三贊膠-乙基纖維素基包膜緩釋肥的制備及特性研究

陸賀港,金 玉,黃海東

(天津農學院 農學與資源環境學院,天津 300392)

緩釋肥的出現,有效降低化學肥料的使用增長速度,降低過量施肥化肥對環境的產生不利影響,并推動現代農業的發展[1-2]。通過包膜的手段使化肥獲得緩釋效果是目前緩釋肥的研究熱點之一,各種包膜材料的發現與改良推動著化肥緩釋技術的發展。目前常用包膜材料包括無機小分子類、生物炭類、合成高分子類及天然多糖類等[3]。其中,天然多糖與其他材料相比,具有綠色、安全及易獲取的特點,受到了研究者的廣泛關注[4]。通常,天然多糖分子中含有的大量羥基,使多糖在對應溶劑形成具有高粘度的溶液,這種高粘度的溶液經過一定的處理后,所形成具孔隙的凝膠型薄膜是控制肥料釋放速度的關鍵[5-6]。因此均勻分布于肥料表面的多糖溶液經過干燥后,可以有效賦予肥料緩釋特性。

乙基纖維素(Ethyl cellulose,EC)為纖維素衍生物的一種。由EC 制備的薄膜結構穩定,并且研究證明EC 對生物及環境無毒害作用[7-8]。據報道[9],將EC 涂覆于肥料表面可以大幅降低肥料的釋放速度,延長肥料的釋放時間。但目前EC價格偏高,單獨包膜時EC使用量大,并且EC所使用的溶劑為乙醇,這種偏高的生產成本會增加EC 包膜肥在農業中的推廣難度,因此本文使用三贊膠對EC緩釋肥進行再次包埋。

三贊膠(Sanxan)為Sphingomonas sanxanigenens產生的一種細菌多糖[10],并且在2020 年已通過國家審批,允許三贊膠作為食品添加劑使用[11],這表明三贊膠的安全性得到認可。三贊膠發酵成本低,并且可以形成孔隙豐富的凝膠薄膜[12-13],但目前,三贊膠在農業領域中并未有直接使用的相關報道,因此三贊膠在農業中可能具有巨大的開發潛力。三贊膠具有較強的親水性,這種水分親和性在進一步降低使用成本的同時,也加快了土壤對三贊膠的侵蝕速度,并且包膜在空氣中會有一定的吸濕性。研究表明,三偏磷酸鈉(Sodium trimetaphosphate,STMP)可以和淀粉或纖維素等多種高分子材料之間形成分子交聯結構,從而可以改變多糖的宏觀性能,如流變學特性和物理性能等[14-15]。本研究嘗試向三贊膠溶液中添加STMP,以期改良三贊膠薄膜的機械性能,提高三贊膠的實際應用效果。

本試驗研究STMP 的添加對三贊膠溶液的流變學影響,以及三贊膠所形成膜材的物性特征。此外,嘗試制備一種由EC 和三贊膠組成的雙層包膜緩釋肥,并通過水浸法與淋溶法測定肥料的緩釋特性,將三贊膠拓展至農業領域中,為包膜緩釋肥的開發提供新材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

食品級三贊膠(河北鑫合生物化工有限公司);三偏磷酸鈉(95%純度)和乙基纖維素(化學純)均購自Shanghai Macklin Biochemcial Co.,Ltd.;農思特硫酸鉀型復合肥(天津市農樂制肥有限公司),18-18-9,總養分≥45%。文中使用土壤取自天津市武清區王慶坨(東經116°91′″07″,北緯39°19′27″),砂質潮土,自然風干,全氮0.59 g/kg,有效磷5.28 mg/kg,速效鉀37.25 mg/kg,有機質10.73 g/kg,p H 為8.13。本試驗用砂為經過3次蒸餾水洗滌-風干的河沙。

1.2 STMP添加比例的確定

1.2.1 粘度特性測定 配制1%三贊膠溶液(W/V,去離子水)與5%STMP溶液(W/V,去離子水),添加比例(V/V,三贊膠/STMP)設置為50∶1、20∶1、10∶1和4∶1,未添加STMP的三贊膠溶液為CK,在30 ℃條件下120 r/min旋轉震蕩1 h后立即進行后續測試。參照Du等[16]測定方法并修正,使用Brookfield R/S Plus旋轉流變儀(Brookfield)CSR 模式測量樣品粘度,旋轉斜坡測量,探頭為CC 40,運行溫度為25℃,120 s內轉速變化為0→200→0,測量點數40,重復3次。

