浸洗對淡干海帶中主要金屬元素含量及海藻酸鹽組成的影響*

潘若才 王兵兵 趙 衛 龍曉靜 朱嘉琳 朱順生 姚久勇 李 凱 夏延致

(青島大學纖維新材料與現代紡織國家重點實驗室培育基地 青島 266071)

海藻酸鹽是一種天然陰離子聚合物, 它是海藻酸與金屬陽離子結合形成的水溶性的海藻酸鈉、海藻酸鉀和水不溶性的海藻酸鈣及其它二價或二價以上的金屬離子的線性高分子聚合物(Gomezet al, 2009)。因其具有良好的生物相容性, 易于凝膠化, 在醫用敷料、藥物傳輸和生物組織工程中有諸多應用(Leeet al,2012)。近年來, 由水溶性海藻酸鈉通過濕法紡絲制得的海藻纖維因具有良好的本質自阻燃性和舒適性,作為環境友好型天然生物質材料, 在服裝面料方面應用前景廣闊(王兵兵等, 2011)。

海藻酸鹽主要存在于褐藻綱(Phaeophyceae)植物的細胞間質和細胞壁中, 是褐藻綱藻類植物海藻多糖最主要的存在形式, 其生物學功能主要是為褐藻細胞提供結構支撐和參與離子交換(Percival, 1979)。海藻酸鹽的含量因褐藻品種、收獲時間、生長地域的不同而有所差異, 一般占褐藻干重的10%—30% (濕重, wt%), 海帶中海藻酸鹽含量一般為25%左右(紀明侯, 1997; Murakamiet al, 2011; Wijesingheet al,2012)。由于海帶產量豐富, 價格低廉, 海藻酸鹽含量高, 使其成為海藻酸鹽主要的原料來源。

我國海帶產量豐富, 2010年海帶年產量達到88.4萬噸(以干重計), 占我國海藻總產量的57.3%, 海帶養殖區域主要集中在山東、福建、遼寧等地。2010年我國藻類加工品產量達到94.6萬噸, 其中過半產品均被加工成淡干海帶(李曉川, 2012)。淡干海帶便于運輸儲存, 加工時經過淡水浸洗處理, 但是浸洗對海藻酸鈉的提取產量有無影響, 相關方面的研究較少。本文以山東長島海帶作為實驗樣品, 研究了海帶中的主要金屬元素組成, 對海帶浸洗前后金屬元素含量及海藻酸根離子(Alg-COO–)含量作了比較, 并計算出浸洗之后海帶中海藻酸鹽的組成, 通過XRD(X-Ray Diffraction, X射線衍射)測試首次確認了通過浸洗可除去海帶中的無機鹽類物質。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與樣品

海帶為6月份收獲的山東長島淡干海帶, 所用實驗材料為: 無水碳酸鈉(國藥集團, 分析純), 鹽酸(國藥集團, 分析純), 次氯酸鈉(光華化學廠, 分析純),甲醛(光華化學廠, 分析純), 氫氧化鈉(國藥集團, 分析純), 無水乙醇(國藥集團, 分析純), 濾袋(200目,自制), 去離子水(自制)。

1.2 實驗方法

用去離子水快速清洗整株海帶, 除去泥沙等附著在藻體表面的雜質, 自然晾干, 剪成小片狀, 得海帶樣品A。取樣品A, 置于10倍體積的(v, wt)去離子水中浸泡12h, 用去離子水清洗, 充分洗去海帶表面浸出的粘性膠狀液體, 直至浸洗液中檢測不到Cl–,自然晾干, 得海帶樣品B。樣品A、B于105°C下干燥4h備用。

1.2.1 元素含量及金屬陽離子含量 海帶樣品A、B中主要金屬元素(鉀K、鈉Na、鈣Ca、鎂Mg、鍶Sr、鋰Li)含量(mol/100g)由電感耦合等離子體發射光譜(ICP, Thermo iCAP6300)測定, 金屬陽離子含量計算公式如公式(1)所示(M為海帶中所含的金屬元素,n為M在海帶中的化合價), 元素含量變化率按公式(2)計算

1.2.2 海藻酸根離子(Alg-COO–)含量 海帶樣品中Alg-COO–含量(mol/100g)用重量法(紀明侯, 1997;尚德榮等, 2011)測定(重復3次, 取平均值)。具體步驟為: 分別取10g海帶樣品A、B置于100mL去離子水中浸泡12h, 清洗后加入500mL 1% (wt%, 下同)Na2CO3溶液, 60°C下持續攪拌1h, 過濾提取液, 濾渣中加入400mL 0.5% Na2CO3溶液60°C繼續提取1h,合并兩次濾液, 加入1mol/L HCl調節至pH=2, 過濾海藻酸凝膠, 用去離子水充分清洗殘余HCl, 然后加入2% NaOH溶液至海藻酸全部溶解, 加入5mL NaClO溶液漂白15min, 加入2倍溶液體積的無水乙醇, 得白色絮狀海藻酸鈉(SA)凝膠, 過濾后依次用85%、95%乙醇脫水, 60°C真空干燥至恒重。通過公式(3)計算Alg-COO–的含量(SA摩爾質量取198g/mol)。

