海藻酸鈉的提取研究進展

權(quán)維燕，楊子明，李思東，夏延致，王兵兵，李普旺*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001；2.廣東海洋大學 化學與環(huán)境學院，廣東 湛江 524088；3.青島大學海洋纖維新材料研究院，山東 青島 266071)

海藻酸是天然的海洋多糖，海藻酸鹽一般指海藻酸和金屬一價或二價離子形成的高分子化合物，海藻酸鈉是最常見、典型的海藻酸鹽。海藻酸鈉是線性高分子，是由β-(1→4)D-甘露糖醛酸(M)和α-(1→4)L-古羅糖醛酸(G)殘基通過醚鍵連接而成，古羅糖醛酸為甘露糖醛酸的差向異構(gòu)體。海藻酸鈉的分子是由連續(xù)的M段(MMM)、連續(xù)的G段(GGG)或者是M與G交替的結(jié)構(gòu)片段組成。海藻酸鈉分子的特殊結(jié)構(gòu)使得其具有增稠、乳化、形成凝膠、良好的生物相容性等特性，在食品[1-2]、醫(yī)藥[3-4]、水處理[5]等領域應用廣泛。海藻酸鈉在美國被譽為“奇妙的食品添加劑”，在日本被譽為“長壽食品”。隨著時代的進步，科技的發(fā)展，海藻酸鈉作為天然的食材、生物材料在純度上的要求也越來越高，傳統(tǒng)提取海藻酸的技術(shù)雖然已經(jīng)成熟，然而在我國，生產(chǎn)的海藻酸鈉仍然與國外有差距。本文就海藻酸鈉的提取工藝技術(shù)進行簡要綜述。

1 海藻的種類及分布

海藻是生長在海洋中的一類植物，依靠光合作用合成自身所需的能量來合成有機物，我們通常說的海藻主要是指褐藻、紅藻、綠藻三大門海洋藻類的總稱。

褐藻包括大型褐藻、馬尾藻和墨角藻屬等。在太平洋及南極地區(qū)分布著巨藻屬和海囊藻屬，海帶屬在太平洋沿岸及不列顛群島都很豐富，在墨西哥灣流和馬尾藻海中馬尾藻屬常見，墨角藻屬大量分布在不列顛群島潮間帶。在我國，褐藻門在各沿海均有分布，但屬數(shù)的分布存在自北往南逐漸減少的現(xiàn)象[6]。

紅藻包括掌狀紅皮藻、紫菜、石花菜屬、角叉菜屬等。掌狀紅皮藻主要分布在北大西洋兩岸，角叉菜屬主要分布在大西洋巖石海岸，紫菜主要分布在不列顛群島、日本、韓國及我國沿海。石花菜屬則是世界性的紅藻，分布很廣。在我國，紅藻門屬的數(shù)量在各沿海區(qū)域都有分布。

綠藻主要分布在淡水，在海水的陰濕處也有分布，僅占10%。海水中的綠藻種類主要有石莼目、絲藻目、管藻目和管枝藻目等。海洋中的綠藻主要分布在海洋沿岸，并附著在淺攤中的巖石上。海水的溫度決定了海洋中綠藻的分布。淡水中的綠藻分布很廣，不受水溫的限制，世界各地均有分布。在我國綠藻門屬數(shù)的分布呈自北向南遞增的趨勢。

隨著人們對海藻需求量的增加，自然界生產(chǎn)的海藻不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，如今在我國及東南亞地區(qū)主要是靠人工養(yǎng)殖的方式滿足工業(yè)的需求[7]。我國沿海有大量的海藻養(yǎng)殖基地。海藻酸鈉的提取主要以褐藻為原料。

2 海藻酸鈉的來源、性質(zhì)及提取原理

海藻酸鈉主要來源于褐藻門，如海帶屬、巨藻屬、馬尾藻屬等，主要存在于海藻細胞的細胞基質(zhì)和細胞壁[8]，并賦予細胞一定的力學性能。Myklestad[9]研究發(fā)現(xiàn)在細胞中的海藻酸主要是以海藻酸鈣的形式存在，也有部分以海藻酸鎂、海藻酸鉀及海藻酸鈉的形式存在。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)不同類型的海藻中，海藻酸的分子量不同[10]，含量也不同，海藻酸在海藻細胞中的含量大約為干重的20%左右，其含量隨季節(jié)的改變而變化。

