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(廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東湛江 524088)

堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的工藝優(yōu)化

鄧春梅,吳祖件,何蘭珍,張國光,吳育廉,溫燕梅,康信煌*

(廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東湛江 524088)

研究堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的工藝,通過響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿預(yù)處理溫度和堿預(yù)處理時(shí)間為影響因素,以卡拉膠的產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度為響應(yīng)值建立二次回歸方程,通過響應(yīng)面分析得到堿預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的最佳工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最佳堿法預(yù)處理工藝為KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、堿預(yù)處理溫度56 ℃和堿預(yù)處理時(shí)間6 h,在此條件下,卡拉膠產(chǎn)率75.23%±2.16%、凝膠強(qiáng)度(1378.5±16.27) g/cm2。優(yōu)化后的工藝有效改善了瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的生產(chǎn)條件。

卡拉膠,瓊枝麒麟菜,堿預(yù)處理,響應(yīng)曲面法

瓊枝麒麟菜廣泛分布于我國南海地區(qū),它含有30%左右的卡拉膠,是提取卡拉膠的工業(yè)用海藻[1-2]?？ɡz主要分七種類型:κ-型、ι-型、λ-型、θ-型、ν-型、ξ-型、μ-型,其中只有κ-型﹑λ-型和ι-型卡拉膠具有膠凝性,而瓊枝麒麟菜中卡拉膠包括γ-型﹑β-型﹑α-型和δ-型,都不具有膠凝性,提取出的卡拉膠凝膠強(qiáng)度低,只適用于食品工業(yè),用來制造軟糖和罐頭,在醫(yī)藥衛(wèi)生等其他行業(yè)難以使用[3-5]。為拓寬卡拉膠的應(yīng)用范圍,提高瓊枝麒麟菜卡拉膠的凝膠強(qiáng)度變得十分必要,目前為止,關(guān)于這方面的研究仍未見報(bào)道。

堿預(yù)處理是目前生產(chǎn)過程中提高卡拉膠凝膠強(qiáng)度的主要手段,堿預(yù)處理藻體可以減少卡拉膠中硫酸基的含量,改變卡拉膠的類型,從而提高卡拉膠的凝膠強(qiáng)度[6-8]。國內(nèi)外堿預(yù)處理中常采用氫氧化鉀和氫氧化鈉,因氫氧化鉀的堿性最強(qiáng),其修飾卡拉膠分子的作用也最強(qiáng),而且鉀鹽可以增進(jìn)卡拉膠分子間的交聯(lián),提高凝膠強(qiáng)度,相反卡拉膠的鈉鹽則易溶于水,所以氫氧化鉀是卡拉膠堿預(yù)處理的最佳試劑[9-12]。本文采用KOH堿預(yù)處理瓊枝麒麟菜,通過單因素法和響應(yīng)面法研究KOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿預(yù)處理溫度和堿預(yù)處理時(shí)間對(duì)瓊枝麒麟菜卡拉膠的凝膠強(qiáng)度和產(chǎn)率的影響,確定最佳工藝,為提高卡拉膠的產(chǎn)量和凝膠強(qiáng)度提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

瓊枝麒麟菜 廉江臺(tái)興海洋生物科技有限公司;氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈣、鹽酸等 均為分析純,廣東光華科技股份有限公司;200目尼龍布 上海紅日濾材濾網(wǎng)廠。

凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀 廉江臺(tái)興海洋生物科技有限公司;UV1800型紫外分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司;HHS型恒溫水浴鍋和GZX-9070型恒溫干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 瓊枝麒麟菜的堿法預(yù)處理 將瓊枝麒麟菜放入一定質(zhì)量濃度的KOH溶液中恒溫浸泡一段時(shí)間,再用蒸餾水反復(fù)浸洗至中性。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2.1 KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的選擇 分別取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、6%、8%、10%、12%和14%的KOH溶液,按m(麒麟菜)∶V(堿液)=1∶12的比例進(jìn)行麒麟菜浸泡,固定堿預(yù)處理溫度為55 ℃、堿預(yù)處理時(shí)間為6 h,考察堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響,每個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)做3組平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果取平均值。

1.2.2.2 堿預(yù)處理時(shí)間的選擇 KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%,在堿預(yù)處理溫度55 ℃條件下考察堿預(yù)處理時(shí)間(3、4、5、6、7、8 h)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響。每個(gè)堿預(yù)處理時(shí)間做3組平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果取平均值。

1.2.2.3 堿預(yù)處理溫度的選擇 KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%,堿預(yù)處理時(shí)間6 h,考察堿預(yù)處理溫度(40、45、50、55、60、65 ℃)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響。每個(gè)堿預(yù)處理溫度做3組平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果取平均值。

