比例交聯(lián)制備水凝膠，利用物理和化學(xué)方法分析上述水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，探討牛肺、豬肺、雞肺改性明膠與羧甲基殼聚糖混合比例對水凝膠性能的影響，以期建立畜禽肺高附加值利用新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

羧甲基殼聚糖購自上海麥克林生化科技有限公司，1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽、無水乙二胺購自上海源葉生物科技有限公司，牛肺明膠、豬肺明膠和雞肺明膠參照潘佳昕等[10]的方法制備。

MCR02流變儀購自德國安東帕公司，TVT-300XP質(zhì)構(gòu)儀購自瑞典TexVol公司，EVO-LS10掃描電子顯微鏡購自德國Zeisse Oberkochen公司，NicoletiS-5傅里葉變換紅外光譜儀購自美國Thermo Fisher Scientific公司，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋購自常州國華儀器有限公司，STA-449C差示掃描量熱儀購自德國Netzsch公司，Alpha 1-2 LDplu冷凍干燥機購自德國Christ公司。

1.2 試驗與分析方法

1.2.1 明膠的改性 ?參照徐達達[2]的方法進行實驗室自制改性肺明膠。稱取5 g肺明膠60 ℃溶于100 ml pH為5的0.1 mol/L磷酸鹽溶液，混勻后加入16.1 ml的乙二胺，攪拌均勻后用6 mol/L的HCl調(diào)整pH到5.0，再加入2.67 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC），混合后用0.1 mol/L的磷酸鹽溶液定容至250 ml。37 ℃加熱2 h后放至常溫，使用相對分子質(zhì)量為3.5×106的透析袋透析3 d，凍干后獲得改性肺明膠。

1.2.2 水凝膠的制備 ?稱取40 g羧甲基殼聚糖，用去離子水定容至1 L，得到40 mg/ml的羧甲基殼聚糖溶液；分別稱取150 g雞肺明膠、牛肺明膠、豬肺明膠、改性雞肺明膠、改性牛肺明膠、改性豬肺明膠，60 ℃加熱后用去離子水定容至1 L，得到150 mg/ml的雞肺明膠溶液、牛肺明膠溶液、豬肺明膠溶液和改性雞肺明膠溶液、改性牛肺明膠溶液、改性豬肺明膠溶液。分別將上述羧甲基殼聚糖溶液和雞肺明膠溶液、牛肺明膠溶液、豬肺明膠溶液、改性雞肺明膠溶液、改性牛肺明膠溶液、改性豬肺明膠溶液按體積比1∶1、2∶1、1∶2混合，制得3種配比的肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠和改性肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠。

1.2.3 水凝膠交聯(lián)度測定 ?基于材料中游離氨基含量與吸光度成正比的原理，參照李改瑩[11]的方法測水凝膠交聯(lián)度。稱取凍干狀態(tài)下的雞肺明膠、牛肺明膠、豬肺明膠、雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠和改性雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、改性牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、改性豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠各2 mg，分別加入1 ml純水，體溫下溶解靜置8 h，待其充分反應(yīng)后，加入1.0 ml茚三酮溶液，混勻后100 ℃加熱20 min，用體積百分數(shù)50%的異丙醇溶液將其稀釋1×104倍，并測定各處理570 nm處的吸光度。然后配制0.75 mmol/L、1.00 mmol/L、1.25 mmol/L、1.75 mmol/L、2.50 mmol/L和5.00 mmol/L的甘氨酸溶液，按照上述步驟，與茚三酮溶液加熱反應(yīng)，并測得混合液吸光度值得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，進而根據(jù)各水凝膠試樣的吸光度和標(biāo)準(zhǔn)曲線得到各水凝膠試樣的游離氨基含量，再由式（1）計算水凝膠交聯(lián)度：

交聯(lián)度= 1- ?ODsample ODgelatin ?×100% （1）

式（1）中，ODsample表示雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠和改性雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、改性牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠、改性豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的游離氨基含量，ODgelatin為雞肺明膠、牛肺明膠、豬肺明膠的游離氨基含量。

