無機鹽對I 型卡拉膠脫水工藝的影響

謝立梅，陳靜，鄭慧新，郭少莉，張寧寧

（福建農(nóng)林大學 食品科學學院，福建 福州 350002）

近年來，隨著我國對天然食品添加劑研究的不斷深入[1]，卡拉膠產(chǎn)業(yè)逐漸壯大，我國已成為卡拉膠的生產(chǎn)大國。卡拉膠是一種線性硫酸酯多糖，存在于不同藻類的細胞壁和胞間基質(zhì)中，其主體結(jié)構(gòu)半乳糖和3，6-脫水半乳糖以α-1，3 和β-1，4 糖苷鍵交替連接組成[2]，卡拉膠最早從角叉菜中提取出來，因此也叫角叉菜膠。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)紅藻中的麒麟菜屬（Eucheuma）、角叉菜屬（Chondrus）、沙菜屬（Hypnea）、銀杏藻屬（Iridaea）、叉枝藻屬（Amphiroa）、海蘿屬（Gloiopeltis）及杉藻屬（Gigarlina）等品種均可以提取出卡拉膠[3]，且不同品種的紅藻提取出的卡拉膠類型不同，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)15 種卡拉膠類型[4]，劃分依據(jù)為每個雙糖重復單元所含硫酸根基團數(shù)量和位置、以及是否存在3，6-脫水半乳糖[5]。當前工業(yè)生產(chǎn)卡拉膠的原材料以麒麟菜為主，不同種類的麒麟菜所含的卡拉膠類型不同，菲律賓產(chǎn)耳突麒麟菜藻體內(nèi)主要含有Kappa 卡拉膠[6]，印度尼西亞海域產(chǎn)刺麒麟菜和坦桑尼亞產(chǎn)細齒麒麟菜富含Iota 卡拉膠，海南產(chǎn)瓊枝麒麟菜則是Lambda 卡拉膠的良好來源[7]，它們是最常見的3 種商品化卡拉膠。

卡拉膠廣泛應用于食藥、生化、日用化工、建筑涂料等各領(lǐng)域?？ɡz因具有良好的凝膠性、增稠性、持水性和凍融穩(wěn)定性而廣泛應用于乳、肉、水產(chǎn)制品及冰激凌、果凍等食品的生產(chǎn)加工中[8]。研究已證實，Iota卡拉膠在凝膠特性、流變學特性等方面均優(yōu)于Kappa卡拉膠，更適用于食藥和日用化工等領(lǐng)域，Lambda 卡拉膠則不具備形成凝膠的能力[9]，且Iota 卡拉膠可形成富含彈性的軟凝膠，具有良好的凍融穩(wěn)定性和較強的保水性，是一種極具應用前景的食品膠。因此，順應工業(yè)發(fā)展趨勢探討以更高效率生產(chǎn)Iota 卡拉膠極具意義。

提取和脫水是Iota 卡拉膠生產(chǎn)工藝的核心步驟，卡拉膠膠液脫水方式包括轉(zhuǎn)鼓脫水、壓榨脫水、日曬干燥和濃縮冷凍干燥等，這些脫水方式因具有干燥周期長、能耗大、生產(chǎn)成本高和雜質(zhì)殘留等問題而難以適應工業(yè)大批量生產(chǎn)，因此探討省時、高效且低成本的脫水干燥工藝顯得尤為重要。醇沉法是一種利用大分子物質(zhì)在甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇及丙酮等有機溶劑中不相容的特性進行特定產(chǎn)物提取的方法[10]，目前國內(nèi)已有學者將其應用于卡拉膠脫水過程并證實了該法的可行性，但醇析沉淀需要耗費大量酒精。韓國華等[11]和侯麗麗[12]的研究均表明，向膠液中添加無機鹽離子能夠降低脫水過程中的酒精消耗量且不會對提取結(jié)果產(chǎn)生影響，但二者均未對添加無機鹽溶液后得到的卡拉膠產(chǎn)品的含鹽量進行測定。為提高Iota 卡拉膠的產(chǎn)率、減少工業(yè)生產(chǎn)中的酒精消耗，降低Iota 卡拉膠的生產(chǎn)成本，通過向膠液中分別添加CaCl2、KCl、NaCl 3 種無機鹽，探討無機鹽種類及濃度對膠液脫水干燥中所需酒精量、卡拉膠產(chǎn)率、卡拉膠理化指標及含鹽量的影響，以期開發(fā)節(jié)能、低成本、能夠適用于工業(yè)生產(chǎn)的酒精脫水工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺麒麟菜：福建省綠麒食品膠體有限公司；六偏磷酸鈉：上海源葉生物科技有限公司；無水氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、酒精（95%）：廣通化工有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱恒溫水浴鍋（HWS26）：上?；茖嶒炂鞑挠邢薰荆怀暡ㄇ逑雌鳎↘Q-500VDE）：昆山舒美超聲儀器有限公司；電子分析天平（FA224）、快速水分測定儀（SH10A）：上海菁華科技儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)式黏度計（Alpha R）：廣州優(yōu)萊博儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（DHG-9140A）：上海齊欣科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 Iota 卡拉膠提取工藝及要點

