褐藻酸钠不同提取方法的比较及工艺优化

田洪芸，王洪新，2，尔朝娟

1(江南大学食品学院，江苏 无锡，214122)2(食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

褐藻酸钠不同提取方法的比较及工艺优化

田洪芸1，王洪新1，2，尔朝娟1

1(江南大学食品学院，江苏 无锡，214122)2(食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

探讨使用戊二醛溶液代替甲醛溶液作为前处理剂的最优处理条件，研究了海带褐藻酸钠消化反应前不同处理方法对海带提取率与粘度的影响。比较得出用体积分数2%的戊二醛溶液做前处理剂优于目前工业上应用的体积分数为1%甲醛溶液，超声-微波协同处理所得褐藻酸钠的提取率及黏度最优。对协同处理工艺进行优化，最佳提取条件为:超声功率50 W，微波功率500 W，提取时间60 s，料液比1∶20(g∶mL)，提取次数2次。超声-微波协同萃取法与酸处理方法、超声提取方法、微波法相比具有提取效率高、提取时间短的特点。

褐藻酸钠，提取率，超声-微波协同萃取，戊二醛，甲醛

褐藻酸钠(sodium alginate，NaAlg，简称AGS)是从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种多糖碳水化合物，由 1，4-聚-β-D-甘露糖醛酸和 α-L-古罗糖醛酸组成的一种线型聚合物，是海藻酸衍生物中的一种，所以有时也称海藻酸钠、海带胶或海藻胶［1－4］。海藻酸盐主要以钙盐的形式存在于海带细胞壁中，而纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，纤维素的存在不利于海藻酸盐的溶出，所以褐藻酸钠提取的关键在于破坏海带的细胞结构［5］。传统工艺是通过碱化工序时加入稀碱使海带的细胞壁溶胀破坏，但稀碱的作用有限，不能完全使细胞壁破坏，最终使褐藻酸钠的收率很低［6］。本试验采用超声波、微波等方法对海带进行前处理，并与传统提取方法进行比较，优化了提取褐藻酸钠的工艺条件。甲醛能够将海带色素固定在表皮细胞中，使消化反应时色素的溶出量减少，最终所得产品色泽较好。但是，甲醛具有潜在致癌性，限制了其在食品医药领域的应用。本实验尝试用戊二醛代替甲醛，作为海带的前处理剂。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海带，采自山东荣成;无水 Na2CO3、浓 HCl、甲醛、浓 H2SO4、咔唑、无水乙醇、NaOH、戊二醛、酚酞(均为分析纯试剂)，均采自国药集团化学试剂有限公司。

CW－2000超声-微波协同萃取仪(上海新拓微波溶样测试技术有限公司)，UV－2100紫外分光光度计(尤尼克公司)，101－2型电热鼓风干燥箱(上海荣丰科学仪器有限公司，DNJ－1型黏度计(余姚市银环流量仪表有限公司)，数显恒温水浴锅(常州市荣冠实验分析仪器厂)，智能超声波清洗器 (上海之信仪器有限公司)，Philips VIP20微波炉 (荷兰Philips公司)，BS 124S型电子分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，DZF－6020真空干燥箱(巩义市荣峪予华仪器厂)。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

原料粉碎→浸泡→超声等处理→消化→过滤→体积分数HCl沉淀→过滤→质量分数1%Na2CO3中和→2倍的体积体积分数95%乙醇沉淀→60℃烘箱烘干

1.2.2 戊二醛与甲醛做前处理剂的比较试验

准确称取海带干粉5.00 g，加入不同浓度的戊二醛溶液(将体积分数为25%的戊二醛溶液看做100%，下同)，处理12 h，与工业普遍采用的1%(将体积分数为40%的甲醛溶液看做100%，下同)的溶液处理12 h，比较产品的黏度与得率，提取率。

1.2.3 褐藻酸钠标准溶液的配制

称取10.00 g海带干粉放入烧杯中，加入300 mL 1%甲醛溶液，室温下浸泡一夜过滤，用蒸馏水洗涤3次。经处理的海带粉加入300 mL质量分数为2%Na2CO3溶液，于60℃水浴锅中提取2.5 h，2层纱布过滤，滤渣用蒸馏水洗涤3次，滤液再过150目绢布，400目绢布除去小分子杂质，得300 mL粗海藻酸钠溶液。用滴管向粗海藻酸钠溶液中滴加体积分数50%，调pH值为2，析出海藻酸沉淀［7］。用蒸馏水洗涤海藻酸沉淀直至无Cl－存在，然后用2倍体积95%乙醇脱水，30℃真空干燥。

准确称取干燥后的海藻0.80～1.00 g，加入25 mL 0.02 mol/L的NaOH溶液，搅拌0.5h，完全溶解后以酚酞为指示剂用0.02 mol/L HCl滴定，计算褐藻胶的实际含量。将以确定实际含量的褐藻胶配成1 mg/mL的标准溶液。

