瓊脂提取及深加工研究進展

林坤城

摘 要： 瓊脂作為三大海藻膠之一，廣泛用于食品、生物、醫(yī)藥、日化等行業(yè)。經(jīng)瓊脂加工得到的產(chǎn)品，如瓊脂糖、瓊膠寡糖等，也具有非常高的應用價值。對瓊脂的提取工藝及深加工研究進展進行綜述，闡述了瓊脂主要提取工藝高溫高壓法、堿法提取工藝、酶法輔助提取工藝的優(yōu)缺點，分析瓊脂深加工的主要應用范圍，并展望瓊脂提取工藝及深加工研究發(fā)展方向，旨在為瓊脂在各領(lǐng)域的進一步應用提供參考。

關(guān)鍵詞： 瓊脂;提取;深加工;研究進展

DOI：? 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.09.018

Research Progress in Extraction and Deep Processing of Agar

LIN Kun-cheng

（1. Fujian Lvqi Food Gel Co.， Ltd.， Zhangzhou， Fujian 363100;

2. Fujian Engineering Technology Research Center of Algae Polysaccharide Enterprise， Zhangzhou， Fujian 363100）

Abstract：? As one of the three major alginates， agar is widely used in food， biology， medicine， daily chemical and other industries. The products processed by agar， such as agarose， agar oligosaccharide， etc.， also have very high application value. In this paper， the research progress in agar extraction technology and deep processing were reviewed. The advantages and disadvantages of agar extraction technologies of agar， such as high temperature and pressure method， alkaline extraction technology， and enzymatic assisted extraction technology were described， and the main application scope of agar deep processing was analyzed， and the development direction of agar extraction technology and deep processing were forecasted， in order to provide reference for the further application of agar in various fields.

Key words：? Agar; extraction; deep processing; research progress

地球海洋遼闊，海洋中蘊藏著豐富的自然資源。海藻作為其中重要的組成部分，品種繁多，應用價值高，其中具有經(jīng)濟價值的多達100多種，以紅藻、褐藻、綠藻和藍藻為主[1-2] 。海藻不僅含有多種具有生物活性的多糖類物質(zhì)，而且富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)以及酚類物質(zhì)等抗氧化成分[3] ，廣泛應用于食品、醫(yī)藥、日化等方面。

瓊脂是一種天然水溶性高分子多糖，由瓊脂糖和瓊脂膠兩部分組成，其中瓊脂糖是具有凝膠作用的中性多糖，由 1，3 β D? 半乳糖和1，4 3 ，6內(nèi)醚 ɑ L? 半乳糖結(jié)合成的鏈狀結(jié)構(gòu) 。瓊脂膠結(jié)構(gòu)與瓊脂糖相似，但因其碳鏈上含有硫酸基、丙酮基、甲氧基等基團，而硫酸基是影響瓊脂凝膠強度的主要因素，故瓊脂膠不具有凝膠作用[4-5] 。

瓊脂主要是從江蘺、石花菜、雞毛菜、紫菜等紅藻類海藻細胞壁中提取得到[6] 。瓊脂性能特殊，獨特的凝膠性和凝膠穩(wěn)定性，使其廣泛應用于食品、醫(yī)藥、日化、生物工程等方面。瓊脂可作為增稠劑、乳化劑、膠凝劑、賦形劑、助懸劑、水分保持劑，應用于乳制品、糖果、糕點、罐頭、冷飲、飲料、肉制品等食品工業(yè)中[7] ;瓊脂還可作為澄清劑用于酒、醬油、食醋等釀造產(chǎn)品中[8] 。在生物醫(yī)藥方面，瓊脂因不易被微生物分解利用，因此常用于微生物培養(yǎng)基，也用于醫(yī)藥方面的藥膏基材。隨著瓊脂全球需求量的增加，關(guān)于瓊脂的深加工也越來越受到關(guān)注。本文就瓊脂的提取工藝及深加工研究進展進行綜述，以期為瓊脂在各領(lǐng)域的進一步應用提供參考。

1 瓊脂提取工藝

1.1 高溫高壓法

瓊脂提取傳統(tǒng)方法是高溫高壓法，提取流程：原料處理→浸泡→煮膠→過濾→冷卻→脫水→干燥→ 粉碎→包裝。該提取工藝簡單，因沒有經(jīng)過酸堿處理，瓊脂分子破壞較少，提取率較高，但同時也因沒有堿處理去除硫酸根，導致瓊脂凝膠強度較低。一般此法適用于硫酸基含量較低的原料，如石花菜。