1.2.2 三贊膠薄膜物性測定 參照Llorens-Gámez等[17]使用方法并更改,將三贊膠溶液均勻放置于20 mm×250 mm×2 mm 具釉陶瓷模具中,45 ℃烘干6 h,將烘干后的膜裁成20 mm×400 mm 的條狀,飽和碳酸鉀溶液室溫平衡含水量24 h,以未添加STMP的處理為CK,使用TAXT plus 物性測定儀(英國Stable Micro Systems)測試膜材的拉伸特性,A/TG 探頭,膜單軸拉伸模式,測中速度1.00 mm/s,測試后速度10.00 mm/s,距離100 mm,破裂靈敏度50 g。各處理平行重復9次。計算膜的拉伸強度(TS):

TS=Ft/(H·d)

式中,Ft為膜斷裂時承受的最大拉力(N),H為膜的厚度(mm),d為膜的寬度(mm)。

斷裂延伸率(EAB)的計算公式為:

式中,L為膜斷裂時達到的最大長度(mm),L0為膜的初始長度(mm)。

1.2.3 三贊膠薄膜微觀表征 三贊膠溶液所制備的薄膜切割出斷面,經過噴金處理后,使用Phenom Pro 掃描電子顯微鏡(SEM.Phenom world BV)在加速電壓為10 k V 條件下觀察STMP添加前后三贊膠膜表面與橫截面的微觀特征。

1.3 緩釋肥包膜量的確定

使用旋蒸噴霧法,將5 g化肥顆粒置于RE-2000A 旋轉蒸發儀(上海亞榮)中,噴涂3.5%EC包膜液(W/V,乙醇),設置轉速為30 r/min,待肥料表面濕潤后將其鼓風吹干,EC 包膜肥噴涂比例(W/W)設置為50∶1、20∶1、10∶1和5∶1,以肥芯為CK,參照緩釋肥浸標準方法[18],將得到的樣品置于25 ℃下恒溫水浸,肥水比為1∶50(W/V),然后使用鉬銻抗分光光度法[19]測定EC包膜肥在6 h、12 h和24 h時水浸樣品中的磷含量。將獲取的EC 包膜肥再次進行包膜操作,包膜液為1%且已添加STMP的三贊膠溶液,噴涂比例(W/W)設置為30∶1、25∶1、20∶1 和15∶1,以EC包膜肥為CK,經過水浸培養,測定包膜肥的磷元素釋放。各處理設置3次重復。

1.4 三贊膠-EC包膜肥的釋放特性

1.4.1 靜水釋放測定 將肥料置于25℃環境下恒溫水浸靜置培養,肥水比為1∶50(V/W,去離子水),以未包膜肥為CK,使用Bioprofile 300A多參數生化分析儀(美國NOVA)測定包膜肥水浸初期(24 h)浸提液中的氮(N)、磷(P)和鉀(K)離子含量變化。各處理重復3次。

1.4.2 模擬淋溶釋放測定 參照歐陽祥等[20]研究方法并改動。自制淋溶柱為聚乙烯塑料材質,內徑4 cm,高25 cm,裝置如圖1所示,將各材料按順序裝填,裝填后加20 m L 去離子水潤濕土壤,之后每2 d加水10 m L進行淋溶,共20 d。淋溶處理后將淋溶裝置靜置3 h,然后收集并使用生化分析儀測定淋出液中的N、P 及K 離子含量。共設置3組重復。

圖1 室內模擬淋溶柱裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of indoor soil column immersion test device

1.5 數據處理

利用Excel 2019進行數據整理與計算,采用SPSS 23 進行單因素ANOVA 相關性分析,相關線條圖制作使用Origin 2018,采用Adobe photoshop CC 2019進行相關的繪圖與圖像拼接。

2 結果與分析

2.1 STMP添加比例的確定

2.1.1 STMP的添加對三贊膠溶液粘度的影響

多糖溶液粘度的增加會降低薄膜在環境中的溶解速度,并且可以降低薄膜的通透性[21]。粘度測定結果可以看出(圖2),添加STMP 會提高三贊膠溶液的粘度,當三贊膠與STMP的配比為4∶1時,溶液的粘度增量最大。但STMP 價格偏高,為降低成本考慮,STMP 使用量不宜過大,因此添加量優先考慮10∶1。在10∶1 的添加比例下,與20∶1添加量及CK 相比,三贊膠溶液的粘度增加3.9%和7.5%(20 r/min)。有研究表明,提高多糖溶液粘度會降低其內含物/負載物的釋放率[22],同時,由于三贊膠具有高粘度,當膜材開始溶解時,三贊膠仍可能會持續粘附在肥料表面,這種粘性結構可能會有效抑制營養元素的溶出[23],因此肥料的營養擴散速度可能會進一步降低。

