陳春梅，傅 鈺，莊曉雯，許加超，高 昕，付曉婷

（中國海洋大學，海藻化學及應用實驗室，山東青島 266003）

式交替排列[1-2]。其結(jié)構(gòu)特征受其來源藻類的物種、季節(jié)、地理位置等影響而有所不同[3]。因其具有良好的增稠性、成膜性、高凝膠強度等特點，成為眾多研究學者的研究熱點。其中凝膠化是海藻酸鈉重要性質(zhì)之一，即海藻酸鈉中Na+可以與多價離子發(fā)生離子交換反應[1]，這是其在食品、醫(yī)藥、化妝品、生物技術(shù)等領域得到廣泛應用的基礎[4]。據(jù)調(diào)查，我國海藻酸鈉的年產(chǎn)量可達4 萬噸，占世界總產(chǎn)量的63%左右，但僅有20%的海藻酸鈉進行精深加工應用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)。

稀土元素具有特殊的光、電、磁等性能，能作為制造多種功能材料的基質(zhì)和激活劑，目前其研究已擴展至各個領域，稀土元素已成為開發(fā)新的功能性材料必不可少的原料，被稱作“現(xiàn)代工業(yè)的維生素”和神奇的“材料寶庫”山[5]。有文獻報道了稀土離子與海藻酸鈉可以發(fā)生配位，制備具有熒光特性、吸附特性的凝膠小球[6-8]或用于特殊用途的纖維[9-10]、薄膜[11-13]等，稀土離子與海藻酸鈉形成的配合物不僅擁有稀土離子獨特的性質(zhì)，同時還擁有靈活的機械性、良好的化學穩(wěn)定性以及優(yōu)良的機械加工性能等[14]。但目前尚未見有關稀土離子對海藻酸鈉凝膠性質(zhì)影響與機理研究相關報道。

目前海藻酸鈉-稀土凝膠研究主要集中于Y3+、Ce3+、La3+、Er3+這四種稀土離子，但都偏向應用型研究，缺乏系統(tǒng)理論性探索。因此本文選用Y3+、Ce3+、La3+、Er3+研究海藻酸鈉-稀土凝膠的凝膠特性，彌補理論上的不足。通過研究海藻酸鈉稀土凝膠的機械性質(zhì)、平衡含水量、離子交換率，分析這四種海藻酸鈉-稀土凝膠的性質(zhì)差異，同時結(jié)合紅外光譜與微觀結(jié)構(gòu)分析，進一步探究稀土離子與海藻酸鈉形成的凝膠機理；此外探究不同M/G 比值對稀土離子與海藻酸鈉凝膠親和性的影響。本文為海藻酸鈉的精深加工與稀土元素的新功能性材料的開發(fā)奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉 青島海之林生物科技有限公司；氯化釔、氯化鈰、氯化鑭、氯化鉺、鈉離子標準溶液、溴化鉀（KBr）、重水（D2O）均為分析純，上海麥克林生化科技有限公司；3-（甲基硅基）-1-丙磺酸鈉（DSS）上海邁瑞爾化學技術(shù)有限公司。

JJ-1 精密增力電動攪拌器 國華電器有限公司提供；TMS-Touch 質(zhì)構(gòu)儀 美國食品技術(shù)有限公司；Nicolect470 傅里葉變換紅外光譜儀 美國Thermo Electron 公司； AA-6800 原子吸收分光光度計 島津公司；JSM-840 掃面電鏡 美國AMETEK 公司；JNM-ECP600 核磁共振儀 日本理光公司；DZG-6020 型電熱真空干燥箱 上海培因?qū)嶒瀮x器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 海藻酸鈉-稀土凝膠球的制備 將李學鋒等[15]的浸泡法改進，制備直徑20 mm 的凝膠球。用超純水配制2.0%海藻酸鈉溶液，在60 ℃水浴下攪拌溶解，冷卻后真空脫氣至無氣泡。取10 mL 的海藻酸鈉膠液于小燒杯中（規(guī)格為25 mL），浸入盛有0.3 mol/L交聯(lián)液的大燒杯（規(guī)格為500 mL），搖動小燒杯至膠液基本成型，再在交聯(lián)液中浸泡至飽和。取出凝膠球，用超純水反復沖洗表面交聯(lián)液。

