海藻生物保水劑吸水保水性能及抗冷凍性研究

嚴(yán)國(guó)富 聶偉燕 牛紅艷 李凱凱 湯潔

摘要 ? ?本文以褐藻（馬尾藻）中高含量的海藻多糖物質(zhì)為研究對(duì)象，運(yùn)用生物酶解技術(shù)和生化制備新工藝，將海藻多糖物質(zhì)與丙烯酸進(jìn)行共聚接枝交聯(lián)，形成海藻多糖-聚丙烯酰胺共聚交聯(lián)海藻生物保水劑，具有吸水倍數(shù)高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。海藻生物保水劑充分吸水后，粒徑為2～4 mm吸水倍率最高，為650.11 g/g。充分吸鹽水后，粒徑為0.9～2.0 mm吸鹽水倍率最高，為61.29 g/g。在吸水前1 h內(nèi)，粒徑為0.9 mm吸水速率最快，所有粒徑吸水9 h左右接近飽和。25 ℃條件下，粒徑為2～4 mm水分蒸發(fā)較快;100 ℃條件下，水分累積蒸騰率粒徑為2～4 mm最低，抗高溫性能較好。相同轉(zhuǎn)速不同保水劑之間加壓0.5 h后，持水率表現(xiàn)為大粒徑比小粒徑高;不同轉(zhuǎn)速下，3 000 r/min轉(zhuǎn)速條件下保水劑的持水率略大于5 000 r/min，增加壓力可降低保水劑持水率。隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，保水劑的吸水倍率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但幅度較小，冷凍96 h后，粒徑2～4 mm、粒徑0.9～2.0 mm、粒徑<0.9 mm吸水倍率分別下降9.09%、9.42%、11.04%。3種粒徑海藻生物保水劑在冷凍后吸水倍率均可保持在500倍以上，具有較好的抗冷凍性。

關(guān)鍵詞 ? ?海藻生物保水劑;吸水倍率;吸鹽水倍率;抗高溫性能;抗壓性能;抗冷凍性能

中圖分類號(hào) ? ?TQ317 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）12-0190-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Study ?on ?Water ?Absorption ?and ?Water ?Retention ?Performance ?and ?Freezing ?Resistance ?of ?Seaweed ?Biological ?Water ?Retention ?Agent

YAN Guo-fu ? ?NIE Wei-yan ? ?NIU Hong-yan ? ?LI Kai-kai ? ?TANG Jie

（Beijing Leili Balanced Agricultural Development Co.， Ltd.， Beijing 101407）

Abstract ? ?In this paper， the high content of algae polysaccharides in brown algae （Sargasso algae） was used as the research object， by using the biological enzymolysis technology and the new biochemical preparation technology， the algal polysaccharide was copolymerized with acrylic acid to form the algal polysaccharide polyacrylamide copolymerized cross-linked algal biological water retention agent， which had the advantages of high water absorption multiple and long service life. After the seaweed biological water retention agent fully absorbed water， the water absorption rate was the highest （650.11 g/g） when the particle size was 2-4 mm. After the salt water was fully absorbed， and the rate of salt water absorption was highest （61.29 g/g） when the particle size was 0.9-2.0 mm. In the first hour before water absorption， the water absorption rate of the particle size <0.9 mm was the fastest， and all particle sizes were close to saturation after 9 h of water absorption. Under the condition of 25 ℃， the water with a particle size of 2-4 mm evaporates faster;under the condition of 100 ℃， the cumulative water evaporation rate was the lowest with a size of 2-4 mm， and the high temperature resistance was better. After pressurization for 0.5 h， the water retention rate of the large particle size was higher than that of the small particle size between different water-retaining agents at the same speed;at different speeds， the water retention rate of the water-retaining agent at 3 000 r/min was slightly greater than that of 5 000 r/min， increasing pressure could reduce the water holding capacity of the water-retaining agent. With the extension of freezing time， the water absorption rate of the water-retaining agent showed a downward trend， but the amplitude was relatively small. After 96 h hours of freezing， the water absorption rates of particle size 2-4 mm， particle size 0.9-2.0 mm and particle size <0.9 mm decreased by 9.09%， 9.42% and 11.04%， respectively. The three kinds of algae biological water-retaining agents can keep the water absorption rate above 500 times after freezing， and have good freezing resistance.

Key words ? ?seaweed biological water retaining agent; water absorption rate; salt water absorption rate; high temperature resistance; compression resistance; freezing resistance

干旱是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的一個(gè)重要因素，水資源的合理開發(fā)與利用迫在眉睫。保水劑是一種化學(xué)抗旱節(jié)水材料，可以提高土壤持水力、改良土壤結(jié)構(gòu)、吸附土壤速效養(yǎng)分、減少養(yǎng)分的淋溶流失，實(shí)現(xiàn)保水保肥的作用。目前，保水劑的生產(chǎn)開始向復(fù)合化及多功能方向發(fā)展[1]。

保水劑最早是美國(guó)人從玉米上研制而成。保水劑分為丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物（聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鉀、聚丙烯酸銨等）和淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物（淀粉接枝丙烯酸鹽）兩大類。保水劑親水性很強(qiáng)，能夠反復(fù)吸水、釋水，從而增強(qiáng)土壤的水分保持能力，以供植物吸收和利用。在吸水初始，保水劑吸水速率達(dá)到最大，隨后逐漸減小并趨于溶脹平衡，吸水倍率與溶液濃度、保水劑粒徑及吸水次數(shù)有關(guān)[2]。

