CN111499774B - 一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法 - Google Patents

一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，对江蓠进行碱处理，对碱处理后的江蓠进行水洗酸化漂白，对水洗酸化漂白后的江蓠进行煮胶得到江蓠琼脂，通过测定江蓠琼脂的凝胶强度、透明度、3,6‑内醚含量、硫酸根含量、出胶率，并计算耗碱量，作实验数据的线性方程，并转换成矩阵方程，构建江蓠琼脂质量影响因素动力学模型。该方法通过建立模型来计算不同碱处理工艺下江蓠琼脂的碱消耗量和质量，为生产多指标江蓠琼脂所需碱处理工艺和降低其耗碱量具有重要意义。

Description

一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法
技术领域
本发明涉及海藻产品加工技术领域，具体涉及一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法。
背景技术
琼脂是由红海藻纲中提取的亲水性胶体，同时也是一种运用广泛的天然水溶性多糖，具有独特的凝胶特性和增稠能力以及无毒、低成本、生物可降解等优点，可作为食品添加剂、细胞培养基、制造药用胶囊和合成绿色塑料包装材料的可替代品等。琼脂生产的原料主要是石花菜、江蓠等红藻。其中，大型经济类藻类江蓠富含琼脂多糖，是国内外生产琼脂的主要原料。
目前江蓠琼脂主要采用碱法提取，碱处理是降低琼脂硫酸根含量及提高凝胶强度的关键工艺，碱处理条件控制不当会造成琼脂分子降解流失及凝胶强度等性质变化。碱处理后江蓠吸收了一定的碱液，通过清洗后才能进行琼脂提取，其会消耗大量的清洗用水，并且清洗出来的碱由于浓度低，难以回收利用。碱处理工艺条件对碱液残留量及后续清洗用水量具有重要影响。因此，江蓠碱处理工艺不仅与琼脂质量密切相关，而且与琼脂生产耗水和耗碱有着重要联系。然而，相关技术中碱处理工艺的优化大多是通过单因素或多因素的试验优化，生产成本高，费时费力。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，该方法通过建立模型来计算不同碱处理工艺下江蓠琼脂的碱消耗量和质量，为生产多指标江蓠琼脂所需碱处理工艺和降低其耗碱量具有重要意义。
具体而言，本发明提供了如下技术方案：
在本发明的第一方面，本发明的实施例提供了一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，其包括以下步骤：
碱处理：江蓠洗净、烘干后，加入NaOH溶液进行碱处理；
水洗酸化漂白：向碱处理后的江蓠中加水冲洗碱液，清水浸泡30min，重复四次，再加入浓硫酸、草酸及EDTA-Na2酸化0.5h，继续加水浸泡、清洗至pH呈中性，之后加入有效氯质量分数为0.04％的次氯酸钠溶液混合均匀，搅拌漂白0.5h，倒去漂白液，加水进行浸泡清洗至pH呈中性；
煮胶：将水洗酸化漂白后的江蓠加水并置于100℃水浴锅中进行煮胶2h～3h，过滤，于室温下形成凝胶，凝胶冷冻12h后解冻、烘干、粉碎，得到江蓠琼脂；
建立模型：测定所述江蓠琼脂的凝胶强度、透明度、3,6-内醚含量、硫酸根含量、出胶率，并计算耗碱量，作实验数据的线性方程，并转换成矩阵方程，构建江蓠琼脂质量影响因素动力学模型：
Figure BDA0002541562730000021
Figure BDA0002541562730000022
式中：X1为碱处理浓度，X2为碱处理时间，X3为碱处理温度；Y1为凝胶强度，Y2为透明度，Y3为3,6-内醚含量，Y4为硫酸根含量，Y5为出胶率，Y6为碱消耗量。
本发明实施例提供的一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，该方法建立模型来计算不同碱处理工艺下江蓠琼脂的碱消耗量和质量，从而可根据所需江蓠琼脂的质量，得知碱处理的条件，为生产多指标江蓠琼脂所需碱处理工艺和降低其耗碱量具有重要意义，进而节约了生产成本，降低了江蓠琼脂生产的碱消耗量，促进了企业的可持续发展。
另外，根据本发明上述实施例提出的一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，建立模型的步骤中，采用先作线性方程，再转换成矩阵形式，模型的拟合度检验采用决定系数R2和均方根误差RMSE判定，R2越大，RMSE越小，说明实验值与模型的拟合度越好，公式如下：
Figure BDA0002541562730000023
式中：yj为实测值，
Figure BDA0002541562730000024
为模型预测值，n为实测值个数。
可选地，碱处理步骤中，NaOH溶液的浓度为1％～8％，碱处理温度为50℃～100℃，碱处理时间为0.5h～3.5h。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
