琼脂明胶科学与技术编辑部信息组

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1、? 知识进展 ? 琼 ? ? 脂 ?明胶科学与技术?编辑部信息组 北京 100029 ? ? 据中华人民共和国药典记载, 琼脂? 系自 石花莱 Gelidium amansii Lamx 或其他数种红藻 类植物中浸出并经脱水干燥的粘液质?。按美 国 药 典 定 义,琼 脂 ( agar ) 是 一 种 从 Rhodophyceae 类的某些海藻萃取的亲水胶体。 成品琼脂一般分为细长条状和粉末状, 特 殊用途的成品琼脂可做成片状。 细长条状的琼脂在市场上常被称为? 洋 菜?, 色类白或淡黄色; 半透明, 表面皱缩, 微有 光泽, 质轻软而韧, 不易折断; 完全干燥后, 则 脆而易碎; 无嗅无味。

2、 粉状琼脂为鳞片状粉末, 无色或淡黄色, 用冷水浸泡后在显微镜下观察, 为无色的不规 则的多角形粘液质碎片; 无嗅, 味淡。 琼脂不溶于冷水而只在冷水中溶胀成胶 块或胶条, 但能溶于沸水或接近沸腾的热水。 其浓度达到1. 5的溶液时仍是清澈透明的, 而 当冷却至 32 39? 时, 则能发生凝冻而形成 结实而有弹性的凝胶。这种凝胶在低于 85? 时仍然保持了凝胶化状态, 只有加热到 85? 以上时, 琼脂凝胶才能熔化而重新成为溶胶状 态。 琼脂产自石花菜 Gelidum amansii Lamx 或 其他几种红海藻, 它在红海藻细胞壁中以碳水 化合物( 多糖) 的形式存在, 并且具有离子交换

3、与透析的功能。 琼脂在海藻中的含量变化很大。海水中 的二氧化碳浓度和溶解氧的含量、 随季节和洋 流而变的海水温度和阳光辐射的强度, 都对海 藻中的琼脂含量有很大的影响。采集地的沙 壤、 环境也影响到琼脂含量。从海藻中提取的 琼脂, 其主要指标凝胶化温度和凝冻强度也会 因海藻品种与产地不同而有很大的变化。 1? 分子结构 早在上个世纪 70 年代初, 科学工作者已 对琼脂作过详细的研究, 指出, 琼脂包含有两 个组分: 一个是可以形成结实而强力的凝胶, 称? 琼脂糖?( agarose, agaran) ; 另一则是不会发 生凝 胶 化 的 组 分, 称 之 为 ? 琼 脂 胶? ( a? ga

4、ropectin) 。 从琼脂生产过程得到的产品中, 能形成凝 胶的组分琼脂糖可以部分地游离于琼脂胶, 只 要通过使琼脂水溶液首先冷冻成冰, 继之使熔 化的过程, 就能使溶于其中的多糖硫酸酯较多 地发生溶解而从凝胶中被排出或洗去。 琼脂糖分子是以线型链的形式存在的, 它 是红海藻的一个成分, 与 iota- 和 kappa- 卡拉 胶成镜像关系。这一线型分子链包含有以( 1 ?3) 联结的 ?- D- 吡喃半乳糖基单元( A 单 元) 与以( 1?4) 联结的 3, 6- 失水? - D- 吡喃 半乳糖基单元( B 单元) 相联结。从AB 或称为 琼脂二糖单元可以以高产率分离而获得二糖, 因为

5、 3, 6- 失水环接近于每个 B 单元, 它可以 很容易变化而发生水解。琼脂糖的二糖单元 可表示如图 1: ? ?3)- ?- D- Gal p - (1? 4) - 3, 6- 失水- ?- L- Gal p- (1- ? ? 图 1? 琼脂糖的二糖单元 第 25 卷第 3期 2005 年9 月 明 ? 胶? 科? 学? 与? 技? 术 The Science andTechnology of Gelatin Vol. 25. No. 3 Sept. 2005. ? ? 琼脂结构上的变化可以通过成分分析而 揭示出来。甲氧基基团存在于 A 单元的 C- 6 位置上, 其数量可高达约 21%

6、。丙酮酸酯可 能是以 3, 6- 缩酮( 酮缩醇) 和硫酸半酯基的 形式存在, 但其数量较少。X光衍射实验的证 据指出, 琼脂糖的大分子链是以双螺旋形式存 在的。用碱进行处理, 可以完全去除硫酸酯 基, 并可以用化学计算方法计算出 3, 6- 失水 吡喃半乳糖的含量, 发现由于脱除了硫酸酯 基, 相对地 3, 6- 失水吡喃半乳糖的含量提高 了。 从红海藻提取的琼脂, 可以用 NaCl 溶液 在DEAE- Sephadex A- 50 柱上作分离纯化, 产率较高, 但若用 6M 脲溶液作上述处理, 可 获得更好的产率。用 C13核磁共振谱(NMR) 对 琼脂糖进行分析, 指出, L- 吡喃半乳

