海藻酸鈉膜的制備及性能研究

楊曉旭，王 銳，劉美意，李文風，馬鳳國

（青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室/山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東青島 266042）

海藻酸鈉分子由β-D-甘露糖醛酸（M段）和α-L-古洛糖醛酸（G段）按（1→4）鍵連接而成[1]，本身耐水性差，在自然界中能完全降解，不會對環境造成污染。海藻酸鈉具有優異的成膜特性，結構上含有豐富的羧基和羥基[2]，其水溶液在與鈣源接觸時，海藻酸鈉中G單元上的鈉離子與二價陽離子發生離子交換,G單元堆積形成交聯網絡結構，從而在溫和的條件下快速形成三維網絡結構并形成海藻酸鈉膜[3]。生物膜的制備方法簡單、易于操作，尤其是采用物理交聯法制備的膜，無色透明并具有一定的機械強度[4]，因而被廣泛應用于醫學、食品等領域[5~8]。

為了更直觀地研究海藻酸鈉的性質需選用合適的海藻酸鈉膜成膜方式，成膜方法主要有流延成膜以及自組裝成膜，本文采用操作簡單、易于成型的流延成膜法制備了海藻酸鈉物理交聯膜[9]，對薄膜的親水性、厚度、溶脹度等指標進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

海藻酸鈉（SA），青島明月海藻集團有限公司；氯化鈉（NaCl），分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司；磷酸二氫鈉（NaH2PO4?2H2O），分析純，天津市瑞金特化學品有限公司；磷酸氫二鈉（Na2HPO4?12H2O），分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司；無水氯化鈣，分析純，天津市匯杭化工科技有限公司；磷酸二氫鉀，分析純，天津博迪化工股份有限公司；去離子水，青島瑞諾新材料有限公司。

1.2 儀器與設備

OS40-Pro型數顯懸臂式恒速強力電動攪拌機，江陰保利科研器械有限公司；DHP-9088型電熱恒溫培養箱，山東博科科學儀器有限公司；HH-8型數顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；DGG-9070B型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；WT20002CF型電子天平，常州萬泰天平儀器有限公司；FA124型分析天平，上海衡際科學儀器有限公司；JC2000D2型接觸角測量儀，上海中晨數字技術設備有限公司；TENSOR27型傅里葉紅外變換光譜儀，德國BRUKER公司；PHS-25型pH計，上海精密科學儀器有限公司；547-301型螺旋測厚儀，日本三豐株式會社；BK-FD10S型冷凍干燥機，山東博科生物產業有限公司；TGA2型熱重分析儀，梅特勒-托利多常州公司。

1.3 實驗方法及過程

（1）海藻酸鈉溶液的制備

首先稱取一定質量的海藻酸鈉固體粉末溶于一定質量的去離子水中，攪拌下緩慢加入SA，以保證SA在水中分散相對均勻、不易結塊。攪拌溫度為室溫，攪拌的轉速和時間根據SA濃度的不同而有一定程度的調整，SA完全溶解時，停止攪拌，制得一定質量濃度的SA溶液。另外，為了提高生物膜的親水性，向配好的海藻酸鈉水溶液中，加入一定量的甘油后繼續攪拌（轉速1200r/min；時間30min；溫度為室溫）。然后分別稱取一定質量的 NaCl、NaH2PO4?2H2O、Na2HPO4?12H2O三種鹽溶解于一定量的去離子水中，三種鹽的用量應該使溶解后的海藻酸鈉生理平衡液的pH值等于7.4，以滿足用于生物體內的需要。將溶解好的生理平衡液，加入到SA溶液中，攪拌均勻（轉速1200r/min；時間30min）。

（2）外部物理交聯法制備膜

將（1）中制備好的溶液，倒入培養皿中，流延成膜。放入60℃烘箱中，不流動時取出，滴加一定量5%（wt.）濃度的氯化鈣，進行表面物理交聯3天。然后繼續在鼓風干燥箱中60℃下烘干，即得海藻酸鈉生物膜（對于未交聯的海藻酸鈉生物膜，則只需將SA溶液倒入培養皿中，流延成膜，放入60℃烘箱中烘干即可）。將烘干的薄膜揭下，放入樣品袋中保存。

（3）內部物理交聯法制備膜

向配制好的SA溶液中加入一定質量濃度的CaCl2溶液，由于CaCl2溶液中Ca2+濃度很高，因此，應該嚴格控制CaCl2的濃度和用量。采用帶針頭的注射器，邊攪拌邊注射加入，注射需要以一定速度逐滴加入，保證交聯均勻。將交聯均勻的膜倒入培養皿中，用玻璃容器壓平實后放在鼓風干燥箱中于60℃下烘干，即得海藻酸鈉生物膜。將烘干的薄膜揭下，放入樣品袋中保存。