卡拉膠提取工藝流程：刺麒麟菜→預處理→堿處理→退堿→復合酶處理→滅酶→超聲處理→煮膠→過濾→膠液。

工藝要點：1）預處理：水洗去除刺麒麟菜中的鹽類、塑料、貝殼、泥沙等雜質(zhì)，于電熱鼓風干燥箱中烘干后將藻體剪成小段備用；2）堿處理：稱取刺麒麟菜干制品30 g，用8%KOH 溶液浸泡并在75 ℃下恒溫水浴3.5 h；3）退堿：濾去浸泡時的堿液，水洗堿處理后的藻體至中性；4）復合酶處理：按料液比1∶25（g/mL）向藻體中加入去離子水，檸檬酸調(diào)節(jié)pH 值至6.0 后加入纖維素酶0.50%、半纖維素酶1.25%、木瓜蛋白酶0.20%；5）滅酶：90 ℃滅酶10 min；6）超聲處理：將滅酶后的樣品置于超聲波清洗器中進行超聲處理；7）煮膠：向膠液中加入六偏磷酸鈉0.04%，在90 ℃下煮3 h；8）過濾：用200 目尼龍紗布濾去藻渣得到膠液。

1.3.2 脫水工藝優(yōu)化

取1.3.1 卡拉膠膠液，分別加入0.010%、0.015%、0.020% 、0.025% 、0.030% 、0.035% 的 CaCl2，0.10% 、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%的KCl，0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的NaCl，攪拌均勻后將濾出的膠液冷卻至45 ℃左右，加入不同體積酒精，觀察膠液沉淀情況，記錄添加不同種類及濃度無機鹽的膠液完全沉淀所消耗的酒精量，并計算產(chǎn)率。最后對卡拉膠的黏度、凝膠強度及含鹽量進行測定。

1.3.3 產(chǎn)率的測定

采用侯麗麗[12]的方法，用快速水分測定儀測定水分含量，產(chǎn)率（Y，%）按下式計算。

式中：m1為所取刺麒麟菜質(zhì)量，g；m2為Iota 卡拉膠質(zhì)量，g；M1為刺麒麟菜水分含量，%；M2為Iota 卡拉膠水分含量，%。

1.3.4 黏度測定

黏度采用GB 1886.169—2016《食品安全國家標準食品添加劑卡拉膠》[13]中的方法進行測定。

1.3.5 凝膠強度測定

配制濃度為2.0%的卡拉膠溶液，冷卻凝固后使用質(zhì)構(gòu)儀測定凝膠強度。選擇P/0.5R 測試探頭，測前速率為1.5 mm/s，測中速率為1.0 mm/s，測后速率為1.0 mm/s，觸發(fā)力為5 g，壓縮距離為20 mm。連續(xù)測試3 次取其平均值，并計算標準差。

1.3.6 含鹽量測定

含鹽量參照GB 5009.44—2016《食品安全國家標準食品中氯化物的測定》[14]中的電位滴定法進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗結(jié)果以平均值±標準差表示，采用Origin－Pro7.0 軟件作圖，并結(jié)合SPSS 軟件進行顯著性分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機鹽離子對酒精消耗量及產(chǎn)率的影響