1.2 堿法提取工藝

堿法工藝常見有低溫高堿、中溫高堿和高溫稀堿3種，堿處理在瓊脂提取過程中的作用是脫除硫酸基和色素，以提高瓊脂的品質(zhì)。堿法工藝提膠流程：原料處理→堿處理→漂洗→酸處理→漂洗→漂白→漂洗→煮膠→過濾→冷卻→脫水→干燥→粉碎→ 包裝。中低溫高堿法提取瓊脂，因溫度適中，生產(chǎn)工藝較易控制，但因用堿量大，清洗耗水量大，環(huán)境負擔大，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本較高。高溫稀堿法堿濃度較低，環(huán)境污染較小，生產(chǎn)周期短，但因提取溫度較高，生產(chǎn)工藝不易控制，堿在高溫條件下容易破壞瓊脂，導致膠質(zhì)流失，降低產(chǎn)率。

為更好地利用堿法工藝提取瓊脂，學者們一直在不斷探索其工藝條件。在中低溫高堿提取瓊脂方面，戚勃等[9] 通過研究堿處理溫度、處理濃度和時間對龍須菜瓊脂凝膠強度的關(guān)系，為采用冷堿法提取龍須菜瓊脂的工業(yè)化提供理論依據(jù)。關(guān)于高溫稀堿法提取瓊脂方面的研究較多。穆凱峰等[10] 采用高溫稀堿法提取壇紫菜瓊脂，以瓊脂得率、凝膠強度等為考察指標，通過試驗得出提取率較高、品質(zhì)較佳的工藝條件。高溫條件下，采用堿法提取瓊脂容易造成膠質(zhì)流失。Arvizu等[11] 研究堿處理時間對提取江蘺瓊膠的影響，結(jié)果表明，瓊脂提取率和凝膠強度隨堿處理時間的延長而降低，在當堿處理時間為0.5 h時，二者均達到最大值。李來好等[12] 研究高溫稀堿法提取江蘺瓊脂的工藝條件，表明在堿處理過程中，加入適量的蒽衍生物可降低堿處理過程中江蘺膠質(zhì)的流失，從而提高瓊脂的提取率。宗培杰等[13] 在提膠過程中，加入適量的食用表面活性劑，促進細胞壁的破壞，加速膠質(zhì)的溶出。此外，在廢堿液中加入適量活性炭處理，吸附堿液中的雜質(zhì)，能夠提高堿液純度，促進廢堿液的循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本。

1.3 酶法輔助提取工藝

酶法輔助提取工藝的特點是利用纖維素酶在堿處理前或處理后作用于藻體，加速破壞藻體的細胞壁，從而促進膠質(zhì)溶出。邱慧霞等[14] 對纖維素酶輔助提取江蘺瓊脂的工藝進行研究，在堿處理之后加入適量的纖維素酶處理江蘺菜，然后再煮膠，不僅提高了瓊脂的得率，而且不影響瓊脂的凝膠強度。該研究不僅優(yōu)化瓊脂的最佳提取工藝，而且研究發(fā)現(xiàn)江蘺藻經(jīng)酶處理后，用活性炭替代化學試劑進行漂白，既減少了清洗次數(shù)，縮短了生產(chǎn)周期，又減緩了對環(huán)境的污染。此外，考慮采用硫酸酯酶輔助纖維素酶處理江蘺菜，降解瓊脂上的硫酸基，減少堿液和清洗水的用量，對降低生產(chǎn)成本、節(jié)能減排具有重要意義。

2 瓊脂深加工

瓊脂作為天然多糖，由于分子量大、溶解性差等缺點，大大限制了其應用。將瓊脂進行適當處理，賦予其新的性能，是擴大瓊脂應用范圍的重要方法。目前，關(guān)于瓊脂的深加工應用主要集中在利用瓊脂提取瓊脂糖和通過降解瓊脂制備瓊膠寡糖，而關(guān)于瓊脂改性方面的研究，相對較少。

2.1 瓊脂糖提取

瓊脂糖，亦稱瓊膠素，是瓊脂的重要組成成分，不含或含少量硫酸酯（鹽）的非離子型多糖。瓊脂糖的提取方法主要有碘化鈉法、乙酰化法、聚乙二醇法、十六烷基氯化吡啶法（CPC）、二甲基亞砜法（DMSO）、EDTA? Na 2法、DEAE 纖 維素法、硫酸銨法、磷酸鈉法、尿素法等。雖然方法不同，但最終目的都是將瓊脂中的硫瓊脂和瓊脂糖分離，以純化瓊脂糖。關(guān)于各種提取方法，李龍[15] 和閆紹鵬[16] 已作了較詳細的介紹。

2.2 瓊膠寡糖的制備

瓊膠寡糖，是瓊脂經(jīng)降解后形成的聚合度在2～ 10的低聚糖，由瓊二糖的重復單位連接而成，具有優(yōu)良的生物活性，如抗氧化[17-19] 、抗腫瘤[20-21] 、抑菌[22] 、美白保濕[23-24] 等功能。國內(nèi)外對瓊膠進行降解的方法主要有化學降解法和酶降解法。目前，國內(nèi)外制備瓊膠寡糖主要通過化學法和酶法降解瓊脂而得到。

