江蘺瓊脂提取過程中清洗用水的重復(fù)使用

萬博愷 倪輝 楊遠(yuǎn)帆

摘 ? ? ?要：瓊脂是一種重要的多糖產(chǎn)品，我國生產(chǎn)瓊脂的主要原料是江蘺。瓊脂提取過程中的清洗工藝耗水量大，是影響瓊脂生產(chǎn)成本及污水排放的重要因素。以江蘺瓊脂生產(chǎn)過程為范例，研究清洗用水重復(fù)使用對瓊脂透明度、濁度、硫酸根、3，6-內(nèi)醚半乳糖、凝膠強度、凝固溫度及熔化溫度的影響，探索江蘺瓊脂提取過程中的清洗用水進行重復(fù)使用的可行性。結(jié)果表明：隨著清洗用水重復(fù)使用次數(shù)的增加，瓊脂的透明度不斷下降，而濁度及硫酸根與3，6-內(nèi)醚半乳糖含量不斷上升，凝膠強度、凝固溫度及熔化溫度呈現(xiàn)先上升后下降。當(dāng)江蘺瓊脂清洗用水重復(fù)使用次數(shù)小于3時，對瓊脂的質(zhì)量沒有顯著影響。該結(jié)果表明重復(fù)使用江蘺瓊脂生產(chǎn)的清洗用水具有一定的可行性，對降低瓊脂生產(chǎn)成本及減少污水排放量具有參考價值。

關(guān) ?鍵 ?詞：江蘺;瓊脂;清洗;水;重復(fù)使用

中圖分類號：TQ 062 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ?文章編號： 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）是一種由1，3-β-D-半乳糖和1，4-α-L-3，6-內(nèi)醚半乳糖交替重復(fù)單元為骨架的多糖分子[1]。由于其獨特膠凝特性與良好保水性，在食品、生化、醫(yī)藥、輕工等領(lǐng)域被廣泛使用[2]。瓊脂生產(chǎn)的原料包括：石花菜（Gelidiumamansii）、江蘺（Gracilarialemaneiformis）、龍須菜（Asparagus schoberioidesKunth）、紫菜（Porphyra）等紅藻[3];其中，江蘺是目前國內(nèi)外瓊脂生產(chǎn)的主要原料[4]。從江蘺中提取瓊脂的過程包括：堿處理、清洗、酸化、漂白、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥和粉碎等步驟，目前該工藝存在耗水量大、耗堿量大等問題，引起了較嚴(yán)重的環(huán)境污染。例如，相關(guān)文獻報道每生產(chǎn)1 t瓊脂的耗水量為1 000～1 500 t，耗堿量為700 kg[5，6]。因此，針對江蘺瓊脂提取進行減少耗水量和耗堿量的研究，不僅可以節(jié)省成本，而且可以減少環(huán)境污染，是瓊脂生產(chǎn)技術(shù)的重要研究方向。

相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對減少江蘺瓊脂生產(chǎn)中的耗堿量進行了研究;比如，朱寧連采用超濾法對瓊脂提取中的廢堿液進行了回收利用研究[7];宗培杰等用水沖洗堿處理后的江蘺，回收其表面堿液[8];翁惠芬等采用酶工藝對江蘺進行前處理，從而降低江蘺瓊脂提取的堿消耗量[9]。目前，尚未見有關(guān)江蘺瓊脂提取過程中降低水消耗量的研究報道。

在瓊脂生產(chǎn)過程中，江蘺經(jīng)堿處理后，藻體吸收了大量堿液，需要進行多次（4次以上）浸泡清洗，是導(dǎo)致瓊脂提取耗水量大的最主要原因。因此，減少清洗環(huán)節(jié)耗水量是降低瓊脂生產(chǎn)成本及減少污水排放量的重要環(huán)節(jié)。在工業(yè)生產(chǎn)中，減少水消耗量的措施是對廢水直接重復(fù)使用或經(jīng)過膜過濾[10]、絮凝沉降[11]、電解等方法[12]處理后再重復(fù)使用，后者雖然可以大幅度提高水質(zhì)，但同時也會增加使用成本，而直接重復(fù)利用則具有操作簡單、成本低等特點。江蘺瓊脂提取過程的清洗廢水排放量較大，且成分復(fù)雜，但濃度較低，進行膜過濾、絮凝沉降及電解等處理成本較高，在工業(yè)應(yīng)用中具有一定難度?；诖?，本文提出對江蘺瓊脂提取過程中的清洗用水進行直接重復(fù)使用，研究重復(fù)利用對產(chǎn)品特性的影響，探討其可行性，為減少瓊脂提取過程中的耗水量提供參考。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

