海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的制備及其緩釋行為

余曉華，顏永斌，鄭科旺，黃明軍，覃彩芹

(1.湖北工程學院 生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 孝感 432000；2.湖北大學 生命科學學院，湖北 武漢 430062)

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海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的制備及其緩釋行為

余曉華1,2，顏永斌1*，鄭科旺1，黃明軍1,2，覃彩芹1

(1.湖北工程學院 生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 孝感 432000；2.湖北大學 生命科學學院，湖北 武漢 430062)

利用殼聚糖及羧甲基殼聚糖與海藻酸鈉作為載體材料對尿素進行緩釋，確定包膜型尿素的最佳制備方案。以殼聚糖、海藻酸鈉為基材，尿素為芯材，氯化鈣、戊二醛為復合交聯(lián)劑，采用一步法和兩步法制備包膜尿素。通過掃描電鏡對包膜尿素微觀結(jié)構(gòu)進行表征，采用靜水浸泡法對包膜尿素的緩釋效果進行測試，最終得到較佳的制備工藝條件。結(jié)果表明：當羧甲基殼聚糖與海藻酸鈉的配比為2:8，尿素含量為10%～20%，交聯(lián)劑濃度為3%時，尿素的緩釋效果最佳。

殼聚糖；海藻酸鈉；尿素；緩控釋肥

隨著化肥在農(nóng)業(yè)領域的廣泛使用，其帶來的諸多負面影響也日益突出，氮肥的大量施用引起了資源浪費、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、生態(tài)環(huán)境惡化等問題[1-2]。為了解決肥料損失嚴重的問題，目前主要是采用傳統(tǒng)調(diào)控技術(shù)和實時實地進行氮肥管理、農(nóng)田養(yǎng)分精準管理和緩釋肥等措施。其中緩釋肥是通過延緩延長肥料時效來提高利用率，目前可以大致分為三種：具有有限水溶性的合成型微溶態(tài)緩/控釋肥料、包裹材料緩/控釋肥料和包膜緩/控釋肥料[3]。緩釋肥雖然能夠有效解決肥料利用率，但考慮到其生產(chǎn)成本較高，因此其在市場上占有率為0.15%，主要用在一些經(jīng)濟價值比較高的作物上[4-5]。在穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的前提條件下，利用資源豐富的可生物降解的控釋材料來促進化學肥料的高效利用，減少生產(chǎn)中化學肥料的投入使用，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展，同時降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，促進農(nóng)民節(jié)本增收。

殼聚糖是除纖維素以外的第二大天然資源，主要來源于蝦、蟹的殼提取物，具有良好的生物相容性、生物可降解性，廣泛應用于食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)等領域[6-7]。相關研究表明，以殼聚糖作為緩釋肥料的包覆材料能夠有效的提高肥料的利用率，改善肥料對農(nóng)作物的作用效果[8]。殼聚糖作為緩釋載體材料符合綠色環(huán)保的發(fā)展觀念，殼聚糖在降解的同時可以釋放出所含有的C、N元素，起到改良土壤、植物生長調(diào)節(jié)劑、生物微肥等作用[9]。

考慮到殼聚糖有聚陽離子的電解質(zhì)特性，而海藻酸鈉有聚陰離子的電解質(zhì)特性，本實驗利用兩者在靜電作用下能形成殼聚糖-海藻酸鈉聚電解質(zhì)復合膜[10-11]的特點，采用兩種不同的殼聚糖，分別與海藻酸鈉作用，對尿素進行包膜制備，得到兩種緩釋肥。同時，探究了不同變量下這兩種緩釋肥的包覆率與載藥率，最終確定緩釋尿素的最佳制備方案。

1 材料與方法

1.1 材料

殼聚糖(脫乙酰度92%)，浙江澳興生物科技有限公司；羧甲基殼聚糖，利用殼聚糖與氯乙酸在堿性條件下進行化學反應自制[12]；海藻酸鈉、尿素、醋酸、濃硫酸、無水乙醇、對二甲氨基苯甲醛、無水氯化鈣、戊二醛(25%)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的制備

