潘若才 王兵兵 趙 衛(wèi) 龍曉靜 朱嘉琳 朱順生 姚久勇 李 凱 夏延致

(青島大學(xué)纖維新材料與現(xiàn)代紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 青島 266071)

海藻酸鹽是一種天然陰離子聚合物, 它是海藻酸與金屬陽(yáng)離子結(jié)合形成的水溶性的海藻酸鈉、海藻酸鉀和水不溶性的海藻酸鈣及其它二價(jià)或二價(jià)以上的金屬離子的線性高分子聚合物(Gomezet al, 2009)。因其具有良好的生物相容性, 易于凝膠化, 在醫(yī)用敷料、藥物傳輸和生物組織工程中有諸多應(yīng)用(Leeet al,2012)。近年來(lái), 由水溶性海藻酸鈉通過(guò)濕法紡絲制得的海藻纖維因具有良好的本質(zhì)自阻燃性和舒適性,作為環(huán)境友好型天然生物質(zhì)材料, 在服裝面料方面應(yīng)用前景廣闊(王兵兵等, 2011)。

海藻酸鹽主要存在于褐藻綱(Phaeophyceae)植物的細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞壁中, 是褐藻綱藻類(lèi)植物海藻多糖最主要的存在形式, 其生物學(xué)功能主要是為褐藻細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐和參與離子交換(Percival, 1979)。海藻酸鹽的含量因褐藻品種、收獲時(shí)間、生長(zhǎng)地域的不同而有所差異, 一般占褐藻干重的10%—30% (濕重, wt%), 海帶中海藻酸鹽含量一般為25%左右(紀(jì)明侯, 1997; Murakamiet al, 2011; Wijesingheet al,2012)。由于海帶產(chǎn)量豐富, 價(jià)格低廉, 海藻酸鹽含量高, 使其成為海藻酸鹽主要的原料來(lái)源。

我國(guó)海帶產(chǎn)量豐富, 2010年海帶年產(chǎn)量達(dá)到88.4萬(wàn)噸(以干重計(jì)), 占我國(guó)海藻總產(chǎn)量的57.3%, 海帶養(yǎng)殖區(qū)域主要集中在山東、福建、遼寧等地。2010年我國(guó)藻類(lèi)加工品產(chǎn)量達(dá)到94.6萬(wàn)噸, 其中過(guò)半產(chǎn)品均被加工成淡干海帶(李曉川, 2012)。淡干海帶便于運(yùn)輸儲(chǔ)存, 加工時(shí)經(jīng)過(guò)淡水浸洗處理, 但是浸洗對(duì)海藻酸鈉的提取產(chǎn)量有無(wú)影響, 相關(guān)方面的研究較少。本文以山東長(zhǎng)島海帶作為實(shí)驗(yàn)樣品, 研究了海帶中的主要金屬元素組成, 對(duì)海帶浸洗前后金屬元素含量及海藻酸根離子(Alg-COO–)含量作了比較, 并計(jì)算出浸洗之后海帶中海藻酸鹽的組成, 通過(guò)XRD(X-Ray Diffraction, X射線衍射)測(cè)試首次確認(rèn)了通過(guò)浸洗可除去海帶中的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與樣品

海帶為6月份收獲的山東長(zhǎng)島淡干海帶, 所用實(shí)驗(yàn)材料為: 無(wú)水碳酸鈉(國(guó)藥集團(tuán), 分析純), 鹽酸(國(guó)藥集團(tuán), 分析純), 次氯酸鈉(光華化學(xué)廠, 分析純),甲醛(光華化學(xué)廠, 分析純), 氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán), 分析純), 無(wú)水乙醇(國(guó)藥集團(tuán), 分析純), 濾袋(200目,自制), 去離子水(自制)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用去離子水快速清洗整株海帶, 除去泥沙等附著在藻體表面的雜質(zhì), 自然晾干, 剪成小片狀, 得海帶樣品A。取樣品A, 置于10倍體積的(v, wt)去離子水中浸泡12h, 用去離子水清洗, 充分洗去海帶表面浸出的粘性膠狀液體, 直至浸洗液中檢測(cè)不到Cl–,自然晾干, 得海帶樣品B。樣品A、B于105°C下干燥4h備用。

