CN111500461A - 一种雨生红球藻的破壁方法 - Google Patents

一种雨生红球藻的破壁方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种雨生红球藻的破壁方法，在避光室温条件下进行：将雨生红球藻浸泡在酸性溶液中浸泡，浸泡过程中翻料处理；然后将半纤维素和木质素充分溶出后的雨生红球藻过滤，与酸性溶液分离，并将分离后的雨生红球藻用清水多次清洗，得到干净的雨生红球藻；再使用对辊式破碎机对干净的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁，直至粉碎时颜色变黑，得到破壁的雨生红球藻；破壁的雨生红球藻分摊开，进行干燥处理。本发明处理过程减少毒性物质污染的可能，提高最终产品的食用安全性。同时酸浸之后的溶液用于提取半纤维素和木质素等，回收废水变为工业原料，减少废水排放，绿色环保。提取到的虾青素安全性高，稳定性能好。

Description

一种雨生红球藻的破壁方法
技术领域
本发明涉及一种雨生红球藻的破壁方法，属于藻类破壁的技术领域。
背景技术
雨生红球藻是一种生活在淡水中的单细胞绿藻，富含极大的营养价值和药用价值。例如雨生红球藻中的虾青素具有很强的抗氧化能力，同时可以抑制肿瘤，增强免疫力，在水产、保健品、化妆品和医药等领域具有广泛的应用前景。化学合成虾青素在功效、安全性稳定性等方面明显低于天然虾青素，因此大规模生产倾向于天然虾青素的提取。雨生红球藻中虾青素的含量可以达到细胞干重的3％-4％，是虾青素含量最高的微生物。但是雨生红球藻的细胞壁纤维物质含量高，质地坚韧，严重阻碍了虾青素等营养物质的提取，故对雨生红球藻的有效破壁至关重要。
当前雨生红球藻的破壁方法主要有高压均质法、酶解法、酸浸法、珠磨法等。中国专利CN104480013A中首先进行-25℃至-45℃冰晶化处理，然后使用高压均质纳米机进行超高压破壁，具有96％以上的破壁率，但是此方法对设备的要求很高，不便于长期批量化生产。中国专利CN104529851A使用纤维酶40-45℃下进行破壁处理，条件控制较为严格，且酶解后产生大量废水，很难实现绿色工业化生产。中国专利CN105859601A使用强酸HCl进行破壁处理，但是会产生大量酸性废水，同时强酸对虾青素的质量可能会产生影响。中国专利CN109369485A 中使用珠磨机进行破壁处理，大量溶剂使用旋转蒸发仪回收，后处理不便，难以实现工业化。
发明内容
为了解决上述现有的雨生红球藻破壁技术操作复杂、溶剂用量大、所需设备要求高，条件苛刻，难以实现绿色的工业化生产的技术问题，本发明提供一种雨生红球藻的破壁方法，实现操作简单、环境友好、条件温和的破壁方法，便于进行工业化破壁生产，其具体技术方案如下：
一种雨生红球藻的破壁方法，在避光室温条件下进行以下操作步骤：
步骤一：酸预处理：将雨生红球藻浸泡在酸性溶液中，浸泡过程中翻料处理，酸性溶液中的H+离子与水结合形成水和氢离子(H3O+)，使雨生红球藻细胞壁中的半纤维素和木质素中的酯键、糖苷键选择性水解，同时将半纤维素和木质素溶出，使细胞壁结构疏松，便于后期的破壁处理；
步骤二：分离和清洗：将半纤维素和木质素充分溶出后的雨生红球藻过滤，与酸性溶液分离，并将分离后的雨生红球藻用清水多次清洗，得到干净的雨生红球藻；
步骤三：剪切破壁处理：使用对辊式破碎机对步骤二得到的干净的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁，直至粉碎时颜色变黑，得到破壁的雨生红球藻；
步骤四：后处理：破壁的雨生红球藻分摊开，进行干燥处理。
进一步的，所述步骤一中的酸性溶液为乳酸、醋酸、苹果酸中一种或任意种组合的水溶液。
进一步的，所述步骤一中的酸性溶液的浓度为5％-20％。
进一步的，所述步骤一雨生红球藻和酸性溶液的料液体积比为1:3-5。
进一步的，所述步骤一的浸泡过程为60min-180min。
进一步的，所述步骤三中使用的对辊式破碎机转向为相向，高速辊子转速为 600-1000rpm，差速30％-60％，辊子间距为0.5-5mm，粉碎循环20-40次。
进一步的，所述步骤四中干燥温度为60-70℃。
本发明的有益效果是：
本发明将酸浸法和对辊式粉碎法相结合用于雨生红球藻的破壁。在酸预处理过程中使用乳酸、醋酸、苹果酸等安全性酸，处理过程减少毒性物质污染的可能，提高最终产品的食用安全性。同时酸浸之后的溶液用于提取半纤维素和木质素等，回收废水变为工业原料，减少废水排放，绿色环保。经过浸泡水洗，避免操作过程中雨生红球藻分散在空气中，从而保障了破壁雨生红球藻的产率以及工作人员的安全。使用的对辊式粉碎机设备简单，安全性高，稳定性能好，同时反应条件温和、工艺简单，便于进行工业化量产。
附图说明
图1为未破壁雨生红球藻的SEM图。
图2为实施例2中破壁雨生红球藻的SEM图。
图3为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随酸溶液浓度的变化曲线。
图4为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随酸溶液浸泡时间的变化曲线。
