半精制卡拉胶的制备工艺研究

宁海凤 张立峰 张洪奎

临沂艾德森生物科技有限公司 山东临沂 276036

卡拉胶(Carrageenan，又称鹿角藻胶、角叉菜胶)是从角叉菜Chondrus)、麒麟菜(Eucheuma)、杉藻(Gigartina)及沙菜(Hypena)等红藻中提取的一种极有经济价值的硫酸酯多糖[1～3]，分子量在100kDa以上。

卡拉胶是由β，1-3和α，1-4糖苷键交替连接成的线性多糖[4,5]。其中不同类型的卡拉胶的2位、6位或者3,6-脱水半乳糖部分被硫酸酯化，从而使得不同类型卡拉胶具有不同的凝胶性质，卡拉胶的结构与海藻种类、生长环境、生长周期有关[6]。

根据硫酸酯基的位置、数量以及是否含有3,6-脱水半乳糖，将卡拉胶分为κ-、ι-、λ、μ、θ、γ、η七种，目前工业生产和使用的主要为κ-、ι-、λ三种[7]。其中κ-卡拉胶是目前应用最为广泛的一种卡拉胶，具有独特的热可逆凝胶性质和抗蛋白凝结性等特点[8]。

κ-卡拉胶由β(1-3)-D吡喃半乳糖-4硫酸酯和α(1-4)-3,6脱水-D半乳糖交替形成的重复单元构成；ι-卡拉胶与κ-卡拉胶具有类似的重复单元，区别在于1,4连接的半乳糖单元中第二个碳原子连接了另外一个硫酸酯基。在一定温度下的水溶液中，卡拉胶构象由无规则卷曲转变为螺旋结构[9～11]。

卡拉胶具有良好的凝胶性、增稠性和保水性，广泛应用于食品、日化、生物等领域。1973年联合国粮农组织和世界卫生组织评价认为每人每日卡拉胶允许摄入量不加限制，因此卡拉胶是安全的，添加量不需限制的食品添加剂[12～14]。

卡拉胶已被广泛使用，特别是κ-卡拉胶因其优良的增稠和凝胶性质被广泛用于食品、医药、化妆品等行业[15,16]。κ-卡拉胶优良的生物降解性和生物相容性，使其在医疗护理、药物控释和包埋方面发挥了重要作用[17]。

碱处理工艺是工业上利用海藻生产卡拉胶的常用方法[18,19],碱处理可将海藻细胞壁外层的蜡质层部分去除，赋予卡拉胶以增稠、凝胶的功能性质。根据碱处理后加工方式不同，可将卡拉胶分为半精制和精制两种类型。

其中半精制卡拉胶因生产成本相对较低，在工业上广泛使用，但因其生产过程中未经除纤维过程，故溶解性及凝胶性能较差，限制了使用范围。本研究在对碱处理工艺参数进行优化的基础上，采用高压均质工艺，在尽量避免卡拉胶功能性质被破坏的前提下，将残留的纤维素及纤维素与卡拉胶之间的连接进一步破碎，提高卡拉胶亲水性及凝胶性能，拓展应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻Eucheuma Cottonii，印度尼西亚Maluku；

食品级KOH，东营市赫邦化工有限公司；

高压均质机S-60，上海东华高压均质机厂；

喷雾干燥塔，上海大川原干燥设备有限公司；

凝胶强度测定仪，WD-1泉州万达实验仪器设备有限公司；

NDJ-1旋转粘度计，上海地学仪器研究所。

1.2 实验方法

1.2.1 半精制卡拉胶制备工艺

海藻→挑拣→碱处理→水洗→煮胶→冷却→均质→喷雾干燥。

1.2.2 单因素实验

以卡拉胶得率和凝胶强度为主要指标，考察料液比、KOH浓度、提取温度、提取时间、均质压力各单因素对卡拉胶制备及性能的影响。

1.2.2.1 料液比对制备效果的影响

调节料液比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，60℃下提取3h，海藻经水洗、煮胶后，胶液冷却至60℃时经30MPa压力均质，调节胶液固形物含量为2%，经喷雾干燥制备卡拉胶粉末，分别按照1.2.4和1.2.5的方法测定凝胶强度并计算得率。

