乙醇抑制法提取低鉀Kappa-卡拉膠

陳艷紅 伍 菱 姜澤東 倪 輝

(1. 集美大學海洋食品與生物工程學院，福建 廈門 361021；2. 福建省食品微生物與酶工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3. 廈門市食品生物工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021)

Kappa-卡拉膠(Kappa-Carrageenan)是從角叉菜屬、麒麟菜屬、杉藻菜屬和沙菜屬等紅藻中提取的一類硫酸半乳聚糖的統(tǒng)稱[1]，是由(1→3)連接的4-硫酸基-β-D-半乳糖與(1→4)連接的3,6-內(nèi)醚-α-D-半乳糖的重復二糖結(jié)構(gòu)組成[2-3]，具有良好的凝膠特性和流變特性，被廣泛應(yīng)用于食品和化妝品的凝膠劑、穩(wěn)定劑和增稠劑中[4]，且價格較低[5]。將Kappa-卡拉膠應(yīng)用于飲料和水果軟糖加工中，具有果味濃和甜度適宜等特點[6]。此外，與刺槐豆膠[7]及魔芋膠[8]等多糖協(xié)同復配可形成富有彈性、爽口、風味優(yōu)良的凝膠，可作為果凍、布丁的凝膠劑，并應(yīng)用于可食性包裝紙和保鮮膜的開發(fā)中[9]。

目前，工業(yè)提取Kappa-卡拉膠的主要原料是麒麟菜[10]，提取工藝包括堿處理、清洗殘堿、中和、漂白、煮膠、過濾及沉淀等工序。提取過程中，由于Kappa-卡拉膠易溶于水而流失，故傳統(tǒng)提取工藝中通過加入鉀離子使其形成凝膠，堿處理和清洗殘堿過程中需加入10%以上的鉀離子，沉淀環(huán)節(jié)需加入5%以上的鉀離子，因此會導致Kappa-卡拉膠中含有大量鉀離子。而鉀離子偏高易引發(fā)腎慢性疾病、老年人群的過敏及心血管疾??；例如，血鉀高于5.5 mmol/L被稱為高鉀血癥[11]，會導致心臟和肌肉并發(fā)癥，包括致命的心律失常[12]。此外，血清鉀過高時，細胞外液鉀離子濃度升高，使細胞膜對鉀離子的通透性增高，鈣離子內(nèi)流延緩，心肌收縮性減弱[13]。

鉀離子的去除方法主要有化學沉淀法、離子交換法、膜分離法[14]。沉淀法使用的四苯硼鈉、六硝基二苯胺銨鹽等沉淀劑雖然能夠定量沉淀鉀，但由于前者價格昂貴，后者有毒、易爆、危險性大，難以工業(yè)化應(yīng)用[15]。離子交換和膜分離法可去除多種溶液中鉀離子[14]，但對于卡拉膠等黏稠性液體操作成本高、效率低。有研究[16]表明，乙醇對多糖具有良好的沉淀作用及抑制溶解能力，在工業(yè)生產(chǎn)中常用于沉淀回收溶液中的可溶性多糖。研究擬探討乙醇體積分數(shù)對堿處理、清洗殘堿和沉淀卡拉膠等環(huán)節(jié)中抑制Kappa-卡拉膠溶解流失的影響，并進一步分析傳統(tǒng)工藝和試驗工藝中Kappa-卡拉膠的理化指標和性質(zhì)，為降低Kappa-卡拉膠中鉀離子濃度提供一種新方法。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

麒麟菜：含水量35%，綠新(福建)食品有限公司；

乙醇、異丙醇、鹽酸、過氧化氫、氯化鋇、硝酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

NaOH溶液：純度96%，天津天順堿業(yè)有限公司；

KCl：分析純，汕頭精細化學品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒溫水槽：ZSBB-728型，上海智城分析儀器制造有限公司；

鼓風干燥箱：ZXRD-B5210型，上海智城分析儀器制造有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA-XT Plus型，英國Stable Micro System公司；

