江蓠琼脂提取过程中清洗用水的重复使用

万博恺 倪辉 杨远帆

摘      要：琼脂是一种重要的多糖产品，我国生产琼脂的主要原料是江蓠。琼脂提取过程中的清洗工艺耗水量大，是影响琼脂生产成本及污水排放的重要因素。以江蓠琼脂生产过程为范例，研究清洗用水重复使用对琼脂透明度、浊度、硫酸根、3，6-内醚半乳糖、凝胶强度、凝固温度及熔化温度的影响，探索江蓠琼脂提取过程中的清洗用水进行重复使用的可行性。结果表明：随着清洗用水重复使用次数的增加，琼脂的透明度不断下降，而浊度及硫酸根与3，6-内醚半乳糖含量不断上升，凝胶强度、凝固温度及熔化温度呈现先上升后下降。当江蓠琼脂清洗用水重复使用次数小于3时，对琼脂的质量没有显著影响。该结果表明重复使用江蓠琼脂生产的清洗用水具有一定的可行性，对降低琼脂生产成本及减少污水排放量具有参考价值。

关  键  词：江蓠;琼脂;清洗;水;重复使用

中图分类号：TQ 062       文献标识码： A        文章编号： 1671-0460（2020）05-0786-04

Abstract： Agar is an important polysaccharide product， and Gracilaria is the main raw material for agar production in China. The cleaning process in the agar extraction process always consumes a large amount of water， which is an important factor affecting agar production cost and sewage discharge. Taking the production process of Gracilaria agar as an example， the effect of repeated use of cleaning water on the transparency， turbidity， sulfate，3，6-anhydro-L- galactose， gel strength， gelling temperature and melting temperature of agar was studied， and the feasibility of repeated use of cleaning water in the extraction process of Gracilaria agar was explored. The results showed that the transparency of agar decreased with the increase of reuse times of washing water， while the turbidity and contents of sulfate and 3，6-anhydro-L-galactose increased continuously， and the gel strength， solidification temperature and melting temperature increased first and then decreased. When the water for cleaning Gracilariawas was reused less than 3 times， there was no significant effect on the quality of the agar. So it is feasible to reuse the cleaning water produced by Gracilaria agar.The paper has reference value for reducing agar production cost and reducing sewage discharge.

Key words：  Gracilaria; Agar; Cleaning; Water; Repeated use

瓊脂（Agar）是一种由1，3-β-D-半乳糖和1，4-α-L-3，6-内醚半乳糖交替重复单元为骨架的多糖分子[1]。由于其独特胶凝特性与良好保水性，在食品、生化、医药、轻工等领域被广泛使用[2]。琼脂生产的原料包括：石花菜（Gelidiumamansii）、江蓠（Gracilarialemaneiformis）、龙须菜（Asparagus schoberioidesKunth）、紫菜（Porphyra）等红藻[3];其中，江蓠是目前国内外琼脂生产的主要原料[4]。从江蓠中提取琼脂的过程包括：碱处理、清洗、酸化、漂白、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥和粉碎等步骤，目前该工艺存在耗水量大、耗碱量大等问题，引起了较严重的环境污染。例如，相关文献报道每生产1 t琼脂的耗水量为1 000～1 500 t，耗碱量为700 kg[5，6]。因此，针对江蓠琼脂提取进行减少耗水量和耗碱量的研究，不仅可以节省成本，而且可以减少环境污染，是琼脂生产技术的重要研究方向。

相关学者已经对减少江蓠琼脂生产中的耗碱量进行了研究;比如，朱宁连采用超滤法对琼脂提取中的废碱液进行了回收利用研究[7];宗培杰等用水冲洗碱处理后的江蓠，回收其表面碱液[8];翁惠芬等采用酶工艺对江蓠进行前处理，从而降低江蓠琼脂提取的碱消耗量[9]。目前，尚未见有关江蓠琼脂提取过程中降低水消耗量的研究报道。

在琼脂生产过程中，江蓠经碱处理后，藻体吸收了大量碱液，需要进行多次（4次以上）浸泡清洗，是导致琼脂提取耗水量大的最主要原因。因此，减少清洗环节耗水量是降低琼脂生产成本及减少污水排放量的重要环节。在工业生产中，减少水消耗量的措施是对废水直接重复使用或经过膜过滤[10]、絮凝沉降[11]、电解等方法[12]处理后再重复使用，后者虽然可以大幅度提高水质，但同时也会增加使用成本，而直接重复利用则具有操作简单、成本低等特点。江蓠琼脂提取过程的清洗废水排放量较大，且成分复杂，但浓度较低，进行膜过滤、絮凝沉降及电解等处理成本较高，在工业应用中具有一定难度。基于此，本文提出对江蓠琼脂提取过程中的清洗用水进行直接重复使用，研究重复利用对产品特性的影响，探讨其可行性，为减少琼脂提取过程中的耗水量提供参考。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

