江蘺瓊脂生產中清洗殘堿的逆流工藝

梁懿，倪輝，2，3，姜澤東，2，3，朱艷冰，2，3，李清彪，2，3

（1 集美大學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研究中心，福建廈門361021）

瓊脂又稱瓊膠，是一種從紅藻中提取的天然水溶性高分子多糖，由瓊脂糖和瓊脂膠組成[1]。瓊脂是世界上用途最廣泛的海藻多糖之一[2]，瓊脂及其衍生物具有良好的凝膠和增稠性能，可作為增稠劑、添加劑、膠凝劑等，廣泛應用于食品、化妝品、微生物和醫藥等領域[3-4]。我國是世界最主要的瓊脂生產基地，2018 年我國瓊脂銷量為1.05 萬噸，產值達8.83 億元，產量占全球產量的60%以上。瓊脂生產原料包括石花菜類和江蘺類，其中我國生產瓊脂的原料主要是江蘺。瓊脂提取方法包括堿法提取[5]、微波輔助提取[6]、高壓提取[7]、酶法提取[8]、過氧化氫輔助酶法提取[9]等，其中堿法提取是目前工業生產中普遍使用的方法。堿法提取江蘺瓊脂的工藝過程包括堿處理、清洗殘堿、酸化、漂白、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥和粉碎等[10-11]。采用堿法提取江蘺瓊脂的工藝過程由于進行多次清洗，需要消耗大量的水資源，目前工業化生產瓊脂的耗水量為1000～1500t/t[12]。

針對堿法提取瓊脂耗水量大的問題，Xiao等[8]證明了生物酶技術可有效減少瓊脂提取用堿和清洗殘堿用水量；蔡鷹等[13]研究了海水替代淡水提取江蘺瓊脂。這兩種方法仍處于實驗室階段，目前無法實現工業化推廣。工業上常借助膜分離[14]、絮凝沉降[15]、電解[16]等方法對廢水進行處理后循環利用，這些方法由于水質效果達不到工藝要求或者工藝成本偏高等因素也沒有在瓊脂生產中應用。在堿法提取江蘺瓊脂的過程中，江蘺經過堿處理后需將江蘺中殘堿清洗至中性，該工序是堿法提取瓊脂過程中耗水量較大的工藝環節，通常每生產1t 江蘺瓊脂，堿處理后對江蘺進行清洗殘堿需消耗淡水約727t。因此，對堿處理后的清洗殘堿工藝進行優化是降低瓊脂生產耗水量的重要環節。

在工業生產中，常用逆流技術節省提取或清洗溶劑用量。逆流提取技術是指在提取過程中，物料和溶劑同時連續運動，但運動方向相反，使物料和溶劑充分接觸，設備內溶劑不斷更新。采用逆流提取技術可以提高提取效率。例如，Bessa 等[17]利用連續逆流提取方法，大幅度增加了米糠油的提取效率。此外，采用逆流提取技術還可節約提取溶劑及提高溶質濃度，從而降低濃縮成本。由于具有多方面的優點，逆流提取技術逐漸在活性成分提取及清潔生產中廣泛應用。瓊脂提取過程中，堿處理后對江蘺進行清洗殘堿的操作實質上是利用水提取江蘺中殘留堿的過程。該工藝也可以借鑒逆流提取的技術原理，清水從清洗殘堿的最后一個階段注入，將后一級清洗廢水逆向用于前一級清洗，最終的廢水從清洗殘堿的初始階段抽出，初始階段抽出廢水經膜分離[14]處理后可重新用于生產加工，從而克服傳統方法環境污染大的缺點。相關研究表明，萃取溶劑、固液比、萃取級數、萃取時間等是影響逆流萃取效果的主要因素[18]。若在江蘺瓊脂清洗殘堿工藝中運用逆流提取技術也應該考慮以上幾個方面的因素，但由于清洗殘堿的溶劑是水且清洗時間在工業生產中相對穩定，因此宜考慮固液比和清洗級數的影響。

基于以上國內外研究進展，本文模仿工業生產中的江蘺堿處理工藝，采用逆流清洗技術對清洗殘堿工藝進行研究。以透明度、凝膠強度、硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度、3,6-內醚半乳糖含量等為指標優化清洗殘堿的液料比并分析逆流清洗的節水效率，為降低工業生產江蘺瓊脂的耗水量提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

