孫媛媛，梁春彩，張海龍，劉聚祥

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，保定 071000)

在養(yǎng)雞業(yè)生產(chǎn)中，雛雞從孵化場(chǎng)到飼養(yǎng)場(chǎng)需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸過程，在此期間雛雞不能采食和飲水，這種運(yùn)輸應(yīng)激會(huì)對(duì)它們的健康和生長(zhǎng)性能產(chǎn)生不利的影響[1]。最好的方式就是讓其在運(yùn)輸過程中盡量維持采食和飲水，以保證它們能持續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育。高吸水凝膠含有大量水分，既可以作為儲(chǔ)水材料，也可以作為藥物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的載體，雛雞用水凝膠主要用于運(yùn)輸過程中為雛雞補(bǔ)充水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種加水?dāng)嚢杓从眯透呶z。使用時(shí)可將凝膠撒在運(yùn)輸箱內(nèi)，供雛雞自由采食。

“凝膠”這一稱呼是19世紀(jì)后期由膠體化學(xué)創(chuàng)始人Grahan首次提出，現(xiàn)代的凝膠相關(guān)研究則開始于水凝膠領(lǐng)域中的明膠。水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)，在水中溶脹但不溶解的多孔交聯(lián)聚合物[2]。水凝膠中親水基團(tuán)如-OH、-CONH-、-CONH2和-COOH的存在可以使水分牢牢地吸附在凝膠的三維網(wǎng)狀中，使其有較強(qiáng)的吸水保水性能，吸收大量液體呈凝膠態(tài)，即使在一定的壓力下也不容易失去水分并保持自身形態(tài)[3-5]。水凝膠作為一種新型的載體，因其具有保水性、生物相容性和制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域引起廣泛的關(guān)注[6-7]。

聚丙烯酸鈉高吸水樹脂(sodium polyacrylate super absorbent polymer,SAP)是通過聚合反應(yīng)的方法制成的具有三維網(wǎng)絡(luò)的高分子聚合物，因其具有親水基團(tuán)和多孔結(jié)構(gòu)，可吸收大量水分子而呈凝膠狀，同時(shí)其本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用限制了它的無限膨脹，因其吸水量大、保水性強(qiáng)、安全無毒，在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的用途，成為人類生活和國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的材料，市場(chǎng)前景廣闊[8-10]。麥芽糊精(maltodextrin,MD)是以淀粉或淀粉質(zhì)為原料，經(jīng)酶法低度水解、精制、噴霧干燥制成的不含游離淀粉的淀粉衍生物，是一種介于淀粉和淀粉糖之間的多糖類低轉(zhuǎn)化產(chǎn)品，也是一種營(yíng)養(yǎng)性多糖，可在體內(nèi)降解。麥芽糊精溶解速度快，含有眾多羥基，水溶性好，能提高親水性膠體的分散性能[11-12]。瓜爾豆膠(guar gum,GG)也稱瓜爾膠，是從瓜爾豆的胚乳中分離得到的一種非離子型多糖化合物，價(jià)格低廉，在自然界廣泛存在。瓜爾豆膠分子結(jié)構(gòu)為直線型，主鍵為(1，4)-β-D-甘露糖單元，側(cè)鍵由單個(gè)的α-D-半乳糖以(1，6)鍵與主鍵相連[13]，為天然高分子多糖類親水性膠體，常作為食品添加劑使用，具有食用安全性，在水中也有較好的溶解性，可以賦予水溶液和其他懸浮液較高的黏性，還可與多糖類物質(zhì)發(fā)生凝膠化或協(xié)同增黏作用。本研究將該3種物質(zhì)作為基質(zhì)進(jìn)行水凝膠配方的篩選及優(yōu)化，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)進(jìn)行表征分析，以期為家禽生產(chǎn)提供一種使用便捷、價(jià)格低廉的水凝膠藥物載體。

1 材料與方法

1.1 材料

聚丙烯酸鈉高吸水樹脂(批號(hào)：TK301)購自任丘市泉興化工有限公司；麥芽糊精(批號(hào)：607L021)購自北京索萊寶科技有限公司；瓜爾膠(批號(hào)：J19 N10R103261)購自上海源葉科技生物有限公司。

