不同稀土离子对海藻酸钠凝胶特性的影响

陈春梅，傅 钰，庄晓雯，许加超，高 昕，付晓婷

（中国海洋大学，海藻化学及应用实验室，山东青岛 266003）

式交替排列[1-2]。其结构特征受其来源藻类的物种、季节、地理位置等影响而有所不同[3]。因其具有良好的增稠性、成膜性、高凝胶强度等特点，成为众多研究学者的研究热点。其中凝胶化是海藻酸钠重要性质之一，即海藻酸钠中Na+可以与多价离子发生离子交换反应[1]，这是其在食品、医药、化妆品、生物技术等领域得到广泛应用的基础[4]。据调查，我国海藻酸钠的年产量可达4 万吨，占世界总产量的63%左右，但仅有20%的海藻酸钠进行精深加工应用于食品、医药等行业。

稀土元素具有特殊的光、电、磁等性能，能作为制造多种功能材料的基质和激活剂，目前其研究已扩展至各个领域，稀土元素已成为开发新的功能性材料必不可少的原料，被称作“现代工业的维生素”和神奇的“材料宝库”山[5]。有文献报道了稀土离子与海藻酸钠可以发生配位，制备具有荧光特性、吸附特性的凝胶小球[6-8]或用于特殊用途的纤维[9-10]、薄膜[11-13]等，稀土离子与海藻酸钠形成的配合物不仅拥有稀土离子独特的性质，同时还拥有灵活的机械性、良好的化学稳定性以及优良的机械加工性能等[14]。但目前尚未见有关稀土离子对海藻酸钠凝胶性质影响与机理研究相关报道。

目前海藻酸钠-稀土凝胶研究主要集中于Y3+、Ce3+、La3+、Er3+这四种稀土离子，但都偏向应用型研究，缺乏系统理论性探索。因此本文选用Y3+、Ce3+、La3+、Er3+研究海藻酸钠-稀土凝胶的凝胶特性，弥补理论上的不足。通过研究海藻酸钠稀土凝胶的机械性质、平衡含水量、离子交换率，分析这四种海藻酸钠-稀土凝胶的性质差异，同时结合红外光谱与微观结构分析，进一步探究稀土离子与海藻酸钠形成的凝胶机理；此外探究不同M/G 比值对稀土离子与海藻酸钠凝胶亲和性的影响。本文为海藻酸钠的精深加工与稀土元素的新功能性材料的开发奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻酸钠 青岛海之林生物科技有限公司；氯化钇、氯化铈、氯化镧、氯化铒、钠离子标准溶液、溴化钾（KBr）、重水（D2O）均为分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；3-（甲基硅基）-1-丙磺酸钠（DSS）上海迈瑞尔化学技术有限公司。

JJ-1 精密增力电动搅拌器 国华电器有限公司提供；TMS-Touch 质构仪 美国食品技术有限公司；Nicolect470 傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo Electron 公司； AA-6800 原子吸收分光光度计 岛津公司；JSM-840 扫面电镜 美国AMETEK 公司；JNM-ECP600 核磁共振仪 日本理光公司；DZG-6020 型电热真空干燥箱 上海培因实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 海藻酸钠-稀土凝胶球的制备 将李学锋等[15]的浸泡法改进，制备直径20 mm 的凝胶球。用超纯水配制2.0%海藻酸钠溶液，在60 ℃水浴下搅拌溶解，冷却后真空脱气至无气泡。取10 mL 的海藻酸钠胶液于小烧杯中（规格为25 mL），浸入盛有0.3 mol/L交联液的大烧杯（规格为500 mL），摇动小烧杯至胶液基本成型，再在交联液中浸泡至饱和。取出凝胶球，用超纯水反复冲洗表面交联液。

1.2.2 不同稀土离子对海藻酸钠凝胶特性的影响配制浓度为0.2 mol/L 的氯化钇、氯化铈、氯化镧、氯化铒溶液与浓度为2.0%的M/G≈1 的海藻酸钠胶液按照1.2.1 制成海藻稀土凝胶球，通过测定凝胶性质：凝胶强度、杨氏模量、弹性、平衡含水量、离子交换率，分析其变化趋势与原因，同时结合红外光谱中官能团变化情况与微观结构，分析其内部结构特点。

