论文毕业海藻酸及其相关产品的研究.doc

- 39 - 南京化工职业技术学院 毕 业 设 计 （论文） 题目 海藻酸及其相关产品的研究 姓 名 沈克江 所在系部 应用化学系 专业班级 生物技术1221 指导教师 夏凡 2014 年 11 月 摘 要海洋是生命的起点，生物圈的各种循环都直接或者间接以海洋为场所。21世纪，人类将面临能源与物质危机，人类必须开创新的能量获取方式及物质获取方式。海洋资源人类未来的希望。海藻是一种非常重要的海洋资源，它是海洋植物的主体。海藻植物中含有大量有用物质，人类所要获取的许多资源在海藻类中都可以通过直接提取或者半合成等方式得到。作为重要的工业原料，海藻产量高，资源丰富，容易培养，容易采集，这十分利于工业生产。海藻酸是一种重要的海洋资源，它具有多种用途。海藻酸广泛的用于食品行业、医药行业、环境治理等方面。本文将对海藻酸的生产做详细的研究，对目前国际上生产海藻酸的方法进行初步的比较，并力图寻找到一条高效、高质量生产海藻酸的方法。由于海藻酸的许多加工产物具有比海藻酸其自身更加优良的品质与性能，本文亦对海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸钙、海藻酸酯及其生产、合成工艺进行讨论并设计一套合理、绿色环保利用海藻的实验方法。AbstractThe ocean isthe beginning of life,a variety ofrecyclingthe biospherearedirectly or indirectlyto the oceans as theplace.In twenty-first Century,mankind will face thecrisis ofenergyand material,andmaterialto open a newway to obtainenergyacquisition wayhumans must.The marineresources of humanhope for the future.Seaweedis an importantmarine resources,it is the main bodyof marine plants.Seaweed plantcontains a lot ofuseful substances,manyresourcesfor people tohave accesscan be obtained bydirect extraction andsemisynthesisin the form ofalgae in china.As an importantindustrial raw material,seaweed,high yield,abundant resources,easy tocultivate,easycollection,whichisconducive to industrialproduction.Alginateis a kind of importantmarine resources,ithas many uses.Alginic acidis widely used infood industry,pharmaceutical industry,environmentalgovernance.This paperwill beof alginateproductionto dodetailed research,carried outthe comparison on themethod of the presentinternational productionof