琼脂提取及深加工研究进展

林坤城

摘 要： 琼脂作为三大海藻胶之一，广泛用于食品、生物、医药、日化等行业。经琼脂加工得到的产品，如琼脂糖、琼胶寡糖等，也具有非常高的应用价值。对琼脂的提取工艺及深加工研究进展进行综述，阐述了琼脂主要提取工艺高温高压法、碱法提取工艺、酶法辅助提取工艺的优缺点，分析琼脂深加工的主要应用范围，并展望琼脂提取工艺及深加工研究发展方向，旨在为琼脂在各领域的进一步应用提供参考。

关键词： 琼脂;提取;深加工;研究进展

DOI：  10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.09.018

Research Progress in Extraction and Deep Processing of Agar

LIN Kun-cheng

（1. Fujian Lvqi Food Gel Co.， Ltd.， Zhangzhou， Fujian 363100;

2. Fujian Engineering Technology Research Center of Algae Polysaccharide Enterprise， Zhangzhou， Fujian 363100）

Abstract：  As one of the three major alginates， agar is widely used in food， biology， medicine， daily chemical and other industries. The products processed by agar， such as agarose， agar oligosaccharide， etc.， also have very high application value. In this paper， the research progress in agar extraction technology and deep processing were reviewed. The advantages and disadvantages of agar extraction technologies of agar， such as high temperature and pressure method， alkaline extraction technology， and enzymatic assisted extraction technology were described， and the main application scope of agar deep processing was analyzed， and the development direction of agar extraction technology and deep processing were forecasted， in order to provide reference for the further application of agar in various fields.

Key words：  Agar; extraction; deep processing; research progress

地球海洋辽阔，海洋中蕴藏着丰富的自然资源。海藻作为其中重要的组成部分，品种繁多，应用价值高，其中具有经济价值的多达100多种，以红藻、褐藻、绿藻和蓝藻为主[1-2] 。海藻不仅含有多种具有生物活性的多糖类物质，而且富含膳食纤维、蛋白质、矿物质以及酚类物质等抗氧化成分[3] ，广泛应用于食品、医药、日化等方面。

琼脂是一种天然水溶性高分子多糖，由琼脂糖和琼脂胶两部分組成，其中琼脂糖是具有凝胶作用的中性多糖，由 1，3 β D  半乳糖和1，4 3 ，6内醚 ɑ L  半乳糖结合成的链状结构 。琼脂胶结构与琼脂糖相似，但因其碳链上含有硫酸基、丙酮基、甲氧基等基团，而硫酸基是影响琼脂凝胶强度的主要因素，故琼脂胶不具有凝胶作用[4-5] 。

琼脂主要是从江蓠、石花菜、鸡毛菜、紫菜等红藻类海藻细胞壁中提取得到[6] 。琼脂性能特殊，独特的凝胶性和凝胶稳定性，使其广泛应用于食品、医药、日化、生物工程等方面。琼脂可作为增稠剂、乳化剂、胶凝剂、赋形剂、助悬剂、水分保持剂，应用于乳制品、糖果、糕点、罐头、冷饮、饮料、肉制品等食品工业中[7] ;琼脂还可作为澄清剂用于酒、酱油、食醋等酿造产品中[8] 。在生物医药方面，琼脂因不易被微生物分解利用，因此常用于微生物培养基，也用于医药方面的药膏基材。随着琼脂全球需求量的增加，关于琼脂的深加工也越来越受到关注。本文就琼脂的提取工艺及深加工研究进展进行综述，以期为琼脂在各领域的进一步应用提供参考。

1 琼脂提取工艺

1.1 高温高压法

琼脂提取传统方法是高温高压法，提取流程：原料处理→浸泡→煮胶→过滤→冷却→脱水→干燥→ 粉碎→包装。该提取工艺简单，因没有经过酸碱处理，琼脂分子破坏较少，提取率较高，但同时也因没有碱处理去除硫酸根，导致琼脂凝胶强度较低。一般此法适用于硫酸基含量较低的原料，如石花菜。

