寧海鳳 張立峰 張洪奎

臨沂艾德森生物科技有限公司 山東臨沂 276036

卡拉膠(Carrageenan，又稱鹿角藻膠、角叉菜膠)是從角叉菜Chondrus)、麒麟菜(Eucheuma)、杉藻(Gigartina)及沙菜(Hypena)等紅藻中提取的一種極有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的硫酸酯多糖[1～3]，分子量在100kDa以上。

卡拉膠是由β，1-3和α，1-4糖苷鍵交替連接成的線性多糖[4,5]。其中不同類型的卡拉膠的2位、6位或者3,6-脫水半乳糖部分被硫酸酯化，從而使得不同類型卡拉膠具有不同的凝膠性質(zhì)，卡拉膠的結(jié)構(gòu)與海藻種類、生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)周期有關(guān)[6]。

根據(jù)硫酸酯基的位置、數(shù)量以及是否含有3,6-脫水半乳糖，將卡拉膠分為κ-、ι-、λ、μ、θ、γ、η七種，目前工業(yè)生產(chǎn)和使用的主要為κ-、ι-、λ三種[7]。其中κ-卡拉膠是目前應(yīng)用最為廣泛的一種卡拉膠，具有獨(dú)特的熱可逆凝膠性質(zhì)和抗蛋白凝結(jié)性等特點(diǎn)[8]。

κ-卡拉膠由β(1-3)-D吡喃半乳糖-4硫酸酯和α(1-4)-3,6脫水-D半乳糖交替形成的重復(fù)單元構(gòu)成；ι-卡拉膠與κ-卡拉膠具有類似的重復(fù)單元，區(qū)別在于1,4連接的半乳糖單元中第二個(gè)碳原子連接了另外一個(gè)硫酸酯基。在一定溫度下的水溶液中，卡拉膠構(gòu)象由無(wú)規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)[9～11]。

卡拉膠具有良好的凝膠性、增稠性和保水性，廣泛應(yīng)用于食品、日化、生物等領(lǐng)域。1973年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織評(píng)價(jià)認(rèn)為每人每日卡拉膠允許攝入量不加限制，因此卡拉膠是安全的，添加量不需限制的食品添加劑[12～14]。

卡拉膠已被廣泛使用，特別是κ-卡拉膠因其優(yōu)良的增稠和凝膠性質(zhì)被廣泛用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)[15,16]。κ-卡拉膠優(yōu)良的生物降解性和生物相容性，使其在醫(yī)療護(hù)理、藥物控釋和包埋方面發(fā)揮了重要作用[17]。

堿處理工藝是工業(yè)上利用海藻生產(chǎn)卡拉膠的常用方法[18,19],堿處理可將海藻細(xì)胞壁外層的蠟質(zhì)層部分去除，賦予卡拉膠以增稠、凝膠的功能性質(zhì)。根據(jù)堿處理后加工方式不同，可將卡拉膠分為半精制和精制兩種類型。

其中半精制卡拉膠因生產(chǎn)成本相對(duì)較低，在工業(yè)上廣泛使用，但因其生產(chǎn)過(guò)程中未經(jīng)除纖維過(guò)程，故溶解性及凝膠性能較差，限制了使用范圍。本研究在對(duì)堿處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用高壓均質(zhì)工藝，在盡量避免卡拉膠功能性質(zhì)被破壞的前提下，將殘留的纖維素及纖維素與卡拉膠之間的連接進(jìn)一步破碎，提高卡拉膠親水性及凝膠性能，拓展應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻Eucheuma Cottonii，印度尼西亞Maluku；

食品級(jí)KOH，東營(yíng)市赫邦化工有限公司；

高壓均質(zhì)機(jī)S-60，上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；

噴霧干燥塔，上海大川原干燥設(shè)備有限公司；

凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀，WD-1泉州萬(wàn)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；

NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，上海地學(xué)儀器研究所。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 半精制卡拉膠制備工藝

海藻→挑揀→堿處理→水洗→煮膠→冷卻→均質(zhì)→噴霧干燥。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

以卡拉膠得率和凝膠強(qiáng)度為主要指標(biāo)，考察料液比、KOH濃度、提取溫度、提取時(shí)間、均質(zhì)壓力各單因素對(duì)卡拉膠制備及性能的影響。

