閆靜芳，焦琳舒，張生生，陳陽陽，王昱灃

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京，210095)

卡拉膠(也稱鹿角菜膠或鹿角藻膠，英文名carrageenan)是一種具有商業(yè)價(jià)值的親水凝膠(屬天然多糖植物膠)，主要存在于紅藻綱中的麒麟菜屬、角叉菜屬、杉藻屬和沙菜屬等的細(xì)胞壁中，在食品工業(yè)中，可用于牛乳，肉制品，飲料等的加工，具有廣泛應(yīng)用，卡拉膠還大量用于醫(yī)藥行業(yè)，如作為微生物培養(yǎng)基、緩釋膠囊/片劑、藥膏基、魚肝油乳化劑等［1-3］，其降解產(chǎn)物具有明顯的抗氧化［4］、抗病毒［5-6］、抗結(jié)石［7］、免疫調(diào)節(jié)［8］等生物活性［9］。國(guó)內(nèi)卡拉膠的生產(chǎn)原料主要為麒麟菜和沙菜，而麒麟菜中最常用的2個(gè)品種是耳突麒麟菜(Eucheuma cottonii)和異枝麒麟菜(Eucheuma spinosum)，僅這2個(gè)品種就提供世界卡拉膠總生產(chǎn)量的 3/4［10］。

卡拉膠提取過程中色素的溶出會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)，尤其是對(duì)透明度，黏度和凝膠強(qiáng)度等造成很大的影響［11］。工業(yè)生產(chǎn)中常采用酸化漂白的方法進(jìn)行脫色，常用的漂白劑有NaClO3，漂粉精等，雖然可顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和色澤，但因其高氧化性，在脫色的同時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致卡拉膠多糖的降解［12］，這也是生產(chǎn)企業(yè)普遍面臨而亟待解決的問題。活性炭和大孔離子交換樹脂常用于工業(yè)中生物質(zhì)的分離純化，相對(duì)于化學(xué)脫色法，具有價(jià)廉、環(huán)保和可反復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于活性炭對(duì)卡拉膠多糖的吸附力較強(qiáng)，產(chǎn)品損失較大，且過濾困難，因此不宜于用于卡拉膠的脫色。目前，關(guān)于不同大孔樹脂用于麒麟菜生產(chǎn)卡拉膠時(shí)脫色技術(shù)的研究報(bào)道較為少見。因此，本研究采用大孔樹脂D301和D315對(duì)麒麟菜卡拉膠進(jìn)行脫色。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麒麟菜(食品級(jí))，斯麥兒貿(mào)易有限公司;大孔弱堿性陰離子交換樹脂D303、D315，滄州寶恩吸附材料科技有限公司;活性炭(AR)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;NaOH、NaCl、葡萄糖、苯酚、濃 H2SO4、濃 HCl等，均為分析純，南京化學(xué)試劑有限公司。

SB5200DT型超聲波清洗器，寧波新芝生物科技股份有限公司;DF-I型集熱式磁力加熱攪拌器，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DK-8D型電熱恒溫水槽，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;CP-114型先行者精密電子天平，美國(guó)OHAUS公司;pH700型臺(tái)式酸度計(jì)，美國(guó)EUTECH公司;V-5000型分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司;GZX-9240MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 卡拉膠溶液的制備

稱取50 g風(fēng)干麒麟菜清洗粉碎，置于250 g/L的NaOH堿溶液中25℃水浴下浸泡6～10 h，排去堿液，用蒸餾水反復(fù)清洗至中性;將處理好的麒麟菜放入2 L燒杯中，加入1.5 L蒸餾水，90℃水浴加熱提取1 h;離心去除雜質(zhì)沉淀，即得卡拉膠溶液。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

分別以大孔弱堿性陰離子交換樹脂D301、D315為脫色劑，在室溫下，量取4份25 mL的卡拉膠溶液于50 mL的燒杯中，設(shè)定脫色劑用量、溫度、時(shí)間、pH值為實(shí)驗(yàn)考察的因素，按表1進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，脫色后離心取上清液測(cè)定脫色率和多糖保留率，確定各個(gè)因素的最佳范圍，作為正交實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 levels of one factor experiment

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍，對(duì)脫色劑用量，脫色時(shí)間，脫色溫度，脫色pH進(jìn)行L9(34)的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，確定最佳脫色參數(shù)。

1.2.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.4.1 脫色率的測(cè)定

由于卡拉膠溶液脫色前后均為橙黃色，根據(jù)互補(bǔ)色原理可知，溶液呈現(xiàn)的顏色是它吸收光的互補(bǔ)色，所以溶液主要吸收藍(lán)色波段可見光［13］，研究顯示紅藻藍(lán)光吸收峰多在440 nm［14-15］，因此選擇440 nm為檢測(cè)波長(zhǎng)。在440 nm下，分別測(cè)定卡拉膠溶液脫色前后的吸光度，并按下式計(jì)算脫色率，比較各種脫色方法的脫色效果。

1.2.4.2 多糖保留率的測(cè)定

采用苯酚 硫酸法測(cè)定總糖含量［16］。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4.3 脫色效果評(píng)價(jià)方法

