可得然膠基水凝膠及其應(yīng)用研究進(jìn)展

劉霄瑩，張潤峰，潘玉雪，李慧雪，孫亞鵬，陳 山*

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

可得然膠（curdlan，CUR）又稱凝膠多糖、熱凝膠、凝結(jié)多糖、可德蘭、可德膠，是由β-(1,3)-D糖苷鍵連接形成的中性無支鏈胞外多糖，具有三螺旋構(gòu)象。與裂褶多糖、硬葡聚糖、香菇多糖等三螺旋多糖一樣，CUR除具有免疫調(diào)節(jié)[1-2]、抗病毒[3]、抗炎[4]等生物活性外，還具有獨(dú)特的凝膠特性。CUR被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)應(yīng)用在食品加工中[5]，其常被用于食品的增稠、穩(wěn)定和改善質(zhì)構(gòu)[6-8]，也可用于食品抗菌包裝膜[9]、生物醫(yī)藥領(lǐng)域[10]。作為一種較好的凝膠材料，學(xué)者們在改善CUR凝膠機(jī)械性能和提高水凝膠功能性方面已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。CUR可通過熱誘導(dǎo)[11]、溶劑誘導(dǎo)[12]、離子交換[13]等方法形成凝膠，但傳統(tǒng)物理凝膠機(jī)械強(qiáng)度小，研究人員根據(jù)對CUR三螺旋構(gòu)象變化誘導(dǎo)方式的調(diào)控設(shè)計了凍融與溶劑交換水凝膠以及超分子組裝水凝膠[14-15]，賦予了CUR基水凝膠更強(qiáng)的機(jī)械性能和特殊的功能特性。此外，利用化學(xué)交聯(lián)可形成交聯(lián)不可逆、柔韌性較好的水凝膠[16]，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠研究賦予了CUR基水凝膠更好的機(jī)械性能以及自恢復(fù)能力[17]。CUR基復(fù)合水凝膠的研究成為近年來的研究熱點(diǎn)，通過與其他物質(zhì)復(fù)合能實(shí)現(xiàn)CUR基水凝膠更好的應(yīng)用效果[18-19]。

目前關(guān)于CUR的綜述大多介紹了CUR的結(jié)構(gòu)特征、生物合成機(jī)制及功能特性[4,11,20-21]。部分文獻(xiàn)對于CUR凝膠化機(jī)理進(jìn)行了簡單的介紹，然而對CUR基水凝膠及其復(fù)合水凝膠進(jìn)行系統(tǒng)歸納的文章較少。本文分類介紹了不同制備方式下CUR基水凝膠的凝膠特性、凝膠化機(jī)理，以及CUR基復(fù)合水凝膠的研究近況，并綜述了CUR基水凝膠在食品和生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為拓展CUR的應(yīng)用范圍提供理論參考。

1 基于CUR的單一多糖水凝膠

CUR在不同的制備方式下形成水凝膠的凝膠特性不同。以下按照制備方法進(jìn)行分類，并介紹CUR基水凝膠的各種制備方式、凝膠特性和凝膠化機(jī)理。

1.1 物理交聯(lián)水凝膠

物理交聯(lián)水凝膠通過氫鍵、疏水作用、離子鍵等發(fā)生交聯(lián)，形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由于物理交聯(lián)法無需采用有毒的交聯(lián)劑，可降低操作人員接觸有機(jī)溶劑及產(chǎn)生有害副產(chǎn)物的可能性，制備過程較為綠色環(huán)保，故有一定的應(yīng)用前景[22]。

1.1.1 熱誘導(dǎo)法水凝膠

熱誘導(dǎo)法是目前CUR基水凝膠在食品和生物醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的制備方法。CUR不溶于水，但其水分散體在加熱處理后能形成凝膠，基于這一特性，CUR被稱作“熱凝膠”[23]。CUR在不同溫度的熱誘導(dǎo)下可獲得兩種不同的凝膠狀態(tài)，CUR水懸液加熱到55～60 ℃后冷卻，可形成熱可逆凝膠；而加熱到80～90 ℃再退火時，可形成熱不可逆凝膠[24]。熱不可逆凝膠的凝膠強(qiáng)度較高，而熱可逆凝膠的凝膠強(qiáng)度較弱。CUR熱誘導(dǎo)水凝膠無色無味，能在pH 2～12范圍內(nèi)保持凝膠的穩(wěn)定[25]，具有凍融穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和保水能力，可吸收大約為自身質(zhì)量100 倍的水，且凝膠化可以在pH 2～10的較寬范圍內(nèi)進(jìn)行，凝膠的穩(wěn)定性較好[20,26]。

