卡拉膠與瓊膠提取工藝的研究進(jìn)展

汪春牛, 時(shí) 杰, 葛思思, 劉洋洋, 劉平懷

(1. 海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院 海南優(yōu)勢(shì)資源化工材料應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 ?？?570228;2. 海南省藥物研究所, 海南 ?？?570311)

卡拉膠與瓊膠提取工藝的研究進(jìn)展

Progress of extraction of the carrageenan and agar

汪春牛1, 時(shí) 杰1, 葛思思1, 劉洋洋2, 劉平懷1

(1. 海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院 海南優(yōu)勢(shì)資源化工材料應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 ?？?570228;2. 海南省藥物研究所, 海南 ?？?570311)

卡拉膠(carrageenan)與瓊膠(agar)均屬紅藻多糖,是構(gòu)成某些紅藻細(xì)胞壁的主要成分?？ɡz多從麒麟菜(Euchenma)、角叉菜(Chondrus)、沙菜(Hypneaceae)中提取獲得, 瓊膠從江蘺(Gracilaria)等海藻中提取獲得?？ɡz與瓊膠均具有良好的膠凝性, 由于這種特性使其在食品、醫(yī)藥、化工方面有著廣泛的應(yīng)用, 其降解產(chǎn)物具有明顯的抗氧化[1-2]、抗病毒[3-4]、抗結(jié)石[5]、免疫調(diào)節(jié)[6]等生物活性[7-8]。

卡拉膠是由(1→3)-β-D-半乳糖和(1→4)-α-D-半乳糖交替連接而成的硫酸線性多糖。瓊膠是由(1→3)-β-D-半乳糖和(1→4)-3,6-內(nèi)醚-α-L-半乳糖交替連接構(gòu)成的硫酸線性多糖?？ɡz與瓊膠的一般提取工藝是： 原料→堿處理→洗滌至中性→酸化漂白→提膠→過濾→冷卻→切條→凍結(jié)脫水→解凍→干燥→成品。影響卡拉膠與瓊膠的膠凝性能及提取率的最重要的步驟分別是堿處理、酸化漂白、提膠、脫水干燥。本研究總結(jié)了這四個(gè)步驟對(duì)卡拉膠與瓊膠提取的產(chǎn)率與品質(zhì)的影響, 為進(jìn)一步開發(fā)更優(yōu)的提取工藝提供參考。

1 堿處理工藝對(duì)提取結(jié)果的影響

1.1 堿處理工藝對(duì)卡拉膠提取結(jié)果的影響

堿處理工藝是瓊膠與卡拉膠兩者提取工藝中最重要的工藝步驟之一。卡拉膠生產(chǎn)中, 堿處理的目的是使麒麟菜膠體中的1,4-連接的D-半乳糖-6-硫酸酯脫去C6上的硫酸基轉(zhuǎn)變?yōu)?,4-連接的3,6-內(nèi)醚-D半乳糖, 促使μ-卡拉膠轉(zhuǎn)變?yōu)棣?卡拉膠, 或使ν-卡拉膠轉(zhuǎn)變?yōu)棣?卡拉膠, 提高了卡拉膠的凝膠強(qiáng)度, 改進(jìn)了卡拉膠的性能, 故亦稱為“堿改性”。此外, 堿處理還可以破壞麒麟菜中的色素和蛋白質(zhì), 對(duì)提高膠的質(zhì)量有利。張其標(biāo)[9]在研究耳突麒麟菜卡拉膠提取工藝條件的優(yōu)化選擇時(shí)提出用稀 NaOH-KCl混合處理耳突麒麟菜, 得出在有 KCl時(shí), 可避免藻體在煮膠前出膠, 得率低, 堿無法回收等現(xiàn)象。堿處理過程中,影響堿處理效果的三個(gè)重要的因素是堿處理時(shí)間、溫度、堿濃度。一般來說, 都必須對(duì)這三個(gè)因素作正交試驗(yàn), 得出最優(yōu)的堿處理?xiàng)l件, Pelegrin等[10]用1%KOH、3 h的堿處理Euchenma isiforme得到較高質(zhì)量的卡拉膠。李春海等[11]在對(duì)卡拉膠工業(yè)生產(chǎn)中堿改性的參數(shù)作了優(yōu)化, 研究表明在其堿改性過程中堿濃度對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響最大, 而溫度對(duì)產(chǎn)率的影響最大, 因此在工業(yè)生產(chǎn)中必須找到最優(yōu)工藝參數(shù)。李春海等[12]還對(duì)堿處理過程中使用 KOH替代NaOH處理麒麟菜, 提出了其最佳工藝參數(shù), 其卡拉膠凝膠強(qiáng)度高達(dá)1 450 g/cm2, 收率接近30%。許加超[13]也對(duì)使用 KOH處理麒麟菜提高卡拉膠產(chǎn)率作了研究, 認(rèn)為在用KOH 代替NaOH處理麒麟菜, 可降低成本提高產(chǎn)率。因?yàn)樵谟?NaOH溶液處理麒麟菜, 每處理若干批就扔掉廢堿液一批, 而 KOH溶液處理麒麟菜, 其堿液可以循環(huán)使用, 故其堿液消耗費(fèi)用較低且盡量避免廢堿液污染環(huán)境。劉芳等[14]對(duì)卡拉膠生產(chǎn)中堿處理工藝的作用機(jī)理進(jìn)行了研究,并觀察了堿處理前后藻體的微觀結(jié)構(gòu)的變化, 堿處理藻體后其表面凸凹不平, 使得其蠟質(zhì)薄層被溶解,一些小分子纖維素、色素、膠質(zhì)等被溶出。從分子機(jī)理上來看, 經(jīng)過堿處理后的卡拉膠分子鏈上半乳糖-6-硫酸酯脫去硫酸基轉(zhuǎn)變?yōu)?3,6-內(nèi)醚-半乳糖殘基。堿處理時(shí)所用堿試劑對(duì)卡拉膠分子結(jié)構(gòu)修飾后,明顯地提高了卡拉膠凝膠強(qiáng)度。

