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(广东海洋大学化学与环境学院,广东湛江 524088)

碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶的工艺优化

邓春梅,吴祖件,何兰珍,张国光,吴育廉,温燕梅,康信煌*

(广东海洋大学化学与环境学院,广东湛江 524088)

研究碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶的工艺,通过响应面法优化工艺条件。在单因素实验的基础上,以KOH碱液质量分数、碱预处理温度和碱预处理时间为影响因素,以卡拉胶的产率和凝胶强度为响应值建立二次回归方程,通过响应面分析得到碱预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶的最佳工艺。实验结果显示最佳碱法预处理工艺为KOH碱液质量分数10%、碱预处理温度56 ℃和碱预处理时间6 h,在此条件下,卡拉胶产率75.23%±2.16%、凝胶强度(1378.5±16.27) g/cm2。优化后的工艺有效改善了琼枝麒麟菜提取卡拉胶的生产条件。

卡拉胶,琼枝麒麟菜,碱预处理,响应曲面法

琼枝麒麟菜广泛分布于我国南海地区,它含有30%左右的卡拉胶,是提取卡拉胶的工业用海藻[1-2]。卡拉胶主要分七种类型:κ-型、ι-型、λ-型、θ-型、ν-型、ξ-型、μ-型,其中只有κ-型﹑λ-型和ι-型卡拉胶具有胶凝性,而琼枝麒麟菜中卡拉胶包括γ-型﹑β-型﹑α-型和δ-型,都不具有胶凝性,提取出的卡拉胶凝胶强度低,只适用于食品工业,用来制造软糖和罐头,在医药卫生等其他行业难以使用[3-5]。为拓宽卡拉胶的应用范围,提高琼枝麒麟菜卡拉胶的凝胶强度变得十分必要,目前为止,关于这方面的研究仍未见报道。

碱预处理是目前生产过程中提高卡拉胶凝胶强度的主要手段,碱预处理藻体可以减少卡拉胶中硫酸基的含量,改变卡拉胶的类型,从而提高卡拉胶的凝胶强度[6-8]。国内外碱预处理中常采用氢氧化钾和氢氧化钠,因氢氧化钾的碱性最强,其修饰卡拉胶分子的作用也最强,而且钾盐可以增进卡拉胶分子间的交联,提高凝胶强度,相反卡拉胶的钠盐则易溶于水,所以氢氧化钾是卡拉胶碱预处理的最佳试剂[9-12]。本文采用KOH碱预处理琼枝麒麟菜,通过单因素法和响应面法研究KOH溶液质量分数、碱预处理温度和碱预处理时间对琼枝麒麟菜卡拉胶的凝胶强度和产率的影响,确定最佳工艺,为提高卡拉胶的产量和凝胶强度提供实验依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

琼枝麒麟菜 廉江台兴海洋生物科技有限公司;氢氧化钾、氯化钾、氯化钙、盐酸等 均为分析纯,广东光华科技股份有限公司;200目尼龙布 上海红日滤材滤网厂。

凝胶强度测定仪 廉江台兴海洋生物科技有限公司;UV1800型紫外分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司;HHS型恒温水浴锅和GZX-9070型恒温干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.2实验方法

1.2.1 琼枝麒麟菜的碱法预处理 将琼枝麒麟菜放入一定质量浓度的KOH溶液中恒温浸泡一段时间,再用蒸馏水反复浸洗至中性。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 KOH碱液质量分数的选择 分别取质量分数为4%、6%、8%、10%、12%和14%的KOH溶液,按m(麒麟菜)∶V(碱液)=1∶12的比例进行麒麟菜浸泡,固定碱预处理温度为55 ℃、碱预处理时间为6 h,考察碱液质量分数对卡拉胶产率和凝胶强度的影响,每个质量分数做3组平行实验,结果取平均值。

1.2.2.2 碱预处理时间的选择 KOH碱液质量分数10%,在碱预处理温度55 ℃条件下考察碱预处理时间(3、4、5、6、7、8 h)对卡拉胶产率和凝胶强度的影响。每个碱预处理时间做3组平行实验,结果取平均值。

