刺麒麟菜基本成分分析和ι-卡拉胶的提取工艺参数优化

朱 敏, 张立新, 史大永

(1. 青岛大学 化学化工与环境学院, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071)

刺麒麟菜基本成分分析和ι-卡拉胶的提取工艺参数优化

朱 敏1, 张立新1, 史大永2

(1. 青岛大学 化学化工与环境学院, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071)

以印尼海域刺麒麟菜(Eucheuma spinosum)为原料, 分别采用烘箱法、高温灼烧法、凯式定氮法、索氏提取法对其水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量进行测定, 通过正交试验确定最佳提取工艺参数。结果表明, 该刺麒麟菜中水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量分别为12.93%, 22.68%, 4.19%和0.58%。最佳提取工艺参数由正交试验确定为：常温下, 9% KOH处理5 h, 90 ℃提取4 h。得到凝胶强度为59 g/cm2, 产率为47.6%的ι-卡拉胶产品。

刺麒麟菜(Eucheuma spinosum); 基本成分; ι-卡拉胶; 提取工艺; 正交实验

卡拉胶Carrageenan又叫作鹿角菜胶或鹿角藻胶,是从麒麟菜属、杉藻属或角叉菜属等红藻中提取的极有经济价值的红藻多糖, 是由 D-半乳糖和 3,6-内醚半乳糖残基所组成的线性多糖, 残基中带有酯式硫酸盐基团[1]。常见的卡拉胶根据含有硫酸酯的位置和数量的多少分为κ-(Kappa)型、ι-(Iota)型和λ-(Lamda)型等几种类型。κ-卡拉胶是 D-半乳糖-4-硫酸盐和3,6-内醚-D-半乳糖的交互聚合物。ι-卡拉胶类似, 特殊处在于3,6-内醚半乳糖是在2位碳形成硫酸盐[2-3]。常见的商品化卡拉胶主要有 κ-、ι-和 λ-三种类型, 前两种的应用较广泛。目前, 卡拉胶被广泛应用于食品、化工、医药等诸多工业领域。其中, 最新医药应用方面, 卡拉胶降解产物的活性研究已得到充分开展,如抗凝血、抗病毒、抗肿瘤等[4-5]。此外,卡拉胶还具有较强的生物活性[6]。而且, 随着医药工业中植物性胶囊壳产业的迅猛兴起, 大有植物性原料替代动物性原料的趋势, 而植物性胶囊壳的生产原料之一就是卡拉胶, 这将使其需求量成倍增加[7]。据统计, 2000年卡拉胶年产量已突破2.5万t, 但市场需求量每年仍以5%～10%的速度递增[8]。多年来, 国际、国内市场均以 κ-卡拉胶为主, 约占市场份额的80%以上。事实上, ι-卡拉胶在很多方面比 κ-卡拉胶更具优势。首先, ι-卡拉胶形成的凝胶柔软且富于弹性、触变性及抗溶稳定性, 同时具有更好的保水性,这些优良性质, 使得其在食品、化妆品、医药等行业中有着更广泛的应用价值和潜力[9]。而κ-卡拉胶形成的凝胶硬而脆, 容易泌水, 导致其应用范围受到一定限制。其次, ι-卡拉胶的提取原料是大量生长于印尼等广阔海域的刺麒麟菜Eucheuma spinosum, 这种海藻易于养殖且生长速度快, 价格低廉, 大约是 κ-卡拉胶的提取原料耳突麒麟菜Eucheuma cottonii价格的三分之二。但是, 国际市场每吨ι-卡拉胶成品的价格却比κ-卡拉胶高2.5倍左右, 这是由于ι-卡拉胶的生产工艺复杂, 成本居高不下造成的。另外, 卡拉胶产品的质量随着所用原料和生产工艺的不同而存在显著性差异[10]。目前, 国内外文献、专利中涉及最多的还是 κ-卡拉胶方面的研究, 对 ι-卡拉胶尚缺乏整体系统的研究。因此, 优化其提取工艺, 降低成本,是目前此领域科学研究的热门课题。本研究通过正交试验优选出 ι-卡拉胶最佳提取工艺参数, 为其产业化提供数据基础, 其次还报道了刺麒麟菜的基本化学成分分析结果。

1 材料与方法

1.1 材料

刺麒麟菜(Eucheuma spinosum) 2009年7月取自印尼海域, 3 mol/L盐酸、浓硝酸、无水硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸、甲基红指示剂、邻苯二甲酸氢钾、氢氧化钠、无水乙醚、氢氧化钾、95%乙醇, 以上试剂除邻苯二甲酸氢钾为优级纯外, 其他均为分析纯试剂。