1.2.1 元素含量及金屬陽(yáng)離子含量 海帶樣品A、B中主要金屬元素(鉀K、鈉Na、鈣Ca、鎂Mg、鍶Sr、鋰Li)含量(mol/100g)由電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP, Thermo iCAP6300)測(cè)定, 金屬陽(yáng)離子含量計(jì)算公式如公式(1)所示(M為海帶中所含的金屬元素,n為M在海帶中的化合價(jià)), 元素含量變化率按公式(2)計(jì)算

1.2.2 海藻酸根離子(Alg-COO–)含量 海帶樣品中Alg-COO–含量(mol/100g)用重量法(紀(jì)明侯, 1997;尚德榮等, 2011)測(cè)定(重復(fù)3次, 取平均值)。具體步驟為: 分別取10g海帶樣品A、B置于100mL去離子水中浸泡12h, 清洗后加入500mL 1% (wt%, 下同)Na2CO3溶液, 60°C下持續(xù)攪拌1h, 過(guò)濾提取液, 濾渣中加入400mL 0.5% Na2CO3溶液60°C繼續(xù)提取1h,合并兩次濾液, 加入1mol/L HCl調(diào)節(jié)至pH=2, 過(guò)濾海藻酸凝膠, 用去離子水充分清洗殘余HCl, 然后加入2% NaOH溶液至海藻酸全部溶解, 加入5mL NaClO溶液漂白15min, 加入2倍溶液體積的無(wú)水乙醇, 得白色絮狀海藻酸鈉(SA)凝膠, 過(guò)濾后依次用85%、95%乙醇脫水, 60°C真空干燥至恒重。通過(guò)公式(3)計(jì)算Alg-COO–的含量(SA摩爾質(zhì)量取198g/mol)。

1.2.3 失重率 稱(chēng)取一定量海帶樣品A, 經(jīng)過(guò)浸洗處理得海帶樣品B, 海帶樣品失重率按公式(4)計(jì)算。

1.2.4 浸出物含量分析 稱(chēng)取一定量海帶樣品A,冷凍干燥(LGJ-12冷凍干燥機(jī), 北京松源華星科技)由樣品A經(jīng)浸洗得樣品B過(guò)程中的浸洗液, 干燥至恒重,稱(chēng)重, 用XRD (DX-2700, 浩元儀器)測(cè)試浸出物, 并與樣品A、B的XRD譜圖作比較, 浸出物含量按公式(5)計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 海帶樣品A、B中K、Na、Ca、Mg、Sr、Li元素及陽(yáng)離子含量

由表1可知, 金屬元素總量由10.5g/100g下降到7.6g/100g。海帶樣品A、B中各元素含量大小次序存在不同: A中K＞Na＞Ca＞Mg＞Sr＞Li, B中K＞Ca＞Na＞Mg＞Sr＞Li。計(jì)算得出海帶的失重率為44.5%, 由此,可計(jì)算出海帶中各金屬元素含量在浸洗過(guò)程中實(shí)際含量的變化(圖1)。

圖1 海帶浸洗前后各元素相對(duì)含量變化Fig.1 Relative content changes of metal elements in dehydrated Laminaria japonica after leaching

表1 海帶中主要金屬元素及陽(yáng)離子含量Tab.1 Content of major metal elements and cation in dehydrated Laminaria japonica