CUR在熱誘導(dǎo)時形成的熱可逆凝膠與熱不可逆凝膠的凝膠化機(jī)理與CUR三螺旋解旋-復(fù)旋的構(gòu)象變化有關(guān)。CUR粉末被認(rèn)為是糾纏的微纖維（此處微纖維是指CUR分子鏈聚集而成的束狀結(jié)構(gòu)）[27]。加熱是吸水溶脹、微纖維及三螺旋解離的過程；冷卻則是CUR單鏈復(fù)旋為三螺旋的過程，CUR水分散體加熱時，其構(gòu)象變化如圖1A所示[28]。Gagnon等[29]認(rèn)為熱可逆凝膠的結(jié)構(gòu)是CUR單螺旋自組裝形成三螺旋構(gòu)象的中間產(chǎn)物。雖然對CUR熱誘導(dǎo)凝膠化機(jī)理存在一定爭議，但是目前普遍認(rèn)可的理論是熱可逆凝膠中較少的單螺旋鏈復(fù)旋為三螺旋鏈，因而單螺旋含量較高，膠束通過氫鍵相互連接；而熱不可逆凝膠中有較多的單螺旋鏈發(fā)生復(fù)旋，因而三螺旋含量較高，且通過疏水作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此形成的凝膠強(qiáng)度比熱可逆凝膠高[5,30-33]。CUR基熱可逆和熱不可逆凝膠形成機(jī)制如圖1B所示[33]。

圖1 溫度范圍為25～90 ℃的CUR水懸液中CUR解離行為（A）[28]及熱可逆凝膠和熱不可逆凝膠形成機(jī)制（B）[33]Fig.1 Dissociation behavior of CUR in aqueous suspension in the temperature range from 25 to 90 ℃ (A)[28], and formation mechanism of thermally reversible and irreversible gels (B)[33]

CUR凝膠的強(qiáng)度會受到溫度的影響，隨著溫度的升高，CUR的分子間或分子內(nèi)氫鍵發(fā)生斷裂，進(jìn)而構(gòu)象發(fā)生改變，形成三維網(wǎng)絡(luò)分子之間的作用力更強(qiáng)，彈性活性鏈的數(shù)量更多，使得凝膠更具彈性，因此凝膠強(qiáng)度更高[28,34-35]。此外，在食品或其他應(yīng)用的復(fù)雜體系中，外源物質(zhì)也可能對CUR的凝膠特性產(chǎn)生影響。Funami等[36]研究了鹽對CUR凝膠特性的影響，結(jié)果表明鹽在凝膠過程中充當(dāng)抑制劑的作用，會導(dǎo)致CUR溶脹行為和熱不可逆凝膠的形成受到抑制，這是因?yàn)辂}的添加會降低溶脹過程中CUR分子的遷移率并減少冷卻過程中CUR分子參與氫鍵結(jié)合的區(qū)域，使CUR分子間或分子內(nèi)的氫鍵斷裂和新氫鍵的生成受到抑制。蔗糖的添加對CUR的凝膠強(qiáng)度也有一定影響，蔗糖分子可通過增強(qiáng)整體氫鍵結(jié)構(gòu)防止水分離來穩(wěn)定CUR凝膠，從而增強(qiáng)CUR的凝膠強(qiáng)度[11,37]。赤蘚糖醇是一種常用的代糖，Tao Haiteng等[38]發(fā)現(xiàn)添加一定濃度的赤蘚糖醇提高了CUR凝膠的凍融穩(wěn)定性和保水性，這是因?yàn)槌嗵\糖醇可以與CUR形成氫鍵，從而形成更致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善熱不可逆凝膠的質(zhì)地。

CUR熱誘導(dǎo)凝膠的制備方式簡單、強(qiáng)度可控、穩(wěn)定性好，但高溫的制備條件容易使熱敏性物質(zhì)揮發(fā)或變性失活，在熱敏性物質(zhì)存在的情況下可選用其他制備方法。