1.2.1 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的制備

將一定量的殼聚糖(CS)加入2% (v/v) 的醋酸溶液，攪拌使其溶解，配制成2%(w/v)的殼聚糖醋酸溶液；同時，將海藻酸鈉溶于水配制成1%(w/v)海藻酸鈉水溶液。按一定的比例將尿素(UREA)加入到海藻酸鈉水溶液中，攪拌使其混合均勻。然后，將海藻酸鈉尿素混合液勻速滴入到濃度為2%(w/v)的氯化鈣/戊二醛復合交聯(lián)劑，取出微球并浸泡于CS溶液, 0.5 h后置于35 ℃真空干燥，即得到黃色海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球。

1.2.2 海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖包覆尿素微球的制備

將一定量的羧甲基殼聚糖(CMCS)溶于蒸餾水中配置成2%的CMCS溶液，將一定量的海藻酸鈉溶于水配制成1%(w/v)海藻酸鈉水溶液，按一定的比例加入尿素(UREA)，攪拌使其混合均勻。然后，將羧甲基殼聚糖海藻酸鈉尿素混合液勻速滴入到濃度為2%(w/v)的氯化鈣/戊二醛復合交聯(lián)劑中。交聯(lián)反應一段時間后，取出微球，用蒸餾水沖洗三遍，35 ℃真空干燥，即得到黃色的海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素復合微球。

1.3 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的性能分析

1.3.1 海藻酸鈉/殼聚糖包覆制備尿素微球的SEM測試

殼聚糖包覆尿素微球的表面形貌通過日本 JEOLJSM-6510掃描電子鏡(SEM)進行分析，掃描前在樣品表面真空噴金，加速電壓25 kV。

1.3.2 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的溶脹率測試

將干燥的微球浸泡于蒸餾水中24 h，使其充分溶脹，利用溶脹前后微球的重量計算其溶脹率：

式中：ma為干燥微球的重量；mb為溶脹后樣品重量。

1.3.3 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的包封率測試

標準曲線制作：準確稱取0.1 g尿素配制成1 mg/mL尿素標準液，置于4 ℃條件下存放。分別移取1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 mL的尿素標準液于25 mL容量瓶，同時分別加入10 mL PDAB顯色劑的用量、4 mL的2.0 moL/L硫酸溶液，用去離子水定容，搖勻后靜置10 min。在422 nm處測吸光度，用去離子水為空白實驗。根據(jù)尿素濃度和吸光度繪制出標準曲線并進行線性擬合，得到校正方程為y=566.1x+2.391(R2=0.996)。 待包膜尿素靜置24 h后，將其破碎。將攪碎的包膜尿素置于水中24 h，取1 mL液體測其吸光度(422 nm)，代入標準曲線方程：y=566.1x+2.391(R2=0.996)，算出溶液中的尿素質(zhì)量m1。利用實驗中記錄的數(shù)據(jù)算出10.0 g包膜尿素對應的尿素加入量m2，尿素的包封率W計算公式如下：W=[m1/m2]×100%

1.3.4 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的緩釋測試

采用靜水浸泡法[13-14]，取干燥后的包膜尿素10.0 g放在一定規(guī)格燒杯中加入40 mL水，放于恒溫箱中，溫度設定為25 ℃。隔一段時間取1 mL的浸泡液，時間梯度定為1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h。將1 mL浸泡液倒入25 mL的容量瓶中，加入10 mL的PDAB顯色劑、4 mL的2.0 moL/L硫酸溶液，最后用去離子水定容至25 mL，同時配制一組未加尿素的空白組溶液作為參照。根據(jù)標準曲線算出溶液中的尿素釋放量，從而計算一定時間內(nèi)養(yǎng)分的溶出量。

2 結(jié)果與討論

2.1 海藻酸鈉/殼聚糖包覆制備尿素微球的SEM圖譜分析

圖1為海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，干燥后復合微球呈干癟收縮狀，這與崔紅華等[15]海藻酸鈉/殼聚糖葫蘆素微球的研究結(jié)果一致。海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球中CS直接附著于微球表面形成相對致密的膜結(jié)構(gòu)，水分子不易通過，肥料難以釋放，養(yǎng)分緩釋效果差。由于微球的制備過程，從而造成兩者在形貌與結(jié)構(gòu)強度上的差異。

注：圖(a)、(b)均為海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球；圖(c)、(d)海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖包覆尿素微球。

2.2 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的溶脹率

材料透水性的好壞可以用復合微球干燥前后的溶脹率評定，具體數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 海藻酸鈉/殼聚糖復合微球的溶脹率

