楊曉旭，王 銳，劉美意，李文風(fēng)，馬鳳國

（青島科技大學(xué) 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(huán)境造成污染。海藻酸鈉具有優(yōu)異的成膜特性，結(jié)構(gòu)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(fā)生離子交換,G單元堆積形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而在溫和的條件下快速形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(lián)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域[5~8]。

為了更直觀地研究海藻酸鈉的性質(zhì)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(lián)膜[9]，對薄膜的親水性、厚度、溶脹度等指標(biāo)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(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鈉（NaH2PO4?2H2O），分析純，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；磷酸氫二鈉（Na2HPO4?12H2O），分析純，上海國藥集團化學(xué)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(shè)備

OS40-Pro型數(shù)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(yǎng)箱，山東博科科學(xué)儀器有限公司；HH-8型數(shù)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(fēng)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(xué)儀器有限公司；JC2000D2型接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)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(xué)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(chǎn)業(yè)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(zhì)量的海藻酸鈉固體粉末溶于一定質(zhì)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(jié)塊。攪拌溫度為室溫，攪拌的轉(zhuǎn)速和時間根據(jù)SA濃度的不同而有一定程度的調(diào)整，SA完全溶解時，停止攪拌，制得一定質(zhì)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(xù)攪拌（轉(zhuǎn)速1200r/min；時間30min；溫度為室溫）。然后分別稱取一定質(zhì)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(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)速1200r/min；時間30min）。

（2）外部物理交聯(lián)法制備膜

將（1）中制備好的溶液，倒入培養(yǎng)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(lián)3天。然后繼續(xù)在鼓風(fēng)干燥箱中60℃下烘干，即得海藻酸鈉生物膜（對于未交聯(lián)的海藻酸鈉生物膜，則只需將SA溶液倒入培養(yǎng)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(nèi)部物理交聯(lián)法制備膜

向配制好的SA溶液中加入一定質(zhì)量濃度的CaCl2溶液，由于CaCl2溶液中Ca2+濃度很高，因此，應(yīng)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(lián)均勻。將交聯(lián)均勻的膜倒入培養(yǎng)皿中，用玻璃容器壓平實后放在鼓風(fēng)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(nèi)的圖像如圖1所示。

圖1 水接觸角示意圖及其在目鏡內(nèi)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(lián)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(zhì)量為6.13mg。

2 結(jié)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(jié)合水的失去。大約在90℃時下降速率最快，對應(yīng)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(wěn)定中間產(chǎn)物。在240℃左右時下降速率最快，對應(yīng)曲線上有34.23%的失重。前兩個階段，幾乎失重50%。（3）當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，繼續(xù)發(fā)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(yīng)嚴格控制其烘干溫度，不得高于60℃，否則會破壞SA分子結(jié)構(gòu)。

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(zhì)，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(nèi)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(nèi)變化，差別不大。當(dāng)SA濃度較低時，溶液粘度較小，成膜性好，膜較薄。當(dāng)SA濃度較高時，分子鏈間作用力很大，交聯(lián)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(chǎn)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(zhì)量分數(shù)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(nèi)交聯(lián)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(dāng)采用物理交聯(lián)法制備膜，交聯(lián)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(lián)程度的膜，在水中的溶脹度，有很大變化。當(dāng)CaCl2為2%時，膜的溶脹度在160h內(nèi)一直增加，未達到溶脹平衡；當(dāng)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(dāng)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(wěn)定性不好，達到一定溶脹度后，發(fā)生解離脫落。

2.3.2 薄膜在緩沖液中的溶脹度

當(dāng)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(lián)程度的膜，在緩沖液中的溶脹度，有很大變化，變化規(guī)律也大都不一致。當(dāng)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(wěn)定性不夠好。緩沖液中的Na+，與膜中的Ca2+會發(fā)生離子置換，致使膜發(fā)生解離而脫落；當(dāng)CaCl2為2%時，膜的溶脹度總體呈現(xiàn)直線下降趨勢，穩(wěn)定性很差；當(dāng)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(dāng)CaCl2為5%時，膜的溶脹度幾乎呈現(xiàn)直線式增加，這是因為交聯(lián)劑濃度較高，發(fā)生凝膠化程度高，因此溶脹度較大?？偟膩碚f，當(dāng)CaCl2為3%時，制得的膜在緩沖液中穩(wěn)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(guī)律幾乎一致。甘油為3%和4%的膜，溶脹時間在5~10 h內(nèi)，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(nèi)，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?？偟膩碚f，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(jié)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(dāng)溫度高于60℃時，海藻酸鈉大分子就開始發(fā)生熱分解，因此在烘干膜時溫度應(yīng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)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(nèi)交聯(lián)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(dāng)氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為3%時，膜的溶脹性較好，在短時間內(nèi)即達到溶脹平衡。在緩沖液溶劑中，當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為3%時，膜比較穩(wěn)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。