寧海鳳 張立峰 張洪奎

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卡拉膠(Carrageenan，又稱鹿角藻膠、角叉菜膠)是從角叉菜Chondrus)、麒麟菜(Eucheuma)、杉藻(Gigartina)及沙菜(Hypena)等紅藻中提取的一種極有經(jīng)濟價值的硫酸酯多糖[1～3]，分子量在100kDa以上。

卡拉膠是由β，1-3和α，1-4糖苷鍵交替連接成的線性多糖[4,5]。其中不同類型的卡拉膠的2位、6位或者3,6-脫水半乳糖部分被硫酸酯化，從而使得不同類型卡拉膠具有不同的凝膠性質(zhì)，卡拉膠的結(jié)構(gòu)與海藻種類、生長環(huán)境、生長周期有關(guān)[6]。

根據(jù)硫酸酯基的位置、數(shù)量以及是否含有3,6-脫水半乳糖，將卡拉膠分為κ-、ι-、λ、μ、θ、γ、η七種，目前工業(yè)生產(chǎn)和使用的主要為κ-、ι-、λ三種[7]。其中κ-卡拉膠是目前應(yīng)用最為廣泛的一種卡拉膠，具有獨特的熱可逆凝膠性質(zhì)和抗蛋白凝結(jié)性等特點[8]。

κ-卡拉膠由β(1-3)-D吡喃半乳糖-4硫酸酯和α(1-4)-3,6脫水-D半乳糖交替形成的重復(fù)單元構(gòu)成；ι-卡拉膠與κ-卡拉膠具有類似的重復(fù)單元，區(qū)別在于1,4連接的半乳糖單元中第二個碳原子連接了另外一個硫酸酯基。在一定溫度下的水溶液中，卡拉膠構(gòu)象由無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)[9～11]。

卡拉膠具有良好的凝膠性、增稠性和保水性，廣泛應(yīng)用于食品、日化、生物等領(lǐng)域。1973年聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織評價認為每人每日卡拉膠允許攝入量不加限制，因此卡拉膠是安全的，添加量不需限制的食品添加劑[12～14]。

卡拉膠已被廣泛使用，特別是κ-卡拉膠因其優(yōu)良的增稠和凝膠性質(zhì)被廣泛用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)[15,16]。κ-卡拉膠優(yōu)良的生物降解性和生物相容性，使其在醫(yī)療護理、藥物控釋和包埋方面發(fā)揮了重要作用[17]。

堿處理工藝是工業(yè)上利用海藻生產(chǎn)卡拉膠的常用方法[18,19],堿處理可將海藻細胞壁外層的蠟質(zhì)層部分去除，賦予卡拉膠以增稠、凝膠的功能性質(zhì)。根據(jù)堿處理后加工方式不同，可將卡拉膠分為半精制和精制兩種類型。

其中半精制卡拉膠因生產(chǎn)成本相對較低，在工業(yè)上廣泛使用，但因其生產(chǎn)過程中未經(jīng)除纖維過程，故溶解性及凝膠性能較差，限制了使用范圍。本研究在對堿處理工藝參數(shù)進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用高壓均質(zhì)工藝，在盡量避免卡拉膠功能性質(zhì)被破壞的前提下，將殘留的纖維素及纖維素與卡拉膠之間的連接進一步破碎，提高卡拉膠親水性及凝膠性能，拓展應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻Eucheuma Cottonii，印度尼西亞Maluku；

食品級KOH，東營市赫邦化工有限公司；

高壓均質(zhì)機S-60，上海東華高壓均質(zhì)機廠；

噴霧干燥塔，上海大川原干燥設(shè)備有限公司；

凝膠強度測定儀，WD-1泉州萬達實驗儀器設(shè)備有限公司；

NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計，上海地學(xué)儀器研究所。

1.2 實驗方法

1.2.1 半精制卡拉膠制備工藝

海藻→挑揀→堿處理→水洗→煮膠→冷卻→均質(zhì)→噴霧干燥。

1.2.2 單因素實驗

以卡拉膠得率和凝膠強度為主要指標(biāo)，考察料液比、KOH濃度、提取溫度、提取時間、均質(zhì)壓力各單因素對卡拉膠制備及性能的影響。

1.2.2.1 料液比對制備效果的影響

調(diào)節(jié)料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，60℃下提取3h，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，經(jīng)噴霧干燥制備卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測定凝膠強度并計算得率。

