应用故事 | 可食用水凝胶流变行为研究

可食用水凝胶进入胃后会膨胀，从而使人产生饱腹感，减少零食餐饮摄入。可食用水凝胶由改性纤维素和柠檬酸组成基本结构单位，这种基质能够迅速吸收胃中的水分，并与摄入的食物均匀混合，从而产生数千个小的单个水凝胶块。这些水凝胶块具备食物的弹性或硬度，但没有热量值，能够占据胃和小肠内容物的空间，并引起饱腹感。凝胶块一旦进入大肠就会被酶部分分解，失去三维结构，从而丧失大部分吸收能力。伴随分解而释放的水将被大肠重新吸收，剩余的纤维素材料则被排出到粪便中。

一般来说，水凝胶内部的相互作用是影响凝胶稳定性、药物释放等行为的关键因素之一，而水凝胶内部结构的变化又与材料黏度、模量等流变学性能密切相关。因此，对水凝胶进行流变学研究对新型水凝胶的设计和应用都提供了重要的支持。该产品关注样品储能模量和损耗模量。在测试原研品与仿制品模量后，可明显发现仿制品储能模量明显低于原研品。低储能模量样品在胃中不易稳定存在，胃部蠕动时凝胶颗粒结构易被破坏。根据该结果建议客户适当提高凝胶内部交联度，增加样品模量。吸饱水的凝胶颗粒形状不规则且大小不一，测试时将多颗样品装载在上下转子之间，因此推荐客户使用表面为刻槽转子，可有效避免样品测试时发生滑移。

图1. 溶胀后可食用水凝胶

图1为使用模拟胃液溶胀后水凝胶颗粒，溶胀后过过滤掉多余溶液，直径大约1-5mm且形状不规则，分别使用如图2所示表面光滑转子及刻槽面转子测试水凝胶。

图2. 光滑面转子和刻槽面转子

图3

使用两种转子测试结果如图3所示，常规的表面光滑转子测得模量明显低于刻槽面转子测试结果。因为凝胶颗粒表面含水，上转子与凝胶间有水存在，测试时会发生滑移，也就是说转子往复振荡而样品未发生相应形变，导致光滑转子测试结果与刻槽转子相比偏小。使用刻槽转子，水凝胶颗粒卡在刻槽中，增大样品与转子间摩擦力，防止滑移现象，测试结果更加可靠准确。

图4. 频率扫描测试结果

水凝胶块具备类似食物的弹性和硬度。竞品在角频率10 rad/s下的储存模量（G’）为700 Pa左右，而自研的水凝胶1#的模量为290 Pa，2#的模量为230 Pa显著低于竟品。自研样品模量低说明水凝胶三维结构不稳定，可能会导致水凝胶还未进入肠道，在胃中结构已经破坏，无法达到锁住水分的目的。可以通过增加自研水凝胶内部交联度的方式提高储存模量（G’），从而保证自研水凝胶在肠道中保持结构的稳定性。

作者

范博文

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