1.2.4 水凝膠強度測定 ?參照Fan等[12]的方法進行水凝膠強度的測定。設(shè)置TVT-300XP質(zhì)構(gòu)儀的參數(shù)為探頭型號P36R、形變量80%、檢測速率120 mm/min、起始力0.15 N、返回速率120 mm/min、2次下壓間隔時間1.5 s、凝膠強度模式TPA進行水凝膠強度的測定。

1.2.5 水凝膠紅外光譜特征分析 ?參照Shi等[13]的方法，設(shè)置傅里葉變換紅外光譜儀的光譜掃描范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)64次，分辨率為1 cm-1對水凝膠進行紅外光譜特征分析，判斷水凝膠是否發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

1.2.6 水凝膠溶脹性能分析 ?參照Fan等[14]的方法，將水凝膠制成直徑為1 cm的圓片，凍干后稱取質(zhì)量，記為m0，在37 ℃條件下用pH為7.4的PBS緩沖液浸泡溶脹，浸泡10 min、20 min、30 min、60 min、90 min、120 min、240 min、360 min、480 min、600 min、720 min后取出，吸干表面PBS緩沖液殘液后再次稱取水凝膠質(zhì)量，記為m1。由式（2）計算各時刻的溶脹率：

溶脹率 = m1-m0 m0 ×100% （2）

1.2.7 水凝膠微觀結(jié)構(gòu)分析 ?將凍干后的水凝膠抽真空后在其表面噴金，使用EVO-LS10掃描電子顯微鏡進行微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析。

1.2.8 水凝膠孔隙率測定 ?參照閆金鑫[15]的方法測定水凝膠孔隙率。稱取v1體積無水乙醇倒入量筒，將適量改性肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠放進量筒中浸沒，靜置，直至搖晃量筒時無氣泡冒出，記錄兩者混合體積v2，之后將水凝膠取出，記錄此時無水乙醇的體積為v3。由式（3）計算水凝膠的孔隙率：

孔隙率= v1-v3 v2-v3 ×100% （3）

1.2.9 水凝膠熱變分析 ?將差示掃描量熱儀升溫模式設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)模式，溫度范圍20～400 ℃，升溫速度10 ℃/min，氮氣吹掃速率60 ml/min，將10 mg精細研磨的水凝膠放入差示掃描量熱儀進行熱變分析。

1.2.10 水凝膠失水率測定 ?將質(zhì)量為m1的水凝膠在37 ℃烘箱中干燥24 h，記錄烘干后的質(zhì)量（m2）。由式（4）計算水凝膠的失水率：

失水率= m1-m2 m1 ×100% （4）

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

上述處理均3個重復(fù)，利用SPSS V26.0軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理。采用Turkey檢驗分析處理之間的差異顯著性（P<0.05）。利用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 羧甲基殼聚糖與肺明膠（改性肺明膠）混合比例對復(fù)合水凝膠交聯(lián)度的影響

甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線如圖1A所示。從圖中可以看出，甘氨酸濃度與吸光度之間存在較好的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）達0.999 3。不同混合比例的水凝膠交聯(lián)度如圖1B所示。從圖中可以看出，改性雞、牛、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的交聯(lián)程度均高于雞、牛、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠。當(dāng)羧甲基殼聚糖與改性肺明膠的比例由1∶1增加到1∶2時，改性肺明膠的添加比例增大，改性雞、牛、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠交聯(lián)度也分別由28.72%、29.24%、26.73%增加到43.26%、45.40%、39.46%。這可能是由于改性肺明膠的增加提高了復(fù)合水凝膠中氨基基團的含量，使得其與羧甲基殼聚糖上的羧基和羥基更充分發(fā)生交聯(lián)，交聯(lián)度上升[16]。而當(dāng)羧甲基殼聚糖與改性肺明膠比例由1∶1變?yōu)?∶1時，羧甲基殼聚糖的含量增加，改性雞、牛、豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠交聯(lián)度也分別由28.72%、29.24%、26.73%增加至41.19%、37.76%、28.51%?？赡苁墙宦?lián)過程所需要的氨基更多，所以在同樣增加反應(yīng)基團的情況下，增加改性肺明膠比例對提升復(fù)合水凝膠交聯(lián)度的效果更好。

