海带裂解工艺选择

海带酶解工艺选择
1、概述
海带（Laminaria japonica），又名纶布、昆布、江白菜，是多年生大型食用藻类。

藻体为长条扁平叶状体，褐绿色，有两条纵沟贯穿于叶片中部，形成中部带，一般长1.5~3m，宽15~25cm，最长者可达6m，宽可达50cm。

海带生于海边低潮线下2m深度的岩石上，人工养殖生长在绳索或竹材上，是我国、日本、朝鲜等东方人喜欢食用的经济藻类。

我国海带养殖已发展成大规模产业，从辽宁一直到广东沿海，产量约占世界海藻的50%，居世界第一位。

2、海带主要成分
海带主要成分
海带成分灰分脂肪粗蛋白
碳水化合物
褐藻酸甘露醇海带淀粉粗纤维褐藻糖胶
含量（% DW）25~35 1~2 15~20 20~32 17~30 1~20 2~6 1~2
上表列出了一般情况下，海带主要有机物成分的范围，可以看出，海带不含木质素，易降解碳水化合物含量高，主要为葡聚糖（褐藻淀粉、纤维素）、甘露醇、果胶质和褐藻酸。

目前从海带中发现的多糖有三种：褐藻胶、褐藻糖胶、褐藻淀粉。

褐藻胶又称褐藻酸，由β-D-甘露糖醛酸（β-D-man-nuronate）与其差向异构体α-L-古罗糖醛酸（α-L-gu-luronate）通过1，4-糖苷键构成，来源于细胞壁，是褐藻中共有的水溶性、酸性直链多糖，在海带中含量丰富，约占19.7% ，具有抑制肿瘤、增强免疫、促进生长等功效。

褐藻糖胶是狭义上的海带多糖，是海带细胞间的多糖物质，是褐藻细胞壁外层含有的特殊藻胶，是褐藻细胞分泌产生的黏性物质，其含量一般在0.3%-1.5%，褐藻糖胶含有鼠李糖、半乳糖、岩藻糖等多种中性单糖，还有部分结合蛋白质。

褐藻淀粉又称昆布多糖，是一种细胞内多糖，在海带中的含量约占1 %，褐藻淀粉为中性葡聚糖的一种，其磺化产物为褐藻淀粉硫酸酯，研究发现，这两种多糖都能够促进机体的免疫功能，对血清胆固醇都有明显的降低作用，褐藻淀粉与人工磺化的褐藻淀粉硫酸酯相比，对机体的免疫调节作用更强。

3、海藻主要裂解方法
现阶段关于海藻（海带）的裂解方法的研究主要集中在酶解、微波裂解和（酸）水解等。

（1）微波裂解
目前报道的对海藻热裂解技术大都集中于微波裂解。

由于微波裂解具有高效快速、节能省电、选择性、无污染和易控制等优点，而使其成为目前最有发展潜力的热裂解技术，因而是生物质热裂解技术研究发展的一个重要方向。

海藻的裂解过程大致可以分为3个阶段：脱水干燥阶段、快速裂解阶段和缓慢裂解阶段。

在热解升温过程的开始有一干燥和初挥发阶段，水分和少量的小分子物质从海藻中逸出；随着温度的继续升高，海藻开始发生分解反应，导致剧烈失重；当反应温度高于650℃左右，热解反应已基本完成，剩余物质开始碳化，进入缓慢失重阶段。

总体趋势是，随着微波功率的增大，物料的转化率增大，固体剩余物减少，气体和液体产物量增大。

（2）酶解
由于海带细胞壁的结构特性，添加纤维素酶能有效地破坏藻体的细胞壁，使其有效成分如褐藻多糖得以容易溶出，以便被后续工艺中发酵菌等菌种有效地吸收利用。

酶解法可针对多糖的分布部位，充分破坏细胞结构，条件温和，在最大限度地提高多糖得率的同时保持有效物质的结构和活性，但耗时较长。

（3）(酸)水解
稀硫酸水解生物质的化学方法被认为是比较简单、高效的方法，用硫酸水解海带不仅可提高还原糖的水解效率，同时还会降低海带水解液的黏度，有助于细胞生长和生物乙醇的后期发酵。

