何沁峰,胡建恩,盧　航,趙　慧,汪秋寬,武　龍

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,大連 116023)

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大型海藻纖維素的提取與分析

何沁峰,胡建恩,盧航,趙慧,汪秋寬,武龍*

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,大連 116023)

大型海藻富含多糖類(lèi)物質(zhì),尤其是其細(xì)胞壁中纖維素含量較高。我國(guó)是世界第一大經(jīng)濟(jì)海藻生產(chǎn)國(guó),主要養(yǎng)殖大型褐藻及紅藻供食用及提取藻膠等化學(xué)品。目前,對(duì)海藻纖維素資源的利用尚處于研究開(kāi)發(fā)階段,海藻纖維素因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),在能源、材料、保健食品等領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景而受到廣泛研究關(guān)注。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的海藻纖維素相關(guān)研究,重點(diǎn)對(duì)其分離提取及理化性質(zhì)分析等內(nèi)容進(jìn)行了梳理總結(jié),以期為我國(guó)經(jīng)濟(jì)海藻精深加工領(lǐng)域研究工作提供參考。

海帶,裙帶菜,藻渣,膳食纖維,碳水化合物,生物質(zhì)

纖維素由D-葡萄糖單元經(jīng)β(1→4)糖苷鍵聚合而成,是自然界中分布最廣、含量最多的一種天然碳水化合物聚合物,被認(rèn)為是具有高度開(kāi)發(fā)利用潛力的生物質(zhì)資源[1]。除構(gòu)成高等植物細(xì)胞壁外,纖維素也存在于大型海藻細(xì)胞壁中,以海帶為例,其纖維素含量可達(dá)干重的10%以上[2]。我國(guó)的大型海藻養(yǎng)殖量長(zhǎng)期居于世界首位[3],2014年產(chǎn)量已達(dá)2005萬(wàn)t,其中大型褐藻海帶及裙帶菜產(chǎn)量占總產(chǎn)量的78%以上[4]。長(zhǎng)期以來(lái),大型海藻除供食用外主要被用于提取藻膠等化學(xué)產(chǎn)品,提膠后剩余殘?jiān)s占原料干重的50%,其中纖維素含量可達(dá)30%以上[5]。藻渣除少量被用于生產(chǎn)飼料及肥料外大多被直接廢棄,不僅浪費(fèi)資源,也帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。

大型海藻幾乎不含賦予高等植物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及化學(xué)和生物降解拮抗性的芳香性高聚物-木質(zhì)素[6-8],這使得其纖維素具有更高的可及性及反應(yīng)活性[9],也使海藻生物煉制具有一些高等植物無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),如:過(guò)程條件溫和、工藝環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境影響小等[10]。近年來(lái),海藻纖維素的高附加值化利用已成為經(jīng)濟(jì)海藻資源綜合利用研究熱點(diǎn)。

由于海藻的化學(xué)組成與高等植物差異顯著,而且根據(jù)海藻的種類(lèi)及所關(guān)注應(yīng)用領(lǐng)域的不同,所采用的研究方法與技術(shù)手段各有側(cè)重。此外,在我國(guó)海藻資源綜合利用研究領(lǐng)域,“低碳”與“煉制”的理念還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的海藻纖維素相關(guān)研究,尤其是應(yīng)用研究中涉及的纖維素的分離提取、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)分析工作進(jìn)行了梳理總結(jié),以期為我國(guó)經(jīng)濟(jì)海藻精深加工相關(guān)研究工作提供參考。

1　海藻纖維素應(yīng)用研究領(lǐng)域

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展理念在全世界范圍的不斷深化,海藻資源高效及高值化利用相關(guān)研究方興未艾。其中,對(duì)海藻纖維素的開(kāi)發(fā)利用研究主要集中于生物能源、生物材料、及功能食品等領(lǐng)域。