1.2.2.3 碱预处理温度的选择 KOH碱液质量分数10%,碱预处理时间6 h,考察碱预处理温度(40、45、50、55、60、65 ℃)对卡拉胶产率和凝胶强度的影响。每个碱预处理温度做3组平行实验,结果取平均值。

1.2.3 响应面实验设计 根据单因素实验结果,设计响应面实验。A、B、C分别代表KOH碱液质量分数、碱预处理温度、碱预处理时间三响应变量,Y、Z分别代表卡拉胶产率、凝胶强度两个响应值,每个自变量的低、中、高水平分别以-1、0、1进行编码,采用最小二乘法拟合二次多项方程[13-14]。响应面实验因素和水平见表1。每个实验做三次平行。

表1 响应面实验因素和水平

1.2.4 卡拉胶产率的测定 卡拉胶产率测定的公式如下:

1.2.5 凝胶强度测定 按2%浓度配制凝胶,称量2 g卡拉胶细粉溶于98 mL蒸馏水中,在90 ℃水浴中加热溶解,水浴时及时补充蒸发掉的水分。卡拉胶全溶后分装于三个测试杯中,冷却至10 ℃,恒温静置2 h,得到卡拉胶凝胶,用凝胶测定仪[15]测定凝胶强度。

1.2.6 数据处理 实验数据用Design-Expert 8.05及Excel软件处理。

2 结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1 KOH碱液质量分数对卡拉胶产率和凝胶强度的影响 由图1可知,随着KOH碱液质量分数的增加,卡拉胶的产率和凝胶强度呈现先增大后减小的趋势,当KOH碱液质量分数为10%时,卡拉胶的产率和凝胶强度达到最大值,分别为75.4%±1.8%和(1090.4±20.5) g/cm2。碱预处理会减少卡拉胶分子中硫酸基的含量,使卡拉胶类型发生改变,无凝胶强度的卡拉胶转化为具有凝胶能力的κ-和ι-卡拉胶,卡拉胶凝胶强度提高。在一定KOH碱液质量分数范围内,碱浓度越高这种转化越彻底,凝胶强度和卡拉胶产率随之逐渐增大;当KOH碱液质量分数超过10%后,凝胶强度和卡拉胶产率随碱质量分数的提高而减小,可能是由于高质量分数的碱液对藻体细胞有所损害,导致藻体胶质流入碱液,胶体流失。取碱质量分数8%、10%、12%作为响应面实验水平。

图1 碱液质量分数对卡拉胶产率和凝胶强度的影响

2.1.2 碱预处理时间对卡拉胶产率和凝胶强度的影响 由图2可知,随着碱预处理时间的延长,卡拉胶的产率呈现先增大后减小的趋势,当碱预处理时间为6 h时,卡拉胶产率达到最大值77.2%±2.3%,碱预处理超过6 h后,卡拉胶产率急剧下降。在琼枝麒麟菜碱预处理过程中,藻体会发生部分溶胶现象,导致胶体流入碱液造成损失,并且在实验中发现,碱预处理时间越长,胶体自溶、流失越严重,卡拉胶产率也越低。卡拉胶的凝胶强度随碱预处理时间的延长不断增大,碱预处理前6 h内凝胶强度呈近似直线上升趋势,处理6 h后凝胶强度为(1182.1±21.7) g/cm2。卡拉胶碱预处理时间越长,硫酸基除去越彻底,无凝胶性的卡拉胶转化为具有凝胶性的卡拉胶量就越多,因此,卡拉胶凝胶强度随碱预处理时间的延长而增强。取碱预处理时间5、6、7 h作为响应面实验水平。

图2 碱预处理时间对卡拉胶产率和凝胶强度的影响

2.1.3 碱预处理温度对卡拉胶产率和凝胶强度的影响 由图3可以看出,随着碱预处理温度的升高,卡拉胶的凝胶强度和卡拉胶产率均呈现先上升后下降的趋势,在碱预处理温度55 ℃时,凝胶强度和卡拉胶产率达到最大值,分别为(1145.7±23.0) g/cm2和78.2%±2.07%。卡拉胶发生化学结构转化时需要合适温度范围,在此范围内随温度的升高,化学结构转化完全,硫酸基去除彻底,凝胶强度增强;当温度超过此范围,低温时卡拉胶结构变化不大,高温时卡拉胶发生降解,同时藻体细胞受到破坏,卡拉胶流失严重,其产率下降,卡拉胶凝胶强度相应降低。取碱预处理温度50、55、60 ℃作为响应面实验水平。