1.2.3 不同M/G 比值对稀土离子与海藻酸钠的亲和性的影响 通过测定购买来的三组不同结构的海藻酸钠，确定M/G 比值。在此基础上，通过测定凝胶强度与离子交换率，对比不同M/G 比值下Y3+、Ce3+、La3+、Er3+四种稀土离子对海藻酸钠亲和性的大小关系。

1.2.4 机械性能的测定 凝胶的机械性能主要为凝胶强度、杨氏模量与弹性，均使用质构仪测定。凝胶强度与弹性的测定条件[16]：选用40 mm 的圆盘探头，检测速度为30 mm/min，起始力为0.1 N，形变量为40%，程序为TPA。凝胶强度均可以直接得到，弹性可通过：弹性（%）=弹性回程距离（mm）/硬度1 的位移（mm）计算得出。杨氏模量测试条件：选用8 mm的柱型探头，形变量为10%，起始力为0.1 N，检测速度为30 mm/min，程序为应力松弛。对测试原始数据以逐次渐进法[17-18]处理，得到切线L 的b 值。杨氏模量（E）计算方法如下：

式中，b 为切线L 与Y 轴的交点的纵坐标，单位N；e0为测试的形变量。

1.2.5 平衡含水量的测定 选择9.00 g 的胶液交联形成的凝胶球，将洗涤好的凝胶球放到100 mL 超纯水中进行溶胀平衡，按照GB 5009.3-2016 直接干燥法[19]，测定该凝胶球的平衡含水量。凝胶的平衡含水量（EMC）计算方式如下：

式中，m0为干燥的称量瓶重量，单位g；m1称量瓶与湿样品总重量，单位g；m2称量瓶与干燥至恒重的样品总重量，单位g。

1.2.6 离子交换率的测定 考虑涉及多种离子，避免多种标准曲线导致的实验误差，选择以测定交换的Na+离子来衡量各离子交换的含量大小。参考GB/T 5750.6-2006，测定交联完成后各种交联液中Na+的含量[20]，离子交换率（IER）计算方法如下：

式中，ρ0为Na+的初始质量浓度，单位g/L；ρ1为标曲上测定的Na+质量浓度，单位g/L；D 为稀释的倍数。

1.2.7 红外光谱的测定 将600 mPa·s、M/G≈1 的海藻酸钠以及已切碎的各种稀土离子与海藻酸钠形成的凝胶球，-40 ℃预冻，再进行冷冻干燥，将冷冻样再次研磨成粉。称取各样品粉末与KBr 以1:100（mg）的比例再次研磨，均匀混合后，压片以待测试。测试条件：扫面次数64次，分辨率为4 cm-1，扫描波数范围400～4000 cm-1。

1.2.8 凝胶微观结构的测定 将600 mPa·s、M/G≈1的海藻酸钠与各种稀土离子形成的凝胶球切成2 mm左右的薄片，在10 mPa，-55 ℃冷冻干燥后，将凝胶球的表面和横截面进行镀金处理，在20 kV 的加速电压下观察微观结构。

1.2.9 海藻酸钠M/G 比值的测定 参考文献[21]方法，将海藻酸钠样品进行水解，用超纯水配制海藻酸钠溶液，浓度为0.5%（w/w），搅拌至完全溶解。用HCl 调pH3.0，沸水浴1 h，冷却后再用NaOH 调pH 7.0，-40 ℃预冻，再进行冷冻干燥。称取一定量冷冻干燥样溶于重水（D2O）中，浓度为15 mg/mL，以0.5%（w/w）3-（甲基硅基）-1-丙磺酸钠（DSS）为内标物，使用核磁共振仪1H-NMR 测定海藻酸钠样品的组成结构。

根据Grasdalen 等[22]提出的一组公式，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分别为海藻酸钠对应的G、M、GG、GM、MM、MG、 GGG、MGG、GGM、MGM 片段的摩尔分数。参照孙学超[23]的推理过程，计算各结构片段所占比例以及M/G 比值和分布系数（η）。

1.3 数据处理

通过SPSS 统计分析软件对实验数据进行单因素统计分析，结果为平均值±标准差，当试验结果P＜0.05 时，具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同稀土离子对海藻酸钠凝胶性质的影响