1.1轉(zhuǎn)化生物乙醇

生物乙醇是由生物質(zhì)原料經(jīng)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化而得到的清潔、可再生生物能源。由玉米(淀粉)、甘蔗(糖分)等原料生產(chǎn)第一代生物乙醇技術(shù)已經(jīng)成熟并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[11]。但由于存在糧食、土地和水資源的消耗與競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題,這種能源生產(chǎn)模式已引起了各界的擔(dān)憂(yōu)[12]。近年來(lái),以纖維素這一大宗非糧生物質(zhì)資源為原料轉(zhuǎn)化第二代生物乙醇已成為研究的焦點(diǎn),但目前轉(zhuǎn)化過(guò)程的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可行性尚不能滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的要求[13]。

大型海藻因生長(zhǎng)不占用耕地、無(wú)需淡水灌溉、光合作用效率及生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于陸生植物而受到越來(lái)越多的研究關(guān)注[14]。海藻經(jīng)工業(yè)提取藻膠等物質(zhì)后,剩余殘?jiān)欣w維素含量高且不存在木質(zhì)素和半纖維素等拮抗性成分,是極具潛力的生物乙醇轉(zhuǎn)化原料。Ge等[15]將海帶提膠殘?jiān)孟×蛩徇M(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)而用纖維素酶和纖維素二糖酶在50 ℃下水解48 h,滅酶后接種釀酒酵母,30 ℃下發(fā)酵36 h,最終1 kg海帶殘?jiān)煞?纖維素含量約30%,下同)可轉(zhuǎn)化0.143 L乙醇。繆錦來(lái)等[16]利用南極的假交替單胞菌(Pseudoalteromonassp.)NJ62中提取的低溫纖維素酶,用酶量35 U/g在30 ℃下對(duì)海帶殘?jiān)附?2 h,然后接種釀酒酵母,30 ℃下發(fā)酵72 h,最終1 kg海帶殘?jiān)煞劭赊D(zhuǎn)化0.177 L乙醇。上述研究乙醇轉(zhuǎn)化率約達(dá)理論值的85%,且無(wú)需較高強(qiáng)度(高能耗、高污染)的原料預(yù)處理過(guò)程。

海藻纖維素作為生物乙醇生產(chǎn)原料在轉(zhuǎn)化效率及環(huán)境影響方面較高等植物纖維素優(yōu)勢(shì)明顯。如何進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)化成本,提高過(guò)程經(jīng)濟(jì)可行性是實(shí)現(xiàn)海藻纖維素乙醇工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1.2制備生物材料

微晶纖維素(MCC)是纖維素經(jīng)純化和部分解聚后的非纖維態(tài)的白色晶體粉末,具有較高的結(jié)晶度,粒度約20～80 μm,聚合度約15～375[17]。MCC無(wú)氣味,不溶于水、稀酸、油脂及有機(jī)溶劑等,流動(dòng)性強(qiáng),可在水中分散,并部分溶脹于弱堿性溶液中,同時(shí)羧甲基化、乙?；Ⅴセ磻?yīng)性能相對(duì)較高[18]。由于這些特殊的性質(zhì),MCC作為填充劑、粘合劑、懸浮劑和乳化劑等,已在醫(yī)藥、食品、化妝品和塑料等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[19]。

MCC通常是將纖維素通過(guò)無(wú)機(jī)酸、酶或微生物水解至極限聚合度而來(lái)?？紤]到生產(chǎn)成本和效率,目前一般采用鹽酸或硫酸等無(wú)機(jī)酸水解法制備MCC[20]。溫瑾[21]以海帶纖維素為原料,加入2 mol/L鹽酸,在料液比1∶10(w/v),100 ℃下水解40 min,反復(fù)洗滌過(guò)濾后真空冷凍干燥,經(jīng)球磨粉碎得到聚合度為138,結(jié)晶度為79%的MCC樣品,其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求,證明海藻纖維素可作為生產(chǎn)MCC的原料。由于沒(méi)有木質(zhì)素及半纖維素的保護(hù),海藻纖維素的提取易于高等植物,但海藻MCC生產(chǎn)是否在過(guò)程成本及環(huán)境影響等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)仍有待研究證實(shí)。