alginate,and tries tofinda methodwith high efficiency and high qualityproduction ofalginate.Because manyprocessed productsof alginatewithquality and performanceis more excellentthanalginateitself,this paper alsoonalginate sodium andpotassium alginateand calcium alginateandalginate esterand its production,the synthesis processis discussed anddesigned a set of experimentmethod is reasonable,green environmental protection andutilizationof seaweed.关键词：海藻酸，海藻酸盐，海藻酸酯，目 录1 前言11.1海藻酸的分布及其分类11.2海藻酸的加工业及目前况21.3海藻酸相关产品42 海藻酸的化学结构及相关应62.1海藻酸的分子结构62.2海藻酸的高分子结构92.3海藻酸高分子G/M含量的定量分析方法152.4海藻酸的相关化学反应及其应用223 海藻酸及其衍生产物的性质及其应用233.1海藻酸及其盐类的物理性质及其应用233.2海藻酸丙二醇酯的性质及其应用254海藻酸及海藻酸盐的制备及其研究.274.1海藻酸的提取方法324.2海藻酸盐类物质的制备过程394.3海藻酸的初步提纯（纯化去杂）424.4海藻酸及其盐类物质的制备过程优化444.5探究实验后设计的最优提取路线48总结49参考文献49致 谢501 前言1.1 海藻的种类及其分布情况海藻是海洋生物系统的生产者，是整个海洋生命系统的基础。人们根据海藻光合作用产生的色素不同将其分成不同品种。主要有褐藻、红藻、蓝藻、绿藻四大类。海藻类资源在世界各地均很丰富，其中较大的海藻生产国有中国、菲律宾、日本、韩国、挪威、法国、俄罗斯、爱尔兰、加拿大、澳大利亚。工业生产中以褐藻、红藻、绿藻为主要原料。对于海藻酸的生产来说，具有经济价值的主要为褐藻，所以海藻酸又常常被人们称为褐藻酸。1.2海藻酸的加工业及其目前概况从海藻中提取海藻酸已有近百年历史，自1929年商业化以来，世界各国生产海藻酸仍然以纯碱消化法为主。从生产角度看，不同种类的海藻提取海藻酸的收率有较大差异。有的海藻含有的海藻酸达到30%-40%,例如我国福建等地种植的马尾藻类，而有的海藻中海藻酸含量不足15%。除了收率外，不同海藻中提取的海藻酸的质量也有很大区别。有些海藻中提取的海藻酸的相对分子量大、黏度高、纯度大，而有的海藻中提取的海藻酸相对分子量小、粘度低、杂质含量高。改革开放以来，我国的海藻加工工厂如雨后春笋般兴起。目前从海藻中提取海藻酸、甘露醇、碘单质、卡拉胶、琼脂的工艺与研究已经比较成熟。全国各地广泛开展了相关课题的研究，研究成果也迅速转化为生产力，这使得我国称为海藻酸的主要生产国。目前，我国海藻酸盐的年产量达到3.5万吨，占据了世界总产量的60%，但是大部分产品属于附加值较低的工业级产品，食品级和医药卫生级别的产品的年生产能力仅为8000吨只占总产量的20%。相比之下，国外发达国家在食品级及药品级海藻酸产品的生产力方面远高于我国，欧美等国家占据了高品质海藻酸市场的60%-70%。我国在海藻酸生产方面主要存在的问题是：产品种类单一、质量较低、附加值不高、能耗还较高。海藻酸的提取与加工工艺虽然比较成熟，但还有许多新问题等待人们解决。