2.1.1 海藻酸钠-稀土凝胶的机械性能 随着时间的进行，稀土离子进入海藻酸钠胶液中，与Na+发生交换，形成一种不可逆凝胶。由表1可知，在海藻酸钠M/G≈1，交换程度达到饱和时，四种海藻酸钠-稀土凝胶的机械性能如下：a. 大形变下（40%形变量）各种海藻酸钠-稀土凝胶的凝胶强度在32～41 N 之间，强度大小依次为Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+；b. 小形变下（10%形变量）四种凝胶的杨氏模量在14～20 N 之间，其大小依次为Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+；c. 弹性均在55%～59%之间，弹性性能较优，其大小关系为Ce3+＜Er3+＜Y3+＜La3+。这四种由稀土离子与海藻酸钠形成的凝胶表现为刚性大、弹性优的一种固形物。

表1 不同海藻酸钠-稀土凝胶的机械性能Table 1 Mechanical properties of different seaweed rare earth gels

当交换程度达到饱和时，发现四种凝胶的凝胶强度大小关系与杨氏模量的大小关系保持一致，凝胶强度表现凝胶破裂时表皮的强度，而杨氏模量是在保持凝胶的完整性时少量形变的强度，由此说明海藻酸钠-稀土凝胶的内外强度较为一致。当海藻酸钠与稀土离子接触时，胶液的表层最先与稀土离子交联形成凝胶，随后离子穿过表层凝胶，渗透到胶液内部，内部开始交换形成凝胶，凝胶的形成过程是由外向内逐渐形成，在一定时间内，内外凝胶均达到饱和，才呈现内外强度一致。外层凝胶允许稀土离子的向内渗透，证明了海藻酸钠-稀土凝胶也是一种特殊的网状结构。四种海藻酸钠-稀土凝胶的强度大小为：Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，这可能由于稀土离子与海藻酸钠的交换量有所不同。Ouwerx 等[24]就指出凝胶的强度与其交联度密切相关，而交联度直接取决于离子交换量的多少，当凝胶的交联度增加，网络结构的交联点之间的链段长度缩短，链段活动能力减弱，同时分子间作用力增强，抵抗力增加。四种海藻酸钠-稀土凝胶的弹性均大于50%，稀土离子与海藻酸钠中的羧基形成一种网状结构的强凝胶，同时还有部分未取代的海藻酸钠嵌入其中，使形成的凝胶具有一定的柔韧性。对比凝胶的强度与弹性，发现当凝胶的强度增大时，凝胶的弹性会下降。这是因为链段活动能力的减弱，恢复能力减弱，弹性减小。

2.1.2 海藻酸钠-稀土凝胶的平衡含水量 四种凝胶在溶胀平衡状态下的含水量如图1，海藻酸钠-稀土凝胶平衡含水量均大于93%，由此可认为这四种凝胶是一种高含水量的水凝胶。从图中的显著性差异来看，Y3+、Er3+、Ce3+平衡含水量基本相同，而La3+的平衡含水量相对较低。Ouwerx 等[24]指出凝胶的网络结构越紧密，容纳自由水分子的空间相对减少，凝胶含水量降低。根据2.1.1 讨论结果来看，结构的紧密性与平衡含水量的大小存在一定的差异。根据Kawarada 等[25]提出离子的水化数会随电负性的减小而减少，通过查找资料[26]发现这四种离子的电负性大小为Y3+＞Er3+＞Ce3+＞La3+，基本与凝胶的平衡含水量大小保持一致。因此，可以得出凝胶的平衡含水量不仅受到其结构的影响，还受到离子自身的电负性的作用，且起到主要影响。

图1 不同稀土离子对海藻酸钠-稀土凝胶平衡含水量的影响Fig.1 Equilibrium water content of seaweed rare earth gels

2.1.3 海藻酸钠-稀土凝胶的离子交换率 在交联程度达到饱和时，测定四种稀土离子与海藻酸钠中Na+交换量的大小如图2，其中Ce3+交换率最高，达52.99%，其次是Er3+的50.81%，再者是交换率偏低的Y3+的40.74%和La3+的39.33%。稀土离子取代海藻酸钠中Na+与羧基螯合形成一种不可逆的强凝胶，越多的Na+被取代，交联度增大，形成的强凝胶越多，则宏观表现为凝胶强度的增大，弹性的下降[27]。四种海藻酸钠-稀土凝胶的离子交换率大小关系与2.1.1 中结果一致，验证了影响此四种凝胶的强度与弹性主要因素就是离子交换量。