從表1中可知，相同尿素濃度下，隨著交聯(lián)劑戊二醛含量的增加，微球的溶脹率隨之減小。實驗表明，交聯(lián)劑氯化鈣含量增加，交聯(lián)程度越高，交聯(lián)度的提高使得膜緊實度提高，自由體積減小，水及肥料分子從自由體積空隙透過膜變得困難，從而使膜外的水難以進入膜內(nèi)；在交聯(lián)劑配比一樣的情況下，尿素的含量越高，其微球溶脹率也越高，這是因為尿素中含有兩個氨基，氨基作為負電子基團能和水分子間形成氫鍵，水從膜外透過膜層進入膜內(nèi)的過程是一個氫鍵位置不斷改變的過程，膜材料與水分子間的這種相互作用，使得水分很容易透過膜層，因而在適量范圍內(nèi)尿素含量越高其微球溶脹率越高。

表2 海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖復合微球的溶脹率

從表2可知，海藻酸鈉的含量越高，微球的溶脹率越低。這是由于海藻酸鈉的羧基與殼聚糖殼聚糖氨基之間存在靜電相互作用，當殼聚糖與海藻酸鈉的配比越接近時，包膜層的結(jié)構(gòu)越復雜，膜更加緊密，因此實驗中滴定成球時，膜內(nèi)部的水難以透過，保水性能越好；而當殼聚糖-海藻酸鈉的配比相同時，尿素含量越高，微球溶脹率越高，這與殼聚糖/海藻酸鈉的原因一樣。

對比發(fā)現(xiàn)，同等條件下尿素含量越高，微球的溶脹率也越高。羧甲基殼聚糖相較與殼聚糖而言，其保水性能較好，這與兩者的分子間作用力和結(jié)構(gòu)的差異性有關。研究表明，由于殼聚糖分子量大小的差異性，其在成膜過程中分子間作用力大小不同。殼聚糖分子量越高其分子鏈越長，鏈與鏈相互交纏，相互作用力也隨之增強，使得其結(jié)構(gòu)致密，從而使小分子物質(zhì)不易通過，滲透性差。羧甲基殼聚糖作為改性后的殼聚糖，其引入的親水性羧甲基基團與水分子之間形成的氫鍵作用，可以提高其微球溶脹率。

2.3 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球的尿素包封率

對比表3與表4可知，羧甲基殼聚糖-海藻酸鈉包膜尿素的包封率更高，這可能與包膜層結(jié)構(gòu)有關，包膜層越緊密尿素擴散出膜層的溶出量也就越少。實驗發(fā)現(xiàn)尿素包封率整體不高，這可能與成膜的反應時間有關，如攪拌的速度、溫度的控制、緩釋的條件等。

表3 海藻酸鈉/殼聚糖-復合微球的尿素包封率

表4 海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖-復合微球的尿素包封率表

2.4 海藻酸鈉/殼聚糖包覆尿素微球釋放效果研究

緩控釋肥的養(yǎng)分釋放過程一定程度上與包膜材料的透水性有關，水透過包膜層進入肥料內(nèi)部過快，肥料中的養(yǎng)分釋放速率大，肥料養(yǎng)分的前期抑制釋放性能差。根據(jù)緩控釋肥的國家標準：肥料浸泡24 h后養(yǎng)分釋放量不低于總質(zhì)量分數(shù)的15%，即為緩控釋肥。采用紫外分光光度計得到樣品待測液不同時段的吸光度，將得到的數(shù)據(jù)帶入校正方程y=566.1x+2.391(R2=0.996)，可得到相應時間的尿素緩釋量，具體結(jié)果如圖2所示。

注:(a)為羧甲基殼聚糖組尿素含量為10%、不同CS-Alg配比的尿素緩釋情況；(b)為殼聚糖組尿素含量為20%、不同CS-Alg配比的尿素緩釋情況；(c)為兩種殼聚糖不同尿素含量的尿素緩釋情況