我国的许多相关企业在海藻产品方面仍然缺乏竞争力，企业自主创新能力差，很难与国际一流产品形成竞争。1.3 海藻酸相关产品作为一种高分子羧酸，海藻酸由于可以发生多种反应，所以可以制备得到许多衍生产品。海藻酸与多种盐类物质、金属离子反应可以生成不溶性海藻酸盐:海藻酸钙、海藻酸铝、海藻酸铜。也可以生成多种可溶性盐类物质：海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵。海藻酸也可以与低级醇类生成海藻酸丙二醇酯，与高级醇类生成海藻酸酯。除此之外，海藻酸还可以制备海藻酸二丁胺、藻酸三乙醇胺等。工业上将海藻酸及其衍生物产品统称为海藻胶或褐藻胶。而海藻酸钠是制备多种海藻酸衍生物的最佳前体。2 海藻酸的化学结构及相关反应2.1 海藻酸的分子结构海藻酸是一种大分子物质，其单体为-L-古罗糖醛酸和-D-甘露糖醛酸。这两种物质在海藻酸中的含量即比例是海藻类植物调节其自身结构的方法，这两种物质在海藻酸中的含量必然也会影响海藻酸的性能、用途。举个例子，当海藻酸中-L-古罗糖醛酸含量比较高时，海藻酸就会变得硬、刚性变大，生产它的植物的植物组织也就相应的比较坚韧。而当海藻酸中-D-甘露糖醛酸含量较高时海藻酸就会非常有柔性，生产它的植物的植物组织也就相应的比较柔软。为了更好的研究海藻酸的性能，人们引入了一个量来描述海藻酸的上述区别。我们称其为G/M值。G/M值=（-L-古罗糖醛酸含量）/（-D-甘露糖醛酸含量），G/M值可以用来描述海藻酸分子的柔性、延展性等性能的高低。海藻酸两种单体的化学结构如下图2-1所示。2.2 海藻酸的高分子结构我们现在已经知道海藻酸是由G（-L-古罗糖醛酸）和M（-D-甘露糖醛酸）单体组成的共聚高分子化合物。经过研究，人们发现，G、M单体在海藻酸分子中有四种排列方式，分别为：1.无规则排列 2.交替排列 3.镶嵌排列 4.支链接枝排列。1. 无规则排列：两种单体在海藻酸中排列没有规律，杂乱无章，随机分布。2. 交替排列：两种单体在海藻酸分子中交替排列，有规律的交错出现，如GGMMGGMMGGMMGG，GMG,GMG,GMG,GMG3. 镶嵌排列：两种结构单元各自排列成段，然后再将各段落相互链接成高分子，如GGGGGGGGGGGGGGGGGGGG-MMMMMMMMMMMMMMMMM-GGGGGGGGGGGGGGGGGGGG4. 支链接枝排列：在一种聚合物链上又接上另一个聚合物链为支链。海藻酸的高分子结构如下图2-2所示。2.3海藻酸高分子G/M含量的定量分析方法海藻酸的性能受到其分子结构的影响，G/M值是一个重要衡量指标。目前，测定G/M值的主要方法有三中。下面对这三中方法做简单介绍。1. 化学法样品水解：准确称量50毫克海藻酸钠（海藻酸通常以钠盐形式存在），置于15毫升玻璃试管中，在冰水浴中加入0.5毫升浓度为80%的硫酸，室温水解18小时后在冰水浴条件下加入6.5毫升蒸馏水，封闭试管加热水解5个小时，冷却，将水解混合物转移至小烧杯子中。中和：向小烧杯子中加入稍过量的Ca2CO3中和水解混合物，抽滤。洗脱：水解液通过阳离子交换树脂出去多余的钙离子（Ca2+），洗脱液体浓缩后，冷冻干燥，低温保存，备用。转化：将阴离子树脂用浓度为2mol/L的醋酸溶液淋洗转换为乙酸型树脂，将上述得到的洗脱样品中滴加0.1mol/L的氢氧化钠调节PH至8，静置0.5小时，使样品完全转化为糖醛酸盐。测定：转化液上柱子后用1L0.5mol/L的醋酸溶液以0.3毫升/分钟 的流速洗脱，收集洗脱液，洗脱液体用苯酚-硫酸法显色，485nm光测吸光度值。以洗脱液管数对吸光度作图，可以得到甘露糖醛酸和古罗糖醛酸不同的峰值，比较峰面积，即可较为准确测出G/M值2. 