此外,還有許多關(guān)于海藻生物質(zhì)作為吸附材料的研究報(bào)道。近年來(lái)水體中的鉛、汞、鎘、鉻、銅等重金屬離子污染,對(duì)環(huán)境與人體健康帶來(lái)了巨大威脅。海藻生物質(zhì)中的羧基、羥基、磺酸基、氨基等對(duì)重金屬離子具有很強(qiáng)的吸附性,此外還存在一定的離子交換、微沉淀、螯合、配位等效應(yīng)[22],吸附去除重金屬離子性能優(yōu)異[23]。目前已有許多關(guān)于褐藻[24-26]和綠藻[27]制備重金屬吸附劑研究的報(bào)道。此類(lèi)吸附劑制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,最大程度保留了纖維素、藻膠、蛋白質(zhì)等活性成分,吸附性能好,成本低廉,經(jīng)再生后可循環(huán)使用。為了更好地與現(xiàn)有海藻工業(yè)相結(jié)合,以藻渣為原料開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)生物吸附材料,有必要對(duì)海藻纖維素的吸附性能與效費(fèi)比等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

1.3開(kāi)發(fā)功能食品

膳食纖維是食物中不能被人體內(nèi)源酶分解消化的植物成分的總稱(chēng)[28],具有降低血脂、穩(wěn)定血糖、促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、調(diào)節(jié)腸道菌群、預(yù)防癌癥等多種生理功能[29]。大型海藻富含膳食纖維,包括水溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF),其中SDF是以藻膠為主的細(xì)胞壁內(nèi)貯存物及分泌物,IDF為細(xì)胞壁的組成成分,主要為纖維素[30]。

一般認(rèn)為食物中的SDF更多的發(fā)揮調(diào)節(jié)代謝相關(guān)功能,IDF主要起促進(jìn)腸道蠕動(dòng)作用,SDF比IDF更具生理活性[31]。然而有研究表明大型海藻由來(lái)IDF特別是纖維素成分也具有特殊的生理功能。Azuma等[32]以薏苡、谷糠和羊棲菜(Sargassumfusiforme,大型褐藻)為原料,提取纖維素并制備纖維素納米纖維(CNF),然后分別喂食腸炎模型小鼠,5日后對(duì)病變組織進(jìn)行觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)攝入CNF后組織損傷得到抑制,指出CNF通過(guò)抑制真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)的激活而產(chǎn)生抗炎效果,并認(rèn)為海藻纖維素可以作為開(kāi)發(fā)功能性膳食纖維的原料。付慧等[29]從多肋藻(Costariacostata,大型褐藻)中提取IDF和SDF,分別喂食高血脂模型小鼠,4周后測(cè)定血清中各項(xiàng)血脂參數(shù)。結(jié)果表明IDF、SDF及二者的混合物(DF)均有降低血脂、促進(jìn)膽固醇排泄作用,其中IDF降血脂效果比SDF顯著,且DF中IDF比例越高,降血脂作用越強(qiáng),但作者并未就其內(nèi)在原因進(jìn)行探討。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法判斷,所提取多肋藻IDF的主要成分應(yīng)為纖維素,如能確認(rèn)海藻纖維素與機(jī)體脂類(lèi)代謝之間的關(guān)聯(lián),對(duì)開(kāi)發(fā)海洋功能性食品意義重大。

2　海藻纖維素的提取

海藻纖維素的分離純化一般參考高等植物纖維素的提取方法。由于海藻中不含木質(zhì)素和半纖維素,其纖維素提取過(guò)程注重通過(guò)各種手段除去藻膠、蛋白質(zhì)、及其他雜質(zhì)成分。文獻(xiàn)報(bào)道常見(jiàn)的提取方法有化學(xué)法、酶法及其他輔助方法。