江蘺，綠新（福建）食品有限公司；明膠、氯化鋇、活性炭、果糖，國藥集團化學試劑有限公司；硫酸鉀、濃鹽酸、間苯二酚、1,1-乙縮醛，西隴化工股份有限公司。

WNB22 型數顯恒溫水浴鍋，美墨爾特貿易有限公司；7200 型可見分光光度計，尤尼柯儀器有限公司；BS233S 型電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司；FE20K 型酸度計，梅特勒-托利多公司；MM723EB微波爐，美的集團有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 江蘺瓊脂堿法提取傳統工藝

工藝流程：江蘺→預處理→堿處理→4次水洗（清洗殘堿）→酸化→水洗→漂白→水洗→煮膠→過濾→凝膠→冷凍脫水→干燥→粉碎。

預處理：用適量自來水沖洗江蘺，去除江蘺泥沙以及其他雜物，于烘箱中50℃烘至恒重。該處理的主要目的是排除雜質干擾，減少后續實驗因雜質引起實驗數據波動。

堿處理：配制1500mL質量分數為7%的NaOH溶液于燒杯中，加入已處理恒重的江蘺100g，于90℃水浴鍋中恒溫處理3h。

清洗殘堿：將堿處理后的江蘺與堿液分離，用100mL清水沖洗江蘺表面殘堿液，放入燒杯中，用2000mL 清水進行4 次清洗殘堿（每次流動浸泡30min）的操作，分別記為第一次清洗殘堿、第二次清洗殘堿、第三次清洗殘堿和第四次清洗殘堿。

酸化：向清洗殘堿4 次后的江蘺中加入1500mL清水，再加入0.65mL濃硫酸、0.96g草酸及0.192g乙二胺四乙酸二鈉，混合均勻后，攪拌酸化0.5h，固液分離并瀝干水。

水洗：向酸化后的江蘺中加入1500mL 清水，攪拌浸泡0.5h，重復清洗2 次至pH 中性，固液分離并瀝干水。

漂白：向水洗至中性的江蘺中加入1500mL 有效氯質量分數為0.04%的次氯酸鈉溶液混合均勻，攪拌漂白0.5h，倒去漂白液。

水洗：加入1500mL 清水進行浸泡清洗至pH中性。

煮膠：經過以上處理的江蘺樣品置于燒杯中，加入1400mL 清水，于水浴鍋中100℃下進行煮膠4h，并過濾得瓊脂膠液，于室溫下形成凝膠。

冷凍脫水：將凝膠的瓊脂切條，于冰柜中冷凍12h，室溫解凍后，去掉水分。

干燥粉碎：將脫水后的瓊脂條放置于托盤中，于40～50℃烘箱中烘干10h 后取出，用粉碎機粉碎成粉末狀，裝袋編號，得瓊脂粉樣品。

1.2.2 江蘺堿處理后清洗殘堿工藝中液料比的優化

取5組江蘺樣品各100g，堿處理后分別按水和江蘺的液料比5∶1（加水500mL）、7.5∶1（加水750mL）、10∶1（加水1000mL）、12.5∶1（加水1250mL）、15∶1（加水1500mL）、20∶1（加水2000mL）的加水量進行4 次清洗殘堿操作，每次均清水攪拌浸泡0.5h，清洗殘堿后操作均與1.2.1節中一致，制備得樣品瓊脂，并測定各項品質參數。采用二次項函數擬合各參數與清洗殘堿液料比的關系模型，通過決定系數（R2）和均方根誤差（RMSE）比較擬合和檢驗結果；RMSE 值越小，R2越大，則模型擬合度越高。R2和RMSE的的計算如式(1)和式(2)。依據目前工業化生產工藝的瓊脂質量擬合最低的液料比。

式中，yj為實測值；y?j為模型預測值；-y為實測值的平均值；n為實測值數量。

1.2.3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流

在江蘺瓊脂生產過程中，按1.2.1 節中的方法進行堿處理，在液料比為18.1∶1 的條件下進行4次清洗殘堿的操作。其中，第一批次4次清洗殘堿全部用清水（無逆流），第二批次江蘺4 次清洗中有1次使用了第一批次江蘺清洗殘堿的廢水，其余3 次仍然使用清水清洗；例如，第一批次的第二、第三和第四次清洗廢水分別用于第二批次三組不同樣品第一、第二和第三次清洗，各樣品制備流程如圖1所示。清洗殘堿后，按照1.2.1節的工藝制備瓊脂，以4次清洗殘堿全部用清水（無逆流）的工藝為對照分析瓊脂質量差異。