1.2.3 失重率 稱取一定量海帶樣品A, 經過浸洗處理得海帶樣品B, 海帶樣品失重率按公式(4)計算。

1.2.4 浸出物含量分析 稱取一定量海帶樣品A,冷凍干燥(LGJ-12冷凍干燥機, 北京松源華星科技)由樣品A經浸洗得樣品B過程中的浸洗液, 干燥至恒重,稱重, 用XRD (DX-2700, 浩元儀器)測試浸出物, 并與樣品A、B的XRD譜圖作比較, 浸出物含量按公式(5)計算。

2 結果與討論

2.1 海帶樣品A、B中K、Na、Ca、Mg、Sr、Li元素及陽離子含量

由表1可知, 金屬元素總量由10.5g/100g下降到7.6g/100g。海帶樣品A、B中各元素含量大小次序存在不同: A中K＞Na＞Ca＞Mg＞Sr＞Li, B中K＞Ca＞Na＞Mg＞Sr＞Li。計算得出海帶的失重率為44.5%, 由此,可計算出海帶中各金屬元素含量在浸洗過程中實際含量的變化(圖1)。

圖1 海帶浸洗前后各元素相對含量變化Fig.1 Relative content changes of metal elements in dehydrated Laminaria japonica after leaching

表1 海帶中主要金屬元素及陽離子含量Tab.1 Content of major metal elements and cation in dehydrated Laminaria japonica

由圖1可知, B樣品浸洗之后, 海帶中一價元素K、Na含量下降均超過60%, 二價元素Ca、Sr下降小于10%, Mg下降了31.6%。這可能是因為: 部分一價金屬元素在海帶中以無機鹽形式存在, 在經過浸洗之后這部分水溶性無機鹽幾乎完全溶出; 另外, 浸洗并不能破壞海帶的細胞壁結構, 浸出物主要為細胞質和細胞間質成分, 從而一部分溶解在細胞質中的海藻酸鉀(KAlg)、海藻酸鈉(NaAlg)也被洗出;同時, 主要存在于海帶細胞壁中的海藻酸鈣(Ca(Alg)2)、海藻酸鍶(Sr(Alg)2)、海藻酸鎂(Mg(Alg)2)在細胞壁完整的情況下難以從海帶中分離出來, 故在浸洗之后Ca、Mg、Sr元素含量下降較小, 由于Mg2+與Alg-COO–結合能力較差, 導致其比Ca、Sr損失重大。此外, 由于海帶可以富集海水中的重金屬元素, 導致Pb、Cr含量較高, 浸洗之后二者含量雖有所下降, 但均超出食品安全國家標準GB 2762-2012(中華人民共和國衛生部, 2012)中所規定的含量, 直接食用存在一定的健康風險。

2.2 海藻酸陰離子基團含量及海藻酸鹽組成

有研究認為, 海藻經過淡水浸洗后, 海帶中的游離態金屬離子全部被洗去, 而蛋白質、色素等海藻中其它有機物所結合的金屬離子數量是微量的, 因而可以認為金屬元素全部以海藻酸鹽的形式存于藻體中(Whyteet al, 1981; 范曉等, 1988)。本文通過重量法測得海帶中海藻酸陰離子基團(Alg-COO–)含量, 通過ICP測得常量金屬元素含量,然后計算出金屬陽離子總含量, 如果浸洗之后的海帶樣品中金屬陽離子含量與Alg-COO–含量大致相同,根據電荷守恒規律, 即可驗證上述理論, 通過測定金屬元素含量即可計算出海帶中海藻酸鹽的含量及組成。

重量法制得樣品A海藻酸鈉的產量為2.10g, 樣品B海藻酸鈉的產量為4.38g, 結合海帶失重率計算得出, 每10g樣品A浸洗之后所能提取出的海藻酸鈉的質量為2.43g, 海藻酸鈉產量沒有降低, 反而高于未浸洗之前樣品A的提取產量, 這可能因為海帶在浸洗過程中, 存在于細胞壁中海藻酸鹽損失較小,同時由于長時間浸泡海帶組織已充分脹大, 此時進行堿提取時Na+容易與海藻酸鹽中的其它金屬離子發生離子交換, 有利于海藻酸鈉的提取, 從而使提取產量變高。按公式(2)計算海帶樣品A中Alg-COO–含量為0.11mol/100g, 海帶樣品B中Alg-COO–含量為0.22mol/100g。由表1可知, A中金屬陽離子含量為0.36mol/100g, 與Alg-COO–含量相差較大, XRD測試結果表明海帶A中含有KCl, 說明在海帶樣品A中金屬離子只有一部分與Alg-COO–結合, 在浸洗之前, 海帶中的金屬陽離子部分與無機陰離子結合,以無機鹽的形式存在于海帶中。