1.2 刺麒麟菜的基本化学成分分析

1.2.1 水分测定[11]

将采来的刺麒麟菜洗净、除杂、晾干后, 用 105℃烘箱法测定水分含量。

1.2.2 灰分测定[11]

将晾干备用的刺麒麟菜粉碎, 用高温灼烧法测定其灰分含量。

1.2.3 粗蛋白测定[11]

将晾干备用的刺麒麟菜样品研细、过筛、恒重后, 取一定量以微量凯氏定氮法测定粗蛋白含量。

1.2.4 粗脂肪测定[11]

将晾干备用的刺麒麟菜样品研细、过筛、恒重,用索氏抽提法测定粗脂肪含量。

1.3 卡拉胶提取工艺

准确称取洗净晒干的刺麒麟菜 20 g, 用不同浓度的KOH溶液浸泡, 以藻体完全浸没为准。浸泡一定时间后, 滤去碱液, 用大量清水洗净藻体至pH为7～8。将洗净沥干后的藻体剪成1 cm左右的小段, 投入25～30倍的去离子水中, 并在80 ～90 ℃下使之煮溶。用200目尼龙纱布滤去藻渣, 将得到的胶液冷却至 40～50 ℃进行脱水处理后, 再用尼龙纱布挤压过滤, 滤饼在鼓风干燥箱中干燥即得到成品ι-卡拉胶。

工艺过程：刺麒麟菜 →洗净晾干 →碱液浸泡→浸洗 →提胶 →精滤 →沉淀 →干燥 →卡拉胶产品

1.4 正交实验设计

1.4.1 单因素实验

选取KOH浓度、碱处理时间、提胶时间、提胶温度, 4个因素分别在一定范围内取值。浓度实验固定碱处理时间为5 h、提胶时间3 h、提胶温度80 ℃,碱处理时间实验固定碱浓度为6%、提胶时间3 h、提胶温度80 ℃, 提胶时间实验固定碱浓度6%、碱处理时间5 h、提胶温度80 ℃、提胶温度实验固定碱浓度6%、碱处理时间5 h、提胶时间3 h, 同时考查凝胶强度(G)和产率(Y)两个指标。

1.4.2 正交试验

根据各单因素初筛实验结果, 分别确定碱浓度(A)、时间(B)、温度(C)、提取时间(D)作为考察因素,每个因素拟定3个水平, 选 (L934)正交表。

1.4.3 卡拉胶产率的测定[12]

ι-卡拉胶产品中的水分采用105 ℃烘箱法测定。

1.4.4 凝胶强度的测定

在已知重量的烧杯中加入 98 mL去离子水, 其中分散 2.00 g ι-卡拉胶(ι-卡拉胶中应含有足够的钙离子以形成良好的凝胶, 若提取物中缺 Ca2+, 则除了加入KCl之外, 还要加入0.4 g CaCl2·2H2O), 移入沸水浴中加热搅拌。内容物温度升至 80 ℃左右时,取出称重, 用去离子水调整净重为 100 g, 则卡拉胶浓度为2%。将杯内溶液倾入3个结晶皿中, 将结晶皿放入10 ℃水浴中保温2 h, 然后取出结晶皿, 用凝胶强度测定仪测定凝胶强度, 求3次测量平均值[13]。

2 结果

2.1 刺麒麟菜的基本化学成分分析

对刺麒麟菜进行基本化学成分分析, 结果见下表1。

表1 刺麒麟菜的基本营养成分Tab. 1 Contents of general components of Eucheuma spinosum

由刺麒麟菜的基本营养成分表可以看出刺麒麟菜矿物质含量较丰富, 但蛋白质、脂肪类含量较低。

2.2 单因素实验

由于影响 ι-卡拉胶整个提取过程的品质和产率的4个重要因素为：碱处理浓度、碱处理时间、提胶温度、提胶时间, 首先通过单因素试验确定各自的敏感范围。实验结果见表2。

综合 ι-卡拉胶的凝胶强度和产率两个指标, 分析表2中实验数据得出：4个因素的最佳取值范围分别是：碱浓度 7%～9%、处理时间 5～7 h、提取时间3～4 h、提取温度 80～90 ℃。

