2種大孔樹脂用于麒麟菜生產卡拉膠的脫色*

閆靜芳，焦琳舒，張生生，陳陽陽，王昱灃

(南京農業大學食品科技學院，江蘇南京，210095)

卡拉膠(也稱鹿角菜膠或鹿角藻膠，英文名carrageenan)是一種具有商業價值的親水凝膠(屬天然多糖植物膠)，主要存在于紅藻綱中的麒麟菜屬、角叉菜屬、杉藻屬和沙菜屬等的細胞壁中，在食品工業中，可用于牛乳，肉制品，飲料等的加工，具有廣泛應用，卡拉膠還大量用于醫藥行業，如作為微生物培養基、緩釋膠囊/片劑、藥膏基、魚肝油乳化劑等［1-3］，其降解產物具有明顯的抗氧化［4］、抗病毒［5-6］、抗結石［7］、免疫調節［8］等生物活性［9］。國內卡拉膠的生產原料主要為麒麟菜和沙菜，而麒麟菜中最常用的2個品種是耳突麒麟菜(Eucheuma cottonii)和異枝麒麟菜(Eucheuma spinosum)，僅這2個品種就提供世界卡拉膠總生產量的 3/4［10］。

卡拉膠提取過程中色素的溶出會影響產品的品質，尤其是對透明度，黏度和凝膠強度等造成很大的影響［11］。工業生產中常采用酸化漂白的方法進行脫色，常用的漂白劑有NaClO3，漂粉精等，雖然可顯著提高產品品質和色澤，但因其高氧化性，在脫色的同時會發生氧化反應導致卡拉膠多糖的降解［12］，這也是生產企業普遍面臨而亟待解決的問題?；钚蕴亢痛罂纂x子交換樹脂常用于工業中生物質的分離純化，相對于化學脫色法，具有價廉、環保和可反復利用等優點。但是，由于活性炭對卡拉膠多糖的吸附力較強，產品損失較大，且過濾困難，因此不宜于用于卡拉膠的脫色。目前，關于不同大孔樹脂用于麒麟菜生產卡拉膠時脫色技術的研究報道較為少見。因此，本研究采用大孔樹脂D301和D315對麒麟菜卡拉膠進行脫色。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麒麟菜(食品級)，斯麥兒貿易有限公司;大孔弱堿性陰離子交換樹脂D303、D315，滄州寶恩吸附材料科技有限公司;活性炭(AR)，國藥集團化學試劑有限公司;NaOH、NaCl、葡萄糖、苯酚、濃 H2SO4、濃 HCl等，均為分析純，南京化學試劑有限公司。

SB5200DT型超聲波清洗器，寧波新芝生物科技股份有限公司;DF-I型集熱式磁力加熱攪拌器，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DK-8D型電熱恒溫水槽，上海森信實驗儀器有限公司;CP-114型先行者精密電子天平，美國OHAUS公司;pH700型臺式酸度計，美國EUTECH公司;V-5000型分光光度計，上海元析儀器有限公司;GZX-9240MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 卡拉膠溶液的制備

稱取50 g風干麒麟菜清洗粉碎，置于250 g/L的NaOH堿溶液中25℃水浴下浸泡6～10 h，排去堿液，用蒸餾水反復清洗至中性;將處理好的麒麟菜放入2 L燒杯中，加入1.5 L蒸餾水，90℃水浴加熱提取1 h;離心去除雜質沉淀，即得卡拉膠溶液。

1.2.2 單因素實驗

分別以大孔弱堿性陰離子交換樹脂D301、D315為脫色劑，在室溫下，量取4份25 mL的卡拉膠溶液于50 mL的燒杯中，設定脫色劑用量、溫度、時間、pH值為實驗考察的因素，按表1進行單因素實驗，脫色后離心取上清液測定脫色率和多糖保留率，確定各個因素的最佳范圍，作為正交實驗的依據。

表1 單因素實驗因素水平表Table 1 levels of one factor experiment

1.2.3 正交實驗

根據上述單因素實驗結果，確定正交實驗參數范圍，對脫色劑用量，脫色時間，脫色溫度，脫色pH進行L9(34)的正交實驗設計，根據設計進行實驗，并對實驗結果進行極差分析，確定最佳脫色參數。

