田洪蕓，王洪新，2，爾朝娟

1(江南大學食品學院，江蘇 無錫，214122)2(食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

褐藻酸鈉不同提取方法的比較及工藝優(yōu)化

田洪蕓1，王洪新1，2，爾朝娟1

1(江南大學食品學院，江蘇 無錫，214122)2(食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

探討使用戊二醛溶液代替甲醛溶液作為前處理劑的最優(yōu)處理條件，研究了海帶褐藻酸鈉消化反應前不同處理方法對海帶提取率與粘度的影響。比較得出用體積分數(shù)2%的戊二醛溶液做前處理劑優(yōu)于目前工業(yè)上應用的體積分數(shù)為1%甲醛溶液，超聲-微波協(xié)同處理所得褐藻酸鈉的提取率及黏度最優(yōu)。對協(xié)同處理工藝進行優(yōu)化，最佳提取條件為:超聲功率50 W，微波功率500 W，提取時間60 s，料液比1∶20(g∶mL)，提取次數(shù)2次。超聲-微波協(xié)同萃取法與酸處理方法、超聲提取方法、微波法相比具有提取效率高、提取時間短的特點。

褐藻酸鈉，提取率，超聲-微波協(xié)同萃取，戊二醛，甲醛

褐藻酸鈉(sodium alginate，NaAlg，簡稱AGS)是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取的一種多糖碳水化合物，由 1，4-聚-β-D-甘露糖醛酸和 α-L-古羅糖醛酸組成的一種線型聚合物，是海藻酸衍生物中的一種，所以有時也稱海藻酸鈉、海帶膠或海藻膠［1－4］。海藻酸鹽主要以鈣鹽的形式存在于海帶細胞壁中，而纖維素是構(gòu)成植物細胞壁的主要成分，纖維素的存在不利于海藻酸鹽的溶出，所以褐藻酸鈉提取的關(guān)鍵在于破壞海帶的細胞結(jié)構(gòu)［5］。傳統(tǒng)工藝是通過堿化工序時加入稀堿使海帶的細胞壁溶脹破壞，但稀堿的作用有限，不能完全使細胞壁破壞，最終使褐藻酸鈉的收率很低［6］。本試驗采用超聲波、微波等方法對海帶進行前處理，并與傳統(tǒng)提取方法進行比較，優(yōu)化了提取褐藻酸鈉的工藝條件。甲醛能夠?qū)⒑毓潭ㄔ诒砥ぜ毎校瓜磻獣r色素的溶出量減少，最終所得產(chǎn)品色澤較好。但是，甲醛具有潛在致癌性，限制了其在食品醫(yī)藥領(lǐng)域的應用。本實驗嘗試用戊二醛代替甲醛，作為海帶的前處理劑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海帶，采自山東榮成;無水 Na2CO3、濃 HCl、甲醛、濃 H2SO4、咔唑、無水乙醇、NaOH、戊二醛、酚酞(均為分析純試劑)，均采自國藥集團化學試劑有限公司。

CW－2000超聲-微波協(xié)同萃取儀(上海新拓微波溶樣測試技術(shù)有限公司)，UV－2100紫外分光光度計(尤尼克公司)，101－2型電熱鼓風干燥箱(上海榮豐科學儀器有限公司，DNJ－1型黏度計(余姚市銀環(huán)流量儀表有限公司)，數(shù)顯恒溫水浴鍋(常州市榮冠實驗分析儀器廠)，智能超聲波清洗器 (上海之信儀器有限公司)，Philips VIP20微波爐 (荷蘭Philips公司)，BS 124S型電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，DZF－6020真空干燥箱(鞏義市榮峪予華儀器廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

原料粉碎→浸泡→超聲等處理→消化→過濾→體積分數(shù)HCl沉淀→過濾→質(zhì)量分數(shù)1%Na2CO3中和→2倍的體積體積分數(shù)95%乙醇沉淀→60℃烘箱烘干

1.2.2 戊二醛與甲醛做前處理劑的比較試驗

準確稱取海帶干粉5.00 g，加入不同濃度的戊二醛溶液(將體積分數(shù)為25%的戊二醛溶液看做100%，下同)，處理12 h，與工業(yè)普遍采用的1%(將體積分數(shù)為40%的甲醛溶液看做100%，下同)的溶液處理12 h，比較產(chǎn)品的黏度與得率，提取率。

