代云法,陳曉琳,劉天中

(1.中國海洋大學 食品科學與工程學院,山東 青島 266003;2.中國科學院 青島生物能源與過程研究所,山東 青島 266101)

褐藻膠是從褐藻中提取的一種有機多糖類化合物,是由 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。主要包括水溶性褐藻酸鈉、鉀等堿金屬鹽類和水不溶性的褐藻酸以及與 2價以上金屬離子結(jié)合的褐藻酸鹽類。由于褐藻膠具有增稠性好、成膜性好、凝膠強度高,而且具有降脂、排除重金屬離子及抗腫瘤等作用,已經(jīng)廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化工、紡織、橡膠等領(lǐng)域[1-5]。目前,國內(nèi)外褐藻膠的生產(chǎn)主要是從海洋褐藻中提取,如我國人工養(yǎng)殖的海帶,歐洲國家及美國東部的糖海帶和掌狀海帶、美國西部的巨藻和日本的狹葉海帶等。

我國的褐藻酸鈉加工產(chǎn)業(yè)開始于20世紀50年代,至今為止,我國的褐藻酸鈉提取工藝大部分沿用堿溶消解酸析提取工藝。利用堿溶消解酸析提取工藝的褐藻酸鈉生產(chǎn)中,普遍存在消解時間長、褐藻酸鈉品質(zhì)較差(色度差、黏度(分子量)低)、堿耗高、水耗大等問題。近些年來,由于節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的要求,以低能耗低水耗低污染低排放為特征的高效褐藻酸鈉生產(chǎn)工藝及其技術(shù)改造受到重視。褐藻酸鈉的生產(chǎn),海藻的消解過程是關(guān)鍵。其中海藻的消解過程動力學特征決定了消解過程的行為。雖然褐藻酸鈉的生產(chǎn)已有多年的歷史,但對海藻(主要是海帶)的消解過程的研究文獻報道并不多。Hernandez-Carmona等[6]只研究了不同溫度和條件pH值對巨藻(Macrocystis Pyrifera)提取率的影響,確定的最佳反應條件是反應溫度為80℃,pH為10的條件下反應 2 h。Vauchel 等[7]則考察了不同的攪拌速度和海帶原料塊尺寸對消解速率的影響條件,通過反應動力學模型的建立,認為可通過提高攪拌速率和減小海帶塊尺寸縮短提取時間,以減輕產(chǎn)品的降解。然而,海藻加工反應動力學是一個多因素的綜合過程,溫度、堿濃度、pH值、攪拌強度、海藻尺寸等都直接影響消解過程的水耗、能耗、堿耗與產(chǎn)品品質(zhì),因此必須更全面地考察這些因此素對消解速度的影響,從而為優(yōu)化消解過程提供依據(jù)。為此,本文從反應溫度、碳酸鈉濃度、攪拌速度、海帶原料塊大小四個方面綜合考察了對褐藻酸鈉提取反應速率,產(chǎn)品黏度和產(chǎn)率的影響,以期對優(yōu)化海帶的堿消解工藝,降低堿耗、提高收率與產(chǎn)品品質(zhì)提供參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料及儀器

海帶為市場購買干海帶;褐藻酸鈉(國藥集團分析純);甲醛(濃度 37%～40%);DK-600S超級數(shù)顯恒溫水浴鍋(上海精宏)、JJ-1精密增力電動攪拌器(金壇雙捷實驗儀器廠)、DHG9076A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏)、AuegraX-22R臺式高速冷凍離心機(Beckman Coulter)、2600型可見分光光度計(尤尼柯(上海)儀器有限公司)、ALC-1100.2電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)、NDJ-5S數(shù)字式黏度計(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)、電子萬用爐(天津市泰斯特儀器有限公司)、PB-10型PH計(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 褐藻酸鈉濃度標準曲線

褐藻酸鈉標準曲線,是將用乙醇反復脫水純化的褐藻酸鈉,精確配制成不同濃度的標準溶液,然后利用硫酸咔唑-乙醇方法[8]測定褐藻酸鈉的吸光值,得出褐藻酸鈉含量和吸光值之間的線性關(guān)系。