1.2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。A、B、C分別代表KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿預(yù)處理溫度、堿預(yù)處理時(shí)間三響應(yīng)變量,Y、Z分別代表卡拉膠產(chǎn)率、凝膠強(qiáng)度兩個(gè)響應(yīng)值,每個(gè)自變量的低、中、高水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼,采用最小二乘法擬合二次多項(xiàng)方程[13-14]。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素和水平見表1。每個(gè)實(shí)驗(yàn)做三次平行。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素和水平

1.2.4 卡拉膠產(chǎn)率的測(cè)定 卡拉膠產(chǎn)率測(cè)定的公式如下:

1.2.5 凝膠強(qiáng)度測(cè)定 按2%濃度配制凝膠,稱量2 g卡拉膠細(xì)粉溶于98 mL蒸餾水中,在90 ℃水浴中加熱溶解,水浴時(shí)及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分。卡拉膠全溶后分裝于三個(gè)測(cè)試杯中,冷卻至10 ℃,恒溫靜置2 h,得到卡拉膠凝膠,用凝膠測(cè)定儀[15]測(cè)定凝膠強(qiáng)度。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design-Expert 8.05及Excel軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響 由圖1可知,隨著KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,卡拉膠的產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),卡拉膠的產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為75.4%±1.8%和(1090.4±20.5) g/cm2。堿預(yù)處理會(huì)減少卡拉膠分子中硫酸基的含量,使卡拉膠類型發(fā)生改變,無凝膠強(qiáng)度的卡拉膠轉(zhuǎn)化為具有凝膠能力的κ-和ι-卡拉膠,卡拉膠凝膠強(qiáng)度提高。在一定KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),堿濃度越高這種轉(zhuǎn)化越徹底,凝膠強(qiáng)度和卡拉膠產(chǎn)率隨之逐漸增大;當(dāng)KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后,凝膠強(qiáng)度和卡拉膠產(chǎn)率隨堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而減小,可能是由于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿液對(duì)藻體細(xì)胞有所損害,導(dǎo)致藻體膠質(zhì)流入堿液,膠體流失。取堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、10%、12%作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)水平。

圖1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響

2.1.2 堿預(yù)處理時(shí)間對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響 由圖2可知,隨著堿預(yù)處理時(shí)間的延長,卡拉膠的產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)堿預(yù)處理時(shí)間為6 h時(shí),卡拉膠產(chǎn)率達(dá)到最大值77.2%±2.3%,堿預(yù)處理超過6 h后,卡拉膠產(chǎn)率急劇下降。在瓊枝麒麟菜堿預(yù)處理過程中,藻體會(huì)發(fā)生部分溶膠現(xiàn)象,導(dǎo)致膠體流入堿液造成損失,并且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),堿預(yù)處理時(shí)間越長,膠體自溶、流失越嚴(yán)重,卡拉膠產(chǎn)率也越低?？ɡz的凝膠強(qiáng)度隨堿預(yù)處理時(shí)間的延長不斷增大,堿預(yù)處理前6 h內(nèi)凝膠強(qiáng)度呈近似直線上升趨勢(shì),處理6 h后凝膠強(qiáng)度為(1182.1±21.7) g/cm2。卡拉膠堿預(yù)處理時(shí)間越長,硫酸基除去越徹底,無凝膠性的卡拉膠轉(zhuǎn)化為具有凝膠性的卡拉膠量就越多,因此,卡拉膠凝膠強(qiáng)度隨堿預(yù)處理時(shí)間的延長而增強(qiáng)。取堿預(yù)處理時(shí)間5、6、7 h作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)水平。

圖2 堿預(yù)處理時(shí)間對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響

2.1.3 堿預(yù)處理溫度對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響 由圖3可以看出,隨著堿預(yù)處理溫度的升高,卡拉膠的凝膠強(qiáng)度和卡拉膠產(chǎn)率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在堿預(yù)處理溫度55 ℃時(shí),凝膠強(qiáng)度和卡拉膠產(chǎn)率達(dá)到最大值,分別為(1145.7±23.0) g/cm2和78.2%±2.07%?？ɡz發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化時(shí)需要合適溫度范圍,在此范圍內(nèi)隨溫度的升高,化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化完全,硫酸基去除徹底,凝膠強(qiáng)度增強(qiáng);當(dāng)溫度超過此范圍,低溫時(shí)卡拉膠結(jié)構(gòu)變化不大,高溫時(shí)卡拉膠發(fā)生降解,同時(shí)藻體細(xì)胞受到破壞,卡拉膠流失嚴(yán)重,其產(chǎn)率下降,卡拉膠凝膠強(qiáng)度相應(yīng)降低。取堿預(yù)處理溫度50、55、60 ℃作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)水平。

