一种高效的阳离子十二烯基琥珀酸酐改性淀粉基絮凝剂，具有广泛的盐度耐受性：制备方法、微藻采集及絮凝机制

《Algal Research》：Efficient cationic dodecenyl succinic anhydride modified starch-based flocculant with a broad salinity tolerance: preparation, microalgae harvesting and flocculation mechanisms

阳离子改性淀粉显著提升微藻在不同盐度下的絮凝效率，其两性离子特性与疏水结合能力协同作用形成抗剪切三维网状絮体，成本较传统絮凝剂降低40%-90%。

　　

刘阳|姚慧友|王晨明|杨文华|赵莉|韩晓|孙杰|张向翔

内江师范学院化学与环境工程学院，中国内江641100

摘要

利用絮凝技术从自然环境中收集微藻是一种高效且节能的方法；然而，这种方法容易受到微藻生物量污染的影响，并且对环境盐度非常敏感。在本研究中，制备了一种阳离子十二烯基琥珀酸酐改性的淀粉（CDCS），用于在不同盐度条件下收集微藻。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、取代度分析、接触角测量以及ζ电位测试的结果证实，CDCS成功具备了两性聚电解质和疏水结合聚合物的特性。作为对比，阳离子淀粉（CCS）仅在相对较低的盐度下才能使微藻絮凝。相比之下，CDCS在3、10、15和20 ppt的盐度环境下，分别以3、10、25和100 mg/L的剂量成功实现了微藻的收集。在不同盐度下对絮凝剂的流体力学直径、粘度和ζ电位的测量表明，CDCS在高盐度环境中仍能保持相对伸展的分子构象和较多的正电荷。通过对ζ电位、絮体形态及絮体大小的分析发现，CDCS通过电荷中和、桥接吸附、疏水力作用以及网状结构形成了较大的三维絮体，具有很强的抗剪切能力和再絮凝能力。此外，还提取并絮凝了微藻溶解/结合的细胞外有机物（DEOM/BEOM），以分析其三维结构、蛋白质和多糖含量。结果表明，具有广泛盐度耐受性的CDCS更倾向于与BEOM发生相互作用，从而促进了微藻絮体的形成和沉淀。成本估算显示，在不同盐度条件下，CDCS相比CCS可节省40%–90%的收集成本。

引言

微藻是一种单细胞光合自养微生物，生长迅速、适应性强，广泛分布于各种水体中，因此是生产食品、饲料、燃料和化学材料的理想生物质资源[1]。然而，基于微藻的大规模商品生产中的一个主要瓶颈就是微藻的收集（即从培养环境中分离微藻细胞）[2]。由于微藻细胞体积小（3–30 μm）、生物量浓度低（0.5–5 g/L）以及表面带负电荷，收集微藻既困难又成本高昂[3]、[4]。常用的微藻浓缩方法包括离心和过滤，但这些过程能耗较高[5]。基于絮凝的分离技术因其成本竞争力强和可扩展性强而越来越受到应用[6]、[7]，其中最常用的絮凝剂包括无机金属盐（如铝盐和铁盐）和有机聚合物（如聚丙烯酰胺）[8]。无机金属盐主要通过离子相互作用（电荷中和或网状结构）引发絮凝，而有机聚合物絮凝剂则主要通过电荷中和和桥接作用聚集微藻细胞[9]。然而，这两种类型的絮凝剂可能会导致微藻生物量受到金属污染或含有潜在有毒的丙烯酰胺残留物，因此不适合用于微藻废水的回收以及食品或饲料行业[10]。此外，大多数研究表明，絮凝方法更适用于淡水微藻[2]、[11]。在高盐度条件下，一方面介质中的离子会屏蔽絮凝剂和微藻表面的电荷位点，导致电荷中和效果减弱[12]；另一方面，盐分可能影响絮凝剂的分子构象，促进聚合物折叠和塌陷[13]，从而影响桥接吸附效果并阻碍絮体的形成。因此，开发一种环保、高效且具有广泛盐度耐受性的絮凝剂对于在不同培养条件下大规模收集微藻生物量至关重要。

为了提高聚合物的盐度耐受性，人们进行了多种改性尝试，相关研究总结如下：(1) 耐盐单体共聚物改性：在聚合物链上引入大/刚性侧基团、耐盐基团或疏水基团[14]。例如，赵等人将耐盐单体Gf（N,N-二甲氨基乙基葡萄糖苷）与丙烯酰胺共聚，得到了具有优异耐温性、耐盐性和抗剪切性的改性CPAM[15]。(2) 两性聚电解质改性：开发出既能带正电又能带负电的聚合物链，从而通过抗聚电解质效应实现盐度耐受性[16]。例如，金等人应用两性淀粉和聚氯化铝在广泛盐度条件下絮凝微藻，发现絮凝效果归因于电荷中和和网状结构的协同作用[17]。(3) 疏水结合聚合物改性：在亲水聚合物链上引入少量疏水单体，疏水部分可形成可逆的物理网状结构，使聚合物更具盐度耐受性和抗剪切性[18]。常用的疏水单体包括长链烷基烃，如N-烷基丙烯酰胺、n-烷基(甲基)丙烯酸酯、乙烯基烷基酯、苯乙烯及其衍生物等[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，即使只有少量疏水基团也能显著提高粘度[25]。(4) 在聚合物上引入能够形成氢键的基团。氢键作用能有效改善聚电解质链的水合状态，从而显著提高盐度耐受性[26]。(5) 多功能单体共聚物改性：同时向聚合物链引入多种功能单体以实现理想的盐度耐受性[27]。例如，Khan等人合成了聚丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙基三甲基铵氯化物和月桂基丙烯酸酯的絮凝剂，发现其具有强疏水性和良好的水溶性[28]。然而，很少有研究考虑在改性聚合物时反应材料和过程的安全性及环境影响。因此，有必要探索新的方法来开发更适合微藻生物质收集的耐盐絮凝剂。