由圖1可知, B樣品浸洗之后, 海帶中一價(jià)元素K、Na含量下降均超過(guò)60%, 二價(jià)元素Ca、Sr下降小于10%, Mg下降了31.6%。這可能是因?yàn)? 部分一價(jià)金屬元素在海帶中以無(wú)機(jī)鹽形式存在, 在經(jīng)過(guò)浸洗之后這部分水溶性無(wú)機(jī)鹽幾乎完全溶出; 另外, 浸洗并不能破壞海帶的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu), 浸出物主要為細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞間質(zhì)成分, 從而一部分溶解在細(xì)胞質(zhì)中的海藻酸鉀(KAlg)、海藻酸鈉(NaAlg)也被洗出;同時(shí), 主要存在于海帶細(xì)胞壁中的海藻酸鈣(Ca(Alg)2)、海藻酸鍶(Sr(Alg)2)、海藻酸鎂(Mg(Alg)2)在細(xì)胞壁完整的情況下難以從海帶中分離出來(lái), 故在浸洗之后Ca、Mg、Sr元素含量下降較小, 由于Mg2+與Alg-COO–結(jié)合能力較差, 導(dǎo)致其比Ca、Sr損失重大。此外, 由于海帶可以富集海水中的重金屬元素, 導(dǎo)致Pb、Cr含量較高, 浸洗之后二者含量雖有所下降, 但均超出食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762-2012(中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部, 2012)中所規(guī)定的含量, 直接食用存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 海藻酸陰離子基團(tuán)含量及海藻酸鹽組成

有研究認(rèn)為, 海藻經(jīng)過(guò)淡水浸洗后, 海帶中的游離態(tài)金屬離子全部被洗去, 而蛋白質(zhì)、色素等海藻中其它有機(jī)物所結(jié)合的金屬離子數(shù)量是微量的, 因而可以認(rèn)為金屬元素全部以海藻酸鹽的形式存于藻體中(Whyteet al, 1981; 范曉等, 1988)。本文通過(guò)重量法測(cè)得海帶中海藻酸陰離子基團(tuán)(Alg-COO–)含量, 通過(guò)ICP測(cè)得常量金屬元素含量,然后計(jì)算出金屬陽(yáng)離子總含量, 如果浸洗之后的海帶樣品中金屬陽(yáng)離子含量與Alg-COO–含量大致相同,根據(jù)電荷守恒規(guī)律, 即可驗(yàn)證上述理論, 通過(guò)測(cè)定金屬元素含量即可計(jì)算出海帶中海藻酸鹽的含量及組成。

重量法制得樣品A海藻酸鈉的產(chǎn)量為2.10g, 樣品B海藻酸鈉的產(chǎn)量為4.38g, 結(jié)合海帶失重率計(jì)算得出, 每10g樣品A浸洗之后所能提取出的海藻酸鈉的質(zhì)量為2.43g, 海藻酸鈉產(chǎn)量沒(méi)有降低, 反而高于未浸洗之前樣品A的提取產(chǎn)量, 這可能因?yàn)楹г诮催^(guò)程中, 存在于細(xì)胞壁中海藻酸鹽損失較小,同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間浸泡海帶組織已充分脹大, 此時(shí)進(jìn)行堿提取時(shí)Na+容易與海藻酸鹽中的其它金屬離子發(fā)生離子交換, 有利于海藻酸鈉的提取, 從而使提取產(chǎn)量變高。按公式(2)計(jì)算海帶樣品A中Alg-COO–含量為0.11mol/100g, 海帶樣品B中Alg-COO–含量為0.22mol/100g。由表1可知, A中金屬陽(yáng)離子含量為0.36mol/100g, 與Alg-COO–含量相差較大, XRD測(cè)試結(jié)果表明海帶A中含有KCl, 說(shuō)明在海帶樣品A中金屬離子只有一部分與Alg-COO–結(jié)合, 在浸洗之前, 海帶中的金屬陽(yáng)離子部分與無(wú)機(jī)陰離子結(jié)合,以無(wú)機(jī)鹽的形式存在于海帶中。