稀硫酸在一定条件下能够有效水解海带多糖（褐藻糖胶、海带淀粉、褐藻胶）成为能够被微生物所利用的单糖或者低聚糖，其中水解液主要以还原糖六碳糖为主。

海带水解液中的还原糖主要有：葡萄糖、半乳糖、葡糖醛酸、木糖、甘露醇、岩藻糖，甘露醇不是还原糖但确是海带的主要成分之一。

4、酶解工艺
（1）保健型海带粉酶解工艺
清洗：将海带放入清水中浸泡1h后，洗去泥沙，海带表面的杂物及粘液，再用清水漂洗干净。

软化及去腥：清洗过的海带用1%醋酸溶液将其软化同时除腥，然后用水漂洗，除去残留溶液。

打浆：在脱腥后的海带中，加入适量水（固液比1：5），用打浆机打成粗浆，细度在3 mm 以下。

酶解：海带浆中按质量比加入1%果胶酶、1%纤维素酶和1%复合蛋白酶，在不锈钢夹层锅中50℃，酶解4h，并不断搅拌。

海带浆中加入果胶酶、纤维素酶和复合蛋白酶进行酶解，可以降低海带多糖的粘度，同时经果胶酶和纤维素酶水解海带浆，可以破坏海带细胞，有利于海带营养成分的释放。

海带浆中还有大量的海带多糖，添加复合蛋白酶可以水解海带多糖中夹杂的蛋白质为氨基酸。

胶磨：经酶解后的海带浆用胶体磨进一步细化，控制胶体磨的间隙，使物料呈均匀细腻的料液。

磨盘间隙调至20～50μm。

调配：将海带浆泵入带有搅拌器的夹层锅中，加入普鲁兰多糖、海藻糖和抗性淀粉，搅拌均匀。

调节浆液固形物含量达到40%。

海带中含有天然的不饱和脂肪酸，在空气中容易氧化，会产生过氧化物和挥发性醛等，使食品风味变差而失去食用价值。

海藻糖作为一种优秀的能有效改善食品质量和风味的天然配料。

海藻糖对这种油脂构成成分中的脂肪酸分解具有很好的抑制作用。

海带中含有大量的生物活性物质，如甘露醇，海带多糖，海带氨酸等。

海带浆中加入普鲁兰多糖，可以形成多糖类可食用膜包裹于海带粉表面，能阻隔水汽、其它气体或各种溶质的渗透，并起到保护作用，保证食品的质量，延长食品的货架期。

均质：对调配好的混合浆液用40MPa的压力在均质机中进行均质。

料液粒度控制在5μm 以下。

灭菌：采用超高温瞬时灭菌机进行，灭菌条件：温度为140～145℃，时间为2～5s，出料温度冷却至50℃左右。

（2）褐藻糖胶提取工艺
在海带中，褐藻糖胶的主要存在位置是细胞壁。

海带细胞壁的主要成分包括纤维素、果胶、半纤维素等，另外还有少量海带多糖（海藻酸、褐藻糖胶和海带淀粉）和蛋白质，其中前三者对海带细胞壁具有骨架支撑作用。

因此要快速有效的破解海带细胞壁以释放出可溶性的褐藻糖胶，需要有效破坏三者形成的稳定胞壁结构，所以选择了纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶；其次，以海带淀粉为主的褐藻多糖对褐藻糖胶的提取有一定影响，因此选择α-淀粉酶除去；最后，少量蛋白质对褐藻糖胶在溶液中的释放存在一定影响，因此要除去这部分蛋白质。

复合酶提取工艺工艺流程：干海带切块—浸泡冲洗除杂—调温调pH—加入复合酶恒温酶解—打碎—离心除海带渣—钙凝—离心除海藻酸钙—浓缩—除钙离子—中和—醇沉—减压抽滤—真空冷冻干燥—粗褐藻糖胶。