7、糖 6- 硫 酸酯和 6- O- 甲基- D- 吡喃半乳糖单元是 较少的组分。 2? 琼脂的制造过程 琼脂不溶于冷水, 但在 90? 以上的热水 中可以以胶体形式分散于水中, 成为溶胶。当 将琼脂进行冷却发生凝胶化而形成凝胶后, 然 后进一步进行冷冻处理, 此时凝胶的架构以物 料为中心发生收缩, 可以将多余的水以冰的形 式与凝胶中的琼脂分离, 使琼脂凝胶中琼脂含 量增高。通常, 在这些被分离出来的冰中, 可 以含有比琼脂网络保有的高出 10 倍的溶解 盐、 糖和较低级的多糖类树胶。正因为有这一 特点, 因此, 在琼脂生产上常常采用热水萃取 ( 提胶) 法将琼脂从红海藻中提取出来, 然后将 此浓

8、度很低的稀溶液给以冷却和冰冻操作, 以 此作净化处理, 使获得有足够纯度的产品琼 脂。按某些研究报导, 也可以用甘油、 无水液 氨或其他溶剂进行萃取, 并且不用冷却和冰冻 操作而是用醇或其他絮凝剂使琼脂从萃取液 中絮凝沉淀分离。这在实验中已经得到证实 是可行的, 但是在工业生产上都是很难实现, 主要原因在于成本太高, 而且使生产流程和装 置复杂化, 并且必须要有萃取剂和絮凝剂的回 收和净化设备, 因无论从投资、 运行费用和工 艺操作来说, 都是不可取的。 为了制备具有各种技术规范的产品琼脂, 在习惯上常常是将不同产地和不同种类的原 料红海藻以一定的比例混合起来进行投料, 就 可能制备得到较合适

9、的产品琼脂。 条状产品琼脂具有柔韧性, 皱缩的表面有 一定的光泽, 其溶胶凝冻后可以成为有相当坚 实性的、 表面光滑的、 有足够弹性与回弹力的, 有较高透明度的胶冻, 在相当宽的温度范围内 ( ? 80? ) 能保持凝胶状态。 琼脂的生产方式大体上是: 第一种生产方式, 也是传统的生产方式, 是家庭手工作坊式的生产。这不仅在我国, 而 且是在世界上许多国家的沿海渔民和农民, 以 及一些生产能力很小的工厂、 作坊中所采用的 生产方式。主要的生产设备是一个或两个熬 胶锅, 将用水反复洗净砂土和盐分的坚硬的海 藻( 水洗 20min 以上) 投入熬胶锅中。清洗时 每批投料不超过 8kg, 这是因为海

10、藻体积疏松 庞大, 投料过多时在这种家庭作坊式工厂中用 手工进行操作比较困难。熬胶时每批投料约 200kg, 熬胶锅注入 2200L 的去离子水或自来 水, 预先加热至沸腾。投料时先投入坚硬、 较 粗的海藻, 后投入较细小的海藻。沸水中事先 加入硫酸或多磷酸盐, 目的是调整萃取用水的 pH, 使保持在 5 6。通常, 这些 pH 调节剂的 加入量为每 kg 海藻加 1g 硫酸或 0. 3g 多磷酸 盐。海藻在 80? 下连续萃取 8 9h, 使海藻中 的琼脂尽量溶入, 然后再将前一批的海藻萃取 的稀溶液加入, 至总萃取时间达到 12h 以后, 添加次氯酸钙( 漂白粉) 、 次氯酸钠或亚硫酸氢

11、钙进行漂白, 投入量为每 kg 海藻约2g, 继续煮 胶, 直至总萃取时间达到 15h。 煮胶液( 萃取液) 从熬胶锅中放出时, 用筛 孔为 3mm 的过滤网过滤。锅内的海藻渣取出 经压榨, 榨出的煮胶液也经过滤, 并与从熬胶 锅放出并经过滤的煮胶液合并。压榨后的海 ?124?明 ? 胶? 科? 学? 与? 技? 术2005年 9 月 藻渣要作第二次熬胶, 所得胶液为稀胶液, 保 留作为下批熬胶时补加用的稀胶液。 经初步过滤的煮胶液约含 1% 的琼脂, 用 沉降法使之澄清, 之后注入到托盘里, 托盘尺 寸为 170? 30? 1cm, 然后冷却凝固。 将凝冻完毕的凝胶切成凝胶条, 铺在帘席 上

