紅藻伊谷草制備高強度瓊脂的工藝優(yōu)化

張學勤，肖美添，葉靜，黃雅燕

（華僑大學 化工學院，福建 廈門361021）

瓊脂（Agar）是從紅藻門海洋植物中提取的多糖體，具有優(yōu)良的凝膠、增稠和穩(wěn)定性能，可用作增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、保鮮劑、粘合劑、生物培養(yǎng)基和微生物載體，廣泛應用于食品、日用化工、輕工、醫(yī)藥等領域［1］.最新的食品安全國家標準GB 1975-2010《食品安全國家標準 食品添加劑瓊脂（瓊膠）》將瓊脂分為低、中、高、超高強度瓊脂4個規(guī)格［2］.目前，瓊脂產(chǎn)業(yè)總體來看呈現(xiàn)利潤可觀和供不應求的局面，但我國瓊脂加工行業(yè)的發(fā)展卻受到原料供應不足和品質(zhì)相差懸殊的嚴重制約.江蘺是生產(chǎn)瓊脂的主要原料［3］，雖然我國多個海區(qū)有養(yǎng)殖，但其生長是季節(jié)性的，產(chǎn)量有限.近年來，海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)如鮑魚養(yǎng)殖的迅猛發(fā)展，需要大量江蘺作飼料，嚴重沖擊瓊脂生產(chǎn)企業(yè)的江蘺原料供應.原料嚴重不足，迫使我國瓊脂加工行業(yè)開發(fā)利用新的海藻資源來滿足瓊脂日益增長的市場需求.紅藻門海洋植物伊谷草（Ahnfeltiatobuchiensis）是提取生產(chǎn)高強度瓊脂的良好原料，在俄羅斯、日本、朝鮮等近海沿岸天然生長，容易獲得，價格也較江蘺低［4］.在生產(chǎn)瓊脂的原料緊缺情況下，伊谷草作為原料提取瓊脂無異于一個很好的出路，而且伊谷草提取的瓊脂硫酸基含量較低，可望得到高強度瓊脂［5］.俄羅斯有少量關于用伊谷草提取瓊脂的文獻記載［5］，而國內(nèi)則未見報道.本文通過單因素考察和正交試驗對伊谷草提取瓊脂的關鍵步驟進行工藝考察和優(yōu)化，得到最佳的堿處理和提膠工藝條件.

1 實驗方法

1.1 儀器

L50-M11536型凝膠強度測定儀（福建泉州市萬達實驗儀器設備有限公司）；DFT-250型手提式中藥粉碎機（山東青州市三寶中藥機械廠）；AE-240型電子天平（瑞士梅特勒公司）.

1.2 試藥

氫氧化鈉（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；鹽酸，次氯酸鈉（分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司）；活性炭（80～100目，分析純，天津科密歐化學試劑公司）.

1.3 伊谷草高強度瓊脂的提取工藝

取40g洗凈晾干的伊谷草，置于800mL，一定質(zhì)量分數(shù)的堿（實驗采用氫氧化鈉，下同）溶液中，并在一定溫度下進行堿處理；若干小時后過濾，棄去濾液，藻體用清水洗凈，加入600mL 蒸餾水加熱煮沸提膠；提膠若干小時后過濾，濾渣棄去，濾液趁熱加入適量活性炭進行脫色處理后，過濾除去活性炭，濾液室溫冷卻凝固后經(jīng)切片、冷凍、解凍脫水、干燥、粉碎等步驟，可得瓊脂產(chǎn)品.

1.4 凝膠強度和提取率的測定

凝膠強度（P）依據(jù)GB 1975-2010《食品安全國家標準 食品添加劑 瓊脂（瓊膠）》的方法［2］進行測定；提取率（η）為從海藻中提取的瓊脂質(zhì)量與海藻質(zhì)量比.

2 結(jié)果與討論

2.1 影響伊谷草瓊脂凝膠強度和提取率的因素

2.1.1 堿質(zhì)量分數(shù) 在堿處理溫度為70℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10g·L-1條件下，考察不同氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)（w）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖1所示.由圖1可知：瓊脂的凝膠強度隨著氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小，在氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%時達到最大值1 381g·cm-2；堿質(zhì)量分數(shù)在6.0%以上，瓊脂的凝膠強度均能達到超高強度瓊脂的要求［2］.由圖1還可知：提取率和凝膠強度的變化規(guī)律基本一致，在氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%和10.0%時，提取率分別為10.22%和10.15%.因此，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%和10.0%左右為宜.

堿處理的目的是促使藻體細胞壁產(chǎn)生裂紋，使細胞內(nèi)的色素和硫酸基雜質(zhì)溶出而被去除［6］.這一方面可以提高瓊脂的純度，保證高的凝膠強度；另一方面，細胞壁的破裂有助于提膠時瓊脂的溶出，但堿質(zhì)量分數(shù)過大會導致瓊酯分子的降解，凝膠強度和提取率都隨之下降.

2.1.2 堿處理溫度 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理時間為2.0h，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同堿處理溫度（θ）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖2所示.從圖2中可知：堿處理溫度在80℃時，瓊脂的凝膠強度最大，提取率也達到最大值.適宜的溫度有利于去除藻體中的色素、硫酸基等雜質(zhì)，避免瓊脂分子的降解和損失，從而提高瓊脂的提取率和凝膠強度.