無機鹽離子對酒精消耗量的影響如圖1～圖3 所示。

圖1 CaCl2 添加量對酒精消耗量及產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of CaCl2 dosages on alcohol consumption and yield

圖2 KCl 添加量對酒精消耗量及產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of KCl dosages on alcohol consumption and yield

圖3 NaCl 添加量對酒精消耗量及產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of NaCl dosages on alcohol consumption and yield

由圖1～圖3 可知，CaCl2、KCl 和NaCl 的膠液最終產(chǎn)率與空白組相比無顯著性差異，說明膠液中的Iota卡拉膠已經(jīng)沉淀完全。不添加無機鹽時，Iota 卡拉膠完全沉淀需要消耗200 mL 酒精，而當膠液中CaCl2添加量達到0.020%時，酒精消耗量降為原來的2/5，進一步增加CaCl2添加量，酒精消耗量不再減少；當膠液中KCl 添加量達到0.4%時，酒精消耗量降為原來的1/2，進一步增加KCl 添加量，酒精消耗量不再減少；當膠液中NaCl 添加量達到0.20%時，酒精消耗量降為原來的2/5，NaCl 添加量大于0.20%時，酒精消耗量有所增加，試驗表明，添加量范圍內(nèi)3 種無機鹽離子均對減少膠液脫水過程酒精消耗量有積極作用。

無機鹽離子能夠減少酒精消耗量可能是因為無機鹽離子對卡拉膠分子的水合作用產(chǎn)生了影響。醇沉法是指向體系中加入乙醇使體系含醇量達到一定水平，從而使某些在醇溶液中溶解度較低的物質(zhì)沉淀析出來的一種脫水方法。當膠液中不存在無機鹽離子時，要使卡拉膠大分子完全沉淀，必須向體系中添加大量的酒精以達到大分子物質(zhì)析出所需的醇濃度，而溶液中加入陽離子試劑，實際上充當了卡拉膠大分子的助沉淀劑，陽離子作用屏蔽了雜化卡拉膠的帶電硫酸鹽基團，增進卡拉膠分子間的交聯(lián)，在不改變產(chǎn)物分子量的前提下[15]，降低其在熱水中的溶解能力從而有效促進卡拉膠大分子的沉淀，且Youssouf 等[16]通過核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）分析表明，添加CaCl2后沉淀得到的樣品與僅用乙醇沉淀得到的樣品在成分上沒有顯著差異。

不同的陽離子對卡拉膠溶液構(gòu)象轉(zhuǎn)變的影響不同，這歸因于不同的陽離子與螺旋結(jié)構(gòu)之間特異性結(jié)合的位置差異，鈣離子在雙螺旋線之間結(jié)合，單價離子與單個螺旋線結(jié)合[9]，與KCl 相比，CaCl2能夠在更低濃度下就達到更好地減少酒精消耗效果，是因為提取的卡拉膠以Iota 型為主，而Iota 型卡拉膠因含有較多的硫酸基團所帶負電荷也更高，二價陽離子的加入能夠更好地起到陰離子屏蔽效果[17]，故在較低濃度的CaCl2環(huán)境中，卡拉膠就能達到很好的膠凝效果。KCl 和NaCl的添加對酒精消耗量的影響總體上相似，但在高濃度的KCl 下酒精消耗量不變，而高濃度的NaCl 使酒精消耗量增加，分析原因為高鹽濃度下，Na+為卡拉膠膠構(gòu)象轉(zhuǎn)變的非特異性離子，膠液中的卡拉膠分子以鈉鹽的形式廣泛存在，使其膠凝性能下降而不易沉淀析出，而K+的存在誘導卡拉膠雙螺旋的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，構(gòu)象轉(zhuǎn)變導致卡拉膠大分子聚集體的形成，通過形成剛性雙螺旋來促進凝膠化，高濃度的K+進一步誘導這種構(gòu)象轉(zhuǎn)變，使得混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)固易于析出。

