CN105483862B - 一种海藻生物纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

一种海藻生物纤维及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海藻生物纤维及制备方法和应用，所述海藻生物纤维的组分及重量百分比为微藻0.1‑25.0%，海藻生物高分子99.9‑75.0%。制备方法是按比例将海洋生物高分子溶解在微藻水溶液中，形成均匀的纺丝溶液，通过喷丝孔挤入凝固液后形成纤维，经水洗、干燥后制得。本发明在共混纤维中加入了具有优良生物活性的微藻植物体，使海藻生物纤维含有各种对人体有益的生物活性成分，从而增加了纤维和由纤维加工成的纺织材料的亲肤特性及保健功效，特别适用于与人体密切接触的各种医疗卫生用纺织材料，如面膜化妆品、医用敷料、婴儿尿布、妇女卫生用品、成人失禁用品等产品。

Description

一种海藻生物纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物纤维材料技术领域，具体涉及一种含微藻的海藻生物纤维及制备方法和应用。
背景技术
藻是一类生长在水中的植物，是隐花植物的一大类，无根、茎、叶等部分的区别，有叶绿素可以自己制造养料。从生长环境分，藻类植物包括淡水藻类、海藻等很多种类。从形态大小分，藻类植物又可以被分为大型藻类、多细胞藻类、微藻等。其中螺旋藻、小球藻、杜氏盐藻、雨生红球藻等微藻富含对人体有重要保健功效的虾青素、多不饱和脂肪酸、维生素等生物活性成分，具有重要的经济价值。海藻是海带、紫菜、裙带菜、石花菜等海洋藻类的总称，是生长在海中的藻类。海藻包括11个门，其中褐藻门、红藻门等大型藻类是提取海藻酸盐、卡拉胶、琼胶等海藻生物高分子的主要原料，目前被广泛应用于食品、日化、生物质纤维等领域。
从褐藻中提取的海藻酸又称褐藻酸、海带胶、褐藻胶。作为一种天然高分子材料，海藻酸具有许多优良的性能，在食品、医药、纺织、印染、造纸、日用化工、废水处理等领域有十分广阔的应用，是日常生活中使用最多的高分子材料之一。作为一种天然高分子，海藻酸具有很高的分子量。从褐藻中提取的高粘度海藻酸的聚合度达600-1000，对应的分子量为120,000-190,000。由于海藻酸的钠盐可溶解于水中，因此把海藻酸钠溶于水中制备纺丝液后，可以通过湿法纺丝制备海藻酸纤维。海藻酸与大多数二价或多价金属离子形成的盐是不溶于水的，因此可以采用二价金属离子的水溶液作为凝固液。由于氯化钙对人体无任何毒性，因此用氯化钙为凝固液生产海藻酸钙纤维是工业上最常用的生产方法。
海藻酸钙纤维在与含钠离子的水溶液接触后，纤维中的钙离子与溶液中的钠离子发生离子交换，使不溶于水的海藻酸钙转换成水溶性的海藻酸钠。当海藻酸钙纤维与伤口渗出液接触后，由于伤口渗出液中的钠离子与海藻酸钙纤维中的钙离子发生离子交换，纤维在吸收大量的水分后被转换成胶体。这层胶体中含有大量的水分，可以使伤口表面维持一个湿润的愈合环境。现代医疗理论证明湿润的环境能促进细胞的增长繁殖，从而加快伤口的愈合速度。以海藻酸盐纤维为原料制备的面膜材料具有很好的保湿性能，在美容化妆品领域有很高的应用价值。
卡拉胶和琼胶分别从红藻植物中提取，与海藻酸盐相似，卡拉胶和琼胶也可以通过湿法纺丝制备纤维，在医疗卫生和美容化妆材料领域具有重要应用价值。海藻酸盐、卡拉胶、琼胶等海藻生物纤维的功效可以通过各种共混改性工艺实现，例如在海藻酸盐纺丝溶液中加入羧甲基纤维素钠可以提高纤维的吸湿性，在纺丝溶液中添加超细纳米含银粉末可以改善纤维的抗菌性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于结合微藻富含的生物活性成分，通过共混纺丝改进现有海藻生物纤维的性能，提供一种含有微藻生物质的海藻生物纤维，组分及重量百分比为微藻0.1-25.0％，海藻生物高分子99.9-75.0％。
进一步的，所述微藻为雨生红球藻、螺旋藻、杜氏盐藻或小球藻。
进一步的，所述海藻生物高分子为海藻酸盐、卡拉胶或琼胶。
进一步的，组分及重量百分比为微藻0.1-5.0％，海藻生物高分子95.0-99.9％。