江蓠，绿新（福建）食品有限公司提供。硫酸、浓盐酸、氯化钡、氢氧化钠、次氯酸钠、草酸、乙二胺四乙酸二钠、间苯二酚、1，1-乙缩醛，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器设备

恒温水浴锅，HWYS型，金坛鸿科仪器厂;分光光度计，7200型，尤尼柯（上海）贸易有限公司;浊度仪，WGZ-2000型，大龙兴创实验仪器（北京）有限公司;加热磁力搅拌器，MS-H-Pro+型，大龙兴创实验仪器（北京）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。

1.3 琼脂提取工艺流程

江蓠清洗、烘干至恒重，称取100 g，加入1 500 mL浓度为7%的碱溶液，90 ℃处理3 h，排出碱液，用100 mL清水冲洗，再放入1 500 mL清水中浸泡30 min，重复4次（分别记为第一级清洗、第二级清洗、第三级清洗和第四级清洗）后将江蓠浸泡于1 500 mL清水中，依次加入质量浓度为0.1%硫酸、0.015% 乙二胺四乙酸二钠、0.015%草酸浸泡0.5 h，用1 500 mL水清洗3～4次至中性，加入有效氯质量分数为0.04%的次氯酸钠溶液4 mL，漂白0.5 h，水洗至中性后，取出江蓠，放入1 200 mL水于90 ℃进行煮胶3 h，过滤后得胶液，经凝固、切块、冻融、干燥粉碎后得样品琼脂。

1.4  清洗用水重复使用次数对琼脂质量的影响

将碱处理后的江蓠放入烧杯中，加入1 500 mL清水清洗0.5 h后，收集第一级清洗废水F1，代替清水对第二批次碱处理后的江蓠进行第一级清洗，收集清洗废水F2，并用于第三批次碱处理后江蓠的第一级清洗，得到废水F3，按此方式对第一级清洗废水进行7次重复使用，第二、三、四级清洗及其他工序均按1.3进行，得到各批次琼脂样品，以1.3工艺制备的琼脂样品作为对照，比较透明度、浊度、硫酸根、3，6-内醚半乳糖、凝胶强度、凝固温度及熔化温度等指标的变化，分析清洗用水重复使用次数对琼脂质量的影响。

1.5  分析测定方法

1.5.1  凝胶强度的测定

参照GB 1975-2010 方法测定凝胶强度，配制质量分数1.5%的琼胶溶液，等量倒入2个100 mL烧杯中，冷却，待凝胶形成后盖上表面皿，室温放置15 h 后，在凝胶强度测定仪上测定凝胶强度。凝胶强度以质量分数1.5%琼胶（干基计）凝胶在15～20 s 内抗破法码的质量（g） 与装置杆下端的表面积（cm2） 比值表示，单位为g/cm2。

1.5.2  透明度的测定

配制质量分数为1.5%的琼胶溶液，趁热（高于85 °C）倒入比色皿中，用紫外分光光度计在400～800 nm 间扫描，确定最大吸收波长750 nm，在最大吸收波长处测定样品的透光率（T）。

1.5.3  凝固温度的测定

配制1.5%琼胶溶液于10 mL试管中，插入具塞温度计，保证温度计水银球完全被胶液没过，待胶液完全形成凝胶时，记录温度计读数。

1.5.4  熔化温度的测定

配制1.5%琼胶溶液于10 mL试管中，待其室温凝固后，加入玻璃小球，置于水浴锅中，从50 °C开始，以每2 min上升1 °C的速度升温，直至凝胶完全变为胶液，玻璃小球接触试管底部，记录温度计读数，即为该琼脂样品的熔化温度。

1.5.5  浊度的测定

配制质量分数为1.5%的琼胶溶液，于85 °C倒入浊度瓶中，置于浊度仪中，待读数稳定后记录。

1.5.6  硫酸根含量的测定

参考文献使用硫酸钡比浊法[13]，称取105 °C烘至恒重的K2SO4粉末，用1 mol/L盐酸配制成0.12 g/L的SO42-溶液，分别取SO42-溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于试管中，用1.0 mol/L盐酸补至1.0 mL，加入3 mL质量分数1%的吐温-BaCl2溶液，混匀后静置10 min，于360 nm下测定吸光值，得硫酸根标准曲线（Y=0.460 4X-0.002 4， R2=0.998 9）。