1.2.2.2 KOH浓度对制备效果的影响

固定提取温度60℃、提取时间3h、均质压力30MPa，按照1.2.2.1中筛选得到的料液比提取卡拉胶，海藻经水洗、煮胶后，胶液冷却至60℃时经30MPa压力均质，调节胶液固形物含量为2%，经喷雾干燥得到卡拉胶粉末，分别按照1.2.4和1.2.5的方法测定凝胶强度并计算得率。

1.2.2.3 提取温度对制备效果的影响

按照1.2.2.1中确定的料液比、1.2.2.2中确定的KOH浓度，在60℃下提取3h，海藻经水洗、煮胶后，胶液冷却至60℃时经30MPa压力均质，调节胶液固形物含量为2%，喷雾干燥得到卡拉胶粉末，分别按照1.2.4和1.2.5的方法测定凝胶强度并计算得率。

1.2.2.4 提取时间对制备效果的影响

按照1.2.2.1中确定的料液比、1.2.2.2中确定的KOH浓度，在1.2.2.3中确定的温度下，分别提取3、4、5、6h后，海藻经水洗、煮胶后，胶液冷却至60℃时经30MPa压力均质，调节胶液固形物含量为2%，喷雾干燥得到卡拉胶粉末，分别按照1.2.4和1.2.5的方法测定凝胶强度并计算得率。

1.2.2.5 均质压力对制备效果的影响

按照1.2.2.1中确定的料液比、1.2.2.2中确定的KOH浓度，在1.2.2.3中确定的温度、1.2.2.4确定的提取时间下，处理海藻，海藻经水洗、煮胶后，胶液冷却至60℃时分别经30、40、50、60MPa压力均质，调节胶液固形物含量为2%，喷雾干燥得到卡拉胶粉末，分别按照1.2.4和1.2.5的方法测定凝胶强度并计算得率。

1.2.3 正交实验

在对以上单因素分析和实验的基础上，采用L16(45)的正交实验设计，对影响卡拉胶得率和凝胶强度的主要因素：料液比、KOH浓度、提取温度、提取时间、均质压力进行研究，确定最佳工艺参数，见表1。

表1 正交实验因素水平表Table. 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 凝胶强度的测定

准确称取3.0g样品于500mL烧杯中，加蒸馏水200g搅匀，常温浸泡15min。置于水浴中加热，当溶液温度为65℃时，加入4mL10%的KCl溶液。继续水浴加热至液体中心温度为90℃，开始计时，保温10min，搅拌均匀倒入标准强度测定杯，冷却，封膜，移入20℃恒温箱，放置10～16h，取出胶体，置于凝胶强度测定仪上测定凝胶强度。3个样品的平均值即为此试样的凝胶强度。

1.2.5 得率计算公式

式中：

W—表示卡拉胶得率(%)；

m1—表示所得到的卡拉胶粉的质量(g)；

m2—表示原料海藻的质量(g)。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对卡拉胶得率及凝胶强度的影响

由图1可知，料液比对卡拉胶得率无显著影响，在料液比1∶10时卡拉胶凝胶强度较低，随着料液比的加大，凝胶强度呈现增加的趋势，这可能是由于碱液较少时，碱液不能充分渗入海藻细胞内部，从而使得海藻细胞壁外层的蜡质层残留较多，影响了凝胶强度。当料液比为1∶20时，得率和凝胶强度均较理想，继续提高料液比后，得率和凝胶强度无明显改善，且增加下一步清洗难度，因此选择料液比为1∶20。

2.1.2 KOH浓度对卡拉胶得率及凝胶强度的影响

由图2可知，在实验设定的KOH浓度范围内，随浓度的提高，卡拉胶得率逐渐下降，这是因为高浓度的KOH溶液脱除海藻细胞壁中的蜡质层外，同时会将海藻中的部分胶质溶出，造成得率的降低。而过高的KOH浓度也会对海藻结构造成破坏，对卡拉胶分子链存在一定程度的破坏，从而降低凝胶强度。根据试验结果，选择KOH浓度为7%。

