陳艷紅 伍 菱 姜澤東 倪 輝

(1. 集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 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(mén) 361021；3. 廈門(mén)市食品生物工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361021)

Kappa-卡拉膠(Kappa-Carrageenan)是從角叉菜屬、麒麟菜屬、杉藻菜屬和沙菜屬等紅藻中提取的一類硫酸半乳聚糖的統(tǒng)稱[1]，是由(1→3)連接的4-硫酸基-β-D-半乳糖與(1→4)連接的3,6-內(nèi)醚-α-D-半乳糖的重復(fù)二糖結(jié)構(gòu)組成[2-3]，具有良好的凝膠特性和流變特性，被廣泛應(yīng)用于食品和化妝品的凝膠劑、穩(wěn)定劑和增稠劑中[4]，且價(jià)格較低[5]。將Kappa-卡拉膠應(yīng)用于飲料和水果軟糖加工中，具有果味濃和甜度適宜等特點(diǎn)[6]。此外，與刺槐豆膠[7]及魔芋膠[8]等多糖協(xié)同復(fù)配可形成富有彈性、爽口、風(fēng)味優(yōu)良的凝膠，可作為果凍、布丁的凝膠劑，并應(yīng)用于可食性包裝紙和保鮮膜的開(kāi)發(fā)中[9]。

目前，工業(yè)提取Kappa-卡拉膠的主要原料是麒麟菜[10]，提取工藝包括堿處理、清洗殘堿、中和、漂白、煮膠、過(guò)濾及沉淀等工序。提取過(guò)程中，由于Kappa-卡拉膠易溶于水而流失，故傳統(tǒng)提取工藝中通過(guò)加入鉀離子使其形成凝膠，堿處理和清洗殘堿過(guò)程中需加入10%以上的鉀離子，沉淀環(huán)節(jié)需加入5%以上的鉀離子，因此會(huì)導(dǎo)致Kappa-卡拉膠中含有大量鉀離子。而鉀離子偏高易引發(fā)腎慢性疾病、老年人群的過(guò)敏及心血管疾??；例如，血鉀高于5.5 mmol/L被稱為高鉀血癥[11]，會(huì)導(dǎo)致心臟和肌肉并發(fā)癥，包括致命的心律失常[12]。此外，血清鉀過(guò)高時(shí)，細(xì)胞外液鉀離子濃度升高，使細(xì)胞膜對(duì)鉀離子的通透性增高，鈣離子內(nèi)流延緩，心肌收縮性減弱[13]。

鉀離子的去除方法主要有化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法[14]。沉淀法使用的四苯硼鈉、六硝基二苯胺銨鹽等沉淀劑雖然能夠定量沉淀鉀，但由于前者價(jià)格昂貴，后者有毒、易爆、危險(xiǎn)性大，難以工業(yè)化應(yīng)用[15]。離子交換和膜分離法可去除多種溶液中鉀離子[14]，但對(duì)于卡拉膠等黏稠性液體操作成本高、效率低。有研究[16]表明，乙醇對(duì)多糖具有良好的沉淀作用及抑制溶解能力，在工業(yè)生產(chǎn)中常用于沉淀回收溶液中的可溶性多糖。研究擬探討乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)堿處理、清洗殘堿和沉淀卡拉膠等環(huán)節(jié)中抑制Kappa-卡拉膠溶解流失的影響，并進(jìn)一步分析傳統(tǒng)工藝和試驗(yàn)工藝中Kappa-卡拉膠的理化指標(biāo)和性質(zhì)，為降低Kappa-卡拉膠中鉀離子濃度提供一種新方法。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

麒麟菜：含水量35%，綠新(福建)食品有限公司；

乙醇、異丙醇、鹽酸、過(guò)氧化氫、氯化鋇、硝酸：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

NaOH溶液：純度96%，天津天順堿業(yè)有限公司；

KCl：分析純，汕頭精細(xì)化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒溫水槽：ZSBB-728型，上海智城分析儀器制造有限公司；

鼓風(fēng)干燥箱：ZXRD-B5210型，上海智城分析儀器制造有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA-XT Plus型，英國(guó)Stable Micro System公司；

