梁懿，倪輝，2，3，姜澤東，2，3，朱艷冰，2，3，李清彪，2，3

（1 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建廈門361021；2 福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021；3 廈門市食品生物工程技術(shù)研究中心，福建廈門361021）

瓊脂又稱瓊膠，是一種從紅藻中提取的天然水溶性高分子多糖，由瓊脂糖和瓊脂膠組成[1]。瓊脂是世界上用途最廣泛的海藻多糖之一[2]，瓊脂及其衍生物具有良好的凝膠和增稠性能，可作為增稠劑、添加劑、膠凝劑等，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、微生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域[3-4]。我國是世界最主要的瓊脂生產(chǎn)基地，2018 年我國瓊脂銷量為1.05 萬噸，產(chǎn)值達(dá)8.83 億元，產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的60%以上。瓊脂生產(chǎn)原料包括石花菜類和江蘺類，其中我國生產(chǎn)瓊脂的原料主要是江蘺。瓊脂提取方法包括堿法提取[5]、微波輔助提取[6]、高壓提取[7]、酶法提取[8]、過氧化氫輔助酶法提取[9]等，其中堿法提取是目前工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的方法。堿法提取江蘺瓊脂的工藝過程包括堿處理、清洗殘堿、酸化、漂白、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥和粉碎等[10-11]。采用堿法提取江蘺瓊脂的工藝過程由于進(jìn)行多次清洗，需要消耗大量的水資源，目前工業(yè)化生產(chǎn)瓊脂的耗水量為1000～1500t/t[12]。

針對堿法提取瓊脂耗水量大的問題，Xiao等[8]證明了生物酶技術(shù)可有效減少瓊脂提取用堿和清洗殘堿用水量；蔡鷹等[13]研究了海水替代淡水提取江蘺瓊脂。這兩種方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣。工業(yè)上常借助膜分離[14]、絮凝沉降[15]、電解[16]等方法對廢水進(jìn)行處理后循環(huán)利用，這些方法由于水質(zhì)效果達(dá)不到工藝要求或者工藝成本偏高等因素也沒有在瓊脂生產(chǎn)中應(yīng)用。在堿法提取江蘺瓊脂的過程中，江蘺經(jīng)過堿處理后需將江蘺中殘堿清洗至中性，該工序是堿法提取瓊脂過程中耗水量較大的工藝環(huán)節(jié)，通常每生產(chǎn)1t 江蘺瓊脂，堿處理后對江蘺進(jìn)行清洗殘堿需消耗淡水約727t。因此，對堿處理后的清洗殘堿工藝進(jìn)行優(yōu)化是降低瓊脂生產(chǎn)耗水量的重要環(huán)節(jié)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，常用逆流技術(shù)節(jié)省提取或清洗溶劑用量。逆流提取技術(shù)是指在提取過程中，物料和溶劑同時連續(xù)運(yùn)動，但運(yùn)動方向相反，使物料和溶劑充分接觸，設(shè)備內(nèi)溶劑不斷更新。采用逆流提取技術(shù)可以提高提取效率。例如，Bessa 等[17]利用連續(xù)逆流提取方法，大幅度增加了米糠油的提取效率。此外，采用逆流提取技術(shù)還可節(jié)約提取溶劑及提高溶質(zhì)濃度，從而降低濃縮成本。由于具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，逆流提取技術(shù)逐漸在活性成分提取及清潔生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。瓊脂提取過程中，堿處理后對江蘺進(jìn)行清洗殘堿的操作實(shí)質(zhì)上是利用水提取江蘺中殘留堿的過程。該工藝也可以借鑒逆流提取的技術(shù)原理，清水從清洗殘堿的最后一個階段注入，將后一級清洗廢水逆向用于前一級清洗，最終的廢水從清洗殘堿的初始階段抽出，初始階段抽出廢水經(jīng)膜分離[14]處理后可重新用于生產(chǎn)加工，從而克服傳統(tǒng)方法環(huán)境污染大的缺點(diǎn)。相關(guān)研究表明，萃取溶劑、固液比、萃取級數(shù)、萃取時間等是影響逆流萃取效果的主要因素[18]。若在江蘺瓊脂清洗殘堿工藝中運(yùn)用逆流提取技術(shù)也應(yīng)該考慮以上幾個方面的因素，但由于清洗殘堿的溶劑是水且清洗時間在工業(yè)生產(chǎn)中相對穩(wěn)定，因此宜考慮固液比和清洗級數(shù)的影響。