1.1.2 離子交換透析法水凝膠

離子交換透析是一種在室溫下制備CUR凝膠的方法，將CUR溶解在NaOH溶液或二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）中使CUR三螺旋鏈打開，再將溶液置于金屬鹽溶液中進(jìn)行離子交換透析，此過程中由于極性溶劑的流出，CUR的構(gòu)象會從無規(guī)卷曲變成三螺旋，鹽離子流入透析管并與CUR交聯(lián)形成凝膠。Ca2＋是CUR離子交換透析凝膠常用的一種陽離子[13,39]，Ca2＋流入透析管，通過離子鍵或配位鍵與CUR分子發(fā)生交聯(lián)，從而形成水凝膠[40-41]，透析過程由Ca2＋擴(kuò)散驅(qū)動[42]。Sato等[43]發(fā)現(xiàn)Ca2＋交聯(lián)可形成液晶凝膠和無定形凝膠交替層，且這種交替層的形成是Ca2＋透析獨(dú)有的，其他離子無法誘導(dǎo)形成該種凝膠。在醫(yī)藥應(yīng)用方面，CUR凝膠多層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可減輕藥物的突釋問題，獲得零級釋放曲線[44-45]。鹽溶液的濃度對凝膠的特性也有影響，鹽溶液濃度越大，獲得的凝膠機(jī)械性能越好[13]。此外，用不同離子誘導(dǎo)會形成強(qiáng)度不同的凝膠，如Sr2＋誘導(dǎo)的凝膠強(qiáng)度大于Mg2＋[43]。離子交換透析凝膠的制備方法由于不涉及高溫加熱過程，不會對不耐高溫的物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，因此常用于生物活性物質(zhì)的包封。

1.1.3 溶劑誘導(dǎo)法水凝膠

溶劑誘導(dǎo)形成的CUR基水凝膠強(qiáng)度較低，具有較好的流變特性，溶劑誘導(dǎo)下會發(fā)生CUR三螺旋解旋-復(fù)旋現(xiàn)象，通過改變?nèi)軇┑臐舛?、種類可調(diào)控CUR凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這對CUR基水凝膠新型制備方法的研究及新型功能材料的開發(fā)具有重要意義；因此，應(yīng)了解溶劑誘導(dǎo)法CUR基水凝膠制備過程中的構(gòu)象轉(zhuǎn)化及凝膠特性。

1.1.3.1 堿中和誘導(dǎo)水凝膠

CUR難溶于水，但在堿溶液中其溶解性大幅提升。在提升CUR溶解度及溶液中三螺旋含量方面，研究者引入了堿中和處理方式來誘導(dǎo)CUR三螺旋發(fā)生解旋-復(fù)旋，該處理方式下CUR溶液會形成弱凝膠，稱為堿中和凝膠。

堿中和處理包括堿處理和中和處理兩個階段，兩個階段下CUR的構(gòu)象會發(fā)生不同變化。在堿濃度增加的過程中，CUR三螺旋的構(gòu)象會發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)NaOH濃度小于0.19 mol/L時，CUR呈三螺旋結(jié)構(gòu)；在NaOH濃度大于0.24 mol/L時，CUR呈無規(guī)卷曲構(gòu)象[46]。對堿處理后的CUR進(jìn)行酸中和可析出凝膠。葉劍等[47]對堿中和得到的CUR凝膠進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CUR堿中和凝膠的強(qiáng)度會隨著堿濃度的增加而呈線性降低，堿濃度的增大還會導(dǎo)致凝膠的硬度、咀嚼性下降，但對其彈性、內(nèi)聚性和回復(fù)性的影響不大，這是由于堿處理后CUR三螺旋解旋為無規(guī)則鏈，酸中和后無法完全復(fù)旋到原有狀態(tài)，即發(fā)生三螺旋損失，這導(dǎo)致了凝膠強(qiáng)度的下降。將堿中和凝膠和用水分散的CUR分別加熱至90 ℃后冷卻，堿中和處理的CUR比分散在水中的CUR基水凝膠有更大的儲能模量（G’）和更小的損耗角正切值（tanδ），即加熱后的堿中和凝膠的固體彈性行為更好，這是由于堿中和處理可減少CUR三螺旋聚集體，增加三螺旋單體的數(shù)量，因此有助于促進(jìn)凝膠內(nèi)分子的連接[48-49]。

1.1.3.2 DMSO/水體系誘導(dǎo)

除了可溶于堿溶液，C U R 還可溶于有機(jī)溶劑DMSO。DMSO/水體系是誘導(dǎo)CUR三螺旋解旋-復(fù)旋的一個重要方式，同時其也可使CUR發(fā)生凝膠化。