本實(shí)驗(yàn)在正交實(shí)驗(yàn)中采取加權(quán)評(píng)分法處理數(shù)據(jù)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:將各項(xiàng)指標(biāo)除以該列的最大值再乘以100為該項(xiàng)得分。且由于脫色率和多糖保留率兩項(xiàng)指標(biāo)均為評(píng)判脫色效果的主要因素，因此設(shè)定多糖保留率(x)和多糖脫色率(y)兩者的權(quán)重系數(shù)均為0.5，對(duì)2項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)和，通過公式z=0.5x+0.5y，得到綜合評(píng)分(z)。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

以上實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，采用origin8.0作圖，正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行極差分析，顯著水平均設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 樹脂用量對(duì)卡拉膠脫色效果的影響

通過繪制葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線得到回歸方程y=11.153x+0.032 4。

測(cè)定樹脂用量在50℃、pH 5.0、脫色時(shí)間為80 min條件下的脫色率和多糖保留率，如圖1所示。

圖1 兩種大孔樹脂用量對(duì)卡拉膠脫色效果的影響Fig.1 The effects of amount on the decoloration performance of two kinds of macroporous resin

由圖1可以看出，隨著大孔樹脂D301用量的增加，卡拉膠溶液的脫色率逐漸升高，但超過0.08 g/mL后無明顯變化，而多糖保留率在0.08 g/mL時(shí)達(dá)到最大值為81.03%，當(dāng)繼續(xù)增加樹脂用量時(shí)，多糖保留率明顯下降。D315的情況為，隨著樹脂用量的增加，脫色率略有增加，在0.08 g/mL時(shí)達(dá)到最大值41.36%;而多糖保留率同樣在0.08 g/mL時(shí)達(dá)到最大值為83.46%，當(dāng)樹脂用量繼續(xù)增加，脫色率變化并不明顯，但多糖保留率呈下降趨勢(shì)。綜合考慮，選取0.04、0.08、0.12 g/mL 為大孔樹脂 D301、D315 正交實(shí)驗(yàn)時(shí)的用量水平。

2.1.2 脫色溫度對(duì)卡拉膠脫色效果的影響

測(cè)定在樹脂加入量為0.08 g/mL、pH 5.0、脫色時(shí)間為80 min時(shí)，不同溫度條件下2種樹脂的脫色率和多糖保留率，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著脫色溫度的增加，D301樹脂對(duì)卡拉膠溶液的脫色率呈直線上升趨勢(shì)，而多糖保留率在50℃時(shí)達(dá)到最大值為71.33%，繼續(xù)提高溫度，多糖保留率明顯下降。D315對(duì)卡拉膠溶液脫色率也隨溫度的升高逐漸升高，在70℃時(shí)的脫色率達(dá)到46.88%;多糖保留率在50℃時(shí)達(dá)到最大值為92.44%，繼續(xù)提高溫度，多糖保留率明顯下降，70℃時(shí)多糖保留率降為74.23%?？紤]到提高溫度雖然可提高脫色率，但多糖保留率卻明顯降低，損失較大，同時(shí)，溫度過高也不利于節(jié)約能耗。綜合考慮，選取脫色溫度40、50、60℃為2種樹脂正交實(shí)驗(yàn)的溫度水平。

圖2 溫度對(duì)2種大孔樹脂脫色效果的影響Fig.2 The effects of operation temperature on decloration procession of two kinds of macroporous resin

2.1.3 脫色時(shí)間對(duì)卡拉膠脫色效果的影響

在溫度為50℃、樹脂加入量為0.08 g/mL、pH 5.0時(shí)，不同脫色時(shí)間下2種樹脂對(duì)卡拉膠的脫色率和多糖保留率結(jié)果如圖3所示。

圖3 脫色時(shí)間對(duì)兩種大孔樹脂脫色卡拉膠的影響Fig.3 The effects of operation time on decloration procession of two kinds of macroporous resin

由圖3可以看出，隨著脫色時(shí)間的增加，D301對(duì)卡拉膠溶液的脫色率呈波動(dòng)狀態(tài)，在60 min時(shí)明顯下降，在80 min時(shí)達(dá)到最大為60.23%，之后又有所下降，而多糖保留率在脫色80 min時(shí)達(dá)到最高為93.67%，繼續(xù)增加脫色時(shí)間，多糖保留率明顯下降。隨著脫色時(shí)間的增加，D315對(duì)卡拉膠溶液的脫色率逐漸增大，在100 min時(shí)為21.26%，而多糖保留率在脫色80 min時(shí)達(dá)到最高，為82.00%。綜合考慮，選取脫色時(shí)間60、80、100 min為正交實(shí)驗(yàn)脫色時(shí)間的3個(gè)水平值。

2.1.4 脫色pH對(duì)卡拉膠脫色效果的影響

測(cè)定在溫度為50℃、樹脂加入量為0.08 g/mL、脫色時(shí)間為80 min時(shí)，不同脫色pH條件下的脫色率和多糖保留率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 脫色pH值對(duì)2種大孔樹脂脫色卡拉膠的影響Fig.4 The effects of PH on the decoloration procession of two kinds of macroporous resin