基于以上國內(nèi)外研究進(jìn)展，本文模仿工業(yè)生產(chǎn)中的江蘺堿處理工藝，采用逆流清洗技術(shù)對清洗殘堿工藝進(jìn)行研究。以透明度、凝膠強(qiáng)度、硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度、3,6-內(nèi)醚半乳糖含量等為指標(biāo)優(yōu)化清洗殘堿的液料比并分析逆流清洗的節(jié)水效率，為降低工業(yè)生產(chǎn)江蘺瓊脂的耗水量提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

江蘺，綠新（福建）食品有限公司；明膠、氯化鋇、活性炭、果糖，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸鉀、濃鹽酸、間苯二酚、1,1-乙縮醛，西隴化工股份有限公司。

WNB22 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，美墨爾特貿(mào)易有限公司；7200 型可見分光光度計，尤尼柯儀器有限公司；BS233S 型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；FE20K 型酸度計，梅特勒-托利多公司；MM723EB微波爐，美的集團(tuán)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 江蘺瓊脂堿法提取傳統(tǒng)工藝

工藝流程：江蘺→預(yù)處理→堿處理→4次水洗（清洗殘堿）→酸化→水洗→漂白→水洗→煮膠→過濾→凝膠→冷凍脫水→干燥→粉碎。

預(yù)處理：用適量自來水沖洗江蘺，去除江蘺泥沙以及其他雜物，于烘箱中50℃烘至恒重。該處理的主要目的是排除雜質(zhì)干擾，減少后續(xù)實(shí)驗(yàn)因雜質(zhì)引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動。

堿處理：配制1500mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液于燒杯中，加入已處理恒重的江蘺100g，于90℃水浴鍋中恒溫處理3h。

清洗殘堿：將堿處理后的江蘺與堿液分離，用100mL清水沖洗江蘺表面殘堿液，放入燒杯中，用2000mL 清水進(jìn)行4 次清洗殘堿（每次流動浸泡30min）的操作，分別記為第一次清洗殘堿、第二次清洗殘堿、第三次清洗殘堿和第四次清洗殘堿。

酸化：向清洗殘堿4 次后的江蘺中加入1500mL清水，再加入0.65mL濃硫酸、0.96g草酸及0.192g乙二胺四乙酸二鈉，混合均勻后，攪拌酸化0.5h，固液分離并瀝干水。

水洗：向酸化后的江蘺中加入1500mL 清水，攪拌浸泡0.5h，重復(fù)清洗2 次至pH 中性，固液分離并瀝干水。

漂白：向水洗至中性的江蘺中加入1500mL 有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的次氯酸鈉溶液混合均勻，攪拌漂白0.5h，倒去漂白液。

水洗：加入1500mL 清水進(jìn)行浸泡清洗至pH中性。

煮膠：經(jīng)過以上處理的江蘺樣品置于燒杯中，加入1400mL 清水，于水浴鍋中100℃下進(jìn)行煮膠4h，并過濾得瓊脂膠液，于室溫下形成凝膠。

冷凍脫水：將凝膠的瓊脂切條，于冰柜中冷凍12h，室溫解凍后，去掉水分。

干燥粉碎：將脫水后的瓊脂條放置于托盤中，于40～50℃烘箱中烘干10h 后取出，用粉碎機(jī)粉碎成粉末狀，裝袋編號，得瓊脂粉樣品。

1.2.2 江蘺堿處理后清洗殘堿工藝中液料比的優(yōu)化

取5組江蘺樣品各100g，堿處理后分別按水和江蘺的液料比5∶1（加水500mL）、7.5∶1（加水750mL）、10∶1（加水1000mL）、12.5∶1（加水1250mL）、15∶1（加水1500mL）、20∶1（加水2000mL）的加水量進(jìn)行4 次清洗殘堿操作，每次均清水?dāng)嚢杞?.5h，清洗殘堿后操作均與1.2.1節(jié)中一致，制備得樣品瓊脂，并測定各項(xiàng)品質(zhì)參數(shù)。采用二次項(xiàng)函數(shù)擬合各參數(shù)與清洗殘堿液料比的關(guān)系模型，通過決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）比較擬合和檢驗(yàn)結(jié)果；RMSE 值越小，R2越大，則模型擬合度越高。R2和RMSE的的計算如式(1)和式(2)。依據(jù)目前工業(yè)化生產(chǎn)工藝的瓊脂質(zhì)量擬合最低的液料比。