1.2.2 海帶中褐藻酸鈉提取過程

將市售海帶剪切成塊后,經(jīng)過清洗干燥后密封保存。稱取25 g樣品加入375 mL的水攪拌1min后浸泡 1.5 h,浸泡后分別用等體積的水清洗兩次;重新加入375 mL水和0.344 mL的37%～40%的甲醛,密封浸泡4 h,然后分別用等體積的水清洗兩次以備消解反應之用。對于不同溫度條件下的反應,固定碳酸鈉溶液的濃度為1%,攪拌速度為200 r/min,然后分別在40,60,80℃條件下反應;對于不同碳酸鈉濃度條件下反應,固定反應溫度為 60℃,攪拌速度為200 r/min,分別加入碳酸鈉溶液的濃度為1%,0.5%,0.3%進行反應;對于不同攪拌速度條件下的反應,固定反應溫度為60℃,碳酸鈉溶液濃度為1%,分別在100 r/min、200 r/min、300 r/min攪拌速度條件下反應;對于不同海帶塊大小條件下的反應,固定反應溫度為60℃,碳酸鈉溶液濃度為1%,攪拌速度為200 r/min,海帶塊大小均剪切為正方形,邊長分別選擇為10、20、30 mm條件下進行反應。然后將指定濃度碳酸鈉溶液在恒溫水浴鍋中預熱到一定的溫度,在該溫度下和相應攪拌速度下反應150 min,每隔10 min取樣10 mL樣品(并補充相同體積的碳酸鈉溶液以保證褐藻酸鈉溶液的濃度不變),用于離心分離,進行褐藻酸鈉含量的測定。

對于褐藻酸鈉提取率和黏度的測定,實驗操作是將反應得到的膠液進行稀釋,用尼龍網(wǎng)對其進行過濾[9],利用酸凝-酸化法[10-12]對過濾后的濾液加入10%的鹽酸進行轉(zhuǎn)化 50 min,使其完全轉(zhuǎn)化為海藻酸膠塊,然后將多余的酸液清洗掉,加入等體積95%的酒精溶液,用 40%的氫氧化鈉溶液把海藻酸轉(zhuǎn)化為褐藻酸鈉,收集,在60℃條件下烘干2.5 h[13,14]。稱量所得烘干產(chǎn)品的質(zhì)量,計算提取率,磨碎之后配制成 1%的溶液,用 NDJ-5S數(shù)字式黏度計測其黏度[15]。

1.2.3 褐藻酸鈉含量的測定

分別將不同反應條件下取得的樣品在 8 500 r/min離心機下離心5 min,收集上清液,并對其分別進行稀釋到合適的倍數(shù),然后按1.2.1中的硫酸咔唑-乙醇方法測定吸光值,根據(jù)褐藻酸鈉標準曲線計算褐藻酸鈉濃度,繪制褐藻酸鈉反應過程動力學曲線。

2 結(jié)果及分析

2.1 褐藻酸鈉濃度標準曲線

經(jīng)過對不同濃度的褐藻酸鈉吸光值的測定,得出褐藻酸鈉的濃度和吸光值之間的標準曲線,其線性方程為y=5.181x+0.093,y為吸光值、x為褐藻酸鈉的質(zhì)量分數(shù)。

2.2 溫度對海帶消解反應的影響

由圖1可見,不同溫度對海帶消解反應有明顯影響。隨著溫度的升高,反應速率提高,反應時間縮短,這主要是因為溫度升高,分子運動加快,固-液傳質(zhì)速率相應加快[16]。在 40℃條件下,在 120 min時候才能反應完全,在60℃條件下,90 min基本反應完全,而在 80℃條件下,80 min就能反應完全。經(jīng)150 min反應后,3個溫度條件下的褐藻膠產(chǎn)率均約為22%。