进一步的，组分及重量百分比为微藻1.0％，海藻生物高分子99.0％。
本发明的一种海藻生物纤维的制备方法，按比例将海洋生物高分子溶解在微藻水溶液中，形成均匀的纺丝溶液，通过喷丝孔挤入凝固液后形成纤维，经水洗、干燥后制得。
进一步的，所述纺丝溶液的质量浓度为1-10％。
进一步的，所述微藻水溶液是将微藻固体粉末溶解于水中形成，或直接使用微藻培养液，所述微藻水溶液中微藻的质量含量为0.01％-5％。
本发明的一种海藻生物纤维的应用，将海藻生物纤维加工成纱线、机织物、针织物、非织造布材料或包覆纱线。
进一步的，应用于美容化妆材料、医用卫生材料或纺织材料。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：本发明的海藻生物纤维中分散着各种富含生物活性成分的微藻植物细胞，加工成纺织材料后，在与人体接触过程中可以通过其包含的各种生物活性成分起到抗氧化、提高免疫力等多种生理活性功效，在美容纺织品中可提高制品的美容功效，在医疗卫生产品中可改善产品的亲肤性，对人体无毒副作用，具有很高的应用价值。
具体实施方式
本发明公开的海藻生物纤维，包括微藻0.1-25.0％和海藻生物高分子99.9-75.0％，均为重量百分比。其中所述微藻为雨生红球藻、螺旋藻、杜氏盐藻或小球藻。所述海藻生物高分子为海藻酸盐、卡拉胶或琼胶。所述海藻酸盐为海藻酸钠、海藻酸钾或海藻酸铵。
本发明的海藻生物纤维，优选的重量百分比配方为微藻0.1-5.0％，海藻生物高分子95.0-99.9％，进一步优选的重量百分比配方为微藻1.0％，海藻生物高分子99.0％。
本发明的海藻生物纤维的制备方法为：按配方量将海洋生物高分子溶解在微藻水溶液中，形成均匀的纺丝溶液，纺丝溶液的质量浓度为1-10％，通过喷丝孔挤入凝固液后形成纤维，经水洗、干燥后制得。所述凝固液为可以使海藻生物高分子从水溶液中沉淀的各种介质，包括含钙、锌、铜等二价金属离子的水溶液，酒精、丙酮、异丙醇等有机溶液等。
所述微藻水溶液可以是将微藻固体粉末溶解于水中形成微藻水溶液，也可以直接使用微藻培养液，所述微藻水溶液中微藻的质量含量为0.01％-5％。
本发明是以海洋生物高分子为载体，以分散在溶液中的微藻为添加剂，制备得到的海藻生物纤维具有一般纤维的性能，可以被加工成纱线、机织物、针织物和非织造布材料，也可以用聚脂纤维或其它纤维包覆后形成包覆纱线，应用于美容化妆材料、医用卫生材料及纺织材料，具体可以是经切割包装后形成用于面膜的美容化妆品、用于伤口护理的医用敷料、用于吸收人体渗液的医用卫生材料、婴儿尿布、妇女卫生用品、成人失禁用品、用于贴身内衣等与人体接触的各种纺织材料。在与人体接触过程中，纤维中包含的微藻可以通过其含有的生物活性成分起到促进皮肤增长、护肤、美容等保健功效。
本发明采用的微藻根据其种类具有丰富的生物活性。例如雨生红球藻是一种单细胞绿藻，其生物体内积累大量的类胡萝卜素，其中80％以上为虾青素及其酯类。虾青素具有抗氧化、抗肿瘤和增强免疫力等许多重要的生理和生物学功能，在食品添加剂、化妆品、保健品和医药工业上具有广阔的应用前景。与雨生红球藻相似，杜氏盐藻是也是一种绿藻，其生物体内的蛋白质含量可达29.4％，还含有27种无机元素，包括Ca、Mg、Na、K、Fe、Zn、Cu等对人体有重要生理功能的矿物质。
螺旋藻是—种丝状蓝藻，又称蓝细菌。作为地球上最古老的光合生物之一，螺旋藻因其安全、无污染性以及丰富的营养价值及医药价值被联合国粮农组织和世界卫生组认为是21世纪最佳食品和保健品，其蛋白质含量高达60％-72％，其中藻胆蛋白是—种特殊的色素蛋白，在螺旋藻藻体中含量高达20％，具有明显的抗氧化、抗炎症、增强机体免疫能力的作用。此外，螺旋藻富含维生素Bl、B2、B3、B6、B12及维生素E等，含有人体最需要的各种维生素。
