乙醇抑制法提取低钾Kappa-卡拉胶

陈艳红 伍 菱 姜泽东 倪 辉

(1. 集美大学海洋食品与生物工程学院，福建 厦门 361021；2. 福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建 厦门 361021；3. 厦门市食品生物工程技术研究中心，福建 厦门 361021)

Kappa-卡拉胶(Kappa-Carrageenan)是从角叉菜属、麒麟菜属、杉藻菜属和沙菜属等红藻中提取的一类硫酸半乳聚糖的统称[1]，是由(1→3)连接的4-硫酸基-β-D-半乳糖与(1→4)连接的3,6-内醚-α-D-半乳糖的重复二糖结构组成[2-3]，具有良好的凝胶特性和流变特性，被广泛应用于食品和化妆品的凝胶剂、稳定剂和增稠剂中[4]，且价格较低[5]。将Kappa-卡拉胶应用于饮料和水果软糖加工中，具有果味浓和甜度适宜等特点[6]。此外，与刺槐豆胶[7]及魔芋胶[8]等多糖协同复配可形成富有弹性、爽口、风味优良的凝胶，可作为果冻、布丁的凝胶剂，并应用于可食性包装纸和保鲜膜的开发中[9]。

目前，工业提取Kappa-卡拉胶的主要原料是麒麟菜[10]，提取工艺包括碱处理、清洗残碱、中和、漂白、煮胶、过滤及沉淀等工序。提取过程中，由于Kappa-卡拉胶易溶于水而流失，故传统提取工艺中通过加入钾离子使其形成凝胶，碱处理和清洗残碱过程中需加入10%以上的钾离子，沉淀环节需加入5%以上的钾离子，因此会导致Kappa-卡拉胶中含有大量钾离子。而钾离子偏高易引发肾慢性疾病、老年人群的过敏及心血管疾病；例如，血钾高于5.5 mmol/L被称为高钾血症[11]，会导致心脏和肌肉并发症，包括致命的心律失常[12]。此外，血清钾过高时，细胞外液钾离子浓度升高，使细胞膜对钾离子的通透性增高，钙离子内流延缓，心肌收缩性减弱[13]。

钾离子的去除方法主要有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法[14]。沉淀法使用的四苯硼钠、六硝基二苯胺铵盐等沉淀剂虽然能够定量沉淀钾，但由于前者价格昂贵，后者有毒、易爆、危险性大，难以工业化应用[15]。离子交换和膜分离法可去除多种溶液中钾离子[14]，但对于卡拉胶等黏稠性液体操作成本高、效率低。有研究[16]表明，乙醇对多糖具有良好的沉淀作用及抑制溶解能力，在工业生产中常用于沉淀回收溶液中的可溶性多糖。研究拟探讨乙醇体积分数对碱处理、清洗残碱和沉淀卡拉胶等环节中抑制Kappa-卡拉胶溶解流失的影响，并进一步分析传统工艺和试验工艺中Kappa-卡拉胶的理化指标和性质，为降低Kappa-卡拉胶中钾离子浓度提供一种新方法。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

麒麟菜：含水量35%，绿新(福建)食品有限公司；

乙醇、异丙醇、盐酸、过氧化氢、氯化钡、硝酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

NaOH溶液：纯度96%，天津天顺碱业有限公司；

KCl：分析纯，汕头精细化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

数显恒温水槽：ZSBB-728型，上海智城分析仪器制造有限公司；

鼓风干燥箱：ZXRD-B5210型，上海智城分析仪器制造有限公司；

质构仪：TA-XT Plus型，英国Stable Micro System公司；

数显黏度计：DV-C型，美国博勒飞公司；

天平：BP-Ⅱ型，上海光正医疗仪器有限公司；

酸度计：FE20型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司；

离心机：Avanti J-26S XP型，上海安亭科学仪器厂；

微波消解仪：MDS-2003F型，上海新仪微波化学科技有限公司；

电感耦合等离子体发射光谱仪：Agilent 7500a型，美国Aglient公司。

1.3 乙醇抑制法提取Kappa-卡拉胶工艺优化

1.3.1 基本工艺流程

原料→碱处理(60倍12% KCl和10% NaOH溶液，65 ℃处理4 h)→清洗残碱(60倍12% KCl溶液，常温浸泡30 min)→煮胶(60倍清水，90 ℃，4 h)→过滤→卡拉胶沉淀→脱水→烘干→粉碎

传统工艺分别在碱处理、清洗残碱环节中加入12% KCl抑制卡拉胶流失，过滤后加入5% KCl沉淀卡拉胶；试验在碱处理、清洗残碱环节中加入乙醇抑制卡拉胶流失；过滤后，加入乙醇沉淀卡拉胶。

1.3.2 碱处理过程中乙醇体积分数优化 分别配制300 mL 含不同乙醇体积分数(0%，20%，40%，60%)的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃静置4 h，60倍12% KCl溶液清洗3次，干燥后测定干重。对照组为传统碱处理工艺，即KCl抑制卡拉胶溶解组。根据干重减少量判断卡拉胶流失量。

1.3.3 清洗残碱过程中乙醇体积分数优化 配制300 mL 含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃静置4 h，分别用300 mL不同体积分数(0%，20%，40%，60%)的乙醇溶液浸泡碱30 min，清洗残碱，去除滤液后重复浸泡处理2次，测定卡拉胶含量。