數(shù)顯黏度計：DV-C型，美國博勒飛公司；

天平：BP-Ⅱ型，上海光正醫(yī)療儀器有限公司；

酸度計：FE20型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

離心機：Avanti J-26S XP型，上海安亭科學儀器廠；

微波消解儀：MDS-2003F型，上海新儀微波化學科技有限公司；

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：Agilent 7500a型，美國Aglient公司。

1.3 乙醇抑制法提取Kappa-卡拉膠工藝優(yōu)化

1.3.1 基本工藝流程

原料→堿處理(60倍12% KCl和10% NaOH溶液，65 ℃處理4 h)→清洗殘堿(60倍12% KCl溶液，常溫浸泡30 min)→煮膠(60倍清水，90 ℃，4 h)→過濾→卡拉膠沉淀→脫水→烘干→粉碎

傳統(tǒng)工藝分別在堿處理、清洗殘堿環(huán)節(jié)中加入12% KCl抑制卡拉膠流失，過濾后加入5% KCl沉淀卡拉膠；試驗在堿處理、清洗殘堿環(huán)節(jié)中加入乙醇抑制卡拉膠流失；過濾后，加入乙醇沉淀卡拉膠。

1.3.2 堿處理過程中乙醇體積分數(shù)優(yōu)化 分別配制300 mL 含不同乙醇體積分數(shù)(0%，20%，40%，60%)的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃靜置4 h，60倍12% KCl溶液清洗3次，干燥后測定干重。對照組為傳統(tǒng)堿處理工藝，即KCl抑制卡拉膠溶解組。根據(jù)干重減少量判斷卡拉膠流失量。

1.3.3 清洗殘堿過程中乙醇體積分數(shù)優(yōu)化 配制300 mL 含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃靜置4 h，分別用300 mL不同體積分數(shù)(0%，20%，40%，60%)的乙醇溶液浸泡堿30 min，清洗殘堿，去除濾液后重復浸泡處理2次，測定卡拉膠含量。

1.3.4 卡拉膠沉淀過程中乙醇膠液體積比優(yōu)化 配制300 mL含60%乙醇的10% NaOH溶液，加入5 g麒麟菜，65 ℃處理4 h，用300 mL 60%的乙醇溶液浸泡清洗殘堿30 min，重復3次，過濾去除酒精溶液，將處理好的麒麟菜放入300 mL清水中，90 ℃煮膠4 h，用8層紗布過濾，分別按V60%乙醇∶V膠液為1∶1，2∶1，3∶1，5∶1進行卡拉膠沉淀試驗，收集沉淀，測定提取液中卡拉膠含量，烘干粉碎后計算得率。

1.4 乙醇抑制法和傳統(tǒng)KCl提取的卡拉膠得率和性質(zhì)對比

對乙醇抑制法和KCl提取法得到的卡拉膠進行得率、鉀離子、凝膠強度、黏度等分析。

1.5 指標測定方法

1.5.1 干重 將樣品于105 ℃烘干至恒重，稱重。

1.5.2 提取得率 粉碎后所得膠粉干重占原料(麒麟菜)干重的百分比即為卡拉膠得率。

1.5.3 K+含量 參照GB 5009.268—2016，按式(1)計算樣品中K+含量。

(1)

式中：

X——試樣中K+含量，mg/kg或mg/L；

ρ——試樣溶液中K+質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ0——試樣空白液中K+質(zhì)量濃度，mg/L；

V——試樣消化液定容體積，mL；

f——試樣稀釋倍數(shù)；

m——試樣稱取質(zhì)量或移取體積，g或mL。

1.5.4 凝膠強度 采用水壓法。

1.5.5 黏度 采用DV-C黏度計測定。

1.5.6 質(zhì)構(gòu)參數(shù) 參照文獻[17]。采用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，探頭為36R，測前、中速度1.00 mm/s，返回速度5.00 mm/s，觸發(fā)力5.00 g，測試形變30%，測試循環(huán)次數(shù)2次。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

使用Excel 2016、SPSS Statistics17.0軟件對不同卡拉膠樣品性質(zhì)進行統(tǒng)計分析，并制作相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿處理過程中乙醇體積分數(shù)優(yōu)化