1.2.2 不同稀土離子對海藻酸鈉凝膠特性的影響配制濃度為0.2 mol/L 的氯化釔、氯化鈰、氯化鑭、氯化鉺溶液與濃度為2.0%的M/G≈1 的海藻酸鈉膠液按照1.2.1 制成海藻稀土凝膠球，通過測定凝膠性質(zhì)：凝膠強度、楊氏模量、彈性、平衡含水量、離子交換率，分析其變化趨勢與原因，同時結(jié)合紅外光譜中官能團變化情況與微觀結(jié)構(gòu)，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點。

1.2.3 不同M/G 比值對稀土離子與海藻酸鈉的親和性的影響 通過測定購買來的三組不同結(jié)構(gòu)的海藻酸鈉，確定M/G 比值。在此基礎上，通過測定凝膠強度與離子交換率，對比不同M/G 比值下Y3+、Ce3+、La3+、Er3+四種稀土離子對海藻酸鈉親和性的大小關系。

1.2.4 機械性能的測定 凝膠的機械性能主要為凝膠強度、楊氏模量與彈性，均使用質(zhì)構(gòu)儀測定。凝膠強度與彈性的測定條件[16]：選用40 mm 的圓盤探頭，檢測速度為30 mm/min，起始力為0.1 N，形變量為40%，程序為TPA。凝膠強度均可以直接得到，彈性可通過：彈性（%）=彈性回程距離（mm）/硬度1 的位移（mm）計算得出。楊氏模量測試條件：選用8 mm的柱型探頭，形變量為10%，起始力為0.1 N，檢測速度為30 mm/min，程序為應力松弛。對測試原始數(shù)據(jù)以逐次漸進法[17-18]處理，得到切線L 的b 值。楊氏模量（E）計算方法如下：

式中，b 為切線L 與Y 軸的交點的縱坐標，單位N；e0為測試的形變量。

1.2.5 平衡含水量的測定 選擇9.00 g 的膠液交聯(lián)形成的凝膠球，將洗滌好的凝膠球放到100 mL 超純水中進行溶脹平衡，按照GB 5009.3-2016 直接干燥法[19]，測定該凝膠球的平衡含水量。凝膠的平衡含水量（EMC）計算方式如下：

式中，m0為干燥的稱量瓶重量，單位g；m1稱量瓶與濕樣品總重量，單位g；m2稱量瓶與干燥至恒重的樣品總重量，單位g。

1.2.6 離子交換率的測定 考慮涉及多種離子，避免多種標準曲線導致的實驗誤差，選擇以測定交換的Na+離子來衡量各離子交換的含量大小。參考GB/T 5750.6-2006，測定交聯(lián)完成后各種交聯(lián)液中Na+的含量[20]，離子交換率（IER）計算方法如下：

式中，ρ0為Na+的初始質(zhì)量濃度，單位g/L；ρ1為標曲上測定的Na+質(zhì)量濃度，單位g/L；D 為稀釋的倍數(shù)。

1.2.7 紅外光譜的測定 將600 mPa·s、M/G≈1 的海藻酸鈉以及已切碎的各種稀土離子與海藻酸鈉形成的凝膠球，-40 ℃預凍，再進行冷凍干燥，將冷凍樣再次研磨成粉。稱取各樣品粉末與KBr 以1:100（mg）的比例再次研磨，均勻混合后，壓片以待測試。測試條件：掃面次數(shù)64次，分辨率為4 cm-1，掃描波數(shù)范圍400～4000 cm-1。