式中，yj為實(shí)測值；y?j為模型預(yù)測值；-y為實(shí)測值的平均值；n為實(shí)測值數(shù)量。

1.2.3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流

在江蘺瓊脂生產(chǎn)過程中，按1.2.1 節(jié)中的方法進(jìn)行堿處理，在液料比為18.1∶1 的條件下進(jìn)行4次清洗殘堿的操作。其中，第一批次4次清洗殘堿全部用清水（無逆流），第二批次江蘺4 次清洗中有1次使用了第一批次江蘺清洗殘堿的廢水，其余3 次仍然使用清水清洗；例如，第一批次的第二、第三和第四次清洗廢水分別用于第二批次三組不同樣品第一、第二和第三次清洗，各樣品制備流程如圖1所示。清洗殘堿后，按照1.2.1節(jié)的工藝制備瓊脂，以4次清洗殘堿全部用清水（無逆流）的工藝為對照分析瓊脂質(zhì)量差異。

（1）無逆流（N1）樣品 將干重100g的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1加清水進(jìn)行4次浸泡清洗殘堿，且每次清洗殘堿所用水量相同，每次0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

（2）第二次廢水單次單級逆流（N2）樣品 將干重為100g的江蘺堿處理后放入燒杯中，用N1樣品第二次清洗殘堿廢水代替樣品清水進(jìn)行第一次清洗殘堿，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行第二次至第四次的清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

（3）第三次廢水單次單級逆流（N3）樣品 將干重為100g 的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行第一次浸泡清洗殘堿，用N1 樣品第三次清洗殘堿廢水代替清水進(jìn)行第二次清洗殘堿操作，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行第三次和第四次的浸泡清洗殘堿。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

圖1 清洗殘堿用水單次逆流的工藝流程

（4）第四次廢水單次單級逆流（N4）樣品 將干重為100g 的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行第一和第二次浸泡清洗殘堿，用N1 樣品第四次清洗殘堿廢水代替清水進(jìn)行第三次清洗殘堿操作，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行第四次的浸泡清洗殘堿。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

1.2.4 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流

按1.2.1 節(jié)中的方法進(jìn)行堿處理，在江蘺瓊脂生產(chǎn)過程中，除了最后一次清洗殘堿使用清水，其他階段清洗全部用后一級廢水（第四次清洗廢水應(yīng)用于進(jìn)行第三清洗殘堿，第三次清洗廢水應(yīng)用于進(jìn)行第二次清洗殘堿，第二次清洗廢水應(yīng)用于進(jìn)行第一次清洗殘堿），以四次清洗殘堿全部用清水（無逆流）的工藝為對照。根據(jù)清洗廢水逆流使用的級數(shù)，可分為全程一級逆流（J1）、全程二級逆流（J2）和全程三級逆流（J3），各工藝建立過程如圖2所示。

（1）無逆流（J0）樣品 將干重為100g 的江蘺樣品堿處理后，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進(jìn)行4次浸泡清洗殘堿，每次清洗殘堿浸泡時間是0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

（2）全程一級逆流（J1）樣品 將J0 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水進(jìn)行J1批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進(jìn)行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。此工藝中，J0批次的第四、第三和第二次廢水都進(jìn)行單級逆流使用，J1 清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

（3）全程二級逆流（J2）樣品 將J1 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水進(jìn)行J2批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進(jìn)行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。此工藝中，清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。J0批次的第四和第三次廢水都進(jìn)行二級逆流使用，J1第四次清洗廢水進(jìn)行了一級逆流使用。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

圖2 江蘺瓊脂堿處理后逆流循環(huán)工藝流程

（4）全程三級逆流（J3）樣品 將J2 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水用于J3批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進(jìn)行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間是0.5h。此工藝中，清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。其中，J0 的第四次廢水進(jìn)行三級逆流使用，J1 的第四次清洗廢水進(jìn)行了二級逆流使用，J2 的第四次清洗廢水進(jìn)行了一級逆流使用，即為全程三級逆流。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質(zhì)。