圖2 添加STMP下三贊膠溶液粘度Fig.2 Viscosities of sanxan solution with addition of different STMP

2.1.2 STMP的添加對三贊膠膜物性的影響對三贊膠溶液干燥后所形成的薄膜進行物性分析,可以在一定程度上反映出包膜肥料外殼的機械性能。由圖3可以明顯看出,STMP的添加提高了三贊膠膜的斷裂伸長率,并且在添加比例為10∶1(三贊膠/STMP)時,薄膜的斷裂伸長率達到最大,與CK 相比顯著提高110.8%。添加STMP后,三贊膠膜的拉伸強度呈現先升高后降低的趨勢,并且在添加比例為10∶1達到最低,此時拉伸強度與CK 相比顯著降低32.6%。物性結果表明,STMP的添加比例為10∶1時,三贊膠薄膜的拉伸強度降低,塑性增大[24],提升三贊膠形成的薄膜在肥料表面的附著能力。在肥料制造、運輸及使用過程中,機械碰撞難以避免,因此添加STMP 后的三贊膠薄膜可以降低肥料包膜的脫落率,從而提高肥料實際應用的穩定性。溶液粘度試驗與薄膜物性試驗綜合分析表明,STMP 的適宜添加比例為10∶1。

圖3 添加STMP三贊膠薄膜的物性Fig.3 Physical properties of sanxan film with addition of different STMP

2.2 STMP的添加對三贊膠膜的微觀影響

通過SEM 對薄膜進行微觀表征,可以進一步推斷STMP對三贊膠的影響?？梢钥闯?未添加STMP的三贊膠薄膜表面平整度較低且有顆粒狀凸起(圖4-A);橫截面呈現出較多不均勻的孔隙,膜材橫截面呈現層狀排列(圖4-B)。添加STMP后,膜材表面更加光滑,凸起基本消失(圖4-C);橫截面更加緊湊致密,孔隙變小,平整度明顯增加(圖4-D)。三贊膠薄膜的SEM 圖像表明,添加STMP可以有效降低三贊膠薄膜的孔隙度,因此低孔隙度可以有效降低所包裹肥料的養分擴散速度[25]。

圖4 三贊膠薄膜的SEM 圖像Fig.4 SEM images of sanxan film

2.3 包膜量的確定

由圖5可以看出,隨著噴涂比例增加,包膜肥料的元素浸出率逐漸降低。EC噴涂比例5∶1與10∶1相比,緩釋肥24 h內的平均養分釋放率差異不顯著,因此EC的噴涂比例優先選擇10∶1,即包膜量為10%(W/W)。三贊膠的噴涂比例在15∶1時獲得的緩釋效果最明顯,與20∶1相比平均養分釋放率減少31.9%,為成本考慮不再設置更高的三贊膠噴涂比例,因此三贊膠使用量選擇15∶1,即包膜量為6.7%(W/W)。與單獨使用EC進行肥料包膜相比[9],本研究降低了EC的使用量,且三贊膠的整體使用成本低于EC,因此本研究可以在一定程度上降低包膜肥的推廣難度。

圖5 EC與三贊膠-EC包膜肥的釋放特性Fig.5 Characteristic of fertilizer-coated release with EC(A)and sanxan-EC(B)

2.4 三贊膠-EC包膜肥的初期靜水釋放特性

包膜肥的水浸釋放特性如圖6所示。單獨由EC制備的包膜肥顯著降低了肥料中N 和K 的釋放速度,但對磷的釋放速度無顯著影響。添加三贊膠后,與EC 單獨包膜相比,三贊膠-EC 包膜緩釋肥的N、P 和K 釋放速度分別降低26.0%、58.2%和41.6%,且差異顯著。三贊膠-EC 包膜肥各元素的平均初期靜水釋放率為10.9%,因此符合緩釋肥的初期靜水釋放標準(≤15%)[18]。數據表明,三贊膠的存在進一步降低了EC 包膜肥的初期釋放速度。

圖6 包膜肥初期水浸釋放特性Fig.6 Characteristic of hydrostatic release of fertilizer-coated at initial stage

2.5 三贊膠-EC緩釋肥的模擬淋溶釋放特性

淋溶試驗可以模擬緩釋肥在土壤中的自然釋放[26]。淋溶結果如圖7所示,三贊膠-EC 包膜肥中N、P和K 的淋出速度與單層EC 包膜肥相比明顯降低,在第20天時,三贊膠-EC包膜肥的N、P和K 累計淋出量與單層EC包膜肥相比分別降低35.89%、52.56%和26.29%,與CK 相比分別降低45.72%、72.40%和76.97%。土壤是由生物、水分、植物分泌物及各種氣體組成的復雜環境,肥料在土壤中受到的多因素影響,而淋溶試驗在一定程度上證明三贊膠和EC可以在土壤中長期存在,為肥料提供一定的緩釋效果。因此,三贊膠-EC包膜肥可以有效控制肥料的養分釋放速度。