數(shù)顯黏度計(jì)：DV-C型，美國(guó)博勒飛公司；

天平：BP-Ⅱ型，上海光正醫(yī)療儀器有限公司；

酸度計(jì)：FE20型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

離心機(jī)：Avanti J-26S XP型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

微波消解儀：MDS-2003F型，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：Agilent 7500a型，美國(guó)Aglient公司。

1.3 乙醇抑制法提取Kappa-卡拉膠工藝優(yōu)化

1.3.1 基本工藝流程

原料→堿處理(60倍12% KCl和10% NaOH溶液，65 ℃處理4 h)→清洗殘堿(60倍12% KCl溶液，常溫浸泡30 min)→煮膠(60倍清水，90 ℃，4 h)→過(guò)濾→卡拉膠沉淀→脫水→烘干→粉碎

傳統(tǒng)工藝分別在堿處理、清洗殘堿環(huán)節(jié)中加入12% KCl抑制卡拉膠流失，過(guò)濾后加入5% KCl沉淀卡拉膠；試驗(yàn)在堿處理、清洗殘堿環(huán)節(jié)中加入乙醇抑制卡拉膠流失；過(guò)濾后，加入乙醇沉淀卡拉膠。

1.3.2 堿處理過(guò)程中乙醇體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化 分別配制300 mL 含不同乙醇體積分?jǐn)?shù)(0%，20%，40%，60%)的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃靜置4 h，60倍12% KCl溶液清洗3次，干燥后測(cè)定干重。對(duì)照組為傳統(tǒng)堿處理工藝，即KCl抑制卡拉膠溶解組。根據(jù)干重減少量判斷卡拉膠流失量。

1.3.3 清洗殘堿過(guò)程中乙醇體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化 配制300 mL 含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃靜置4 h，分別用300 mL不同體積分?jǐn)?shù)(0%，20%，40%，60%)的乙醇溶液浸泡堿30 min，清洗殘堿，去除濾液后重復(fù)浸泡處理2次，測(cè)定卡拉膠含量。

1.3.4 卡拉膠沉淀過(guò)程中乙醇膠液體積比優(yōu)化 配制300 mL含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃處理4 h，用300 mL 60%的乙醇溶液浸泡清洗殘堿30 min，重復(fù)3次，過(guò)濾去除酒精溶液，將處理好的麒麟菜放入300 mL清水中，90 ℃煮膠4 h，用8層紗布過(guò)濾，分別按V60%乙醇∶V膠液為1∶1，2∶1，3∶1，5∶1進(jìn)行卡拉膠沉淀試驗(yàn)，收集沉淀，測(cè)定提取液中卡拉膠含量，烘干粉碎后計(jì)算得率。

1.4 乙醇抑制法和傳統(tǒng)KCl提取的卡拉膠得率和性質(zhì)對(duì)比

對(duì)乙醇抑制法和KCl提取法得到的卡拉膠進(jìn)行得率、鉀離子、凝膠強(qiáng)度、黏度等分析。

1.5 指標(biāo)測(cè)定方法

1.5.1 干重 將樣品于105 ℃烘干至恒重，稱重。

1.5.2 提取得率 粉碎后所得膠粉干重占原料(麒麟菜)干重的百分比即為卡拉膠得率。

1.5.3 K+含量 參照GB 5009.268—2016，按式(1)計(jì)算樣品中K+含量。

(1)

式中：

X——試樣中K+含量，mg/kg或mg/L；

ρ——試樣溶液中K+質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ0——試樣空白液中K+質(zhì)量濃度，mg/L；

V——試樣消化液定容體積，mL；

f——試樣稀釋倍數(shù)；

m——試樣稱取質(zhì)量或移取體積，g或mL。

1.5.4 凝膠強(qiáng)度 采用水壓法。

1.5.5 黏度 采用DV-C黏度計(jì)測(cè)定。

1.5.6 質(zhì)構(gòu)參數(shù) 參照文獻(xiàn)[17]。采用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，探頭為36R，測(cè)前、中速度1.00 mm/s，返回速度5.00 mm/s，觸發(fā)力5.00 g，測(cè)試形變30%，測(cè)試循環(huán)次數(shù)2次。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

使用Excel 2016、SPSS Statistics17.0軟件對(duì)不同卡拉膠樣品性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并制作相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿處理過(guò)程中乙醇體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化