1.2.5 分析測定方法

1.2.5.1 清洗殘堿過程中耗水量、耗水率、節(jié)水率江蘺堿處理后清洗殘堿傳統(tǒng)工藝耗水量[式(3)]。

江蘺堿處理后清洗殘堿改進(jìn)工藝節(jié)水量[式(4)]。

江蘺堿處理后清洗殘堿改進(jìn)工藝節(jié)水率[式(5)]。

生產(chǎn)1t瓊脂節(jié)約水費(fèi)[式(6)]。

式中，V為清洗殘堿傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1 噸瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3/t；V1為清洗殘堿傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)一定量瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3；V2為清洗殘堿改進(jìn)工藝生產(chǎn)一定量瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3；M1為生產(chǎn)所得瓊脂質(zhì)量，按提取率11%計算，t；2.5 為1t 水的價格，CNY/t。

1.2.5.2 透明度的

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊脂溶液，微波溶解后趁熱倒入比色皿中，室溫放置24h，用紫外可見分光光度計在400～800nm 掃描，確定其最大吸收波長750nm，在最大吸收波長處測定樣品的透光率（T）。

1.2.5.3 凝膠強(qiáng)度

參照GB 1975—2010的方法測定凝膠強(qiáng)度，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的瓊脂溶液，微波溶解后等量倒入3 個100mL 平皿中，蓋上表面皿，室溫放置15h后，在凝膠強(qiáng)度測定儀上測定凝膠強(qiáng)度。凝膠強(qiáng)度以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%瓊膠（干基記）凝膠在15～20s 內(nèi)抗破砝碼的質(zhì)量（g）與裝置桿下端表面積（cm2）比值為單位（g/cm2）。

1.2.5.4 硫酸基的測定

采用硫酸鋇比濁法，參照楊賢慶等[19]的方法。配制明膠-氯化鋇溶液：配制5%的明膠溶液于4℃靜置過夜，用其配制氯化鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的明膠-氯化鋇溶液，于4℃?zhèn)溆?。配制硫酸鉀?biāo)準(zhǔn)溶液：硫酸鉀先在105℃的條件下烘干3h，等待其冷卻至室溫，稱取0.1088g，用1mol/L 的鹽酸定容至100mL，貯藏備用。

硫酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線：將硫酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋5倍，分別取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL的稀釋液，用1mol/L鹽酸補(bǔ)足至1mL，加入3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的明膠-氯化鋇溶液，振蕩混勻后靜置10min，在360nm 波長下測定吸光度，得不同濃度的硫酸基對其吸光度作標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=3.8351x－0.0024。

樣品的消化：稱取干燥的瓊脂樣品0.5g 于25mL比色管中，加入25mL濃度為1mol/L的鹽酸于100℃水浴消化5h 后冷卻至室溫。用活性炭脫色，過濾得澄清溶液待用。取1mL 消化液加3mL 的明膠-氯化鋇溶液，振蕩混勻，靜置10min，在360nm波長下測定吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算樣品硫酸基含量。

1.2.5.5 瓊脂凝固溫度和溶化溫度

參考史升耀等[20]的方法，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊脂溶液，取10mL 裝入試管中，在膠液中放入一個小玻璃珠，插入溫度計，保證溫度計水銀球完全被膠液沒過，當(dāng)傾斜試管玻璃珠不移動時，此時的溫度即為凝固溫度。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊脂溶液，取10mL裝入試管中，室溫下冷卻過夜，在膠液上放一個小玻璃珠，將試管置于50℃水浴中，再以2min/℃的速率升溫，當(dāng)小玻璃珠接觸試管底部時，此時溫度即為溶化溫度。

1.2.5.6 3,6-內(nèi)醚半乳糖含量

采用間苯二酚法[21]，配制1.5mg/mL的間苯二酚溶液100mL，于冰箱中4℃保存；配制0.04%的1,1-乙縮醛溶液稀釋液100mL，置于棕色試劑瓶中，于冰箱中保存；比色前取間苯二酚溶液9mL、1,1-乙縮醛溶液1mL 與100mL 12mol/L 的濃鹽酸混合均勻，備用。