海藻酸鈉(C6H7O6Na)n是海藻酸的鈉鹽，由β-(1→4)D-甘露糖醛酸(M)和α-(1→4)L-古羅糖醛酸(G)殘基通過β-1,4-糖苷鍵連接而成，并由不同比例的GM、MM和GG片段組成的共聚物。海藻酸鈉為白色或淺黃色纖維、顆粒或粉末，幾乎無臭無味，且無毒。海藻酸鈉微溶于水，溶于堿性溶液，不溶于大部分有機溶劑，海藻酸鈉易吸潮，高粘度的海藻酸鈉分子鏈不穩(wěn)定，易降解。海藻酸鈉溶液可絡合金屬二價離子得到凝膠。

在19世紀后期，英國化學家就對褐色海藻中的提取物進行研究，發(fā)現(xiàn)提取物具有濃縮溶液、形成凝膠和成膜的能力。海藻酸(Alg)提取的目的是將不溶性鈣和鎂鹽轉(zhuǎn)化為可溶性海藻酸鈉(NaAlg)。如果用碳酸鈉消化原料，則是利用離子交換將海藻酸鈣轉(zhuǎn)化為海藻酸鈉。反應式為：

Ca(Alg)2+2Na+→2NaAlg+Ca2+

如果用酸預處理原料，再用碳酸鈉消化時，則反應式為：

該位置是操縱列車常用制動，使列車正常緩慢停車或調(diào)整運行速度所使用的位置。包括初制動位和全制動位，兩者之間是制動區(qū)。

Ca(Alg)2+2H+→2HAlg+Ca2+,HAlg+Na+→NaAlg+H+

在我國，提取海藻酸鈉的主要原料是海帶。

3 海藻酸鈉的提取

自從海藻酸鹽商品化以來，很多人對其提取工藝進行了研究，工藝方法眾多，但大都大同小異，流程如圖1所示，主要包括前處理，消化及純化三大步驟。海藻酸鈉提取工藝的研究核心都是如何在前處理、消化和純化步驟中提高海藻酸鹽的產(chǎn)率、減少其降解和改善其外觀。

圖1 海藻酸鈉提取的流程

3.1 原料的前處理

前處理對產(chǎn)品的后期提取具有重要作用。在早期的研究中，大多數(shù)學者都認為用稀酸對海藻酸鈉進行前處理有助于提高提取率[11]；并在早期的海藻酸鈉工業(yè)生產(chǎn)專利中也描述到用酸進行前處理是堿法提海藻酸鈉的必要步驟[12-14]。但是一般前處理需要浸泡，時間較長，如果用酸處理，會加速海藻酸分子鏈的斷裂，影響粘度，同時在后續(xù)的堿提過程中也會出現(xiàn)顏色變深的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。Le Gloahec和Herter等人[15]提出需要增加脫色，他們用凝膠狀的氫氧化鋁對澄清的海藻酸鈉提取液進行處理；在酸處理后又用福爾馬林溶液進行浸泡處理[16]，發(fā)現(xiàn)葉綠素等有色物質(zhì)被固定在海藻的表皮細胞中，并在堿提過程，顏色加深現(xiàn)象明顯減少，同時甲醛對植物細胞壁纖維組織有破壞作用，有利于后續(xù)消化過程中海藻酸鹽的置換與溶出[17]。Haug A認為顏色的變深可能是酚類化合物導致[18]，如果采用次氯酸鈉進行脫色，將對產(chǎn)品的粘度產(chǎn)生很大影響，長時間漂白脫色會使海藻酸分子鏈降解，導致產(chǎn)品粘度降低[19]。

此后研究者普遍采用鹽酸配合福爾馬林溶液進行前處理。Gustavo[11]等人對鹽酸預處理進行了詳細的研究。他們的前處理方法是：先用一定濃度的福爾馬林溶液浸泡原料過夜，然后再用一定濃度的鹽酸進行浸泡過夜，最后用碳酸鈉消化提取。研究結(jié)果表明，海藻酸鈉的產(chǎn)量隨所用酸的濃度增加而增加，而粘度則隨酸濃度的增加而減少。此后的前處理研究中，普遍采用類似的方法進行[20-22]。

何俊紅、何鐘林等人[23]認為福爾馬林可能會在海藻酸鈉提取過程中有殘留，且是致癌物質(zhì)，然而戊二醛是一種在醫(yī)院替代福爾馬林進行消毒的消毒劑，同時戊二醛可能會破壞海帶的細胞壁，促使海藻酸鹽溶出并可達到固定色素的目的，所以他們嘗試使用質(zhì)量百分比濃度為1%的戊二醛替代甲醛對海帶進行前處理。研究結(jié)果表明，使用戊二醛比相同條件下使用甲醛的產(chǎn)量要大，但得到的產(chǎn)品粘度低。青島大學的夏延致等人[24]用酸與三偏聚磷酸鈉配合進行前處理，發(fā)明了一種制備低粘度海藻酸鈉的方法。宋方方等人[25]的前處理方法是先將原料用水浸泡到充分溶脹后粉碎，然后用蘋果酸，乙醇，食鹽攪拌凍融，再進行后續(xù)的消化提取。