小球藻为绿藻门小球藻属普生性单细胞绿藻，是一种球形单细胞藻，直径3-8微米，是一种高效的光合植物，以光合自养生长繁殖，分布极广。小球藻易于培养，不仅能利用光能自养，还能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖，并且生长繁殖速度快，是地球上动植物中唯一能在20h增长4倍的生物，具有很高的应用价值。分析结果显示每100克小球藻中所含的水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维素、叶绿素、矿物质、β-胡萝卜素、小球藻生长因子、维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素C、维生素E、泛酸、生物素(维生素H)、叶酸、烟酸(尼克酸)、胆碱、肌醇等生物活性成分的含量分别为6-7g、50-65g、5-10g、10-20g、2-5g、2-4g、5-7g、100-200mg、2000-5000mg、1.0-3.0mg、3.0-6.0mg、1.0-3.0mg、0.2-0.4mg、20-50mg、12-30mg、0.8-2mg、3-20mg、3-10mg、10-30mg、60-160mg、6-20mg。
螺旋藻、小球藻、杜氏盐藻、雨生红球藻等微藻是单细胞藻类，具有微米级颗粒的外观形态，分散在纺丝溶液中可以很容易通过喷丝孔与溶解在溶剂中的高分子材料一起形成共混纤维。以此得到的纤维材料负载富含生物活性物质的微藻生物质成分，在美容纺织材料及生物医用材料中有重要的应用价值。
下面通过实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1、雨生红球藻的人工养殖
根据文献(顾洪玲.雨生红球藻的高效培养及其虾青素的提取与纯化.中国海洋大学,2014)报道的培养条件，对雨生红球藻进行人工养殖。基础培养基采用MCM培养基，主要成分及含量如下：KNO3 0.5g/L，KH2PO4 0.02g/L，MgSO4 0.2g/L，CaCl2 0.08g/L，Fe-EDTA100μL/L，微量元素100μL/L，pH 8.0。
其中，Fe-EDTA溶液的组成为：EDTA2Na 3.72g/L，FeSO47H2O 4.17g/L；微量元素母液(单位，mg/L)：H3PO4 12.37，MnSO4H2O 84.51，ZnSO4 71.89，CuSO45H2O 62.42，Na2MoO42H2O7.26，CoCl22H2O 4.76，pH 8.0；生长培养基：葡萄糖3g·L-1，KNO3 0.6g·L-1，KH2PO40.023g·L-1，MgSO47H2O 0.2g·L-1，CaCl20.04g·L-1，Fe-EDTA 100μL·L-1，微量元素100μL·L-1，pH 8.0。
在雨生红球藻藻种的培养过程中，将藻液以10％的接种量接入装有100mL基础培养基的三角瓶(250mL)中，置于人工气候箱中于22℃，500-1000lx，光周期12:12的条件下，培养7天。在雨生红球藻绿色游动细胞的培养过程中，10％的接种量将藻种接入装有100mL生长培养基的锥形瓶(250mL)中，于22℃，2500lx左右，光周期12:12的条件下，培养8天。在雨生红球藻红色不动细胞的培养过程中，挑选生长良好、浓度适宜的雨生红球藻液置于30℃，7000lx左右，全天光照条件下进行转化，转化10天。
实施例2、海藻生物纤维的制备
取10L雨生红球藻培养液，培养液中红球藻的含量为0.9g/L。在高剪切乳化搅拌下加入300g海藻酸钠，充分溶解后形成纺丝溶液。静止脱泡后把溶液在压力下用计量泵在孔数为10000，孔径为100μm的喷丝板上挤入含质量浓度为5％的CaCl2·2H2O的水浴中形成丝条，经过水洗干燥得到含雨生红球藻的海藻生物纤维。所得到的纤维切断成5cm长后用非织造布设备加工成非织造布。以上得到的海藻生物纤维中雨生红球藻的质量含量约为3％。
实施例3、海藻生物纤维的制备
制备方法同实施例2，采用小球藻培养液为载体溶解海藻酸钠，培养液中小球藻的含量为0.12g/L。制备得到含有小球藻的质量含量约为0.4％的海藻生物纤维。
实施例4、海藻生物纤维的制备
制备方法同实施例2，采用螺旋藻培养液为载体溶解海藻酸钠，培养液中螺旋藻的含量是1.2g/L。制备得到含有螺旋藻的质量含量约为4％的海藻生物纤维。
实施例5、海藻生物纤维的制备