圖1 溫度對消解反應的影響Fig.1 Effect of temperature on dissolution rate

圖2給出了不同溫度下經(jīng)150 min消解反應后,所獲得的褐藻膠產(chǎn)品的黏度。從圖中可以看出,80℃條件下所得產(chǎn)品黏度最低,只有17 000 mPa·s左右,這可能是由于在 80℃下海帶中的褐藻膠溶出最快。而溶解出的褐藻膠長時間處于高溫下發(fā)生了較嚴重的降低。60℃產(chǎn)品的黏度最高,達到了 30 000 mPa·s。因此在提高溫度以加快消解過程的同時,必須充分考慮到高溫對產(chǎn)品黏度分子的降解,避免反應溫度過高而造成產(chǎn)品黏度的降低。

圖2 溫度對產(chǎn)品黏度及產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of temperature on alginate viscosity and yield

2.3 碳酸鈉濃度對海帶消解反應的影響

圖3給出了不同碳酸鈉濃度的消解液對海帶消解速度的影響。由圖3可知,不同的碳酸鈉濃度對反應速率有明顯影響。碳酸鈉濃度越高反應速率越快。但1%和0.5%碳酸鈉濃度條件下的消解反應速度基本相當。而在 0.3%碳酸鈉濃度條件下反應速率緩慢,觀察發(fā)現(xiàn)120 min后其仍有相當量的海帶碎片未消解完全。經(jīng)120 min反應后,1%和0.5%碳酸鈉消解的產(chǎn)品收率差別不大,均達到了22%以上。而以0.3%碳酸鈉溶液進行消解,其收率較低, 只有18%左右。

圖3 碳酸鈉濃度對海帶消解速度的影響Fig.3 Effect of Na2CO3 concentration on dissolution rate

由圖4可見,在本實驗條件下,隨著碳酸鈉溶液濃度的提高,其產(chǎn)品黏度也增大。當碳酸鈉溶液濃度為0.5%和1%時,其產(chǎn)品黏度均大于20 000 mPa·s。綜合褐藻膠收率與產(chǎn)品黏度,0.5%碳酸鈉溶液消解是比較可行的,其可以獲得較高的反應速度、收率和產(chǎn)品黏度,雖然黏度較 1%碳酸鈉濃度條件下略低,但 0.5%碳酸鈉濃度條件下所用的堿耗低,在此方面具有較好的利用價值。

圖4 碳酸鈉濃度對產(chǎn)品黏度及產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of Na2CO3 concentration on alginate viscosity and yield

2.4 攪拌速度對消解反應的影響

圖5 給出了不同攪拌速度對消解反應速度的影響。從圖5可以看出,隨著攪拌速度的增加,其反應速度明顯加快。這是由于較快的攪拌強化了液固傳質(zhì),使得海帶塊與碳酸鈉在反應過程中充分接觸。在200 r/min和300r/min條件下,反應時間在100 min內(nèi)即可實現(xiàn)完全反應,二者在反應速度上差別不大。從能耗的角度,200 r/min是一個比較合適的攪拌速度。

圖5 攪拌速度對反應速率的影響Fig.5 Effect of stirring rate on dissolution rate

結(jié)果表明,不同攪拌條件下,隨著攪拌速度的增加,褐藻酸鈉的產(chǎn)率也隨之增加。在100 r/min條件下產(chǎn)率是21.4%,而在300 r/min條件下產(chǎn)率達到了 24.4%,提高了 3%。圖6可知,隨著攪拌速度的增加, 產(chǎn)品的黏度增加。這可能是由于在低攪拌轉(zhuǎn)速度下溶解出來的褐藻膠較長時間處于高濕強堿的環(huán)境發(fā)生了較明顯的降解所致。在 200 r/min和300 r/min攪拌轉(zhuǎn)速條件下反應得到的產(chǎn)品的黏度相差不大。這也進一步表明,選擇200 r/min攪拌轉(zhuǎn)速較優(yōu)。

圖6 攪拌速度對產(chǎn)品黏度及產(chǎn)率的影響Fig.6 Effect of stirring rate on Alginate viscosity and yield