Rostami[26]等人在考察海藻酸鈉的分子量與生物學特性之間的關系時，為了得到不同分子量的海藻酸鈉，他們對原料采用蒸餾水、鹽酸、蛋白水解酶和纖維素酶四種不同的前處理方法來進行處理。結(jié)果表明，用水處理和蛋白水解酶處理的產(chǎn)率最低，用鹽酸處理后的產(chǎn)率比水和蛋白水解酶處理后的明顯提高，在所有處理方式中纖維素酶處理后的產(chǎn)率最高。

如今研究者更多是用酶對原料進行前處理[27-28]，優(yōu)點是通過減少使用酸可以避免海藻酸的降解，同時酶也具有專一性，能將細胞壁破壞，使得海藻酸鹽能更多的溶解并被置換過來，但是用酶前處理由于不能固定色素，所以需增加脫色的環(huán)節(jié)，這會促使海藻酸鹽的降解。

除了上述的前處理方法外，也有較多人在實驗室采用乙醇進行浸泡處理[29]。

以上方法在實驗室提取對海藻酸鈉進行前處理可以得到很好的效果，但是在實際海藻酸鈉工業(yè)生產(chǎn)中，考慮到成本的原因，更多的還是采用酸與甲醛處理。

3.2 原料的消化

原料預處理后，需將海藻酸從海藻的細胞壁提取出來，即將海藻酸鹽轉(zhuǎn)化為可溶性的海藻酸鈉，從而從海藻中去除海藻酸，這個過程是消化。消化是影響提取率的主要因素，其普遍采用的方法是堿提。早期有人用氫氧化鈉消化，因氫氧化鈉污染環(huán)境，腐蝕性強，后來都采用碳酸鈉溶液進行消化[21-22]。消化的主要影響因素是碳酸鈉濃度，消化溫度，消化時間和消化pH值。

Zvered[30]等人用1%～2%碳酸鈉溶液在27℃條件下消化1～2 h。Secconi[14]提出在pH值為5～7.5之間用氨水、鉀鹽和鈉鹽混合進行消化5～24h。Arvizu-Higuera等人[31]通過研究發(fā)現(xiàn)消化的pH值大于10效果會更好。

何俊紅、何鐘林等人用1%的碳酸鈉溶液，并加入少量氫氧化鈉研究了pH值對消化反應的影響，結(jié)果表明，隨著pH值的升高，海藻酸鈉的產(chǎn)率明顯提高，由33.91%提高到93.87%，他們認為消化反應過程中控制高的pH值對產(chǎn)品的提取率有積極的影響。

盤茂東等人[32]對海南馬尾藻提取海藻酸鈉的工藝進行了較詳細的研究，并對影響提取率的消化條件進行了單因素分析，結(jié)果表明碳酸鈉的濃度為2%時，其提取率達到最高，為36.8%。消化溫度為50℃時，提取率最高，為40.7%，消化時間約3h時，提取率最高，為35.1%。所得海藻酸鈉的粘度為185mPa·s。田洪蕓[20]采用單因素及正交試驗詳細分析了超聲-微波協(xié)同消化對產(chǎn)率的影響，他們優(yōu)化工藝條件后得到的海藻酸鈉粘度可達3670mPa·s，提取率為88.6%。宋彥顯等人用纖維素酶輔助碳酸鈉溶液提取海藻酸鈉，用正交試驗確定最佳的提取率為49.8%。

Youssouf[29]等人用超聲對原料的消化進行處理，方法是將真空干燥后的原料用80%乙醇在室溫下浸泡過夜，之后用孔徑為10μm的微孔尼龍濾膜過濾，用蒸餾水水洗，加入2%的氫氧化鈉溶液，然后用功率為150W，頻率為25kHz的超聲波進行處理。他們最后得到的提取率達到55%，同時可以縮短提取時間。

消化是海藻酸鹽提取的重要環(huán)節(jié)，消化效果的好壞對產(chǎn)率的影響大。從綠色制備考慮，不僅要將海藻酸從海藻的細胞壁有效的提取出來，并在消化過程中減少分子鏈的降解，而且使用對環(huán)境友好的提取方式是消化環(huán)節(jié)中最為關心的問題。