2.2 無機鹽離子對卡拉膠理化指標的影響

無機鹽離子對卡拉膠理化指標的影響如圖4～圖6 所示。

圖4 CaCl2 添加量對卡拉膠黏度和凝膠強度的影響Fig.4 Effect of CaCl2 dosages on carrageenan viscosity and gel strength

圖5 KCl 添加量對卡拉膠黏度和凝膠強度的影響Fig.5 Effect of KCl dosages on carrageenan viscosity and gel strength

圖6 NaCl 添加量對卡拉膠黏度和凝膠強度的影響Fig.6 Effect of NaCl dosages on carrageenan viscosity and gel strength

由圖4～圖6 可知，卡拉膠黏度隨CaCl2、KCl、NaCl添加量的增大而減??；凝膠強度隨CaCl2及KCl 添加量的增大而增大，NaCl 添加量低于0.10%時，卡拉膠凝膠強度變化不顯著，NaCl 添加量大于0.10%時，凝膠強度隨NaCl 添加量的增加逐漸降低。研究發(fā)現(xiàn)，CaCl2能夠顯著提高卡拉膠的凝膠強度，添加量為0.020%時，卡拉膠黏度為（162.67±0.47）mPa·s，凝膠強度可達（73.03±1.82）g/cm2；KCl 能夠提高卡拉膠凝膠強度，添加量為0.4%時，卡拉膠黏度為（153.00±2.05）mPa·s，凝膠強度為（59.64±0.35）g/cm2；高濃度NaCl 將導致卡拉膠的黏度和凝膠強度顯著下降，添加量為0.20%時，卡拉膠黏度為（157.33±2.36）mPa·s，凝膠強度為（42.02±0.64）g/cm2。

通常情況下，由于硫酸鹽基團之間的電荷斥力，兩個卡拉膠螺旋不能相互靠近，除非體系中存在用于平衡電荷和連接它們的陽離子。大量研究表明，Ca2+、K+等陽離子的存在均能使卡拉膠的凝膠強度增強，這是因為卡拉膠分子上的硫酸基團所攜帶的負電荷，使卡拉膠鏈段之間產(chǎn)生排斥力，陽離子的加入能有效屏蔽分子鏈之間的靜電排斥作用，使分子鏈形成電中性排列，促進卡拉膠螺旋之間形成致密的凝膠束[18]，增加卡拉膠凝膠的穩(wěn)定性和強度。對于Kappa 型和Iota 型卡拉膠而言，結(jié)構(gòu)上的差異導致二者膠凝特性的差異，Kappa 型能在K+存在時形成脆而硬的強凝膠[19]，而Iota 型卡拉膠構(gòu)象的轉(zhuǎn)變對Ca2+特別敏感，可在其作用下形成柔軟的彈性凝膠。

試驗結(jié)果顯示，Ca2+對卡拉膠凝膠強度的提升效果優(yōu)于KCl，可能是因為Ca2+在兩方面發(fā)揮了作用，一是在分子內(nèi)發(fā)揮作用，即內(nèi)醚橋的氧原子通過Ca2+與4-SO4之間形成內(nèi)橋；另一方面是在分子之間發(fā)揮作用，3，6-內(nèi)醚-D-半乳糖單位2-SO4的氧鍵通過Ca2+進行結(jié)合，使相鄰兩個螺旋交聯(lián)成更緊密的大分子基團，而K+只能發(fā)揮前一種作用[9]，故Ca2+具有更好的增強凝膠強度的作用。此外，根據(jù)相關(guān)研究報道，Iota 卡拉膠帶有較多的負電荷，凝膠作用主要由離子強度更高的Ca2+促進，Kappa 型卡拉膠的凝膠作用主要由K+促進[20]，本研究提取的卡拉膠以Iota 型為主，因此K+提升膠體凝膠強度效果不明顯。Mangione 等[21]通過研究Na+、K+對卡拉膠凝膠特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同電解質(zhì)類型對卡拉膠凝膠特性的影響不同，相較Na+，K+存在下的膠體凝膠強度更大、結(jié)構(gòu)更加均勻有序。華旭[22]也曾報道，一定濃度的Na+會削弱卡拉膠螺旋之間的相互作用，使卡拉膠的膠凝特性受到干擾，導致凝膠強度降低，當體系中卡拉膠全部以鈉鹽形式存在時，甚至會失去在水中凝固的能力，這可以用來解釋Na+濃度超過0.20%后，卡拉膠凝膠強度出現(xiàn)顯著降低這一現(xiàn)象。在氯化鈉添加量低于0.20%時，卡拉膠凝膠強度與空白組相比差異不顯著，分析原因可能為低濃度Na+存在下，卡拉膠沒有構(gòu)象轉(zhuǎn)變所帶來的有序化卡拉膠鏈，從而無法形成卡拉膠大分子聚集體，導致卡拉膠凝膠強度變化不顯著。