1.2.8 凝膠微觀結(jié)構(gòu)的測定 將600 mPa·s、M/G≈1的海藻酸鈉與各種稀土離子形成的凝膠球切成2 mm左右的薄片，在10 mPa，-55 ℃冷凍干燥后，將凝膠球的表面和橫截面進行鍍金處理，在20 kV 的加速電壓下觀察微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.9 海藻酸鈉M/G 比值的測定 參考文獻[21]方法，將海藻酸鈉樣品進行水解，用超純水配制海藻酸鈉溶液，濃度為0.5%（w/w），攪拌至完全溶解。用HCl 調(diào)pH3.0，沸水浴1 h，冷卻后再用NaOH 調(diào)pH 7.0，-40 ℃預凍，再進行冷凍干燥。稱取一定量冷凍干燥樣溶于重水（D2O）中，濃度為15 mg/mL，以0.5%（w/w）3-（甲基硅基）-1-丙磺酸鈉（DSS）為內(nèi)標物，使用核磁共振儀1H-NMR 測定海藻酸鈉樣品的組成結(jié)構(gòu)。

根據(jù)Grasdalen 等[22]提出的一組公式，F(xiàn)G+FM=1； FGG+FGM=FG； FMM+FMG=FM； FG=FGGG+FMGG+FGGM+FMGM； FMG=FGM=FGGM+FMGM； FMGG=FGGM；M/G=FM/FG；η=FMG/（FG× FM）。其中，F(xiàn)G、 FM、FGG、FGM、FMM、FMG、FGGG、FMGG、FGGM、FMGM分別為海藻酸鈉對應的G、M、GG、GM、MM、MG、 GGG、MGG、GGM、MGM 片段的摩爾分數(shù)。參照孫學超[23]的推理過程，計算各結(jié)構(gòu)片段所占比例以及M/G 比值和分布系數(shù)（η）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素統(tǒng)計分析，結(jié)果為平均值±標準差，當試驗結(jié)果P＜0.05 時，具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稀土離子對海藻酸鈉凝膠性質(zhì)的影響

2.1.1 海藻酸鈉-稀土凝膠的機械性能 隨著時間的進行，稀土離子進入海藻酸鈉膠液中，與Na+發(fā)生交換，形成一種不可逆凝膠。由表1可知，在海藻酸鈉M/G≈1，交換程度達到飽和時，四種海藻酸鈉-稀土凝膠的機械性能如下：a. 大形變下（40%形變量）各種海藻酸鈉-稀土凝膠的凝膠強度在32～41 N 之間，強度大小依次為Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+；b. 小形變下（10%形變量）四種凝膠的楊氏模量在14～20 N 之間，其大小依次為Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+；c. 彈性均在55%～59%之間，彈性性能較優(yōu)，其大小關系為Ce3+＜Er3+＜Y3+＜La3+。這四種由稀土離子與海藻酸鈉形成的凝膠表現(xiàn)為剛性大、彈性優(yōu)的一種固形物。

表1 不同海藻酸鈉-稀土凝膠的機械性能Table 1 Mechanical properties of different seaweed rare earth gels

當交換程度達到飽和時，發(fā)現(xiàn)四種凝膠的凝膠強度大小關系與楊氏模量的大小關系保持一致，凝膠強度表現(xiàn)凝膠破裂時表皮的強度，而楊氏模量是在保持凝膠的完整性時少量形變的強度，由此說明海藻酸鈉-稀土凝膠的內(nèi)外強度較為一致。當海藻酸鈉與稀土離子接觸時，膠液的表層最先與稀土離子交聯(lián)形成凝膠，隨后離子穿過表層凝膠，滲透到膠液內(nèi)部，內(nèi)部開始交換形成凝膠，凝膠的形成過程是由外向內(nèi)逐漸形成，在一定時間內(nèi)，內(nèi)外凝膠均達到飽和，才呈現(xiàn)內(nèi)外強度一致。外層凝膠允許稀土離子的向內(nèi)滲透，證明了海藻酸鈉-稀土凝膠也是一種特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。四種海藻酸鈉-稀土凝膠的強度大小為：Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，這可能由于稀土離子與海藻酸鈉的交換量有所不同。Ouwerx 等[24]就指出凝膠的強度與其交聯(lián)度密切相關，而交聯(lián)度直接取決于離子交換量的多少，當凝膠的交聯(lián)度增加，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點之間的鏈段長度縮短，鏈段活動能力減弱，同時分子間作用力增強，抵抗力增加。四種海藻酸鈉-稀土凝膠的彈性均大于50%，稀土離子與海藻酸鈉中的羧基形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強凝膠，同時還有部分未取代的海藻酸鈉嵌入其中，使形成的凝膠具有一定的柔韌性。對比凝膠的強度與彈性，發(fā)現(xiàn)當凝膠的強度增大時，凝膠的彈性會下降。這是因為鏈段活動能力的減弱，恢復能力減弱，彈性減小。