1.2.2.2 KOH濃度對制備效果的影響

固定提取溫度60℃、提取時間3h、均質(zhì)壓力30MPa，按照1.2.2.1中篩選得到的料液比提取卡拉膠，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，經(jīng)噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測定凝膠強度并計算得率。

1.2.2.3 提取溫度對制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在60℃下提取3h，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測定凝膠強度并計算得率。

1.2.2.4 提取時間對制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在1.2.2.3中確定的溫度下，分別提取3、4、5、6h后，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時經(jīng)30MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測定凝膠強度并計算得率。

1.2.2.5 均質(zhì)壓力對制備效果的影響

按照1.2.2.1中確定的料液比、1.2.2.2中確定的KOH濃度，在1.2.2.3中確定的溫度、1.2.2.4確定的提取時間下，處理海藻，海藻經(jīng)水洗、煮膠后，膠液冷卻至60℃時分別經(jīng)30、40、50、60MPa壓力均質(zhì)，調(diào)節(jié)膠液固形物含量為2%，噴霧干燥得到卡拉膠粉末，分別按照1.2.4和1.2.5的方法測定凝膠強度并計算得率。

1.2.3 正交實驗

在對以上單因素分析和實驗的基礎(chǔ)上，采用L16(45)的正交實驗設(shè)計，對影響卡拉膠得率和凝膠強度的主要因素：料液比、KOH濃度、提取溫度、提取時間、均質(zhì)壓力進行研究，確定最佳工藝參數(shù)，見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table. 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 凝膠強度的測定

準(zhǔn)確稱取3.0g樣品于500mL燒杯中，加蒸餾水200g攪勻，常溫浸泡15min。置于水浴中加熱，當(dāng)溶液溫度為65℃時，加入4mL10%的KCl溶液。繼續(xù)水浴加熱至液體中心溫度為90℃，開始計時，保溫10min，攪拌均勻倒入標(biāo)準(zhǔn)強度測定杯，冷卻，封膜，移入20℃恒溫箱，放置10～16h，取出膠體，置于凝膠強度測定儀上測定凝膠強度。3個樣品的平均值即為此試樣的凝膠強度。

1.2.5 得率計算公式

式中：

W—表示卡拉膠得率(%)；

m1—表示所得到的卡拉膠粉的質(zhì)量(g)；

m2—表示原料海藻的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 料液比對卡拉膠得率及凝膠強度的影響

由圖1可知，料液比對卡拉膠得率無顯著影響，在料液比1∶10時卡拉膠凝膠強度較低，隨著料液比的加大，凝膠強度呈現(xiàn)增加的趨勢，這可能是由于堿液較少時，堿液不能充分滲入海藻細胞內(nèi)部，從而使得海藻細胞壁外層的蠟質(zhì)層殘留較多，影響了凝膠強度。當(dāng)料液比為1∶20時，得率和凝膠強度均較理想，繼續(xù)提高料液比后，得率和凝膠強度無明顯改善，且增加下一步清洗難度，因此選擇料液比為1∶20。

2.1.2 KOH濃度對卡拉膠得率及凝膠強度的影響

由圖2可知，在實驗設(shè)定的KOH濃度范圍內(nèi)，隨濃度的提高，卡拉膠得率逐漸下降，這是因為高濃度的KOH溶液脫除海藻細胞壁中的蠟質(zhì)層外，同時會將海藻中的部分膠質(zhì)溶出，造成得率的降低。而過高的KOH濃度也會對海藻結(jié)構(gòu)造成破壞，對卡拉膠分子鏈存在一定程度的破壞，從而降低凝膠強度。根據(jù)試驗結(jié)果，選擇KOH濃度為7%。

2.1.3 提取溫度對卡拉膠得率及凝膠強度的影響

根據(jù)圖3可知，隨著提取時間的延長，卡拉膠的得率呈現(xiàn)下降趨勢，凝膠強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是由于溫度較低時(60℃以下)海藻細胞壁中的蠟質(zhì)層脫除不確定，膠質(zhì)暴露不充分，導(dǎo)致凝膠強度較低。而隨著蠟質(zhì)層的破壞，所得產(chǎn)物的質(zhì)量下降，表現(xiàn)為得率的降低。