樣品B中金屬陽(yáng)離子含量為0.27mol/100g, 與Alg-COO–含量0.22mol/100g相當(dāng), 我們可推斷: 海帶經(jīng)去離子水浸泡及清洗之后, 在不存在其它無(wú)機(jī)鹽的情況下, 海帶中的金屬陽(yáng)離子大部分與Alg-COO–結(jié)合。根據(jù)通過(guò)ICP法測(cè)得的金屬元素含量, 按公式(6)即可計(jì)算出海帶樣品B中海藻酸鹽含量(Alg-COO–的摩爾質(zhì)量為175g/mol)。

圖2列出了海帶樣品B中各海藻酸鹽的含量, 海藻酸鹽總含量(∑M(Alg)n%)為59.0%, KAlg為海帶中含量最多的海藻酸鹽, 占總組成的37.7%, 其它依次為Ca(Alg)2、Mg(Alg)2、NaAlg、Sr(Alg)2, LiAlg的含量＜0.0001%。

圖2 海帶樣品B中海藻酸鹽的含量及各海藻酸鹽在總的海藻酸鹽中的百分含量Fig.2 The mass fraction of alginates in the seaweed and percentage of each of the alginates in Laminaria japonica(Sample B)

2.3 失重率及浸出物分析

由公式(4)計(jì)算得出浸洗后海帶失重率為44.5%,由公式(5)計(jì)算得浸出物含量為42.3%, 這可能是因?yàn)槔鋬龈稍镞^(guò)程中存在一定質(zhì)量損失。對(duì)浸出物作XRD分析(圖3), 通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)XRD卡片(PDF#41-1476)可知, 浸洗前海帶樣品A(圖3b)與浸出物(圖3a)均有明顯的KCl衍射峰, 說(shuō)明海帶中部分K元素以無(wú)機(jī)鹽的形式存在, 圖3a、b中的衍射峰與NaCl標(biāo)準(zhǔn)譜圖不能對(duì)應(yīng), 其它鈉鹽的XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片也不能與之對(duì)應(yīng), 可能存在兩方面原因: 一是海帶中Na的無(wú)機(jī)鹽含量較少, 二是Na元素在海帶中不以NaCl等無(wú)機(jī)鹽形式存在, 而是與Alg-COO–結(jié)合成海藻酸鈉存在于細(xì)胞間質(zhì)中, 浸洗過(guò)程中Na元素以海藻酸鈉的形式浸出。同樣, 在XRD譜圖3b中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ca、Mg、Sr等元素的衍射峰。XRD譜圖3c只是在2θ=20°左右有一個(gè)凸起的包狀峰, 其它衍射峰消失, 這證明在經(jīng)過(guò)充分浸洗之后, 海帶樣品B中無(wú)機(jī)鹽被除去。

圖3 X射線衍射圖Fig.3 The X-ray diffraction

3 結(jié)論

淡干海帶經(jīng)浸洗實(shí)驗(yàn)及測(cè)試后證明, 浸洗可除去淡干海帶中的無(wú)機(jī)鹽成分, 淡干海帶中金屬元素總量由10.5g/100g下降到7.6g/100g, 其中一價(jià)元素K、Na含量下降較大, 均超過(guò)60%, Mg元素含量下降了31.6%, 其它二價(jià)元素Ca、Sr含量下降小于10%。經(jīng)過(guò)去離子水浸洗之后的干海帶, 失重率達(dá)44.5%。海藻酸鹽總含量為59.0% (wt%), 各類(lèi)海藻酸鹽含量依次為: KAlg占22.2%, Ca(Alg)2占14.6%, Mg(Alg)2占11.4%, NaAlg占10.5%, Sr(Alg)2占0.3%; 浸洗之后Alg-COO–的相對(duì)含量并沒(méi)有下降反而升高了1倍,海藻酸鈉的提取產(chǎn)量有所升高。

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