褐藻酸和褐藻酸鹽的分離提取及應用研究進展

張楠，魏琦峰，任秀蓮

（哈爾濱工業大學（威海）海洋科學與技術學院，山東 威海 264209）

褐藻酸（alginic acid），又名褐藻膠，分子式（C6H8O6）n，是由 β-D-甘露糖醛酸（M）和 α-L-古羅糖醛酸（G）通過1，4-糖苷鍵聚合而成的天然線性高分子多糖，以鈣及鈉鹽的形式存在于褐藻的細胞壁中[1]。褐藻酸鹽，一般是指褐藻酸與一價或二價金屬離子形成的高分子化合物，其中最常見的是褐藻酸鈉、褐藻酸鈣。

褐藻酸和褐藻酸鹽的特殊結構決定其具有特殊的凝膠能力，結構中的G、M單體以3種方式組合：GG、MM和GM，G、M單體和3種鏈段的含量都會影響褐藻酸鹽的性能[2]。褐藻酸鹽中，M含量高的硬度小、柔韌性好；G含量高的硬度大但易碎[3]。通過調整其中兩種單體的比例可以生產出強度不同的凝膠[4]，以便應用于不同行業中。

褐藻酸和褐藻酸鹽能在人體中發生陽離子的交換，吸收體內某些重金屬離子，從而調節人體的新陳代謝；它們還具有良好的生物相容性、抗氧化性、凝膠性等性能，因此被廣泛應用于食品、生物醫學、日用化工品、紡織印染及廢水處理等領域[5-7]，并且在醫療衛生、食品工業領域的應用占據了它們全球市場的絕大部分。目前，工業上主要采用碳酸鈉消化褐藻的方式提取褐藻酸/褐藻酸鹽，此方法相對成熟，但仍然存在很多問題，如：工藝繁瑣，產品質量易受多方面因素影響等。因此，探索出一種能夠選擇性浸出褐藻酸鹽的堿性試劑對工藝優化有著重要意義。

1 海藻中褐藻酸和褐藻酸鹽的提取工藝

褐藻酸和褐藻酸鹽主要存在于各種褐藻類植物中。目前提取工藝中常用的原材料有泡葉藻、海帶、馬尾藻和墨角藻。FOUREST E等[8]的研究結果顯示，4種褐藻中褐藻酸鹽的分子量順序為墨角藻＜泡葉藻＜馬尾藻＜海帶，且其黏度隨著分子量的增大而逐漸增大。其中，海帶中的褐藻酸鹽分子量大、含量高、較易被提取，因此國內主要使用海帶來提取褐藻酸鹽。褐藻酸和褐藻酸鹽常用的提取方法包括熱水浸提法、化學法和酶解法，此外還有物理法和非等溫自水解法兩種新型的提取方法。

1.1 熱水浸提法

作為一種傳統的褐藻酸和褐藻酸鹽提取方法，熱水浸提法是利用多糖溶于熱水的性質[9]，在熱力作用下，海藻的細胞原生質發生質壁分離，水與細胞質充分接觸，從而溶解液泡內的多糖到浸出液中。Kim Ga-Yeong等[10]以海帶為原料，比較水和碳酸鈉提取褐藻酸鹽的效果。在溫度較低的情況下，2%的碳酸鈉溶液提取褐藻酸鹽的得率為21.06%，較水提法提高56.58%，效果更好。水提法中，中性的浸出環境可減少多糖的水解，得到完整的多糖分子[11]，但也降低了得率、產生了大量不易處理的廢液，不適用于工業化生產。因此，國內外研究者提出了非等溫自水解法、化學法、酶解法和物理法，通過使用生化試劑或增強外部能量的方式破壞細胞壁，以提高多糖的提取率。

1.2 非等溫自水解法

非等溫自水解法是一種新型的提取方法，其原理是在傳統水提法的基礎上增大壓力，在一定的溫度范圍內用熱壓縮水對海藻進行自動水解處理，以加大褐藻酸鹽的溶出。Noelia Flórez-Fernández等[12]以海藻為原料，將水與海藻按照質量比30∶1混合在加壓反應器中，在7.5個大氣壓、120℃～220℃條件下反應，最終在160℃獲得褐藻酸鹽。一系列表征顯示所提取的褐藻酸鹽與商業褐藻酸鹽的性質相當，是高質量的褐藻酸鹽。