果糖標(biāo)準(zhǔn)曲線：配制25μg/mL的果糖稀釋液貯存?zhèn)溆?，分別取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL 果糖稀釋液于10mL 的具塞試管中，用去離子水補(bǔ)足至1mL，另取1mL 去離子水為空白對比，蓋上塞子置于冰水浴中5min，分別取5mL 間苯二酚混合試劑于各試管中，在冰水浴中振蕩搖勻，后放置在80℃恒溫水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm 的波長下測定吸光度，得不同濃度的果糖對其吸光度作標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=1.5331x－0.003。

稱取干燥的瓊脂樣品0.03g，完全溶解后定容至1000mL，取1mL 30μg/mL 瓊脂溶液置于具塞試管中，冰水浴5min，加入5mL間苯二酚混合試劑，冰水浴中振蕩搖勻，80℃恒溫水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm的波長下測定吸光度值，根據(jù)所作果糖標(biāo)準(zhǔn)曲線換算出3,6-內(nèi)醚半乳糖含量（以果糖當(dāng)量計算）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

使用Excel 2019對不同水洗方式提取瓊脂的理化性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，對透明度、凝膠強(qiáng)度等參數(shù)隨料液比變化制作柱狀圖和折線圖，并采用Excel 2019進(jìn)行二次函數(shù)回歸分析。使用SPSS 19.0對不同瓊脂理化性質(zhì)進(jìn)行顯著性分析。使用AutoCAD 2014繪制逆流清洗工藝設(shè)備流程。

2 結(jié)果與討論

2.1 江蘺堿處理后清洗殘堿工藝中液料比的優(yōu)化

瓊脂的各項(xiàng)溫度指標(biāo)變化與分子結(jié)構(gòu)和分子量有關(guān)[22]，例如，瓊脂中的3,6-內(nèi)醚半乳糖含量與凝膠強(qiáng)度呈正相關(guān)，硫酸基含量與凝膠強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)[23]。趙謀明[24]研究表明，硫酸基會轉(zhuǎn)化為3,6-內(nèi)醚半乳糖。堿處理是目前工業(yè)化去除瓊脂中硫酸基和增加3,6-內(nèi)醚半乳糖含量的關(guān)鍵操作；堿處理后江蘺殘留了一定量的堿液，需要進(jìn)行清洗才能去除[12]。此外，江蘺藻中含有大量色素，經(jīng)堿處理后，大部分色素溶于堿液中[25]，其余部分要在清洗殘堿過程中去除。相關(guān)研究表明，清洗殘堿用水量是影響瓊脂質(zhì)量的重要因素，當(dāng)清洗用水量過少時，江蘺內(nèi)部所吸收的堿液及殘留的色素不能徹底清除，對瓊脂凝膠強(qiáng)度、透明度和色澤等指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響[26]。目前，瓊脂工業(yè)生產(chǎn)中常采用20 倍的水進(jìn)行4次殘堿清洗，用水量很大。本文用不同液料比的清水對堿處理后的瓊脂進(jìn)行清洗，如圖3所示，隨著清洗殘堿用水量的增加，透明度、凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量呈上升趨勢，硫酸基含量逐漸下降。對圖3的液料比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在擬合過程中，通過決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE 判定實(shí)驗(yàn)值與模型的擬合度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[27]，決定系數(shù)R2大于0.3 為有效值，均方根誤差RMSE為非負(fù)值；R2越大，RMSE越小，說明實(shí)驗(yàn)值與模型的擬合度越好。通過擬合，得到液料比與瓊脂各項(xiàng)指標(biāo)的影響規(guī)律如式(7)所示。如表1所示，透明度、凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度、硫酸基含量和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量與不同液料比擬合模型的相關(guān)系數(shù)R2較大，且RMSE 較小，說明建立的動力學(xué)模型能較好地擬合液料比對瓊脂質(zhì)量的影響。其中，3,6-內(nèi)醚半乳糖含量對應(yīng)液料比的R2較高，RMSE最低，凝固溫度對應(yīng)液料比的R2、RMSE與3,6-內(nèi)醚半乳糖含量對應(yīng)液料比的R2、RMSE相近，但都略高于3,6-內(nèi)醚半乳糖含量對應(yīng)液料比的R2、RMSE，所以判定3,6-內(nèi)醚半乳糖含量和凝固溫度與液料比的擬合度最好；溶化溫度R2最高，但是RMSE也略高，所以溶化溫度與液料比的擬合度略低于3,6-內(nèi)醚半乳糖含量和凝固溫度與液料比的擬合度；硫酸基含量對應(yīng)液料比的R2較低，RMSE較高，所以硫酸基含量與液料比的擬合度次于溶化溫度與液料比的擬合度；透明度有較高的R2，但是RMSE高，所以透明度與液料比的擬合度次于硫酸基含量與液料比的擬合度；凝膠強(qiáng)度R2低于其他質(zhì)量指標(biāo)，RMSE高于其他質(zhì)量指標(biāo)，所以凝膠強(qiáng)度與液料比的擬合度在6 個質(zhì)量指標(biāo)中最低。