1.3.4 卡拉胶沉淀过程中乙醇胶液体积比优化 配制300 mL含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃处理4 h，用300 mL 60%的乙醇溶液浸泡清洗残碱30 min，重复3次，过滤去除酒精溶液，将处理好的麒麟菜放入300 mL清水中，90 ℃煮胶4 h，用8层纱布过滤，分别按V60%乙醇∶V胶液为1∶1，2∶1，3∶1，5∶1进行卡拉胶沉淀试验，收集沉淀，测定提取液中卡拉胶含量，烘干粉碎后计算得率。

1.4 乙醇抑制法和传统KCl提取的卡拉胶得率和性质对比

对乙醇抑制法和KCl提取法得到的卡拉胶进行得率、钾离子、凝胶强度、黏度等分析。

1.5 指标测定方法

1.5.1 干重 将样品于105 ℃烘干至恒重，称重。

1.5.2 提取得率 粉碎后所得胶粉干重占原料(麒麟菜)干重的百分比即为卡拉胶得率。

1.5.3 K+含量 参照GB 5009.268—2016，按式(1)计算样品中K+含量。

(1)

式中：

X——试样中K+含量，mg/kg或mg/L；

ρ——试样溶液中K+质量浓度，mg/L；

ρ0——试样空白液中K+质量浓度，mg/L；

V——试样消化液定容体积，mL；

f——试样稀释倍数；

m——试样称取质量或移取体积，g或mL。

1.5.4 凝胶强度 采用水压法。

1.5.5 黏度 采用DV-C黏度计测定。

1.5.6 质构参数 参照文献[17]。采用TA-XT Plus质构仪，探头为36R，测前、中速度1.00 mm/s，返回速度5.00 mm/s，触发力5.00 g，测试形变30%，测试循环次数2次。

1.6 数据统计分析方法

使用Excel 2016、SPSS Statistics17.0软件对不同卡拉胶样品性质进行统计分析，并制作相关图表。

2 结果与讨论

2.1 碱处理过程中乙醇体积分数优化

由图1可知，碱处理后的样品得率随乙醇体积分数的增大而上升，当乙醇体积分数为60%时，干物质得率为64.2%，接近卡拉胶提取原料的干物质极限值(65%)[18]，说明体积分数为60%的乙醇能够完全抑制碱处理过程中的卡拉胶流失。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.2 清洗残碱过程中乙醇体积分数优化

由图2可知，使用清水浸洗的样品得率最低，随着浸洗液中乙醇体积分数的增大，样品得率不断提高，当乙醇体积分数为60%时，样品得率最高，已经达到了卡拉胶的理论值。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.3 卡拉胶沉淀过程中乙醇与胶液体积比优化

由表3可知，随着乙醇提取液用量的增加，卡拉胶得率增大，当乙醇与胶液体积比(V60%乙醇∶V胶液)为5∶1时，卡拉胶提取得率达到28.76%，接近60%乙醇浸洗的(29%)，继续增加乙醇与胶液体积比从理论上来说不能显著增加卡拉胶得率。因此，确定采用5倍胶液体积的60%乙醇溶液沉淀卡拉胶。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.4 乙醇抑制法与传统KCl法的比较

潘腾等[19]研究表明，传统方法提取的卡拉胶中氯化钾含量最高可达33.3%。由表1可知，传统方法提取的卡拉胶中钾离子含量为16.26%，而乙醇抑制提取的卡拉胶中钾离子含量仅为0.63%，说明试验建立的乙醇抑制法提取卡拉胶的工艺能显著降低(P<0.05)卡拉胶中钾离子含量。两种方法提取的卡拉胶中硫酸根离子含量无显著性差异，说明乙醇抑制法对卡拉胶中硫酸根离子含量影响极小。乙醇抑制法提取的卡拉胶pH值稍高于传统方法提取的，可能是清洗残碱环节中乙醇体积分数高达60%，抑制了残碱清洗的效率。虽然乙醇抑制法提取的卡拉胶pH值高于传统方法提取的，但卡拉胶在食品中的添加量一般为0.01%～1.00%，略高的pH值并不会显著影响被添加的食品体系，因此不会影响卡拉胶的应用[20]。

表1 乙醇抑制法与传统KCl法的卡拉胶得率、K+含量含量及pH†

2.5 乙醇抑制法与传统KCl法的卡拉胶的应用性质对比

由表2可知，乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉胶的黏度、硬度、弹性、咀嚼性和回复性与传统KCl法提取的无显著性差异。但乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉胶凝胶强度显著低于传统工艺的(P<0.05)，可能是K+浓度偏低引起的[21-22]。因此，除凝胶强度外，乙醇抑制法提取Kappa-卡拉胶的应用性质与传统工艺的应用性质基本一致。

3 结论

乙醇抑制法提取卡拉胶最佳工艺为碱处理及清洗残碱过程中抑制卡拉胶溶解的乙醇体积分数为60%，卡拉胶沉淀过程中加入60%乙醇溶液与胶液体积比(V60%乙醇∶V胶液)为5∶1，该工艺条件下卡拉胶得率为(28.76±1.38)%，K+浓度和凝胶强度显著低于传统工艺提取的(P<0.05)，黏度、硬度、弹性、咀嚼性和回复性与传统工艺提取的无显著性差异。但用该方法提取的Kappa-卡拉胶价格高于用氯化钾沉淀法提取的价格，如果将超滤膜过滤技术与乙醇沉淀技术相结合，将大幅度降低乙醇用量以及低钾Kappa-卡拉胶的提取成本，后续可从该方面探究低钾Kappa-卡拉胶生产工艺。