海藻酸钠是从褐藻中提取的一种阴离子多糖，是由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)组成的线性聚合物，结构单元以MG、MM及GG的形式排列(Lee et al, 2012; Bai et al, 2019; Guo et al, 2016)。海藻酸钠可与大多数的二价或多价金属离子反应，形成不可逆的稳定凝胶，Ca²⁺是最常见的交联剂，1个Ca²⁺可与海藻酸钠中的2个GG片段形成典型的“蛋盒结构”(叶世著, 2015; Galus et al, 2013)。由于海藻酸钠具有安全无毒、良好的成膜性和生物相容性的优点，被广泛用作膜材料(董峰等, 2019)。单一组分膜通常存在一些理化性能和功能上的缺陷，因此，2种或3种组分构成的复合膜的研究越来越广泛(Zhu et al, 2014)。

浒苔多糖是从浒苔(Ulva prolifera)中提取的一种水溶性多糖，主要由鼠李糖、葡萄糖醛酸、木糖等组成(Yu et al, 2017; 段元慧等, 2014)。浒苔多糖具有抗氧化、抗菌和降血脂等多种生物活性(潘晓慧等, 2019; 孙元芹等, 2013)，可应用于保健食品、药品、化妆品、杀菌剂和动物饲料等行业。

目前，国内外未见海藻酸钠与浒苔多糖成膜性的研究。为探究海藻酸钠与浒苔多糖间的协同作用，提高海藻酸钠膜的性能，本文首次研究了海藻酸钠与浒苔多糖复合膜的制备、力学和阻隔性能测定及微观表征，以期改善纯海藻酸钠膜的综合性能，同时扩大浒苔多糖的应用范围，也为浒苔及其多糖在农业、食品、化妆及药物领域的应用提供理论依据。

海藻酸钠(黏度为500 mPa·s)，青岛海之林生物科技有限公司；浒苔多糖，山东省青岛海兴源生物科技有限公司；丙三醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；CaCl₂，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

数显恒温水浴锅(HH-2)，常州国华电器公司；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9090A)，上海精宏实验设备公司；电热真空干燥箱(DZG-6020)，上海培因实验仪器公司；测厚规(10JEWELS)，威海裕福量具有限公司；质构仪(TMS-PRO)，美国食品技术公司；扫描电子显微镜(JSM-840)，日本东京电子公司；X射线晶体衍射仪(D8 Advance X)，德国Bruker公司；傅里叶红外变换光谱(Nicolet iN10)，美国Nicolet公司。

将一定量的海藻酸钠溶解于蒸馏水中，60℃水浴搅拌1 h，得到海藻酸钠溶液，然后按照一定比例添加浒苔多糖和甘油，继续搅拌至完全溶解。真空脱气1 h，将配制好的胶液倾倒在15 cm×15 cm亚克力板上。然后将干燥好的膜浸泡于质量分数为2% CaCl₂溶液(w/v)中进行交联，交联结束后，使用蒸馏水冲洗交联膜。再自然晾干，将制备的海藻酸钠/浒苔多糖复合膜置于相对湿度为50%的干燥器中调试平衡3 d，以备后续性能测定使用。

SEM分析：利用液氮冷冻处理使膜自然断裂，并将膜的表面和断面进行镀金处理，在20 kV加速电压下，使用扫描电子显微镜进行微观结构观察。

FTIR分析：将复合膜充分干燥，剪碎后研磨，溴化钾压片制样，取适量样品测试。测试条件：扫描波数范围为400~4000 cm^-1，扫描次数为16次，分辨率为4 cm^-1。

厚度的测定：使用精密度为0.001 mm的测厚规测量海藻酸钠/浒苔多糖复合膜的厚度。每个组分选择3张膜进行测量，随机在每张膜上选取10个点，并分别计算平均值。

力学性能的测定：本研究对复合膜力学性能的测量包括拉伸强度和断裂伸长率。参考ASTM Method D882标准并稍作修改(ASTM, 2012)。将膜裁成50 mm×15 mm的条形，设定起始夹距为30 mm，拉伸速率为60 mm/min，在TMS-Pro质构仪上进行测定，每组样品测量10条，最终结果取其平均值。

拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EB)计算公式如下：

式中，F_max表示样品断裂所需的最大力(N)；A表示膜的横截面积(膜厚度×膜宽度)(m²)。

式中，L表示样品断裂时的伸长量(m)；L₀表示样品的初始长度(m)。

水蒸气透过率的测定：参照Han等(2016)的方法，并稍作修改。将膜裁成直径为8 cm的圆，称取25 g CaCl₂(使用前120℃烘干至恒重)置于3 cm×5 cm的恒重称量瓶中(相对湿度为0%)，将膜紧紧密封于称量瓶顶部，将其放置于装有定量蒸馏水的干燥器(相对湿度为100%)中，温度保持在25℃。12 h内每2 h测量一次称量瓶的质量，每个组3次平行，并计算其平均值。计算公式如下：

式中，Δm为测量前后称量瓶质量增量(g)；D为样品厚度(m)；A为测试杯口的面积(m²)；T为测量间隔时间(h)；Δp为膜两侧的水蒸气压力差(Pa)。

水溶性的测定：参照Norajit(2010)的方法，稍作修改。将膜裁成3 cm×3 cm的方形样品，放入105℃烘箱中24 h，称重m₀。然后将干燥好的膜浸入装有50 ml蒸馏水的锥形瓶中，25℃浸泡24 h，取出膜后再次放入105℃烘箱中，烘至恒重，称重m₁。每个组分取3个试样测定，计算其平均值。计算公式如下：

所有数据采用平均值±标准差(Mean±SD)形式表示，利用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行统计分析，通过SPSS软件进行Ducan分析，所有实验至少重复3次。

如图 1所示，纯海藻酸钠膜的表面平整光滑，均匀分布密密麻麻的小突起，这可能由海藻酸钠与Ca²⁺交联引起(Xu et al, 2003)。然而，随着浒苔多糖含量的增加，复合膜电镜图呈现出不同的形态。与纯海藻酸钠膜相比，多糖质量比为9∶1、8∶2、7∶3的复合膜的表面更为光滑，断面规则分布着一些条状结构，网络结构更加致密紧实，这可能有利于提高复合膜的性能。但质量比为6∶4和5∶5的复合膜形貌稍变粗糙并有杂质，断面结构不均匀，不致密，但均没有观察到相分离的现象。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同质量比的膜表面(左)及断面(右)微观结构 Fig.1 Microstructure of surface (left) and cross-section (right) of film with different component ratio

通过傅里叶红外光谱可分析纯海藻酸钠膜、海藻酸钠/浒苔多糖复合膜的组成以及多糖分子间作用力。如图 2所示，海藻酸钠膜在3362、1598、1420和1031 cm^-1处有特征峰。其中，3362 cm^-1处为—OH的伸缩振动吸收峰，1598和1420 cm^-1 2处的吸收峰分别对应—COOH的反对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰，1031 cm^-1处为糖苷键吸收峰(Zhang et al, 2017; 陈妮娜等, 2018)。海藻酸钠/浒苔多糖复合膜与纯海藻酸钠膜的红外光谱基本类似，主要差异是羟基基团的拉伸振动峰向较低的波长发生偏移。

图 1(Fig. 1)

图 2 海藻酸钠膜及海藻酸钠/浒苔多糖复合膜的红外光谱 Fig.2 FTIR spectra of SA films and SA/EP composite films

如图 3所示，随着浒苔多糖含量的增加，膜拉伸强度从99.22 MPa增加到108.41 MPa，然后下降到68.25 MPa，断裂伸长率也呈现类似的趋势。与纯海藻酸钠膜相比，海藻酸钠/浒苔多糖质量比为9∶1和8∶2的复合膜具有更佳的力学性能。这与扫描电镜观察到的结果相符合。复合膜的最佳多糖质量比为8∶2。如表 1所示，随着2种多糖比例的下降，复合膜厚度和水蒸气透过率显著下降(P < 0.05)，水溶性逐渐升高。

图 1(Fig. 1)

图 3 海藻酸钠/浒苔多糖质量比对复合膜力学性能的影响 Fig.3 Effects of component ratio of SA/EP on the mechanical properties of composite films 不同上标字母表示在统计上有显著差异(P < 0.05)。下同 Different superscript letters denote statistically significant differences (P < 0.05). The same as below