2.2 羧甲基殼聚糖與肺改性明膠混合比例對復(fù)合水凝膠強度的影響

羧甲基殼聚糖與改性肺明膠混合比例對復(fù)合水凝膠強度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，3種混合比例的復(fù)合水凝膠中，改性牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的凝膠強度最高，其次為雞肺改性明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠，改性豬肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的凝膠強度最低。而3個混合比例中，羧甲基殼聚糖與肺改性明膠按1∶2配制得到的復(fù)合水凝膠凝膠強度最高，其次是比例為2∶1，1∶1配制得到的復(fù)合水凝膠凝膠強度最低。本試驗中羧甲基殼聚糖與改性牛肺明膠按1∶2配制得到的復(fù)合水凝膠凝膠強度顯著高于其他兩種比例的甲基殼聚糖與改性肺明膠混合得到的復(fù)合水凝膠，但低于劉佳煒等[17]制得的明膠-殼聚糖-海藻酸鈉復(fù)合水凝膠的凝膠強度（6.125 N），原因可能在于后者制備復(fù)合水凝膠的過程中加入了海藻酸鈉，加深了交聯(lián)反應(yīng)。與羅穆潮等 [18]制備的殼聚糖/白芨膠復(fù)合水凝膠的凝膠強度（1.98 N）相比，本試驗制備的3種混合比例的改性肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的凝膠強度均高于前者。

從圖2中還可以看出，羧甲基殼聚糖與改性肺明膠1∶1配制得到的復(fù)合水凝膠的凝膠強度明顯低于1∶2和2∶1配制得到的復(fù)合水凝膠，說明增加羧甲基殼聚糖或者改性肺明膠的含量都利于復(fù)合水凝膠凝膠強度的增加。熊拯[19]在大豆分離蛋白-陰離子多糖復(fù)合體系水凝膠中增加多糖比例時，同樣發(fā)現(xiàn)凝膠強度增加。其原因可能在于增加羧甲基殼聚糖或者改性肺明膠含量時，水凝膠的質(zhì)量呈增加趨勢，而水凝膠質(zhì)量的增加，一方面會增加改性肺明膠分子上的氨基、羧基與羧甲基殼聚糖分子鏈上的羧基、羥基之間的靜電交互作用及氫鍵相互作用，另一方面會提高水凝膠整體密度，導(dǎo)致水凝膠聚合物纏結(jié)更加緊密。水凝膠中分子鏈通常呈交織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但能均勻傳遞與分散水凝膠所受外力[20]，還能消散或抵抗剪切能量[21]，因而，在水凝膠質(zhì)量增加時，水凝膠分子鏈交織程度增加，進而表現(xiàn)為水凝膠的機械強度增強。

2.3 羧甲基殼聚糖與肺明膠（改性肺明膠）不同混合比例的復(fù)合水凝膠的紅外光譜

圖3為羧甲基殼聚糖、改性肺明膠及2者不同混合比例制得的復(fù)合水凝膠的紅外光譜。羧甲基殼聚糖在3 010 cm-1處有表示=C-H和NH3+不對稱拉伸振動的特征峰，在1 589 cm-1和1 411 cm-1處有分別表示羧基對稱伸縮振動（與N-H彎曲重疊）和羧基不對稱伸縮振動的特征峰[22]。改性牛肺、雞肺明膠在大約3 279 cm-1存在與NH基團的拉伸振動、氫鍵有關(guān)的吸收峰，1 638 cm-1處存在C=O的伸縮振動峰，1 576 cm-1處為-NH2的特征吸收峰，1 416 cm-1處的吸收峰為-COO-的對稱伸縮振動，1 236 cm-1處為C-N吸收帶[23]（圖3a）。