1.2 堿處理工藝對(duì)瓊膠提取結(jié)果的影響

堿處理也是從江蘺中提取瓊膠必要的工序之一。早在20世紀(jì)80年代, 史升耀等[15]就討論過堿處理對(duì)瓊膠質(zhì)和量的影響, 比較了冷堿處理和熱堿處理, 證明了不管在凝膠強(qiáng)度方面還是在產(chǎn)率方面,冷堿處理法都要比熱堿處理法優(yōu)越。戚勃等[16]優(yōu)化了冷堿處理?xiàng)l件, 通過均勻設(shè)計(jì)方法確定龍須菜提取堿處理三因素與凝膠強(qiáng)度的定量關(guān)系, 根據(jù)所擬合的回歸方程調(diào)整工藝參數(shù)達(dá)到提取高質(zhì)量瓊膠的目的。穆凱峰等[17]用高溫稀堿法提取壇紫菜瓊膠, 探討了堿濃度4%, 溫度80℃, 處理3 h條件下能得到較理想的提取產(chǎn)率。趙謀明[18-20]也對(duì)江蘺瓊膠加工過程中堿處理做了大量研究。比較了堿處理前后江蘺瓊膠的理化性質(zhì), 化學(xué)結(jié)構(gòu), 組成方面的變化, 高溫稀堿法處理 8份不同種類及不同產(chǎn)地的江蘺, 所得瓊膠的凝膠強(qiáng)度平均提高 12.3倍, 硫酸基含量平均減少67.0%。凝固點(diǎn)和融點(diǎn)分別提高了4.5℃和8.6℃。通過相關(guān)顯著性分析, 探討了瓊膠強(qiáng)度與硫酸基含量呈顯著的負(fù)相關(guān), 與堿處理前后 3,6-內(nèi)醚半乳糖(3,6-AG)增加幅度、硫酸基含量減少幅度呈顯著的正相關(guān)。Pacheco 等[21]、Arvizu-Higuera 等[22]、Kumar等[23]通過改變堿處理時(shí)間、溫度、堿濃度三個(gè)變量觀察堿處理對(duì)瓊膠性質(zhì)及產(chǎn)率的影響, 并對(duì)瓊膠提取工藝作了優(yōu)化, 所得瓊膠質(zhì)和量都很理想?？傊?卡拉膠與瓊膠的提取時(shí)堿處理工藝最重要的目的是增強(qiáng)其凝固性, 使其在堿處理后凝膠強(qiáng)度、凝固點(diǎn)、融點(diǎn)都有較大程度的提高。這些指標(biāo)提高的幅度大小除了與藻體結(jié)構(gòu)特征、卡拉膠與瓊膠分子的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)外, 其堿處理工藝則是關(guān)鍵的因素。