1.2 碱法提取工艺

碱法工艺常见有低温高碱、中温高碱和高温稀碱3种，碱处理在琼脂提取过程中的作用是脱除硫酸基和色素，以提高琼脂的品质。碱法工艺提胶流程：原料处理→碱处理→漂洗→酸处理→漂洗→漂白→漂洗→煮胶→过滤→冷却→脱水→干燥→粉碎→ 包装。中低温高碱法提取琼脂，因温度适中，生产工艺较易控制，但因用碱量大，清洗耗水量大，环境负担大，生产周期长，生产成本较高。高温稀碱法碱浓度较低，环境污染较小，生产周期短，但因提取温度较高，生产工艺不易控制，碱在高温条件下容易破坏琼脂，导致胶质流失，降低产率。

为更好地利用碱法工艺提取琼脂，学者们一直在不断探索其工艺条件。在中低温高碱提取琼脂方面，戚勃等[9] 通过研究碱处理温度、处理浓度和时间对龙须菜琼脂凝胶强度的关系，为采用冷碱法提取龙须菜琼脂的工业化提供理论依据。关于高温稀碱法提取琼脂方面的研究较多。穆凯峰等[10] 采用高温稀碱法提取坛紫菜琼脂，以琼脂得率、凝胶强度等为考察指标，通过试验得出提取率较高、品质较佳的工艺条件。高温条件下，采用碱法提取琼脂容易造成胶质流失。Arvizu等[11] 研究碱处理时间对提取江蓠琼胶的影响，结果表明，琼脂提取率和凝胶强度随碱处理时间的延长而降低，在当碱处理时间为0.5 h时，二者均达到最大值。李来好等[12] 研究高温稀碱法提取江蓠琼脂的工艺条件，表明在碱处理过程中，加入适量的蒽衍生物可降低碱处理过程中江蓠胶质的流失，从而提高琼脂的提取率。宗培杰等[13] 在提胶过程中，加入适量的食用表面活性剂，促进细胞壁的破坏，加速胶质的溶出。此外，在废碱液中加入适量活性炭处理，吸附碱液中的杂质，能够提高碱液纯度，促进废碱液的循环利用，降低生产成本。

1.3 酶法辅助提取工艺

酶法辅助提取工艺的特点是利用纤维素酶在碱处理前或处理后作用于藻体，加速破坏藻体的细胞壁，从而促进胶质溶出。邱慧霞等[14] 对纤维素酶辅助提取江蓠琼脂的工艺进行研究，在碱处理之后加入适量的纤维素酶处理江蓠菜，然后再煮胶，不仅提高了琼脂的得率，而且不影响琼脂的凝胶强度。该研究不仅优化琼脂的最佳提取工艺，而且研究发现江蓠藻经酶处理后，用活性炭替代化学试剂进行漂白，既减少了清洗次数，缩短了生产周期，又减缓了对环境的污染。此外，考虑采用硫酸酯酶辅助纤维素酶处理江蓠菜，降解琼脂上的硫酸基，减少碱液和清洗水的用量，对降低生产成本、节能减排具有重要意义。

2 琼脂深加工

琼脂作为天然多糖，由于分子量大、溶解性差等缺点，大大限制了其应用。将琼脂进行适当处理，赋予其新的性能，是扩大琼脂应用范围的重要方法。目前，关于琼脂的深加工应用主要集中在利用琼脂提取琼脂糖和通过降解琼脂制备琼胶寡糖，而关于琼脂改性方面的研究，相对较少。

2.1 琼脂糖提取

琼脂糖，亦称琼胶素，是琼脂的重要组成成分，不含或含少量硫酸酯（盐）的非离子型多糖。琼脂糖的提取方法主要有碘化钠法、乙酰化法、聚乙二醇法、十六烷基氯化吡啶法（CPC）、二甲基亚砜法（DMSO）、EDTA  Na 2法、DEAE 纤 维素法、硫酸铵法、磷酸钠法、尿素法等。虽然方法不同，但最终目的都是将琼脂中的硫琼脂和琼脂糖分离，以纯化琼脂糖。关于各种提取方法，李龙[15] 和闫绍鹏[16] 已作了较详细的介绍。