由圖2可知，聚合物包膜結(jié)構(gòu)與交聯(lián)劑造成了水擴散與膜內(nèi)溶脹率的不同，水分透過包膜層的凈透出率越大，養(yǎng)分釋放得越快。尿素含量的高低對殼聚糖-海藻酸鈉包膜尿素的緩釋量影響不明顯。殼聚糖與海藻酸鈉作用形成的包膜層結(jié)構(gòu)不夠緊密，且尿素中的氨基為親水基團，因此尿素含量越高，膜內(nèi)保留的水分越多，尿素溶解越多，隨著膜內(nèi)外的濃度差變大，養(yǎng)分釋放加快。而羧甲基殼聚糖-海藻酸鈉包膜尿素的膜層緊密，因此尿素含量的高低對尿素溶出速率影響不大。

由圖2(a)和(b)可知，羧甲基殼聚糖-海藻酸鈉包膜尿素相對于殼聚糖-海藻酸鈉包膜尿素而言，其緩釋效果明顯要好，更加接近緩控釋肥的國家標準。原因主要是羧甲基組聚合物分子量更大，聚合物成膜性更好，機械強度增大，包膜更加完整，且膜的結(jié)構(gòu)更加致密。由于分子量越高，聚合物的結(jié)構(gòu)越為緊湊，水及肥料分子不易通過，養(yǎng)分緩釋效果更好。Raban等[16]認為包膜肥料主要通過擴散機制將養(yǎng)分釋放到土壤中的，擴散驅(qū)動力是養(yǎng)分濃度梯度或壓力梯度。當施用這種包膜肥料后,土壤或基質(zhì)中的水分進入膜內(nèi)溶解包裹的養(yǎng)分，并在擴散驅(qū)動力的作用下擴散到膜外，可以在3～12個月的時間里持續(xù)不斷地釋放養(yǎng)分。

對比圖2(a)、圖2(b)與圖2(c)可知，在緩釋開始的幾個小時內(nèi)尿素的溶出速率較大，而后溶出速率較為平緩。這是由于包膜型尿素的釋放過程主要分為兩個階段，第一個階段為水分進入膜內(nèi)溶解尿素，尿素擴散至膜層表面；第二個階段為尿素從膜層表面擴散到水中。由于在制備包膜尿素過程中有部分尿素未完全包裹進去附著在膜表面，因而在尿素緩釋初期膜表面的尿素最先溶出，這部分的尿素溶出速率較快，然后是膜里面的尿素溶解擴散過程，這一階段的溶出速率較慢。

3 結(jié)論

本實驗以不同的殼聚糖與海藻酸鈉為緩釋材料，利用其良好的成膜性以及它們間的靜電作用，對尿素進行物理包埋，在交聯(lián)劑作用下制備出了干燥后平均粒徑為1 mm左右的球形緩釋尿素。通過對微球溶脹率的測定、微觀結(jié)構(gòu)的表征、尿素包封率以及緩釋效果的研究的測定，最終確定出最佳的制備方案為：羧甲基殼聚糖與海藻酸鈉的配比為2:8，尿素含量為10%～20%，交聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)為3%。

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(責任編輯：熊文濤)

Sodium Alginate/Chitosan Coated Urea Preparation of Microspheres and Its Slow Release Behavior

Yu Xiaohua1，2，Yan Yongbin1*，Zheng Kewang1，Huang Mingjun1，2，Qin Caiqin1

(1.TheCollaborativeInnovationCenterofHubeiProvinceForBiomassConversionandUtilization,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China；2.SchoolofLifeScience,HubeiUniversity,Wuhan,Hubei430062,China)

Using chitosan and carboxymethyl chitosan and sodium alginate as carrier materials for slow-release urea, the optimal preparation method was determined for coated urea type. With chitosan and sodium alginate as the main raw material, urea as core material，calcium chloride and glutaraldehyde as crosslinking agent, one-step and two-step method were used for the preparation of chitosan, sodium alginate composite microspheres. By scanning electron microscope to observe the coating of urea, the slow release effect of coated urea was tested by still water immersion method, and the optimum preparation conditions were obtained. The results showed that when the ratio of carboxymethyl chitosan and sodium alginate was 2:8, the urea content was 10%～20%, the concentration of crosslinking agent was 3%, and the effect of urea was the best.

chitosan; alginate; urea; controlled-release fertilizer

2016-08-27

國家自然科學基金面上項目(31371750)

余曉華(1992- )，女，湖北黃石人，湖北工程學院生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心碩士研究生。

顏永斌(1975- )，男，湖北仙桃人，湖北工程學院生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心副教授，博士，本文通信作者。

TS201.25

A

2095-4824(2016)06-0010-05