表 1(Tab.1)

表 1 海藻酸钠/浒苔多糖质量比对复合膜物理性能的影响 Tab.1 Effects of component ratio on the physical properties of composite films 海藻酸钠/浒苔多糖质量比 Component mass ratio (SA∶EP) 厚度 Thickness/ mm 水蒸气透过率 Water vapor permeation/ [×10-11 g/(m·s·Pa)] 水溶性 Water solubility/ % 10∶0 0.025 6±0.000 3a 6.445±0.073a 3.52±0.64b 9∶1 0.021 5±0.000 3b 6.256±0.102ab 4.07±0.46b 8∶2 0.021 4±0.000 4b 6.027±0.172ab 4.29±0.68ab 7∶3 0.018 2±0.000 3c 5.795±0.131b 5.35±1.10ab 6∶4 0.015 7±0.000 3d 4.744±0.094c 6.28±0.45ab 5∶5 0.014 2±0.000 3e 4.171±0.091d 6.98±1.29a

表 1 海藻酸钠/浒苔多糖质量比对复合膜物理性能的影响 Tab.1 Effects of component ratio on the physical properties of composite films

如图 4所示，随着总浓度的增加，膜拉伸强度先增大后趋于稳定，断裂伸长率先增大后下降。如表 2所示，随着共混总浓度的增大，复合膜厚度和水蒸气透过率逐渐增大，水溶性呈先减小后增大的趋势，并在总浓度为1.6%处得到最小值。

图 1(Fig. 1)

图 4 海藻酸钠/浒苔多糖总浓度对复合膜力学性能的影响 Fig.4 Effects of total concentration of SA and EP on the mechanical properties of composite films

表 2(Tab.2)

表 2 海藻酸钠/浒苔多糖总浓度对复合膜物理性能的影响 Tab.2 Effects of total concentration of SA and EP on the physical properties of composite films 总浓度 Total concentration/ % 厚度 Thickness/ mm 水蒸气透过率 Water vapor permeation/ [×10-11 g/(m·s·Pa)] 水溶性Water solubility/ % 1.2 0.018 9±0.000 5c 3.924±0.075d 5.66±0.49a 1.4 0.019 7±0.000 3c 4.909±0.118c 4.21±0.80ab 1.6 0.022 4±0.000 5b 6.231±0.068b 3.44±0.28b 1.8 0.023 0±0.000 6b 6.808±0.171a 4.22±0.84ab 2.0 0.027 3±0.000 7a 6.937±0.110a 5.04±0.16ab

表 2 海藻酸钠/浒苔多糖总浓度对复合膜物理性能的影响 Tab.2 Effects of total concentration of SA and EP on the physical properties of composite films

预实验发现，不添加甘油的海藻酸钠/浒苔多糖复合膜脆性大，烘干过程易裂，不能保证膜结构的完整性，本研究选取0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%的甘油含量进行优化。如图 5所示，随着甘油含量增加，膜拉伸强度一直下降，而断裂伸长率逐渐升高。如表 3所示，甘油含量对膜厚度无显著影响(P > 0.05)。水蒸气透过率和水溶性随甘油含量增加而增大。

图 1(Fig. 1)

图 5 甘油含量对海藻酸钠/浒苔多糖复合膜力学性能的影响 Fig.5 Effects of glycerol content on the mechanical properties of SA/EP composite films

表 3(Tab.3)

表 3 甘油含量对海藻酸钠/浒苔多糖复合膜物理性能的影响 Tab.3 Effects of glycerol content on the physical properties of SA/EP composite films 甘油含量 Glycerol content/ % 厚度 Thickness/ mm 水蒸气透过率 Water vapor permeation/ [×10-11 g/(m·s·Pa)] 水溶性 Water solubility/ % 0.3 0.020 1±0.000 4a 5.296±0.035b 2.50±0.81b 0.6 0.021 4±0.000 4a 5.197±0.065b 3.53±0.70ab 0.9 0.020 1±0.000 6a 6.017±0.052a 4.29±0.88ab 1.2 0.020 9±0.000 5a 6.068±0.058a 4.57±0.17a 1.5 0.020 1±0.000 8a 6.205±0.046a 4.99±0.32a