圖3 不同液料比時瓊脂樣品質(zhì)量變化

式中，x為液料比；Y1為透明度實(shí)際測量值；Y2為凝膠強(qiáng)度實(shí)際測量值；Y3為凝固溫度實(shí)際測量值；Y4為溶化溫度實(shí)際測量值；Y5為硫酸基含量實(shí)際測量值；Y6為3,6-內(nèi)醚半乳糖含量實(shí)際測量值。

表1 液料比對瓊脂質(zhì)量的影響線性模型擬合的R2和RMSE

目前大部分企業(yè)生產(chǎn)瓊脂過程中清洗殘堿的液料比為20∶1，在此工藝條件下所得瓊脂的透明度為90.1%，凝膠強(qiáng)度為936g/cm2，凝固溫度為39.5℃，溶化溫度為95.8℃，硫酸基含量為1.4%，3,6-內(nèi)醚半乳糖含量為26.4%。根據(jù)這些質(zhì)量指標(biāo)，運(yùn)用式(7)進(jìn)行液料比預(yù)測，得到液料比分別為16.7∶1、13.2∶1、15.5∶1、14.5∶1、16.5∶1和18.1∶1（表2）。通過比較發(fā)現(xiàn)，透明度、凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量隨液料比的增大而上升，硫酸基含量隨液料比增大而減小。當(dāng)液料比為18.1∶1 時，所得瓊脂所有質(zhì)量指標(biāo)均與液料比20∶1所得瓊脂樣品的質(zhì)量指標(biāo)相當(dāng)。根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，在保證質(zhì)量指標(biāo)與液料比20∶1 所得瓊脂樣品不變的前提下，最低液料比應(yīng)為18.1∶1，與目前大部分企業(yè)生產(chǎn)用的液料比相比，該液料比降低了9.5%。在液料比18.1∶1的條件下進(jìn)行20kg 中試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，提取得到瓊脂的透明度為86.3%、凝膠強(qiáng)度為945g/cm2、凝固溫度為39.8℃、溶化溫度為95.7℃、硫酸基含量為0.94%、3,6-內(nèi)醚半乳糖含量為27.3%。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量與液料比20∶1 所生產(chǎn)的瓊脂樣品相近，透明度和硫酸基含量較低。其中，透明度較低主要是由于中試試驗(yàn)設(shè)備的濾布孔徑較大所引起；而硫酸基相比預(yù)測有所降低，3,6-內(nèi)醚半乳糖相比預(yù)測有所增加，這說明清洗效果比工廠生產(chǎn)效果好，其原因主要是中試工藝控制精度更高。綜合結(jié)果表明，中試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果相似，一方面說明模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性，另外一方面說明該預(yù)測清洗工藝效果可以在中試放大中重現(xiàn)。

表2 運(yùn)用模型預(yù)測液料比對瓊脂質(zhì)量指標(biāo)計算結(jié)果及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流

以上通過對液料比進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了9.5%的節(jié)水。為了進(jìn)一步節(jié)省清洗環(huán)節(jié)的用水量，本文采用優(yōu)化后的液料比進(jìn)行單次單級逆流清洗試驗(yàn)。由表3可見，對第二至第四次清洗廢水進(jìn)行單次單級逆流使用時，所得瓊脂的透明度、凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量均呈現(xiàn)下降趨勢，硫酸基含量呈上升趨勢；在初始環(huán)節(jié)采用清洗廢水進(jìn)行清洗指標(biāo)與無逆流工藝生產(chǎn)瓊脂指標(biāo)相近，末尾環(huán)節(jié)采用廢水清洗與無逆流工藝生產(chǎn)瓊脂指標(biāo)相差較大，在初始環(huán)節(jié)進(jìn)行單次單級逆流效果更好。表3結(jié)果顯示，與無逆流的工藝對比，單次單級逆流工藝的瓊脂樣品透明度、硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度、3,6-內(nèi)醚半乳糖含量變化較小，各瓊脂質(zhì)量指標(biāo)十分相似，而凝膠強(qiáng)度變化較大，數(shù)值不斷降低。雖然如此，各項(xiàng)指標(biāo)仍然符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)GB 1975—2010 中高強(qiáng)度瓊脂（801～1200g/cm2）的標(biāo)準(zhǔn)，能滿足高強(qiáng)度瓊脂相關(guān)應(yīng)用的使用要求。說明江蘺堿處理后清洗殘堿過程中廢水逆流使用具有一定可行性，可以進(jìn)一步優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更大節(jié)水目標(biāo)。