由圖1可知，堿處理后的樣品得率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而上升，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，干物質(zhì)得率為64.2%，接近卡拉膠提取原料的干物質(zhì)極限值(65%)[18]，說(shuō)明體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇能夠完全抑制堿處理過(guò)程中的卡拉膠流失。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 清洗殘堿過(guò)程中乙醇體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化

由圖2可知，使用清水浸洗的樣品得率最低，隨著浸洗液中乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，樣品得率不斷提高，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，樣品得率最高，已經(jīng)達(dá)到了卡拉膠的理論值。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 卡拉膠沉淀過(guò)程中乙醇與膠液體積比優(yōu)化

由表3可知，隨著乙醇提取液用量的增加，卡拉膠得率增大，當(dāng)乙醇與膠液體積比(V60%乙醇∶V膠液)為5∶1時(shí)，卡拉膠提取得率達(dá)到28.76%，接近60%乙醇浸洗的(29%)，繼續(xù)增加乙醇與膠液體積比從理論上來(lái)說(shuō)不能顯著增加卡拉膠得率。因此，確定采用5倍膠液體積的60%乙醇溶液沉淀卡拉膠。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.4 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的比較

潘騰等[19]研究表明，傳統(tǒng)方法提取的卡拉膠中氯化鉀含量最高可達(dá)33.3%。由表1可知，傳統(tǒng)方法提取的卡拉膠中鉀離子含量為16.26%，而乙醇抑制提取的卡拉膠中鉀離子含量?jī)H為0.63%，說(shuō)明試驗(yàn)建立的乙醇抑制法提取卡拉膠的工藝能顯著降低(P<0.05)卡拉膠中鉀離子含量。兩種方法提取的卡拉膠中硫酸根離子含量無(wú)顯著性差異，說(shuō)明乙醇抑制法對(duì)卡拉膠中硫酸根離子含量影響極小。乙醇抑制法提取的卡拉膠pH值稍高于傳統(tǒng)方法提取的，可能是清洗殘堿環(huán)節(jié)中乙醇體積分?jǐn)?shù)高達(dá)60%，抑制了殘堿清洗的效率。雖然乙醇抑制法提取的卡拉膠pH值高于傳統(tǒng)方法提取的，但卡拉膠在食品中的添加量一般為0.01%～1.00%，略高的pH值并不會(huì)顯著影響被添加的食品體系，因此不會(huì)影響卡拉膠的應(yīng)用[20]。

表1 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的卡拉膠得率、K+含量含量及pH?

2.5 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的卡拉膠的應(yīng)用性質(zhì)對(duì)比

由表2可知，乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉膠的黏度、硬度、彈性、咀嚼性和回復(fù)性與傳統(tǒng)KCl法提取的無(wú)顯著性差異。但乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉膠凝膠強(qiáng)度顯著低于傳統(tǒng)工藝的(P<0.05)，可能是K+濃度偏低引起的[21-22]。因此，除凝膠強(qiáng)度外，乙醇抑制法提取Kappa-卡拉膠的應(yīng)用性質(zhì)與傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用性質(zhì)基本一致。

3 結(jié)論

乙醇抑制法提取卡拉膠最佳工藝為堿處理及清洗殘堿過(guò)程中抑制卡拉膠溶解的乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%，卡拉膠沉淀過(guò)程中加入60%乙醇溶液與膠液體積比(V60%乙醇∶V膠液)為5∶1，該工藝條件下卡拉膠得率為(28.76±1.38)%，K+濃度和凝膠強(qiáng)度顯著低于傳統(tǒng)工藝提取的(P<0.05)，黏度、硬度、彈性、咀嚼性和回復(fù)性與傳統(tǒng)工藝提取的無(wú)顯著性差異。但用該方法提取的Kappa-卡拉膠價(jià)格高于用氯化鉀沉淀法提取的價(jià)格，如果將超濾膜過(guò)濾技術(shù)與乙醇沉淀技術(shù)相結(jié)合，將大幅度降低乙醇用量以及低鉀Kappa-卡拉膠的提取成本，后續(xù)可從該方面探究低鉀Kappa-卡拉膠生產(chǎn)工藝。