電子天平(ME204E)購自賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；超純水儀(SMART-P)購自上?？道追治鰞x器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱(GZX-9146MBE)購自上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；冷凍干燥機(jī)(LGJ-18)購自北京松源華興科技發(fā)展有限公司；差示掃描量熱儀(DSC3)購自梅特勒-托利多公司；冷場(chǎng)發(fā)射Regulus8100掃描電子顯微鏡購自Hitachi公司；Alpha紅外光譜儀購自Bruker公司。

1.2 水凝膠制備

分別取一定量的聚丙烯酸鈉高吸水樹脂、瓜爾膠和麥芽糊精，攪拌混勻，在燒杯中加入適量水，用玻璃棒邊攪拌邊加入混合粉末，直至粉末充分吸收水分。

1.3 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)及單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定以聚丙烯酸鈉高吸水樹脂、瓜爾膠、麥芽糊精的添加量為影響因子，以水凝膠的感官評(píng)分為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用Design-Expert 10.0統(tǒng)計(jì)軟件中的Box-Behnken法[14]對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，考察高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠不同組合的感官評(píng)分，從而篩選出最佳組方。試驗(yàn)因素水平和感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1、2。

表1 響應(yīng)面分析因素水平Table 1 Factor level of response surface analysis %

表2 水凝膠感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[15-16]Table 2 Sensory evaluation criteria for hydrogel[15-16]

1.4 表征分析

1.4.1 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 將制備好的樣品先進(jìn)行低溫冷凍，然后放置在冷凍干燥機(jī)中干燥脫水48 h。使用冷場(chǎng)發(fā)射Regulus8100掃描電子顯微鏡對(duì)處理后的溶脹高吸水樹脂和水凝膠樣品進(jìn)行分析，將塊狀樣品粘到導(dǎo)電膠上，噴金后測(cè)試，觀察樣品形貌。

1.4.2 紅外光譜(FTIR)分析 使用Alpha紅外光譜儀對(duì)高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠、物理混合物和冷凍干燥后的水凝膠樣品進(jìn)行分析。準(zhǔn)確稱取樣品1 mg，將樣品與無水溴化鉀(1∶100，W/W)進(jìn)行充分研磨混合，壓縮成薄片后放置在紅外光譜儀上進(jìn)行分析。波數(shù)分辨率為0.1 cm-1，光譜掃描范圍為500～4 000 cm-1。

1.4.3 差示量熱掃描(DSC)分析 使用差示掃描量熱儀對(duì)GG、MD、SAP、物理混合物和冷凍干燥后的水凝膠樣品進(jìn)行分析，將樣品稱取適量后放入坩堝，蓋上坩堝蓋，測(cè)試時(shí)1個(gè)空坩堝作對(duì)照，1個(gè)裝樣品。工作條件：N2流速50 mL/min，溫度25～350 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均平行測(cè)定3次，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用Excel處理，響應(yīng)面試驗(yàn)由Design-Expert 10.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，采用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié) 果

2.1 水凝膠配方的優(yōu)化

2.1.1 模型建立 以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠添加量為影響因素，以水凝膠的感官評(píng)分為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了17組分析試驗(yàn)，感官評(píng)分為67.2～96.1(表3)。根據(jù)Design-Expert 10.0軟件，對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，最終得到以感官評(píng)分(Y)為響應(yīng)值的二次回歸方程：Y=94.88+3.27A+1.70B+1.55C―1.42AB―1.98AC―2.43BC―10.58A2―11.33B2―7.93C2。

表3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of response surface optimization

續(xù)表

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 4 Anova table of response surface test results

2.1.3 響應(yīng)面圖分析 應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的二維等高線圖和三維響應(yīng)面圖，結(jié)果見圖1～3。響應(yīng)面坡度越陡、等高線越接近橢圓且越稀疏，代表兩兩因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著，響應(yīng)值的改變?cè)矫舾小Ｓ蓤D1～3可知，BC的曲面拱形較為陡峭，等高線為橢圓形且相對(duì)稀疏，其次是AC，而AB的曲面拱形不明顯，等高線趨于圓形且相對(duì)密集。說明麥芽糊精和瓜爾膠添加量的交互作用對(duì)感官評(píng)分干擾最大，高吸水樹脂和麥芽糊精添加量的交互作用對(duì)感官評(píng)分的干擾最小。該結(jié)果與表3中的回歸分析結(jié)果相吻合。

