龍須菜中瓊膠的提取及質量分數的影響

瓊膠在食品、工業、醫藥和生物工程中發揮著不可替代的作用。隨著社會的發展,瓊膠的需求量不斷增加。瓊膠的原料主要是石花菜屬和江蘺屬等海藻。龍須菜(Gracilarialemaneiformis)是江蘺屬的一個重要養殖物種,屬紅藻門(Rhodophyta)、紅藻綱(Rhodophyceae)、真紅藻亞綱(Florideae)、杉藻目(Gigartinales)、江蘺科(Gracilariaceae)江蘺屬(Gracilaria)。野生龍須菜在我國主要分布在山東沿海潮間帶。它分枝多,生長快,單茬667m2產(1000m繩長)干品1.5t以上,最適生長溫度為15～25℃。龍須菜瓊膠質量分數高達20%以上,所產瓊膠經改性后是江蘺中質量最好的,正逐漸取代石花菜成為瓊膠生產的主要原料。目前,龍須菜在我國已經成為繼海帶、紫菜、裙帶菜之后的第四大栽培海藻。但該物種在原產地不能渡夏和越冬,更不能有效地積累生物量。實現龍須菜的南移栽培后,該物種可秋冬春三季連續生長。據不完全統計,龍須菜瓊膠產量已占我國瓊膠產量的80%左右,成為沿海地區重要的經濟海藻。龍須菜瓊膠的提取方法一般多采用堿處理后再加熱的方法,但經堿處理后往往會大大降低瓊膠的產率。作者對龍須菜中瓊膠的提取方法進行了多種嘗試,并對影響瓊膠產率和質量的提取溫度、堿處理的濃度和堿處理的溫度等因素進行了考察,旨在找到一條更為經濟合理的提取瓊膠的方法。1材料和方法1.1新鮮龍須菜的制備龍須菜采于青島嶗山曲家莊養殖區,將剛采來的新鮮龍須菜用海水洗凈沙土及其表面的浮游生物,再用蒸餾水清洗2次,鋪成薄層晾干表面水分,于60℃干燥箱中烘干,取出放密封袋中保存備用。1.2龍眼膠提取方法1.2.1龍須菜液制備按照文獻的方法略加修改:稱取5.00g干龍須菜,加200mL一定濃度的NaOH溶液放恒溫水浴中加熱堿處理2h。用4層紗布過濾,蒸餾水洗滌3次,用0.1mol/L鹽酸中和至pH6.5左右,用去離子水洗2次。將水洗后的龍須菜放在錐形瓶中,加300mL蒸餾水,用棉花塞塞住瓶口放高壓鍋中,控制溫度在120～125℃下煮2h。降溫后,取出錐形瓶用8層紗布過濾,向濾渣中再加150mL蒸餾水,同樣條件下煮1h,過濾,合并兩次濾液。濾液經凍-融除水后,冷凍干燥。1.2.2冷熱回收法堿處理步驟同1.2.1。加300mL蒸餾水于盛有龍須菜的圓底燒瓶中,冷凝回流,100℃沸水提取。其余步驟同高壓鍋法。1.2.3取式中超聲輔助鍋爐法和超聲輔助鍋爐法用高壓鍋提取前,先用微波爐或超聲波清洗器進行微波或超聲波處理一定時間,其余步驟同1.2.1高壓鍋法。1.2.4微波提取法堿處理和提取后的處理和高壓鍋提取法一樣,提取時采用微波爐代替高壓鍋加熱。1.2.5恒溫水浴的提取方法堿處理后,用90℃恒溫水浴提取瓊膠。提取時間和加水量同高壓鍋提取法。1.3瓊氏橡膠性能測定1.3.1紅外轉換光譜取瓊膠1mg,KBr壓片,紅外掃描1000～4000cm-1區間(NICOLETMagna750傅立葉紅外轉換光譜儀)。1.3.2瓊氏紫外光譜分析取0.01%瓊膠溶液在200～800nm區間用UV-757CRT紫外分光光度計(上海精密儀器有限公司)進行掃描。1.3.3比濁法瓊膠樣品加2mol/L的HCl,封管后在100～105℃條件下水解2h,用活性炭脫色,濾液加BaCl2,按Verma的比濁法測定。