2.1.2 海藻酸鈉-稀土凝膠的平衡含水量 四種凝膠在溶脹平衡狀態(tài)下的含水量如圖1，海藻酸鈉-稀土凝膠平衡含水量均大于93%，由此可認為這四種凝膠是一種高含水量的水凝膠。從圖中的顯著性差異來看，Y3+、Er3+、Ce3+平衡含水量基本相同，而La3+的平衡含水量相對較低。Ouwerx 等[24]指出凝膠的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越緊密，容納自由水分子的空間相對減少，凝膠含水量降低。根據(jù)2.1.1 討論結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)的緊密性與平衡含水量的大小存在一定的差異。根據(jù)Kawarada 等[25]提出離子的水化數(shù)會隨電負性的減小而減少，通過查找資料[26]發(fā)現(xiàn)這四種離子的電負性大小為Y3+＞Er3+＞Ce3+＞La3+，基本與凝膠的平衡含水量大小保持一致。因此，可以得出凝膠的平衡含水量不僅受到其結(jié)構(gòu)的影響，還受到離子自身的電負性的作用，且起到主要影響。

圖1 不同稀土離子對海藻酸鈉-稀土凝膠平衡含水量的影響Fig.1 Equilibrium water content of seaweed rare earth gels

2.1.3 海藻酸鈉-稀土凝膠的離子交換率 在交聯(lián)程度達到飽和時，測定四種稀土離子與海藻酸鈉中Na+交換量的大小如圖2，其中Ce3+交換率最高，達52.99%，其次是Er3+的50.81%，再者是交換率偏低的Y3+的40.74%和La3+的39.33%。稀土離子取代海藻酸鈉中Na+與羧基螯合形成一種不可逆的強凝膠，越多的Na+被取代，交聯(lián)度增大，形成的強凝膠越多，則宏觀表現(xiàn)為凝膠強度的增大，彈性的下降[27]。四種海藻酸鈉-稀土凝膠的離子交換率大小關系與2.1.1 中結(jié)果一致，驗證了影響此四種凝膠的強度與彈性主要因素就是離子交換量。