2.1化學(xué)法

高等植物纖維素的提取采用化學(xué)法,基本原理是在熱酸性條件下以亞氯酸鈉處理樣品除去木質(zhì)素,得到綜纖維素(纖維素和半纖維素混合物),然后以一定濃度的氫氧化鈉在室溫下處理除去半纖維素,殘?jiān)礈旄稍锖罂傻美w維素[33]。

化學(xué)法提取海藻纖維素,重點(diǎn)是根據(jù)海藻成分特點(diǎn),通過(guò)特殊處理去除藻膠。Mihranyan等[34]對(duì)多種海藻的化學(xué)組成進(jìn)行了研究,以亞氯酸鈉在60 ℃下處理海藻粉末3 h,洗滌過(guò)濾,再用0.5 mol/L氫氧化鈉溶液在60 ℃下處理樣品12 h,并洗滌過(guò)濾除去藻膠,濾渣加入5%的鹽酸溶液,煮沸后冷卻過(guò)夜,洗滌干燥制得纖維素。Siddhanta等[35]對(duì)以上方法進(jìn)行了改進(jìn),先將海藻粉末在室溫下于甲醇中浸泡2 d,重復(fù)4次,以除去其中的脂類(lèi),然后再進(jìn)行化學(xué)提取,提高了纖維素的得率與純度。對(duì)于提膠殘?jiān)?lèi)原料,則可對(duì)提取工藝做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

由于海藻不含木質(zhì)素,使用亞氯酸鈉處理海藻樣品主要起去除色素及蛋白質(zhì)等雜質(zhì)的作用,可適當(dāng)降低處理過(guò)程強(qiáng)度。此外,由于經(jīng)濟(jì)海藻不含半纖維素成分,在纖維素提取過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行強(qiáng)堿處理,簡(jiǎn)化了操作且對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響較小,有利于后續(xù)研究分析。

2.2酶法

酶法多與化學(xué)法聯(lián)合使用,主要應(yīng)用于提取海藻中的不溶性膳食纖維(主要成分為纖維素)。Hela等人[36]將石莼(Ulvalactuca,大型綠藻)干粉先用耐熱α-淀粉酶于沸水浴中酶解30 min,再依次用蛋白酶(pH7.5)和淀粉葡萄糖苷酶(pH4.5)60 ℃下分別酶解30 min,過(guò)濾后用依次用水、95%乙醇和丙酮洗滌,干燥,制得不溶性膳食纖維,得率為34%。呂鐘鐘[37]將海帶粉末先用褐藻膠裂解酶35 ℃酶解2 h除褐藻膠,滅酶后向?yàn)V渣中加入0.5%的木瓜蛋白酶,在pH6.5、50 ℃下水解2 h除去蛋白質(zhì),然后加入12%的過(guò)氧化氫溶液(料液比1∶15),90 ℃下處理2 h脫色,洗滌干燥,得到不溶性膳食纖維,并對(duì)其持水力、溶脹性、重金屬吸附等進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)其各方面性質(zhì)優(yōu)異。

酶法提取條件溫和,過(guò)程環(huán)保,對(duì)提取物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響小,具有高度的應(yīng)用潛力。但此方法也存在效率較低、分離純化效果差以及成本偏高等問(wèn)題,為在海藻纖維素開(kāi)發(fā)利用中充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),有必要針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展深入研究。

