2种大孔树脂用于麒麟菜生产卡拉胶的脱色*

闫静芳，焦琳舒，张生生，陈阳阳，王昱沣

(南京农业大学食品科技学院，江苏南京，210095)

卡拉胶(也称鹿角菜胶或鹿角藻胶，英文名carrageenan)是一种具有商业价值的亲水凝胶(属天然多糖植物胶)，主要存在于红藻纲中的麒麟菜属、角叉菜属、杉藻属和沙菜属等的细胞壁中，在食品工业中，可用于牛乳，肉制品，饮料等的加工，具有广泛应用，卡拉胶还大量用于医药行业，如作为微生物培养基、缓释胶囊/片剂、药膏基、鱼肝油乳化剂等［1-3］，其降解产物具有明显的抗氧化［4］、抗病毒［5-6］、抗结石［7］、免疫调节［8］等生物活性［9］。国内卡拉胶的生产原料主要为麒麟菜和沙菜，而麒麟菜中最常用的2个品种是耳突麒麟菜(Eucheuma cottonii)和异枝麒麟菜(Eucheuma spinosum)，仅这2个品种就提供世界卡拉胶总生产量的 3/4［10］。

卡拉胶提取过程中色素的溶出会影响产品的品质，尤其是对透明度，黏度和凝胶强度等造成很大的影响［11］。工业生产中常采用酸化漂白的方法进行脱色，常用的漂白剂有NaClO3，漂粉精等，虽然可显著提高产品品质和色泽，但因其高氧化性，在脱色的同时会发生氧化反应导致卡拉胶多糖的降解［12］，这也是生产企业普遍面临而亟待解决的问题。活性炭和大孔离子交换树脂常用于工业中生物质的分离纯化，相对于化学脱色法，具有价廉、环保和可反复利用等优点。但是，由于活性炭对卡拉胶多糖的吸附力较强，产品损失较大，且过滤困难，因此不宜于用于卡拉胶的脱色。目前，关于不同大孔树脂用于麒麟菜生产卡拉胶时脱色技术的研究报道较为少见。因此，本研究采用大孔树脂D301和D315对麒麟菜卡拉胶进行脱色。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麒麟菜(食品级)，斯麦儿贸易有限公司;大孔弱碱性阴离子交换树脂D303、D315，沧州宝恩吸附材料科技有限公司;活性炭(AR)，国药集团化学试剂有限公司;NaOH、NaCl、葡萄糖、苯酚、浓 H2SO4、浓 HCl等，均为分析纯，南京化学试剂有限公司。

SB5200DT型超声波清洗器，宁波新芝生物科技股份有限公司;DF-I型集热式磁力加热搅拌器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;DK-8D型电热恒温水槽，上海森信实验仪器有限公司;CP-114型先行者精密电子天平，美国OHAUS公司;pH700型台式酸度计，美国EUTECH公司;V-5000型分光光度计，上海元析仪器有限公司;GZX-9240MBE型电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 卡拉胶溶液的制备

称取50 g风干麒麟菜清洗粉碎，置于250 g/L的NaOH碱溶液中25℃水浴下浸泡6～10 h，排去碱液，用蒸馏水反复清洗至中性;将处理好的麒麟菜放入2 L烧杯中，加入1.5 L蒸馏水，90℃水浴加热提取1 h;离心去除杂质沉淀，即得卡拉胶溶液。

1.2.2 单因素实验

分别以大孔弱碱性阴离子交换树脂D301、D315为脱色剂，在室温下，量取4份25 mL的卡拉胶溶液于50 mL的烧杯中，设定脱色剂用量、温度、时间、pH值为实验考察的因素，按表1进行单因素实验，脱色后离心取上清液测定脱色率和多糖保留率，确定各个因素的最佳范围，作为正交实验的依据。

表1 单因素实验因素水平表Table 1 levels of one factor experiment

1.2.3 正交实验

根据上述单因素实验结果，确定正交实验参数范围，对脱色剂用量，脱色时间，脱色温度，脱色pH进行L9(34)的正交实验设计，根据设计进行实验，并对实验结果进行极差分析，确定最佳脱色参数。