气相色谱法称取冻干后的干粉4毫克溶解于1毫升水中，加入78微升浓度为0.5摩尔/升的碳酸钠溶液，30度下保存45分钟。再加入4%的NaBH4溶液0.5毫升，室温下放置1.5小时。滴加25%的醋酸溶液出去多余的硼氢化钠后，溶液通过阳离子交换柱子，得到洗脱液在45度下真空烘干。加入甲醇蒸干，除去硼酸盐类物质。85度下真空加热2小时，使糖醛酸转化为内酯。残渣溶于1毫升吡啶中，加入1毫升正丙胺，55度下加热30分钟。溶液冷却再加热至55度，用N2吹干。残渣分别加入0.5毫升吡啶和乙酸酐，95度加热一个小时后制得糖醛酸的衍生物。对衍生物进行气相色谱分析，可以得到甘露糖醛酸和古罗糖醛酸不同的峰值。3. 核磁共振法2.4海藻酸的相关化学反应及其应用1.成胺反应海藻酸分子中含有大量的羧基，因而它具有羧酸的相关性质，在一定条件下可以反应生成胺类物质。2.酯化反应海藻酸分子中含有大量羧基与羟基基团，而这两种基团均可发生酯化反应生成酯类物质。海藻酸可以与丙二醇或者丙二醇类似物（环氧丙烷）反应酯化生成海藻酸丙二醇酯（藻酸丙二醇酯）。海藻酸还可以与高级醇类物质反应生成海藻酸酯。4. 成盐反应海藻酸作为一种有机酸，具有成盐能力。海藻酸可以与碱类物质如氢氧化钠，盐类物质如碳酸钠、氯化钙等反应。海藻酸可以生成海藻酸钠、海藻酸钙、海藻酸钾等盐类物质。4.酸碱反应 5.酰胺化反应6.氧化反应7.Ugi反应Ugi反应是德国化学家Ugi等人首先发现的。反应以羧酸、酮类或者醛类、胺类、异腈类四类化合物为原料，进行一锅煮反应。由于海藻酸中有大量羧酸基团，在一定条件下，海藻酸利用Ugi反应可以制备重要产品。8.硫酸化反应9烷基化反应10.磷酸化反应11.接枝共聚反应3 海藻酸及其衍生产物的性质及其应用3.1海藻酸及其盐类的物理性质及其应用海藻酸微溶于水，可是海藻酸的许多盐类却非常易溶于水。海藻酸的许多水溶性盐类如海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵，均有重要工业用途。海藻酸也有一些不溶于水的盐类，如海藻酸钙，亦广泛用于工业生产。海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵经过化学改性后可以得到海藻酸丙二醇酯和海藻酸酯。下面以海藻酸钠为例介绍可溶性海藻酸盐类。海藻酸钠粉末颜色淡黄色，溶于水，浓度高时海藻酸溶液呈现胶体性质，粘度较大。海藻酸钠在酸性条件下可以转化为海藻酸块沉淀。这一点常常用于海藻酸的提取与分离。海藻酸钙是不溶于水的海藻酸盐，可以由海藻酸钠通过钙析法转化而来。海藻酸钙是一种优良的凝胶，稳定性较好。海藻酸盐在食品工业中具有广泛应用及良好前景。可以用作稳定剂、增稠剂、乳化剂、水合剂、胶凝剂、粘合剂。近年来，商家开发出的海藻凉粉深受消费者喜爱。此外，海藻酸果冻、海藻酸软糖、海藻酸果酱都热销海外。人造海蜇丝也是以海藻酸钠为主要原料加工而成的。海藻酸人造鱼翅、人造皮蛋、人造葡萄果肉、人造辣椒条中都有海藻酸及海藻酸盐的身影，海藻酸在整个食品产业大展身手。3.2海藻酸丙二醇酯的性质及其应用海藻酸丙二醇酯简称PGA，PGA的外观为白色或者淡黄色粉末，其水溶液呈粘稠状胶体。由于PGA分子结构中同时具有亲水与亲油两种基团，故具有乳化性、增稠性、膨化性、耐酸性及很高的稳定性。PGA具有海藻酸及其衍生物的几乎所有性质，在食品及药品行业应用广泛。它几乎可以用于上述所示的海藻酸盐类的所有应用领域。除此之外，海藻酸丙二醇酯还可用于农药业。研究发现，海藻酸丙二醇酯对小型软体昆虫具有较强杀伤力，作用机理为物理杀灭。4海藻酸及海藻酸盐的制备及其研究4.1海藻酸的提取方法以海带为原料，国内外目前主要有三种提取海藻酸的方法，下面对这三种方法分别做详细的介绍。