称取30g干海带浸泡后冲洗除杂，按一定比例的料水比加蒸馏水；放入水浴锅中，恒温后调pH至酸性；加入一定比例的复合酶(以海带干重计，下同)恒温酶解一定时间；酶解结束后打碎海带，4000r／min离心15min以除去海带渣得到上层液；向上层液中边搅拌边加入30％CaCl2溶液，放置一段时间至液体澄清，4000r／min离心15min除去海藻酸钙；旋转蒸发浓缩；向浓缩液中加入20％Na2CO3溶液，搅拌后4000r／min离心15min除钙离子，重复操作至溶液澄清；用HCl溶液中和已除去钙离子的清液；用无水乙醇分级沉淀，4℃静置过夜；减压抽滤得到沉淀物，真空冷冻干燥后即为粗褐藻糖胶制品。

复合酶即纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、α-淀粉酶和酸性蛋白酶的比例为25：10：10：1：5；在单因素实验基础上设计正交实验优化，得到的复合酶提取海带中褐藻糖胶的最佳条
件是复合酶添加量(以海带干重计)为4.6％，酶解温度为59℃，pH为4.5，时间为18h，料水比为l：30。

（3）各种酶
胰酶pH7.5，果胶酶pH4.2，木瓜蛋白酶pH6.0，植物水解酶蛋白酶pH3.4，纤维素酶pH5.0。

分别加入样品所含多糖质量1％的胰酶、果胶酶、木瓜蛋白酶、纤维素酶及植物水解蛋白酶及不添加酶(空白)。

在50℃中水浴振荡，水解4h，在沸水浴中加热灭酶10min，冷却离心(4800r／rain，20min)后取上清液即为多糖酶解液样品。

确定了复合酶最佳配比，纤维素酶：果胶酶：淀粉酶：蛋白酶=60：20：10：15：16，并进一步通过单因素试验和正交试验优化了复合酶综合提取的条件：料液比为1：30、加酶量为6.05％、pH4．8、温度55℃、时间18h。

○1纤维素酶（β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶）：是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单体酶，而是起协同作用的多组分酶系，是一种复合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成，还有很高活力的木聚糖酶。

作用于纤维素以及从纤维素衍生出来的产物。

微生物纤维素酶在转化不溶性纤维素成葡萄糖以及在果蔬汁中破坏细胞壁从而提高果汁得率等方面具有非常重要的意义。

纤维素酶的最适pH一般在4.5~6.5。

葡萄糖酸内酯能有效的抑制纤维素酶，重金属离子如铜和汞离子，也能抑制纤维素酶，但是半胱氨酸能消除它们的抑制作用，甚至进一步激活纤维素酶。

植物组织中含有天然的纤维素酶抑制剂；它能保护植物免遭霉菌的腐烂作用，这些抑制剂是酚类化合物。

如果植物组织中存在着高的氧化酶活力，那么它能将酚类化合物氧化成醌类化合物，后者能抑制纤维素酶。

○2果胶酶：是指分解植物主要成分—果胶质的酶类。

果胶酶包括两类，一类能催化果胶解聚，另一类能催化果胶分子中的酯水解。

其中催化果胶物质解聚的酶分为作用于果胶的酶（聚甲基半乳糖、醛酸酶、醛酸裂解酶或者果胶裂解酶）和作用于果胶酸的酶（聚半乳糖醛酸酶、聚半乳糖醛酸裂解酶或者果胶酸裂解酶）。

催化果胶分子中酯水解的酶有果胶酯酶和果胶酰基水解酶。

最适作用PH:3.0，最适作用温度为50℃，果胶酶是从根霉中提取的,使细胞间的果胶质降解,把细胞从组织内分离出来。

○3木聚糖酶：木聚糖(xylan)是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，约占植物细胞干重的15%~35%，是植物半纤维素(hemicellose)的主要成分。