改性肺明膠/羧甲基殼聚糖不同混合比例的3種復(fù)合水凝膠都沒有顯示羧甲基殼聚糖的羧基吸收峰（1 589 cm-1、1 411 cm-1），且1 409 cm-1處的峰減弱，這說明復(fù)合水凝膠形成后羧基基團減少，羧酸根離子和銨離子之間發(fā)生了靜電作用，從而以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。3種復(fù)合水凝膠的NH基團拉伸振動吸收峰由3 279 cm-1偏移至3 000 cm-1附近，說明水凝膠的形成與氫鍵有關(guān)，且增強了分子間氫鍵。以上結(jié)果表明改性肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝 膠中羥基、氨基和羧基之間存在氫鍵和靜電相互作用，已產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)[22]（圖3b、圖3c、圖3d）。

2.4 羧甲基殼聚糖與改性肺明膠混合比例對復(fù)合水凝膠溶脹性的影響

羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠的溶脹特征如圖4所示。隨著浸泡時間的延長，0～120 min 內(nèi)，凍干復(fù)合水凝膠溶脹比例呈現(xiàn)快速增加的趨勢；120 min后，不同混合比例的復(fù)合水凝膠的溶脹比例趨于平緩，500 min后不同混合比例的復(fù)合水凝膠溶脹比例趨于穩(wěn)定，介于480%～550%，這說明改性肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠具有較強的吸水能力。其原因在于水凝膠中羥基、氨基和酰胺基具有大量的親水基團，可使水凝膠吸水膨脹[24]。在吸水膨脹期間，水凝膠內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效防止水凝膠過度膨脹造成的結(jié)構(gòu)崩壞。當(dāng)水凝膠溶脹比例達到最大時，飽和的水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，水分子進出水凝膠達到動態(tài)平衡。

從圖4還可以看出，交聯(lián)度最高的羧甲基殼聚糖與改性牛肺明膠1∶2配制的復(fù)合水凝膠溶脹率低于2∶1配制的復(fù)合水凝膠，交聯(lián)度最小的1∶1配制的復(fù)合水凝膠溶脹率最低。其原因可能是隨交聯(lián)程度的加深，羧甲基殼聚糖和改性肺明膠之間的氫鍵相互作用逐漸增強，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加堅固，從而限制了水凝膠的溶脹行為[25]。此外，氫鍵的逐漸增加導(dǎo)致復(fù)合水凝膠內(nèi)部形成更加均勻的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合水凝膠的孔徑減小，孔隙度變小，進而使得復(fù)合水凝膠的持水量降低，這個特征與Gilarska等[26]的研究結(jié)果一致。而交聯(lián)度低的羧甲基殼聚糖與改性豬肺明膠1∶1配制的復(fù)合水凝膠溶脹率低可能是該比例配制的復(fù)合水凝膠內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比較松散，水分子能夠自由進出，且進去的水分無法被凝膠網(wǎng)絡(luò)鎖住，從而導(dǎo)致其溶脹率低。本研究中，羧甲基殼聚糖與改性豬肺明膠1∶1配制的復(fù)合水凝膠溶脹率最低，穩(wěn)定溶脹率約480%，遠高于張曉亮等[27]利用兔皮膠原與O-羧甲基殼聚糖混合制得的復(fù)合水凝膠的溶脹率（約160%）。

2.5 羧甲基殼聚糖與肺明膠（改性肺明膠）混合比例對復(fù)合水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5為羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠內(nèi)部微觀形態(tài)。從圖中可以看出，本試驗制備的所有復(fù)合水凝膠具有類似的多孔結(jié)構(gòu)，孔洞直徑大小不一，介于3～150 μm，且孔洞相互貫穿相連。羧甲基殼聚糖與改性肺明膠1∶2配比制備的復(fù)合水凝膠孔徑（圖5d、圖5e、圖5f）要小于2∶1配比制備的復(fù)合水凝膠（圖5g、圖5h、圖5i）和1∶1配比制備的復(fù)合水凝膠（圖5a、圖5b、圖5c）。其原因可能是復(fù)合水凝膠交聯(lián)程度的差異所導(dǎo)致的。隨著水凝膠交聯(lián)程度的增加，水凝膠內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)之間的作用力增強，從而導(dǎo)致孔徑逐漸縮小，結(jié)構(gòu)更加緊密。

羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同配比制備的復(fù)合水凝膠孔隙率情況如圖6所示。由圖6可以看出，不同復(fù)合水凝膠孔隙率與微觀結(jié)構(gòu)的變化特征相一致。羧甲基殼聚糖與改性肺明膠1∶2配比制備的復(fù)合水凝膠的孔徑最小，相應(yīng)的孔隙率也最小。改性肺明膠的來源對復(fù)合水凝膠孔隙率也有一定影響。改性牛肺明膠與羧甲基殼聚糖混合制得的復(fù)合水凝膠孔隙率要低于同配比的改性雞肺明膠和改性豬肺明膠與羧甲基殼聚糖混合制得的復(fù)合水凝膠。本試驗制備的復(fù)合水凝膠孔隙率均低于孫士儒等[28]制得的海藻酸鈉-明膠復(fù)合水凝膠，與任榮等[29]制得的海藻酸鈉-明膠復(fù)合水凝膠相似。

2.6 羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同配比制備的復(fù)合水凝膠的熱變特征

羧甲基殼聚糖、改性雞肺明膠、改性牛肺明膠、改性豬肺明膠以及羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠熱變特征如圖7所示。當(dāng)改性肺明膠與羧甲基殼聚糖未發(fā)生交聯(lián)時，在60～75 ℃有一個反應(yīng)吸收峰，而當(dāng)改性肺明膠與羧甲基殼聚糖混合交聯(lián)后，之前的吸收峰消失，原因在于多糖與蛋白質(zhì)之間形成了非共價鍵結(jié)合構(gòu)建為更復(fù)雜、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合水凝膠變性需要更高的溫度。

羧甲基殼聚糖與改性肺明膠3種不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠具有相似的熱變特征（圖7b、7c、7d）。當(dāng)溫度從0 ℃升高到100 ℃時，樣品質(zhì)量的減少主要是水分的蒸發(fā)損失[30]。之后，質(zhì)量損失主要歸因于暴露的羧甲基殼聚糖和改性肺明膠側(cè)鏈的降解；在120 ℃左右出現(xiàn)的一個中心峰，可能是復(fù)合水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的靜電作用力以及氫鍵、范德華力等被逐步破壞所致。這與應(yīng)慧妍[31]利用膠原蛋白-透明質(zhì)酸制備的水凝膠熱變特征一致。本試驗中羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠峰面積和反應(yīng)峰位置存在一定的偏差，這可能與復(fù)合水凝膠內(nèi)部各作用力的強度差異相關(guān)；同一混合比例下不同改性肺明膠與羧甲基殼聚糖制備的復(fù)合水凝膠峰面積和反應(yīng)峰位置亦不完全相同，說明材料來源同樣影響復(fù)合水凝膠峰面積和反應(yīng)峰位置。

2.7 羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠的失水率

羧甲基殼聚糖與改性肺明膠不同混合比例制備的復(fù)合水凝膠失水率變化特征如圖8所示。1∶1配比下，羧甲基殼聚糖與改性雞肺明膠、改性牛肺明膠、改性豬肺明膠混合制得的復(fù)合水凝膠失水率分別為91.53%、90.64%、92.75%，1∶2混合比例下復(fù)合水凝膠失水率分別為87.98%、87.27%、89.11%，2∶1混合比例下復(fù)合水凝膠失水率分別為88.31%、87.60%、90.17%。隨著改性肺明膠比例的增加或羧甲基殼聚糖比例的增加，復(fù)合水凝膠失水率都呈下降趨勢，這一結(jié)果與孫萌[32]利用金銀花多糖與羧甲基殼聚糖制得的復(fù)合水凝膠失水率相似。其原因可能是隨著羧甲基殼聚糖或改性肺明膠配比的提升，復(fù)合水凝膠內(nèi)部分子間的交聯(lián)更加緊密，孔徑更小，鎖水、保水能力更強，進而使得復(fù)合水凝膠失水率降低。一般而言，復(fù)合水凝膠交聯(lián)程度的高低與復(fù)合水凝膠失水率呈反比。