（1）無逆流（N1）樣品 將干重100g的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1加清水進行4次浸泡清洗殘堿，且每次清洗殘堿所用水量相同，每次0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

（2）第二次廢水單次單級逆流（N2）樣品 將干重為100g的江蘺堿處理后放入燒杯中，用N1樣品第二次清洗殘堿廢水代替樣品清水進行第一次清洗殘堿，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行第二次至第四次的清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

（3）第三次廢水單次單級逆流（N3）樣品 將干重為100g 的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行第一次浸泡清洗殘堿，用N1 樣品第三次清洗殘堿廢水代替清水進行第二次清洗殘堿操作，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行第三次和第四次的浸泡清洗殘堿。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

圖1 清洗殘堿用水單次逆流的工藝流程

（4）第四次廢水單次單級逆流（N4）樣品 將干重為100g 的江蘺堿處理后放入燒杯中，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行第一和第二次浸泡清洗殘堿，用N1 樣品第四次清洗殘堿廢水代替清水進行第三次清洗殘堿操作，再按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行第四次的浸泡清洗殘堿。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

1.2.4 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流

按1.2.1 節中的方法進行堿處理，在江蘺瓊脂生產過程中，除了最后一次清洗殘堿使用清水，其他階段清洗全部用后一級廢水（第四次清洗廢水應用于進行第三清洗殘堿，第三次清洗廢水應用于進行第二次清洗殘堿，第二次清洗廢水應用于進行第一次清洗殘堿），以四次清洗殘堿全部用清水（無逆流）的工藝為對照。根據清洗廢水逆流使用的級數，可分為全程一級逆流（J1）、全程二級逆流（J2）和全程三級逆流（J3），各工藝建立過程如圖2所示。

（1）無逆流（J0）樣品 將干重為100g 的江蘺樣品堿處理后，按水和江蘺的液料比18.1∶1 加清水進行4次浸泡清洗殘堿，每次清洗殘堿浸泡時間是0.5h。用該方法清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

（2）全程一級逆流（J1）樣品 將J0 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水進行J1批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。此工藝中，J0批次的第四、第三和第二次廢水都進行單級逆流使用，J1 清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

（3）全程二級逆流（J2）樣品 將J1 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水進行J2批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間均為0.5h。此工藝中，清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。J0批次的第四和第三次廢水都進行二級逆流使用，J1第四次清洗廢水進行了一級逆流使用。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

圖2 江蘺瓊脂堿處理后逆流循環工藝流程

（4）全程三級逆流（J3）樣品 將J2 批次樣品第二、第三、第四次清洗廢水代替清水用于J3批次江蘺第一、第二、第三次清洗殘堿操作，加清水進行第四次清洗殘堿操作。每次清洗殘堿浸泡時間是0.5h。此工藝中，清洗殘堿全過程除第四次清洗外，全部都采用了上一級廢水逆流清洗。其中，J0 的第四次廢水進行三級逆流使用，J1 的第四次清洗廢水進行了二級逆流使用，J2 的第四次清洗廢水進行了一級逆流使用，即為全程三級逆流。清洗殘堿后酸化、煮膠、過濾、凝膠、壓榨、干燥后測定凝膠性質。

1.2.5 分析測定方法

1.2.5.1 清洗殘堿過程中耗水量、耗水率、節水率江蘺堿處理后清洗殘堿傳統工藝耗水量[式(3)]。

江蘺堿處理后清洗殘堿改進工藝節水量[式(4)]。

江蘺堿處理后清洗殘堿改進工藝節水率[式(5)]。

生產1t瓊脂節約水費[式(6)]。

式中，V為清洗殘堿傳統工藝生產1 噸瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3/t；V1為清洗殘堿傳統工藝生產一定量瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3；V2為清洗殘堿改進工藝生產一定量瓊脂第一至第四次清洗總用水量，m3；M1為生產所得瓊脂質量，按提取率11%計算，t；2.5 為1t 水的價格，CNY/t。

1.2.5.2 透明度的

配制質量分數為1.5%的瓊脂溶液，微波溶解后趁熱倒入比色皿中，室溫放置24h，用紫外可見分光光度計在400～800nm 掃描，確定其最大吸收波長750nm，在最大吸收波長處測定樣品的透光率（T）。