2 酸化漂白對(duì)提取結(jié)果的影響

酸化漂白是麒麟菜卡拉膠和江蘺瓊膠生產(chǎn)中必不可少的工序, 它不僅影響產(chǎn)品的外觀色澤, 而且對(duì)卡拉膠和瓊膠產(chǎn)品的凝膠強(qiáng)度和提膠率也有很大的影響。藻體中一小部分色素盡管在堿處理過程中即被除去, 但仍剩下大部分殘留色素, 有必要通過酸化漂白除去。與此同時(shí)酸化漂白又易使瓊膠或卡拉膠分子結(jié)構(gòu)破壞, 凝膠強(qiáng)度降低。此兩者之間的矛盾急需解決。

2.1 酸化漂白工藝對(duì)卡拉膠提取結(jié)果的影響

卡拉膠提取時(shí)酸化漂白的步驟同瓊膠大致相同,黃家康等[24]在研究沙菜卡拉膠漂白工藝時(shí), 得出了在其酸化漂白工藝環(huán)節(jié)中用H2C2O4再次酸化漂白步驟, 可以綜合兼顧到卡拉膠產(chǎn)品的色澤、出膠率和凝膠強(qiáng)度。且得出H2C2O4比HCl的酸化效果要好, 酸化液只在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)出膠率有提高作用。

2.2 酸化漂白工藝對(duì)瓊膠提取結(jié)果的影響

趙謀明等[25]用 NaClO漂白法和 H2O2漂白法對(duì)江蘺進(jìn)行了漂白工藝和機(jī)理的研究, 得出兩種漂白方法均需在弱堿性條件下先漂白后酸化, 既容易出膠和達(dá)到好的漂白白度, 又能避免漂白過程中瓊膠分子結(jié)構(gòu)的破壞, 獲得凝膠強(qiáng)度非常高的瓊膠。蔡鷹等[26]研究了草酸在江蘺藻漂白中的應(yīng)用。提出了在NaClO漂白法中先用NaClO漂白酸化后再用草酸進(jìn)行二次酸化處理, 能得到較高凝膠強(qiáng)度和較好白度的瓊膠。同時(shí)又比較了 HCl,H2SO4,H2C2O4三種酸化液對(duì)江蘺藻出膠率及凝膠強(qiáng)度的影響, 得出在較低濃度酸化液酸化情況下,H2C2O4的效果最好。

酸化漂白工藝中, 除了主要考慮酸化漂白先后順序及漂白液的選取問題, 還要考慮到漂白液的不同清洗方法對(duì)提取瓊膠的影響。黃家康等[27]針對(duì)江蘺瓊膠加工過程中漂白液清洗方式不當(dāng)而造成的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定, 提出了反沖和噴淋相結(jié)合的清洗方法, 可以明顯提高出膠率和瓊膠凝膠強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)得出清洗液排放速度應(yīng)在6 L/s時(shí)江蘺漂白處理效果最理想。靳艷等[28]采用光能漂泊工藝從海洋紅藻中提取瓊膠, 與傳統(tǒng)的 NaClO漂白法相比較, 減少了漂白過程中含氯廢水的排放及對(duì)操作人員造成的健康危害。采用光能漂白工藝可降低反應(yīng)中堿的濃度, 降低成本, 得到的高質(zhì)量的瓊膠。Zhang等[29]提出了一種生態(tài)友好型的光漂白工藝, 相比化學(xué)漂白方法, 此法從江蘺中提取得到的瓊膠凝膠強(qiáng)度最高。

3 不同提膠方法對(duì)提取結(jié)果的影響

提膠最常用的方法是恒溫水浴提取法, Brasch等[30]研究認(rèn)為恒溫水浴提取法從江蘺中提取的瓊膠凝膠強(qiáng)度較低, 為了盡量增加提膠率和凝膠強(qiáng)度,還可以采用微波輔助提膠、超聲波輔助提膠、蒸汽高壓提膠、空氣高壓提膠等方法。