大多数木聚糖是一种结构复杂的、具有高度分枝的异质多糖，含有许多不同的取代基。

木聚糖的生物降解也因此需要一个复杂的酶系统，通过其中各种组分的相互协同作用来降解木聚糖。

因此，木聚糖酶是一组酶，而非一种酶。

木聚糖水解酶系(xylanolyticenzymesystems)是一类降解木聚糖的酶系，包括β-1,4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡糖苷酸酶、乙酰基木聚糖酶和酚酸酯酶，可降解自然界中大量存在的木聚糖类半纤维素。

在木聚糖水解酶系中，β-1,4-内切木聚糖酶是最关键的水解酶，它通过水解木聚糖分子的β-1,4-糖苷键，将木聚糖水解为小寡糖和木二糖等低聚木糖，以及少量的木糖和阿拉伯糖。

β-木糖苷酶通过水解低聚木糖的末端来催化释放木糖残基。

另外，参与彻底降解木聚糖的还有α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、α-葡萄糖醛酸苷酶、乙酰木聚糖酯酶，以及能降解木聚糖中阿拉伯糖侧链残基与酚酸(如阿魏酸或香豆酸)形成的酯键的酚酸酯酶等侧链水解酶，它们作用于木糖与侧链取代基之问的糖苷键，协同主链水解酶的作用，最终将木聚糖转化为它的组成单糖
作用PH范围为3.5-6.5,最佳PH值为5.0；作用温度范围为50-60℃，最佳温度为55℃。

○4酸性蛋白酶：是指蛋白酶具有较低的最适pH，而不是指酸性基团存在于酶的活性部
位，酸性蛋白酶的最适PH从2左右(胃蛋白酶)到4左右。

从酶的活力-PH曲线分析，在酶的活性部位中含有一个或更多的羧基。

这一类蛋白酶中研究最彻底的是胃蛋白酶。

最适温度范围为40℃-50℃，最适PH范围为2.5～3.5。

○5中性蛋白酶：是由枯草芽孢杆菌经发酵提取而得的，属于一种内切酶，可用于各种蛋白质水解处理。

在一定温度、PH值下，本品能将大分子蛋白质水解为氨基酸等产物。

最适温度：45 ～50 ℃，稳定pH ： 5.5 ～8.5，最适pH ： 6.8 ～7.0。

○6木瓜蛋白酶（Papain）：又称木瓜酶，是一种蛋白水解酶。

木瓜蛋白酶是一种在酸性、中性、碱性环境下均能分解蛋白质的蛋白酶。

它的外观为白色至浅黄色的粉末，微有吸湿性；木瓜蛋白酶溶于水和甘油，水溶液为无色或淡黄色，有时呈乳白色；几乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚等有机溶剂。

木瓜蛋白酶是一种含巯基(-SH)肽链内切酶，具有蛋白酶和酯酶的活性，有较广泛的特异性，对动植物蛋白、多肽、酯、酰胺等有较强的水解能力，但几乎不能分解蛋白胨。

木瓜蛋白酶的最适合PH值6～7(一般3～9.5皆可)，在中性或偏酸性时亦有作用，等电点（pI）为8.75；木瓜蛋白酶的最适合温度55～65℃(一般10～85℃皆可)，耐热性强，在90℃时也不会完全失活；受氧化剂抑制，还原性物质激活。

○7胰酶（Pancreatin）：主要含胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶等，胰蛋白酶能使蛋白转化为蛋白胨，胰淀粉酶使淀粉转化为糊精与糖，胰脂肪酶则使脂肪分解为甘油和脂肪酸。