2.2.1 化學降解法?? 化學法制備瓊膠寡糖主要包括酸降解、氧化還原降解和衍生化降解3種途徑。其中，以酸降解法較為常用。采用稀酸，以鹽酸和硫酸常見，通過直接加酸、逐級加酸或非均相等方法對瓊脂進行降解，兩種酸降解得到的產(chǎn)物有所不同。其中，鹽酸降解的產(chǎn)物含較高的聚合度為3～8的寡糖含量，而硫酸降解的產(chǎn)物多為單糖和二糖[25-26] 。毛文君等[27] 采用酸解法制備了一種包括瓊?cè)?、瓊五糖、瓊七糖、瓊九糖的奇?shù)瓊膠寡糖單體。通過酸降解法，于廣利等[28] 也制備了一種聚合度為2～20的偶數(shù)瓊膠寡糖醇單體，該單體不僅可以用于制備寡糖標準試劑，也能作為中間體進一步制備海洋寡糖藥物或寡糖保健品。酸法制備瓊膠寡糖工序較繁瑣，需要經(jīng)過中和、脫鹽等處理，所得產(chǎn)物成分較復雜，工藝重復性差，而且酸解過程中容易引起糖結(jié)構(gòu)的破壞，影響寡糖活性。此外，使用的化學試劑增加了廢水處理成本。因此，學者們致力于尋找一種更高效經(jīng)濟的瓊膠寡糖制備方法。

2.2.2 酶降解法?? 瓊膠酶主要來源于微生物，通過微生物發(fā)酵，可以得到純度較高的瓊膠酶制劑。通過瓊膠酶水解瓊脂得到寡糖，是制備瓊膠寡糖的一個非常重要的方法。與傳統(tǒng)的酸降解法相比，酶法制備具有高效性和底物專一性，反應條件溫和，產(chǎn)物純度高，對環(huán)境無污染等優(yōu)點。瓊膠酶可分為α 瓊 膠酶和β 瓊 膠酶2種，二者水解瓊脂得到的產(chǎn)物不同。α 瓊 膠酶作用于瓊膠糖的α 1? ， 3糖苷鍵，產(chǎn)物是以3 ， 6 內(nèi) 醚? α L? 半乳糖為還原性末端的瓊寡糖;β? 瓊膠酶作用于瓊膠糖的β 1? ， 4糖苷鍵，產(chǎn)物是以D 半 乳糖為還原性末端的新瓊寡糖[29] 。于文功等[30-31] 利用來自大腸桿菌重組株 DHα pET24 agaA的瓊膠酶，發(fā)明了一種制備聚合度4、6的新瓊寡糖的方法。此外，還利用由β? 瓊 膠酶 AgaB 基因高效表達的大腸桿菌BL21（DE3）?? pET24 agaB 工程菌株所產(chǎn)的瓊膠酶，水解瓊膠糖得到聚合度不同的新瓊寡糖。酶法制備瓊膠寡糖具有較好的發(fā)展前景，但是由于酶制劑的規(guī)?；a(chǎn)尚未成熟，產(chǎn)量有限，而且分離純化技術(shù)仍在不斷探索中，目前尚停留在實驗室階段。

2.3 瓊脂的改性

瓊脂的改性指通過物理、化學或生物的方法，使原瓊脂的性能發(fā)生改變，從而達到改性的目的。

2.3.1 物理改性?? 瓊脂改性常用的物理方法主要有輻射、超聲、微波、高壓、擠壓等。徐博等[32] 采用雙螺桿擠壓技術(shù)對江蘺瓊脂粉進行改性，通過研究溫度、料水比、螺桿轉(zhuǎn)速、模孔直徑對瓊脂低溫溶解性質(zhì)的影響，經(jīng)響應面分析得到當溫度為126℃ 、料水比為0.37 mL·g-1? 、螺桿轉(zhuǎn)速為150 r·min-1? 、膜孔直徑為6 mm時，瓊脂具有良好的低溫溶解性（60℃）及凝膠強度（683.6 g·cm-2? ），為溫敏性物質(zhì)與瓊脂的共同應用提供參考。劉麗紅等[33-34] 研究了微波處理和鈷 60 輻射處理對瓊脂性能的影響，試驗表明：瓊脂經(jīng)微波或輻射 處理后，其凝膠強度、黏度、溶解溫度、3 ， 6 內(nèi) 醚半乳糖含量等指標均有所下降。楊松濤[35] 采用高壓或超高壓設備處理瓊脂，經(jīng)噴霧干燥或微波處理等處理，制備得到低溫速溶瓊脂。