圖7 包膜肥淋溶釋放特性Fig.7 Characteristic of leaching simulation of fertilizer-coated

3 討論與結論

近年來,包膜緩釋肥的發展十分迅速,而天然多糖在包膜材料中備受關注,其具有綠色可再生、獲取難度低等明顯優點。但天然高分子包膜肥的缺點也同樣突出,研究者普遍認為[1,3],天然多糖在環境中降解速度較快,容易引起肥料突釋,因此天然聚合物包膜肥穩定性較差。盡管目前天然多糖包膜的穩定性與實用性遠低于其他有機或無機聚合物,但許多研究者仍將焦點聚集于天然高分子包膜肥的開發與應用中,這是環境保護的必然性。大力發展天然綠色農業是可持續發展的重要環節,對全球環境治理有著重要意義,可以有效降低人工聚合物包膜崩解于環境中的微塑料含量[27],推進生態農業的發展。隨著對天然多糖包膜肥研究的不斷深入,天然高分子包膜肥的穩定性、緩釋性及控釋性不斷完善,包膜材料及工藝將不斷更新,因此在未來數年內,天然聚合物在包膜緩釋肥的開發中仍會占據有利地位。

微生物多糖與常見的植物多糖相比,其發酵生產速度快,生產過程受環境影響較小,并且生產成本較低[28]。微生物多糖種類繁多,在生產生活中普遍存在,許多微生物具有潛在的利用價值,為各行各業提供必不可少的天然材料,同時也為研究者開發包膜材料提供了便利條件[29]。三贊膠作為微生物多糖中的一種,具有多種優良特性,如成膜性、親水性及生物安全性,這些優良特性為包膜肥的研發提供了理論支撐,但具親水性的材料難免會影響緩釋肥在土壤中的溶解速度,并為肥料帶來一定的吸濕性。使用STMP 對三贊膠進行改良,進一步提高三贊膠在農業中的實用性,保留三贊膠的親水性并降低其溶解速度,同時這種改良材料在食品、醫藥等領域也具有潛在的應用價值。如圖8所示,添加STMP使三贊膠性質發生改變的現象,可能與STMP和三贊膠分子之間形成了交聯結構有關。根據梁凱等[30]研究,STMP加入殼聚糖中后會使STMP 分子打開,并與殼聚糖結合,從而改變了殼聚糖的物理性質。劉亞偉[31]在淀粉與STMP 的相互作用研究中也報道了相似的結果。而三贊膠分子同樣具多羥基,因此可能與STMP之間產生了交聯結構,從而影響了三贊膠性質,增加三贊膠薄膜的彈性及韌性,使其更適合肥料包膜。但是,本研究中并未得到三贊膠與STMP相互作用的直接證據,因此后續應明確三贊膠與STMP的作用機理,并進一步展開交聯后的水分親和性、溶解性及降解性等特性,為三贊膠的實際應用性給出更有力的理論支撐。

圖8 三贊膠與STMP之間可能存在的交聯結構Fig.8 Possible cross-linked structures of sanxan and STMP

目前在國內外也有許多研究者致力于乙基纖維素的開發和利用,并將乙基纖維素應用于食品、醫藥及農業領域中[32]。乙基纖維素親水性差而使用乙醇作為溶劑,在生產中會伴隨著乙醇大量消耗,使乙基纖維素的使用成本居高不下。但乙基纖維素也有諸多優點,對于親水性較強的肥料,如尿素等,可以減緩其潮解速度。而本文乙基纖維素用量較低,且被包裹在內層,這種雙層包膜工藝大幅提高了乙基纖維素包膜肥的穩定性,增強包膜肥在土壤環境中的容錯性,因此在提高包膜肥的實用性,并在一定程度上降低了整體的生產成本。

綜上所述,本試驗將三贊膠引入農用包膜緩釋肥料中,并研究STMP對三贊膠的粘性和物性影響,基于添加STMP 后的三贊膠,結合乙基纖維素,成功制備一種三贊膠-EC雙層包膜緩釋肥。分析表明,STMP可能與三贊膠之間產生了交聯結構,并優化三贊膠的應用性。這種三贊膠-EC雙層包膜緩釋肥可以有效降低肥料的釋放速度,降低生產成本,減少農業化肥用量。因此三贊膠在農業中具有潛在的應用價值,并且經過改性后的三贊膠可能會具有更廣闊的應用空間。