12、予以冰冻, 大量的水分以冰的形式从凝胶条 内析出, 用喷淋水使这些析出的冰熔化, 在煮 胶过程中溶入的某些盐、 含氮物质和残留色素 随之洗去, 而凝胶条的琼脂含量( 浓度) 则随凝 胶条冰冻时析出水分而浓缩。最后将此凝胶 条再放在帘席上晾干, 完全干燥的时间约需 15 30 天。 为制取合格的产品琼脂, 家庭作坊式的生 产者必须时刻关注气候变化所带来的影响。 如果不用喷淋水的方法来除冰, 则可用打击的 方法除去之。实际生产中发现, 快速冰冻和快 速干燥的话, 所得产品颜色较浅。 第二种琼脂生产方法是许多先进国家较 大制造商所采用的较科学的生产方法, 其基本 模式虽有所不同, 但大体上都是采用?

13、 萃取- 冰冻- 解冻- 干燥?这一流程, 而其中较新的 操作主要有: 逆流和多级串联萃取、 离心分离、 板框压滤、 人工快速冷冻、 化学漂白、 转鼓或喷 雾热空气干燥和粉碎。 美国的琼脂制造商通用的工艺操作程序 如图 2 所示。 清洁原材料 ? 化学预处理 ? 加压萃取 ? 化学后 处理? 过滤? 凝胶化? 冷冻 ? 后处理 ? 清洗 ? 干燥 ? 消毒? 漂白? 清洗? 干燥 图 2? 美国通用的琼脂生产流程图 也可以用 0. 007M 的盐酸溶液快速而有 效地从海藻中萃取琼脂, 萃取时间约 1h。在 丹麦, 曾采用酶预消化法来提取琼脂。在西班 牙、 日本, 采用透析方法作脱盐处理。也有一

14、 些琼脂生产者采用电渗析、 合成树脂脱色、 酒 精沉淀和凝胶预处理脱水, 来提高琼脂纯度与 质量, 以及加快干燥过程。 早在 1938 年就有人采用苛性碱作预处 理, 所得到的产品琼脂具有较高的凝冻强度。 在上个世纪 60 年代, 印度的研究工作者 采用以 Co60辐照干燥原料海藻的方法, 发现能 提高萃取物的产率、 凝冻强度和凝胶的稳定 性。 用纤维素酶对原料进行预处理, 有时可以 促进萃取过程的进行, 提高萃取速度与产率, 和提高琼脂凝胶的凝冻强度。 3? 产品琼脂的技术规范 传统的产品琼脂呈面条状或条状, 也有做 成片状、 颗粒状和粉末状的。 美国药典和 FCC( Food Chemic

15、als Codex) 给 出的产品琼脂的技术规范见表 1 和表 2。 表 1? 琼脂的法定技术规范 项目最大值最小值 凝胶化温度(1. 5% )39?32? 凝胶熔点(1. 5% )-85? 水分20%- 灰分6. 5%- 酸溶性灰分0. 5%- 外来的有机杂质1. 0%- 外来的无机杂质1. 0%- 外来的淀粉0%- 外来的明胶0%- 水吸收量-其本身重量的5 倍 砷3ppm 铅10ppm 其他重金属40ppm 表 2? 微生物学级琼脂的技术规范 项目最大值最小值 总固含量-78% 溶解性, 冷水中2. 0%- 溶解性, 热水中99. 8% 凝胶化温度, 1. 5%39?33? 凝胶熔点,

16、1. 5%-70? 溶解速率, 1. 5%15min- 溶胶混浊度, 1. 5%10ppm- 最低可凝冻的浓度0. 25%- 蛋白氮0. 32%- 还原性物质, 以半乳糖计10%- 氯含量, 以 NaCl计1. 5%- 存活孢子3/g- 碎片数30/g- ?125?第 25卷第 3 期?明胶科学与技术?编辑部信息组: 琼? ? 脂 ? ? 产品琼脂中是否存在有有害物质或不希 望有的物质, 长期以来是科学工作者很有兴趣 的问题, 这实际上是有关产品琼脂的纯度问 题。特别是, 琼脂糖在微生物学、 病毒学、 分子 生物学和临床电泳学中应用时, 人们尤其关心 有机硫酸和痕量金属元素含量的负面效应。 在琼脂糖的生产中, 需要小心地洗涤冰冻 的琼脂糖凝胶, 以彻底地洗除可溶性的物质, 也可以用季铵盐从琼脂中沉淀分离琼脂胶, 或 用离心法使琼脂胶与琼脂糖分离, 以此来制备 净化的琼脂糖。此外, 还研究发明了其他的琼 脂糖分离方法, 如使用聚乙二醇( PEG) 、 酶和 螯合剂、 硫酸铵、 氯化铝、 二甲基亚砜、 EDTA 和氢氧化铝和缓冲液萃取或电泳纯化, 然后再 作离子交换处理。 琼脂是强