2.3.2 化學改性?? 化學改性是指在原瓊脂分子上引入新的基團，使其性質(zhì)發(fā)生改變。Zhang等[36-37] 分別采用環(huán)氧丙烷和過氧化氫對瓊脂進行改性。瓊脂經(jīng)環(huán)氧丙烷的羥丙基化后得到羥丙基瓊脂，改性后的瓊脂物理指標如溶解溫度、融化溫度、凝膠溫度、凝膠強度、吸濕性和熱穩(wěn)定性都發(fā)生了變化。經(jīng)過氧化氫處理得到的氧化瓊脂，羧基含量提高，而黏度、凝膠強度、旋光度等降低，脆性、彈性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性有所減弱;除此之外，氧化后的瓊脂的凝膠結(jié)構(gòu)保留與原瓊脂相同的網(wǎng)絡狀的多孔結(jié)構(gòu)，但孔隙較小且緊密。Xia等[38] 對瓊脂進行改性，得到醋酸鹽瓊脂，乙酰化后的瓊脂理化性質(zhì)發(fā)生變化，隨著取代度的增加，瓊脂的凝膠強度、融化溫度、凝膠溫度、黏度、彈性、熱穩(wěn)定性均下降，而保水性提高。問莉莉[39] 采用戊二醛改性瓊脂，通過交聯(lián)作用得到高凝膠強度的瓊脂。試驗通過單因素分析和響應面設計，確定改性工藝的最佳參數(shù)，在戊二醛濃度為3%、溫度56℃下，反應10 min，得到的改性瓊脂的凝膠強度達到1 785? g·cm-2? ，較原瓊脂提高了110%。張曉川[40] 將瓊脂原料加入至強堿溶液中，加入脫甲氧基試劑（過氧化氫）進行反應處理，之后再以過氧化氫酶脫除殘留的過氧化氫，從而制備得到具有低融化溫度、溶解溫度和凝膠溫度的新型瓊脂。

2.3.3 生物改性?? 瓊脂具有一定的蛋白質(zhì)含量，主要來源于提取瓊脂的原料，如江蘺海藻等。在提取過程中，堿處理雖然可以去除原料大部分的礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)，但還有一部分蛋白質(zhì)存在于提取的瓊脂中。問莉莉[39] 采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（TG酶），利用瓊脂中少許的蛋白質(zhì)對瓊脂進行交聯(lián)改性，通過單因素試驗和響應面分析，得到最佳工藝參數(shù)：在溫度58℃、pH值為6時，加入濃度為3.5%的TG酶，反應11 min，此條件下得到的瓊脂的凝膠強度達到1 145? g·cm-2? ，較原瓊脂提高了35%，改性效果明顯。

3 展望

我國海藻資源豐富，江蘺養(yǎng)殖技術(shù)成熟，瓊脂產(chǎn)量居世界前列。瓊脂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動我國海藻養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，對改善海洋環(huán)境、提高勞動就業(yè)率等具有良好的推動作用。除此之外，瓊脂及其加工產(chǎn)物也在各行各業(yè)中體現(xiàn)其應用價值，除食品方面外，生化領(lǐng)域、海洋藥物、日化工業(yè)等也都扮演重要角色。

瓊脂的生產(chǎn)目前主要采用高溫稀堿法，工藝技術(shù)已經(jīng)很成熟。而酶法輔助工藝尚處于試驗階段，加以深入研究，對改善堿用量和降低污水處理成本，具有重要意義。此外，也可考慮使用瓊脂硫酸酯酶輔助纖維素酶脫除瓊脂硫酸基，進一步降低堿液用量。在瓊脂的深加工方面，瓊脂糖作為其中一個重要方向，是擴展瓊脂應用領(lǐng)域的重要組成部分。然而，目前國內(nèi)瓊脂糖產(chǎn)品質(zhì)量及市場份額均不及國外進口產(chǎn)品，加上國內(nèi)關(guān)于瓊脂糖改性方面的研究較少，阻礙了我國瓊脂糖及其衍生產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，深入開展瓊脂糖及其衍生產(chǎn)品的研究，有利于提高國內(nèi)瓊脂糖品質(zhì)及瓊脂糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。瓊膠寡糖具有優(yōu)良的生物活性，其潛在的應用價值吸引著相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的青睞。關(guān)于瓊膠寡糖的生物活性機理目前尚處于研究階段，尤其關(guān)于新瓊寡糖在益生元的應用方面，有待進一步研究。國內(nèi)關(guān)于淀粉改性方面的研究較成熟，若能加以借鑒，應用在瓊脂方面，對增加瓊脂衍生產(chǎn)品的種類、擴大瓊脂應用領(lǐng)域意義深遠。

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