2.1.3 提取温度对卡拉胶得率及凝胶强度的影响

根据图3可知，随着提取时间的延长，卡拉胶的得率呈现下降趋势，凝胶强度呈现先升高后降低的趋势。这是由于温度较低时(60℃以下)海藻细胞壁中的蜡质层脱除不确定，胶质暴露不充分，导致凝胶强度较低。而随着蜡质层的破坏，所得产物的质量下降，表现为得率的降低。

2.1.4 提取时间对卡拉胶得率及凝胶强度的影响

由图4可知，随着提取时间的延长，卡拉胶凝胶强度呈先上升后趋于平稳的趋势，得率呈现先上升后下降的趋势。这是由于随着提取时间的延长，海藻细胞壁逐渐被碱液破坏，内部胶质得以提取。如果提取时间过长，细胞壁被破坏的同时，胶质也会有部分溶出，导致得率下降。根据实验结果，选择最佳提取时间为4h。

2.1.5 均质压力对卡拉胶得率及凝胶强度的影响

由图5可知，在所设定的均质压力范围内，卡拉胶得率无显著变化，凝胶强度呈现先上升后下降的趋势，这是由于随着均质压力的增大，碱处理中残留的细胞壁蜡质层被进一步破坏，胶质层得以进一步释放，提高了卡拉胶整体的凝胶强度。而如果均质压力达到40MPa后再继续提高，均质过程中产生的剪切、撞击、空穴和湍流对卡拉胶的分子结构产生了影响。根据实验结果，选择均质压力40MPa处理胶液。

2.2 正交实验结果与分析

正交实验结果见表2。

表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal test

由凝胶强度的正交实验结果表2，凝胶强度的极差分析表3，可以看出，各因素对卡拉胶制备效果中凝胶强度影响的主次顺序为B>E>C>D>A，即KOH浓度>均质压力>提取温度>提取时间>料液比，最佳提取条件为A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH浓度9%，提取温度60℃，提取时间4h，均质压力40MPa。

表3 正交实验中凝胶强度的极差分析表Table 3 The range analysis results of gel strength

从凝胶强度的方差分析表4表明，KOH浓度和均质压力对卡拉胶凝胶强度具有显著影响。

表4 正交实验中凝胶强度的方差分析表Table 4 The variance analysis results of gel strength

由正交实验中得率的极差分析表5可以看出，各因素对卡拉胶得率影响的主次顺序为B>C>D>E>A，即KOH浓度>提取温度>提取时间>均质压力>料液比，最佳提取条件为A1B2C1D1E1，即料液比1∶15，KOH浓度7%，提取温度50℃，提取时间3h，均质压力30MPa。

正交实验中得率的方差分析表6表明，KOH浓度和提取温度对卡拉胶得率具有显著影响。

表5 正交实验中得率的极差分析表Table 5 The range analysis results of extraction rate

表6 正交实验中得率的方差分析表Table 6 The variance analysis results of extraction rate

由于实验以卡拉胶凝胶强度为主要考核指标，且不同制备条件下卡拉胶得率总体变化幅度较小，因此，最佳工艺条件选择卡拉胶凝胶强度最高的组合，即A4B4C2D2E2。

2.3 验证实验

根据筛选得到的最佳工艺条件，即A4B4C2D2E2，即料液比1∶30，KOH浓度9%，提取温度60℃，提取时间4h，均质压力40MPa进行卡拉胶的制备，并得到此条件下的卡拉胶得率和凝胶强度。经实验验证，最佳制备条件下的卡拉胶凝胶强度为872g/cm2，优于正交实验中的结果，且此条件下卡拉胶得率为34.37%，也较理想，因此本最佳工艺条件合理。

3 结论

通过单因素实验和正交实验确定卡拉胶提取的最佳工艺条件为料液比1∶30，KOH浓度9%，提取温度60℃，提取时间4h，均质压力40MPa，该条件下，卡拉胶得率为34.37%，凝胶强度为872g/cm2。

本实验在碱处理工艺的基础上，采用高压均质手段进一步优化卡拉胶制备工艺，与传统半精制卡拉胶相比，改善了凝胶性能，提高了卡拉胶的适用性。