結(jié)果表明,不同攪拌條件下,隨著攪拌速度的增加,褐藻酸鈉的產(chǎn)率也隨之增加。在100 r/min條件下產(chǎn)率是21.4%,而在300 r/min條件下產(chǎn)率達到了 24.4%,提高了 3%。圖6可知,隨著攪拌速度的增加,產(chǎn)品的黏度增加。這可能是由于在低攪拌轉(zhuǎn)速度下溶解出來的褐藻膠較長時間處于高濕強堿的環(huán)境發(fā)生了較明顯的降解所致。在 200 r/min和 300 r/min攪拌轉(zhuǎn)速條件下反應得到的產(chǎn)品的黏度相差不大。這也進一步表明,選擇200 r/min攪拌轉(zhuǎn)速較優(yōu)。

2.5 海帶塊大小對消解反應的影響

圖7給出了不同海帶塊尺寸對消解反應速率的影響。由圖可見,海帶塊尺寸大小對反應速率有一定的影響,邊長為10 mm的海帶塊較20 mm和30 mm的海帶塊,反應速率較快,反應完全所需的時間較短。但同溫度、碳酸鈉濃度、攪拌速度相比,其影響不明顯。不同海帶塊尺寸對褐藻膠收率的影響不明顯。圖8給出了不同海帶塊尺寸對產(chǎn)品黏度的影響。結(jié)果表明,海帶塊尺寸對產(chǎn)品黏度還是有較明顯的影響。邊長10 mm的海帶反應所得到的褐藻酸鈉產(chǎn)品黏度略低于其他兩種尺寸的海帶塊消解反應得到的褐藻酸鈉產(chǎn)品黏度,這主要是因為小尺寸的海帶塊消解反應完全所需要的時間較短,這樣就使得溶出的褐藻酸鈉大分子在堿液環(huán)境中停留的時間較長而產(chǎn)生降解,因此,最終得到的產(chǎn)品黏度較低。當然從工藝的角度綜合考慮,通過剪切適當減小海帶塊尺寸,有利于攪拌的進行,及其與消解液的接觸,從而縮短消解反應時間。

圖7 海帶塊大小對反應速率的影響Fig.7 Effect of algae pieces size on dissolution rate

圖8 海帶塊大小對產(chǎn)品黏度及產(chǎn)率的影響Fig.8 Effect of algae piece size on alginate viscosity and yield

3 討論

目前,海藻加工產(chǎn)業(yè)主要是利用傳統(tǒng)工藝堿消解提取褐藻酸鈉,近年來也有人利用酶解法,微生物酵解法等對褐藻膠提取做過研究[17,18],但由于酶耗量大,微生物培養(yǎng)過程較長,且反應過程過于緩慢,因此大規(guī)模生產(chǎn)應用并不多,經(jīng)濟效益也不明顯,因此堿消解仍然占主導。其于此,從堿消解力學的角度,通過深入了解影響消解過程的因素,來優(yōu)化工藝過程具有更為實際有效。為此本文綜合了各種因素對消解過程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響,對堿消解動力學做了細化研究。以期得出最佳堿提取工藝條件。

溫度對堿提取速率和產(chǎn)品黏度影響較大,由實驗結(jié)果可知,溫度越高反應速率越快,在堿提取過程中可適當提高溫度,縮短反應時間,以提高生產(chǎn)效率。但是,隨著反應溫度的升高,會嚴重破壞產(chǎn)品的黏度,降低產(chǎn)品的質(zhì)量,同時也會增加能耗,增加成本。所以,通過考察溫度對反應過程的影響,確定最佳工藝,達到節(jié)能,提高效率的目的。

在已發(fā)表的文獻中[2,6,19,20],堿消解提取中一般使用較高濃度的碳酸鈉,現(xiàn)代褐藻膠工業(yè)提取工藝中一般使用的碳酸鈉濃度為1%,本文以節(jié)堿為目的,選取了較低濃度的碳酸鈉消解液進行反應,證實了在低濃度碳酸鈉條件下也保證消解反應的正常進行,實驗結(jié)論表明:0.5%的碳酸鈉濃度在反應150min中后,可達到完全反應,其堿用量可以降低50%。在后部分內(nèi)容當中仍以 1%碳酸鈉濃度作為反應條件而沒有選取上述結(jié)論中 0.5%的碳酸鈉濃度,這是基于在傳統(tǒng)條件下,考察不同攪拌速度對海帶消解動力學的研究。而并非是對各因素的優(yōu)化,要得到最優(yōu)的工藝,可以在此基礎(chǔ)上進行正交試驗設(shè)計,做進一步的研究分析。