1.2.3 褐藻酸鈉標準溶液的配制

稱取10.00 g海帶干粉放入燒杯中，加入300 mL 1%甲醛溶液，室溫下浸泡一夜過濾，用蒸餾水洗滌3次。經(jīng)處理的海帶粉加入300 mL質(zhì)量分數(shù)為2%Na2CO3溶液，于60℃水浴鍋中提取2.5 h，2層紗布過濾，濾渣用蒸餾水洗滌3次，濾液再過150目絹布，400目絹布除去小分子雜質(zhì)，得300 mL粗海藻酸鈉溶液。用滴管向粗海藻酸鈉溶液中滴加體積分數(shù)50%，調(diào)pH值為2，析出海藻酸沉淀［7］。用蒸餾水洗滌海藻酸沉淀直至無Cl－存在，然后用2倍體積95%乙醇脫水，30℃真空干燥。

準確稱取干燥后的海藻0.80～1.00 g，加入25 mL 0.02 mol/L的NaOH溶液，攪拌0.5h，完全溶解后以酚酞為指示劑用0.02 mol/L HCl滴定，計算褐藻膠的實際含量。將以確定實際含量的褐藻膠配成1 mg/mL的標準溶液。

1.2.4 褐藻膠溶液標準曲線的繪制［8－10］

取10 mL H2SO4溶液(4體積濃H2SO4和1體積的水混合液)注入具塞試管中，將其放入冰浴中，吸取不同濃度的標準溶液1 mL注入試管中，混合均勻后放入沸水浴中水解30 min，然后加入0.5 mL質(zhì)量分數(shù)為 0.3% 咔唑溶液，放入沸水浴中再加熱10 min，最后于室溫下放置40 min在550nm下比色。

圖1 褐藻膠溶液標準工作曲線

1.2.5 黏度的測定(GB1976－2008)［11］

稱取海藻酸鈉試樣1.00 g，加冷蒸餾水25 mL，攪動，再加沸蒸餾水70 mL，攪拌數(shù)分鐘，冷后加蒸餾水到100 mL(褐藻酸鈉溶液濃度為1%)于室溫放置4h后，使成均勻膠液，選擇相應轉(zhuǎn)子置于量罐內(nèi)，并將膠液緩慢倒入，達到圓錐體的表面下沿，轉(zhuǎn)子完全浸入液體內(nèi)，將量罐放到架上，將鉤掛在驅(qū)動器上，調(diào)整零點，接通恒溫裝置，使保持測定溫度在(20±0.1)℃，啟動開關(guān)，使標尺盤上指針保持穩(wěn)定，即可讀出度數(shù)，如果度數(shù)小于10，則需換用第二個較大的轉(zhuǎn)子。黏度X(厘泊，cp)按下式計算:

X=指針讀數(shù)×轉(zhuǎn)子倍數(shù)(1cp=10－3Pa·s)

1.2.6 褐藻酸鈉提取率的計算

其中:NaAlg/%，海藻酸鈉的提取率;m1，海藻酸鈉產(chǎn)品的質(zhì)量;m2，粗海藻酸鈉的質(zhì)量。

1.2.7 海帶褐藻酸鈉的不同前處理方法

1.2.7.1 稀酸處理

料液比1∶30，0.01mol/l HCl室溫下浸泡處理3h。按照按1.2.1工藝提取褐藻酸鈉，1.2.4方法，計算海藻酸鈉的提取率。

1.2.7.2 超聲處理提

料液比1∶30，超聲功率為175 W，30℃條件下處理30 min，按照按1.2.1工藝提取褐藻酸鈉，1.2.4方法計算海藻酸鈉的提取率。

1.2.7.3 微波處理提取

料液比1∶30，微波功率750 W，處理3 min，按照按1.2.1工藝提取褐藻酸鈉，1.2.4方法計算海藻酸鈉的提取率。

1.2.8 超聲-微波協(xié)同處理實驗設計

1.2.8.1 單因素實驗

以海帶褐藻酸鈉的提取率為指標，考察微波功率、提取時間、提取次數(shù)、料液比各單因素對提取率的影響。

(1)提取時間實驗

精密稱取海帶干粉3.00 g，加入90 mL蒸餾水，在微波功率400 W條件下超聲-微波協(xié)同萃取，提取時間分別取 15 ﹑ 30、45、60、90、120s，過濾，收集濾渣。用質(zhì)量分數(shù)為2%Na2CO3溶液90 mL在60℃水浴下消化反應2.5h，消化液用體積分數(shù)50%HCI調(diào)pH值2，過濾得褐藻酸凝膠，用質(zhì)量分數(shù)為1%Na2CO3調(diào)pH值至中性，用2倍體積95%乙醇沉淀后，60℃烘箱中烘干。按照1.2.4中褐藻酸鈉的測定方法測定，計算海藻酸鈉的提取率。

(2)提取次數(shù)實驗

精密稱取海帶干粉300 g，加入90 mL蒸餾水，在微波功率400 W，提取時間為90 s條件下超聲-微波協(xié)同萃取，提取次數(shù)分別為1～5次，過濾，收集濾渣。按照按1.2.1工藝提取，1.2.4中褐藻酸鈉的測定方法測定，計算海藻酸鈉的提取率。