在DMSO溶液中CUR的三螺旋會解旋為單鏈，三螺旋剛性鏈變性為柔性鏈，這是由于DMSO可與三螺旋多糖形成相對穩(wěn)定的氫鍵，導(dǎo)致三螺旋氫鍵被破壞，從而發(fā)生三螺旋構(gòu)象的轉(zhuǎn)變[50]。向體系中加入水可使CUR的DMSO溶液發(fā)生凝膠化[12]。隨著水的添加，G’和損耗模量（G”）增大，同時CUR解離的鏈恢復(fù)成三螺旋[51]。對于CUR在DMSO中的凝膠機(jī)理，有研究人員推測除了通過CUR分子疏水作用形成交聯(lián)點(diǎn)之外[12,52]，還涉及DMSO分子間的交聯(lián)締合及其與CUR分子的纏結(jié)，這些作用共同促成了CUR凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的形成[53-54]。DMSO/水體系中水的含量越高，由單螺旋或無規(guī)卷曲復(fù)性的三螺旋含量越高，凝膠的剛性越大，且由疏水作用形成的交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量隨著水含量的增加而增加，使得系統(tǒng)的G’增大[14,55-56]。

此外，高濃度CUR在DMSO中也具有致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而低濃度的CUR鏈?zhǔn)欠抢p結(jié)的，在DMSO中CUR會通過自身的羥基自締合，還可能與DMSO分子橋連締合[53]，DMSO中低于和高于臨界濃度c*時CUR的締合方式如圖2所示。

圖2 DMSO中低于或高于臨界濃度c*時CUR的締合方式示意圖[53]Fig.2 Modes of association of CUR below or above the critical concentration c* in DMSO[53]

1.1.4 凍融與溶劑交換法水凝膠

凍融與溶劑交換技術(shù)是形成物理交聯(lián)CUR基水凝膠的新方法，也是形成性能可調(diào)水凝膠的有效途徑[57-59]。凍融技術(shù)分為凍結(jié)和解凍兩個過程，聚合物溶液在零下溫度（-5～-20 ℃）下凍結(jié)，當(dāng)聚合物濃度因水轉(zhuǎn)化為冰而增加時，聚合物鏈的強(qiáng)制排列為形成分子締合提供了可能，在解凍時交聯(lián)結(jié)構(gòu)保持不變，作為凝膠的連接區(qū)[60-61]。溶劑交換可改善合成聚合物、蛋白質(zhì)和多糖等凝膠體系的機(jī)械性能[62]，首先聚合物分散在可以抑制聚合物之間非共價相互作用的良好溶劑中，以保證聚合物鏈拉伸構(gòu)象并形成均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，然后置換到不良溶劑中，聚合物之間的相互作用得到恢復(fù)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)得到加強(qiáng)，形成機(jī)械性能較好的水凝膠[63]。據(jù)Wu Min等[14]報道，將CUR置于DMSO有機(jī)溶劑中進(jìn)行凍融處理，凍結(jié)過程中DMSO結(jié)晶迫使未凍結(jié)的濃縮相中CUR鏈接觸，并形成氫鍵物理交聯(lián)，解凍后得到的CUR有機(jī)凝膠具有良好的持水能力。將CUR有機(jī)凝膠的溶劑換成水，誘導(dǎo)CUR糖鏈發(fā)生自組裝行為，在DMSO中的無規(guī)則鏈變?yōu)槿菪?，新氫鍵的形成加強(qiáng)了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3）。該方法所制備CUR基水凝膠的tanδ遠(yuǎn)小于有機(jī)凝膠，即該凝膠的固體彈性行為更好。此外，其還具有更高的剪切模量和壓縮性能，會發(fā)生體積的可逆收縮和透明度的改變。通過改變制備條件（如CUR濃度、凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)）可以調(diào)節(jié)凝膠的強(qiáng)度。

圖3 溶劑交換前后CUR凝膠內(nèi)分子構(gòu)象示意圖[14]Fig.3 Schematic diagram of molecular conformation in CUR hydrogels before and after solvent exchange[14]

1.1.5 其他方法制備的水凝膠

Wu Chaoxi等[15]基于CUR與膠原蛋白都是三螺旋聚合物的相似之處，通過對溫度和溶劑的控制，使CUR三螺旋構(gòu)象在發(fā)生解旋-復(fù)旋的基礎(chǔ)上形成了超分子納米網(wǎng)絡(luò)的組裝。該法將CUR粉末溶解在DMSO中并加熱至100 ℃，用同體積的水與CUR-DMSO溶液混合并冷卻形成凝膠，在上述誘導(dǎo)條件下，CUR由在DMSO中的無規(guī)卷曲自組裝為三螺旋鏈并成束構(gòu)成納米纖維，該納米纖維還具有由單螺旋鏈組成的冠（圖4），所形成的凝膠具有高保水能力、高彈性及極高的拉伸強(qiáng)度，且具有應(yīng)力硬化行為，可表現(xiàn)出與皮膚/肌腱組織相似的非線性機(jī)械行為。

圖4 CUR超分子凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型示意圖[15]Fig.4 Schematic diagram of supramolecular gel network structure model of CUR[15]