3 結(jié) 論

本試驗以羧甲基殼聚糖和牛肺、雞肺、豬肺為主要原料，通過肺明膠的制作與改性，不同比例的羧甲基殼聚糖與改性肺明膠混合制備復(fù)合水凝膠。經(jīng)理化性能分析，羧甲基殼聚糖與改性牛肺明膠1∶2混合比例制備的復(fù)合水凝膠理化性能最好，其次為羧甲基殼聚糖與改性雞肺明膠1∶2混合比例制備的復(fù)合水凝膠和羧甲基殼聚糖與改性豬肺明膠制備的復(fù)合水凝膠。雖然改性雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的性質(zhì)不是最優(yōu)，但雞肺的資源更廣，成本更低，與牛肺相比還消除了造成瘋牛病的隱患，所以在生產(chǎn)中可用改性雞肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠替代改性牛肺明膠/羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠。本試驗利用改性肺明膠與羧甲基殼聚糖制備的復(fù)合水凝膠存在多孔結(jié)構(gòu)，使得其在藥物包埋緩釋和細胞培養(yǎng)利用等生物工程領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。水凝膠高孔隙率帶來的高比表面積，有望增強水凝膠的生物活性。羧甲基殼聚糖對一些非特異性蛋白和血小板的抗吸附特征，這使得本試驗制備的復(fù)合水凝膠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有一定的商用潛力。

參考文獻：

[1] ?GE S， LIU Q， LI M， et al. Enhanced mechanical properties and gelling ability of gelatin hydrogels reinforced with chitin whiskers[J]. Food Hydrocolloids，2018，75：1-12.

[2] 徐達達. 共價交聯(lián)大黃多糖、淫羊藿多糖明膠水凝膠及其性能評價[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

[3] 張秀梅，黃 棣. 基于明膠/海藻酸鈉復(fù)合水凝膠[J]. 醫(yī)用生物力學(xué)，2021，36（S1）：388.

[4] SAHARIAH P， MSSON M. Antimicrobial chitosan and chitosan derivatives： a review of the structure-activity relationship[J]. Biomacromolecules，2017，18（11）：3846-3868.

[5] OUYANG Q Q， HU Z， LIN Z P， et al. Chitosan hydrogel in combination with marine peptides from tilapia for burns healing[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2018，112：1191-1198.

[6] 張寶忠，杜予民，樊李紅，等. 羧甲基殼聚糖/明膠共混膜的結(jié)構(gòu)表征與吸濕保濕性[J]. 分析科學(xué)學(xué)報，2005，21（3）：245-248.

[7] POVERENOV E， ZAITSEV Y， ARNON H， et al. Effects of a composite chitosan-gelatin edible coating on postharvest quality and storability of red bell peppers[J]. Postharvest Biology and Technology，2014，96：106-109.

[8] 李小勇，李洪軍. 豬肺膠原蛋白含量的測定[J]. 肉類研究，2006（7）：35-37.

[9] 王春煥，劉學(xué)軍，吳 雪，等. 牛肺管營養(yǎng)成分的測定[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工，2012（8）：131-134，169.

[10] 潘佳昕，楊 恒，時海波，等. 高效酶提取雞肺明膠及其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[J]. 食品與生物技術(shù)學(xué)報，2021，40（1）：75-81.

[11] 李改瑩. 明膠基抗菌黏附復(fù)合水凝膠的研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2021.

[12] FAN M， HU T， ZHAO S， et al. Gel characteristics and microstructure of fish myofibrillar protein/cassava starch composites[J]. Food Chemistry，2017，218：221-230.