由圖1可知，堿處理后的樣品得率隨乙醇體積分數(shù)的增大而上升，當乙醇體積分數(shù)為60%時，干物質(zhì)得率為64.2%，接近卡拉膠提取原料的干物質(zhì)極限值(65%)[18]，說明體積分數(shù)為60%的乙醇能夠完全抑制堿處理過程中的卡拉膠流失。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 清洗殘堿過程中乙醇體積分數(shù)優(yōu)化

由圖2可知，使用清水浸洗的樣品得率最低，隨著浸洗液中乙醇體積分數(shù)的增大，樣品得率不斷提高，當乙醇體積分數(shù)為60%時，樣品得率最高，已經(jīng)達到了卡拉膠的理論值。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 卡拉膠沉淀過程中乙醇與膠液體積比優(yōu)化

由表3可知，隨著乙醇提取液用量的增加，卡拉膠得率增大，當乙醇與膠液體積比(V60%乙醇∶V膠液)為5∶1時，卡拉膠提取得率達到28.76%，接近60%乙醇浸洗的(29%)，繼續(xù)增加乙醇與膠液體積比從理論上來說不能顯著增加卡拉膠得率。因此，確定采用5倍膠液體積的60%乙醇溶液沉淀卡拉膠。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.4 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的比較

潘騰等[19]研究表明，傳統(tǒng)方法提取的卡拉膠中氯化鉀含量最高可達33.3%。由表1可知，傳統(tǒng)方法提取的卡拉膠中鉀離子含量為16.26%，而乙醇抑制提取的卡拉膠中鉀離子含量僅為0.63%，說明試驗建立的乙醇抑制法提取卡拉膠的工藝能顯著降低(P<0.05)卡拉膠中鉀離子含量。兩種方法提取的卡拉膠中硫酸根離子含量無顯著性差異，說明乙醇抑制法對卡拉膠中硫酸根離子含量影響極小。乙醇抑制法提取的卡拉膠pH值稍高于傳統(tǒng)方法提取的，可能是清洗殘堿環(huán)節(jié)中乙醇體積分數(shù)高達60%，抑制了殘堿清洗的效率。雖然乙醇抑制法提取的卡拉膠pH值高于傳統(tǒng)方法提取的，但卡拉膠在食品中的添加量一般為0.01%～1.00%，略高的pH值并不會顯著影響被添加的食品體系，因此不會影響卡拉膠的應(yīng)用[20]。

表1 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的卡拉膠得率、K+含量含量及pH?

2.5 乙醇抑制法與傳統(tǒng)KCl法的卡拉膠的應(yīng)用性質(zhì)對比

由表2可知，乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉膠的黏度、硬度、彈性、咀嚼性和回復性與傳統(tǒng)KCl法提取的無顯著性差異。但乙醇抑制法提取的Kappa-卡拉膠凝膠強度顯著低于傳統(tǒng)工藝的(P<0.05)，可能是K+濃度偏低引起的[21-22]。因此，除凝膠強度外，乙醇抑制法提取Kappa-卡拉膠的應(yīng)用性質(zhì)與傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用性質(zhì)基本一致。

3 結(jié)論

乙醇抑制法提取卡拉膠最佳工藝為堿處理及清洗殘堿過程中抑制卡拉膠溶解的乙醇體積分數(shù)為60%，卡拉膠沉淀過程中加入60%乙醇溶液與膠液體積比(V60%乙醇∶V膠液)為5∶1，該工藝條件下卡拉膠得率為(28.76±1.38)%，K+濃度和凝膠強度顯著低于傳統(tǒng)工藝提取的(P<0.05)，黏度、硬度、彈性、咀嚼性和回復性與傳統(tǒng)工藝提取的無顯著性差異。但用該方法提取的Kappa-卡拉膠價格高于用氯化鉀沉淀法提取的價格，如果將超濾膜過濾技術(shù)與乙醇沉淀技術(shù)相結(jié)合，將大幅度降低乙醇用量以及低鉀Kappa-卡拉膠的提取成本，后續(xù)可從該方面探究低鉀Kappa-卡拉膠生產(chǎn)工藝。