由圖4可以看出，隨著pH值的改變，大孔樹脂D301對(duì)卡拉膠溶液的脫色率在pH＜7時(shí)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)pH 7時(shí)達(dá)到最大值為66.99%;多糖保留率則隨著pH值升高而增大，在pH 9時(shí)為91.11%。因此，pH 5.0、7.0、9.0為D301正交實(shí)驗(yàn)pH值因素的3個(gè)水平值。

樹脂D315的對(duì)卡拉膠溶液的脫色率和多糖保留率均隨pH值的升高呈下降趨勢(shì)，在pH 3時(shí)脫色率和多糖保留率為最大值，分別為 43.72%、85.59%。因此，選取 pH 3.0、5.0、7.0為 D315正交實(shí)驗(yàn)pH值因素的3個(gè)水平。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)的因素及水平，得到2種樹脂的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3、表4所示。

表2 兩種大孔樹脂脫色正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 The orthofonal levels of two kinds of macroporous resin D301 in decoloration processon

根據(jù)表3，綜合考慮卡拉膠脫色率和多糖保留率，大孔樹脂D301在實(shí)驗(yàn)所選不同因素中，對(duì)卡拉膠脫色效果的影響主次順序?yàn)槊撋玴H＞脫色溫度＞脫色時(shí)間＞樹脂用量，得出大孔樹脂D301脫色卡拉膠的最佳工藝為 A3B2C2D3，即大孔樹脂 D301用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時(shí)間80 min、脫色pH為9.0。補(bǔ)充最佳工藝條件下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫色率和多糖保留率分別為48.44%、86.61%。D315樹 脂的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 大孔樹脂D301脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及綜合評(píng)分極差分析表Table 3 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D301 and the range analysis of composite score

表4 大孔樹脂D315脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及綜合評(píng)分極差分析表Table 4 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D315 and the range analysis of composite score

根據(jù)表4，綜合考慮多糖脫色率和多糖保留率，在實(shí)驗(yàn)所選不同因素中，影響大孔樹脂D315用于卡拉膠脫色效果的主次順序?yàn)槊撋珳囟龋久撋珪r(shí)間＞樹脂用量＞脫色pH，得出大孔樹脂D315脫色卡拉膠的最佳工藝為 A3B2C2D3，即大孔樹脂 D315用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時(shí)間80 min、脫色pH為7.0。補(bǔ)充最佳工藝條件下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫色率和多糖保留率分別為22.37%、83.62%。

2.3 大孔樹脂D301和D315的差異性分析

根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，D301用于卡拉膠脫色效果的主次順序?yàn)槊撋玴H＞脫色溫度＞脫色時(shí)間＞樹脂用量，而D315的主次順序?yàn)槊撋珳囟龋久撋珪r(shí)間＞樹脂用量＞脫色pH，兩者差異較大。pH值對(duì)D301的影響要遠(yuǎn)大于D315，pH對(duì)吸附質(zhì)在溶液中的存在形態(tài)(分子、離子、絡(luò)合物等)和溶解度均有影響，一般說來，吸附質(zhì)的溶解度越低，越容易被吸附。D301為非極性的苯乙烯樹脂，D315為中極性的丙烯酸類樹脂，相比來說，非極性樹脂的吸附作用更易受溶劑pH影響。

由上述2種大孔弱堿性陰離子交換樹脂對(duì)卡拉膠溶液脫色的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，D301處理后的多糖保留率明顯高于D315。在本研究體系中，卡拉膠溶液中的色素主要以陰離子，非極性色素為主［17］，易被弱堿性陰離子樹脂吸附，而色素與堿性陰離子樹脂結(jié)合主要通過2個(gè)反應(yīng)機(jī)制:(1)樹脂上的陰離子以離子鍵的形式與色素陰離子交換;(2)色素的非極性部分與樹脂基質(zhì)中的基團(tuán)以疏水力結(jié)合。D301大孔結(jié)構(gòu)的苯乙烯 二乙烯苯共聚體上帶有叔胺基 N(CH3)2的離子交換樹脂，其堿性較弱，能在酸性、近中性介質(zhì)中有效地交換無機(jī)酸及硅酸根，對(duì)多糖結(jié)構(gòu)影響不大;D315為丙烯酸系樹脂，能吸附大多數(shù)離子型色素，雖然脫色容量大，且容易再生，但同時(shí)對(duì)多糖的吸附強(qiáng)度也高于D301樹脂。因此，大孔陰離子交換樹脂D301脫色的綜合效果較好。

3 結(jié)論

通過單因素及正交實(shí)驗(yàn)，確定大孔樹脂D301對(duì)麒麟菜中提取卡拉膠進(jìn)行脫色時(shí)的最佳工藝條件為樹脂用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時(shí)間80 min、脫色pH 9.0，在此條件下脫色率和多糖保留率分別為48.44%、86.61%;D315的最佳工藝條件為樹脂用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時(shí)間80 min、脫色pH 7.0，在此條件下的脫色率和多糖保留率分別為22.37%、83.62%。結(jié)果說明D301的作用效果優(yōu)于D315。

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