2.1.4 優(yōu)化配方與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 根據(jù)軟件分析模型可以得出水凝膠的最佳配方為：4%高吸水樹脂、10%麥芽糊精、1.5%瓜爾膠，余量為水；最佳感官評(píng)分為95.2。在此條件下，平行進(jìn)行3次驗(yàn)證性試驗(yàn)，所得感官評(píng)分分別為94.5、93.8和94.8，平均值94.4。說明該模型可靠，預(yù)測(cè)性良好。

圖1 高吸水樹脂和麥芽糊精對(duì)水凝膠感官評(píng)分的二維等高線圖(A)和三維響應(yīng)面圖(B)Fig.1 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and maltodextrin on sensory score of hydrogel

圖2 高吸水樹脂和瓜爾膠對(duì)水凝膠感官評(píng)分的二維等高線圖(A)和三維響應(yīng)面圖(B)Fig.2 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and guar gum on sensory score of hydrogel

圖3 麥芽糊精和瓜爾膠對(duì)水凝膠感官評(píng)分的二維等高線圖(A)和三維響應(yīng)面圖(B)Fig.3 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of maltodextrin and guar gum on sensory score of hydrogel

2.2 表征分析結(jié)果

2.2.1 水凝膠SEM結(jié)果 溶脹狀態(tài)下的高吸水樹脂和水凝膠的SEM結(jié)果顯示，二者都為多孔狀結(jié)構(gòu)，單獨(dú)的高吸水樹脂(A)呈薄、脆、結(jié)構(gòu)不緊密且易脆碎，水凝膠(B)結(jié)構(gòu)致密、空洞小且硬度較好(圖4)。隨著麥芽糊精和瓜爾膠的加入，它們不僅可以填充高吸水樹脂之間的基質(zhì)空間，使結(jié)構(gòu)變厚，同時(shí)瓜爾膠和麥芽糊精含有大量羥基官能團(tuán)，可以在復(fù)配體系中與樹脂發(fā)生相互作用，形成相對(duì)封閉且緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 溶脹高吸水樹脂(A)和水凝膠(B)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM image of swelling of super absorbent polymer (A) and hydrogel (B)

2.2.2 FTIR分析結(jié)果 通過紅外光譜可以反映出水凝膠內(nèi)部分子的相互作用。紅外光譜結(jié)果見圖5。由圖5可知，高吸水樹脂中，3 437 cm-1屬于-OH伸縮振動(dòng)峰，2 944 cm-1屬于-CH伸縮振動(dòng)吸收峰，1 714 cm-1為-COOH中C=O伸縮振動(dòng)峰，1 571和1 407 cm-1為-COONa中C=O的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，為高吸水樹脂特征峰，510 cm-1屬于Na-O的伸縮振動(dòng)峰。相比于三者各自的紅外光譜圖，物理混合中未見高吸水樹脂特征峰，明顯可見麥芽糊精特征峰，而在凝膠中可以顯示麥芽糊精和高吸水樹脂特征峰，說明在小體積樣品測(cè)試時(shí)，因?yàn)辂溠亢暮看螅呶畼渲卣鞣灞桓采w，而在制備凝膠的過程中，高吸水樹脂吸水膨脹，在體系中占據(jù)較大體積，與麥芽糊精和瓜爾膠能夠較均勻分布。水凝膠的紅外光譜圖未見新的峰出現(xiàn)，即未有新的基團(tuán)產(chǎn)生。水凝膠在3 419 cm-1處有強(qiáng)吸收峰，相比于高吸水樹脂(3 437 cm-1)、麥芽糊精(3 397 cm-1)和瓜爾膠(3 407 cm-1)來說居于三者之間，說明三者發(fā)生相互作用，有可能形成了分子間氫鍵。高吸水樹脂中510 cm-1的Na-O峰在凝膠中消失，1 714 cm-1的峰向低波數(shù)(1 707 cm-1)移動(dòng)，說明在形成凝膠的過程中Na+會(huì)脫離高吸水樹脂結(jié)構(gòu)，從而形成更多的羧基結(jié)構(gòu)。