2.3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流

單次逆流清洗試驗(yàn)結(jié)果說明，采用優(yōu)化的液料比及逆流工藝可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水。為了實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)水目標(biāo)，對堿處理后的江蘺采用全程多級逆流循環(huán)的方式進(jìn)行清洗。成品瓊脂的質(zhì)量及理化性質(zhì)如表4所示，隨著清洗殘堿用水的多級逆流循環(huán)清洗殘堿，瓊脂的透明度、凝膠強(qiáng)度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量呈降低趨勢，硫酸基含量呈增加趨勢。相關(guān)研究表明，過度堿處理造成瓊脂分子降解，從而導(dǎo)致瓊脂強(qiáng)度降低[26]。在清洗殘堿的過程中，隨著全程逆流清洗級數(shù)的增加，清洗廢水中堿含量逐漸上升，可能會導(dǎo)致瓊脂分子降解，從而影響凝膠強(qiáng)度。對比全程一級逆流、全程二級逆流和全程三級逆流工藝，硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內(nèi)醚半乳糖含量變化較小，透明度和凝膠強(qiáng)度變化較大。雖然采用全程逆流清洗時，瓊脂透明度和凝膠強(qiáng)度與無逆流和單次逆流工藝相比有所降低，但仍然符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)GB 1975—2010中高強(qiáng)度瓊脂（801～1200g/cm2）的標(biāo)準(zhǔn)及朱運(yùn)恒等[28]報道的國產(chǎn)瓊脂標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果說明采用全程多級逆流工藝清洗殘堿雖然會對瓊脂質(zhì)量產(chǎn)生細(xì)微影響，但瓊脂質(zhì)量變化在可控范圍內(nèi)，說明采用全程多級逆流工藝具有可行性，可以實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)水目標(biāo)。

表3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流使用的瓊脂樣品質(zhì)量指標(biāo)

表4 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流使用的樣品質(zhì)量指標(biāo)

2.4 江蘺堿處理后清洗殘堿液料比優(yōu)化及廢水逆流使用節(jié)水量分析

經(jīng)過以上研究發(fā)現(xiàn)，液料比優(yōu)化后無逆流工藝、單次單級逆流與全程多級逆流工藝所得瓊脂質(zhì)量指標(biāo)與傳統(tǒng)工藝所得瓊脂質(zhì)量指標(biāo)都符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)GB 1975—2010 中高強(qiáng)度瓊脂（801～1200g/cm2）的標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)式(3)～式(5)計算不同清洗工藝的耗水量，如表5所示，采用傳統(tǒng)工藝，每生產(chǎn)1t 瓊脂的清洗工藝消耗727t 清水；采用本研究優(yōu)化液料比無逆流的工藝生產(chǎn)1t 瓊脂消耗658t清洗用水，采用單次單級逆流工藝生產(chǎn)1t瓊脂消耗494t 清洗用水，采用全程單次單級逆流工藝生產(chǎn)1t瓊脂消耗411t清洗用水，采用全程多級循環(huán)逆流工藝生產(chǎn)1t瓊脂消耗165t清洗用水。與傳統(tǒng)工藝相比，采用優(yōu)化后的液料比及逆流清洗工藝可以顯著節(jié)約清洗用水，其中全程多級逆流循環(huán)工藝節(jié)水效果最顯著，生產(chǎn)1t 瓊脂可節(jié)省清洗用水562t，節(jié)水率達(dá)到77.4%（表5）。