1.2 化學(xué)交聯(lián)水凝膠

化學(xué)交聯(lián)法通過化學(xué)鍵形成交聯(lián)，促進(jìn)凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。CUR結(jié)構(gòu)富含的羥基容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此一般通過羥基與交聯(lián)劑反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)?；瘜W(xué)交聯(lián)凝膠制備過程為先將CUR置于堿性溶液或DMSO中溶解，此時CUR三螺旋鏈會轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)卷曲，然后對CUR無規(guī)則鏈用化學(xué)試劑進(jìn)行交聯(lián)。不同交聯(lián)劑的使用會影響所得凝膠的凝膠特性。Enomoto-Rogers等[64]向含4% NaOH的CUR溶液中加入乙二醇二縮水甘油醚作為交聯(lián)劑，CUR在堿溶液中解旋為無規(guī)則鏈，CUR的羥基與交聯(lián)劑的環(huán)氧基之間形成醚鍵而交聯(lián)，通過該方式制備的水凝膠柔軟、堅韌，且具有良好的保水性能。Itagaki等[65]將CUR用六亞甲基二異氰酸酯在DMSO中進(jìn)行交聯(lián)，CUR在DMSO中溶解并變?yōu)閱捂?，交?lián)劑通過與CUR的羥基反應(yīng)來連接不同的CUR鏈，得到的化學(xué)交聯(lián)水凝膠對堿性范圍內(nèi)的pH值變化敏感，會隨著pH值的變化發(fā)生體積相變。趙小敏等[66]以二乙烯基砜作為交聯(lián)劑，利用CUR的羥基在堿性條件下去質(zhì)子化后形成的烷氧負(fù)離子與二乙烯基砜反應(yīng)，由此生成自由的砜基基團(tuán)，其再與CUR分子的其他部分發(fā)生反應(yīng)，得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為致密的化學(xué)交聯(lián)凝膠。該研究還發(fā)現(xiàn)較高的堿濃度有利于CUR與交聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，但過高的堿濃度會導(dǎo)致CUR分子降解，所得凝膠力學(xué)性能下降。此外，隨著化學(xué)交聯(lián)程度的增大，水凝膠的孔隙率減小，凝膠的溶脹率也減小[67]。

1.3 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠

傳統(tǒng)水凝膠機(jī)械性能較弱，容易被外力破壞。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過兩種聚合物鏈依次合成，形成特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)，大幅提高了凝膠的韌性[68]。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠根據(jù)雙網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)類型分為全化學(xué)交聯(lián)水凝膠、全物理交聯(lián)水凝膠和物理-化學(xué)交聯(lián)水凝膠。全化學(xué)交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有較好的韌性，第一網(wǎng)絡(luò)由大量短鏈進(jìn)行交聯(lián)，這些短鏈作為犧牲鍵，其斷裂會耗散雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的斷裂能，防止應(yīng)力積累，從而提高水凝膠的力學(xué)性能，第二網(wǎng)絡(luò)通常是具有柔軟和延展性的高分子聚合物，能夠防止水凝膠系統(tǒng)的斷裂[68-69]。由于全化學(xué)交聯(lián)水凝膠交聯(lián)點(diǎn)斷裂的不可逆性，其損傷不可恢復(fù)，在人造肌肉、組織支架等應(yīng)用方面存在局限性，而物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的鍵斷裂后可以重新形成，故可通過物理-化學(xué)交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠解決上述問題[70]。Ye Lina等[17]制備了CUR/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，將CUR粉末分散在含有聚合物交聯(lián)劑的溶液中，通過加熱冷卻形成CUR凝膠網(wǎng)絡(luò)，再用紫外光固化形成聚丙烯酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將CUR三螺旋鏈?zhǔn)杷宦?lián)作為第一網(wǎng)絡(luò)，采用疏水交聯(lián)聚丙烯酰胺作為第二網(wǎng)絡(luò)。該全物理交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)凝膠具有良好的機(jī)械性能，高溫下凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)，且流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其受應(yīng)力破壞后可自恢復(fù)。各種CUR基水凝膠制備方法的優(yōu)點(diǎn)及局限性如表1所示。

表1 各CUR基水凝膠制備方法的優(yōu)點(diǎn)及局限性Table 1 Advantages and limitations of preparation methods for CUR hydrogels

2 基于CUR的復(fù)合水凝膠

CUR單一多糖水凝膠的機(jī)械性能和功能特性有限，而目前各方面的應(yīng)用對于水凝膠產(chǎn)生了多樣化的需求，通過與其他物質(zhì)復(fù)合對凝膠進(jìn)行改性，利用物質(zhì)之間的協(xié)同作用可改善其凝膠特性或賦予其更多的功能。