樣品B中金屬陽離子含量為0.27mol/100g, 與Alg-COO–含量0.22mol/100g相當, 我們可推斷: 海帶經去離子水浸泡及清洗之后, 在不存在其它無機鹽的情況下, 海帶中的金屬陽離子大部分與Alg-COO–結合。根據通過ICP法測得的金屬元素含量, 按公式(6)即可計算出海帶樣品B中海藻酸鹽含量(Alg-COO–的摩爾質量為175g/mol)。

圖2列出了海帶樣品B中各海藻酸鹽的含量, 海藻酸鹽總含量(∑M(Alg)n%)為59.0%, KAlg為海帶中含量最多的海藻酸鹽, 占總組成的37.7%, 其它依次為Ca(Alg)2、Mg(Alg)2、NaAlg、Sr(Alg)2, LiAlg的含量＜0.0001%。

圖2 海帶樣品B中海藻酸鹽的含量及各海藻酸鹽在總的海藻酸鹽中的百分含量Fig.2 The mass fraction of alginates in the seaweed and percentage of each of the alginates in Laminaria japonica(Sample B)

2.3 失重率及浸出物分析

由公式(4)計算得出浸洗后海帶失重率為44.5%,由公式(5)計算得浸出物含量為42.3%, 這可能是因為冷凍干燥過程中存在一定質量損失。對浸出物作XRD分析(圖3), 通過比對標準XRD卡片(PDF#41-1476)可知, 浸洗前海帶樣品A(圖3b)與浸出物(圖3a)均有明顯的KCl衍射峰, 說明海帶中部分K元素以無機鹽的形式存在, 圖3a、b中的衍射峰與NaCl標準譜圖不能對應, 其它鈉鹽的XRD標準卡片也不能與之對應, 可能存在兩方面原因: 一是海帶中Na的無機鹽含量較少, 二是Na元素在海帶中不以NaCl等無機鹽形式存在, 而是與Alg-COO–結合成海藻酸鈉存在于細胞間質中, 浸洗過程中Na元素以海藻酸鈉的形式浸出。同樣, 在XRD譜圖3b中也沒有發現Ca、Mg、Sr等元素的衍射峰。XRD譜圖3c只是在2θ=20°左右有一個凸起的包狀峰, 其它衍射峰消失, 這證明在經過充分浸洗之后, 海帶樣品B中無機鹽被除去。

圖3 X射線衍射圖Fig.3 The X-ray diffraction

3 結論

淡干海帶經浸洗實驗及測試后證明, 浸洗可除去淡干海帶中的無機鹽成分, 淡干海帶中金屬元素總量由10.5g/100g下降到7.6g/100g, 其中一價元素K、Na含量下降較大, 均超過60%, Mg元素含量下降了31.6%, 其它二價元素Ca、Sr含量下降小于10%。經過去離子水浸洗之后的干海帶, 失重率達44.5%。海藻酸鹽總含量為59.0% (wt%), 各類海藻酸鹽含量依次為: KAlg占22.2%, Ca(Alg)2占14.6%, Mg(Alg)2占11.4%, NaAlg占10.5%, Sr(Alg)2占0.3%; 浸洗之后Alg-COO–的相對含量并沒有下降反而升高了1倍,海藻酸鈉的提取產量有所升高。

王兵兵, 薛志欣, 付永強等, 2011. 海洋生物質纖維材料的開發與研究. 高分子通報, 12: 1—10

中華人民共和國衛生部, 2012. 食品國家安全標準 食品中污染物限量(GB2762-2012). 北京: 中國標準出版社, 2—7

紀明侯, 1997. 海藻化學. 北京: 科學出版社, 229—231

李曉川, 2012. 我國鮮海帶加工的綜合利用. 中國水產, 10:22—23

范 曉, 鄭乃余, 張燕霞, 1988. 海帶中褐藻酸鹽組成的研究.海洋與湖沼, 19(1): 64—70

尚德榮, 寧勁松, 趙艷芳等, 2011. 海帶中褐藻膠含量測定方法的建立. 食品科技, 36(8): 252—254

Gomez C G, Perez Lambrecht M V, Lozano J Eet al, 2009.Influence of the extraction-purification conditions on final properties of alginates obtained from brown algae (Macrocystis pyrifera). Int J Biol Macromol, 44(4): 365—371

Lee K Y, Mooney D J, 2012. Alginate: properties and biomedical applications. Prog Polym Sci, 37(1): 106—126

Murakami K, Yamaguchi Y, Noda Ket al, 2011. Seasonal variation in the chemical composition of a marine brown alga,Sargassum horneri(Turner) C. Agardh. J Food Comp Anal, 24(2): 231—236

Percival E, 1979. The polysaccharides of green, red and brown seaweeds: Their basic structure, biosynthesis and function.Br Phycol J, 14(2): 103—117

Whyte J N C, Englar J R, Borgmann P E, 1981. Compositional changes on freshwater leaching of the marine algaeNereocystis luetkeanaandMacrocystis integrifolia. Can J Fish Aquat Sci, 38(2): 193—198

Wijesinghe W A, Jeon Y J, 2012. Enzyme-assistant extraction(EAE) of bioactive components: a useful approach for recovery of industrially important metabolites from seaweeds: a review. Fitoterapia, 83(1): 6—12