海藻生物保水劑以褐藻（馬尾藻）中高含量的海藻多糖物質(zhì)為研究對(duì)象，運(yùn)用生物酶解技術(shù)和生化制備新工藝，將海藻多糖物質(zhì)與丙烯酸進(jìn)行共聚接枝交聯(lián)，形成海藻多糖-聚丙烯酰胺共聚交聯(lián)海藻生物保水劑，具有吸水倍數(shù)高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)材料及儀器

海藻生物保水劑（20190920批次）（2～4 mm，0.9～2.0 mm，<0.9 mm），北京雷力平衡農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司自制;保水劑，外購(gòu)，北京漢力淼新技術(shù)有限公司;氯化鈉（NaCl），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

水浴鍋，DZKW-S-4，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;天平，AL204，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;電冰箱，BCD-2016TEM，合肥美的榮事達(dá)電冰箱有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-2ABS，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩，孔徑0.18 mm。

1.2 ? ?試驗(yàn)方法

1.2.1 ? ?海藻生物保水劑吸水倍率的測(cè)定。稱取1 g海藻生物保水劑，置于2 000 mL燒杯中，加入1 000 mL水，攪拌5 min，靜置30 min，直至樣品充分吸水膨脹。將凝膠狀樣品移入已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩中，自然過(guò)濾10 min。將試驗(yàn)篩傾斜放置，再過(guò)濾10 min。稱量試驗(yàn)篩和凝膠狀樣品的質(zhì)量。按式（1）計(jì)算保水倍率：

v=■（1）

式中：v—吸清水倍率（g/g），m1—吸清水后質(zhì)量（g），m2—吸清水前質(zhì)量（g）。

1.2.2 ? ?海藻生物保水劑吸鹽水（0.9%NaCl）倍率的測(cè)定。稱取1 g海藻生物保水劑，置于500 mL燒杯中，加入200 mL 0.9%NaCl溶液，攪拌5 min，靜置30 min，直至樣品充分吸0.9% NaCl溶液膨脹。將凝膠狀樣品移入已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩中，自然過(guò)濾10min。將試驗(yàn)篩傾斜放置，再過(guò)濾10 min。稱量試驗(yàn)篩和凝膠狀樣品的質(zhì)量。按式（2）計(jì)算保水倍率：

V=■（2）

式中：V—吸鹽水倍率（g/g），M1—吸鹽水后質(zhì)量（g），M2—吸鹽水前質(zhì)量（g）。

1.2.3 ? ?海藻生物保水劑吸水速率測(cè)試。準(zhǔn)確稱取1 g海藻生物保水劑試樣于燒杯中，加入足夠量的水，每隔0.5 h稱一下保水劑的質(zhì)量，計(jì)算其吸水倍率，直至保水劑吸水倍率基本保持不變?yōu)橹?，繪制出吸水倍率隨時(shí)間變化的曲線圖。

1.2.4 ? ?海藻生物保水劑高溫保水性能測(cè)試。稱取一定質(zhì)量吸水達(dá)到飽和的保水劑，記其質(zhì)量為N，分別靜置在25、50、80、100 ℃條件下，每隔0.5 h稱質(zhì)量，記其質(zhì)量為n[3]。按式（3）計(jì)算保水率：

B（%）=n /N×100（3）

1.2.5 ? ?海藻生物保水劑加壓保水性能測(cè)試。稱取一定質(zhì)量吸水達(dá)到飽和的保水劑，記其質(zhì)量為W。分別放在轉(zhuǎn)速為3 000、5 000 r/min的離心機(jī)中離心30 min，取出后用吸水紙將游離水吸除后再稱質(zhì)量，記其質(zhì)量為w[4]。按式（4）計(jì)算保水率：

C（%）=w/W×100（4）

1.2.6 ? ?海藻生物保水劑抗冷凍測(cè)試。分別稱取0.1 g（精確到0.001 g）保水劑樣品5份裝入自封袋內(nèi)，放入-20 ℃冰箱內(nèi)冷凍。分別于0、24、48、72、96 h后取出樣品，進(jìn)行吸水性能測(cè)試[5]。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?海藻生物保水劑吸水倍率

由圖1可知，0.5 h時(shí)，吸水倍率表現(xiàn)為20190920（<0.9 mm）>20190920（0.9～2.0 mm）>CK保水劑>20190920（2～4 mm），其中前三者在0.5 h的吸水倍率均達(dá)100 g/g以上，20190920（<0.9 mm）在0.5 h的吸水倍率高達(dá)420 g/g。充分吸水后，保水劑吸水倍率表現(xiàn)為20190920（2～4 mm）>20190920（0.9～2.0 mm）>20190920（<0.9 mm）>CK保水劑。

2.2 ? ?海藻生物保水劑吸鹽水倍率

由圖2可知，吸鹽水0.5 h時(shí)，保水劑吸鹽水倍率表現(xiàn)為20190920（<0.9 mm）>20190920（0.9～2.0 mm）>20190920（2～4 mm）>CK保水劑，其中前兩者的吸鹽水倍率>30 g/g。充分吸鹽水后，吸鹽水倍率表現(xiàn)為20190920（0.9～2.0 mm）>20190920（2～4 mm）>20190920（<0.9 mm）>CK保水劑，吸鹽水倍率均高于30 g/g。