圖5 水凝膠紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectea of hydrogel

2.2.3 DSC分析結(jié)果 水凝膠及各組分的DSC分析結(jié)果見圖6。由圖6可知，高吸水樹脂在74和331 ℃左右有2個(gè)吸熱峰，麥芽糊精也有2個(gè)吸熱峰，分別在93.9和224 ℃左右，前一個(gè)吸熱峰為失水峰，后一個(gè)吸熱峰為麥芽糊精的熔點(diǎn)；瓜爾膠在84.8 ℃左右有吸熱峰，為瓜爾膠的熔化溫度。物理混合的DSC中大約可判斷為麥芽糊精的DSC峰，與紅外結(jié)果一樣，DSC測(cè)試只取3～5 mg，只能測(cè)試出比例大的物質(zhì)的峰，比例較小的物質(zhì)峰因?yàn)楹刻俦桓采w而未檢測(cè)到。在水凝膠中2個(gè)吸熱峰均向高溫度方向移動(dòng)，且復(fù)配體系的升溫曲線在發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)形成了寬峰，說明三者發(fā)生了相互作用，表現(xiàn)出了更好的熱穩(wěn)定性和相態(tài)穩(wěn)定性。

圖6 水凝膠差示掃描量熱曲線Fig.6 DSC curves of hydrogel

3 討 論

該水凝膠制備方法簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，并且選取的3種基質(zhì)均簡(jiǎn)單易得，價(jià)格便宜，是一種成本低、環(huán)境友好的載體。SAP是近年來興起的一種高分子材料，其吸水倍率高、安全性能好、合成工藝簡(jiǎn)單。瓜爾膠和麥芽糊精水溶性好，在體內(nèi)可降解，對(duì)畜禽無毒無害，在食品中已有較多的應(yīng)用[17-18]，二者的加入可以提高SAP的生物降解性和生物相容性[19]。以此三者混合，加水制得的水凝膠可以在運(yùn)輸過程中給予雛雞水分，同時(shí)還可以作為藥物或營(yíng)養(yǎng)添加劑的載體用于雛雞，是一種較為新型的藥物載體制劑。

3.1 水凝膠處方優(yōu)化

采用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行組方優(yōu)化，成功制備了復(fù)配水凝膠。初篩處方比例時(shí)，遵循用量較少原則，在使用盡量少的基質(zhì)、較多水的前提下選取合適的比例。根據(jù)臨床需求，以均勻度、黏稠度和分散性為感官指標(biāo)，應(yīng)用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，且當(dāng)因素?cái)?shù)和水平設(shè)置相同時(shí)，采取Box-Behhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，相較于中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，試驗(yàn)更為穩(wěn)定可靠?；诖?，3個(gè)因素與響應(yīng)值感官評(píng)分構(gòu)成了可以直觀地反映出兩因素之間的交互作用程度的等高線圖和響應(yīng)面圖。等高線的輪廓是表示2個(gè)因素的交互規(guī)律，等高線越密集的地方表示二者共同作用越顯著。響應(yīng)面的坡度能反映出各個(gè)因素的影響程度，越陡峭則響應(yīng)值對(duì)因素的改變?cè)矫舾衃20-21]。本試驗(yàn)中，隨著三者添加量的增加，感官得分呈先增加后下降的趨勢(shì)，說明這3個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值均有較為明顯的影響，高吸水樹脂影響最大，麥芽糊精次之，瓜爾膠影響最小；且兩兩因素交互作用顯著，麥芽糊精瓜爾膠交互作用影響最大，高吸水樹脂瓜爾膠次之，高吸水樹脂麥芽糊精影響最小。