由于天然聚合物如淀粉具有广泛的可用性、低价格和生物降解性，可以用来制备生物质基絮凝剂；然而，很少有研究关注它们在不同盐度环境中的适应性。受耐盐聚合物改性方法的启发，本研究打算通过以下两种方式对玉米淀粉（CS）进行改性：(1) 通过与缩水甘油基三甲基铵氯化物（GTA）的醚化反应，在淀粉骨架上引入阳离子基团（这是一种常见的改性方法[29]、[30]）；(2) 通过与十二烯基琥珀酸酐（DDSA）的酯化反应引入烯烃碳链，同时生成羧酸末端（亲水且带负电荷[31]、[32]）。因此，改性的淀粉既具有两性电解质的特性，又具有疏水结合聚合物的特性，有望用于从盐水中收集微藻。

在本研究中，制备了阳离子DDSA改性的玉米淀粉（CDCS），并应用于广泛盐度范围内的微藻收集。选择小球藻作为收集对象，因为它富含蛋白质、脂类、碳水化合物、色素、维生素和矿物质，被广泛用于健康食品、饲料和制药领域[33]。此外，小球藻可以在废水或盐水中生长而不与人类资源竞争[34]、[35]、[36]，因此其生长环境的盐度变化较大，因此考虑盐度对絮凝过程的影响尤为重要。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、取代度（DS）、接触角、ζ电位和热重分析（TG）对CS、CCS、DDSA改性的CS（DCS）和CDCS的性能进行了比较研究。随后在不同盐度条件下进行了微藻絮凝实验，以评估CDCS的絮凝效果，并以CCS作为对照。最后，从絮凝剂的盐度耐受性、电荷中和、絮体形态、动态絮体粒径以及絮凝剂与微藻细胞外有机物（EOM）之间的相互作用等方面详细研究了CDCS在不同盐度下收集微藻的絮凝机制。本研究的创新之处在于通过简单的制备过程实现了淀粉的疏水改性和两性电解质改性，得到了一种更高效、安全且环保的改性淀粉。同时，深入分析了这种改性淀粉的特性、盐度耐受性的原因及其良好的絮凝性能机制，为在广泛盐度介质（如咸水湖或微咸海水）中利用微藻生物质资源奠定了理论基础。

化学品

主要化学品及其纯度和品牌如下：CS（食品级，海天公司，中国）；GTA（分析级，Macklin公司，中国）；DDSA（纯度>95%，Macklin公司，中国）；牛血清白蛋白（BSA，纯度>96%，Macklin公司，中国）。此外，硫酸（H₂SO₄、盐酸（HCl）、磷酸（H₃PO₄、氢氧化钠（NaOH）、氯化钠（NaCl）、苯酚（C₆H₅OH）、无水乙醇（C₂H₅OH）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆）等化学品均为分析级。

微藻样本

微藻样本（

絮凝剂表征

图1(A)展示了CS、DCS、CCS和CDCS的微观形态。图像显示CS、DCS、CCS和CDCS颗粒均为球形或椭圆形，排列规则。其中CS和DCS的表面较为光滑，而CCS和CDCS的表面则略微粗糙不平，表明醚化和酯化改性对其颗粒结构影响较小。图1(B)展示了CS、CCS、DCS和CDCS的XRD图谱。

结论

本研究制备了一种基于阳离子琥珀酸酐的淀粉絮凝剂（CDCS），并应用于广泛盐度范围内的微藻收集。主要结论如下：(1) SEM、XRD、FTIR、¹H NMR、DS、接触角和ζ电位数据证明了CDCS在分子结构、电荷和疏水特性方面的成功改性。(2) 絮凝实验表明，CDCS在低盐度条件下的收集效率（HE）超过80%。

CRediT作者贡献声明

刘阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，实验设计，资金获取。姚慧友：撰写原始稿件，指导，资金获取，概念构思。王晨明：软件开发，方法设计，实验实施，数据管理，概念构思。杨文华：撰写 – 审稿与编辑，方法设计。赵莉：撰写 – 审稿与编辑，指导，资源协调，概念构思。韩晓：软件开发，实验实施，数据管理，概念构思。孙杰：软件支持。

未引用参考文献

[53], [54]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢四川省科技支持计划（2023YFN007、2021YFG0281）、内江科技计划项目（NJJH202324）、内江师范学院研究计划（2024ZDZ02）以及中国国家级大学生创新创业训练计划（X2025054）提供的财政支持。