1.2.5.3 凝膠強度

參照GB 1975—2010的方法測定凝膠強度，配制質量分數1.5%的瓊脂溶液，微波溶解后等量倒入3 個100mL 平皿中，蓋上表面皿，室溫放置15h后，在凝膠強度測定儀上測定凝膠強度。凝膠強度以質量分數1.5%瓊膠（干基記）凝膠在15～20s 內抗破砝碼的質量（g）與裝置桿下端表面積（cm2）比值為單位（g/cm2）。

1.2.5.4 硫酸基的測定

采用硫酸鋇比濁法，參照楊賢慶等[19]的方法。配制明膠-氯化鋇溶液：配制5%的明膠溶液于4℃靜置過夜，用其配制氯化鋇質量分數為1%的明膠-氯化鋇溶液，于4℃備用。配制硫酸鉀標準溶液：硫酸鉀先在105℃的條件下烘干3h，等待其冷卻至室溫，稱取0.1088g，用1mol/L 的鹽酸定容至100mL，貯藏備用。

硫酸根標準曲線：將硫酸鉀標準溶液稀釋5倍，分別取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL的稀釋液，用1mol/L鹽酸補足至1mL，加入3mL質量分數1%的明膠-氯化鋇溶液，振蕩混勻后靜置10min，在360nm 波長下測定吸光度，得不同濃度的硫酸基對其吸光度作標準曲線，標準曲線方程為y=3.8351x－0.0024。

樣品的消化：稱取干燥的瓊脂樣品0.5g 于25mL比色管中，加入25mL濃度為1mol/L的鹽酸于100℃水浴消化5h 后冷卻至室溫。用活性炭脫色，過濾得澄清溶液待用。取1mL 消化液加3mL 的明膠-氯化鋇溶液，振蕩混勻，靜置10min，在360nm波長下測定吸光度，根據標準曲線換算樣品硫酸基含量。

1.2.5.5 瓊脂凝固溫度和溶化溫度

參考史升耀等[20]的方法，配制質量分數為1.5%的瓊脂溶液，取10mL 裝入試管中，在膠液中放入一個小玻璃珠，插入溫度計，保證溫度計水銀球完全被膠液沒過，當傾斜試管玻璃珠不移動時，此時的溫度即為凝固溫度。

配制質量分數為1.5%的瓊脂溶液，取10mL裝入試管中，室溫下冷卻過夜，在膠液上放一個小玻璃珠，將試管置于50℃水浴中，再以2min/℃的速率升溫，當小玻璃珠接觸試管底部時，此時溫度即為溶化溫度。

1.2.5.6 3,6-內醚半乳糖含量

采用間苯二酚法[21]，配制1.5mg/mL的間苯二酚溶液100mL，于冰箱中4℃保存；配制0.04%的1,1-乙縮醛溶液稀釋液100mL，置于棕色試劑瓶中，于冰箱中保存；比色前取間苯二酚溶液9mL、1,1-乙縮醛溶液1mL 與100mL 12mol/L 的濃鹽酸混合均勻，備用。

果糖標準曲線：配制25μg/mL的果糖稀釋液貯存備用，分別取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL 果糖稀釋液于10mL 的具塞試管中，用去離子水補足至1mL，另取1mL 去離子水為空白對比，蓋上塞子置于冰水浴中5min，分別取5mL 間苯二酚混合試劑于各試管中，在冰水浴中振蕩搖勻，后放置在80℃恒溫水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm 的波長下測定吸光度，得不同濃度的果糖對其吸光度作標準曲線，標準曲線方程為y=1.5331x－0.003。

稱取干燥的瓊脂樣品0.03g，完全溶解后定容至1000mL，取1mL 30μg/mL 瓊脂溶液置于具塞試管中，冰水浴5min，加入5mL間苯二酚混合試劑，冰水浴中振蕩搖勻，80℃恒溫水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm的波長下測定吸光度值，根據所作果糖標準曲線換算出3,6-內醚半乳糖含量（以果糖當量計算）。