圖2 不同稀土離子對海藻酸鈉-稀土凝膠的離子交換率的影響Fig.2 Ion exchange rate of seaweed rare earth gels

2.1.4 海藻酸鈉-稀土凝膠的紅外光譜 測定的海藻酸鈉和四種稀土凝膠的紅外光譜如圖3，在3400 cm-1左右的吸收峰歸屬于-OH 的伸縮振動，在2925 cm-1為C-H 伸縮振動吸收峰，1620 cm-1與1400 cm-1處為-COO-反對稱與對稱伸縮振動吸收峰，在1076 cm-1處為吡喃糖環(huán)C-O 伸縮振動吸收峰[27]。四種稀土凝膠的C-H 伸縮振動吸收峰明顯減弱，由于GG 片段與稀土離子交聯(lián)形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)限制了六元環(huán)上CH 鍵的伸縮振動，使得偶極矩變化較小，而吸收峰較弱[28-29]。在-COO-反對稱和對稱伸縮振動吸收峰上，相對海藻酸鈉，Y3+、La3+這兩種凝膠振動強度明顯減弱，而Er3+、Ce3+減弱程度較小，尤其Er3+。首先這一現(xiàn)象由于稀土離子與海藻酸鈉中羧基交聯(lián)形成C-OM-O-CO-基團結(jié)構(gòu)，這充分表明海藻酸鈉中羧基與稀土離子形成螯合結(jié)構(gòu)，進而證明海藻酸鈉-稀土凝膠是稀土離子的交聯(lián)形成的網(wǎng)狀大分子。根據(jù)Hassan[30]提出的該結(jié)構(gòu)的兩種構(gòu)象，四種稀土離子全是三價離子，可以通過分子間螯合形成非平面幾何結(jié)構(gòu)，然而僅通過這種結(jié)構(gòu)形成的凝膠機械性較差，脆性大，不太符合2.1.1 中稀土凝膠較優(yōu)的彈性性質(zhì)，因此稀土凝膠還存在由分子內(nèi)結(jié)合形成平面幾何結(jié)構(gòu)。這兩種構(gòu)象使得海藻酸鈉-稀土凝膠是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成膠性能好的凝膠。

圖3 海藻酸鈉和四種海藻酸鈉-稀土凝膠的紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of sodium alginate and four seaweed rare earth gels

2.1.5 海藻酸鈉-稀土凝膠的微觀結(jié)構(gòu) 掃面電鏡照片可以直觀反映海藻酸鈉-稀土凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。由圖4可知，從表面上來看四種凝膠均表現(xiàn)為無孔、光滑形態(tài)，稀土離子進入到海藻酸鈉膠液內(nèi)部，與鈉離子交換，形成一種不可逆凝膠，表面結(jié)構(gòu)緊密度較高。對比四種海藻酸鈉-稀土凝膠，表面粗糙度大小依次為La3+＞Y3+＞Er3+＞Ce3+，海藻酸鑭凝膠的表面略有裂縫與氣泡，海藻酸鈰凝膠幾乎無氣泡與裂縫。從橫截面來看，四種海藻酸鈉-稀土凝膠均表現(xiàn)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稀土離子取代鈉離子與海藻酸殘基形成具有致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強凝膠，同時還存在未取代的海藻酸鈉弱凝膠嵌入其中，從而使凝膠在機械性能方面表現(xiàn)為具有粘彈性的固形物。對比四種凝膠，發(fā)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔大小依次為La3+＞Y3+＞Er3+＞Ce3+，由于更多的稀土離子取代鈉離子，與更多海藻酸殘基結(jié)合，形成更多的交聯(lián)點，鏈段縮短，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越緊密。

圖4 四種海藻酸鈉-稀土凝膠的表面與截面掃描電鏡圖Fig.4 SEM of surface and cross sections of four seaweed rare earth gels

2.2 M/G 比值對稀土離子與海藻酸鈉親和性的影響

2.2.1 三種海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)測定 將海藻酸鈉降解為小分子片段，得到1H-NMR 譜圖，如圖5，其中G-1表示以1C4構(gòu)象連接的單體G 異頭碳質(zhì)子氫，MM 表示以1C4構(gòu)象連接的單體M 異頭碳質(zhì)子氫，GGM 表示單體G 第五個碳上的質(zhì)子氫兩端分別與G 和M 相連，MGM 表示單體G 第五個碳上的質(zhì)子氫兩端均與M 相連；MG 表示單體M 與單體G 相連，G-5 表示單體G 第五個碳上的質(zhì)子氫與G 相連。

圖5 三種不同M/G 的海藻酸鈉的1H-NMR 圖Fig.5 1H-NMR of three different M/G sodium alginate

η 是說明海藻酸鈉中M 和G 分布情況的特征參數(shù)，當0≤η＜1 時，說明海藻酸鈉中M 和G 以均聚嵌段為主，主要是MM，GG 片段排列；當η=1 時說明M 和G 處于無規(guī)序列；當1＜η≤2 是表示M 和G的排列方式是以交替嵌段為主，主要是MG 片段。由此可見該三種海藻酸鈉均是以均聚嵌段為主（表2）。