(3)不同微波功率作用實驗

精密稱取海帶干粉3.00 g，加入90 mL蒸餾水，提取時間為90s，提取次數(shù)為1次，在200、300、400、500、600 W的微波功率下協(xié)同萃取，過濾，收集濾渣。按照按1.2.1工藝提取，1.3.1中褐藻酸鈉的測定方法測定，計算海藻酸鈉的提取率。按照按1.2.1工藝提取，1.2.4中褐藻酸鈉的測定方法測定，計算海藻酸鈉的提取率。

(4)提取料液比實驗

精密稱取海帶干粉3.00 g，加入90 mL蒸餾水，提取時間為90s，提取次數(shù)為1次，微波功率400 W，在料液比為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1:30 的條件下協(xié)同萃取。過濾的濾渣。按照按1.2.1工藝提取，

1.2.4 中褐藻酸鈉的測定方法測定，計算海藻酸鈉的提取率。

1.2.8.2 正交試驗

在對以上單因素分析和試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的資料和實際情況，對影響褐藻酸鈉提取效果的四個主要因素，每個因素3個水平(表1)，用L9(34)進行正交試驗設計，以褐藻酸鈉的提取率為考察指標，選擇最佳的提取條件。

表1 L9(34)實驗因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 戊二醛處理結(jié)果

表2 不同濃度戊二醛處理結(jié)果

戊二醛溶液的濃度為2%時，所得褐藻酸鈉的黏度，得率，提取率最高，與相同條件下1%甲醛溶液處理得率為36.7%，黏度為4 060(mPa·s)。2.0%戊二醛溶液處理12 h得率39.2%，黏度為.5 740(mPa·s)，但戊二醛的固色效果沒有甲醛好。因而可以嘗試用戊二醛代替甲醛，作為海藻酸鈉生產(chǎn)的固色，交聯(lián)劑。

2.2 不同提取方法褐藻酸鈉提取率的比較

從圖2可以看出，協(xié)同處理所得褐藻酸鈉的提取率最高為79.8%，黏度為3 168(mPa·s);而稀酸處理得率最低，為72.4%，黏度為437(mPa·s)。

2.3 超聲-微波協(xié)同萃取最優(yōu)工藝條件的確定

2.3.1 處理時間的影響

從圖3可以看出，前60 s，隨著時間的延長，褐藻酸鈉的提取率增加，60s時提取率達88.9%，黏度為4 160(mPa·s)，增高的原因是超聲破壞海帶細胞壁，促使消化反應進行徹底。隨著時間延長提取率下降，可能是因為協(xié)同處理導致多糖降解。

圖2 不同處理方法結(jié)果比較圖

圖3 協(xié)同處理時間對提取率的影響

2.3.2 提取次數(shù)的影響

從圖4可以看出，褐藻酸鈉的提取率隨著提取次數(shù)的增加而增大，提取2次時提取率為85.6%，隨著提取次數(shù)的增多，多糖提取率的變化不大，但黏度與提取2次相比有所下降，可能與超聲-微波作用導致多糖結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)。

圖4 協(xié)同處理次數(shù)對提取率的影響

2.2.3 微波功率的影響

從圖5可以看出，在300～500 W的功率內(nèi)褐藻酸鈉的提取率逐漸升高，500 W時達到86.7%，500 W后提取率變化平穩(wěn)，黏度下降，可能與多糖結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)。

2.2.4 料液比的影響

從圖6可以看出，隨著固液比的增加，提取率逐漸增加，隨后又保持基本不變。料液比為1∶20時提取率最高，為74.1%，隨著料液比的增加提取率下降。說明在固液比達到20倍以前，海帶粉與水過于黏稠，使超聲波微波不能充分作用于海帶粉，達到20倍以后，超聲波微波可以充分作用，破壞細胞結(jié)構(gòu)，促使消化反應的較徹底的進行。

2.3 正交試驗結(jié)果與分析

圖5 微波功率對提取率的影響

圖6 料液比對提取率的影響

表3 L9(34)正交試驗表

由表3、表4結(jié)果可以看出，各因素對褐藻酸鈉提取率影響的主次順序為B＞C＞A＞D，即功率＞時間＞料液比＞提取次數(shù)，最佳條件為B3C2A1D3，即微波功率500 W、時間60 s、料液比1∶20、提取次數(shù)2次。根據(jù)篩選得到的最佳提取條件B3C2A1D3，平行實驗3次，計算褐藻酸鈉的平均提取率，分別為89.7% 、89.4% 、89.6%，平均提取率為89.6%，RSD(%)為0.152 7。根據(jù)最佳提取條件所得的褐藻酸鈉的提取率均大于正交設計中的褐藻酸鈉的提取率，3次最佳工藝條件合理，同時也表明此工藝具有較好的穩(wěn)定性。