1.3.4測定總糖的質量比總糖質量分數測定采用苯酚-硫酸法,以D-半乳糖作為標準物。1.4在粘合劑注射過程中，龍眼菜、海藻和藻類的宏觀和微觀變化取相應龍須菜分別用肉眼和在顯微鏡下觀察龍須菜藻體于堿處理前后及提膠前后的變化情況。2結果2.1反應體系等量的試樣,用同樣的方法,不同條件下提取的瓊膠的結果如下(表1～表3,未加注明,提膠條件均為NaOH質量分數2.5%,堿處理溫度85℃,提取時間2h)。堿處理時溫度為80℃時瓊膠的產率為15.3%,硫酸基質量分數為2.76%,總糖質量分數為98.4%,85℃和90℃時瓊膠的產率分別為15.0%和14.8%,硫酸基質量分數為2.66%和2.55%,總糖質量分數為98.3%和99.2%(表3)。2.2瓊脂糖的提取采用沸水冷凝回流和90℃恒溫水浴提取法旨在考察溫度和動力學條件對瓊膠提取的影響。在通常情況下,沸水的溫度為100℃,在冷凝回流條件下,由于水沸騰過程所產生氣泡的作用,相當于對提取液進行了攪拌。冷凝回流及90℃恒溫水浴提取法瓊膠產率及硫酸基質量分數如表4所示。沸水提取法瓊膠產率由無堿處理時的24.4%下降為10%NaOH處理時的5%,硫酸基質量分數由無堿處理的5.90%下降為10%NaOH處理時的2.01%,總糖質量分數由無堿處理時的93.5%上升為10%NaOH處理時的102.3%;90℃恒溫水浴提取法瓊膠的產率僅為2.4%,而硫酸基質量分數為3.13%,總糖質量分數為95.8%。2.3多糖的提取方式微波和超聲波是近年來逐漸被人們所采用的兩種提供能量的形式,在多糖的提取方面也有不少嘗試。在微波和超聲波處理不同時間后,輔佐以高壓鍋提取的瓊膠產率、硫酸基質量分數及總糖質量分數如表5,表6所示。2.4瓊膠的提取龍須菜試樣用2.5%NaOH處理2h后用微波爐加熱提取瓊膠。在加熱提取過程中,為防止暴沸噴出,可采用間歇式加熱方式,表7為微波提取瓊膠的結果。2.5無堿處理瓊膠的紫外吸收圖譜堿處理和未堿處理提取的瓊膠的紫外掃描曲線如圖1所示,在無堿處理提取的瓊膠的掃描曲線A中在230nm和280nm處有兩個紫外吸收峰。該吸收峰的存在表明在未堿處理的多糖中有蛋白存在。2.6,6-內醚半乳糖堿處理與未堿處理的瓊膠的譜圖中最大的區別在于1076/1073nm,931nm吸收峰的強弱,這兩個峰均代表3,6-內醚半乳糖。其他吸收峰二者基本相同。2.7細胞正常,提膠破壞龍須菜經堿處理后,藻體在外觀結構方面發生了很大變化,如圖3所示:堿處理前(圖3A),龍須菜藻體內部的細胞排列較緊密,顏色深,含有大量的細胞色素,細胞完整,排列有序,外表還有一層膠質,較平整,手摸有軟滑感;高壓提膠時(圖3B),細胞結構遭到破壞,膠質流出,藻體顏色變淺,說明藻紅蛋白等色素蛋白在高溫下分解破壞。堿處理后(圖4A)皮層明顯變薄,顏色變淺,髓部細胞由于細胞壁細胞膜被堿部分破壞或溶掉,變得形狀不一,排列混亂、松散,同時也看不到完整的細胞結構,外皮膠質層已溶解掉,外表變得凹凸不平,藻體從里到外出現一些裂縫,因此手摸時有澀手感;高壓提膠時,有大量藻膠流出(圖4B)。3堿處理瓊膠質量分數的影響無堿處理的龍須菜瓊膠產率、硫酸基質量分數遠遠高于經過堿處理過的,而多糖質量分數前者則低于后者,并且隨NaOH質量分數的增高,瓊膠的產率、硫酸基質量分數逐漸降低,多糖質量分數逐漸升高,這與趙謀明等人“隨堿質量分數的升高,出膠率先升高再降低”的實驗結果有所不同,但與Freile-Pelegrin等的結果基本一致。