2.3其他輔助方法

離子液體是在較低溫度下保持熔融狀態(tài)的鹽,一般具有不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好、不可燃、無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)[38]。一些離子液體能夠在相對(duì)溫和的條件下破壞維持纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的分子間及分子內(nèi)氫鍵而實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維素的溶解[39],屬于目前纖維素研究前沿領(lǐng)域。被溶解的纖維素可通過(guò)加入質(zhì)子性溶劑再生回收,其結(jié)晶結(jié)構(gòu)被徹底改變[8]。王靜[5]將褐藻提膠殘?jiān)秒x子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物在固液比1∶10,80 ℃下處理 2 h,然后用5倍體積的去離子水洗滌使纖維素再生,凍干后加pH4.5的醋酸緩沖液至底物濃度為2.0%,用纖維素酶(45 FPU/g)和纖維二糖酶(55 CBU/g)在50 ℃下酶解2 h,酶解效率比未用離子液體組提升約21%。目前,由于離子液體價(jià)格昂貴,其在纖維素化工中的應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

其他輔助手段還包括微波[40]、超聲波和高能電子輻射[41]等,據(jù)報(bào)道有助于提高海藻纖維素的提取效率。

3　海藻纖維素的理化分析

對(duì)海藻纖維素的理化性質(zhì)進(jìn)行分析可為其開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)報(bào)道中常見(jiàn)的分析內(nèi)容包括:化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)及物理特性等方面,所采用研究手段隨著分析技術(shù)的發(fā)展而不斷更新。目前常用的分析方法簡(jiǎn)介如下:

3. 1化學(xué)組成

3.1.1含量分析高等植物纖維素的定量分析一般采用硫酸分步水解法[42]。其原理是通過(guò)硫酸處理將樣品中的纖維素水解為葡萄糖,并用高效液相色譜(HPLC)確定水解產(chǎn)物中單糖含量,進(jìn)而求算纖維素(葡聚糖)的含量。但此方法用于海藻纖維素分析時(shí)需要根據(jù)樣品化學(xué)組成特點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化,避免單糖過(guò)度降解。Schiener等[43]將多種凍干的海藻粉末分別用 72%硫酸在30 ℃下處理 60 min,然后加入去離子水將酸濃度稀釋至約6.76%,在121 ℃下再處理15 min完成水解。水解液用碳酸鋇粉末中和至pH=3,過(guò)濾后用HPLC進(jìn)行定量。在計(jì)算纖維素含量時(shí)需注意減去非纖維素由來(lái)葡萄糖分(如褐藻淀粉等,可用0.5 mol/L 硫酸在121 ℃下水解15 min后用HPLC定量)。該研究分析了不同品種和產(chǎn)季的褐藻樣品,測(cè)得纖維素含量均為約11%(干重)。

3.1.2聚合度測(cè)定聚合度(DP)表示纖維素分子鏈中所連接的葡萄糖單元的數(shù)目,對(duì)纖維素各方面性質(zhì)有著重要的影響[17]。文獻(xiàn)報(bào)道常用的纖維素聚合度測(cè)定方法有粘度法、纖維素改性法和凝膠色譜法等。其中黏度法具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛的應(yīng)用。粘度法測(cè)定的關(guān)鍵是在不改變纖維素樣品聚合度的情況下將其溶解。天然存在的纖維素分子量大,且存在由大量氫鍵維持的穩(wěn)固的結(jié)晶結(jié)構(gòu),使其不溶于一般溶劑。因此分析中通常采用銅銨溶液、銅乙二胺溶液和鎘乙二胺溶液等[44]金屬配合物溶液溶解樣品,然后用粘度計(jì)測(cè)定纖維素溶液的相對(duì)粘度,通過(guò)查表?yè)Q算得出特性粘度,可求算出平均聚合度[45],并可進(jìn)一步求算樣品的相對(duì)分子質(zhì)量。

聚合度與高等植物纖維素的生物降解性、生物材料特性及保健功能性之間的關(guān)聯(lián)已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[46],也應(yīng)成為海藻纖維素開(kāi)發(fā)利用研究考察的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.2化學(xué)結(jié)構(gòu)