1.2.4 測定項目與方法

1.2.4.1 脫色率的測定

由于卡拉膠溶液脫色前后均為橙黃色，根據互補色原理可知，溶液呈現的顏色是它吸收光的互補色，所以溶液主要吸收藍色波段可見光［13］，研究顯示紅藻藍光吸收峰多在440 nm［14-15］，因此選擇440 nm為檢測波長。在440 nm下，分別測定卡拉膠溶液脫色前后的吸光度，并按下式計算脫色率，比較各種脫色方法的脫色效果。

1.2.4.2 多糖保留率的測定

采用苯酚 硫酸法測定總糖含量［16］。以葡萄糖為標準物，繪制標準曲線。

1.2.4.3 脫色效果評價方法

本實驗在正交實驗中采取加權評分法處理數據。評分標準為:將各項指標除以該列的最大值再乘以100為該項得分。且由于脫色率和多糖保留率兩項指標均為評判脫色效果的主要因素，因此設定多糖保留率(x)和多糖脫色率(y)兩者的權重系數均為0.5，對2項指標進行加權和，通過公式z=0.5x+0.5y，得到綜合評分(z)。

1.2.5 數據統計方法

以上實驗均重復3次，結果取平均值，采用origin8.0作圖，正交設計助手Ⅱ設計正交實驗并進行極差分析，顯著水平均設為0.05。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 樹脂用量對卡拉膠脫色效果的影響

通過繪制葡萄糖的標準曲線得到回歸方程y=11.153x+0.032 4。

測定樹脂用量在50℃、pH 5.0、脫色時間為80 min條件下的脫色率和多糖保留率，如圖1所示。

圖1 兩種大孔樹脂用量對卡拉膠脫色效果的影響Fig.1 The effects of amount on the decoloration performance of two kinds of macroporous resin

由圖1可以看出，隨著大孔樹脂D301用量的增加，卡拉膠溶液的脫色率逐漸升高，但超過0.08 g/mL后無明顯變化，而多糖保留率在0.08 g/mL時達到最大值為81.03%，當繼續增加樹脂用量時，多糖保留率明顯下降。D315的情況為，隨著樹脂用量的增加，脫色率略有增加，在0.08 g/mL時達到最大值41.36%;而多糖保留率同樣在0.08 g/mL時達到最大值為83.46%，當樹脂用量繼續增加，脫色率變化并不明顯，但多糖保留率呈下降趨勢。綜合考慮，選取0.04、0.08、0.12 g/mL 為大孔樹脂 D301、D315 正交實驗時的用量水平。

2.1.2 脫色溫度對卡拉膠脫色效果的影響

測定在樹脂加入量為0.08 g/mL、pH 5.0、脫色時間為80 min時，不同溫度條件下2種樹脂的脫色率和多糖保留率，所得實驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著脫色溫度的增加，D301樹脂對卡拉膠溶液的脫色率呈直線上升趨勢，而多糖保留率在50℃時達到最大值為71.33%，繼續提高溫度，多糖保留率明顯下降。D315對卡拉膠溶液脫色率也隨溫度的升高逐漸升高，在70℃時的脫色率達到46.88%;多糖保留率在50℃時達到最大值為92.44%，繼續提高溫度，多糖保留率明顯下降，70℃時多糖保留率降為74.23%?？紤]到提高溫度雖然可提高脫色率，但多糖保留率卻明顯降低，損失較大，同時，溫度過高也不利于節約能耗。綜合考慮，選取脫色溫度40、50、60℃為2種樹脂正交實驗的溫度水平。

圖2 溫度對2種大孔樹脂脫色效果的影響Fig.2 The effects of operation temperature on decloration procession of two kinds of macroporous resin

2.1.3 脫色時間對卡拉膠脫色效果的影響

在溫度為50℃、樹脂加入量為0.08 g/mL、pH 5.0時，不同脫色時間下2種樹脂對卡拉膠的脫色率和多糖保留率結果如圖3所示。

圖3 脫色時間對兩種大孔樹脂脫色卡拉膠的影響Fig.3 The effects of operation time on decloration procession of two kinds of macroporous resin

