張學(xué)勤，肖美添，葉靜，黃雅燕

（華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門361021）

瓊脂（Agar）是從紅藻門海洋植物中提取的多糖體，具有優(yōu)良的凝膠、增稠和穩(wěn)定性能，可用作增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、保鮮劑、粘合劑、生物培養(yǎng)基和微生物載體，廣泛應(yīng)用于食品、日用化工、輕工、醫(yī)藥等領(lǐng)域［1］.最新的食品安全國家標準GB 1975-2010《食品安全國家標準 食品添加劑瓊脂（瓊膠）》將瓊脂分為低、中、高、超高強度瓊脂4個規(guī)格［2］.目前，瓊脂產(chǎn)業(yè)總體來看呈現(xiàn)利潤可觀和供不應(yīng)求的局面，但我國瓊脂加工行業(yè)的發(fā)展卻受到原料供應(yīng)不足和品質(zhì)相差懸殊的嚴重制約.江蘺是生產(chǎn)瓊脂的主要原料［3］，雖然我國多個海區(qū)有養(yǎng)殖，但其生長是季節(jié)性的，產(chǎn)量有限.近年來，海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)如鮑魚養(yǎng)殖的迅猛發(fā)展，需要大量江蘺作飼料，嚴重沖擊瓊脂生產(chǎn)企業(yè)的江蘺原料供應(yīng).原料嚴重不足，迫使我國瓊脂加工行業(yè)開發(fā)利用新的海藻資源來滿足瓊脂日益增長的市場需求.紅藻門海洋植物伊谷草（Ahnfeltiatobuchiensis）是提取生產(chǎn)高強度瓊脂的良好原料，在俄羅斯、日本、朝鮮等近海沿岸天然生長，容易獲得，價格也較江蘺低［4］.在生產(chǎn)瓊脂的原料緊缺情況下，伊谷草作為原料提取瓊脂無異于一個很好的出路，而且伊谷草提取的瓊脂硫酸基含量較低，可望得到高強度瓊脂［5］.俄羅斯有少量關(guān)于用伊谷草提取瓊脂的文獻記載［5］，而國內(nèi)則未見報道.本文通過單因素考察和正交試驗對伊谷草提取瓊脂的關(guān)鍵步驟進行工藝考察和優(yōu)化，得到最佳的堿處理和提膠工藝條件.

1 實驗方法

1.1 儀器

L50-M11536型凝膠強度測定儀（福建泉州市萬達實驗儀器設(shè)備有限公司）；DFT-250型手提式中藥粉碎機（山東青州市三寶中藥機械廠）；AE-240型電子天平（瑞士梅特勒公司）.

1.2 試藥

氫氧化鈉（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；鹽酸，次氯酸鈉（分析純，上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；活性炭（80～100目，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑公司）.

1.3 伊谷草高強度瓊脂的提取工藝

取40g洗凈晾干的伊谷草，置于800mL，一定質(zhì)量分數(shù)的堿（實驗采用氫氧化鈉，下同）溶液中，并在一定溫度下進行堿處理；若干小時后過濾，棄去濾液，藻體用清水洗凈，加入600mL 蒸餾水加熱煮沸提膠；提膠若干小時后過濾，濾渣棄去，濾液趁熱加入適量活性炭進行脫色處理后，過濾除去活性炭，濾液室溫冷卻凝固后經(jīng)切片、冷凍、解凍脫水、干燥、粉碎等步驟，可得瓊脂產(chǎn)品.

1.4 凝膠強度和提取率的測定

凝膠強度（P）依據(jù)GB 1975-2010《食品安全國家標準 食品添加劑 瓊脂（瓊膠）》的方法［2］進行測定；提取率（η）為從海藻中提取的瓊脂質(zhì)量與海藻質(zhì)量比.

2 結(jié)果與討論

2.1 影響伊谷草瓊脂凝膠強度和提取率的因素

2.1.1 堿質(zhì)量分數(shù) 在堿處理溫度為70℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10g·L-1條件下，考察不同氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)（w）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖1所示.由圖1可知：瓊脂的凝膠強度隨著氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小，在氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%時達到最大值1 381g·cm-2；堿質(zhì)量分數(shù)在6.0%以上，瓊脂的凝膠強度均能達到超高強度瓊脂的要求［2］.由圖1還可知：提取率和凝膠強度的變化規(guī)律基本一致，在氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%和10.0%時，提取率分別為10.22%和10.15%.因此，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8.0%和10.0%左右為宜.

堿處理的目的是促使藻體細胞壁產(chǎn)生裂紋，使細胞內(nèi)的色素和硫酸基雜質(zhì)溶出而被去除［6］.這一方面可以提高瓊脂的純度，保證高的凝膠強度；另一方面，細胞壁的破裂有助于提膠時瓊脂的溶出，但堿質(zhì)量分數(shù)過大會導(dǎo)致瓊酯分子的降解，凝膠強度和提取率都隨之下降.

2.1.2 堿處理溫度 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理時間為2.0h，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同堿處理溫度（θ）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖2所示.從圖2中可知：堿處理溫度在80℃時，瓊脂的凝膠強度最大，提取率也達到最大值.適宜的溫度有利于去除藻體中的色素、硫酸基等雜質(zhì)，避免瓊脂分子的降解和損失，從而提高瓊脂的提取率和凝膠強度.

