朱 敏, 張立新, 史大永

(1. 青島大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

刺麒麟菜基本成分分析和ι-卡拉膠的提取工藝參數(shù)優(yōu)化

朱 敏1, 張立新1, 史大永2

(1. 青島大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

以印尼海域刺麒麟菜(Eucheuma spinosum)為原料, 分別采用烘箱法、高溫灼燒法、凱式定氮法、索氏提取法對其水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量進(jìn)行測定, 通過正交試驗(yàn)確定最佳提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明, 該刺麒麟菜中水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量分別為12.93%, 22.68%, 4.19%和0.58%。最佳提取工藝參數(shù)由正交試驗(yàn)確定為：常溫下, 9% KOH處理5 h, 90 ℃提取4 h。得到凝膠強(qiáng)度為59 g/cm2, 產(chǎn)率為47.6%的ι-卡拉膠產(chǎn)品。

刺麒麟菜(Eucheuma spinosum); 基本成分; ι-卡拉膠; 提取工藝; 正交實(shí)驗(yàn)

卡拉膠Carrageenan又叫作鹿角菜膠或鹿角藻膠,是從麒麟菜屬、杉藻屬或角叉菜屬等紅藻中提取的極有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的紅藻多糖, 是由 D-半乳糖和 3,6-內(nèi)醚半乳糖殘基所組成的線性多糖, 殘基中帶有酯式硫酸鹽基團(tuán)[1]。常見的卡拉膠根據(jù)含有硫酸酯的位置和數(shù)量的多少分為κ-(Kappa)型、ι-(Iota)型和λ-(Lamda)型等幾種類型。κ-卡拉膠是 D-半乳糖-4-硫酸鹽和3,6-內(nèi)醚-D-半乳糖的交互聚合物。ι-卡拉膠類似, 特殊處在于3,6-內(nèi)醚半乳糖是在2位碳形成硫酸鹽[2-3]。常見的商品化卡拉膠主要有 κ-、ι-和 λ-三種類型, 前兩種的應(yīng)用較廣泛。目前, 卡拉膠被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等諸多工業(yè)領(lǐng)域。其中, 最新醫(yī)藥應(yīng)用方面, 卡拉膠降解產(chǎn)物的活性研究已得到充分開展,如抗凝血、抗病毒、抗腫瘤等[4-5]。此外,卡拉膠還具有較強(qiáng)的生物活性[6]。而且, 隨著醫(yī)藥工業(yè)中植物性膠囊殼產(chǎn)業(yè)的迅猛興起, 大有植物性原料替代動物性原料的趨勢, 而植物性膠囊殼的生產(chǎn)原料之一就是卡拉膠, 這將使其需求量成倍增加[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2000年卡拉膠年產(chǎn)量已突破2.5萬t, 但市場需求量每年仍以5%～10%的速度遞增[8]。多年來, 國際、國內(nèi)市場均以 κ-卡拉膠為主, 約占市場份額的80%以上。事實(shí)上, ι-卡拉膠在很多方面比 κ-卡拉膠更具優(yōu)勢。首先, ι-卡拉膠形成的凝膠柔軟且富于彈性、觸變性及抗溶穩(wěn)定性, 同時(shí)具有更好的保水性,這些優(yōu)良性質(zhì), 使得其在食品、化妝品、醫(yī)藥等行業(yè)中有著更廣泛的應(yīng)用價(jià)值和潛力[9]。而κ-卡拉膠形成的凝膠硬而脆, 容易泌水, 導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到一定限制。其次, ι-卡拉膠的提取原料是大量生長于印尼等廣闊海域的刺麒麟菜Eucheuma spinosum, 這種海藻易于養(yǎng)殖且生長速度快, 價(jià)格低廉, 大約是 κ-卡拉膠的提取原料耳突麒麟菜Eucheuma cottonii價(jià)格的三分之二。但是, 國際市場每噸ι-卡拉膠成品的價(jià)格卻比κ-卡拉膠高2.5倍左右, 這是由于ι-卡拉膠的生產(chǎn)工藝復(fù)雜, 成本居高不下造成的。另外, 卡拉膠產(chǎn)品的質(zhì)量隨著所用原料和生產(chǎn)工藝的不同而存在顯著性差異[10]。目前, 國內(nèi)外文獻(xiàn)、專利中涉及最多的還是 κ-卡拉膠方面的研究, 對 ι-卡拉膠尚缺乏整體系統(tǒng)的研究。因此, 優(yōu)化其提取工藝, 降低成本,是目前此領(lǐng)域科學(xué)研究的熱門課題。本研究通過正交試驗(yàn)優(yōu)選出 ι-卡拉膠最佳提取工藝參數(shù), 為其產(chǎn)業(yè)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ), 其次還報(bào)道了刺麒麟菜的基本化學(xué)成分分析結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 材料