1.2.2.1 料液比對(duì)制備效果的影響

調(diào)節(jié)料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，60℃下提取3h，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時(shí)經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，經(jīng)噴霧干燥制備卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測(cè)定凝膠強(qiáng)度并計(jì)算得率。

1.2.2.2 KOH濃度對(duì)制備效果的影響

固定提取溫度60℃、提取時(shí)間3h、均質(zhì)壓力30MPa，按照1.2.2.1中篩選得到的料液比提取卡拉膠，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時(shí)經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，經(jīng)噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測(cè)定凝膠強(qiáng)度并計(jì)算得率。

1.2.2.3 提取溫度對(duì)制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在60℃下提取3h，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時(shí)經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測(cè)定凝膠強(qiáng)度并計(jì)算得率。

1.2.2.4 提取時(shí)間對(duì)制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在1.2.2.3中確定的溫度下，分別提取3、4、5、6h后，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時(shí)經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測(cè)定凝膠強(qiáng)度并計(jì)算得率。

1.2.2.5 均質(zhì)壓力對(duì)制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在1.2.2.3中確定的溫度、1.2.2.4確定的提取時(shí)間下，處理海藻，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時(shí)分別經(jīng)30、40、50、60MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測(cè)定凝膠強(qiáng)度并計(jì)算得率。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)

在對(duì)以上單因素分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L16(45)的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)影響卡拉膠得率和凝膠強(qiáng)度的主要因素：料液比、KOH濃度、提取溫度、提取時(shí)間、均質(zhì)壓力進(jìn)行研究，確定最佳工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table. 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取3.0g樣品于500mL燒杯中，加蒸餾水200g攪勻，常溫浸泡15min。置于水浴中加熱，當(dāng)溶液溫度為65℃時(shí)，加入4mL10%的KCl溶液。繼續(xù)水浴加熱至液體中心溫度為90℃，開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫10min，攪拌均勻倒入標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度測(cè)定杯，冷卻，封膜，移入20℃恒溫箱，放置10～16h，取出膠體，置于凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀上測(cè)定凝膠強(qiáng)度。3個(gè)樣品的平均值即為此試樣的凝膠強(qiáng)度。

1.2.5 得率計(jì)算公式

式中：

W—表示卡拉膠得率(%)；

m1—表示所得到的卡拉膠粉的質(zhì)量(g)；

m2—表示原料海藻的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)卡拉膠得率及凝膠強(qiáng)度的影響

由圖1可知，料液比對(duì)卡拉膠得率無(wú)顯著影響，在料液比1∶10時(shí)卡拉膠凝膠強(qiáng)度較低，隨著料液比的加大，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這可能是由于堿液較少時(shí)，堿液不能充分滲入海藻細(xì)胞內(nèi)部，從而使得海藻細(xì)胞壁外層的蠟質(zhì)層殘留較多，影響了凝膠強(qiáng)度。當(dāng)料液比為1∶20時(shí)，得率和凝膠強(qiáng)度均較理想，繼續(xù)提高料液比后，得率和凝膠強(qiáng)度無(wú)明顯改善，且增加下一步清洗難度，因此選擇料液比為1∶20。

2.1.2 KOH濃度對(duì)卡拉膠得率及凝膠強(qiáng)度的影響

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的KOH濃度范圍內(nèi)，隨濃度的提高，卡拉膠得率逐漸下降，這是因?yàn)楦邼舛鹊腒OH溶液脫除海藻細(xì)胞壁中的蠟質(zhì)層外，同時(shí)會(huì)將海藻中的部分膠質(zhì)溶出，造成得率的降低。而過(guò)高的KOH濃度也會(huì)對(duì)海藻結(jié)構(gòu)造成破壞，對(duì)卡拉膠分子鏈存在一定程度的破壞，從而降低凝膠強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇KOH濃度為7%。

2.1.3 提取溫度對(duì)卡拉膠得率及凝膠強(qiáng)度的影響

根據(jù)圖3可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，卡拉膠的得率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。這是由于溫度較低時(shí)(60℃以下)海藻細(xì)胞壁中的蠟質(zhì)層脫除不確定，膠質(zhì)暴露不充分，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度較低。而隨著蠟質(zhì)層的破壞，所得產(chǎn)物的質(zhì)量下降，表現(xiàn)為得率的降低。