由圖3可以看出，隨著脫色時間的增加，D301對卡拉膠溶液的脫色率呈波動狀態，在60 min時明顯下降，在80 min時達到最大為60.23%，之后又有所下降，而多糖保留率在脫色80 min時達到最高為93.67%，繼續增加脫色時間，多糖保留率明顯下降。隨著脫色時間的增加，D315對卡拉膠溶液的脫色率逐漸增大，在100 min時為21.26%，而多糖保留率在脫色80 min時達到最高，為82.00%。綜合考慮，選取脫色時間60、80、100 min為正交實驗脫色時間的3個水平值。

2.1.4 脫色pH對卡拉膠脫色效果的影響

測定在溫度為50℃、樹脂加入量為0.08 g/mL、脫色時間為80 min時，不同脫色pH條件下的脫色率和多糖保留率，結果如圖4所示。

圖4 脫色pH值對2種大孔樹脂脫色卡拉膠的影響Fig.4 The effects of PH on the decoloration procession of two kinds of macroporous resin

由圖4可以看出，隨著pH值的改變，大孔樹脂D301對卡拉膠溶液的脫色率在pH＜7時呈上升趨勢，當pH 7時達到最大值為66.99%;多糖保留率則隨著pH值升高而增大，在pH 9時為91.11%。因此，pH 5.0、7.0、9.0為D301正交實驗pH值因素的3個水平值。

樹脂D315的對卡拉膠溶液的脫色率和多糖保留率均隨pH值的升高呈下降趨勢，在pH 3時脫色率和多糖保留率為最大值，分別為 43.72%、85.59%。因此，選取 pH 3.0、5.0、7.0為 D315正交實驗pH值因素的3個水平。

2.2 正交實驗結果

根據單因素實驗結果，如表2設計正交實驗的因素及水平，得到2種樹脂的正交實驗結果，如表3、表4所示。

表2 兩種大孔樹脂脫色正交實驗因素水平表Table 2 The orthofonal levels of two kinds of macroporous resin D301 in decoloration processon

根據表3，綜合考慮卡拉膠脫色率和多糖保留率，大孔樹脂D301在實驗所選不同因素中，對卡拉膠脫色效果的影響主次順序為脫色pH＞脫色溫度＞脫色時間＞樹脂用量，得出大孔樹脂D301脫色卡拉膠的最佳工藝為 A3B2C2D3，即大孔樹脂 D301用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時間80 min、脫色pH為9.0。補充最佳工藝條件下的驗證實驗，脫色率和多糖保留率分別為48.44%、86.61%。D315樹 脂的正交實驗結果如表4所示。

表3 大孔樹脂D301脫色正交實驗結果及綜合評分極差分析表Table 3 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D301 and the range analysis of composite score

表4 大孔樹脂D315脫色正交實驗結果及綜合評分極差分析表Table 4 The results of orthogonal experiments of macroporous resin D315 and the range analysis of composite score

根據表4，綜合考慮多糖脫色率和多糖保留率，在實驗所選不同因素中，影響大孔樹脂D315用于卡拉膠脫色效果的主次順序為脫色溫度＞脫色時間＞樹脂用量＞脫色pH，得出大孔樹脂D315脫色卡拉膠的最佳工藝為 A3B2C2D3，即大孔樹脂 D315用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時間80 min、脫色pH為7.0。補充最佳工藝條件下的驗證實驗，脫色率和多糖保留率分別為22.37%、83.62%。

2.3 大孔樹脂D301和D315的差異性分析

根據上述正交實驗結果，D301用于卡拉膠脫色效果的主次順序為脫色pH＞脫色溫度＞脫色時間＞樹脂用量，而D315的主次順序為脫色溫度＞脫色時間＞樹脂用量＞脫色pH，兩者差異較大。pH值對D301的影響要遠大于D315，pH對吸附質在溶液中的存在形態(分子、離子、絡合物等)和溶解度均有影響，一般說來，吸附質的溶解度越低，越容易被吸附。D301為非極性的苯乙烯樹脂，D315為中極性的丙烯酸類樹脂，相比來說，非極性樹脂的吸附作用更易受溶劑pH影響。