图5为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随辊速的变化曲线。
图6为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随对辊式粉碎机辊子速差百分数的变化曲线。
图7为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随循环粉碎次数的变化曲线。
具体实施方式
现在结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为未破壁雨生红球藻的SEM图，由图可见，雨生红球藻细胞完整，呈完整的球形，内部的成分被保护起来，无法泄漏出来。为了使其细胞壁破坏(如图2)，内部的虾青素流淌出来，下面进行多组实施例，研究最佳的破壁工艺。
下面实施例和对比例均在在避光室温条件下，对雨生红球藻稳定性影响程度的光源：紫外光＞太阳光＞灯光＞室内自然光＞避光。避光的效果最好，短时间的灯光照射也可以满足要求。
下面实施例和对比例中的翻料、过滤、干燥处理等均在相同的环境下进行相同的操作。
实施例1
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为5％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料，翻料过程的主要作用是使藻类和酸性溶液充分接触，破环细胞壁结构。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
将破壁的雨生红球藻超声分散在无水乙醇中，滴加在样品台上，待乙醇蒸发完全，使用SEM检测雨生红球藻的破壁率为96.1％。称取0.05g的样品，用二甲基亚砜超声提取，按紫外线测定法测定虾青素含量为4％。
实施例2
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为98％，虾青素含量为4.7％。
实施例3
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为20％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为99％，虾青素含量为4.8％。
实施例4
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡60min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为96.7％，虾青素含量为4.2％。
实施例5
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡180min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为98.6％，虾青素含量为4.7％。
实施例6
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为600rpm，低速辊子转速300rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为95.8％，虾青素含量为4.2％。
实施例7
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为1000rpm，低速辊子转速500rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为98.8％，虾青素含量为4.8％。
实施例8
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速560rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为97.3％，虾青素含量为4.5％。
实施例9
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速320rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为98％，虾青素含量为4.7％。
实施例10
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎20次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为95％，虾青素含量为4.1％。
实施例11
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎40次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为98.6％，虾青素含量为4.7％。
对比例1
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为2％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎30次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为80％，虾青素含量为3.2％。