1.2.4 褐藻胶溶液标准曲线的绘制［8－10］

取10 mL H2SO4溶液(4体积浓H2SO4和1体积的水混合液)注入具塞试管中，将其放入冰浴中，吸取不同浓度的标准溶液1 mL注入试管中，混合均匀后放入沸水浴中水解30 min，然后加入0.5 mL质量分数为 0.3% 咔唑溶液，放入沸水浴中再加热10 min，最后于室温下放置40 min在550nm下比色。

图1 褐藻胶溶液标准工作曲线

1.2.5 黏度的测定(GB1976－2008)［11］

称取海藻酸钠试样1.00 g，加冷蒸馏水25 mL，搅动，再加沸蒸馏水70 mL，搅拌数分钟，冷后加蒸馏水到100 mL(褐藻酸钠溶液浓度为1%)于室温放置4h后，使成均匀胶液，选择相应转子置于量罐内，并将胶液缓慢倒入，达到圆锥体的表面下沿，转子完全浸入液体内，将量罐放到架上，将钩挂在驱动器上，调整零点，接通恒温装置，使保持测定温度在(20±0.1)℃，启动开关，使标尺盘上指针保持稳定，即可读出度数，如果度数小于10，则需换用第二个较大的转子。黏度X(厘泊，cp)按下式计算:

X=指针读数×转子倍数(1cp=10－3Pa·s)

1.2.6 褐藻酸钠提取率的计算

其中:NaAlg/%，海藻酸钠的提取率;m1，海藻酸钠产品的质量;m2，粗海藻酸钠的质量。

1.2.7 海带褐藻酸钠的不同前处理方法

1.2.7.1 稀酸处理

料液比1∶30，0.01mol/l HCl室温下浸泡处理3h。按照按1.2.1工艺提取褐藻酸钠，1.2.4方法，计算海藻酸钠的提取率。

1.2.7.2 超声处理提

料液比1∶30，超声功率为175 W，30℃条件下处理30 min，按照按1.2.1工艺提取褐藻酸钠，1.2.4方法计算海藻酸钠的提取率。

1.2.7.3 微波处理提取

料液比1∶30，微波功率750 W，处理3 min，按照按1.2.1工艺提取褐藻酸钠，1.2.4方法计算海藻酸钠的提取率。

1.2.8 超声-微波协同处理实验设计

1.2.8.1 单因素实验

以海带褐藻酸钠的提取率为指标，考察微波功率、提取时间、提取次数、料液比各单因素对提取率的影响。

(1)提取时间实验

精密称取海带干粉3.00 g，加入90 mL蒸馏水，在微波功率400 W条件下超声-微波协同萃取，提取时间分别取 15 ﹑ 30、45、60、90、120s，过滤，收集滤渣。用质量分数为2%Na2CO3溶液90 mL在60℃水浴下消化反应2.5h，消化液用体积分数50%HCI调pH值2，过滤得褐藻酸凝胶，用质量分数为1%Na2CO3调pH值至中性，用2倍体积95%乙醇沉淀后，60℃烘箱中烘干。按照1.2.4中褐藻酸钠的测定方法测定，计算海藻酸钠的提取率。

(2)提取次数实验

精密称取海带干粉300 g，加入90 mL蒸馏水，在微波功率400 W，提取时间为90 s条件下超声-微波协同萃取，提取次数分别为1～5次，过滤，收集滤渣。按照按1.2.1工艺提取，1.2.4中褐藻酸钠的测定方法测定，计算海藻酸钠的提取率。

(3)不同微波功率作用实验

精密称取海带干粉3.00 g，加入90 mL蒸馏水，提取时间为90s，提取次数为1次，在200、300、400、500、600 W的微波功率下协同萃取，过滤，收集滤渣。按照按1.2.1工艺提取，1.3.1中褐藻酸钠的测定方法测定，计算海藻酸钠的提取率。按照按1.2.1工艺提取，1.2.4中褐藻酸钠的测定方法测定，计算海藻酸钠的提取率。

(4)提取料液比实验

精密称取海带干粉3.00 g，加入90 mL蒸馏水，提取时间为90s，提取次数为1次，微波功率400 W，在料液比为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1:30 的条件下协同萃取。过滤的滤渣。按照按1.2.1工艺提取，

1.2.4 中褐藻酸钠的测定方法测定，计算海藻酸钠的提取率。

1.2.8.2 正交试验

在对以上单因素分析和试验的基础上，根据已有的资料和实际情况，对影响褐藻酸钠提取效果的四个主要因素，每个因素3个水平(表1)，用L9(34)进行正交试验设计，以褐藻酸钠的提取率为考察指标，选择最佳的提取条件。

表1 L9(34)实验因素水平表

2 结果与分析

2.1 戊二醛处理结果

表2 不同浓度戊二醛处理结果

戊二醛溶液的浓度为2%时，所得褐藻酸钠的黏度，得率，提取率最高，与相同条件下1%甲醛溶液处理得率为36.7%，黏度为4 060(mPa·s)。2.0%戊二醛溶液处理12 h得率39.2%，黏度为.5 740(mPa·s)，但戊二醛的固色效果没有甲醛好。因而可以尝试用戊二醛代替甲醛，作为海藻酸钠生产的固色，交联剂。