1.4 性能測試和表征

（1）薄膜厚度的測定。采用螺旋測厚儀測試薄膜的厚度，精確到0.01mm。至少測三次，取其平均值。

（2）接觸角的測定。采用JC2000D2型接觸角測試儀對薄膜進行接觸角測試。將薄膜裁成同樣的大小，平貼在載玻片上；以蒸餾水為原料，采用量角法對薄膜的接觸角直接進行測量和計算。接觸角示意圖及在目鏡內的圖像如圖1所示。

圖1 水接觸角示意圖及其在目鏡內的圖像Fig. 1 Schematic diagram of water contact angle and its image in the eyepiece

（3）溶脹度的測定

溶脹度按式（1）計算：

式（1）中：S為溶脹度（或溶脹率），%；M0為降解前薄膜的干重；Mw為降解后取出時吸干表面液體后薄膜的濕重。

本文研究了薄膜在兩種不同溶劑中（去離子水和PBS）的溶脹度。其中，PBS磷酸鹽緩沖液的配制方法：稱取Na2HPO4?12H2O 4.975g、KH2PO40.2245g、NaCl 4.9353g，用去離子水溶解，定容至1000mL，配制成PBS磷酸鹽緩沖液備用。

（4）pH值的測定

采用PHS-25型pH計進行待測溶液pH值的測定。對兩種物理交聯方法制備的膜的降解性進行研究，需要對整個降解周期中PBS磷酸鹽緩沖液的pH值變化進行測試。在降解周期中，每隔一段時間從37℃水浴中取出在室溫下測試緩沖液的pH值。

（5）熱重分析測試

采用TGA2型熱重分析儀進行測試，測溫范圍為30~800 ℃。測試條件為：升溫速率為10℃/min，氮氣氣氛中，氣流流速為60cm3/min，樣品質量為6.13mg。

2 結果與討論

2.1 海藻酸鈉的熱重分析

為了了解海藻酸鈉的熱性能，觀察其熱分解溫度，對后期海藻酸鈉膜的烘干溫度作參考。因此，對冷凍干燥后的純海藻酸鈉樣品進行了熱重分析測試，所得曲線如圖2所示。

圖2 海藻酸鈉的TG曲線圖Fig. 2 TG curve of sodium alginate

從圖2中可以看出，SA降解分為幾個階段：（1）60~150 ℃，此階段主要為SA大分子中結合水的失去。大約在90℃時下降速率最快，對應曲線上有15.92%的失重。（2）220~280 ℃，此階段主要為SA大分子骨架的斷裂，相鄰羥基間脫水，最終大分子鏈斷裂，得到穩定中間產物。在240℃左右時下降速率最快，對應曲線上有34.23%的失重。前兩個階段，幾乎失重50%。（3）當溫度繼續升高時，繼續發生熱降解，先得到SA碳化物，最后得到Na2O。通過以上分析，后期在進行海藻酸鈉膜的烘干時，應嚴格控制其烘干溫度，不得高于60℃，否則會破壞SA分子結構。

2.2 海藻酸鈉濃度對薄膜親水性的影響

純海藻酸鈉膜比較脆，為了提高膜的柔韌性，本實驗中，SA為成膜基質，甘油為增塑劑，制得不同SA濃度的膜。有無甘油的兩組生物膜的厚度，隨SA濃度的變化見表1。

表1 海藻酸鈉生物膜的厚度隨其濃度的變化Table 1 The thickness of sodium alginate biofilm varies with its concentration

從表1可以看出，純海藻酸鈉生物膜體系中，在海藻酸鈉濃度由1%增加至5%（wt.）時，膜的厚度在9.86~9.94 mm范圍內變化，差別不大。對于含甘油4%（wt.）的海藻酸鈉生物膜體系，在海藻酸鈉濃度由1%增加至5%時，膜的厚度在9.85~9.95 mm范圍內變化，差別不大。當SA濃度較低時，溶液粘度較小，成膜性好，膜較薄。當SA濃度較高時，分子鏈間作用力很大，交聯很緊密。溶液粘度較大，不易流延成膜，所制得的膜稍厚。因此，SA濃度為4%左右時獲得的海藻酸鈉膜綜合性能最佳。總的來說，兩種體系所制得的膜的厚度差別不大，可以避免因膜的厚度而產生對接觸角的影響。

對于純海藻酸鈉生物膜和含甘油4%（wt.）兩組生物膜的接觸角隨海藻酸鈉濃度的變化如圖3所示。

圖3 海藻酸鈉濃度對生物膜接觸角的影響Fig. 3 The eff ect of sodium alginate concentration on the contact angle of biof ilm