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)卡拉膠得率及凝膠強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，卡拉膠凝膠強(qiáng)度呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，海藻細(xì)胞壁逐漸被堿液破壞，內(nèi)部膠質(zhì)得以提取。如果提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，細(xì)胞壁被破壞的同時(shí)，膠質(zhì)也會(huì)有部分溶出，導(dǎo)致得率下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇最佳提取時(shí)間為4h。

2.1.5 均質(zhì)壓力對(duì)卡拉膠得率及凝膠強(qiáng)度的影響

由圖5可知，在所設(shè)定的均質(zhì)壓力范圍內(nèi)，卡拉膠得率無(wú)顯著變化，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于隨著均質(zhì)壓力的增大，堿處理中殘留的細(xì)胞壁蠟質(zhì)層被進(jìn)一步破壞，膠質(zhì)層得以進(jìn)一步釋放，提高了卡拉膠整體的凝膠強(qiáng)度。而如果均質(zhì)壓力達(dá)到40MPa后再繼續(xù)提高，均質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的剪切、撞擊、空穴和湍流對(duì)卡拉膠的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇均質(zhì)壓力40MPa處理膠液。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

由凝膠強(qiáng)度的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2，凝膠強(qiáng)度的極差分析表3，可以看出，各因素對(duì)卡拉膠制備效果中凝膠強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)锽>E>C>D>A，即KOH濃度>均質(zhì)壓力>提取溫度>提取時(shí)間>料液比，最佳提取條件為A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時(shí)間4h，均質(zhì)壓力40MPa。

表3 正交實(shí)驗(yàn)中凝膠強(qiáng)度的極差分析表Table 3 The range analysis results of gel strength

從凝膠強(qiáng)度的方差分析表4表明，KOH濃度和均質(zhì)壓力對(duì)卡拉膠凝膠強(qiáng)度具有顯著影響。

表4 正交實(shí)驗(yàn)中凝膠強(qiáng)度的方差分析表Table 4 The variance analysis results of gel strength

由正交實(shí)驗(yàn)中得率的極差分析表5可以看出，各因素對(duì)卡拉膠得率影響的主次順序?yàn)锽>C>D>E>A，即KOH濃度>提取溫度>提取時(shí)間>均質(zhì)壓力>料液比，最佳提取條件為A1B2C1D1E1，即料液比1∶15，KOH濃度7%，提取溫度50℃，提取時(shí)間3h，均質(zhì)壓力30MPa。

正交實(shí)驗(yàn)中得率的方差分析表6表明，KOH濃度和提取溫度對(duì)卡拉膠得率具有顯著影響。

表5 正交實(shí)驗(yàn)中得率的極差分析表Table 5 The range analysis results of extraction rate

表6 正交實(shí)驗(yàn)中得率的方差分析表Table 6 The variance analysis results of extraction rate

由于實(shí)驗(yàn)以卡拉膠凝膠強(qiáng)度為主要考核指標(biāo)，且不同制備條件下卡拉膠得率總體變化幅度較小，因此，最佳工藝條件選擇卡拉膠凝膠強(qiáng)度最高的組合，即A4B4C2D2E2。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)篩選得到的最佳工藝條件，即A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時(shí)間4h，均質(zhì)壓力40MPa進(jìn)行卡拉膠的制備，并得到此條件下的卡拉膠得率和凝膠強(qiáng)度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最佳制備條件下的卡拉膠凝膠強(qiáng)度為872g/cm2，優(yōu)于正交實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果，且此條件下卡拉膠得率為34.37%，也較理想，因此本最佳工藝條件合理。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定卡拉膠提取的最佳工藝條件為料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時(shí)間4h，均質(zhì)壓力40MPa，該條件下，卡拉膠得率為34.37%，凝膠強(qiáng)度為872g/cm2。

本實(shí)驗(yàn)在堿處理工藝的基礎(chǔ)上，采用高壓均質(zhì)手段進(jìn)一步優(yōu)化卡拉膠制備工藝，與傳統(tǒng)半精制卡拉膠相比，改善了凝膠性能，提高了卡拉膠的適用性。