1.3 數據統計方法

使用Excel 2019對不同水洗方式提取瓊脂的理化性質進行統計學分析，對透明度、凝膠強度等參數隨料液比變化制作柱狀圖和折線圖，并采用Excel 2019進行二次函數回歸分析。使用SPSS 19.0對不同瓊脂理化性質進行顯著性分析。使用AutoCAD 2014繪制逆流清洗工藝設備流程。

2 結果與討論

2.1 江蘺堿處理后清洗殘堿工藝中液料比的優化

瓊脂的各項溫度指標變化與分子結構和分子量有關[22]，例如，瓊脂中的3,6-內醚半乳糖含量與凝膠強度呈正相關，硫酸基含量與凝膠強度呈負相關[23]。趙謀明[24]研究表明，硫酸基會轉化為3,6-內醚半乳糖。堿處理是目前工業化去除瓊脂中硫酸基和增加3,6-內醚半乳糖含量的關鍵操作；堿處理后江蘺殘留了一定量的堿液，需要進行清洗才能去除[12]。此外，江蘺藻中含有大量色素，經堿處理后，大部分色素溶于堿液中[25]，其余部分要在清洗殘堿過程中去除。相關研究表明，清洗殘堿用水量是影響瓊脂質量的重要因素，當清洗用水量過少時，江蘺內部所吸收的堿液及殘留的色素不能徹底清除，對瓊脂凝膠強度、透明度和色澤等指標產生負面影響[26]。目前，瓊脂工業生產中常采用20 倍的水進行4次殘堿清洗，用水量很大。本文用不同液料比的清水對堿處理后的瓊脂進行清洗，如圖3所示，隨著清洗殘堿用水量的增加，透明度、凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量呈上升趨勢，硫酸基含量逐漸下降。對圖3的液料比數據進行擬合，在擬合過程中，通過決定系數R2和均方根誤差RMSE 判定實驗值與模型的擬合度。根據相關文獻[27]，決定系數R2大于0.3 為有效值，均方根誤差RMSE為非負值；R2越大，RMSE越小，說明實驗值與模型的擬合度越好。通過擬合，得到液料比與瓊脂各項指標的影響規律如式(7)所示。如表1所示，透明度、凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度、硫酸基含量和3,6-內醚半乳糖含量與不同液料比擬合模型的相關系數R2較大，且RMSE 較小，說明建立的動力學模型能較好地擬合液料比對瓊脂質量的影響。其中，3,6-內醚半乳糖含量對應液料比的R2較高，RMSE最低，凝固溫度對應液料比的R2、RMSE與3,6-內醚半乳糖含量對應液料比的R2、RMSE相近，但都略高于3,6-內醚半乳糖含量對應液料比的R2、RMSE，所以判定3,6-內醚半乳糖含量和凝固溫度與液料比的擬合度最好；溶化溫度R2最高，但是RMSE也略高，所以溶化溫度與液料比的擬合度略低于3,6-內醚半乳糖含量和凝固溫度與液料比的擬合度；硫酸基含量對應液料比的R2較低，RMSE較高，所以硫酸基含量與液料比的擬合度次于溶化溫度與液料比的擬合度；透明度有較高的R2，但是RMSE高，所以透明度與液料比的擬合度次于硫酸基含量與液料比的擬合度；凝膠強度R2低于其他質量指標，RMSE高于其他質量指標，所以凝膠強度與液料比的擬合度在6 個質量指標中最低。

圖3 不同液料比時瓊脂樣品質量變化

式中，x為液料比；Y1為透明度實際測量值；Y2為凝膠強度實際測量值；Y3為凝固溫度實際測量值；Y4為溶化溫度實際測量值；Y5為硫酸基含量實際測量值；Y6為3,6-內醚半乳糖含量實際測量值。

