改性海藻酸鈉的研究應用

付琬璐，李娜，王楊松，葛晶，史勝南，朱進軍

改性海藻酸鈉的研究應用

付琬璐，李娜，王楊松，葛晶，史勝南，朱進軍

（沈陽順風新材料有限公司，遼寧 沈陽 110326）

海藻酸鈉作為天然高分子材料具有良好的生物相容性、無毒、阻燃性、生物降解性等優點。介紹了海藻酸鈉的結構和性質，從物理改性和化學改性兩方面概述了近幾年對于海藻酸鈉功能化改性的相關研究，主要包括物理共混方法，接枝、氧化、交聯、酯化、酰胺化等化學方法對海藻酸鈉進行改性，使得改性后的海藻酸鈉具備較好的穩定性和一些其他特殊化學性質，實現海藻酸鈉在食品行業、醫藥衛生行業、日化行業、紡織工業、生物技術、廢水處理等多領域的應用。最后展望了改性海藻酸鈉未來的發展方向和發展前景。

海藻酸鈉； 物理改性； 化學改性； 功能化

海藻酸鈉是從海帶和馬尾藻中提取出來的一種多糖高分子聚合物，為白色或淡黃色粉末。目前，對于海藻酸鈉的提取主要有酸凝-酸化法、鈣凝-酸化法、鈣凝-離子交換法、酶解法、超濾法[1]。海藻酸鈉分子鏈中既有GG、MM片段，也有GM片段，其中在GG片段上可與一些二價金屬陽離子（Ca2+、Fe2+、Cu2+等）進行交聯，形成水凝膠[2]。由于海藻酸鈉的分子結構中存在較多的羥基和羧基，具備功能化改性的條件。本文闡述了海藻酸鈉的性質以及近些年來國內外對于海藻酸鈉改性的研究，將從物理改性和化學改性兩方面展開，并且針對海藻酸鈉改性官能團的不同，又將海藻酸鈉的化學改性分為羥基反應法和羧基反應法，旨在介紹海藻酸鈉這種生物質材料的功能化研究進展，使其能夠在更多領域內能得到廣泛應用。

1 海藻酸鈉性質

1.1 生物相容性

高純度的海藻酸可以存在于生物體內，與生物體有良好的相容性，不會引發炎癥反應，因此海藻酸被廣泛地應用在醫學領域。王銳等[3]人將不同配比的殼聚糖、海藻酸鈉為囊材制備出微膠囊，其具有良好的緩釋作用，可作為藥物載體作用在人的體內和體外。

1.2 阻燃性

海藻酸鈉本身就是一種良好的阻燃物質，這是由于海藻酸鈉在燃燒的過程中發生碳化，并且碳化程度相對較高，當離開火源時，很快熄滅[4]。同時海藻酸鈉分子結構中存在大量羧基和羥基，可吸收空氣中大量水分，能夠降低纖維的表面溫度，達到阻燃效果。另一方面，由于羥基和羧基的存在，當遇見高溫火源時，極易發生酯化反應，酯化反應的發生在一定程度上促進了成炭反應的進行并且伴隨著可燃性氣體的降低，達到阻燃的效果。

1.3 生物降解性

隨著社會的快速發展，對可再生資源的需求日益增加。海藻酸鈉在大自然環境中，能被微生物分解，最終分解產物為水和二氧化碳，進入自然循環，不會產生有害物質，是一種豐富可再生資源。