为了更好的理解上述技术方案，下面更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明采用的试材皆为普通市售品，皆可于市场购得。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，包括以下步骤：
碱处理：江蓠冲洗干净后，于60℃烘箱烘至恒重，配置1500mL质量分数1％～8％的NaOH溶液，加入100g江蓠，于50℃～90℃水浴锅中恒温处理0.5h～3.5h；
水洗酸化漂白：向碱处理后的江蓠中加100mL水冲洗碱液，清水浸泡30min，重复四次，再加入0.65mL浓硫酸、0.96g草酸及0.192g EDTA-Na2酸化0.5h，继续加1500mL水浸泡、清洗至pH呈中性，之后加入1500mL有效氯质量分数为0.04％的次氯酸钠溶液混合均匀，搅拌漂白0.5h，倒去漂白液，加1500mL水进行浸泡清洗至pH呈中性；
煮胶：将水洗酸化漂白后的江蓠加1500mL水并置于100℃水浴锅中进行煮胶2h～3h，过滤，于室温下形成凝胶，凝胶冰柜冷冻12h后解冻、烘干、粉碎，得到江蓠琼脂；
建立模型：测定所述江蓠琼脂的凝胶强度、透明度、3,6-内醚含量、硫酸根含量、出胶率，并计算耗碱量，作实验数据的线性方程，并转换成矩阵方程，构建江蓠琼脂质量影响因素动力学模型：
Figure BDA0002541562730000031
Figure BDA0002541562730000041
式中：X1为碱处理浓度，X2为碱处理时间，X3为碱处理温度；Y1为凝胶强度，Y2为透明度，Y3为3,6-内醚含量，Y4为硫酸根含量，Y5为出胶率，Y6为碱消耗量。
当所需江蓠琼脂的凝胶强度为935.53g·cm-2，代入上述模型，可知相关碱处理工艺为：碱处理浓度为4.8％，碱处理时间为1.4h，碱处理温度为69℃，计算可得生产单位琼脂产品的耗碱量为1.67t。
实施例2
将同一实验碱处理工艺条件下生产琼脂的透明度和硫酸根含量分别代入实施例1的上述模型：(1)当透明度为90.1％，代入上述模型，可得相关碱处理工艺为：碱处理浓度为4.7％，碱处理时间为2.3h，碱处理温度为73℃，生产单位琼脂产品的碱消耗为1.77t；(2)当硫酸根含量5.51％，代入上述模型，可得相关碱处理工艺为：碱处理浓度为5.1％，碱处理时间为2.2h，碱处理温度为83℃，生产单位琼脂产品的碱消耗为1.83t。
对比上述两种碱处理工艺的耗碱量，可得当碱处理浓度为4.7％，碱处理时间为2.3h，碱处理温度为73℃时耗碱量最低。
综上，本发明实施例针对传统江蓠琼脂生产耗碱量和琼脂质量问题，建立模型优化碱处理工艺，并可根据模型计算得到生产多指标质量琼脂所需的碱处理工艺，对降低耗碱量，节约生产成本，保护环境具有重要意义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
碱处理：江蓠洗净、烘干后，加入NaOH溶液进行碱处理；
水洗酸化漂白：向碱处理后的江蓠中加水冲洗碱液，清水浸泡30min，重复四次，再加入浓硫酸、草酸及EDTA-Na2酸化0.5h，继续加水浸泡、清洗至pH呈中性，之后加入有效氯质量分数为0.04％的次氯酸钠溶液混合均匀，搅拌漂白0.5h，倒去漂白液，加水进行浸泡清洗至pH呈中性；
煮胶：将水洗酸化漂白后的江蓠加水并置于100℃水浴锅中进行煮胶2h～3h，过滤，于室温下形成凝胶，凝胶冷冻12h后解冻、烘干、粉碎，得到江蓠琼脂；
建立模型：测定所述江蓠琼脂的凝胶强度、透明度、3,6-内醚含量、硫酸根含量、出胶率，并计算耗碱量，作实验数据的线性方程，并转换成矩阵方程，构建江蓠琼脂质量影响因素动力学模型：
Figure FDA0002541562720000011
Figure FDA0002541562720000012
式中：X1为碱处理浓度，X2为碱处理时间，X3为碱处理温度；Y1为凝胶强度，Y2为透明度，Y3为3,6-内醚含量，Y4为硫酸根含量，Y5为出胶率，Y6为碱消耗量。
2.如权利要求1所述的基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，其特征在于，建立模型的步骤中，采用先作线性方程，再转换成矩阵形式，模型的拟合度检验采用决定系数R2和均方根误差RMSE判定，R2越大，RMSE越小，说明实验值与模型的拟合度越好，公式如下：
Figure FDA0002541562720000013
式中：yj为实测值，
Figure FDA0002541562720000014
为模型预测值，n为实测值个数。
3.如权利要求1所述的基于数学模型的江蓠琼脂生产方法，其特征在于，碱处理步骤中，NaOH溶液的浓度为1％～8％，碱处理温度为50℃～90℃，碱处理时间为0.5h～3.5h。
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