对比例2
(1)酸预处理。将在雨生红球藻浸泡在醋酸溶液(浓度为15％)中，雨生红球藻和醋酸溶液的料液比为1:4，浸泡120min，浸泡过程中予以适当翻料。结束之后进行过滤分离，预处理的雨生红球藻用水洗涤3次。
(2)剪切破壁处理。使用对辊式破碎机对(1)中分离的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁。对辊式粉碎机辊子间距1mm，高速辊子转速为800rpm，低速辊子转速400rpm。循环粉碎10次，得到破壁雨生红球藻。
(3)后处理。将破壁的雨生红球藻分摊在平盘上，在65℃下干燥3h，使用无水乙醇清洗对辊式破碎机的辊子，以备下次使用。
与实施例1相同方法测得雨生红球藻的破壁率为82.4％，虾青素含量为3.4％。
从图1、图2中可以看出实施例2的操作过程，大量的雨生红球藻细胞形貌改变，出现破碎、裂纹等破壁现象。
表1 实施例与对比例中所的破壁雨生红球藻数据汇总
Figure BDA0002501388730000081
图3为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随酸溶液浓度的变化曲线。从图中可以看出当酸浓度大于5％时，破壁率全部大于95％，虾青素含量大于4％，效果理想。而当酸浓度为2％时，酸浓度过低，溶液中H+浓度过低，半纤维素和木质素溶出较少，对细胞壁仍有很好保护作用，导致最终破壁率和虾青素提取含量低。当酸浓度大于20％后，效果改善幅度小，而且存在酸的浪费问题。
图4为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随酸溶液浸泡时间的变化曲线。从图中可以看出60-180min时，破壁率和虾青素溶出含量效果较好。当时间低于 60min时，浸泡时间过短，半纤维素和木质素未达到饱和，会对最终破壁效果存在影响。当时间过长，影响工艺进度，不利于工业化生产。
图5为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随辊速的变化曲线。从图中可以看出破壁率和虾青素提取含量与辊速成正比，同时辊速越快，操作时间越短，但是辊速过快会增加不稳定性，同时产热快，可能会影响最终虾青素的质量。辊速过慢又不利于实际生产。
图6为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随对辊式粉碎机辊速差百分数的变化曲线。从图中可以看出破壁率和虾青素提取含量均较高，当辊速差百分数小于30％时，两个辊表面均粘有大量的雨生红球藻，不利于出料。方辊速差百分数过大，会影响对辊式粉碎机的使用寿命，且生产过程中不稳定性增加。
图7为雨生红球藻破壁率、虾青素提取含量随循环粉碎次数的变化曲线。从图中可以看出，破壁效果明显受循环次数的影响，当循环粉碎10次时，破破壁率和虾青素提取含量明显不能满足要求。最佳的循环粉碎次数为30次，当循环次数过多时，效果改善较小，但是需要浪费大量的能源和工作时间，不适合工业化生产。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：在避光室温条件下进行以下操作步骤：
步骤一：酸预处理：将雨生红球藻浸泡在酸性溶液中，浸泡过程中翻料处理，酸性溶液中的H+离子与水结合形成水和氢离子（H3O+），使雨生红球藻细胞壁中的半纤维素和木质素中的酯键、糖苷键选择性水解，同时将半纤维素和木质素溶出，使细胞壁结构疏松，便于后期的破壁处理；
步骤二：分离和清洗：将半纤维素和木质素充分溶出后的雨生红球藻过滤，与酸性溶液分离，并将分离后的雨生红球藻用清水多次清洗，得到干净的雨生红球藻；
步骤三：剪切破壁处理：使用对辊式破碎机对步骤二得到的干净的雨生红球藻进行碾压、剪切破壁，直至粉碎时颜色变黑，得到破壁的雨生红球藻；
步骤四：后处理：破壁的雨生红球藻分摊开，进行干燥处理。
2.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤一中的酸性溶液为乳酸、醋酸、苹果酸中一种或任意种组合的水溶液。
3.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤一中的酸性溶液的浓度为5%-20%。
4.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤一雨生红球藻和酸性溶液的料液体积比为1:3-5。
5.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤一的浸泡过程为60min-180min。
6.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤三中使用的对辊式破碎机转向为相向，高速辊子转速为600-1000rpm，差速30%-60%，辊子间距为0.5-5mm，粉碎循环20-40次。
7.根据权利要求1所述的雨生红球藻的破壁方法，其特征在于：所述步骤四中干燥温度为60-70℃。
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