表1 液料比對瓊脂質量的影響線性模型擬合的R2和RMSE

目前大部分企業生產瓊脂過程中清洗殘堿的液料比為20∶1，在此工藝條件下所得瓊脂的透明度為90.1%，凝膠強度為936g/cm2，凝固溫度為39.5℃，溶化溫度為95.8℃，硫酸基含量為1.4%，3,6-內醚半乳糖含量為26.4%。根據這些質量指標，運用式(7)進行液料比預測，得到液料比分別為16.7∶1、13.2∶1、15.5∶1、14.5∶1、16.5∶1和18.1∶1（表2）。通過比較發現，透明度、凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量隨液料比的增大而上升，硫酸基含量隨液料比增大而減小。當液料比為18.1∶1 時，所得瓊脂所有質量指標均與液料比20∶1所得瓊脂樣品的質量指標相當。根據統計分析結果，在保證質量指標與液料比20∶1 所得瓊脂樣品不變的前提下，最低液料比應為18.1∶1，與目前大部分企業生產用的液料比相比，該液料比降低了9.5%。在液料比18.1∶1的條件下進行20kg 中試驗證實驗，提取得到瓊脂的透明度為86.3%、凝膠強度為945g/cm2、凝固溫度為39.8℃、溶化溫度為95.7℃、硫酸基含量為0.94%、3,6-內醚半乳糖含量為27.3%。經過對比發現，凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量與液料比20∶1 所生產的瓊脂樣品相近，透明度和硫酸基含量較低。其中，透明度較低主要是由于中試試驗設備的濾布孔徑較大所引起；而硫酸基相比預測有所降低，3,6-內醚半乳糖相比預測有所增加，這說明清洗效果比工廠生產效果好，其原因主要是中試工藝控制精度更高。綜合結果表明，中試驗證實驗結果與模型預測結果相似，一方面說明模型預測值的準確性，另外一方面說明該預測清洗工藝效果可以在中試放大中重現。

表2 運用模型預測液料比對瓊脂質量指標計算結果及驗證實驗結果

2.2 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流

以上通過對液料比進行優化，實現了9.5%的節水。為了進一步節省清洗環節的用水量，本文采用優化后的液料比進行單次單級逆流清洗試驗。由表3可見，對第二至第四次清洗廢水進行單次單級逆流使用時，所得瓊脂的透明度、凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量均呈現下降趨勢，硫酸基含量呈上升趨勢；在初始環節采用清洗廢水進行清洗指標與無逆流工藝生產瓊脂指標相近，末尾環節采用廢水清洗與無逆流工藝生產瓊脂指標相差較大，在初始環節進行單次單級逆流效果更好。表3結果顯示，與無逆流的工藝對比，單次單級逆流工藝的瓊脂樣品透明度、硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度、3,6-內醚半乳糖含量變化較小，各瓊脂質量指標十分相似，而凝膠強度變化較大，數值不斷降低。雖然如此，各項指標仍然符合國家食品安全標準GB 1975—2010 中高強度瓊脂（801～1200g/cm2）的標準，能滿足高強度瓊脂相關應用的使用要求。說明江蘺堿處理后清洗殘堿過程中廢水逆流使用具有一定可行性，可以進一步優化，從而實現更大節水目標。

2.3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流

單次逆流清洗試驗結果說明，采用優化的液料比及逆流工藝可以實現節水。為了實現最大的節水目標，對堿處理后的江蘺采用全程多級逆流循環的方式進行清洗。成品瓊脂的質量及理化性質如表4所示，隨著清洗殘堿用水的多級逆流循環清洗殘堿，瓊脂的透明度、凝膠強度、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量呈降低趨勢，硫酸基含量呈增加趨勢。相關研究表明，過度堿處理造成瓊脂分子降解，從而導致瓊脂強度降低[26]。在清洗殘堿的過程中，隨著全程逆流清洗級數的增加，清洗廢水中堿含量逐漸上升，可能會導致瓊脂分子降解，從而影響凝膠強度。對比全程一級逆流、全程二級逆流和全程三級逆流工藝，硫酸基含量、凝固溫度、溶化溫度和3,6-內醚半乳糖含量變化較小，透明度和凝膠強度變化較大。雖然采用全程逆流清洗時，瓊脂透明度和凝膠強度與無逆流和單次逆流工藝相比有所降低，但仍然符合國家食品安全標準GB 1975—2010中高強度瓊脂（801～1200g/cm2）的標準及朱運恒等[28]報道的國產瓊脂標準。該結果說明采用全程多級逆流工藝清洗殘堿雖然會對瓊脂質量產生細微影響，但瓊脂質量變化在可控范圍內，說明采用全程多級逆流工藝具有可行性，可以實現最大的節水目標。