從圖3可以看出，不管是純海藻酸鈉膜，還是含甘油4%的海藻酸鈉膜體系，兩種體系的生物膜的接觸角都隨SA濃度的增加而下降。親水性好的接觸角小。與此相反，疏水性好的接觸角大。隨著SA濃度的增加，膜的接觸角減小，親水性增加。在海藻酸鈉質量分數相同的情況下，含甘油4%的生物膜的接觸角更小，這證明甘油的加入，可以有效提高生物膜的親水性。這是由于，甘油的加入削弱了大分子間相互作用，鏈段得以更好地重排，膜的柔韌性得到提高。

2.3 溶脹實驗

為了了解內交聯法所制備的膜的吸水性，對其在水和緩沖液兩種溶劑中的溶脹度進行了研究。

2.3.1 薄膜在水中的溶脹度

當采用物理交聯法制備膜，交聯劑氯化鈣濃度不同時，膜在水中的溶脹度隨溶脹時間的變化如圖4所示。

圖4 不同CaCl2濃度對膜水中溶脹度的影響Fig. 4 The effect of different CaCl2 concentration on the swelling degree of gel film in water

從圖4可以看出，幾種不同交聯程度的膜，在水中的溶脹度，有很大變化。當CaCl2為2%時，膜的溶脹度在160h內一直增加，未達到溶脹平衡；當CaCl2為3%時，膜的溶脹度在溶脹6h，達到溶脹平衡，后期溶脹度幾乎沒變；當CaCl2為1%、4%和5%時，膜的溶脹度先增加后減少。在30h時的溶脹度最大，在這之后溶脹度下降。這是因為，膜的穩定性不好，達到一定溶脹度后，發生解離脫落。

2.3.2 薄膜在緩沖液中的溶脹度

當CaCl2濃度不同時，所制得的膜在緩沖液中溶脹度隨溶脹時間的變化如圖5所示。

圖5 不同CaCl2濃度對膜緩沖液中溶脹度的影響Fig. 5 The eff ect of diff erent CaCl2 concentration on membrane swelling in buff er

從圖5可以看出，幾種不同交聯程度的膜，在緩沖液中的溶脹度，有很大變化，變化規律也大都不一致。當CaCl2為1%和4%時，膜的溶脹度先增加后減少，在30h時的溶脹度最大，之后溶脹度下降是因為膜的穩定性不夠好。緩沖液中的Na+，與膜中的Ca2+會發生離子置換，致使膜發生解離而脫落；當CaCl2為2%時，膜的溶脹度總體呈現直線下降趨勢，穩定性很差；當CaCl2為3%時，膜的溶脹度先快速增加后緩慢增加，30h后溶脹度變化很小，趨于平緩，達到溶脹平衡；當CaCl2為5%時，膜的溶脹度幾乎呈現直線式增加，這是因為交聯劑濃度較高，發生凝膠化程度高，因此溶脹度較大。總的來說，當CaCl2為3%時，制得的膜在緩沖液中穩定性較好。

2.3.3 甘油濃度對薄膜溶脹度的影響

為了研究甘油濃度對海藻酸鈉生物膜在緩沖液中的吸水性的影響，對其溶脹度進行了測試。溶脹度隨溶脹時間的變化如圖6所示。

圖6 不同甘油濃度對膜緩沖液中溶脹度的影響Fig. 6 The eff ect of diff erent glycerol concentration on membrane swelling in buff er

從圖6可以看出，含三種不同甘油濃度的膜，在緩沖液中的溶脹度均隨時間的延長而增大，變化規律幾乎一致。甘油為3%和4%的膜，溶脹時間在5~10 h內，其溶脹度增加最快；在10~22 h里，溶脹度增加較少；在22~35 h里，溶脹度變化較小，幾乎達到溶脹平衡。甘油為5%的膜，溶脹時間在5~10 h內，溶脹度增加最快；之后在10~22 h和22~35 h里，溶脹度增加程度一樣，還未達到溶脹平衡。總的來說，三種膜的溶脹度，最大的為甘油用量為4%，且溶脹性能最好。

3 結論

（1）首先對海藻酸鈉進行了熱重分析測試，觀察了其熱分解溫度。通過熱重曲線可知，當溫度高于60℃時，海藻酸鈉大分子就開始發生熱分解，因此在烘干膜時溫度應不高于60℃。之后，通過改變海藻酸鈉的濃度，并對所制得的膜的接觸角進行測試。結果發現海藻酸鈉質量分數為4%時，膜的親水性較好，并且甘油的加入也可有效提高生物膜的親水性。

（2）對內交聯法所制備的膜在水和緩沖液兩種溶劑中的溶脹度進行了研究。在水溶劑中，當氯化鈣質量分數為3%時，膜的溶脹性較好，在短時間內即達到溶脹平衡。在緩沖液溶劑中，當氯化鈣質量分數為3%時，膜比較穩定，溶脹性較好。對于含有不同濃度甘油的膜在緩沖液中的溶脹度，溶脹度最大的為甘油用量為4%，且溶脹性能最好。