2.1 與多糖復(fù)合

由于多糖具有生物相容性、安全性，以及由各種多糖的不同結(jié)構(gòu)帶來的性質(zhì)多樣性，CUR與其他多糖復(fù)合能在保證其安全性的前提下改善其凝膠的性能，將CUR與其他多糖共混是復(fù)合凝膠研究的一種趨勢。Li Yucheng等[71]制備了CUR與β-環(huán)糊精復(fù)合的化學(xué)交聯(lián)水凝膠，交聯(lián)劑與CUR和β-環(huán)糊精的羥基發(fā)生反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該水凝膠具有較高的溶脹率和一定的溫度敏感性，β-環(huán)糊精的添加增強(qiáng)了水凝膠的溶脹性能。隨著溫度的升高，該水凝膠三維結(jié)構(gòu)的氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞，且β-環(huán)糊精的疏水效應(yīng)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，復(fù)合水凝膠的溶脹率逐漸減小。Fan Zhiping等[72]將不具備凝膠形成能力但溶解度高的索拉膠和CUR復(fù)合，索拉膠與CUR分子發(fā)生纏結(jié)，所得水凝膠具有優(yōu)異的黏彈性、自恢復(fù)能力和蠕變性能，可作為較好的剪切稀化水凝膠或熱穩(wěn)定水凝膠，由于添加了具有高親水性的索拉膠，該復(fù)合凝膠具有較高的溶脹率[73]。

2.2 與蛋白質(zhì)復(fù)合

蛋白質(zhì)是在食品中廣泛存在的一類重要的營養(yǎng)物質(zhì)，且其在環(huán)境中離子濃度較高或達(dá)到等電點(diǎn)時會形成凝膠狀，因此對食品的口感有重要影響[74]。CUR作為食品添加劑常被添加于食品中，由于CUR與蛋白質(zhì)之間會發(fā)生相互作用進(jìn)而對食品的質(zhì)地產(chǎn)生影響，有研究人員對蛋白質(zhì)與CUR的復(fù)合凝膠進(jìn)行了研究。Li Ming等[75]將CUR熱可逆凝膠和熱不可逆凝膠分別與大豆分離蛋白混合，結(jié)果表明添加CUR熱可逆凝膠的凝膠質(zhì)地和流變行為比添加CUR熱不可逆凝膠更好，因?yàn)镃UR熱可逆凝膠在加熱過程中可以與大豆分離蛋白交織并形成更致密、更均勻的互穿聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)，而CUR熱不可逆凝膠主要以填充物的形式存在。王培森等[76]研究了CUR的添加對肌球蛋白凍融過程中凝膠強(qiáng)度和持水率的影響，結(jié)果表明CUR凝膠增強(qiáng)了肌球蛋白分子之間的氫鍵作用，并與蛋白形成交聯(lián)度高、結(jié)構(gòu)致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使該凝膠在凍融過程中的凝膠強(qiáng)度和持水率均得到提升。

2.3 與其他聚合物復(fù)合

CUR凝膠與具有功能性的聚合物復(fù)合可增加凝膠的功能特性，獲得功能性水凝膠。Zhou Zongbao等[77]將單寧酸和CUR復(fù)合制備了抗菌水凝膠，CUR的單鏈通過氫鍵與單寧酸結(jié)合，發(fā)生物理纏結(jié)。該水凝膠的理化性質(zhì)與單寧酸的添加濃度密切相關(guān)，結(jié)果表明單寧酸與CUR的濃度比為1∶1時凝膠的力學(xué)性能最佳。Tong Xianqin等[78]報道了一種基于CUR的局部給藥智能水凝膠，在CUR基水凝膠的制備過程中加入聚多巴胺使得水凝膠具有光熱響應(yīng)觸發(fā)藥物釋放的效果，該復(fù)合水凝膠具有鹽響應(yīng)行為和較小的體積膨脹效應(yīng)。聚多巴胺會增加聚合物之間的相互作用，并增強(qiáng)CUR糖鏈間三維網(wǎng)絡(luò)的纏結(jié)和交聯(lián)，該水凝膠的理化性質(zhì)（如機(jī)械性能、熱承受能力）可通過聚多巴胺的添加濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 與納米粒子或金屬離子復(fù)合