1.3 化學法

化學法即酸堿法，通過酸堿試劑的加入破壞植物的細胞壁和細胞膜，促進褐藻膠的溶出，是工業上提取褐藻膠的主要方法。提取工藝主要包括脫色、酸凝和消化3個步驟[13]，其中碳酸鈉是常用的堿性試劑，雖然該方法有著操作方便、設備簡單且耗能低等特點，但會產生大量酸堿廢液，對環境造成一定的負擔。Mohammed Akeem等[14]以馬尾藻為原料，探究多階段提取褐藻酸鈉的最佳條件。用0.5 mol/L硫酸在40℃下對馬尾藻進行預處理，硫酸與海藻體積比為15∶1；再用5%的碳酸鈉溶液在65℃條件下將其浸泡2 h，溶液與海藻體積比仍為15∶1，則褐藻酸鈉的得率可達到19%。試驗過程中酸或堿的濃度過高，都會導致褐藻酸鈉的提取率降低。Mohamed Fertah等[15]為研究溫度對提取率的影響，以海藻L.digitata為原料，用2%碳酸鈉溶液提取5 h，結果表明在40℃下得率最高，為44.01%；Vauchel P等[16]同樣以海藻L.digitata為原料，取固液比為1∶20（g/mL），在20℃下用4%的碳酸鈉溶液提取褐藻酸鈉，得率達到38%。可見化學法是提取褐藻膠的較佳選擇。

1.4 酶解法

酶解法由于高效、專一且條件溫和等特點，被廣泛應用于植物多糖的提取[17-18]。酶能夠分解細胞壁，使細胞中的細胞質和細胞間液溶解出來，浸出液再經分離純化可得到褐藻酸。陳宏等[19]使用纖維素酶處理海帶，之后加入碳酸鈉溶液浸出褐藻酸鈉，得率可以達到42.46%。李曉等[20]用酶解法提取銅藻中的褐藻酸鈉，與傳統工藝對比，提取率提高了46.7%，且物質消耗和廢水排放量都優于傳統法。田洪蕓等[21]以海帶為原料，首先使用纖維素酶和果膠酶，在pH 4.5、55℃環境下進行2 h水解，再加入同等質量的木瓜蛋白酶，在pH 8.5、85℃條件下水解2 h，最后煮沸10 min以鈍化酶活性，所得褐藻酸鈉的得率為24.67%，雖然得率較高，但也存在一定的局限性——試驗過程中的溫度、pH值都會影響酶的活性，加大了試驗難度。除了對試驗條件要求苛刻外，高成本也使得酶解法不適用于大規模生產，同時褐藻酸鹽的提取需要復合酶的作用，加大了研究難度。因此，還需進一步研究開發高活性、高純度的酶制劑，以達到提高提取效率、降低成本的目的。

1.5 物理法

除了以上通過加入化學試劑和酶的方法，物理法也常用來提取植物多糖。常用的兩種方法是超聲輔助提取法和微波輔助提取法，原理是借助外力的作用震碎植物的細胞壁，使得多糖進入浸出液中。

1.5.1 超聲輔助提取法

超聲輔助提取法是利用超聲波的空化作用震碎植物的細胞壁[22]，加速褐藻膠溶出的一種新型方法。Flórez-Fernández N 等[23]使用超聲輔助法提取鈍馬尾藻中的褐藻酸鈉，超聲設定條件為1.5 A、150 W、40 Hz，在25℃下用水提取5 min～30 min，再通過離心、酸浸出等方式可制備得到褐藻酸鈉凝膠。可以看出此方法的提取時間明顯減少，且經檢測得知，此凝膠具有穩定和熱可逆的特性。Youssouf Latufa等[24]以海藻為原料，取固液比為10 g/L，在pH 11條件下提取30 min，以確定試驗最佳的溫度和超聲功率。試驗結果表明，溫度90℃、超聲功率50 W時，褐藻酸鈉的得率達到27%。該方法減少了化學物質的使用，同時可縮短反應時間，且提取率與傳統酸堿法相當，但對多糖的結構有一定的破壞作用。

1.5.2 微波輔助提取法

微波法作為一種更快、更有效的生物質處理方法，它是通過微波誘導使植物中水分子產生振動，導致溫度升高、細胞壁破裂、胞內物質釋放到浸出液中[25]，從而達到提取褐藻酸鹽的目的。YUAN Y等[26]使用0.1 mol/L碳酸鈉溶液提取巨藻Ascophyllum nodosum中的褐藻酸鹽，用100℃微波輻射10 min，使褐藻酸鹽的得率達到18.24%。相比于其他方法，時間短、效率高。鑒于傳統水提法溫度高、時間長，陳以勇等[27]使用微波輔助提取法提取紫菜中的多糖，提取時間大幅度降低，從原來的6 h縮短到14 min。該方法相比其他熱溶劑萃取法具有很多優點，但至今未工業化，主要是工廠難以達到其生產所需的條件[28]。因此，采用微波法分離提取褐藻酸和褐藻酸鹽的研究還有待加強。

超聲法和微波法除了單獨使用外，還可以同時用于海藻中褐藻酸/褐藻酸鹽的提取。田洪蕓等[29]利用超聲-微波協同處理海帶，碳酸鈉消化得到其中褐藻酸鈉，提取率達到88.6%，可見其協同作用的效果明顯。

