不同稀土離子對海藻酸鈉凝膠特性的影響

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]。其結構特征受其來源藻類的物種、季節、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之一，即海藻酸鈉中Na+可以與多價離子發生離子交換反應[1]，這是其在食品、醫藥、化妝品、生物技術等領域得到廣泛應用的基礎[4]。據調查，我國海藻酸鈉的年產量可達4 萬噸，占世界總產量的63%左右，但僅有20%的海藻酸鈉進行精深加工應用于食品、醫藥等行業。

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新的功能性材料必不可少的原料，被稱作“現代工業的維生素”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，同時還擁有靈活的機械性、良好的化學穩定性以及優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、平衡含水量、離子交換率，分析這四種海藻酸鈉-稀土凝膠的性質差異，同時結合紅外光譜與微觀結構分析，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 質構儀 美國食品技術有限公司；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 上海培因實驗儀器有限公司。

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（規格為25 mL），浸入盛有0.3 mol/L交聯液的大燒杯（規格為500 mL），搖動小燒杯至膠液基本成型，再在交聯液中浸泡至飽和。取出凝膠球，用超純水反復沖洗表面交聯液。

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：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，同時結合紅外光譜中官能團變化情況與微觀結構，分析其內部結構特點。

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構的海藻酸鈉，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，均使用質構儀測定。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。對測試原始數據以逐次漸進法[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，測定交聯完成后各種交聯液中Na+的含量[20]，離子交換率（IER）計算方法如下：

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

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64次，分辨率為4 cm-1，掃描波數范圍400～4000 cm-1。

1.2.8 凝膠微觀結構的測定 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構。

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pH3.0，沸水浴1 h，冷卻后再用NaOH 調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）為內標物，使用核磁共振儀1H-NMR 測定海藻酸鈉樣品的組成結構。

根據Grasdalen 等[22]提出的一組公式，FG+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，FG、 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。參照孫學超[23]的推理過程，計算各結構片段所占比例以及M/G 比值和分布系數（η）。

1.3 數據處理

通過SPSS 統計分析軟件對實驗數據進行單因素統計分析，結果為平均值±標準差，當試驗結果P＜0.05 時，具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同稀土離子對海藻酸鈉凝膠性質的影響

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，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為剛性大、彈性優的一種固形物。

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，發現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形成凝膠，隨后離子穿過表層凝膠，滲透到膠液內部，內部開始交換形成凝膠，凝膠的形成過程是由外向內逐漸形成，在一定時間內，內外凝膠均達到飽和，才呈現內外強度一致。外層凝膠允許稀土離子的向內滲透，證明了海藻酸鈉-稀土凝膠也是一種特殊的網狀結構。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度密切相關，而交聯度直接取決于離子交換量的多少，當凝膠的交聯度增加，網絡結構的交聯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狀結構的強凝膠，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，發現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]指出凝膠的網絡結構越緊密，容納自由水分子的空間相對減少，凝膠含水量降低。根據2.1.1 討論結果來看，結構的緊密性與平衡含水量的大小存在一定的差異。根據Kawarada 等[25]提出離子的水化數會隨電負性的減小而減少，通過查找資料[26]發現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構的影響，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，交聯度增大，形成的強凝膠越多，則宏觀表現為凝膠強度的增大，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形成的網絡結構限制了六元環上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+。首先這一現象由于稀土離子與海藻酸鈉中羧基交聯形成C-OM-O-CO-基團結構，這充分表明海藻酸鈉中羧基與稀土離子形成螯合結構，進而證明海藻酸鈉-稀土凝膠是稀土離子的交聯形成的網狀大分子。根據Hassan[30]提出的該結構的兩種構象，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構，然而僅通過這種結構形成的凝膠機械性較差，脆性大，不太符合2.1.1 中稀土凝膠較優的彈性性質，因此稀土凝膠還存在由分子內結合形成平面幾何結構。這兩種構象使得海藻酸鈉-稀土凝膠是一種結構穩定，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-稀土凝膠的微觀結構 掃面電鏡照片可以直觀反映海藻酸鈉-稀土凝膠的微觀結構。由圖4可知，從表面上來看四種凝膠均表現為無孔、光滑形態，稀土離子進入到海藻酸鈉膠液內部，與鈉離子交換，形成一種不可逆凝膠，表面結構緊密度較高。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-稀土凝膠均表現為網狀結構，稀土離子取代鈉離子與海藻酸殘基形成具有致密網狀結構的強凝膠，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為具有粘彈性的固形物。對比四種凝膠，發現凝膠網絡結構的網孔大小依次為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合，形成更多的交聯點，鏈段縮短，網絡結構越緊密。

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 三種海藻酸鈉的結構測定 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構象連接的單體G 異頭碳質子氫，MM 表示以1C4構象連接的單體M 異頭碳質子氫，GGM 表示單體G 第五個碳上的質子氫兩端分別與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，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 比值的海藻酸鈉結構組成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-稀土凝膠的微觀結構上，表面上均表現為無孔、光滑形態，橫截面均表現為網狀結構；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的結果。

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。