图3 碱预处理温度对卡拉胶产率和凝胶强度的影响

2.2响应面优化实验

表2 响应面实验设计及结果

2.2.1 响应曲面模型建立与方差分析 通过统计分析软件Design Expert 8.0.5对表2中数据进行多元回归拟合分析,建立二次响应模型[16],以卡拉胶产率和凝胶强度为优化指标,得到卡拉胶产率和凝胶强度对三个因素的二次多项式回归模型方程。卡拉胶产率Y=75.52-0.60A+0.26B+0.64C+1.80AB+0.60AC+0.98BC-1.87A2-1.75B2-1.30C2,凝胶强度Z=1434.96+5.64A+37.34B+-0.38C+64.15AB+45.38AC-169.23BC+48A2-145.36B2-143.93C2。为验证卡拉胶产率和凝胶强度对三个因素(KOH碱液质量分数、碱预处理时间和碱预处理温度)二次多项式回归模型方程的有效性,对回归模型方程进行方差分析和显著性检测,结果见表3和表4。

表3 卡拉胶产率回归模型方差和误差分析

注：p<0.05表示具有显著性；p<0.01表示具有极显著性；表4同。

表4 凝胶强度回归模型方差和误差分析

由表3可知,回归模型的显著性水平p<0.01,达到极显著水平;失拟项0.71>0.05,说明方程失拟性不显著,证明该模型合理。相关系数R2=98.42%,表明实验值与预测值高度相关,模型成立,可以用此模型对碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶最佳工艺进行分析。AB、A2、B2的p值均小于0.01,说明这些项对卡拉胶产率Y构成极显著的影响;单因素二次项C2的p<0.05,说明它对卡拉胶产率Y影响显著,其余项对卡拉胶产率Y不构成显著影响。由F值大小可知,对卡拉胶产率构成显著影响的因素按显著性由大到小的顺序为碱预处理时间>KOH碱液质量分数>碱预处理温度。

由表4可知,回归模型的显著水平p<0.01,说明方程是显著的;失拟项0.15>0.05,说明方程失拟性不显著,该模型合理。相关系数R2=91.17%,说明该方程拟合情况好,能解释绝大多数因变量的变化,实验误差小,模型成立,可用此模型来选择碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶最佳工艺。B2的p<0.01,说明该项对凝胶强度Z构成极显著影响,单因素B、单因素二次项C2及交互项BC的p值均<0.05,说明这些项目对凝胶强度Z构成显著影响;其余项对凝胶强度Z不构成显著影响。由F值分析可知,因素显著性从大到小排列为碱预处理温度>碱预处理时间>KOH碱液质量分数。

2.2.2 响应曲面两因素间的交互效应分析 由拟合的回归模型作响应面3D图和等高线图,分别固定变量KOH碱液质量分数(A)、碱预处理温度(B)和碱预处理时间(C)在原点,得到另外两个因素的响应面3D图和等高线图(图4～图15)。响应面呈现规则的凸起表明实验因素水平范围内存在极大值,即响应曲面的最高点。等高线图近似于椭圆形表明交互项的影响显著,而圆形则表示影响不显著。

图4 Y=(A,B)的响应曲面3D图

图5 Y=(A,B)的等高曲线图

图6 Y=(A,C)的响应曲面3D图

图7 Y=(A,C)的等高曲线图

图8 Y=(B,C)的响应曲面3D图

图9 Y=(B,C)的等高曲线图

KOH碱液质量分数﹑碱预处理时间和碱预处理温度各交互作用对卡拉胶产率的影响如图4～图9所示。各响应面呈规则凸起,表明实验因素水平范围卡拉胶产率有最大值,都呈现先上升后下降的趋势,各交互因素的最佳作用点基本落在实验范围之内,证明此响应面实验设计合理。等高线图5近似于椭圆形表明AB交互项的影响显著(p<0.01),而BC交互项和AC交互项的影响不显著,这与回归方程和表3模型方差显著性的检验结果一致。