表3 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水單次單級逆流使用的瓊脂樣品質量指標

表4 江蘺堿處理后清洗殘堿廢水全程多級逆流使用的樣品質量指標

2.4 江蘺堿處理后清洗殘堿液料比優化及廢水逆流使用節水量分析

經過以上研究發現，液料比優化后無逆流工藝、單次單級逆流與全程多級逆流工藝所得瓊脂質量指標與傳統工藝所得瓊脂質量指標都符合國家食品安全標準GB 1975—2010 中高強度瓊脂（801～1200g/cm2）的標準。在此基礎上根據式(3)～式(5)計算不同清洗工藝的耗水量，如表5所示，采用傳統工藝，每生產1t 瓊脂的清洗工藝消耗727t 清水；采用本研究優化液料比無逆流的工藝生產1t 瓊脂消耗658t清洗用水，采用單次單級逆流工藝生產1t瓊脂消耗494t 清洗用水，采用全程單次單級逆流工藝生產1t瓊脂消耗411t清洗用水，采用全程多級循環逆流工藝生產1t瓊脂消耗165t清洗用水。與傳統工藝相比，采用優化后的液料比及逆流清洗工藝可以顯著節約清洗用水，其中全程多級逆流循環工藝節水效果最顯著，生產1t 瓊脂可節省清洗用水562t，節水率達到77.4%（表5）。

表5 江蘺堿處理后清洗殘堿液料比優化及廢水逆流使用節水量分析

假設有一工廠，每天生產5t 瓊脂，該工廠有兩個車間，每個車間有5條生產線，按每條生產線每次投放1t 江蘺，瓊脂得率為11%計算，需投放大約9次江蘺才能得到1t瓊脂。根據逆流清洗技術繪制逆流清洗技術工藝流程，如表6、圖4 所示，該工程運行費用主要包括設備購置費、設備折舊費、電費，其中設備購置費包括4 個貯液罐12 萬元、4 個壓力泵5.12 萬元、購買設備成本17.12 萬元。假設設備運行時間為10 年，每年運行300 天，每天運行5 次，則每條線每次設備運行成本約為11.4元/次，每生產1t瓊脂設備需運行約9次，所以設備成本約為103CNY/t；每臺泵功率為7.5kW·h，抽20t 水需要10min，結合圖1、圖2、圖4 分析發現，逆流設備在傳統工藝和本研究全程無逆流工藝中不工作，壓力泵在本研究單次單級逆流工藝中工作1.21h 生產1t 瓊脂，全程一級逆流工藝中每天工作1.81h 生產1t 瓊脂，全程三級逆流工藝中每天工作3.62h生產1t瓊脂，各逆流工藝生產1t瓊脂耗電量分別為9.08kW·h、13.58kW·h、27.15kW·h，以0.75CNY/(kW·h)計算，各逆流工藝生產1t瓊脂每天分別消耗電費6.81CNY、10.2CNY、20.4CNY。結合設備成本費和運行電費，計算得到對于逆流工藝生產1t 瓊脂新增總費用（成本） 分別為0、0、110CNY、113CNY、123CNY，如表6 所示。根據表5可知，每生產1t瓊脂本研究全程無逆流工藝相對于傳統工藝可節約68.8t 水，單次單級逆流可節約234t 水，全程一級逆流可節約316t 水，全程三級逆流可節約562t 水。根據式(6)計算，每生產1t瓊脂本研究各工藝分別可節約172CNY、583CNY、790CNY、1405CNY（表6）。將節水費用扣除新增工藝成本，本研究各工藝分別可節約172CNY、473CNY、677CNY、1282CNY。該工藝設計結果說明，瓊脂生產過程中采用逆流工藝清洗殘堿可以大幅度降低清洗用水量及工藝成本，為降低江蘺瓊脂工業生產過程中的耗水量提供指導。

表6 各工藝結合廢水逆流工藝成本分析

圖4 傳統工藝設備及逆流清洗工藝設備圖（單位：mm）

3 結論

通過對瓊脂提取過程中清洗殘堿工藝的液料比與瓊脂質量關聯模型進行分析，在瓊脂質量不變的情況下優化得到液料比為18.1∶1，在工業生產中應用該比例結合全程三級逆流技術，生產1t瓊脂最高可減少562t 水，可節約成本1282CNY。采用逆流工藝進行清洗殘堿的操作，瓊脂的透明度、凝膠強度、3,6-內醚半乳糖含量、硫酸基含量等理化性質隨著逆流級數和次數的增加而稍微下降，但產品仍然符合相關質量要求。該結果證明了瓊脂生產過程中采用逆流工藝清洗殘堿的工藝可行性，為降低江蘺瓊脂工業生產過程中的耗水量提供指導。