3.1 不同提膠方法對(duì)卡拉膠提取結(jié)果的影響

湯毅珊等[31]研究了麒麟菜高壓空氣提膠和高壓蒸汽提膠兩種新工藝, 發(fā)現(xiàn)蒸汽高壓提膠產(chǎn)率不如常壓提膠高且凝膠強(qiáng)度下降較大, 而空氣高壓可以在較短的時(shí)間達(dá)到較高的產(chǎn)率。這可能是與蒸汽高壓提膠時(shí)溫度較高, 而在空氣高壓提膠時(shí)溫度較低有關(guān), 且空氣高壓提膠法是在不破壞卡拉膠分子結(jié)構(gòu)的情形下破壞藻體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和加速了傳質(zhì)進(jìn)程。

3.2 不同提膠方法對(duì)瓊膠提取結(jié)果的影響

Marinho-Soriano等[32]研究發(fā)現(xiàn)江蘺提膠率和瓊膠質(zhì)量好壞與江蘺采摘季節(jié)有很大的關(guān)系。用春季收獲的江蘺提取瓊膠, 提膠率最大。而在秋季則最小。Romero等[33]分析了江蘺儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)提取瓊膠的質(zhì)量的影響, 認(rèn)為儲(chǔ)存三個(gè)月后的江蘺所提取的瓊膠質(zhì)量為最佳。Rodriguez等[34]分析了在室溫、70℃、90℃三種溫度條件下江蘺恒溫水浴提取物含量和結(jié)構(gòu), 由13C質(zhì)譜分析得出 70℃下提取物主要為瓊膠, 并特別提出紅藻淀粉是瓊膠凝膠強(qiáng)度大小的主要影響物。薛志欣等[35]針對(duì)龍須菜提取瓊膠比較了幾種不同提取方法的提取效果, 得出高壓鍋提取法較恒溫水浴提取法、沸水冷凝回流提取法提取瓊膠時(shí)產(chǎn)率高很多, 很明顯提取溫度、沸水的氣泡攪拌對(duì)提高瓊膠的出膠率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。微波輔助或超聲輔助提膠對(duì)提膠率貢獻(xiàn)很大, 因其是在微波或超聲波處理后, 再用高壓鍋提取, 較僅使用高壓鍋法效果顯著。其中微波輔助提膠要比超聲波輔助提膠效果好, 這可能與其發(fā)生器的功率有關(guān)。Sousa等[36]利用微波輔助提取法提取瓊膠, 設(shè)計(jì)不同微波提取參數(shù)提膠, 并用響應(yīng)面分析法分析得出微波輔助提膠法優(yōu)于恒溫水浴法。趙謀明等[37]優(yōu)化了空氣壓力法提取瓊膠的工藝, 在其優(yōu)化后的條件下比較了蒸汽壓力提膠法、空氣壓力提膠法、常壓提膠法三種方法提膠效果, 得出空氣壓力提膠法在提膠率和凝膠強(qiáng)度上均高于蒸汽壓力提膠法和常壓提膠法。而對(duì)三種提膠方法所提藻體的微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn), 提膠前后對(duì)藻體的破壞程度由大到小依次是蒸汽壓力提膠法、空氣壓力提膠法、常壓提膠法。綜合考慮, 空氣壓力提膠法是一種出膠率高,提膠時(shí)間短, 對(duì)瓊膠分子結(jié)構(gòu)和藻體破壞性小的新方法。

4 脫水干燥工藝對(duì)提取結(jié)果的影響

提膠之后過濾所獲得的膠液放置冷卻, 再進(jìn)行脫水干燥。脫水的方式有多種, 如壓榨脫水法、轉(zhuǎn)鼓脫水法、凍結(jié)融化脫水法、冷凍干燥法等, 但使用壓榨脫水法和轉(zhuǎn)鼓脫水法時(shí)雜質(zhì)不易除去, 冷凍干燥法成本則很高?，F(xiàn)可采用先凍結(jié), 后低溫水漂解凍,再烘干即凍結(jié)融化脫水法來代替冷凍干燥法。凍結(jié)融化脫水法一般需要在-20～-15℃凍結(jié)30～48 h再流水快速解凍除去雜質(zhì)。