納米粒子或金屬離子獨(dú)特的功能特性使其成為復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)，與納米粒子或金屬離子復(fù)合是制備功能性水凝膠的一個重要策略。Lin Mengting等[79]在CUR的DMSO溶液中還原銀離子形成納米銀，利用兩步自組裝的策略制備了CUR/納米銀復(fù)合水凝膠，該復(fù)合水凝膠高度柔軟且可拉伸，可支持成纖維細(xì)胞的生長，還有較好的抑菌殺菌作用。銅離子具有較好的抗菌活性，可通過促進(jìn)血管生成以及支持體內(nèi)蛋白的表達(dá)來促進(jìn)傷口愈合[80]。Nurzynska等[81]用離子交換透析法制備了富含銅離子的CUR基水凝膠，該水凝膠具有較好的物理結(jié)構(gòu)、抗菌性能以及一定的水蒸氣透過率，還可向水環(huán)境中釋放大量銅離子。

CUR基復(fù)合水凝膠的凝膠特性總結(jié)見表2。

表2 CUR基復(fù)合水凝膠的凝膠特性Table 2 Gel properties of CUR-based composite hydrogels

3 CUR凝膠的應(yīng)用

3.1 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1.1 改善食品的質(zhì)地

CUR凝膠可用于改善面食、肉類、豆腐等食品的質(zhì)地。研究人員發(fā)現(xiàn)，添加不同特性的凝膠能夠?qū)κ称焚|(zhì)地的改善起到不同的效果。Jiang Shuai等[86]研究了熱可逆凝膠和熱不可逆凝膠對香腸的影響，結(jié)果表明熱可逆凝膠對香腸硬度、咀嚼性和回彈性的改善效果優(yōu)于熱不可逆凝膠，且添加熱可逆凝膠可以保留肉蛋白基質(zhì)中更多的水或脂肪，這是因?yàn)閮煞N凝膠與肉蛋白的作用方式不同，熱可逆凝膠可以與肉類凝膠形成均一的互穿凝膠網(wǎng)絡(luò)；熱不可逆凝膠有較高的熱穩(wěn)定性，以獨(dú)立、不連續(xù)的凝膠形式分布在肉類凝膠基質(zhì)中。此外，CUR凝膠也可改善豆腐的質(zhì)地，添加CUR熱不可逆凝膠可使豆腐具有較好的彈性和咀嚼性，在豆腐面條的制作中CUR可代替木薯淀粉，甚至比添加木薯淀粉使豆腐面條具有更好的質(zhì)地和烹飪品質(zhì)[87]。

3.1.2 食品賦形劑

凝膠特性賦予了CUR可塑的形態(tài)，因此可以將CUR凝膠用作食品賦形劑促進(jìn)食品的成型。CUR凝膠無色無味，因此可根據(jù)需要加工成各種顏色及口味，制作調(diào)味果凍、糖果等[88]。Zhao Yihan等[89]發(fā)現(xiàn)CUR所制備的凝膠有利于凝固型酸奶的生產(chǎn)，這是因?yàn)樵诩庸l件下形成的CUR熱不可逆凝膠在牛奶蛋白網(wǎng)絡(luò)中形成額外的凝膠結(jié)構(gòu)，提高了凝固型酸奶對高剪切應(yīng)力和振蕩變形的抵抗力，增強(qiáng)了酸奶的穩(wěn)定性。

3.1.3 開發(fā)低熱量食品

CUR由于具有凝膠特性及不易被消化酶水解的特點(diǎn)，可用于制備低熱量食品以保證食品的質(zhì)地和口感，且可以降低食品的熱量。由于CUR凝膠的口感可模擬脂肪，因此可用作脂肪替代品。Cui Bing等[90]把CUR與大豆分離蛋白和豆油結(jié)合制備乳液凝膠，在含油率為10%時，乳液凝膠在質(zhì)地和顏色上最接近豬肉背膘，這種乳液凝膠有可能取代豬肉背膘用于減脂肉類食品中。冰淇淋中的脂肪有助于保證冰淇淋的口感和風(fēng)味，CUR的添加及其凝膠的形成不會對冰淇淋的口感產(chǎn)生顯著影響，因此可代替脂肪制作低脂冰淇淋[91]。由于具有耐凍融及無色無味的特點(diǎn)，CUR凝膠可以被加工成任何顏色或口味用以模仿肉類及海鮮的質(zhì)地及其結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于純素肉的生產(chǎn)[88]。在制作油炸甜甜圈的過程中加入CUR后，由于CUR熱凝膠的形成可減少油的吸收，從而控制熱量的攝入[11]。

3.1.4 食品中生物活性物質(zhì)的運(yùn)載/釋放系統(tǒng)