表5 江蘺堿處理后清洗殘堿液料比優(yōu)化及廢水逆流使用節(jié)水量分析

假設(shè)有一工廠，每天生產(chǎn)5t 瓊脂，該工廠有兩個車間，每個車間有5條生產(chǎn)線，按每條生產(chǎn)線每次投放1t 江蘺，瓊脂得率為11%計算，需投放大約9次江蘺才能得到1t瓊脂。根據(jù)逆流清洗技術(shù)繪制逆流清洗技術(shù)工藝流程，如表6、圖4 所示，該工程運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備購置費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、電費(fèi)，其中設(shè)備購置費(fèi)包括4 個貯液罐12 萬元、4 個壓力泵5.12 萬元、購買設(shè)備成本17.12 萬元。假設(shè)設(shè)備運(yùn)行時間為10 年，每年運(yùn)行300 天，每天運(yùn)行5 次，則每條線每次設(shè)備運(yùn)行成本約為11.4元/次，每生產(chǎn)1t瓊脂設(shè)備需運(yùn)行約9次，所以設(shè)備成本約為103CNY/t；每臺泵功率為7.5kW·h，抽20t 水需要10min，結(jié)合圖1、圖2、圖4 分析發(fā)現(xiàn)，逆流設(shè)備在傳統(tǒng)工藝和本研究全程無逆流工藝中不工作，壓力泵在本研究單次單級逆流工藝中工作1.21h 生產(chǎn)1t 瓊脂，全程一級逆流工藝中每天工作1.81h 生產(chǎn)1t 瓊脂，全程三級逆流工藝中每天工作3.62h生產(chǎn)1t瓊脂，各逆流工藝生產(chǎn)1t瓊脂耗電量分別為9.08kW·h、13.58kW·h、27.15kW·h，以0.75CNY/(kW·h)計算，各逆流工藝生產(chǎn)1t瓊脂每天分別消耗電費(fèi)6.81CNY、10.2CNY、20.4CNY。結(jié)合設(shè)備成本費(fèi)和運(yùn)行電費(fèi)，計算得到對于逆流工藝生產(chǎn)1t 瓊脂新增總費(fèi)用（成本） 分別為0、0、110CNY、113CNY、123CNY，如表6 所示。根據(jù)表5可知，每生產(chǎn)1t瓊脂本研究全程無逆流工藝相對于傳統(tǒng)工藝可節(jié)約68.8t 水，單次單級逆流可節(jié)約234t 水，全程一級逆流可節(jié)約316t 水，全程三級逆流可節(jié)約562t 水。根據(jù)式(6)計算，每生產(chǎn)1t瓊脂本研究各工藝分別可節(jié)約172CNY、583CNY、790CNY、1405CNY（表6）。將節(jié)水費(fèi)用扣除新增工藝成本，本研究各工藝分別可節(jié)約172CNY、473CNY、677CNY、1282CNY。該工藝設(shè)計結(jié)果說明，瓊脂生產(chǎn)過程中采用逆流工藝清洗殘堿可以大幅度降低清洗用水量及工藝成本，為降低江蘺瓊脂工業(yè)生產(chǎn)過程中的耗水量提供指導(dǎo)。

表6 各工藝結(jié)合廢水逆流工藝成本分析

圖4 傳統(tǒng)工藝設(shè)備及逆流清洗工藝設(shè)備圖（單位：mm）

3 結(jié)論

通過對瓊脂提取過程中清洗殘堿工藝的液料比與瓊脂質(zhì)量關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行分析，在瓊脂質(zhì)量不變的情況下優(yōu)化得到液料比為18.1∶1，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用該比例結(jié)合全程三級逆流技術(shù)，生產(chǎn)1t瓊脂最高可減少562t 水，可節(jié)約成本1282CNY。采用逆流工藝進(jìn)行清洗殘堿的操作，瓊脂的透明度、凝膠強(qiáng)度、3,6-內(nèi)醚半乳糖含量、硫酸基含量等理化性質(zhì)隨著逆流級數(shù)和次數(shù)的增加而稍微下降，但產(chǎn)品仍然符合相關(guān)質(zhì)量要求。該結(jié)果證明了瓊脂生產(chǎn)過程中采用逆流工藝清洗殘堿的工藝可行性，為降低江蘺瓊脂工業(yè)生產(chǎn)過程中的耗水量提供指導(dǎo)。