圖3 堿預(yù)處理溫度對(duì)卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度的影響

2.2響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)曲面模型建立與方差分析 通過統(tǒng)計(jì)分析軟件Design Expert 8.0.5對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析,建立二次響應(yīng)模型[16],以卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度為優(yōu)化指標(biāo),得到卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度對(duì)三個(gè)因素的二次多項(xiàng)式回歸模型方程。卡拉膠產(chǎn)率Y=75.52-0.60A+0.26B+0.64C+1.80AB+0.60AC+0.98BC-1.87A2-1.75B2-1.30C2,凝膠強(qiáng)度Z=1434.96+5.64A+37.34B+-0.38C+64.15AB+45.38AC-169.23BC+48A2-145.36B2-143.93C2。為驗(yàn)證卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度對(duì)三個(gè)因素(KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿預(yù)處理時(shí)間和堿預(yù)處理溫度)二次多項(xiàng)式回歸模型方程的有效性,對(duì)回歸模型方程進(jìn)行方差分析和顯著性檢測(cè),結(jié)果見表3和表4。

表3 卡拉膠產(chǎn)率回歸模型方差和誤差分析

注：p<0.05表示具有顯著性；p<0.01表示具有極顯著性；表4同。

表4 凝膠強(qiáng)度回歸模型方差和誤差分析

由表3可知,回歸模型的顯著性水平p<0.01,達(dá)到極顯著水平;失擬項(xiàng)0.71>0.05,說明方程失擬性不顯著,證明該模型合理。相關(guān)系數(shù)R2=98.42%,表明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值高度相關(guān),模型成立,可以用此模型對(duì)堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠最佳工藝進(jìn)行分析。AB、A2、B2的p值均小于0.01,說明這些項(xiàng)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率Y構(gòu)成極顯著的影響;單因素二次項(xiàng)C2的p<0.05,說明它對(duì)卡拉膠產(chǎn)率Y影響顯著,其余項(xiàng)對(duì)卡拉膠產(chǎn)率Y不構(gòu)成顯著影響。由F值大小可知,對(duì)卡拉膠產(chǎn)率構(gòu)成顯著影響的因素按顯著性由大到小的順序?yàn)閴A預(yù)處理時(shí)間>KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>堿預(yù)處理溫度。

由表4可知,回歸模型的顯著水平p<0.01,說明方程是顯著的;失擬項(xiàng)0.15>0.05,說明方程失擬性不顯著,該模型合理。相關(guān)系數(shù)R2=91.17%,說明該方程擬合情況好,能解釋絕大多數(shù)因變量的變化,實(shí)驗(yàn)誤差小,模型成立,可用此模型來選擇堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠最佳工藝。B2的p<0.01,說明該項(xiàng)對(duì)凝膠強(qiáng)度Z構(gòu)成極顯著影響,單因素B、單因素二次項(xiàng)C2及交互項(xiàng)BC的p值均<0.05,說明這些項(xiàng)目對(duì)凝膠強(qiáng)度Z構(gòu)成顯著影響;其余項(xiàng)對(duì)凝膠強(qiáng)度Z不構(gòu)成顯著影響。由F值分析可知,因素顯著性從大到小排列為堿預(yù)處理溫度>堿預(yù)處理時(shí)間>KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2.2 響應(yīng)曲面兩因素間的交互效應(yīng)分析 由擬合的回歸模型作響應(yīng)面3D圖和等高線圖,分別固定變量KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、堿預(yù)處理溫度(B)和堿預(yù)處理時(shí)間(C)在原點(diǎn),得到另外兩個(gè)因素的響應(yīng)面3D圖和等高線圖(圖4～圖15)。響應(yīng)面呈現(xiàn)規(guī)則的凸起表明實(shí)驗(yàn)因素水平范圍內(nèi)存在極大值,即響應(yīng)曲面的最高點(diǎn)。等高線圖近似于橢圓形表明交互項(xiàng)的影響顯著,而圓形則表示影響不顯著。