制备方法同实施例2，采用杜氏盐藻培养液为载体溶解海藻酸钠，培养液中杜氏盐藻的含量为0.45g/L。制备得到含有杜氏盐藻的质量含量约为1.5％的海藻生物纤维。
实施例6-9、海藻生物纤维的制备
按照实施例2中制备纤维的方法，以市售的微藻固体粉末为添加剂，按照25％固体微藻+75％海藻酸钠质量比例混合后制备纺丝溶液，可以得到雨生红球藻、小球藻、杜氏盐藻、螺旋藻含量为75％的海藻生物纤维。
实施例10虾青素含量的测定
根据文献(张睿钦,管斌,孔青,等.雨生红球藻异养转化产虾青素的条件研究.浙江大学学报,2011,37(6):624-630)报道的方法测定虾青素的含量。取适量转化后孢子态的藻体，离心弃去上清液，藻种加入甲醇/KOH溶液(30％体积分数的甲醇和5％质量浓度的KOH混合液)振荡，使藻种分散均匀后，置于65℃的恒温水浴中加热以去除藻体中的叶绿素，离心去上清液，沉淀加蒸馏水洗涤并离心以去除残留的碱液。上述藻体，再加入二甲基亚砜/丙酮溶液(v/v,4/1)，利用高速分散均质机50Hz，23000rpm，进行破壁处理，之后置于恒温水浴中振荡提取，离心收集上清液，沉渣中加入提取溶剂重复提取，至藻体沉淀变白。收集红色上清液并测定其OD490。虾青素的产量利用下式进行计算：
C＝4.5×OD490×(Va/Vb)×f1/f2
式中，C为虾青素的产量，mg/L；
OD490为吸光值；
Va为提取液的体积，mL；
Vb为藻液的总体积，mL；
f1为测吸光值时的稀释倍数；
f2为转化过程中由于水的蒸发造成的藻液浓缩倍数。
经计算实施例2中得到的样品中虾青素的含量约为0.1％。
实施例11、海藻生物纤维水刺无纺布的制备
将实施例2-9中得到的海藻生物纤维与棉花的质量比为15:85，混合后在水刺无纺布设备上加工制备厚度为30g/m2的棉花与海藻生物纤维水刺无纺布，用于面膜材料的制备。
与此类似，将实施例2-9中得到的海藻生物纤维与天丝纤维的质量比为15:85，混合后在水刺无纺布设备上加工制备厚度为30g/m2的天丝纤维与海藻生物纤维水刺无纺布，用于面膜材料的制备。
实施例12、海藻生物纤维水刺无纺布的吸湿性测试
将实施例11中水刺无纺布样品切成5cm×5cm后测得的重量为干重W1(g)。切割后的样品放置在直径为90mm的表面皿中，加入50mL模拟面膜精华液(由质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠水溶液组成)，放置24h后，用镊子挟住样品的一角在空中悬挂60s后测取样品的湿重W2(g)。单位重量样品的吸湿率＝(W2-W1)/W1。如下表所示为实施例11中水刺无纺布面膜材料的吸液率。
由上述实验可知，本发明的海藻生物纤维与面膜精华液中的羧甲基纤维素钠发生离子交换，可以有效提高面膜对面膜精华液的吸液率。上述实验是以实施例2制备的海藻生物纤维为例进行了吸湿性实验，同样的，实施例3-9制备的海藻生物纤维可以得到相似的吸液率数据。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种海藻生物纤维，其特征在于：其组分及重量百分比为：微藻0.1-25.0%、海藻生物高分子99.9-75.0%，所述微藻为雨生红球藻、螺旋藻、杜氏盐藻或小球藻，所述海藻生物高分子为海藻酸盐、卡拉胶或琼胶；其制备方法为：按比例将海藻生物高分子溶解在微藻水溶液中，形成均匀的纺丝溶液，通过喷丝孔挤入凝固液后形成纤维，经水洗、干燥后制得，所述纺丝溶液的质量浓度为1-10%，所述微藻水溶液是将微藻固体粉末溶解于水中形成，或直接使用微藻培养液，所述微藻水溶液中微藻的质量含量为0.01-5%；其应用为将海藻生物纤维加工成纱线、机织物、针织物或非织造布材料，应用于美容化妆材料、医用卫生材料或纺织材料。
2.根据权利要求1所述一种海藻生物纤维，其特征在于：其组分及重量百分比为：微藻0.1-5.0%，海藻生物高分子95.0-99.9%。
3.根据权利要求2所述一种海藻生物纤维，其特征在于：其组分及重量百分比为：微藻1.0%，海藻生物高分子99.0%。
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