增加攪拌速度可以提高反應過程的傳質(zhì)速率,縮短反應時間。結(jié)果可知,攪拌速度對消解反應速率有很大的影響,100 r/min和300 r/min兩種條件下反應時間差別很大。300 r/min條件下反應消解100 min左右即可反應完全,但在100 r/min條件下反應時間需要150 min的時候才能基本完全反應。兩種條件下反應時間相差將近1 h,故增加攪拌速度可以提高生產(chǎn)效率。但當攪拌速度從200 r/min提高到300 r/min,其差別不明顯,表明200 r/min可能是一個較優(yōu)的攪拌強度。

本研究結(jié)果還顯示,10、20、30 mm三種尺寸的海帶塊,其尺寸越小,反應速度越快。表明在實際生產(chǎn)過程中通過切塊或勻漿等手段可能有利于加快消解過程。

[1]秦益民.海藻酸[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2008:9-18.

[2]盤茂東,李嘉誠,王向輝,等.海南馬尾藻海藻酸鈉的提取工藝及表征[J].資源開發(fā)與市場,2009,25(8):673-675.

[3]Draget K I,Taylor C.Chemical,Physical and biological properties of alginates and their biomedical implications[J].Food Hydrocolloids,2011,25(2):251-256.

[4]范曉,張士璀,秦松,等.海洋生物技術(shù)新進展[M].北京:海洋出版社,1999:187.

[5]Zhang Z Q,Yu G L,Guan H S,et al.Preparation and structure elucidation of alginate oligosaccharides degraded by alginate lyase fromVibrosp.510[J].Carbohydrate Research,2004,339(8):1475-1481.

[6]Hernandez-Carmona G,McHugh D J,Lopez- Gutierrez F.Pilot plant scale extraction of alginate fromMacrocystis pyrifera[J].Journal of Applied Phycology,1999,11:493-502.

[7]Vauchel P,Leroux K,Kaas R,et al.Kinetics modeling of alginate alkaline extraction fromLaminaria digitata[J].Bioresource Technology,2009,100(3):1291-1296.

[8]紀明侯.海藻化學[M].北京:科學出版社,1997:230-231.

[9]張惟杰.糖復合物生化研究技術(shù)[M].杭州:浙江大學出版社,1994:346-347.

[10]王孝華.海藻酸鈉的提取及應用[J].重慶工學院學報,2007,21(5):124-128.

[11]高曉玲,廖映枌.從海藻中提取海藻酸鈉的研究[J].四川教育學報,1999,15(7-8):104-105.

[12]賴曉芳,沈善瑞,李杰.裙帶菜褐藻酸鈉的提取及部分理化性質(zhì)研究[J].科技通報,2007,23(4):483-486.

[13]李博,竇明,楊紅霞.海藻酸鈉熱穩(wěn)定性能的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37(35):17348-17349,17375.

[14]馬成浩,彭奇均,于麗娟.海藻酸鈉生產(chǎn)工藝降解情況研究[J].中國食品添加劑,2004,2:17-19.

[15]GB-1976-2008.食品添加劑海藻酸鈉[S].

[16]王孝華,聶明,王虹.海藻酸鈉提取的新研究[J].食品工業(yè)科技,2005,26(11):146-148.

[17]李德茂,陳利梅,趙玉山,等.褐藻膠的酶法提取研究[J].中國釀造,2001,1:88-90.

[18]Saude N,Cheze-Lange H,Beunard D,et al.Alginate production byAzotobacter vinelandiiin a membrane bioreactor[J].Process Biochemistry,2002,38:273-278.

[19]袁秋萍,朱小蘭.海藻酸鈉提取新工藝研究[J].食品研究與開發(fā),2005,26 (5):98-100.

[20]張善明,張善壘,劉明.從海帶中提取高黏度海藻酸鈉[J].食品工業(yè)科技2002,23(3):86-87.