2.2 不同提取方法褐藻酸钠提取率的比较

从图2可以看出，协同处理所得褐藻酸钠的提取率最高为79.8%，黏度为3 168(mPa·s);而稀酸处理得率最低，为72.4%，黏度为437(mPa·s)。

2.3 超声-微波协同萃取最优工艺条件的确定

2.3.1 处理时间的影响

从图3可以看出，前60 s，随着时间的延长，褐藻酸钠的提取率增加，60s时提取率达88.9%，黏度为4 160(mPa·s)，增高的原因是超声破坏海带细胞壁，促使消化反应进行彻底。随着时间延长提取率下降，可能是因为协同处理导致多糖降解。

图2 不同处理方法结果比较图

图3 协同处理时间对提取率的影响

2.3.2 提取次数的影响

从图4可以看出，褐藻酸钠的提取率随着提取次数的增加而增大，提取2次时提取率为85.6%，随着提取次数的增多，多糖提取率的变化不大，但黏度与提取2次相比有所下降，可能与超声-微波作用导致多糖结构破坏有关。

图4 协同处理次数对提取率的影响

2.2.3 微波功率的影响

从图5可以看出，在300～500 W的功率内褐藻酸钠的提取率逐渐升高，500 W时达到86.7%，500 W后提取率变化平稳，黏度下降，可能与多糖结构破坏有关。

2.2.4 料液比的影响

从图6可以看出，随着固液比的增加，提取率逐渐增加，随后又保持基本不变。料液比为1∶20时提取率最高，为74.1%，随着料液比的增加提取率下降。说明在固液比达到20倍以前，海带粉与水过于黏稠，使超声波微波不能充分作用于海带粉，达到20倍以后，超声波微波可以充分作用，破坏细胞结构，促使消化反应的较彻底的进行。

2.3 正交试验结果与分析

图5 微波功率对提取率的影响

图6 料液比对提取率的影响

表3 L9(34)正交试验表

由表3、表4结果可以看出，各因素对褐藻酸钠提取率影响的主次顺序为B＞C＞A＞D，即功率＞时间＞料液比＞提取次数，最佳条件为B3C2A1D3，即微波功率500 W、时间60 s、料液比1∶20、提取次数2次。根据筛选得到的最佳提取条件B3C2A1D3，平行实验3次，计算褐藻酸钠的平均提取率，分别为89.7% 、89.4% 、89.6%，平均提取率为89.6%，RSD(%)为0.152 7。根据最佳提取条件所得的褐藻酸钠的提取率均大于正交设计中的褐藻酸钠的提取率，3次最佳工艺条件合理，同时也表明此工艺具有较好的稳定性。

表4 方差分析表

3 结论

(1)本实验采用戊二醛溶液代替甲醛溶液做前处理剂，起交联润张作用，可减少因甲醛残留导致的潜在致癌性，扩大褐藻酸钠在食品医药领域的应用范围。但是戊二醛也也有潜在的毒性，如对皮肤黏膜的刺激，工业生产中应做好产品中戊二醛残留量的检测。

(2)通过单因素实验和正交试验确定用超声-微波协同萃取法提取海带中褐藻酸钠的最佳提取工艺为:超声功率50 W，微波功率400 W，提取次数2次，提取时间60 s，料液比1∶20，该条件下褐藻酸钠的提取率可达到89.6%，高于目前工业生产中产品的提取率。

(3)超声-微波协同萃取利用被萃取物细胞内含水在微波场中吸收大量能量在内部产生热效应，被萃取物的细胞因热效应而破裂，同时超声的空化作用产生的极大压力也能使被破碎物细胞壁破裂，加强胞内物质释放［12］，有利于消化反应的充分进行。超声-微波协同萃取法与传统方法相比，在褐藻酸钠的提取中已经显示出明显的优势，具有省时、节能、提出率高等优点。

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Study of Sodium Alginate Extraction and Optimization.

Tian Hong-yun1，Wang Hong-xin1，2，Er Chao-juan1
1(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)2(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi 214122，China)

Different pre-treatment methods on the extraction of sodium alginate were studied and Glutaraldehyde was used as the optimal solution instead of formaldehyde.The results showed that 2%(v/v)glutaraldehyde was superior to formaldehyde as treatment solution.The optimum conditions of extraction were obtained as follows:ultrasonic power 50w，microwave power 500w，extraction for 60s，solid to liquid ratio of 1∶20，extraction 2 times.Compared with other extraction methods，the ultrasonic－microwave synergistic extraction was a better method for sodium alginate extraction with less time and higher extraction rate.This is a better method for extracting sodium alginate.

sodium Alginate，extraction rate，ultrasonic-microwave synergistic，extraction rate，glutaraldehyde ，formaldehyde

硕士(王洪新教授为通讯作者)。

2010－12－12，改回日期:2011－03－04