图2 不同稀土离子对海藻酸钠-稀土凝胶的离子交换率的影响Fig.2 Ion exchange rate of seaweed rare earth gels

2.1.4 海藻酸钠-稀土凝胶的红外光谱 测定的海藻酸钠和四种稀土凝胶的红外光谱如图3，在3400 cm-1左右的吸收峰归属于-OH 的伸缩振动，在2925 cm-1为C-H 伸缩振动吸收峰，1620 cm-1与1400 cm-1处为-COO-反对称与对称伸缩振动吸收峰，在1076 cm-1处为吡喃糖环C-O 伸缩振动吸收峰[27]。四种稀土凝胶的C-H 伸缩振动吸收峰明显减弱，由于GG 片段与稀土离子交联形成的网络结构限制了六元环上CH 键的伸缩振动，使得偶极矩变化较小，而吸收峰较弱[28-29]。在-COO-反对称和对称伸缩振动吸收峰上，相对海藻酸钠，Y3+、La3+这两种凝胶振动强度明显减弱，而Er3+、Ce3+减弱程度较小，尤其Er3+。首先这一现象由于稀土离子与海藻酸钠中羧基交联形成C-OM-O-CO-基团结构，这充分表明海藻酸钠中羧基与稀土离子形成螯合结构，进而证明海藻酸钠-稀土凝胶是稀土离子的交联形成的网状大分子。根据Hassan[30]提出的该结构的两种构象，四种稀土离子全是三价离子，可以通过分子间螯合形成非平面几何结构，然而仅通过这种结构形成的凝胶机械性较差，脆性大，不太符合2.1.1 中稀土凝胶较优的弹性性质，因此稀土凝胶还存在由分子内结合形成平面几何结构。这两种构象使得海藻酸钠-稀土凝胶是一种结构稳定，成胶性能好的凝胶。

图3 海藻酸钠和四种海藻酸钠-稀土凝胶的红外光谱Fig.3 FTIR spectra of sodium alginate and four seaweed rare earth gels

2.1.5 海藻酸钠-稀土凝胶的微观结构 扫面电镜照片可以直观反映海藻酸钠-稀土凝胶的微观结构。由图4可知，从表面上来看四种凝胶均表现为无孔、光滑形态，稀土离子进入到海藻酸钠胶液内部，与钠离子交换，形成一种不可逆凝胶，表面结构紧密度较高。对比四种海藻酸钠-稀土凝胶，表面粗糙度大小依次为La3+＞Y3+＞Er3+＞Ce3+，海藻酸镧凝胶的表面略有裂缝与气泡，海藻酸铈凝胶几乎无气泡与裂缝。从横截面来看，四种海藻酸钠-稀土凝胶均表现为网状结构，稀土离子取代钠离子与海藻酸残基形成具有致密网状结构的强凝胶，同时还存在未取代的海藻酸钠弱凝胶嵌入其中，从而使凝胶在机械性能方面表现为具有粘弹性的固形物。对比四种凝胶，发现凝胶网络结构的网孔大小依次为La3+＞Y3+＞Er3+＞Ce3+，由于更多的稀土离子取代钠离子，与更多海藻酸残基结合，形成更多的交联点，链段缩短，网络结构越紧密。

图4 四种海藻酸钠-稀土凝胶的表面与截面扫描电镜图Fig.4 SEM of surface and cross sections of four seaweed rare earth gels

2.2 M/G 比值对稀土离子与海藻酸钠亲和性的影响

2.2.1 三种海藻酸钠的结构测定 将海藻酸钠降解为小分子片段，得到1H-NMR 谱图，如图5，其中G-1表示以1C4构象连接的单体G 异头碳质子氢，MM 表示以1C4构象连接的单体M 异头碳质子氢，GGM 表示单体G 第五个碳上的质子氢两端分别与G 和M 相连，MGM 表示单体G 第五个碳上的质子氢两端均与M 相连；MG 表示单体M 与单体G 相连，G-5 表示单体G 第五个碳上的质子氢与G 相连。