2.2 琼胶寡糖的制备

琼胶寡糖，是琼脂经降解后形成的聚合度在2～ 10的低聚糖，由琼二糖的重复单位连接而成，具有优良的生物活性，如抗氧化[17-19] 、抗肿瘤[20-21] 、抑菌[22] 、美白保湿[23-24] 等功能。国内外对琼胶进行降解的方法主要有化学降解法和酶降解法。目前，国内外制备琼胶寡糖主要通过化学法和酶法降解琼脂而得到。

2.2.1 化学降解法   化学法制备琼胶寡糖主要包括酸降解、氧化还原降解和衍生化降解3种途径。其中，以酸降解法较为常用。采用稀酸，以盐酸和硫酸常见，通过直接加酸、逐级加酸或非均相等方法对琼脂进行降解，两种酸降解得到的产物有所不同。其中，盐酸降解的产物含较高的聚合度为3～8的寡糖含量，而硫酸降解的产物多为单糖和二糖[25-26] 。毛文君等[27] 采用酸解法制备了一种包括琼三糖、琼五糖、琼七糖、琼九糖的奇数琼胶寡糖单体。通过酸降解法，于广利等[28] 也制备了一种聚合度为2～20的偶数琼胶寡糖醇单体，该单体不仅可以用于制备寡糖标准试剂，也能作为中间体进一步制备海洋寡糖药物或寡糖保健品。酸法制备琼胶寡糖工序较繁琐，需要经过中和、脱盐等处理，所得产物成分较复杂，工艺重复性差，而且酸解过程中容易引起糖结构的破坏，影响寡糖活性。此外，使用的化学试剂增加了废水处理成本。因此，学者们致力于寻找一种更高效经济的琼胶寡糖制备方法。

2.2.2 酶降解法   瓊胶酶主要来源于微生物，通过微生物发酵，可以得到纯度较高的琼胶酶制剂。通过琼胶酶水解琼脂得到寡糖，是制备琼胶寡糖的一个非常重要的方法。与传统的酸降解法相比，酶法制备具有高效性和底物专一性，反应条件温和，产物纯度高，对环境无污染等优点。琼胶酶可分为α 琼 胶酶和β 琼 胶酶2种，二者水解琼脂得到的产物不同。α 琼 胶酶作用于琼胶糖的α 1  ， 3糖苷键，产物是以3 ， 6 内 醚  α L  半乳糖为还原性末端的琼寡糖;β  琼胶酶作用于琼胶糖的β 1  ， 4糖苷键，产物是以D 半 乳糖为还原性末端的新琼寡糖[29] 。于文功等[30-31] 利用来自大肠杆菌重组株 DHα pET24 agaA的琼胶酶，发明了一种制备聚合度4、6的新琼寡糖的方法。此外，还利用由β  琼 胶酶 AgaB 基因高效表达的大肠杆菌BL21（DE3）   pET24 agaB 工程菌株所产的琼胶酶，水解琼胶糖得到聚合度不同的新琼寡糖。酶法制备琼胶寡糖具有较好的发展前景，但是由于酶制剂的规模化生产尚未成熟，产量有限，而且分离纯化技术仍在不断探索中，目前尚停留在实验室阶段。

2.3 琼脂的改性

琼脂的改性指通过物理、化学或生物的方法，使原琼脂的性能发生改变，从而达到改性的目的。

2.3.1 物理改性   琼脂改性常用的物理方法主要有辐射、超声、微波、高压、挤压等。徐博等[32] 采用双螺杆挤压技术对江蓠琼脂粉进行改性，通过研究温度、料水比、螺杆转速、模孔直径对琼脂低温溶解性质的影响，经响应面分析得到当温度为126℃ 、料水比为0.37 mL·g-1  、螺杆转速为150 r·min-1  、膜孔直径为6 mm时，琼脂具有良好的低温溶解性（60℃）及凝胶强度（683.6 g·cm-2  ），为温敏性物质与琼脂的共同应用提供参考。刘丽红等[33-34] 研究了微波处理和钴 60 辐射处理对琼脂性能的影响，试验表明：琼脂经微波或辐射 处理后，其凝胶强度、黏度、溶解温度、3 ， 6 内 醚半乳糖含量等指标均有所下降。杨松涛[35] 采用高压或超高压设备处理琼脂，经喷雾干燥或微波处理等处理，制备得到低温速溶琼脂。