江蘺，綠新（福建）食品有限公司提供。硫酸、濃鹽酸、氯化鋇、氫氧化鈉、次氯酸鈉、草酸、乙二胺四乙酸二鈉、間苯二酚、1，1-乙縮醛，均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

恒溫水浴鍋，HWYS型，金壇鴻科儀器廠;分光光度計，7200型，尤尼柯（上海）貿(mào)易有限公司;濁度儀，WGZ-2000型，大龍興創(chuàng)實驗儀器（北京）有限公司;加熱磁力攪拌器，MS-H-Pro+型，大龍興創(chuàng)實驗儀器（北京）有限公司;鼓風(fēng)干燥箱，ZXRD-B5210型，上海智城分析儀器制造有限公司。

1.3 瓊脂提取工藝流程

江蘺清洗、烘干至恒重，稱取100 g，加入1 500 mL濃度為7%的堿溶液，90 ℃處理3 h，排出堿液，用100 mL清水沖洗，再放入1 500 mL清水中浸泡30 min，重復(fù)4次（分別記為第一級清洗、第二級清洗、第三級清洗和第四級清洗）后將江蘺浸泡于1 500 mL清水中，依次加入質(zhì)量濃度為0.1%硫酸、0.015% 乙二胺四乙酸二鈉、0.015%草酸浸泡0.5 h，用1 500 mL水清洗3～4次至中性，加入有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的次氯酸鈉溶液4 mL，漂白0.5 h，水洗至中性后，取出江蘺，放入1 200 mL水于90 ℃進行煮膠3 h，過濾后得膠液，經(jīng)凝固、切塊、凍融、干燥粉碎后得樣品瓊脂。

1.4 ?清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂質(zhì)量的影響

將堿處理后的江蘺放入燒杯中，加入1 500 mL清水清洗0.5 h后，收集第一級清洗廢水F1，代替清水對第二批次堿處理后的江蘺進行第一級清洗，收集清洗廢水F2，并用于第三批次堿處理后江蘺的第一級清洗，得到廢水F3，按此方式對第一級清洗廢水進行7次重復(fù)使用，第二、三、四級清洗及其他工序均按1.3進行，得到各批次瓊脂樣品，以1.3工藝制備的瓊脂樣品作為對照，比較透明度、濁度、硫酸根、3，6-內(nèi)醚半乳糖、凝膠強度、凝固溫度及熔化溫度等指標(biāo)的變化，分析清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂質(zhì)量的影響。

1.5 ?分析測定方法

1.5.1 ?凝膠強度的測定

參照GB 1975-2010 方法測定凝膠強度，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的瓊膠溶液，等量倒入2個100 mL燒杯中，冷卻，待凝膠形成后蓋上表面皿，室溫放置15 h 后，在凝膠強度測定儀上測定凝膠強度。凝膠強度以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%瓊膠（干基計）凝膠在15～20 s 內(nèi)抗破法碼的質(zhì)量（g） 與裝置桿下端的表面積（cm2） 比值表示，單位為g/cm2。

1.5.2 ?透明度的測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊膠溶液，趁熱（高于85 °C）倒入比色皿中，用紫外分光光度計在400～800 nm 間掃描，確定最大吸收波長750 nm，在最大吸收波長處測定樣品的透光率（T）。

1.5.3 ?凝固溫度的測定

配制1.5%瓊膠溶液于10 mL試管中，插入具塞溫度計，保證溫度計水銀球完全被膠液沒過，待膠液完全形成凝膠時，記錄溫度計讀數(shù)。

1.5.4 ?熔化溫度的測定

配制1.5%瓊膠溶液于10 mL試管中，待其室溫凝固后，加入玻璃小球，置于水浴鍋中，從50 °C開始，以每2 min上升1 °C的速度升溫，直至凝膠完全變?yōu)槟z液，玻璃小球接觸試管底部，記錄溫度計讀數(shù)，即為該瓊脂樣品的熔化溫度。

1.5.5 ?濁度的測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊膠溶液，于85 °C倒入濁度瓶中，置于濁度儀中，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。

1.5.6 ?硫酸根含量的測定

參考文獻使用硫酸鋇比濁法[13]，稱取105 °C烘至恒重的K2SO4粉末，用1 mol/L鹽酸配制成0.12 g/L的SO42-溶液，分別取SO42-溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于試管中，用1.0 mol/L鹽酸補至1.0 mL，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的吐溫-BaCl2溶液，混勻后靜置10 min，于360 nm下測定吸光值，得硫酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線（Y=0.460 4X-0.002 4， R2=0.998 9）。

稱取樣品瓊脂0.05 g，加入25 mL 1 mol/L的鹽酸，105 °C下消化5 h，經(jīng)脫色過濾后得澄清消化液。取1.0 mL消化液，按上述方式處理稀釋后，測定其吸光值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算樣品的硫酸根含量。