4.1 脫水干燥工藝對(duì)卡拉膠提取結(jié)果的影響

在卡拉膠脫水干燥工藝中, 為了使卡拉膠凝聚達(dá)到除去水分的目的, 可使過濾后的卡拉膠溶液,冷卻后與氯化鉀溶液反應(yīng)。分離出的卡拉膠凍再進(jìn)一步脫水干燥就更容易控制與操作。而酒精脫水法亦是一種很好的脫水方法, 所用的酒精主要為異丙醇。韓國(guó)華等[38]報(bào)道了從刺生麒麟菜中提取卡拉膠時(shí)將精濾好的膠液與1.5倍95%酒精混合而沉淀。達(dá)到脫水的目的。李春海等[11]做卡拉膠工業(yè)生產(chǎn)中堿改性的參數(shù)優(yōu)化研究時(shí), 其工藝流程中也采用了酒精脫水的方法, 并提出加入適量的 KCl可以減少酒精的用量, 濾出的沉淀置烘箱干燥即可。劉婉嬌等[39]以麒麟菜為原料探索提取卡拉膠的最佳生產(chǎn)路線,脫水工藝也采用異丙醇沉淀卡拉膠, 再通過篩網(wǎng)干燥機(jī)干燥獲得卡拉膠產(chǎn)品。

4.2 脫水干燥工藝對(duì)瓊膠提取結(jié)果的影響

在瓊膠的脫水干燥工藝中, 綜合考慮能耗和除雜效果, 一般也都是采用凍結(jié)融化脫水法。

5 展望

卡拉膠與瓊膠提取過程中, 各個(gè)工序所用方法和條件都必須通過實(shí)驗(yàn)摸索, 才能得出最優(yōu)的提取方案。堿處理工藝是影響卡拉膠與瓊膠質(zhì)量的最關(guān)鍵工序, 一般而言, 提膠率越高, 硫酸基質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高, 硫酸基質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高則可以說明其凝膠強(qiáng)度越低。而衡量提取膠體的效果好壞不僅要看提膠率還要看膠體的凝膠強(qiáng)度, 目前所采用的高溫稀堿法來進(jìn)行堿處理則可以避免因消耗堿液量過大而嚴(yán)重污染環(huán)境, 同時(shí)高溫稀堿法可縮短生產(chǎn)周期, 但高溫稀堿法一定程度上能造成膠質(zhì)的損失。利用細(xì)菌降解聯(lián)合稀堿處理藻體亦可以提高膠體產(chǎn)品的質(zhì)量,潘蓉英等[40]研究利用常溫低堿處理和耐堿性食纖菌降解江蘺藻體表層相結(jié)合來提高所提瓊膠質(zhì)量。如果能合理控制影響堿處理的各個(gè)因素(時(shí)間、溫度、堿濃度等), 高產(chǎn)率和高質(zhì)量的膠體是完全可以提取獲得的。酸化漂白工藝首要解決的是膠體色澤與凝膠強(qiáng)度之間的矛盾, 如果采用 NaClO漂白法時(shí), 可選擇先在弱堿條件下漂白后再酸化的漂白工藝, 此工藝比在強(qiáng)酸條件下直接漂白時(shí)的提膠率和凝膠強(qiáng)度都要高。除此, 有 H2O2法、KMnO4法亦能接近NaClO 漂白法的效果, 選擇合理的漂白工藝, 并優(yōu)化漂白工藝條件(漂白液濃度、酸度和漂白時(shí)間)可以解決好膠體色澤與凝膠強(qiáng)度之間的矛盾。在提膠工藝中, 空氣高壓提膠法在幾種不同的提膠方法中最優(yōu), 其出膠率高, 提膠時(shí)間短, 且對(duì)藻體破壞少, 便于過濾操作。脫水干燥工藝也應(yīng)在綜合考慮雜質(zhì)含量和能耗后, 選擇合適的脫水干燥法。現(xiàn)階段也有利用復(fù)合酶在溫和的條件下破壞藻體細(xì)胞壁從而提取卡拉膠與瓊膠。隨著提取技術(shù)和方法的不斷進(jìn)步, 卡拉膠與瓊膠的提取工藝也在不斷發(fā)展, 從某些紅藻中提取得到的卡拉膠或瓊膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高, 最終使卡拉膠與瓊膠的生產(chǎn)滿足人類的各項(xiàng)需要。

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A

1000-3096(2012)06-0122-05

2010-12-19;

2011-12-24

海南省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(06202)

汪春牛(1985-), 男, 安徽安慶人, 碩士研究生, 研究方向：海洋生物制藥, 電話： 0898-66291892, E-mail： wchn1985@gmail.com;劉平懷, 通信作者, 教授, E-mail： twlph@163.com

(本文編輯：康亦兼)