刺麒麟菜(Eucheuma spinosum) 2009年7月取自印尼海域, 3 mol/L鹽酸、濃硝酸、無水硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、甲基紅指示劑、鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鈉、無水乙醚、氫氧化鉀、95%乙醇, 以上試劑除鄰苯二甲酸氫鉀為優(yōu)級純外, 其他均為分析純試劑。

1.2 刺麒麟菜的基本化學(xué)成分分析

1.2.1 水分測定[11]

將采來的刺麒麟菜洗凈、除雜、晾干后, 用 105℃烘箱法測定水分含量。

1.2.2 灰分測定[11]

將晾干備用的刺麒麟菜粉碎, 用高溫灼燒法測定其灰分含量。

1.2.3 粗蛋白測定[11]

將晾干備用的刺麒麟菜樣品研細(xì)、過篩、恒重后, 取一定量以微量凱氏定氮法測定粗蛋白含量。

1.2.4 粗脂肪測定[11]

將晾干備用的刺麒麟菜樣品研細(xì)、過篩、恒重,用索氏抽提法測定粗脂肪含量。

1.3 卡拉膠提取工藝

準(zhǔn)確稱取洗凈曬干的刺麒麟菜 20 g, 用不同濃度的KOH溶液浸泡, 以藻體完全浸沒為準(zhǔn)。浸泡一定時(shí)間后, 濾去堿液, 用大量清水洗凈藻體至pH為7～8。將洗凈瀝干后的藻體剪成1 cm左右的小段, 投入25～30倍的去離子水中, 并在80 ～90 ℃下使之煮溶。用200目尼龍紗布濾去藻渣, 將得到的膠液冷卻至 40～50 ℃進(jìn)行脫水處理后, 再用尼龍紗布擠壓過濾, 濾餅在鼓風(fēng)干燥箱中干燥即得到成品ι-卡拉膠。

工藝過程：刺麒麟菜 →洗凈晾干 →堿液浸泡→浸洗 →提膠 →精濾 →沉淀 →干燥 →卡拉膠產(chǎn)品

1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 單因素實(shí)驗(yàn)

選取KOH濃度、堿處理時(shí)間、提膠時(shí)間、提膠溫度, 4個因素分別在一定范圍內(nèi)取值。濃度實(shí)驗(yàn)固定堿處理時(shí)間為5 h、提膠時(shí)間3 h、提膠溫度80 ℃,堿處理時(shí)間實(shí)驗(yàn)固定堿濃度為6%、提膠時(shí)間3 h、提膠溫度80 ℃, 提膠時(shí)間實(shí)驗(yàn)固定堿濃度6%、堿處理時(shí)間5 h、提膠溫度80 ℃、提膠溫度實(shí)驗(yàn)固定堿濃度6%、堿處理時(shí)間5 h、提膠時(shí)間3 h, 同時(shí)考查凝膠強(qiáng)度(G)和產(chǎn)率(Y)兩個指標(biāo)。

1.4.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)各單因素初篩實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 分別確定堿濃度(A)、時(shí)間(B)、溫度(C)、提取時(shí)間(D)作為考察因素,每個因素?cái)M定3個水平, 選 (L934)正交表。

1.4.3 卡拉膠產(chǎn)率的測定[12]

ι-卡拉膠產(chǎn)品中的水分采用105 ℃烘箱法測定。

1.4.4 凝膠強(qiáng)度的測定

在已知重量的燒杯中加入 98 mL去離子水, 其中分散 2.00 g ι-卡拉膠(ι-卡拉膠中應(yīng)含有足夠的鈣離子以形成良好的凝膠, 若提取物中缺 Ca2+, 則除了加入KCl之外, 還要加入0.4 g CaCl2·2H2O), 移入沸水浴中加熱攪拌。內(nèi)容物溫度升至 80 ℃左右時(shí),取出稱重, 用去離子水調(diào)整凈重為 100 g, 則卡拉膠濃度為2%。將杯內(nèi)溶液傾入3個結(jié)晶皿中, 將結(jié)晶皿放入10 ℃水浴中保溫2 h, 然后取出結(jié)晶皿, 用凝膠強(qiáng)度測定儀測定凝膠強(qiáng)度, 求3次測量平均值[13]。