3.3 海藻酸鹽溶液的純化

原料經(jīng)過消化后，得到的是不純的海藻酸鈉溶液混合物，需要進行純化處理。純化的一般步驟是：消化后的海藻酸鈉溶液→過濾→鹽酸(酸凝固)或氯化鈣(鈣凝固)凝固→抽濾→用鹽酸溶液脫鈣或用氯化鈉溶液離子交換脫鈣→用碳酸鈉溶解→過濾→乙醇沉淀→烘干→成品。在早期一般都是用酸凝固，因其成本低廉而得到應用，但是耗時長，且在提取過程中容易使海藻酸的分子鏈降解，導致產(chǎn)品的粘度較低。為提高海藻酸的提取效率與產(chǎn)品質(zhì)量，逐漸使用鈣凝固，因其可以減少生產(chǎn)時間，一方面使得海藻酸分子鏈降解時間減少，另一方面減少酸對分子鏈的影響，從而提高產(chǎn)品的粘度而得到廣泛應用，但氯化鈣的成本較鹽酸高。

王孝華等人[33]比較了酸凝固與鈣凝固的純化工藝，結(jié)果表明，酸凝固的沉降速度較慢，得到的沉淀物粒度較小，影響后續(xù)的過濾，且產(chǎn)品的提取率也較低；氯化鈣凝固的沉降速度較快，得到的沉淀物的粒度較大，有利于后續(xù)的過濾，并采用離子交換將鈣離子置換除去，得到的產(chǎn)率較高。經(jīng)過對鈣凝-離子交換法進行系統(tǒng)的研究，得到了最佳的工藝條件，大大縮短了純化時間，產(chǎn)品的粘度可達到2840mPa·s。

Leinfelder等人[34]的純化方法是將用EDTA提取的海藻酸鹽溶液用37.5%的乙醇在用空氣攪拌下進行沉淀，沉淀物用0.5 mol/L的氯化鉀溶液溶解，反復2次沉淀再溶解，溶解后的溶液用透析袋透析，之后再進行第3次沉淀，最后干燥即得高純度的海藻酸鹽產(chǎn)物。他們的目的在于制備在分子水平與細胞相容的海藻酸鹽，此方法成本高，適合在實驗室制備。

Gomez[35]等人研究了三種不同的純化方法對產(chǎn)品產(chǎn)率和流變性能的影響，第一種方法是：用乙醇沉淀消化后的溶液→用乙醇索氏提取→得到海藻酸鈉產(chǎn)品；第二種是：鹽酸沉淀消化后的溶液→沉淀物用碳酸鈉溶液溶解→溶液用乙醇沉淀→用乙醇索氏提取→得到海藻酸鈉產(chǎn)品；第三種是：用氯化鈣螯合消化后的溶液→用水索氏提取→螯合物用鹽酸沉淀→沉淀物用碳酸鈉溶液溶解→溶液用乙醇沉淀→用乙醇索氏提取→得到海藻酸鈉產(chǎn)品。通過比較三種純化方法得出，在鈣離子存在下沉淀，然后在酸性介質(zhì)中進行質(zhì)子交換，會使海藻酸鈉分子質(zhì)量最低，力學性能較差。第一種方法直接用乙醇沉淀，純化步驟少，未用酸處理得到的產(chǎn)品表現(xiàn)出最佳的產(chǎn)率和流變學性能。

在實驗室，為了簡化純化步驟，可用乙醇直接從消化后的海藻酸鹽溶液中將海藻酸鹽沉淀出來，反復沉淀，再干燥即得產(chǎn)品[22]。純化是提取海藻酸鈉中重要的環(huán)節(jié)，它在提取過程中影響提取的效率和產(chǎn)品的純度。

4 結(jié)論

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，海藻酸鹽的提取技術(shù)日趨成熟。但國內(nèi)與國外的的技術(shù)工藝還存在一定的差距，體現(xiàn)在國內(nèi)大多是小公司生產(chǎn)，忽視對工藝優(yōu)化的研發(fā)，為追求利潤，以犧牲環(huán)境為代價來生產(chǎn)海藻酸鹽，得到的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前海藻酸鹽的提取技術(shù)在國內(nèi)主要以工藝優(yōu)化為主。隨著生物醫(yī)學的發(fā)展，高純度海藻酸鹽的需求增加，對純化工藝要求更高，如何在在工藝流程中減少雜質(zhì)，并提高提取率是值得關注的問題。同時，少量或盡量不用對人體有毒有害的化學品是當前海藻酸鹽提取技術(shù)工藝中急需解決的問題。海藻酸鹽的提取技術(shù)隨原料的不同而不同，如何在海藻的養(yǎng)殖領域提高海藻中海藻酸含量，以及從基因?qū)用骛B(yǎng)殖不同M/G比值的海藻酸，滿足不同用途是目前需要重點關注的方向。我國海岸線廣闊，地理條件優(yōu)越，相信隨著研究的深入會得到可喜的成果。