圖1 堿質(zhì)量分數(shù)對瓊脂凝膠強度和提取率的影響Fig.1 Influence of alkali concentrations on gel strength and agar yield

圖2 堿處理溫度對凝膠強度和提取率的影響Fig.2 Influence of alkali solution temperatures on gel strength and agar yield

2.1.3 堿處理時間 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理溫度為80℃，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同堿處理時間（t1）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖3所示.由圖3可知：當堿處理時間為1.0h時，凝膠強度和提取率均較低；堿處理時間增至2.0h時，凝膠強度和提取率均有大幅度的上升，并且都達到峰值；繼續(xù)延長堿處理時間，凝膠強度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，提取率下降明顯.這說明在堿質(zhì)量分數(shù)為8.0%，堿處理時間為2.0h的時候，藻體細胞中的色素、硫酸基等雜質(zhì)基本溶解到堿液中，再延長堿處理時間會導致瓊脂降解，使凝膠強度和提取率的大幅度下降.

2.1.4 提膠時間 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同提膠時間（t2）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖4所示.由圖4可知：隨著提膠時間的增加，凝膠強度先下降后趨于平緩，但均大于1 300g·cm-2；提膠時間由0.5h延長至2.0h，瓊脂提取率由8.5%上升至13.8%；提膠時間為2.0h以后，提取率的增加趨于平緩.延長提膠時間可以提高提取率，但同時也會使部分瓊脂降解導致凝膠強度降低.在滿足超高強度瓊脂凝膠強度的要求下，提取率的提高有利于實現(xiàn)更大的經(jīng)濟價值.綜合考慮提取率和能耗，可選取3h左右為適宜的提膠時間.

圖3 堿處理時間對凝膠強度及提取率的影響Fig.3 Influence of alkali digestion times on gel strength and agar yield

圖4 提膠時間對凝膠強度及提取率的影響 Fig.4 Influence of extraction times on gel strength and agar yield

2.2 正交實驗

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果可以看出，堿質(zhì)量分數(shù)、堿處理溫度、堿處理時間及提膠時間對瓊脂的提取率有較大的影響 .因此，結(jié)合上述的單因素試驗結(jié)果，以堿質(zhì)量分數(shù)（A）、堿處理溫度（B）、堿處理時間（C）及提膠時間（D）為因素，選用L9（34）正交實驗表（表1）設計正交實驗，對伊谷草提取超高強度瓊脂進行工藝優(yōu)化.表2為實驗結(jié)果 .鑒于在適宜的工藝條件下，伊谷草瓊脂產(chǎn)品的凝膠強度均能達到國家標準中對超高強度瓊脂的要求，因此，以提取率為指標進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表3所示.

表1 正交水平因素表Tab.1 Orthogonal level factors table

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Result of orthogonal text

由表3可知：提取率的優(yōu)方案為D2B2A3C2，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為3.0h.然而，此優(yōu)方案并不包含在正交方案已做過的9個實驗中，已做過的9個實驗中提取率最大的是第8號實驗，其實驗方案是D3B2A3C1.

表3 提取率的正交試驗結(jié)果分析Tab.3 Results analysis of orthogonal test of extraction rate

因此，需要對優(yōu)化方案做進一步驗證試驗.結(jié)果表明：優(yōu)方案為D2B2A3C2，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0 h，提膠時間為3.0h，瓊脂的提取率為13.87%，凝膠強度為1 428g·cm-2；而8號實驗方案D3B2A3C1，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為1.0h，提膠時間為4.0h，瓊脂的提取率為13.32%，凝膠強度為1 370g·cm-2.

驗證試驗的結(jié)果表明：優(yōu)方案（D2B2A3C2）的瓊脂提取率高于8號實驗，且瓊脂凝膠強度也有所提高，符合超高強度瓊脂的要求.綜合考慮，經(jīng)正交試驗得到的堿處理及提膠階段最佳工藝條件：堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為3.0h.

3 結(jié)束語

實驗對紅藻伊谷草提取制備高強度瓊脂進行工藝優(yōu)化，通過單因素實驗和正交試驗確定了最佳工藝條件，即堿（NaOH）質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間3.0h.在該工藝條件下，伊谷草瓊脂的提取率最高為13.87%，產(chǎn)品的凝膠強度可高達1 428g·cm-2，超過國家標準對于超高強度瓊脂的要求.該實驗結(jié)果對開發(fā)利用新的海藻資源滿足市場上日益增長的瓊脂需求具有一定的指導意義，后續(xù)的放大實驗正在研究中.

［1］ 中華人民共和國衛(wèi)生部藥典委員會.中華人民共和國藥典（二部）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005：911.

［2］ 中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 1975-2010食品安全國家標準 食品添加劑 瓊脂（瓊膠）［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［3］ 吳湛霞，董靜靜，李思東，等.國內(nèi)江蘺提取瓊膠加工工藝的研究進展［J］.廣西輕工業(yè)，2010，26（9）：19-20，22.

［4］ 李名族.朝鮮贈送我國的一批伊谷草在旅大市試養(yǎng)［J］.中國水產(chǎn)，1959（24）：17.

［5］ SUKHOVERKHOV S V，KADNIKOVA I A，PODKORYTOVA A V.Production of agar and agarose from the red alga ahnfeltia tobuchiensis［J］.Applied Biochemistry and Microbiology，2000，36（2）：201-203.

［6］ 趙謀明.江蘺瓊膠加工中堿處理的作用及機理［J］.食品科學，1991（11）：14-17.