2 結(jié)果

2.1 刺麒麟菜的基本化學(xué)成分分析

對刺麒麟菜進(jìn)行基本化學(xué)成分分析, 結(jié)果見下表1。

表1 刺麒麟菜的基本營養(yǎng)成分Tab. 1 Contents of general components of Eucheuma spinosum

由刺麒麟菜的基本營養(yǎng)成分表可以看出刺麒麟菜礦物質(zhì)含量較豐富, 但蛋白質(zhì)、脂肪類含量較低。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

由于影響 ι-卡拉膠整個提取過程的品質(zhì)和產(chǎn)率的4個重要因素為：堿處理濃度、堿處理時(shí)間、提膠溫度、提膠時(shí)間, 首先通過單因素試驗(yàn)確定各自的敏感范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

綜合 ι-卡拉膠的凝膠強(qiáng)度和產(chǎn)率兩個指標(biāo), 分析表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：4個因素的最佳取值范圍分別是：堿濃度 7%～9%、處理時(shí)間 5～7 h、提取時(shí)間3～4 h、提取溫度 80～90 ℃。

2.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)各單因素初篩實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 分別確定堿濃度(A)、堿處理時(shí)間(B)、提取溫度(C)、提取時(shí)間(D)作為考察因素, 每個因素?cái)M定3個水平, 見表3, 選用(L934)正交表, 實(shí)驗(yàn)安排見表4。

表中列出了k1、k2、k3其中k1表示每一列的第一水平所對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和的平均值;k2表示每一列的第二水平所對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和的平均值;k3表示每一列的第三水平所對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和的平均值。R表示極差即每一列中k的最小值和最大值之差。評分標(biāo)準(zhǔn)：每列的最小值和最大值分別評為0.00分和10.00分, 每行對應(yīng)的評分= (該行的G或Y值-G或Y的最小值)/(該列G或Y的最大值與該列G或Y的最小值之差), 綜合評分中k1、k2、k3的算法同上。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)表Tab. 2 Single-factor experiment

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab. 3 Orthogonal factor level table

表4 L9 (34)試驗(yàn)表Tab. 4 L9 (34) orthogonal table

由表4中的極差大小可以看出：影響凝膠強(qiáng)度的程度為 A＞B＞D＞C; 影響產(chǎn)率的程度為 B＞D＞C＞A;影響綜合指標(biāo)的程度為A＞D＞B＞C, 即堿液濃度對凝膠強(qiáng)度和卡拉膠產(chǎn)率綜合影響最大, 其次為提取時(shí)間, 然后是處理時(shí)間, 影響最小的因素是提取溫度。直觀分析表明從刺麒麟菜中提取 ι-卡拉膠的最佳工藝參數(shù)為A3B1C3D3, 即堿濃度為9%, 堿處理時(shí)間為5 h, 提膠溫度為90 ℃, 提取時(shí)間為4 h。按照上述最佳工藝提取卡拉膠, 得到凝膠強(qiáng)度為59 g/cm2, 產(chǎn)率為47.6%, 綜合評分為16.59的ι-卡拉膠產(chǎn)品。

3 結(jié)論

從刺麒麟菜基本營養(yǎng)成分分析結(jié)果得到, 其水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量分別為12.93%, 22.68%,4.19%和 0.58%, 是一種礦物質(zhì)含量較豐富, 蛋白質(zhì)和脂肪類物質(zhì)含量較少的海洋紅藻。

由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出, 實(shí)驗(yàn)條件在堿濃度7%～9%、處理時(shí)間5～7 h、提取時(shí)間3～4 h、提取溫度80～90 ℃范圍波動時(shí), 提取得到的ι-卡拉膠產(chǎn)品在凝膠強(qiáng)度和產(chǎn)率上均占有優(yōu)勢。在確定各單因素影響敏感范圍的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了三水平四因素的正交試驗(yàn)。最終得出最佳工藝參數(shù)為：9% KOH常溫下(25～30 ℃)處理5 h, 90℃溫度下提取4 h。結(jié)果表明,按本文提供的最佳工藝參數(shù), 提取到的 ι-卡拉膠凝膠強(qiáng)度可達(dá)到59 g/cm2, 產(chǎn)率達(dá)到47.6%。本工藝參數(shù)不僅使產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量大大提高, 而且降低了生產(chǎn)成本, 為生產(chǎn)實(shí)踐提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