在中性或弱碱性条件下活性较强。

在肠液中消化淀粉、蛋白质及脂肪，从而起到促进消化和增进食欲的作用。

胰蛋白酶Trypsin (Parenzyme) 为蛋白酶的一种，EC 3.4.4.4，是从牛、羊、猪的胰脏提取的一种丝氨酸蛋白水解酶。

是特异性最强的蛋白酶，在决定蛋白质的氨基酸排列中，它成为不可缺少的工具。

易溶于水，不溶于三氯甲烷、乙醇、乙醚等有机溶剂。

在pH1.8时，短时间煮沸几乎不失活；在碱溶液中加热则变性沉淀，Ca2+有保护和激活作用，胰蛋白酶的等电点为pH10.1。

细胞培养时，胰蛋白酶的作用是使细胞间的蛋白质水解从而使细胞离散。

不同的组织或者细胞对胰酶的作用反应不一样。

胰酶分散细胞的活性还与其浓度、温度和作用时间有关，在pH 为8.0 、温度为37℃时，胰酶溶液的作用能力最强。

使用胰酶时，应把握好浓度、温度和时间，以免消化过度造成细胞损伤。

因Ca2+、Mg2+和血清、蛋白质可降低胰酶的活性，所以配制胰酶溶液时应选用不含Ca2+、Mg2+的BSS。

（4）粗纤维提取工艺
化学方法：化学方法提取海带中的粗纤维是对海带藻粉进行酸碱处理后活化，再用醇或醚洗涤后烘干粉碎。

海带10 g—105℃常压干燥—粗粉碎—过40目筛—细粉碎过80目筛—碱(碳酸钠)煮（60min适宜）（消化液浓度采用15％较适宜）—无水乙醇和无水乙醚各洗涤两次—105℃常压干燥—粗品。

酶解法：酶解法就是利用纤维素酶打开海带的细胞壁，再利用其他酶分解海带中其他物质，最后经酸处理和碱处理后活化，醇洗，干燥，粉碎得成品。

海带10 g—105℃常压干燥—粗粉碎—过40目筛—细粉碎过80目筛—复合酶(纤维酶和蛋白酶)提取（实验采用0.005 g纤维素酶和0.02 g蛋白酶组成复合酶系）—无水乙醇和无水乙醚各洗涤两次—105℃常压干燥—粗品。

（5）酶法提取海带多糖
将海带经晾晒、去除泥沙等杂质，粉碎达到20-30目，粉碎后的海带收入浸泡池中，浸泡0.5-1h，分离海带和浸泡液浸泡液用于提取碘、甘露醇，用浸泡过的海带做酶解的原材料。

将浸泡好的海带放人酶解罐,加人纤维素酶、果胶酶和蛋白酶,控制酶解温度为30-50℃,酶解时间为3-6h。

酶解后海带渣和酶解液混交在一起呈粘质状态，直接用分离机分离出海带渣，得到的上清液即是海带酶解液，作为提取海带多糖的原料，海带渣一次性收集起来用于开发其它产品。

从海带酶解液中分离出褐藻酸盐,再过滤除去微颗粒杂质,制备成提取海带多糖的上清液原料。

这种上清液可根据市场需求生产不同规格的多种海带多糖。

将上清液直接浓缩、喷雾干燥,制备出泡沫粉状固形物。

这种固形物中含有维生素、氨基酸、微量元素、矿物质及含硫酸根和不含硫酸根的海带多糖，称为海带粗多糖，产率为一以淡干海带计。

（5）水溶性海带粉制备工艺研究
原料预处理：挑选整齐、无霉烂的干海带，洗净表面泥沙，切块，在清水中浸泡3-4h，使其充分吸水，滤出水分。

脱腥：浸泡后的干净海带，加入一定量的食用醋酸溶液在95℃环境中同时进行脱腥和熟化1h，熟化后捞出海带，清水冲洗去除海带表面的醋酸。

酶解：将浸泡后的海带与水按1∶1打浆，食用醋酸调节pH4.5 ～ 5.5，然后投入酶解罐中，加入酶，搅拌均匀，控制温度45 ～55℃，酶解3～4h。

离心、消化：根据较成熟的工业制备海藻酸钠的方法，将海带酶解液离心分离，上清液留用，沉淀加3%的食用纯碱，50℃，消化3h，使海藻酸钠溶出，离心，取上清液，将两次离心的上清液混合。

灭酶：混合液体放置100℃环境中15min，使酶灭活。

调节pH：灭酶后的溶液用食用醋酸调节pH6.0 ～8.0。

脱盐：使用3500Da 透析袋进行脱盐透析。

干燥：先用旋转蒸发仪对脱盐后的海带溶液进行浓缩，约浓缩50% 后，喷雾干燥成粉末。