1.2.4 测定项目与方法

1.2.4.1 脱色率的测定

由于卡拉胶溶液脱色前后均为橙黄色，根据互补色原理可知，溶液呈现的颜色是它吸收光的互补色，所以溶液主要吸收蓝色波段可见光［13］，研究显示红藻蓝光吸收峰多在440 nm［14-15］，因此选择440 nm为检测波长。在440 nm下，分别测定卡拉胶溶液脱色前后的吸光度，并按下式计算脱色率，比较各种脱色方法的脱色效果。

1.2.4.2 多糖保留率的测定

采用苯酚 硫酸法测定总糖含量［16］。以葡萄糖为标准物，绘制标准曲线。

1.2.4.3 脱色效果评价方法

本实验在正交实验中采取加权评分法处理数据。评分标准为:将各项指标除以该列的最大值再乘以100为该项得分。且由于脱色率和多糖保留率两项指标均为评判脱色效果的主要因素，因此设定多糖保留率(x)和多糖脱色率(y)两者的权重系数均为0.5，对2项指标进行加权和，通过公式z=0.5x+0.5y，得到综合评分(z)。

1.2.5 数据统计方法

以上实验均重复3次，结果取平均值，采用origin8.0作图，正交设计助手Ⅱ设计正交实验并进行极差分析，显著水平均设为0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 树脂用量对卡拉胶脱色效果的影响

通过绘制葡萄糖的标准曲线得到回归方程y=11.153x+0.032 4。

测定树脂用量在50℃、pH 5.0、脱色时间为80 min条件下的脱色率和多糖保留率，如图1所示。

图1 两种大孔树脂用量对卡拉胶脱色效果的影响Fig.1 The effects of amount on the decoloration performance of two kinds of macroporous resin

由图1可以看出，随着大孔树脂D301用量的增加，卡拉胶溶液的脱色率逐渐升高，但超过0.08 g/mL后无明显变化，而多糖保留率在0.08 g/mL时达到最大值为81.03%，当继续增加树脂用量时，多糖保留率明显下降。D315的情况为，随着树脂用量的增加，脱色率略有增加，在0.08 g/mL时达到最大值41.36%;而多糖保留率同样在0.08 g/mL时达到最大值为83.46%，当树脂用量继续增加，脱色率变化并不明显，但多糖保留率呈下降趋势。综合考虑，选取0.04、0.08、0.12 g/mL 为大孔树脂 D301、D315 正交实验时的用量水平。

2.1.2 脱色温度对卡拉胶脱色效果的影响

测定在树脂加入量为0.08 g/mL、pH 5.0、脱色时间为80 min时，不同温度条件下2种树脂的脱色率和多糖保留率，所得实验结果如图2所示。

由图2可以看出，随着脱色温度的增加，D301树脂对卡拉胶溶液的脱色率呈直线上升趋势，而多糖保留率在50℃时达到最大值为71.33%，继续提高温度，多糖保留率明显下降。D315对卡拉胶溶液脱色率也随温度的升高逐渐升高，在70℃时的脱色率达到46.88%;多糖保留率在50℃时达到最大值为92.44%，继续提高温度，多糖保留率明显下降，70℃时多糖保留率降为74.23%。考虑到提高温度虽然可提高脱色率，但多糖保留率却明显降低，损失较大，同时，温度过高也不利于节约能耗。综合考虑，选取脱色温度40、50、60℃为2种树脂正交实验的温度水平。

图2 温度对2种大孔树脂脱色效果的影响Fig.2 The effects of operation temperature on decloration procession of two kinds of macroporous resin

2.1.3 脱色时间对卡拉胶脱色效果的影响

在温度为50℃、树脂加入量为0.08 g/mL、pH 5.0时，不同脱色时间下2种树脂对卡拉胶的脱色率和多糖保留率结果如图3所示。

图3 脱色时间对两种大孔树脂脱色卡拉胶的影响Fig.3 The effects of operation time on decloration procession of two kinds of macroporous resin

由图3可以看出，随着脱色时间的增加，D301对卡拉胶溶液的脱色率呈波动状态，在60 min时明显下降，在80 min时达到最大为60.23%，之后又有所下降，而多糖保留率在脱色80 min时达到最高为93.67%，继续增加脱色时间，多糖保留率明显下降。随着脱色时间的增加，D315对卡拉胶溶液的脱色率逐渐增大，在100 min时为21.26%，而多糖保留率在脱色80 min时达到最高，为82.00%。综合考虑，选取脱色时间60、80、100 min为正交实验脱色时间的3个水平值。