表4 方差分析表

3 結(jié)論

(1)本實驗采用戊二醛溶液代替甲醛溶液做前處理劑，起交聯(lián)潤張作用，可減少因甲醛殘留導致的潛在致癌性，擴大褐藻酸鈉在食品醫(yī)藥領(lǐng)域的應用范圍。但是戊二醛也也有潛在的毒性，如對皮膚黏膜的刺激，工業(yè)生產(chǎn)中應做好產(chǎn)品中戊二醛殘留量的檢測。

(2)通過單因素實驗和正交試驗確定用超聲-微波協(xié)同萃取法提取海帶中褐藻酸鈉的最佳提取工藝為:超聲功率50 W，微波功率400 W，提取次數(shù)2次，提取時間60 s，料液比1∶20，該條件下褐藻酸鈉的提取率可達到89.6%，高于目前工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的提取率。

(3)超聲-微波協(xié)同萃取利用被萃取物細胞內(nèi)含水在微波場中吸收大量能量在內(nèi)部產(chǎn)生熱效應，被萃取物的細胞因熱效應而破裂，同時超聲的空化作用產(chǎn)生的極大壓力也能使被破碎物細胞壁破裂，加強胞內(nèi)物質(zhì)釋放［12］，有利于消化反應的充分進行。超聲-微波協(xié)同萃取法與傳統(tǒng)方法相比，在褐藻酸鈉的提取中已經(jīng)顯示出明顯的優(yōu)勢，具有省時、節(jié)能、提出率高等優(yōu)點。

［1］ Gombotz W R，Wee S F.Protein release from alginate matrices［J］.Advanced Drug Delivey Reviews，1998，31:267－285.

［2］ Hagen A，Skjak B G，Dornish M.Pharmacokinetics of sodium alginate in mice［J］.European Journal of Pharmaceutical Sciences，1996，4:100.

［3］ Nagasawa N，Mitomo H，Yoshii F，et al.Radiation-induced degradation of sodium alginate［J］.Polymer Deg ra-detion and Stability，2000，69(3):279－285.

［4］ 陳璽，唐在明.海藻酸鈉在醫(yī)學上的應用［J］.中西醫(yī)訊，1998，26:95 －98.

［5］ Sherry X C.Molecular mass distribution of sodium alginate by high-performance size exclusion chromatograp － hy［J］.Journal of chromatography A，1999，864:199－210.

［6］ 高一楓.戊二醛的生產(chǎn)工藝和市場［J］.精細化工原料及中間體，2008(8):30－31.

［7］ 馬成浩，劉陸游.纖維素酶提取海藻酸鈉的研究［J］.廣州食品工業(yè)科技，2005，20(4):12－14.

［8］ 曾成奎，紀明侯.馬尾藻褐藻膠的研究Ⅰ［J］.海洋科學集刊，1962(1):140－158.

［9］ Percival E G V，Ross A G.A colorimetric method for the estimation of alginic acid in seaweed specimens［J］.J Soc Chem Ind，1948，67:420－421.

［10］ Perlin A S.Thermal decarboxylation of uronic acids［J］.Can J Chem，1952，30:278－290.

［11］ 紀明侯，張燕霞.褐藻膠9-氮雜芴比色定量方法的研究［J］.海洋化學集刊，1962(1):196－204.

［12］ GB1976－2008.褐藻酸鈉粘度的測定［S］.

［13］ 張衍，楊藝虹.綠色制藥技術(shù)［M］.北京:化工出版社，2006:197－199.

Study of Sodium Alginate Extraction and Optimization.

Tian Hong-yun1，Wang Hong-xin1，2，Er Chao-juan1
1(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)2(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi 214122，China)

Different pre-treatment methods on the extraction of sodium alginate were studied and Glutaraldehyde was used as the optimal solution instead of formaldehyde.The results showed that 2%(v/v)glutaraldehyde was superior to formaldehyde as treatment solution.The optimum conditions of extraction were obtained as follows:ultrasonic power 50w，microwave power 500w，extraction for 60s，solid to liquid ratio of 1∶20，extraction 2 times.Compared with other extraction methods，the ultrasonic－microwave synergistic extraction was a better method for sodium alginate extraction with less time and higher extraction rate.This is a better method for extracting sodium alginate.

sodium Alginate，extraction rate，ultrasonic-microwave synergistic，extraction rate，glutaraldehyde ，formaldehyde

碩士(王洪新教授為通訊作者)。

2010－12－12，改回日期:2011－03－04