1.5.7 ?3，6-內(nèi)醚半乳糖含量的測定

參考文獻中的間苯二酚法[14]，配制25 ?g/mL的果糖稀釋液，分別取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于試管中，用去離子水補至1 mL，加入5 mL間苯二酚試劑，在冰水浴中振蕩混勻，于80 °C水浴15 min，取出冰浴1.5 min，在554 nm波長下測定其吸光值，得標(biāo)準(zhǔn)曲線（Y=0.807 7X-0.035 5，R2=0.993 9）。

稱取0.03 g瓊脂樣品，完全溶解后定容至1 000 mL，取1 mL溶液，按上述方式處理后，測定吸光值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算樣品的3，6-內(nèi)醚半乳糖含量。

1.6 ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

應(yīng)用OfficeExcel 2013（微軟，美國）進行統(tǒng)計學(xué)分析計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，使用SPSS-IBM 19.0（IBM，美國）軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂透明度及濁度的影響

如圖1所示，瓊脂的透明度隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)的上升而下降，從94.2%降至87.1%，濁度隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)的增加而上升，由18.2NTU升至37.4NTU。

相關(guān)研究表明，在堿處理過程中，江蘺中的色素、蛋白質(zhì)和脂肪等雜質(zhì)被轉(zhuǎn)化為溶于水的物質(zhì)[8]，清洗時被洗入水中，并在清洗用水重復(fù)使用的過程中不斷富集，導(dǎo)致瓊脂的透明度下降，濁度上升。

我國藥典及國標(biāo)中均沒有瓊脂透明度和濁度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但參考日本微生物培養(yǎng)基用瓊脂標(biāo)準(zhǔn)，瓊脂的濁度需低于20 NTU[15]。實驗結(jié)果表明，循環(huán)使用清洗廢水對堿處理后的江蘺進行清洗，重復(fù)使用次數(shù)不大于3次時，瓊脂的濁度均低于20 NTU，符合日本微生物培養(yǎng)基瓊脂的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂硫酸根及3，6-內(nèi)醚半乳糖含量的影響

圖2表明，瓊脂的硫酸根與3，6-內(nèi)醚半乳糖含量隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)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-內(nèi)醚半乳糖的含量由31%上升至33.3%。相關(guān)研究表明，在堿處理江蘺時，硫酸根從多糖分子上脫離，糖轉(zhuǎn)化為3，6-內(nèi)醚半乳糖[16]。隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)增加，水體中的堿度不斷升高，在浸泡清洗的過程中變向延長了江蘺堿處理時間，從而使瓊脂中的3，6-內(nèi)醚半乳糖的含量有所上升。而硫酸根的增加可能是由于重復(fù)水洗過程中硫酸根在水體中的富集，并不斷吸附在清洗的江蘺上。圖2結(jié)果表明，清洗用水重復(fù)使用3次后，雖然3，6-內(nèi)醚半乳糖的含量有所變化，但從數(shù)值上來看，清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂硫酸根及3，6-內(nèi)醚半乳糖含量的影響并不大。

2.3 清洗用水重復(fù)使用次數(shù)對瓊脂熔化溫度、凝固溫度及凝膠強度的影響

隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)的增加，瓊脂的凝膠強度先增加后降低（圖3），瓊脂的凝固溫度和融化溫度與凝膠強度的變化趨勢相近，但變化較?。▓D4）。有研究表明，瓊脂的凝固溫度與雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)，而熔化溫度與瓊脂的平均分子量相關(guān)[17]。隨著清洗用水的重復(fù)使用次數(shù)增加，水體中的堿濃度增加并繼續(xù)與江蘺中的硫酸根發(fā)生反應(yīng)，使3，6-內(nèi)醚半乳糖含量增加，而3，6-內(nèi)醚半乳糖的增加有益于瓊脂中瓊脂糖形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而增加了瓊脂的凝膠強度。但隨著清洗用水中堿濃度的持續(xù)增加，過度的堿處理使瓊脂降解，不利于雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成，所以瓊脂的凝膠強度和凝固溫度隨之先上升后下降。當(dāng)清洗用水的重復(fù)使用次數(shù)小于3次時，不會對瓊脂的凝膠強度造成不良影響，且清洗用水的重復(fù)使用對瓊脂的相關(guān)指標(biāo)影響較小。

3 結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)，在堿法提取江蘺瓊脂的水洗過程中，隨清洗用水重復(fù)使用次數(shù)增加，瓊脂透明度呈下降趨勢，濁度、硫酸根與3，6-內(nèi)醚半乳糖含量呈上升趨勢，凝固溫度、熔化溫度及凝膠強度呈先上升后下降趨勢;當(dāng)重復(fù)水洗次數(shù)低于3次時，對瓊脂質(zhì)量不會產(chǎn)生顯著影響。

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