超聲技術(shù)降解海洋多糖現(xiàn)狀研究

藍(lán)尉冰，李游，陳美花，張自然

(1.欽州學(xué)院，廣西 欽州 535099；2.廣西北部灣特色海產(chǎn)品資源開發(fā)與高值化利用高校重點實驗室，廣西 欽州 535099；3.廣西大學(xué)，南寧 530004；4.廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護(hù)重點實驗室/北部灣海洋生物資源開發(fā)與保護(hù)重點實驗室，廣西 欽州 535099)

我國海洋資源豐富，廣西北部灣是我國西北部地區(qū)的半封閉海灣，面積大于渤海，含有豐富的海洋資源。隨著多糖成為研究熱點，海洋多糖備受重視。但海洋多糖因其分子量過大導(dǎo)致其功能性質(zhì)受限制，故降解多糖技術(shù)成為熱潮。超聲技術(shù)被運用于多糖大分子物質(zhì)的降解方面，且已成為研究熱點。但對陸生動植物方面的研究較多，如玉米淀粉、香菇多糖、魔芋葡甘聚糖等。超聲技術(shù)在海洋多糖降解中處于較新穎的地位，且我國只有少部分沿海城市的研究機(jī)構(gòu)在使用超聲降解技術(shù)降解海洋性多糖。因此為充分應(yīng)用超聲降解技術(shù)，我們可以從原理和技術(shù)上研究在降解多糖時存在的問題，期望將此技術(shù)用于北部灣海洋多糖，擴(kuò)大被用于調(diào)味料生產(chǎn)的小分子糖如蔗糖、葡萄糖、麥芽糖等的來源，解決我國調(diào)味品資源緊缺，并帶動北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。故本文綜述了海洋性多糖的種類、超聲降解大分子物質(zhì)的基本原理、超聲降解技術(shù)優(yōu)缺點及超聲降解技術(shù)在海洋多糖中的應(yīng)用，為更好開發(fā)海洋資源提供了基礎(chǔ)。

1 海洋性多糖的種類

1.1 海洋動物多糖

魚類、貝類及甲殼類均屬于海洋動物，其機(jī)體中的所有組織器官幾乎存在有活性多糖[1]。在組織基質(zhì)和細(xì)胞間質(zhì)中，活性多糖的含量更高。隨著而定的多糖在機(jī)體中的分布并不均一，如硫酸軟骨素[2]、透明質(zhì)酸等[3]。常見海洋動物多糖有鮑魚多糖、海參多糖、海綿多糖、牡蠣多糖、扇貝多糖等[4]，海洋動物多糖所含的多聚糖及酸性粘多糖不僅用于藥物，也適用于食品及保健品中。

1.2 海洋植物多糖

海洋植物多糖，又稱為海藻多糖，含有各種高分子碳水化合物，常見的海洋植物多糖有螺旋藻多糖、褐藻多糖、紫球藻多糖等。其中應(yīng)用最為廣泛的活性多糖為卡拉膠[5]，是從紅藻等海草中提取出的混合物。卡拉膠在食品方面用于果凍生產(chǎn)、冰淇淋生產(chǎn)、軟糖生產(chǎn)等，不僅用于食品工業(yè)，也應(yīng)用于化妝品等化工工業(yè)。

1.3 海洋微生物多糖

海洋微生物十分豐富，這些多糖大多是微生物細(xì)胞外的多糖[6]，可從海泥、海水和海藻中的細(xì)菌分離出來，如革蘭式陰性菌細(xì)胞膜外的多糖[7]。常見的海洋微生物多糖有假胞單菌多糖、胞外硫酸多糖、糖胺多糖等[8]。目前，國內(nèi)外在海洋性多糖的研究上，海洋細(xì)菌多糖處于待挖掘區(qū)域，在海洋微藻多糖和海洋細(xì)菌多糖上取得成果較多。隨著不斷的研究，海洋性多糖的藥用價值被不斷發(fā)掘出來，如免疫活性等[9]。

2 超聲降解技術(shù)

2.1 超聲降解大分子的機(jī)理

超聲波是一種振動頻率大于20 kHz以上的，超出人耳聽覺上限的聲波。超聲波具有良好的方向性，極強(qiáng)的穿透能力，集中聲能，在不同介質(zhì)中傳播的距離不同。超聲降解大分子(多糖)技術(shù)機(jī)理主要是自由基理論及機(jī)械剪切作用。超聲波的機(jī)械剪切作用即空化氣泡在振蕩的過程中形成聲流，在聲流的作用下，振動氣泡表面速度梯度升高，粘滯應(yīng)力也升高，從而大分子主鏈上的碳鏈在剪切作用下斷裂，達(dá)到降解高分子的作用。超聲波的自由基理論主要為自由基的氧化還原反應(yīng)，主要是超聲波作用于液體溶劑，形成空化反應(yīng)。液相分子在頻率大于16 kHz的超聲波的輻照下，形成空化泡(空穴)，這些空穴絕熱崩潰時會產(chǎn)生高溫高壓，為自由基提供能量，并通過水分子分解反應(yīng)產(chǎn)生高氧化活性物質(zhì)，有利于誘發(fā)大分子物質(zhì)降解。超聲波的反應(yīng)結(jié)果因溶劑類型不同、形成的自由基不同而不同[10]。