2.1.4 脱色pH对卡拉胶脱色效果的影响

测定在温度为50℃、树脂加入量为0.08 g/mL、脱色时间为80 min时，不同脱色pH条件下的脱色率和多糖保留率，结果如图4所示。

图4 脱色pH值对2种大孔树脂脱色卡拉胶的影响Fig.4 The effects of PH on the decoloration procession of two kinds of macroporous resin

由图4可以看出，随着pH值的改变，大孔树脂D301对卡拉胶溶液的脱色率在pH＜7时呈上升趋势，当pH 7时达到最大值为66.99%;多糖保留率则随着pH值升高而增大，在pH 9时为91.11%。因此，pH 5.0、7.0、9.0为D301正交实验pH值因素的3个水平值。

树脂D315的对卡拉胶溶液的脱色率和多糖保留率均随pH值的升高呈下降趋势，在pH 3时脱色率和多糖保留率为最大值，分别为 43.72%、85.59%。因此，选取 pH 3.0、5.0、7.0为 D315正交实验pH值因素的3个水平。

2.2 正交实验结果

根据单因素实验结果，如表2设计正交实验的因素及水平，得到2种树脂的正交实验结果，如表3、表4所示。

表2 两种大孔树脂脱色正交实验因素水平表Table 2 The orthofonal levels of two kinds of macroporous resin D301 in decoloration processon

根据表3，综合考虑卡拉胶脱色率和多糖保留率，大孔树脂D301在实验所选不同因素中，对卡拉胶脱色效果的影响主次顺序为脱色pH＞脱色温度＞脱色时间＞树脂用量，得出大孔树脂D301脱色卡拉胶的最佳工艺为 A3B2C2D3，即大孔树脂 D301用量0.12 g/mL、脱色温度50℃、脱色时间80 min、脱色pH为9.0。补充最佳工艺条件下的验证实验，脱色率和多糖保留率分别为48.44%、86.61%。D315树 脂的正交实验结果如表4所示。

表3 大孔树脂D301脱色正交实验结果及综合评分极差分析表Table 3 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D301 and the range analysis of composite score

表4 大孔树脂D315脱色正交实验结果及综合评分极差分析表Table 4 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D315 and the range analysis of composite score

根据表4，综合考虑多糖脱色率和多糖保留率，在实验所选不同因素中，影响大孔树脂D315用于卡拉胶脱色效果的主次顺序为脱色温度＞脱色时间＞树脂用量＞脱色pH，得出大孔树脂D315脱色卡拉胶的最佳工艺为 A3B2C2D3，即大孔树脂 D315用量0.12 g/mL、脱色温度50℃、脱色时间80 min、脱色pH为7.0。补充最佳工艺条件下的验证实验，脱色率和多糖保留率分别为22.37%、83.62%。

2.3 大孔树脂D301和D315的差异性分析

根据上述正交实验结果，D301用于卡拉胶脱色效果的主次顺序为脱色pH＞脱色温度＞脱色时间＞树脂用量，而D315的主次顺序为脱色温度＞脱色时间＞树脂用量＞脱色pH，两者差异较大。pH值对D301的影响要远大于D315，pH对吸附质在溶液中的存在形态(分子、离子、络合物等)和溶解度均有影响，一般说来，吸附质的溶解度越低，越容易被吸附。D301为非极性的苯乙烯树脂，D315为中极性的丙烯酸类树脂，相比来说，非极性树脂的吸附作用更易受溶剂pH影响。