總之, 醫(yī)用和食用特性ι-卡拉膠的研制, 不僅開拓了海藻化工行業(yè)領(lǐng)域, 而且大大降低了 ι-卡拉膠的生產(chǎn)成本, 提高了產(chǎn)品附加值, 具有非常樂觀的市場前景。

[1]寧發(fā)子, 何新益, 殷七榮, 等. 卡拉膠的特性與應(yīng)用[J]. 食品工業(yè), 2002, 3：30-32.

[2]Srinivas J, Rengaswami C. Heterogeneity in iotacarrageenan molecular structure：insights for polymorphⅡ→Ⅲ transition in the presence of calcium ions[J]. Carbohydr Res, 2008, 343：364-373.

[3]胡亞芹, 竺美. 卡拉膠及其結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 海洋湖沼通報(bào), 2005, 1：94-102.

[4]Zhou Gefei, Yao Wenhong, Wang Changhai, et al. Kinetics of microwave degradation of lambda-carrageenan fromChondrus ocellatus[J]. Carbohydr Polym,2006, 64(1)：73-77.

[5]Luescher-Mattli M. Algae, a possible source for new drugs in the t reatment of HIV and other viral diseases[J]. Curr Med Chem Anti-Infect Agents, 2003, 2：219-225.

[6]周革非, 魏元臣, 孔娜娜, 等. λ-卡拉膠降解組分的分離純化、抗氧化及免疫活性研究[J]. 海洋科學(xué),2009, 33(8)：58-62.

[7]鄭琴, 陳青陽, 楊明, 等. 空膠囊的研究現(xiàn)狀及解決中藥膠囊吸潮問題的思考[J]. 2007, 19 (6)：74-77.

[8]劉芳, 趙謀明, 彭志英. 卡拉膠與其他多糖類協(xié)同作用機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2000, 4：8-12.

[9]韓國華, 李海霞, 吳楊樺. 菲律賓刺生麒麟菜提取 ι-卡拉膠的工藝探討[J]. 食品與機(jī)械, 2001, 83(3)：31-32.

[10]Fred V, Anna S A, Harry S R, et al. The structure of j/i-hybrid carrageenans II. Coil–helix transition as a function of chain compositionq[J]. Carbohy Res, 2005,340：1113-1129.

[11]范曉, 嚴(yán)小軍, 韓麗君. 海藻化學(xué)分析方法[M]. 青島：學(xué)苑出版社, 1995：44-115.

[12]國家技術(shù)監(jiān)督局. GB 15044－1994 食品添加劑-卡拉膠[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1994.

[13]王銘和. 瓊膠和卡拉膠的生產(chǎn)和應(yīng)用[M]. 廣東：海洋出版社, 2001：98-119.

Analysis of compositions ofEucheuma spinosumand studies on the technological parameters in ι-carrageenan extraction from this alga

ZHU Min1, ZHANG Li-xin1, SHI Da-yong2
(1. Institute of Chemistry, Chemical Engineering and Environment, Qingdao University, Qingdao 266071, China;2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of sciences, Qingdao 266071, China)

Oct., 15, 2010

Eucheuma spinosum; compositions; ι-carrageenan; technological parameters; orthogonal experiments

In order to provide plenty data for ι-carrageenan production, the chemical compositions ofEucheuma spinosumwere analyzed and technological parameters for ι-carrageenan extraction from this alga were studied. By oven drying method, ignition, Kjeldahl method and Soxhlet extraction, the contents of water, ash, crude protein and crude fat inEucheuma spinosumwere determined to be 12.93%, 22.68%, 4.19%, and 0.58%, respectively. The optimal parameters were established by orthogonal design to be treated with 9% potassium hydroxide for 5 hours under room temperature and extracted for 4 hours at 90 ℃. The yield of extraction was 47.6% and the gel strength of ι-carrageenan product was 59 g/cm2.

O658 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3096(2011)12-0063-05

2010-10-15;

2011-03-08

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2009RM018)

朱敏(1984-), 女, 碩士研究生, 研究方向：天然產(chǎn)物的分離與分析, E-mail：zhumin020262@126.com; 張立新, 通信作者, 副教授,博士, E-mail：lxzhanghot@hotmail.com

康亦兼)