称取样品琼脂0.05 g，加入25 mL 1 mol/L的盐酸，105 °C下消化5 h，经脱色过滤后得澄清消化液。取1.0 mL消化液，按上述方式处理稀释后，测定其吸光值，并根据标准曲线换算样品的硫酸根含量。

1.5.7  3，6-内醚半乳糖含量的测定

参考文献中的间苯二酚法[14]，配制25 ?g/mL的果糖稀释液，分别取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于試管中，用去离子水补至1 mL，加入5 mL间苯二酚试剂，在冰水浴中振荡混匀，于80 °C水浴15 min，取出冰浴1.5 min，在554 nm波长下测定其吸光值，得标准曲线（Y=0.807 7X-0.035 5，R2=0.993 9）。

称取0.03 g琼脂样品，完全溶解后定容至1 000 mL，取1 mL溶液，按上述方式处理后，测定吸光值，并根据标准曲线换算样品的3，6-内醚半乳糖含量。

1.6  数据统计方法

应用OfficeExcel 2013（微软，美国）进行统计学分析计算平均值及标准差，使用SPSS-IBM 19.0（IBM，美国）软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 清洗用水重复使用次数对琼脂透明度及浊度的影响

如图1所示，琼脂的透明度随清洗用水重复使用次数的上升而下降，从94.2%降至87.1%，浊度随清洗用水重复使用次数的增加而上升，由18.2NTU升至37.4NTU。

相关研究表明，在碱处理过程中，江蓠中的色素、蛋白质和脂肪等杂质被转化为溶于水的物质[8]，清洗时被洗入水中，并在清洗用水重复使用的过程中不断富集，导致琼脂的透明度下降，浊度上升。

我国药典及国标中均没有琼脂透明度和浊度的相关标准，但参考日本微生物培养基用琼脂标准，琼脂的浊度需低于20 NTU[15]。实验结果表明，循环使用清洗废水对碱处理后的江蓠进行清洗，重复使用次数不大于3次时，琼脂的浊度均低于20 NTU，符合日本微生物培养基琼脂的标准要求。

2.2 清洗用水重复使用次数对琼脂硫酸根及3，6-内醚半乳糖含量的影响

图2表明，琼脂的硫酸根与3，6-内醚半乳糖含量随清洗用水重复使用次数的增加均有所上升，其中硫酸根含量由3.15%增加至3.27%，而3，6-内醚半乳糖的含量由31%上升至33.3%。相关研究表明，在碱处理江蓠时，硫酸根从多糖分子上脱离，糖转化为3，6-内醚半乳糖[16]。随清洗用水重复使用次数增加，水体中的碱度不断升高，在浸泡清洗的过程中变向延长了江蓠碱处理时间，从而使琼脂中的3，6-内醚半乳糖的含量有所上升。而硫酸根的增加可能是由于重复水洗过程中硫酸根在水体中的富集，并不断吸附在清洗的江蓠上。图2结果表明，清洗用水重复使用3次后，虽然3，6-内醚半乳糖的含量有所变化，但从数值上来看，清洗用水重复使用次数对琼脂硫酸根及3，6-内醚半乳糖含量的影响并不大。

2.3 清洗用水重复使用次数对琼脂熔化温度、凝固温度及凝胶强度的影响

随清洗用水重复使用次数的增加，琼脂的凝胶强度先增加后降低（图3），琼脂的凝固温度和融化温度与凝胶强度的变化趋势相近，但变化较小（图4）。有研究表明，琼脂的凝固温度与双螺旋结构的形成有关，而熔化温度与琼脂的平均分子量相关[17]。随着清洗用水的重复使用次数增加，水体中的碱浓度增加并继续与江蓠中的硫酸根发生反应，使3，6-内醚半乳糖含量增加，而3，6-内醚半乳糖的增加有益于琼脂中琼脂糖形成双螺旋结构，从而增加了琼脂的凝胶强度。但随着清洗用水中碱浓度的持续增加，过度的碱处理使琼脂降解，不利于双螺旋结构的形成，所以琼脂的凝胶强度和凝固温度随之先上升后下降。当清洗用水的重复使用次数小于3次时，不会对琼脂的凝胶强度造成不良影响，且清洗用水的重复使用对琼脂的相关指标影响较小。

3 结论

通过研究发现，在碱法提取江蓠琼脂的水洗过程中，随清洗用水重复使用次数增加，琼脂透明度呈下降趋势，浊度、硫酸根与3，6-内醚半乳糖含量呈上升趋势，凝固温度、熔化温度及凝胶强度呈先上升后下降趋势;当重复水洗次数低于3次时，对琼脂质量不会产生显著影响。

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