由上述2种大孔弱碱性阴离子交换树脂对卡拉胶溶液脱色的正交实验结果可知，D301处理后的多糖保留率明显高于D315。在本研究体系中，卡拉胶溶液中的色素主要以阴离子，非极性色素为主［17］，易被弱碱性阴离子树脂吸附，而色素与碱性阴离子树脂结合主要通过2个反应机制:(1)树脂上的阴离子以离子键的形式与色素阴离子交换;(2)色素的非极性部分与树脂基质中的基团以疏水力结合。D301大孔结构的苯乙烯 二乙烯苯共聚体上带有叔胺基 N(CH3)2的离子交换树脂，其碱性较弱，能在酸性、近中性介质中有效地交换无机酸及硅酸根，对多糖结构影响不大;D315为丙烯酸系树脂，能吸附大多数离子型色素，虽然脱色容量大，且容易再生，但同时对多糖的吸附强度也高于D301树脂。因此，大孔阴离子交换树脂D301脱色的综合效果较好。

3 结论

通过单因素及正交实验，确定大孔树脂D301对麒麟菜中提取卡拉胶进行脱色时的最佳工艺条件为树脂用量0.12 g/mL、脱色温度50℃、脱色时间80 min、脱色pH 9.0，在此条件下脱色率和多糖保留率分别为48.44%、86.61%;D315的最佳工艺条件为树脂用量0.12 g/mL、脱色温度50℃、脱色时间80 min、脱色pH 7.0，在此条件下的脱色率和多糖保留率分别为22.37%、83.62%。结果说明D301的作用效果优于D315。

［1］ Van de velde F，De Ruiter G A.Polysaccharide II Polysaccharides from Eukaryotes［M］.Weinheim:Wiley-VCH，2002:73-93.

［2］ Imeson A P.Handbook of Hydrocolloids［M］.Cambridge:Woodhead Publishing Ltd，2002:87-102.

［3］ Therkelsen G H.Carrageenan［M］.New York:Academic Press，1993:145-180.

［4］ 周革非，魏元臣，孔娜娜，等.λ-卡拉胶降解组分的分离纯化，抗氧化及免疫活性研究［J］.海洋科学，2009，33(8):58-62.

［5］ YU G L，GUAN H S，Ioanoviciu A S，et al.Structural studies on-carrageenan derived oligosaccharides［J］.Carbohydrate Research，2002，337(5):433-440.

［6］ 栾晖，牟海津，罗兵，等.κ-卡拉胶寡糖硫酸基含量与其抗疱疹病毒活性的关系［J］.渔业科学进展，2010，31(1):111-116.

［7］ 王淼，于海燕，欧阳健明.异枝麒麟菜硫酸多糖的降解及其对尿石矿物草酸钙的抑制作用［J］.海洋科学，2008，32(8):34-37.

［8］ 周革非，李树福，王长海.κ-卡拉胶硫酸多糖的免疫调节活性初步研究［J］.海洋科学，2010，34(8):56-59.

［9］ 郭丹，栾晖，孙藜玮，等.低分子量卡拉胶及其衍生物的生物学活性研究进展［J］.安徽农业科学，2010，38(5):2 581-2 583，2 589.

［10］ 刘雪平.低黏度低硫酸基耳突麒麟菜卡拉胶提取方法及流变学特性研究［D］.青岛:中国海洋大学，2013:6.

［11］ 梁琼华，梁朗都.卡拉胶生产工艺的探讨［J］.广州食品工业科技，1992(2):29-32.

［12］ Anderson N S，Dolan T C S，Rees D A.Carrageenans.Part VII.Polysaccharides from Eucheuma spinosum and Eucheuma cottonii.The covalent structure of ι-carrageenan［J］.J Chem Soc Perkin Trans，1973，1:2 173-2 176.

［13］ 赵文竹，于志鹏，于一丁，等.玉米须多糖纯化工艺的研究［J］.食品工业科技，2009，30(12):291-296.

［14］ Rabinowitch E S.Photosynthesis and Related Processes［J］.Interscience Pulisher，1951(1):686-730.

［15］ Ladislav B，Helena H D，Michal H，et al.Structural characterization of photosystemⅡcomplex from red alga porphyridium cruentum retaining extrinsic subunits of the oxygen-evolving complex［J］.European Journal of Biochemist，2005，271(14):2967.

［16］ 刘晓涵，陈永刚，林励，等.蒽酮硫酸法与苯酚硫酸法测定枸杞子中多糖含量的比较［J］.食品科技，2009，34(9):270-272.

［17］ 秦晓娟，王洪新，马朝阳，等.κ-卡拉胶脱色方法的研究［J］.食品工业科技，2012，33(10):294-296.