2.1.4 提取時間對卡拉膠得率及凝膠強度的影響

由圖4可知，隨著提取時間的延長，卡拉膠凝膠強度呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢，得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是由于隨著提取時間的延長，海藻細胞壁逐漸被堿液破壞，內(nèi)部膠質(zhì)得以提取。如果提取時間過長，細胞壁被破壞的同時，膠質(zhì)也會有部分溶出，導(dǎo)致得率下降。根據(jù)實驗結(jié)果，選擇最佳提取時間為4h。

2.1.5 均質(zhì)壓力對卡拉膠得率及凝膠強度的影響

由圖5可知，在所設(shè)定的均質(zhì)壓力范圍內(nèi)，卡拉膠得率無顯著變化，凝膠強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是由于隨著均質(zhì)壓力的增大，堿處理中殘留的細胞壁蠟質(zhì)層被進一步破壞，膠質(zhì)層得以進一步釋放，提高了卡拉膠整體的凝膠強度。而如果均質(zhì)壓力達到40MPa后再繼續(xù)提高，均質(zhì)過程中產(chǎn)生的剪切、撞擊、空穴和湍流對卡拉膠的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。根據(jù)實驗結(jié)果，選擇均質(zhì)壓力40MPa處理膠液。

2.2 正交實驗結(jié)果與分析

正交實驗結(jié)果見表2。

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

由凝膠強度的正交實驗結(jié)果表2，凝膠強度的極差分析表3，可以看出，各因素對卡拉膠制備效果中凝膠強度影響的主次順序為B>E>C>D>A，即KOH濃度>均質(zhì)壓力>提取溫度>提取時間>料液比，最佳提取條件為A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時間4h，均質(zhì)壓力40MPa。

表3 正交實驗中凝膠強度的極差分析表Table 3 The range analysis results of gel strength

從凝膠強度的方差分析表4表明，KOH濃度和均質(zhì)壓力對卡拉膠凝膠強度具有顯著影響。

表4 正交實驗中凝膠強度的方差分析表Table 4 The variance analysis results of gel strength

由正交實驗中得率的極差分析表5可以看出，各因素對卡拉膠得率影響的主次順序為B>C>D>E>A，即KOH濃度>提取溫度>提取時間>均質(zhì)壓力>料液比，最佳提取條件為A1B2C1D1E1，即料液比1∶15，KOH濃度7%，提取溫度50℃，提取時間3h，均質(zhì)壓力30MPa。

正交實驗中得率的方差分析表6表明，KOH濃度和提取溫度對卡拉膠得率具有顯著影響。

表5 正交實驗中得率的極差分析表Table 5 The range analysis results of extraction rate

表6 正交實驗中得率的方差分析表Table 6 The variance analysis results of extraction rate

由于實驗以卡拉膠凝膠強度為主要考核指標(biāo)，且不同制備條件下卡拉膠得率總體變化幅度較小，因此，最佳工藝條件選擇卡拉膠凝膠強度最高的組合，即A4B4C2D2E2。

2.3 驗證實驗

根據(jù)篩選得到的最佳工藝條件，即A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時間4h，均質(zhì)壓力40MPa進行卡拉膠的制備，并得到此條件下的卡拉膠得率和凝膠強度。經(jīng)實驗驗證，最佳制備條件下的卡拉膠凝膠強度為872g/cm2，優(yōu)于正交實驗中的結(jié)果，且此條件下卡拉膠得率為34.37%，也較理想，因此本最佳工藝條件合理。

3 結(jié)論

通過單因素實驗和正交實驗確定卡拉膠提取的最佳工藝條件為料液比1∶30，KOH濃度9%，提取溫度60℃，提取時間4h，均質(zhì)壓力40MPa，該條件下，卡拉膠得率為34.37%，凝膠強度為872g/cm2。

本實驗在堿處理工藝的基礎(chǔ)上，采用高壓均質(zhì)手段進一步優(yōu)化卡拉膠制備工藝，與傳統(tǒng)半精制卡拉膠相比，改善了凝膠性能，提高了卡拉膠的適用性。