[13] ?SHI P， LIU M， FAN F， et al. Characterization of natural hydroxyapatite originated from fish bone and its biocompatibility with osteoblasts[J]. Materials Science and Engineering： C，2018，90：706-712.

[14] FAN L， YANG H， YANG J， et al. Preparation and characterization of chitosan/gelatin/PVA hydrogel for wound dressings[J]. Carbohydrate Polymers，2016，146：427-434.

[15] 閆金鑫. 天花粉多糖/黃芪多糖水凝膠的制備及性能的評價[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2018.

[16] 張莉弘，竇 信，邱 鵬，等. 載刺五加/桂皮紫萁海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖水凝膠傷口敷料的制備及其性能研究[J]. 化學(xué)試劑，2022，44（11）：1577-1584.

[17] 劉佳煒，王 真，江雪雪，等. 明膠-殼聚糖-海藻酸鈉凝膠包埋木瓜蛋白酶的研究[J]. 食品工業(yè)科技，2018，39（1）：1-5，10.

[18] 羅穆潮，卓 陽，楊 燕，等. 新型創(chuàng)面用凝膠體系的制備及性能研究[J].中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2013，44（12）：1232-1235.

[19] 熊 拯. 大豆分離蛋白-陰離子多糖復(fù)合體系凝膠質(zhì)構(gòu)特性研究[J]. 糧油加工，2010（9）：133-136.

[20] XIANG S， LI T， WANG Y， et al. Long-chain branching hydrogel with ultrahigh tensibility and high strength by grafting via photo-induced polymerization[J]. New Journal of Chemistry，2016，40（10）：8650-8657.

[21] NA Y H， TANAKA Y， KAWAUCHI Y， et al. Necking phenomenon of double-network gels[J]. Macromolecules，2006，39（14）：4641-4645.

[22] 裴大婷，曾志文，周小雁，等. 原位酶交聯(lián)羧甲基殼聚糖/葡萄糖水凝膠的制備與表征[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用，2022，34（5）：1061-1069.

[23] STAROSZCZYK H， SZTUKA K， WOLSKA J， et al. Interactions of fish gelatin and chitosan in uncrosslinked and crosslinked with EDC films： FT-IR study[J]. Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2014，117：707-712.

[24] 劉 坤. 殼聚糖水凝膠的研制及其改性研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2019.

[25] 楊明成，陳 陽，張修強，等. 聚乙烯醇/納米纖維素水凝膠的輻射制備及其性能研究[J]. 化工新型材料，2022，50（5）：206-211.

[26] GILARSKA A， LEWANDOWSKA L J， HORAK W， et al. Collagen/chitosan/hyaluronic acid-based injectable hydrogels for tissue engineering applications-design， physicochemical and biological characterization[J]. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces，2018，170：152-162.

[27] 張曉亮，張 毅. 膠原/O-羧甲基殼聚糖復(fù)合水凝膠的制備及表征[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2020，36（11）：139-144.

[28] 孫士儒，劉 陽，王景輝，等. 具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的海藻酸鈉-明膠復(fù)合水凝膠的3D打印制備及其性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2022，39（8）：4049-4056.

[29] 任 榮，張劍飛，司家文，等. 海藻酸鈉/明膠復(fù)合水凝膠用于3D生物打印的初步研究[J]. 中國口腔頜面外科雜志，2017，15（5）：402-407.

[30] 陳 功，項舟洋，宋 濤. 利用二醛木聚糖一鍋法制備納米銀抗菌水凝膠[J]. 精細化工，2022，39（10）：2027-2034.

[31] 應(yīng)慧妍. 基于膠原蛋白-糖胺聚糖的生物材料研究及其在組織工程中的應(yīng)用[D]. 無錫：江南大學(xué)，2019.

[32] 孫 萌. 金銀花多糖/薄荷多糖/O-羧甲基殼聚糖水凝膠傷口敷料的制備及表征[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2018.

（責(zé)任編輯：石春林）