3.2.1傅里葉變換紅外光譜分析傅里葉變換紅外光譜(FTIR)常用于分析纖維素的化學(xué)基團(tuán)、鏈結(jié)構(gòu)單元連接方式和分子間、分子內(nèi)的交互聚合作用等[47]。Ravi等[48]對(duì)從石花菜(Gelidiumpusillum,大型紅藻)中提取的纖維素進(jìn)行了FTIR分析,指出圖譜中3428 cm-1處吸收峰為羥基中O-H 伸縮振動(dòng),2923 cm-1為-CH、-CH2伸縮振動(dòng),1628 cm-1為結(jié)合水吸收,1434 cm-1為-CH、-CH2彎曲振動(dòng),1022 cm-1為聚合葡萄糖的C-O-C伸縮振動(dòng),約895 cm-1處的吸收峰為β(1→4)糖苷鍵振動(dòng)。研究表明895 cm-1處峰型越尖銳,纖維素的結(jié)晶度越低[46]。還有研究認(rèn)為約1157 cm-1處的峰肩對(duì)應(yīng)吡喃葡萄糖環(huán)骨架中C-O-C振動(dòng)[49-50]。上述特征峰都體現(xiàn)了海藻纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。通過(guò)FTIR分析,可以判斷纖維素樣品中是否存在雜質(zhì),還可以了解各種加工處理過(guò)程對(duì)其結(jié)構(gòu)造成的影響。

3.2.2X-射線(xiàn)衍射分析未經(jīng)處理的纖維素具有結(jié)晶區(qū)(Ⅰ型晶型)和非結(jié)晶區(qū)(無(wú)定形區(qū)),結(jié)晶性區(qū)域占纖維素整體的百分率被定義為結(jié)晶度。分析纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要采用X射線(xiàn)衍射法(XRD)。通過(guò)纖維素樣品的X射線(xiàn)衍射圖譜(衍射強(qiáng)度隨衍射角度的變化)可以獲取晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)信息,依據(jù)布拉格公式可計(jì)算出晶粒尺寸[51];對(duì)于Ⅰ型結(jié)構(gòu),還可以根據(jù)下式計(jì)算樣品結(jié)晶度(CrI):

CrI(%)=100×[(I002-Iam)/I002]

其中I002為(002)晶面衍射強(qiáng)度,在衍射角2θ=21.8°附近測(cè)定;Iam為無(wú)定型區(qū)衍射強(qiáng)度,其數(shù)據(jù)在2θ=18.0°附近取得[52]。

由于致密的結(jié)晶性區(qū)域較難被纖維素酶消化降解,對(duì)酶的性質(zhì)及用量、酶解條件要求較高,因此結(jié)晶度對(duì)海藻纖維素生物轉(zhuǎn)化乙醇過(guò)程的效率及成本都有著顯著影響;此外,結(jié)晶度也與海藻纖維素生物材料的性能密切相關(guān),據(jù)報(bào)道降低結(jié)晶度會(huì)導(dǎo)致大型褐藻及綠藻由來(lái)纖維素材料吸水性的升高,因?yàn)榉蔷B(tài)纖維素分子鏈間會(huì)有更多裸露的羥基可與水分子鍵合[46]。目前,通過(guò)XRD方法考查結(jié)晶性質(zhì)已成為纖維素應(yīng)用研究的必要環(huán)節(jié)。

3.2.3核磁共振分析纖維素Ⅰ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)還存在Ⅰα和Ⅰβ兩種晶型。Ⅰα為單鏈三斜晶系,是細(xì)菌和藻類(lèi)等原始生物中纖維素的主要晶型;Ⅰβ為雙鏈單斜晶系,是高等植物纖維素的主要晶型。通過(guò)核磁共振(NMR)分析可以對(duì)不同構(gòu)型進(jìn)行判斷。Siddhanta等[35]將濾紙和海藻纖維素進(jìn)行了CP/MAS13C核磁共振檢測(cè),其N(xiāo)MR圖譜可見(jiàn)C-1共振峰、C-4共振峰、C-2,3,5疊加共振峰和C-6共振峰[53]。α構(gòu)型(海藻纖維素)與β構(gòu)型(濾紙)的主要區(qū)別體現(xiàn)在在C-1和C-4共振峰[54],特別是C-1峰中,不同構(gòu)型峰形差異顯著。同時(shí),C-4峰可體現(xiàn)纖維素的結(jié)晶狀態(tài),數(shù)據(jù)可用來(lái)求算樣品結(jié)晶度,但此方法所得結(jié)果比XRD方法稍大[51]。