2.3.2 化学改性   化学改性是指在原琼脂分子上引入新的基团，使其性质发生改变。Zhang等[36-37] 分别采用环氧丙烷和过氧化氢对琼脂进行改性。琼脂经环氧丙烷的羟丙基化后得到羟丙基琼脂，改性后的琼脂物理指标如溶解温度、融化温度、凝胶温度、凝胶强度、吸湿性和热稳定性都发生了变化。经过氧化氢处理得到的氧化琼脂，羧基含量提高，而黏度、凝胶强度、旋光度等降低，脆性、弹性、咀嚼性等质构特性有所减弱;除此之外，氧化后的琼脂的凝胶结构保留与原琼脂相同的网络状的多孔结构，但孔隙较小且紧密。Xia等[38] 对琼脂进行改性，得到醋酸盐琼脂，乙酰化后的琼脂理化性质发生变化，随着取代度的增加，琼脂的凝胶强度、融化温度、凝胶温度、黏度、弹性、热稳定性均下降，而保水性提高。问莉莉[39] 采用戊二醛改性琼脂，通过交联作用得到高凝胶强度的琼脂。试验通过单因素分析和响应面设计，确定改性工艺的最佳参数，在戊二醛浓度为3%、温度56℃下，反应10 min，得到的改性琼脂的凝胶强度达到1 785  g·cm-2  ，较原琼脂提高了110%。张晓川[40] 将琼脂原料加入至强碱溶液中，加入脱甲氧基试剂（过氧化氢）进行反应处理，之后再以过氧化氢酶脱除残留的过氧化氢，从而制备得到具有低融化温度、溶解温度和凝胶温度的新型琼脂。

2.3.3 生物改性   琼脂具有一定的蛋白质含量，主要来源于提取琼脂的原料，如江蓠海藻等。在提取过程中，碱处理虽然可以去除原料大部分的矿物质和蛋白质，但还有一部分蛋白质存在于提取的琼脂中。问莉莉[39] 采用转谷氨酰胺酶（TG酶），利用琼脂中少许的蛋白质对琼脂进行交联改性，通过单因素试验和响应面分析，得到最佳工艺参数：在温度58℃、pH值為6时，加入浓度为3.5%的TG酶，反应11 min，此条件下得到的琼脂的凝胶强度达到1 145  g·cm-2  ，较原琼脂提高了35%，改性效果明显。

3 展望

我国海藻资源丰富，江蓠养殖技术成熟，琼脂产量居世界前列。琼脂产业的发展，推动我国海藻养殖业的迅速发展，对改善海洋环境、提高劳动就业率等具有良好的推动作用。除此之外，琼脂及其加工产物也在各行各业中体现其应用价值，除食品方面外，生化领域、海洋药物、日化工业等也都扮演重要角色。

琼脂的生产目前主要采用高温稀碱法，工艺技术已经很成熟。而酶法辅助工艺尚处于试验阶段，加以深入研究，对改善碱用量和降低污水处理成本，具有重要意义。此外，也可考虑使用琼脂硫酸酯酶辅助纤维素酶脱除琼脂硫酸基，进一步降低碱液用量。在琼脂的深加工方面，琼脂糖作为其中一个重要方向，是扩展琼脂应用领域的重要组成部分。然而，目前国内琼脂糖产品质量及市场份额均不及国外进口产品，加上国内关于琼脂糖改性方面的研究较少，阻碍了我国琼脂糖及其衍生产品产业的发展。因此，深入开展琼脂糖及其衍生产品的研究，有利于提高国内琼脂糖品质及琼脂糖产业的发展。琼胶寡糖具有优良的生物活性，其潜在的应用价值吸引着相关领域学者的青睐。关于琼胶寡糖的生物活性机理目前尚处于研究阶段，尤其关于新琼寡糖在益生元的应用方面，有待进一步研究。国内关于淀粉改性方面的研究较成熟，若能加以借鉴，应用在琼脂方面，对增加琼脂衍生产品的种类、扩大琼脂应用领域意义深远。

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