2.3 正交试验

根据各单因素初筛实验结果, 分别确定碱浓度(A)、碱处理时间(B)、提取温度(C)、提取时间(D)作为考察因素, 每个因素拟定3个水平, 见表3, 选用(L934)正交表, 实验安排见表4。

表中列出了k1、k2、k3其中k1表示每一列的第一水平所对应的数据之和的平均值;k2表示每一列的第二水平所对应的数据之和的平均值;k3表示每一列的第三水平所对应的数据之和的平均值。R表示极差即每一列中k的最小值和最大值之差。评分标准：每列的最小值和最大值分别评为0.00分和10.00分, 每行对应的评分= (该行的G或Y值-G或Y的最小值)/(该列G或Y的最大值与该列G或Y的最小值之差), 综合评分中k1、k2、k3的算法同上。

表2 单因素实验表Tab. 2 Single-factor experiment

表3 正交实验因素水平表Tab. 3 Orthogonal factor level table

表4 L9 (34)试验表Tab. 4 L9 (34) orthogonal table

由表4中的极差大小可以看出：影响凝胶强度的程度为 A＞B＞D＞C; 影响产率的程度为 B＞D＞C＞A;影响综合指标的程度为A＞D＞B＞C, 即碱液浓度对凝胶强度和卡拉胶产率综合影响最大, 其次为提取时间, 然后是处理时间, 影响最小的因素是提取温度。直观分析表明从刺麒麟菜中提取 ι-卡拉胶的最佳工艺参数为A3B1C3D3, 即碱浓度为9%, 碱处理时间为5 h, 提胶温度为90 ℃, 提取时间为4 h。按照上述最佳工艺提取卡拉胶, 得到凝胶强度为59 g/cm2, 产率为47.6%, 综合评分为16.59的ι-卡拉胶产品。

3 结论

从刺麒麟菜基本营养成分分析结果得到, 其水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪含量分别为12.93%, 22.68%,4.19%和 0.58%, 是一种矿物质含量较丰富, 蛋白质和脂肪类物质含量较少的海洋红藻。

由单因素实验结果分析得出, 实验条件在碱浓度7%～9%、处理时间5～7 h、提取时间3～4 h、提取温度80～90 ℃范围波动时, 提取得到的ι-卡拉胶产品在凝胶强度和产率上均占有优势。在确定各单因素影响敏感范围的基础上, 进行了三水平四因素的正交试验。最终得出最佳工艺参数为：9% KOH常温下(25～30 ℃)处理5 h, 90℃温度下提取4 h。结果表明,按本文提供的最佳工艺参数, 提取到的 ι-卡拉胶凝胶强度可达到59 g/cm2, 产率达到47.6%。本工艺参数不仅使产品的质量和产量大大提高, 而且降低了生产成本, 为生产实践提供数据基础。

总之, 医用和食用特性ι-卡拉胶的研制, 不仅开拓了海藻化工行业领域, 而且大大降低了 ι-卡拉胶的生产成本, 提高了产品附加值, 具有非常乐观的市场前景。

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Analysis of compositions ofEucheuma spinosumand studies on the technological parameters in ι-carrageenan extraction from this alga

ZHU Min1, ZHANG Li-xin1, SHI Da-yong2
(1. Institute of Chemistry, Chemical Engineering and Environment, Qingdao University, Qingdao 266071, China;2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of sciences, Qingdao 266071, China)

Oct., 15, 2010

Eucheuma spinosum; compositions; ι-carrageenan; technological parameters; orthogonal experiments

In order to provide plenty data for ι-carrageenan production, the chemical compositions ofEucheuma spinosumwere analyzed and technological parameters for ι-carrageenan extraction from this alga were studied. By oven drying method, ignition, Kjeldahl method and Soxhlet extraction, the contents of water, ash, crude protein and crude fat inEucheuma spinosumwere determined to be 12.93%, 22.68%, 4.19%, and 0.58%, respectively. The optimal parameters were established by orthogonal design to be treated with 9% potassium hydroxide for 5 hours under room temperature and extracted for 4 hours at 90 ℃. The yield of extraction was 47.6% and the gel strength of ι-carrageenan product was 59 g/cm2.

O658 文献标识码：A 文章编号：1000-3096(2011)12-0063-05

2010-10-15;

2011-03-08

山东省自然科学基金资助项目(ZR2009RM018)

朱敏(1984-), 女, 硕士研究生, 研究方向：天然产物的分离与分析, E-mail：zhumin020262@126.com; 张立新, 通信作者, 副教授,博士, E-mail：lxzhanghot@hotmail.com

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