圖1 堿質(zhì)量分數(shù)對瓊脂凝膠強度和提取率的影響Fig.1 Influence of alkali concentrations on gel strength and agar yield

圖2 堿處理溫度對凝膠強度和提取率的影響Fig.2 Influence of alkali solution temperatures on gel strength and agar yield

2.1.3 堿處理時間 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理溫度為80℃，提膠時間為2.5h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同堿處理時間（t1）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖3所示.由圖3可知：當堿處理時間為1.0h時，凝膠強度和提取率均較低；堿處理時間增至2.0h時，凝膠強度和提取率均有大幅度的上升，并且都達到峰值；繼續(xù)延長堿處理時間，凝膠強度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，提取率下降明顯.這說明在堿質(zhì)量分數(shù)為8.0%，堿處理時間為2.0h的時候，藻體細胞中的色素、硫酸基等雜質(zhì)基本溶解到堿液中，再延長堿處理時間會導(dǎo)致瓊脂降解，使凝膠強度和提取率的大幅度下降.

2.1.4 提膠時間 在堿質(zhì)量分數(shù)為8%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h和活性炭用量為10 g·L-1條件下，考察不同提膠時間（t2）對瓊脂的凝膠強度（P）和提取率（η）的影響，如圖4所示.由圖4可知：隨著提膠時間的增加，凝膠強度先下降后趨于平緩，但均大于1 300g·cm-2；提膠時間由0.5h延長至2.0h，瓊脂提取率由8.5%上升至13.8%；提膠時間為2.0h以后，提取率的增加趨于平緩.延長提膠時間可以提高提取率，但同時也會使部分瓊脂降解導(dǎo)致凝膠強度降低.在滿足超高強度瓊脂凝膠強度的要求下，提取率的提高有利于實現(xiàn)更大的經(jīng)濟價值.綜合考慮提取率和能耗，可選取3h左右為適宜的提膠時間.

圖3 堿處理時間對凝膠強度及提取率的影響Fig.3 Influence of alkali digestion times on gel strength and agar yield

圖4 提膠時間對凝膠強度及提取率的影響 Fig.4 Influence of extraction times on gel strength and agar yield

2.2 正交實驗

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果可以看出，堿質(zhì)量分數(shù)、堿處理溫度、堿處理時間及提膠時間對瓊脂的提取率有較大的影響 .因此，結(jié)合上述的單因素試驗結(jié)果，以堿質(zhì)量分數(shù)（A）、堿處理溫度（B）、堿處理時間（C）及提膠時間（D）為因素，選用L9（34）正交實驗表（表1）設(shè)計正交實驗，對伊谷草提取超高強度瓊脂進行工藝優(yōu)化.表2為實驗結(jié)果 .鑒于在適宜的工藝條件下，伊谷草瓊脂產(chǎn)品的凝膠強度均能達到國家標準中對超高強度瓊脂的要求，因此，以提取率為指標進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表3所示.

表1 正交水平因素表Tab.1 Orthogonal level factors table

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Result of orthogonal text

由表3可知：提取率的優(yōu)方案為D2B2A3C2，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為3.0h.然而，此優(yōu)方案并不包含在正交方案已做過的9個實驗中，已做過的9個實驗中提取率最大的是第8號實驗，其實驗方案是D3B2A3C1.

表3 提取率的正交試驗結(jié)果分析Tab.3 Results analysis of orthogonal test of extraction rate

因此，需要對優(yōu)化方案做進一步驗證試驗.結(jié)果表明：優(yōu)方案為D2B2A3C2，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0 h，提膠時間為3.0h，瓊脂的提取率為13.87%，凝膠強度為1 428g·cm-2；而8號實驗方案D3B2A3C1，即堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為1.0h，提膠時間為4.0h，瓊脂的提取率為13.32%，凝膠強度為1 370g·cm-2.

驗證試驗的結(jié)果表明：優(yōu)方案（D2B2A3C2）的瓊脂提取率高于8號實驗，且瓊脂凝膠強度也有所提高，符合超高強度瓊脂的要求.綜合考慮，經(jīng)正交試驗得到的堿處理及提膠階段最佳工藝條件：堿質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間為3.0h.

3 結(jié)束語

實驗對紅藻伊谷草提取制備高強度瓊脂進行工藝優(yōu)化，通過單因素實驗和正交試驗確定了最佳工藝條件，即堿（NaOH）質(zhì)量分數(shù)為10.0%，堿處理溫度為80℃，堿處理時間為2.0h，提膠時間3.0h.在該工藝條件下，伊谷草瓊脂的提取率最高為13.87%，產(chǎn)品的凝膠強度可高達1 428g·cm-2，超過國家標準對于超高強度瓊脂的要求.該實驗結(jié)果對開發(fā)利用新的海藻資源滿足市場上日益增長的瓊脂需求具有一定的指導(dǎo)意義，后續(xù)的放大實驗正在研究中.

［1］ 中華人民共和國衛(wèi)生部藥典委員會.中華人民共和國藥典（二部）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：911.

［2］ 中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 1975-2010食品安全國家標準 食品添加劑 瓊脂（瓊膠）［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［3］ 吳湛霞，董靜靜，李思東，等.國內(nèi)江蘺提取瓊膠加工工藝的研究進展［J］.廣西輕工業(yè)，2010，26（9）：19-20，22.

［4］ 李名族.朝鮮贈送我國的一批伊谷草在旅大市試養(yǎng)［J］.中國水產(chǎn)，1959（24）：17.

［5］ SUKHOVERKHOV S V，KADNIKOVA I A，PODKORYTOVA A V.Production of agar and agarose from the red alga ahnfeltia tobuchiensis［J］.Applied Biochemistry and Microbiology，2000，36（2）：201-203.

［6］ 趙謀明.江蘺瓊膠加工中堿處理的作用及機理［J］.食品科學(xué)，1991（11）：14-17.