卡拉膠黏度隨3 種無機鹽濃度的增加均呈現(xiàn)降低趨勢，這一方面是因為卡拉膠硫酸基團攜帶的負電荷被陽離子所中和，半酯式硫酸根之間的相互作用力減弱，導致卡拉膠大分子的伸展性減小[23]；另一方面則是因為卡拉膠大分子的親水性能因電解質(zhì)的存在而降低，形成的水化層變薄，導致溶液黏度降低[24]，添加的陽離子濃度越大，降低溶液中滯留水含量的能力越強，黏度下降越明顯。

2.3 無機鹽離子對卡拉膠含鹽量的影響

無機鹽離子對卡拉膠含鹽量的影響如圖7～圖9所示。

圖7 CaCl2 添加量對卡拉膠含鹽量的影響Fig.7 Effect of CaCl2 dosages on salt content of carrageenan

未添加無機鹽離子的膠液提取出的卡拉膠有一定的含鹽量，這與原材料的生長環(huán)境有關(guān)，不同組間的空白組含鹽量不同，分析原因為選取的原材料生長狀況存在差異所致。如圖7 所示，添加CaCl2的膠液，提取出的卡拉膠的含鹽量與空白組無顯著性差異，這可能是因為CaCl2添加量相對較低；添加KCl 組（圖8）和NaCl 組（圖9）的膠液，提取出的卡拉膠的含鹽量隨KCl 或NaCl 濃度的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢，其中添加0.6%KCl 的膠液提取出的卡拉膠含鹽量相較空白組增加0.46%，添加0.3%NaCl 的膠液提取出的卡拉膠含鹽量相較空白組增加0.14%，與相關(guān)研究對比，試驗提取的卡拉膠含鹽量處于較低水平，說明該工藝提取的卡拉膠符合品質(zhì)要求，不因無機鹽的添加導致卡拉膠含鹽量急劇上升而超出標準范圍，通過加入無機鹽來減少卡拉膠脫水工藝中酒精消耗量的方法是可行的。

圖8 KCl 添加量對卡拉膠含鹽量的影響Fig.8 Effect of KCl dosages on salt content of carrageenan

圖9 NaCl 添加量對卡拉膠含鹽量的影響Fig.9 Effect of NaCl dosages on salt content of carrageenan

3 結(jié)論

通過對比研究3 種無機鹽對膠液脫水醇沉中酒精消耗量、卡拉膠產(chǎn)率、卡拉膠理化指標及其含鹽量的影響，發(fā)現(xiàn)添加無機鹽對卡拉膠產(chǎn)率沒有顯著影響。當膠液中CaCl2添加量為0.010%～0.035%和膠液中NaCl 添加量為0.05%～0.20%時，能夠有效減少酒精消耗量且不對卡拉膠的含鹽量產(chǎn)生明顯影響，而膠液中KCl 添加量為0.1%～0.6%時，能夠有效減少酒精消耗量但對卡拉膠含鹽量產(chǎn)生顯著影響，卡拉膠含鹽量隨KCl 添加量的增加而增加。此外，在試驗添加范圍內(nèi)，隨CaCl2和KCl 添加量的增加，卡拉膠的凝膠強度顯著提高，但其黏度卻顯著下降，而高濃度NaCl 將導致卡拉膠的黏度和凝膠強度顯著下降。