2 改性海藻酸鈉

2.1 物理共混改性海藻酸鈉

海藻酸鈉的水溶液由于具有良好的電導率，可以將海藻酸鈉運用于靜電紡絲等方面。雷紅娜等[6]海藻酸鈉溶液和聚乙烯醇（PVA）溶液按一定比例共混，共混后的海藻酸鈉/聚乙烯醇溶液可順利進行靜電紡絲。經氯化鈣交聯后，形成的納米纖維膜在抗水解能力、斷裂伸長和斷裂強力都有所提高。李巧慧等[7]也將聚乙烯醇和海藻酸鈉共混，以氯化鈣為交聯劑，制備出聚乙烯醇/海藻酸鈉共混膜，制備出的共混膜耐水性能顯著提升。通過原子力顯微鏡觀察，交聯后共混膜表面粗糙度明顯提升，并且通過掃描電鏡觀察發現，海藻酸鈉和聚乙烯醇之間有相互作用和相容性。He Yongqiang 等[8]將海藻酸鈉和石墨烯氧化物共混，通過濕紡絲方法制備出了海藻酸鈉/石墨烯氧化物纖維。通過性能測試發現該復合纖維的最大拉伸強度和楊氏模量都有巨大提高。

2.2 接枝共聚法改性海藻酸鈉

海藻酸鈉是目前使用最廣泛的包埋材料，易與Ca2+等發生交聯形成微膠囊，但是這種微膠囊的孔隙較大，存在高的生物分子滲漏、低的機械強度等缺陷。劉媛等[9]便基于這種情況制備出聚丙烯酸鈉接枝海藻酸鈉微膠囊(Alg-PAAs)，用來包埋嗜酸乳桿菌。與海藻酸鈉微膠囊相比，Alg-PAAs微膠囊更加規整緊致，機械強度和溶脹效果顯著增強。游柳青等[10]通過化學方法將疏水基團月桂醇與海藻酸鈉接枝共聚形成兩親共聚物，這種兩親聚合物會在水溶液中形成高分子膠束，與溶于無水乙醇的丁香油混合攪拌，真空冷凍干燥，最后形成海藻酸鈉衍生物包埋丁香油的微膠囊。

2.3 氧化法改性海藻酸鈉

Ding等[11]以天然多糖為交聯劑，制備一系列高碘酸鹽氧化海藻酸鈉（OSA），并發現OSA的分子量隨著高碘酸鹽用量的增加而降低。主要原因在于高碘酸鹽具有較高的選擇氧化性，會對海藻酸鈉分子鏈上的仲羥基進行氧化，使得海藻酸鈉分子結構中的多糖單元上的化學鍵廣泛斷裂，導致分子量急劇下降。此外Ding等人還研究了OSA對膠原纖維（CF）的交聯性能，隨著OSA分子量的降低，交聯CF熱穩定性和分散度明顯提高，對于交聯CF性能的改善起決定作用。張坤濤等[12]將氧化后具有二醛結構的海藻酸鈉與天然乳膠發生共價交聯反應，制備出氧化海藻酸鈉/天然乳膠復合膜。氧化后的海藻酸鈉可與天然乳膠中的水溶性蛋白質發生共價交聯作用，使得交聯后的蛋白質水溶性和自由移動能力會大幅降低，使得蛋白質被固定在膠膜內部，起到促硫化、防老化的作用。

2.4 交聯法改性海藻酸鈉

大分子鏈的海藻酸鈉在現實運用過程中由于親水性和力學性能的原因，受到一定程度的制約，通過交聯劑的作用形成網狀結構高分子，可以達到提高性能的目的。海藻酸鈉易與Ca2+、Ba2+、Fe3+等金屬離子交聯，常用的交聯劑有氯化鈣、氯化鋇和戊二醛。陳妮娜等[13]通過共混的方法制備出一種海藻酸鈉-果膠改性復合膜，并用CaCl2、BaCl2、FeCl3、Al2(SO4)3等不同的交聯劑對該復合膜進行交聯改性，對改性后的復合膜進行性能測試，經過Ca2+、Ba2+交聯后的復合膜后使膜的阻濕、阻氧性能及抗拉強度增大，斷裂伸長率略減小，是較為適合的交聯劑。王向陽等[14]使用不同質量濃度的海藻酸鈉、氯化鈣、戊二醛交聯，交聯時間2 h，制備出海藻酸鈣包埋蛋白質凝膠微球。發現了氯化鈣溶液質量濃度的增加會加快蛋白質在凝膠微球中包埋速度，提高包埋率。