表2 三種不同M/G 比值的海藻酸鈉結(jié)構(gòu)組成Table 2 Structural composition of three different M/G sodium alginate

第一種海藻酸鈉（615 mPa·s）其M/G 比值約為2，一種高M 的海藻酸鈉，其二聚體MM 片段相對較高，達60.74%，MG 片段相對較低；三聚體GGG 片段相對較高。第二種海藻酸鈉（600 mPa·s）其M/G比值約為1，其中二聚體MM、GG 含量基本一致，MG含量相對其他兩種海藻酸鈉較高。第三種海藻酸鈉（66 mPa·s）其M/G 比值遠遠小于1，是一種高G 的海藻酸鈉，其二聚體GG 含量可達80.66%；三聚體GGG 含量也相對較高，占77.86%。

2.2.2 M/G 比值對海藻酸鈉-稀土凝膠親和性的影響從圖6 可得到在三種M/G 比值下，四種海藻酸鈉-稀土凝膠的強度與離子交換率大小關系均依次為：a.當M/G=1.99＞1，Er3+＞Ce3+＞Y3+＞La3+；b. 當M/G=0.99≈1 時， Ce3+＞Er3+＞Y3+＞ La3+； c.當 M/G=0.19＜1 時，Ce3+＞Er3+＞Y3+＞ La3+。當海藻酸鈉中G 片段增加時，Ce3+、Y3+、La3+的凝膠強度隨之增加，而Er3+隨之下降。而Ce3+、Y3+、La3+的離子交換率也是隨G 片段增加而增加，Er3+隨之下降。這可能由于Ce3+、Y3+、La3+對海藻酸鈉中的G 片段有一定的偏好性，隨G片段的增加，使得更多的稀土離子與Na+交換，增加交聯(lián)度，進而凝膠強度增加；而Er3+反而對M 片段有一定的偏好性，隨G 片段增加，相對的M 片段減少，離子交換量較少，導致交聯(lián)度減小，凝膠強度減弱。

圖6 不同M/G 比值下四種海藻酸鈉-稀土凝膠的凝膠強度（a）與離子交換率（b）Fig.6 Gel strength （a） and ion exchange rate （b） of four seaweed rare earth gels at different M/G ratios

3 結(jié)論

M/G≈1 的海藻酸鈉與La3+、Y3+、Er3+、Ce3+形成的海藻酸鈉-稀土凝膠的凝膠強度在32～41 N 之間，楊氏模量在14～20 N 之間，彈性在55%～59%之間，平衡含水量約大于93%。四種凝膠的強度為Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，凝膠的內(nèi)外強度保持一致。彈性為Ce3+＜Er3+＜Y3+＜La3+，離子交換率大小為：Ce3+為52.99%，Er3+為50.81%、Y3+為40.74%、La3+為39.33%。離子交換率越高，凝膠的強度越大，彈性越小。

四種海藻酸鈉-稀土凝膠的微觀結(jié)構(gòu)上，表面上均表現(xiàn)為無孔、光滑形態(tài)，橫截面均表現(xiàn)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；C-H 伸縮振動吸收峰與-COO-反對稱和對稱伸縮振動吸收峰的減弱，是稀土離子與海藻酸鈉交聯(lián)的結(jié)果。

在不同M/G 比值下，四種海藻酸鈉-稀土凝膠的強度與離子交換率有所區(qū)別，如a. 當M/G=1.99＞1時，大小依次為Er3+＞Ce3+＞Y3+＞La3+；b. 當M/G=0.99≈1、M/G=0.19＜1 時，大小依次為Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，其中Ce3+、Y3+、La3+對海藻酸鈉中的G 片段有一定的偏好性，隨G 片段的增加，稀土離子與海藻酸鈉交換的量增加，交聯(lián)度增大，凝膠強度增大；而Er3+卻對M 片段有一定的偏好性，隨G 片段增加，相對的M 片段減少，離子交換率、凝膠強度均下降。