圖4 Y=(A,B)的響應(yīng)曲面3D圖

圖5 Y=(A,B)的等高曲線圖

圖6 Y=(A,C)的響應(yīng)曲面3D圖

圖7 Y=(A,C)的等高曲線圖

圖8 Y=(B,C)的響應(yīng)曲面3D圖

圖9 Y=(B,C)的等高曲線圖

KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)﹑堿預(yù)處理時(shí)間和堿預(yù)處理溫度各交互作用對(duì)卡拉膠產(chǎn)率的影響如圖4～圖9所示。各響應(yīng)面呈規(guī)則凸起,表明實(shí)驗(yàn)因素水平范圍卡拉膠產(chǎn)率有最大值,都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),各交互因素的最佳作用點(diǎn)基本落在實(shí)驗(yàn)范圍之內(nèi),證明此響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。等高線圖5近似于橢圓形表明AB交互項(xiàng)的影響顯著(p<0.01),而BC交互項(xiàng)和AC交互項(xiàng)的影響不顯著,這與回歸方程和表3模型方差顯著性的檢驗(yàn)結(jié)果一致。

圖10 Z=(A,B)的響應(yīng)曲面3D圖

圖11 Z=(A,B)的等高曲線圖

圖12 Z=(A,C)的響應(yīng)曲面3D圖

圖13 Z=(A,C)的等高曲線圖

圖14 Z=(B,C)的響應(yīng)曲面3D圖

圖15 Z=(B,C)的等高曲線圖

由圖10～15可以看出,響應(yīng)曲面的傾斜度由高到低的順序是圖14>圖10>圖12,傾斜度越高,即坡度越陡,說明兩者交互作用的影響越顯著,卡拉膠凝膠強(qiáng)度顯著影響因素是BC交互項(xiàng)(0.01

2.2.3 最優(yōu)工藝參數(shù)確定 為進(jìn)一步得到各因素的最佳條件組合,使卡拉膠產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用Design-Expert軟件對(duì)各因素和響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化分析,綜合分析得到最佳工藝條件為KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.72%,堿預(yù)處理溫度為56.22 ℃,堿預(yù)處理時(shí)間為6.02 h,優(yōu)化后的卡拉膠產(chǎn)率理論值為75.59%±1.73%,凝膠強(qiáng)度理論值為(1434.8±19.9) g/cm2。從實(shí)驗(yàn)操作便利性考慮,將堿處理最佳條件取為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、堿預(yù)處理溫度為56 ℃、堿預(yù)處理時(shí)間為6 h。在此優(yōu)化條件下進(jìn)行三次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示卡拉膠平均產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度分別為75.23%±2.16%和(1378.5±16.27) g/cm2,與理論值相對(duì)誤差分別為0.48%和0.39%。結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值基本吻合,表明響應(yīng)面分析優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際值相一致,可以作為堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的最佳工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

響應(yīng)面法優(yōu)化出堿法預(yù)處理瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的最佳工藝參數(shù)為KOH堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、堿預(yù)處理溫度56 ℃和堿預(yù)處理時(shí)間6 h,在此條件下卡拉膠的產(chǎn)率和凝膠強(qiáng)度分別為75.23%±2.16%和(1378.5±16.27) g/cm2,與理論值相比,兩者的相對(duì)誤差分別為0.48%和0.39%,模型擬合情況良好,可以作為瓊枝麒麟菜提取卡拉膠的工業(yè)生產(chǎn)條件。

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TechnologicaloptimizationofalkalipretreatmentinthecarrageenanextractionfromEucheumagelatinae

DENGChun-mei,WUZu-jian,HELan-zhen,ZHANGGuo-guang,WUYu-lian,WENYan-mei,KANGXin-huang*

(College of Chemistry and Environment,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)

The technological optimization of alkali pretreatment in the course of carrageenan extraction fromEucheumagelatinaewas studied by the response surface methodology. On the basis of single-factor investigation,the quadratic regression equations about yield and gel strength(GS)of carrageenan were established regarding KOH mass fraction,alkali-pretreating temperature and alkali-pretreating time as influence factors,and yield and strength of carrageenan as response values,the optimal conditions for the alkali pretreatment were analyzed by the response surface methodology. The optimizing process parameters were as follows:KOH mass fraction 10%,alkali pretreating temperature 56 ℃ and alkali pretreating time 6 h,under the conditions,yield and GS of carrageenan fromEucheumagelatinumwere 75.23%±2.16% and(1378.5±16.27) g/cm2respectively. The optimized process could effectively improve the producting conditions for the carrageenan extraction fromEucheumagelatinae.

carrgeenan;Eucheumagelatinae;alkali pretreatment;response surface methodology

2017-05-18

鄧春梅(1968-)，女，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)、天然藥物化學(xué)，E-mail：dcm2382405@163.com。

*

康信煌(1965-)，男，博士，副教授，研究方向：海洋化學(xué)，E-mail：kang.xinhuang@gmail.com。

廣東海洋大學(xué)自然科學(xué)基金(E13503、Q14176)；湛江市科技局自然科學(xué)基金(A15445，A14457)。

TS255.3

B

1002-0306(2017)22-0178-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.035