堿質量分數越高,硫酸基的質量分數越低(無堿處理時,硫酸基的質量分數高達6.60%,而經10%NaOH處理后,硫酸基的質量分數降到2.06%)。堿處理后瓊膠中的6-硫酸基組分較多地轉變為3,6-內醚半乳糖,使得所提取的瓊膠中硫酸基質量分數降低,同時,由瓊膠的紫外掃描光譜可以看出,堿處理也破壞了與瓊膠共存的蛋白,致使瓊膠產率降低,多糖質量分數升高。時間對龍須菜瓊膠的產率的影響也非常明顯,隨提取時間的加長,瓊膠的產率逐漸增高。另外,瓊膠的產率還與堿處理溫度有關:一般來說,產率和硫酸基質量分數隨堿處理溫度的升高而降低,但變化并不是太大。提取時間和堿處理溫度對多糖質量分數的影響并不明顯。沸水冷凝回流法提取的瓊膠的產率普遍不如高壓鍋法提取的瓊膠的產率高,恒溫90℃水浴法提取的瓊膠的產率更低,可見提取溫度對龍須菜瓊膠的產率有比較明顯的影響,高溫(高壓鍋法溫度為120～125℃,沸水冷凝回流法溫度為100℃)更有利于龍須菜瓊膠的提取,并且溫度越高,多糖質量分數越高。另外,由高壓、沸水和恒溫水浴三種情況看,沸水的氣泡攪拌對提高瓊膠的提取率還是起了一定作用的。而且堿處理時堿的質量分數對龍須菜瓊膠的影響在不同方法中是一致的,既隨堿質量分數的升高,瓊膠產率、硫酸基質量分數逐漸降低,總糖質量分數逐漸升高。微波或超聲輔助處理能夠明顯提高瓊膠產率、多糖質量分數,同時降低硫酸基質量分數。先經過微波或超聲波處理,再用高壓鍋提取,比單純使用高壓鍋法可以顯著提高龍須菜瓊膠的產率(產率增加1%～6%)。相比較而言,經過微波加熱處理后的效果比超聲波處理的效果更好一些(微波處理后的產率可達21%,而超聲波處理后的產率則在17%左右),這應該是與微波爐和超聲波發生器的功率有關系的。在堿質量分數一定的條件下,微波處理的時間和超聲波處理的時間對龍須菜瓊膠產率的影響總體而言隨時間延長產率升高,至15min基本達到穩定。并且微波處理和超聲波處理都可不同程度地降低硫酸基質量分數,提高多糖質量分數。總的看來,各樣品的總糖質量分數都比較高。其中,微波與超聲處理能明顯提高樣品多糖質量分數。除無堿處理樣品外,總糖質量分數都在95%～108%之間。這一方面說明樣品中瓊膠的純度高,主要組分為多糖,另一方面還因為以半乳糖作標準測多糖質量分數時,結果應乘上一個小于1的校正系數。因為硫酸-苯酚法是利用多糖水解產生還原糖來測定多糖質量分數的。由于多糖水解后除末端糖基外,其余糖基都多了一個水分子而形成單糖,所以用單糖做標準時,算出的多糖質量分數應扣除水解時帶進的水量,即要乘以一個校正系數,對于瓊膠來說,這一系數應為0.90。綜上所述,作者認為,堿處理是影響瓊膠質量的最關鍵因素,其次,瓊膠的產率、硫酸基質量分數和多糖質量分數還受溫度、堿質量分數的影響。一般來說,提高瓊膠產率的方法,硫酸基質量分數隨之升高,由于硫酸基質量分數與瓊膠的凝膠強度有密切聯系,硫酸基質量分數越高預示其凝膠強度越差,而凝膠強度在很多情況下是衡量瓊膠質量好壞的一個重要指標,所以提高瓊膠產率,往往意味著降低瓊膠的質量。作者在實驗中采用的微波或超聲輔助的方法可以在提高瓊膠產率的同時,降低硫酸基質量分數,得到質量較好的瓊膠產品