由上述2種大孔弱堿性陰離子交換樹脂對卡拉膠溶液脫色的正交實驗結果可知，D301處理后的多糖保留率明顯高于D315。在本研究體系中，卡拉膠溶液中的色素主要以陰離子，非極性色素為主［17］，易被弱堿性陰離子樹脂吸附，而色素與堿性陰離子樹脂結合主要通過2個反應機制:(1)樹脂上的陰離子以離子鍵的形式與色素陰離子交換;(2)色素的非極性部分與樹脂基質中的基團以疏水力結合。D301大孔結構的苯乙烯 二乙烯苯共聚體上帶有叔胺基 N(CH3)2的離子交換樹脂，其堿性較弱，能在酸性、近中性介質中有效地交換無機酸及硅酸根，對多糖結構影響不大;D315為丙烯酸系樹脂，能吸附大多數離子型色素，雖然脫色容量大，且容易再生，但同時對多糖的吸附強度也高于D301樹脂。因此，大孔陰離子交換樹脂D301脫色的綜合效果較好。

3 結論

通過單因素及正交實驗，確定大孔樹脂D301對麒麟菜中提取卡拉膠進行脫色時的最佳工藝條件為樹脂用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時間80 min、脫色pH 9.0，在此條件下脫色率和多糖保留率分別為48.44%、86.61%;D315的最佳工藝條件為樹脂用量0.12 g/mL、脫色溫度50℃、脫色時間80 min、脫色pH 7.0，在此條件下的脫色率和多糖保留率分別為22.37%、83.62%。結果說明D301的作用效果優于D315。

［1］ Van de velde F，De Ruiter G A.Polysaccharide II Polysaccharides from Eukaryotes［M］.Weinheim:Wiley-VCH，2002:73-93.

［2］ Imeson A P.Handbook of Hydrocolloids［M］.Cambridge:Woodhead Publishing Ltd，2002:87-102.

［3］ Therkelsen G H.Carrageenan［M］.New York:Academic Press，1993:145-180.

［4］ 周革非，魏元臣，孔娜娜，等.λ-卡拉膠降解組分的分離純化，抗氧化及免疫活性研究［J］.海洋科學，2009，33(8):58-62.

［5］ YU G L，GUAN H S，Ioanoviciu A S，et al.Structural studies on-carrageenan derived oligosaccharides［J］.Carbohydrate Research，2002，337(5):433-440.

［6］ 欒暉，牟海津，羅兵，等.κ-卡拉膠寡糖硫酸基含量與其抗皰疹病毒活性的關系［J］.漁業科學進展，2010，31(1):111-116.

［7］ 王淼，于海燕，歐陽健明.異枝麒麟菜硫酸多糖的降解及其對尿石礦物草酸鈣的抑制作用［J］.海洋科學，2008，32(8):34-37.

［8］ 周革非，李樹福，王長海.κ-卡拉膠硫酸多糖的免疫調節活性初步研究［J］.海洋科學，2010，34(8):56-59.

［9］ 郭丹，欒暉，孫藜瑋，等.低分子量卡拉膠及其衍生物的生物學活性研究進展［J］.安徽農業科學，2010，38(5):2 581-2 583，2 589.

［10］ 劉雪平.低黏度低硫酸基耳突麒麟菜卡拉膠提取方法及流變學特性研究［D］.青島:中國海洋大學，2013:6.

［11］ 梁瓊華，梁朗都.卡拉膠生產工藝的探討［J］.廣州食品工業科技，1992(2):29-32.

［12］ Anderson N S，Dolan T C S，Rees D A.Carrageenans.Part VII.Polysaccharides from Eucheuma spinosum and Eucheuma cottonii.The covalent structure of ι-carrageenan［J］.J Chem Soc Perkin Trans，1973，1:2 173-2 176.

［13］ 趙文竹，于志鵬，于一丁，等.玉米須多糖純化工藝的研究［J］.食品工業科技，2009，30(12):291-296.

［14］ Rabinowitch E S.Photosynthesis and Related Processes［J］.Interscience Pulisher，1951(1):686-730.

［15］ Ladislav B，Helena H D，Michal H，et al.Structural characterization of photosystemⅡcomplex from red alga porphyridium cruentum retaining extrinsic subunits of the oxygen-evolving complex［J］.European Journal of Biochemist，2005，271(14):2967.

［16］ 劉曉涵，陳永剛，林勵，等.蒽酮硫酸法與苯酚硫酸法測定枸杞子中多糖含量的比較［J］.食品科技，2009，34(9):270-272.

［17］ 秦曉娟，王洪新，馬朝陽，等.κ-卡拉膠脫色方法的研究［J］.食品工業科技，2012，33(10):294-296.