图10 Z=(A,B)的响应曲面3D图

图11 Z=(A,B)的等高曲线图

图12 Z=(A,C)的响应曲面3D图

图13 Z=(A,C)的等高曲线图

图14 Z=(B,C)的响应曲面3D图

图15 Z=(B,C)的等高曲线图

由图10～15可以看出,响应曲面的倾斜度由高到低的顺序是图14>图10>图12,倾斜度越高,即坡度越陡,说明两者交互作用的影响越显著,卡拉胶凝胶强度显著影响因素是BC交互项(0.01

2.2.3 最优工艺参数确定 为进一步得到各因素的最佳条件组合,使卡拉胶产率和凝胶强度达到最优值,根据实验结果,采用Design-Expert软件对各因素和响应值进行优化分析,综合分析得到最佳工艺条件为KOH碱液质量分数为9.72%,碱预处理温度为56.22 ℃,碱预处理时间为6.02 h,优化后的卡拉胶产率理论值为75.59%±1.73%,凝胶强度理论值为(1434.8±19.9) g/cm2。从实验操作便利性考虑,将碱处理最佳条件取为碱液质量分数为10%、碱预处理温度为56 ℃、碱预处理时间为6 h。在此优化条件下进行三次重复验证实验,结果显示卡拉胶平均产率和凝胶强度分别为75.23%±2.16%和(1378.5±16.27) g/cm2,与理论值相对误差分别为0.48%和0.39%。结果与理论预测值基本吻合,表明响应面分析优化结果与实际值相一致,可以作为碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶的最佳工艺参数。

3 结论

响应面法优化出碱法预处理琼枝麒麟菜提取卡拉胶的最佳工艺参数为KOH碱液质量分数10%、碱预处理温度56 ℃和碱预处理时间6 h,在此条件下卡拉胶的产率和凝胶强度分别为75.23%±2.16%和(1378.5±16.27) g/cm2,与理论值相比,两者的相对误差分别为0.48%和0.39%,模型拟合情况良好,可以作为琼枝麒麟菜提取卡拉胶的工业生产条件。

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TechnologicaloptimizationofalkalipretreatmentinthecarrageenanextractionfromEucheumagelatinae

DENGChun-mei,WUZu-jian,HELan-zhen,ZHANGGuo-guang,WUYu-lian,WENYan-mei,KANGXin-huang*

(College of Chemistry and Environment,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)

The technological optimization of alkali pretreatment in the course of carrageenan extraction fromEucheumagelatinaewas studied by the response surface methodology. On the basis of single-factor investigation,the quadratic regression equations about yield and gel strength(GS)of carrageenan were established regarding KOH mass fraction,alkali-pretreating temperature and alkali-pretreating time as influence factors,and yield and strength of carrageenan as response values,the optimal conditions for the alkali pretreatment were analyzed by the response surface methodology. The optimizing process parameters were as follows:KOH mass fraction 10%,alkali pretreating temperature 56 ℃ and alkali pretreating time 6 h,under the conditions,yield and GS of carrageenan fromEucheumagelatinumwere 75.23%±2.16% and(1378.5±16.27) g/cm2respectively. The optimized process could effectively improve the producting conditions for the carrageenan extraction fromEucheumagelatinae.

carrgeenan;Eucheumagelatinae;alkali pretreatment;response surface methodology

2017-05-18

邓春梅(1968-)，女，博士，高级实验师，研究方向：天然产物化学、天然药物化学，E-mail：dcm2382405@163.com。

*

康信煌(1965-)，男，博士，副教授，研究方向：海洋化学，E-mail：kang.xinhuang@gmail.com。

广东海洋大学自然科学基金(E13503、Q14176)；湛江市科技局自然科学基金(A15445，A14457)。

TS255.3

B

1002-0306(2017)22-0178-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.035