表 3 甘油含量对海藻酸钠/浒苔多糖复合膜物理性能的影响 Tab.3 Effects of glycerol content on the physical properties of SA/EP composite films

扫描电镜图表明，含量低于30%的浒苔多糖可均匀分散在膜基质中，海藻酸钠与适量浒苔多糖具有良好的相容性，浒苔多糖能够均匀地镶嵌在海藻酸钙稳定的“蛋盒”结构中。傅里叶红外光谱分析显示，复合膜与海藻酸钠膜有大致相同的主峰，主要差异是羟基基团的拉伸振动峰。随着海藻酸钠与浒苔多糖比例的减小，代表—OH的吸收峰移至较低的波数，说明添加浒苔多糖增强了复合膜内部的分子间作用力，2种多糖分子链上的羟基和羧基之间以及自身有较强的氢键作用。

海藻酸钠/浒苔多糖质量比对复合膜的性能有显著影响。通过图 3和表 1分析可知，海藻酸钠与浒苔多糖具有良好的相容性。添加浒苔多糖增强了链条分子内和分子间的氢键作用，使得复合膜网络结构更紧实。另一方面，浒苔多糖均匀镶嵌在海藻酸钙“蛋盒”结构中，膜基质中链条纠缠可能更加复杂，从而提高了膜的机械性能，降低了膜的透气性。但当浒苔多糖含量超过30%时，复合膜的机械性能下降，水溶性增加，这可能是由于浒苔多糖几乎没有成膜性，过多的浒苔多糖会破坏海藻酸钙稳定的结构。相类似的复合膜研究中，Xiao等(2002)研究发现，海藻酸钠/羧甲基魔芋葡甘聚糖复合膜在8∶2组分比下达到最佳的力学性能。柳有财等(2018)研究发现，海藻酸钠/丝素比为3∶1时，复合膜有最好的机械性能。

综上可知，海藻酸钠与浒苔多糖间具有良好的协同作用，适量浒苔多糖的添加可提升海藻酸钠膜的机械和阻隔性能，在8∶2时取得最优质量比。

当多糖浓度增大时，膜溶液中的分子数量增加，复合膜交联度也会随之增加，聚合物分子链间的相互作用增强，从而提高了复合膜的拉伸强度(Lazaridou et al, 2003)。但共混膜液浓度过高时，膜内部分子易发生聚集，会使膜内分子链无序排列，且膜液黏度大，脱气困难，使膜结构不均匀、不致密，导致膜断裂伸长率下降，水溶性增加。膜水蒸气透过率一直增大的一部分原因是膜厚度的增大。综上所述，海藻酸钠/浒苔多糖复合膜在1.6%总浓度下综合性能最优。

甘油作为增塑剂，可削弱分子间的相互作用力，破坏复合膜的内部结构，从而导致膜拉伸强度下降(卞紫秀等, 2018)。但甘油是小分子有机物，易与膜基质中其他大分子结合，增加链段流动性，增强复合膜塑性，而增加薄膜的柔软性。水蒸气透过率和水溶性随着甘油含量增加而增大，这归因于甘油中含有大量亲水基团，甘油含量过高，亲水基团含量增多，增大膜内的自由体积，使得复合膜阻隔性能下降。综合海藻酸钠/浒苔多糖复合膜的机械性能及阻隔性能，甘油含量0.9%最为适宜。

本研究探讨了海藻酸钠与浒苔多糖的协同作用，优化了总浓度和甘油含量2个因素。结果表明，海藻酸钠与浒苔多糖具有良好的相容性和协同作用，复合膜内部结构均匀、致密。适量浒苔多糖可增强复合膜的机械性能，降低膜的水蒸气透过率。通过优化得出最佳膜配方参数：质量比8∶2，总浓度1.6%，甘油含量0.9%。在最佳配方参数下，复合膜综合性能最优，复合膜拉伸强度为111.42 MPa，断裂伸长率为6.13%，水蒸气透过率为6.017×10^-11 g/(m·s·Pa)，水溶性为4.29%。