2.2 超聲降解技術(shù)的優(yōu)點

海洋性多糖屬于大分子物質(zhì)，降解這類大分子物質(zhì)可以使用多種降解方法，如物理降解法。超聲降解就是屬于物理降解法中的一種，它可以降低對實驗物質(zhì)的污染及對外界環(huán)境的污染[11]。超聲降解法與其他降解法相比，在能源的利用上大大節(jié)省，耗時短，操作步驟簡單，方便操作，降解后的產(chǎn)物副產(chǎn)物少，對實驗結(jié)論影響較小等。超聲降解技術(shù)還可與其他降解技術(shù)相結(jié)合，已達(dá)到最佳的實驗效果，如利用超聲波對物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)一步酶降解的木質(zhì)纖維的工藝研究[12]；利用超聲波降解玉米皮纖維進(jìn)行優(yōu)化等[13]。

2.3 超聲降解技術(shù)的缺點

超聲降解技術(shù)存在很多影響因素，自身的因素有超聲頻率、聲能強(qiáng)度和聲壓振幅，這3個因素都是通過影響空化效率而影響降解。除了自身因素外，超聲降解受物質(zhì)性質(zhì)的影響，如：空化氣體、溶液pH、粘滯系數(shù)、表面張力系數(shù)、溶液溫度和超聲化學(xué)反應(yīng)器類型等。此外，超聲降解技術(shù)仍在基礎(chǔ)研究階段，只有部分進(jìn)行實際應(yīng)用，在國內(nèi)外對該技術(shù)的熟悉程度遠(yuǎn)低于其他降解技術(shù)，在這方面只有少數(shù)研究所和實驗室在進(jìn)行試驗和研究，并且在超聲化學(xué)反應(yīng)器的造價成本上，也高于其他降解技術(shù)。

3 超聲降解在海洋性多糖的應(yīng)用

海洋中存在豐富的資源，許多天然活性多糖分布在豐富的海洋資源中。多糖是人體新陳代謝時必不可少的營養(yǎng)元素。近幾年，超聲降解海洋性多糖逐漸成為研究的熱點，如胡尊麗等[14]研究超聲波降解海帶硫酸化多糖的降解工藝，結(jié)果表明：超聲波功率為200 W，多糖濃度為1 mg/mL，降解時間為15 min時對海帶硫酸化多糖的降解工藝為最優(yōu)工藝；劉梅等[15]研究降解紫球藻胞外多糖時，超聲波的影響因素，一多糖粘度的值為參考，獲得最優(yōu)的條件，結(jié)果表明：采用振幅39%、處理時間245 s、脈沖9.5 s超聲波處理，對多糖粘度有顯著降低的效果；美國研究超聲降解肉參巖藻聚糖硫酸酯的降解規(guī)律等，結(jié)果表明：最佳溫度為7.83 ℃，超聲場強(qiáng)為469 W/cm2或12 ℃，508 W/cm2時，對多糖的降解效果最佳。除此之外，超聲波降解技術(shù)在海洋性多糖中的應(yīng)用還有很多[16]，降解條斑紫菜多糖、硫酸軟骨素等，隨著對海洋的不斷探索，對海洋多糖的探索也在不斷擴(kuò)大，超聲降解技術(shù)也被更多地運用。

4 總結(jié)與展望

多糖的降解及其產(chǎn)物在醫(yī)學(xué)、食品、化妝品等領(lǐng)域的前景十分廣闊。由于海洋生物多樣，海洋多糖呈現(xiàn)多樣性，從各種海洋生物中提取多糖也在不斷地研究。海洋多糖因其分子量過大會導(dǎo)致其功能性質(zhì)受限制，造成海洋多糖高值化利用還處于低時期。超聲降解技術(shù)具有無二次污染、綠色高效、操作簡單等特點，在對海洋性多糖的降解上有巨大的發(fā)展前景，國內(nèi)外科研人員都在不斷摸索超聲降解多糖技術(shù)。北部灣作為西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，更應(yīng)該投入研究海洋資源，從海洋中提取海洋性多糖，期望將超聲技術(shù)用于北部灣海洋多糖，擴(kuò)大被用于調(diào)味料生產(chǎn)的小分子糖如蔗糖、葡萄糖、麥芽糖等的來源，解決我國調(diào)味品資源緊缺，并帶動北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，為更好開發(fā)海洋資源提供基礎(chǔ)。

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