幾種提取方法的優缺點比較見表1。

表1 褐藻酸和褐藻酸鹽提取方法優缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of algin acid and alginate extraction methods

通過表1的比較，可以看出熱水浸提法的得率較低且資源消耗大，在工業生產中很少被使用；非等溫自水解法提取的褐藻酸鹽純度高，但成本較高，不適用于工業化生產；超聲輔助提取法和微波輔助提取法提取效率高、時間短，但振動頻率過高會導致褐藻膠發生降解，黏度降低，影響其后續應用，所以還需進一步探究超聲/微波條件對多糖結構的影響；酶解法得率高且環境污染小，但其成本較高，需研究開發高效的酶制劑以降低成本，使其在工業中得到更廣泛的應用；化學法成本低、操作簡單且得率高，工業上應用更為廣泛，但工藝步驟繁瑣且產生大量廢液廢渣，給環境帶來一定的負擔，所以若能找到選擇性浸出褐藻膠的堿性試劑，則能夠簡化工藝步驟，避免資源的浪費。

2 褐藻酸和褐藻酸鹽的應用研究

褐藻酸和褐藻酸鹽作為一種從褐藻中提取的天然高分子多糖，具有止血、抗氧化[30]、抗病毒、降血脂[31]和免疫調節等生物活性，其結構中特有的G、M單體的比例決定了褐藻酸鹽的性能。由于其良好的生物相容性，還被用作抗癌藥物的輸送載體。下面對褐藻酸和褐藻酸鹽在食品、生物醫藥及其他領域的應用進行詳細的介紹。

2.1 在食品行業的應用

2.1.1 食品添加劑

褐藻酸和褐藻酸鹽具有獨特的凝膠性能及增稠作用，可以作為食品添加劑應用于不同類型的食品中[32]。相比于傳統的添加劑，褐藻酸鹽具有更廣泛的用途，如用作冰淇淋，混合飲料中的穩定劑；果醬、布丁等中的增稠劑和乳化劑；掛面、糕點等中的水合劑；冷凍食品中的膠凝劑；寵物食品中的粘合劑。具體的用量及用途見表2[33]。

表2 褐藻酸和褐藻酸鹽在各種食品中的主要作用及用量Table 2 The main role and dosage of alginic acid and alginate in various foods

2.1.2 功能食品

褐藻酸和褐藻酸鹽是一種可食用且不被人體消化的天然大分子多糖，在腸胃中起到吸附、潤滑[34]和凝膠過濾等作用，從而調節人體的新陳代謝。它還具備以下保健功能：降血糖[35]、降血壓、增強免疫力、增強飽腹感、調節腸胃功能[36]等，在功能食品市場有巨大的潛力。

2.1.3 保鮮涂膜和包裝膜

褐藻酸鈉安全性高，具有良好的抗菌性、保濕性、成膜性和透氣性等特點[37]，能夠減弱食物的呼吸作用和褐變反應，延長食物的保鮮期，是很好的涂膜劑，被廣泛應用于蔬菜瓜果的保鮮中[38]。它易溶于水，能夠形成均勻而黏稠的液體進一步加工成透明的薄膜用于食品的包裝中，該包裝膜強度高、隔離性好、可食用，且具有一定的保健功能，可用于開發多種可食用性包裝膜。

2.2 在生物醫學方面的應用

2.2.1 醫藥制劑

褐藻酸鹽具有良好的生物相容性和特殊的黏性，不同的分子量和聚合度使它能夠形成不同黏度的產品被廣泛應用于各種醫藥制劑[39]，如：片劑制作過程中的黏合劑、增稠劑、乳化劑、助懸劑和凝膠形成劑；緩釋制劑的載體材料[40]；涂膜劑的成膜材料等[41]。此外，以褐藻酸為原料開發的藥品藻酸雙酯鈉（poly saccharide sulphate，PSS）[42]等已被臨床醫學廣泛使用。

2.2.2 醫用敷料

醫用敷料是用來覆蓋皮膚創面的醫用材料[43]。早在20世紀80年代，褐藻酸鹽就作為醫用敷料用于傷口的護理[44]。醫用敷料中使用最多的離子多糖是褐藻酸鹽，它具有無毒、止血、高吸濕、高透氧、生物相容等性質，與常規的醫用敷料相比更容易從傷口部位去除，可減少病人的疼痛感[45]。研究表明M含量高的褐藻酸鹽能促使人的單核細胞產生細胞因子，從而促進慢性傷口的愈合[46]。山本大冢等[47]研究褐藻酸鹽水凝膠用作外科手術密封材料的功效，結果表明，與傳統縫合傷口對比，凝膠覆蓋的傷口愈合速度更快且愈合效果更好，說明該凝膠能夠有效地密封出血口并促進組織再生，因此在外科手術方面有著更廣泛的應用前景。