通過(guò)NMR分析對(duì)海藻纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,能進(jìn)一步說(shuō)明海藻與陸生植物纖維素的差異性,為其開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

3.3物理結(jié)構(gòu)與特性

形態(tài)學(xué)分析(MA),主要是通過(guò)顯微觀(guān)察來(lái)考察纖維素樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征,例如多重纖維結(jié)構(gòu)、纖維斷面形狀和各種空洞、裂隙等[54],為其性質(zhì)及功效提供輔助說(shuō)明。通常采用掃描電子顯微鏡(SEM)[34]、透射電子顯微鏡(TEM)[55]和原子力顯微鏡(AFM)[56]等進(jìn)行分析。此外纖維素材料的孔隙率[57]、粒度[20]等也是反映其性質(zhì)的重要指標(biāo),可以通過(guò)相應(yīng)的方法進(jìn)行考查。對(duì)纖維素物理結(jié)構(gòu)的分析在生物材料領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

纖維素的其他宏觀(guān)物理特性還包括溶脹力[58]、持水力[53]、持油力[58]等,在生物材料及功能食品等應(yīng)用研究領(lǐng)域也得到一定的關(guān)注。

4　結(jié)論與展望

我國(guó)作為經(jīng)濟(jì)海藻養(yǎng)殖大國(guó),對(duì)大型海藻由來(lái)纖維素資源的開(kāi)發(fā)利用亟待加強(qiáng)。與高等植物纖維素相比,海藻纖維素的提取工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、過(guò)程條件較為溫和,作為一種優(yōu)質(zhì)可再生生物質(zhì)資源,其研究開(kāi)發(fā)空間十分廣闊。如何將海藻纖維素的應(yīng)用與我國(guó)現(xiàn)有海藻工業(yè)有機(jī)結(jié)合,提高資源利用效率同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響,應(yīng)得到重點(diǎn)關(guān)注和深入研究。此外,在海藻纖維素應(yīng)用研究中有必要加強(qiáng)對(duì)其各種理化性質(zhì)的研究把握,為海藻精深加工與資源可持續(xù)高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

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Extraction and analysis of cellulose from macroalgae

HE Qin-feng,HU Jian-en,LU Hang,ZHAO Hui,WANG Qiu-kuan,WU Long*

(College of Food Science and Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Macroalgae is rich in polysaccharides,in particular cellulose forming the cell wall. China is the world’s largest economic algae producer,mainly cultivating brown and red algae for food and chemicals like algal hydrocolloids. At present,the utilization of cellulose extracted from algae is still in the phase of research and development,and this kind of cellulose shows attractive prospects in such areas as bio-ethanol,bio-material and functional food due to its unique structural and physicochemical properties. This paper reviewed some of the latest publications on cellulose from macroalgae,especially on its extraction and physical/chemical analysis,to provide references for research in deep processing of macroalgae in China.

laminariajaponica;undariapinnatifida;algal residue;dietary fiber;carbohydrate;biomass

2015-12-08

何沁峰(1992-),男,在讀碩士研究生,研究方向:水產(chǎn)品加工及貯藏工程,E-mail:heqinfeng2012@163.com。

武龍(1976-),男,博士,研究方向:生物資源應(yīng)用科學(xué),E-mail:wulong@dlou.edu.cn。

TS254.9

A

1002-0306(2016)11-0378-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.069