图5 三种不同M/G 的海藻酸钠的1H-NMR 图Fig.5 1H-NMR of three different M/G sodium alginate

η 是说明海藻酸钠中M 和G 分布情况的特征参数，当0≤η＜1 时，说明海藻酸钠中M 和G 以均聚嵌段为主，主要是MM，GG 片段排列；当η=1 时说明M 和G 处于无规序列；当1＜η≤2 是表示M 和G的排列方式是以交替嵌段为主，主要是MG 片段。由此可见该三种海藻酸钠均是以均聚嵌段为主（表2）。

表2 三种不同M/G 比值的海藻酸钠结构组成Table 2 Structural composition of three different M/G sodium alginate

第一种海藻酸钠（615 mPa·s）其M/G 比值约为2，一种高M 的海藻酸钠，其二聚体MM 片段相对较高，达60.74%，MG 片段相对较低；三聚体GGG 片段相对较高。第二种海藻酸钠（600 mPa·s）其M/G比值约为1，其中二聚体MM、GG 含量基本一致，MG含量相对其他两种海藻酸钠较高。第三种海藻酸钠（66 mPa·s）其M/G 比值远远小于1，是一种高G 的海藻酸钠，其二聚体GG 含量可达80.66%；三聚体GGG 含量也相对较高，占77.86%。

2.2.2 M/G 比值对海藻酸钠-稀土凝胶亲和性的影响从图6 可得到在三种M/G 比值下，四种海藻酸钠-稀土凝胶的强度与离子交换率大小关系均依次为：a.当M/G=1.99＞1，Er3+＞Ce3+＞Y3+＞La3+；b. 当M/G=0.99≈1 时， Ce3+＞Er3+＞Y3+＞ La3+； c.当 M/G=0.19＜1 时，Ce3+＞Er3+＞Y3+＞ La3+。当海藻酸钠中G 片段增加时，Ce3+、Y3+、La3+的凝胶强度随之增加，而Er3+随之下降。而Ce3+、Y3+、La3+的离子交换率也是随G 片段增加而增加，Er3+随之下降。这可能由于Ce3+、Y3+、La3+对海藻酸钠中的G 片段有一定的偏好性，随G片段的增加，使得更多的稀土离子与Na+交换，增加交联度，进而凝胶强度增加；而Er3+反而对M 片段有一定的偏好性，随G 片段增加，相对的M 片段减少，离子交换量较少，导致交联度减小，凝胶强度减弱。

图6 不同M/G 比值下四种海藻酸钠-稀土凝胶的凝胶强度（a）与离子交换率（b）Fig.6 Gel strength （a） and ion exchange rate （b） of four seaweed rare earth gels at different M/G ratios

3 结论

M/G≈1 的海藻酸钠与La3+、Y3+、Er3+、Ce3+形成的海藻酸钠-稀土凝胶的凝胶强度在32～41 N 之间，杨氏模量在14～20 N 之间，弹性在55%～59%之间，平衡含水量约大于93%。四种凝胶的强度为Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，凝胶的内外强度保持一致。弹性为Ce3+＜Er3+＜Y3+＜La3+，离子交换率大小为：Ce3+为52.99%，Er3+为50.81%、Y3+为40.74%、La3+为39.33%。离子交换率越高，凝胶的强度越大，弹性越小。

四种海藻酸钠-稀土凝胶的微观结构上，表面上均表现为无孔、光滑形态，横截面均表现为网状结构；C-H 伸缩振动吸收峰与-COO-反对称和对称伸缩振动吸收峰的减弱，是稀土离子与海藻酸钠交联的结果。

在不同M/G 比值下，四种海藻酸钠-稀土凝胶的强度与离子交换率有所区别，如a. 当M/G=1.99＞1时，大小依次为Er3+＞Ce3+＞Y3+＞La3+；b. 当M/G=0.99≈1、M/G=0.19＜1 时，大小依次为Ce3+＞Er3+＞Y3+＞La3+，其中Ce3+、Y3+、La3+对海藻酸钠中的G 片段有一定的偏好性，随G 片段的增加，稀土离子与海藻酸钠交换的量增加，交联度增大，凝胶强度增大；而Er3+却对M 片段有一定的偏好性，随G 片段增加，相对的M 片段减少，离子交换率、凝胶强度均下降。