CUR的凝膠三維網(wǎng)絡(luò)可將生物活性物質(zhì)包裹在內(nèi)，以達(dá)到保護(hù)、穩(wěn)定及釋放生物活性物質(zhì)的效果。一些活性物質(zhì)（如疏水性黃酮類化合物川陳皮素）因水溶性差而在食品中的應(yīng)用受到限制，Li Mengchen等[92]將川陳皮素的過飽和溶液與CUR在加熱條件下混合，利用CUR熱凝膠原位控制川陳皮素的結(jié)晶過程，抑制了川陳皮素結(jié)晶的生長，該凝膠體系與純川陳皮素樣品相比大幅提高了川陳皮素的釋放效率，為疏水性生物活性物質(zhì)在食品中的應(yīng)用提供了新途徑。VC常用于食品中，但其在環(huán)境中極不穩(wěn)定[93]，Song等[94]將VC分散在硅油中，然后將所得混合物用CUR基水凝膠包封，制備得到的水凝膠顆粒能使VC在較長時間內(nèi)不被氧化，并可實(shí)現(xiàn)不受環(huán)境pH值影響的穩(wěn)定緩釋效果。

3.2 在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

CUR凝膠的生物相容性使其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域也有極大的應(yīng)用潛力，CUR凝膠可用于藥物控釋系統(tǒng)，其能夠?qū)⑺幬锇獠⑨尫拧limek等[13]利用CaCl2進(jìn)行離子透析，在室溫下進(jìn)行CUR凝膠化，構(gòu)建了蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)，離子透析方法所得凝膠可確保非常高的蛋白質(zhì)包埋效率，可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)4 周的牛血清白蛋白控釋，并能保持其機(jī)械性能。Suflet等[95]為將離子基團(tuán)引入水凝膠，以CUR及其磷酸化衍生物為原料，并用1,4-丁二醇二縮水甘油醚進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，制備了負(fù)載鹽酸四環(huán)素的離子水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)該水凝膠的膨脹受pH值和介質(zhì)離子強(qiáng)度的影響，磷酸化CUR的含量會影響藥物的載藥量和釋放率，這為局部給藥系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)提供了參考。CUR基水凝膠還可用于傷口敷料。Lin Mengting等[79]研究了包含納米銀的CUR基水凝膠，該納米纖維水凝膠具有較好的機(jī)械性能，可以支持成纖維細(xì)胞的附著、擴(kuò)散和生長，并能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，促進(jìn)受感染皮膚的傷口愈合。Michalicha等[96]以聚兒茶酚胺層修飾CUR基水凝膠，并將選定的氧化還原酶固定在水凝膠上，所得水凝膠對成纖維細(xì)胞無毒，并抑制了患者機(jī)體的排異反應(yīng)，是一種有應(yīng)用潛力的生物材料。

4 結(jié) 語

CUR基水凝膠是一種常用且極具應(yīng)用前景的凝膠材料，在食品和生物醫(yī)藥領(lǐng)域中已顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。目前研究多關(guān)注通過調(diào)控CUR三螺旋的解旋-復(fù)旋過程及分子內(nèi)和分子間相互作用，不斷探索新的制備方法，以獲得具有良好機(jī)械性能的凝膠。此外，本文總結(jié)了CUR基復(fù)合凝膠的理化特性及其獨(dú)特的功能性質(zhì)，為CUR基水凝膠的應(yīng)用提供了更多的可能性?，F(xiàn)階段CUR凝膠還存在一些問題，限制了其應(yīng)用發(fā)展，如CUR構(gòu)象復(fù)雜多變，其變化過程尚未得到直觀觀測；對CUR的三螺旋或者單螺旋微觀構(gòu)象進(jìn)行定量分析的方法有待探索；CUR無支鏈且主要官能團(tuán)是羥基，要實(shí)現(xiàn)CUR基水凝膠更多的功能仍需尋找更多簡便、綠色的修飾方法對其進(jìn)行修飾。這些問題的解決將為CUR凝膠的凝膠化機(jī)理的完善、凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計以及凝膠材料功能開拓和性能精準(zhǔn)調(diào)控的實(shí)現(xiàn)提供可能。

水凝膠未來的研究傾向于功能化及智能響應(yīng)，例如利用水凝膠穩(wěn)定和包封活性物質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)水凝膠的光熱響應(yīng)、溫度響應(yīng)以及對活性物質(zhì)的控制釋放等功能，在此過程中會涉及CUR與其他物質(zhì)的相互作用，并會對CUR凝膠的凝膠特性產(chǎn)生一定的影響，因此，在CUR的凝膠理化特性及三螺旋構(gòu)象變化受各類物質(zhì)的影響規(guī)律等方面仍需進(jìn)一步探索。隨著上述問題的解決，CUR基水凝膠將會有更加廣闊的應(yīng)用空間。