3.2 水凝膠表征分析

掃描電鏡是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的觀測(cè)方法，可以對(duì)物質(zhì)的微觀形貌進(jìn)行表征[22]。蔡旭冉[23]研究發(fā)現(xiàn)，加入黃原膠可使羧甲基淀粉的結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙更小，排列更加均勻，促進(jìn)了體系三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。閆慧敏等[24]制備了明膠/海藻酸鈉/沙蒿膠復(fù)合水凝膠，通過掃描電鏡觀察顯示，未添加沙蒿膠的結(jié)構(gòu)松散，孔徑較大，加入后有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，且連通性較好，是沙蒿膠大量的羥基形成氫鍵所致，增強(qiáng)了復(fù)合水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。姚雪等[25]制備了魔芋葡甘聚糖和丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠，通過掃描電鏡可以看出魔芋葡甘聚糖有大而散的空洞，二者結(jié)合后則具有細(xì)小均勻的孔，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。本試驗(yàn)中，添加麥芽糊精和瓜爾膠對(duì)高吸水樹脂的結(jié)構(gòu)有填充作用，三者分子間相互纏繞發(fā)生相互作用使結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙更加穩(wěn)定，與上述文獻(xiàn)結(jié)果較為一致。這種結(jié)構(gòu)提供了小分子進(jìn)出的通道，有利于水分子的擴(kuò)散，更重要的是，它可以提高凝膠在載藥過程和藥物釋放過程中的均勻性和穩(wěn)定性，為后續(xù)凝膠載藥提供了一定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

傅里葉紅外光譜可以對(duì)分子的化學(xué)鍵和多糖結(jié)構(gòu)的有機(jī)官能團(tuán)組成和變化進(jìn)行鑒定和分析[26]。劉鵬燕等[27]研究顯示，K-卡拉膠和黃原膠復(fù)合凝膠的O-H伸縮振動(dòng)峰居于二者中間，是因?yàn)?個(gè)卡拉膠分子之間O-H氫鍵弱化而卡拉膠分子與黃原膠分子之間O-H氫鍵增強(qiáng)所致。白長(zhǎng)壯[28]制得了丙烯酰胺表面改性纖維素復(fù)合凝膠并通過紅外光譜發(fā)現(xiàn)，纖維素和聚丙烯酰胺分子鏈之間可能形成了新的分子間氫鍵。本試驗(yàn)結(jié)果與上述研究較為相似，水凝膠光譜峰中未有新的化學(xué)基團(tuán)出現(xiàn)，1 571和1 407 cm-1為樹脂中-COONa的特征峰，這與馬蕊等[29]關(guān)于聚丙烯酸鈉高吸水樹脂的紅外光譜分析結(jié)果一致。900～1 300 cm-1之間的峰為瓜爾膠和麥芽糊精共有的多糖結(jié)構(gòu)特征峰，凝膠的O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰也發(fā)生了偏移，居于三者中間，說明物質(zhì)的分子內(nèi)氫鍵可能減少，形成了分子間氫鍵，并發(fā)生了分子間纏繞，這與掃描電鏡結(jié)果相吻合。

差示量熱掃描可以測(cè)量和對(duì)比樣品和參照物的熱量差，從而反映物質(zhì)吸熱放熱過程，也可以分析化合物的熔點(diǎn)[30]。魏玉等[31]研究結(jié)果顯示，復(fù)配膠體系的差示量熱掃描曲線在發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)形成了寬峰，有別于單體膠的熱學(xué)性質(zhì)，推測(cè)κ-卡拉膠與魔芋膠發(fā)生了一定程度的交互作用。本試驗(yàn)差示量熱掃描結(jié)果顯示，水凝膠的熔點(diǎn)峰向溫度高的方向移動(dòng)并且在100 ℃左右形成了寬峰，這與魏玉等[31]研究結(jié)果相類似，說明本試驗(yàn)的三者也發(fā)生了相互作用，熱穩(wěn)定性增加。

4 結(jié) 論

本研究成功制備了一種使用簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉的加水?dāng)嚢杓从眯退z藥物載體，表征分析結(jié)果表明3種基質(zhì)發(fā)生了相互作用，相對(duì)于高吸水樹脂單體其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密、穩(wěn)定。該凝膠可以用于雛雞長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中的水分補(bǔ)充，也可以在其中加入藥物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為載體使用。本研究為畜禽給藥劑型的開發(fā)和應(yīng)用拓寬了新方向。