2.2.3 藥物遞送載體

藥物遞送系統（drug delivery system，DDS）是利用載體負載藥物，將藥物輸送到人體組織的特定位置并最大化發揮藥效的系統[48]，其中藥物遞送載體的選擇最為重要。良好的載體材料要具備以下條件：一是有生物相容性和穩定性，二是在可接受的時間內以預定方式釋放藥物，褐藻酸/褐藻酸鹽作為藥物遞送載體具有無毒、良好的血液相容性、體內降解清除[49]的優點。國內外學者對這方面有廣泛的研究，Diego S.Lima等[50]研究用于蛋白質輸送的pH值響應型的藻酸鹽基水凝膠，通過各種表征顯示該水凝膠能夠很好地與活細胞相容，說明其作為藥物遞送載體具有巨大的藥理潛力。此外，褐藻酸鹽與殼聚糖復合物在溫和條件下摻入藥物且不引起變性，所以是口服遞送蛋白質藥物的優異包封材料[51]。

2.2.4 生物技術中的應用

褐藻酸和褐藻酸鹽具有十分優異的生物活性，在生物技術中應用廣泛。其中，在固定化技術、組織工程和微囊技術中的應用比較成熟。

固定化技術是指用化學或物理的方法將微生物、細胞或酶定位在固定的區域內，同時保證被固定的物質保持活性并能反復使用[52]由于褐藻酸鈉、褐藻酸鈣相比其他材料具有毒性低、耐分解、容易固定且成本低的特點，多用作固定化技術中的載體。王靜等[53]用褐藻酸鈉作載體、戊二醛作交聯劑固定化L-阿拉伯糖異構酶，固定化酶與游離酶相比顯示出良好的操作穩定性。Preethi Jampala等[54]研究用于固定木聚糖酶的載體，結果表明褐藻酸鈉固定化效果明顯優于其他載體，經褐藻酸鈉固定化的木聚糖酶熱穩定性、pH值穩定性及儲存穩定性有顯著提高，擴大了該催化系統在食品和制藥行業的應用。

由于褐藻酸鹽具有成本低、可塑性高、生物相容性良好等優點，還能夠負載生物活性分子[55]，被廣泛用于組織工程領域，其中骨組織和軟骨組織工程中應用最多。在骨組織工程中，褐藻酸鹽具有骨生成能力且促進干細胞增殖[56]，還對成骨細胞有足夠的黏附性，從而加快骨組織的愈合速度；軟骨組織工程中，它能夠提供軟骨細胞生長的微環境[57]，維持細胞的表型及其表達，使軟骨組織愈合速度加快。此外，褐藻酸鹽也逐漸應用于肝臟、心肌、神經等組織器官再生工程中。

褐藻酸鹽作為微囊技術中應用最多的天然材料，能夠封裝具有不同性質的大分子和小分子化合物[58]，包括細菌、細胞、蛋白質和微生物等。此外，還能夠封裝熱不穩定性材料，所以褐藻酸是微囊化材料的最佳選擇。

2.3 在其他方面的應用

在日化行業中，由于褐藻酸和褐藻酸鹽具有良好的凝膠性、成膜性和增稠性，且對人體無毒無刺激，被用作乳液中的增稠劑、水合劑和穩定劑[59]，牙膏中的黏合劑[60]；在紡織行業中，褐藻酸鈉是優良的印染糊料，經它處理的織物具有高的得色量、滲透性好[61]；在廢水處理領域，褐藻酸鹽可以作為吸附劑分離廢水中的重金屬離子，還可以通過固定化細胞、細菌、微生物等處理各種有機廢水，從而降低廢水中雜質的含量，達到國家排放標準。

3 結論

食品工業和生物醫學中應用最為廣泛的多糖是褐藻酸和褐藻酸鹽，兩種領域的快速發展使得高純度褐藻酸鹽的需求量增加。所以如何減少工藝流程中的雜質，并提高得率是值得關注的問題。目前，國內外提取褐藻酸/褐藻酸鹽的主要方法是化學法。其工藝技術成熟，已廣泛應用于工業化生產中，但生產過程中使用的酸堿可能會導致褐藻酸和褐藻酸鹽結構的變化，影響其生理活性，并且加工過程中會產生大量廢液廢渣帶來環境問題。因此，研究開發一種能夠選擇性浸出褐藻酸和褐藻酸鹽的高效安全的堿性提取劑，以減少廢液的產生，是日后褐藻酸/褐藻酸鹽分離提取的新方向。

褐藻酸工業作為目前國內規模最大的海藻加工業，近年來發展迅速，但仍存在產品質量低、種類單一、效率低的問題。對此應加強對褐藻酸/褐藻酸鹽的應用研究，提高褐藻酸和褐藻酸鹽的生產技術水平，為社會創造更高的經濟效益。