2.5 酯化法改性海藻酸鈉

酯化反應主要是一個分子的羥基和另一個分子的羧基，在一定條件下經過脫水縮合，形成酯基的過程。在一定條件下，海藻酸鈉分子鏈上的羧基基團通過催化劑的作用，與含有羥基的醇發生脫水縮合，形成酯基。海藻酸鈉分子鏈存在許多親水性羧基，是一種親水性較強的高分子聚合物，為了提高海藻酸鈉的疏水性，劉若林等[15]通過偶聯酯化反應將疏水性的膽固醇基接枝到海藻酸鈉上，制備了兩親性的改性海藻酸鈉，實現了海藻酸鈉疏水性的改性。Broderickt等[16]以濃硫酸為催化劑，海藻酸鈉和丁醇發生酯化反應合成海藻酸丁酯，經過顆粒細胞在這種衍生物中的存活率測試，與天然海藻酸相比，存活率不變，說明酯化后的海藻酸鈉沒有破壞其原有的性質。

2.6 酰胺化法改性海藻酸鈉

酰胺化反應就是通過羧酸與氨或胺之間相互作用，生成羧酸銨，然后在加熱或其他條件下，脫水得到酰胺。酰胺化法改性海藻酸鈉主要是利用其分子鏈上的羧基與含有氨基的分子相互作用，在催化劑和一定溫度等條件下脫水形成酰胺鍵。Fan 等[17]通過膠原肽與海藻酸鈉進行酰胺化反應制備了膠原肽接枝的海藻酸鈉，此海藻酸鈉衍生物具有很好的生物活性。Chen等[18]將海藻酸鈉與辛胺偶聯，經酰胺化反應合成兩親性海藻酸鹽衍生物，用于開發一種新型疏水藥物載體。Abu-Rabeah等[19]提出，以碳化二亞胺為活化劑，N-(3-氨基丙基)吡咯和藻酸鹽進行水相反應，通過酰胺鍵耦合，制備得到吡咯海藻酸鈉偶聯物，并應用于生物傳感器。

3 結束語

海藻酸鈉作為一種重要的工業原料，在食品、醫藥衛生、紡織制造、廢水處理等多個領域廣泛應用。目前，對于海藻酸鈉實現功能化的方法主要是對海藻酸鈉進行物理、化學改性。物理改性較為簡單，在海藻酸鈉添加強度較高、相容性較好的物質共混改性，物理共混改性海藻酸鈉雖然能提高藻酸鈉的機械性能和穩定性，但是并沒有使得海藻酸鈉的化學結構發生改變，海藻酸鈉較強親水性這方面無法通過物理方法得到較大的改善，只有通過接枝、氧化、交聯、酯化、酰胺化等化學方法使得海藻酸鈉改性后擁有疏水性能，并且還可以引入其他基團，使得改性后的海藻酸鈉擁有其他特殊性質，可多領域應用。未來對于改性海藻酸鈉主要集中在海藻酸鈉分子鏈中化學鍵合方式和引進特殊官能團的研究，使得海藻酸鈉與其他高分子材料協同作用，進一步拓寬海藻酸鈉應用領域。

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Research and Application of Modified Sodium Alginate

（Shenyang Shunfeng New Material Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110326, China）

As a natural polymer material, sodium alginate has the advantages of good biocompatibility, non-toxicity, flame retardant and biodegradability. In this paper, the structure and properties of sodium alginate were introduced. From two aspects of physical modification and chemical modification, the recent studies on functional modification of sodium alginate were summarized,including the physical blending method, chemical modification method of grafting, oxidation, crosslinking,esterification and amidation. Modified sodium alginate has good stability and some other special chemical properties, and can be used in food, medicine and health care industry, daily chemical industry, textile industry, biotechnology industry and so on. Finally, the future development direction and prospect of modified alginate sodium were forecasted.

sodium alginate; physical modification; chemical modification; function

2019-09-24

付琬璐（1991-），女，工程師，遼寧省沈陽市人，主要從事高性能聚合物基納米復合材料、高效環保阻燃劑、功能涂料等方面的研究工作。

P745

A

1004-0935（2020）02-0208-03