1. 稀酸酸化沉淀法（1） 海带浸泡初步除杂。加海带自身质量10-20倍的水，将海带在室温下浸泡4小时。浸泡完毕后，将海带捞出，浸出液保存。海带再用清水洗涤干净除去沙子泥土等杂志。此步骤主要为除去海带中的水溶性胶及其他水溶物质。（2） 纯碱或者烧碱碱溶消化。将上步骤得到的干净海带切成小块，加入稀盐酸或者稀硫酸浸泡1个小时，注意酸的浓度即溶液PH值控制在大于2，否则对消化不利。向混合液中加入Na2CO3或者NaOH,调节PH值在9左右，消化海带1.5小时，是海带消化变为粘稠液体。（3） 过滤除杂。将海藻消化后的混合液用抽滤法过滤，如果消化液粘度过大阻力太大，可以先用纱布自然粗滤，待过滤液中杂质较少时加水稀释再用抽滤机抽滤。抽滤后得到干净透明溶液。（4） 酸凝成块。向过滤液中缓慢加入稀盐酸或稀硫酸，待溶液中有絮状物出现时，停止加酸。将酸化液静置812小时，再向体系中加入PH值小于2的硫酸或盐酸溶液，调节体系PH值小于2，即可以有酸凝快析出，过滤将酸凝快取出，即为海藻酸粗品。2. 钙盐钙析-酸化法钙盐钙析-酸化法，与稀酸酸化法有类似之处，该提取方法的提取过程主要包括浸泡、切碎、消化、稀释、过滤、钙析出、盐酸脱钙、碱溶解、乙醇沉淀、过滤、烘干、粉碎、成品的步骤。钙盐钙析-酸化法的其他步骤与酸凝法相同，只是在后续步骤上有差别。它不是向过滤除杂后得到的透明液中加入酸而是加入一定量的10%的CaCl2溶液对海藻酸进行钙析，得到海藻酸钙沉淀。得到的海藻酸钙经过水洗去除无机盐后，再用10%的盐酸或者硫酸对海藻酸钙进行酸化30分钟，使海藻酸钙转化为海藻酸析出。去除清液，保留酸块，烘干即可以的粗海藻酸产品。3. 钙凝离子交换法该方法只是采用离子交换而非酸化法脱钙，即将上述得到的海藻酸钙用离子交换法转化为海藻酸钠。步骤如下：将钙析出得到的海藻酸钙捞出后，将海藻酸钙凝块放入一定量浓度为15%的NaCl溶液中静置片刻（约1个小时），重复操作，即连续多次脱钙后，海藻酸钙会转化为海藻酸钠，海藻酸钠由于盐析作用不溶于氯化钠溶液，收集沉淀，与此同时，收集洗脱液，浓缩，向浓缩液中加入95%的乙醇沉淀海部分溶解的藻酸钠，收集海藻酸钠沉淀，合并沉淀。烘干，粉碎，即可得到海藻酸钠粗品，若要得到海藻酸，可将海藻酸钠置于酸中即可。海藻酸的工业生产流程见图如下。4.2海藻酸盐类物质的制备过程海藻酸盐的生产以海藻酸为前体。目前，广泛采用的方法主要有两种。液相中和法：海藻酸粉碎后，分散于凝胶量40%的浓度为80%以上的碱性乙醇溶液中，在搅拌下充分反应，混合反应后制备得到海藻酸钠。固相中和法：收集海藻酸酸块，洗涤，脱水，粉碎，拌入粉末状碳酸钠。碳酸钠质量为海藻酸的8%左右，在搅拌下混合均匀，静置4-6小时，充分转化后生成海藻酸钠。除了上述两种方法外，人们有时候还会采用离子交换法生产海藻酸盐。4.3海藻酸的初步提纯（纯化去杂）上述三种方法得到的海藻酸还不纯，纯化操作流程如下：海藻酸粗品-充分搅拌完全溶于稀氢氧化钠溶液-过滤除去不溶性物质-得到上清液 -上清液中缓慢加入稀硫酸或者稀盐酸至有絮状沉淀-静置8至12小时-调节PH值为1到2-过滤捞出酸块-酸块加入95%的乙醇中吸水及除去醇溶解性物质-收集乙醇脱水后的海藻酸-烘干除去水分与乙醇得到成品。4.4海藻酸及其盐类物质的制备过程优化（1）不同海藻的提取率的比较海藻类植物中都含有海藻酸，本人采用海带与紫菜进行实验。我在市场上买了不同规格的海带与紫菜。海带的规格分为两种：大叶子海带（含水），细叶子海带（含水）。紫菜为干的袋装紫菜。实验步骤：将大叶子海带、细叶子海带、袋装紫菜（去掉包装）放入烘箱，设置温度为50摄氏度，烘5个小时至干无水状态。取大叶子海带、细叶子海带、紫菜各5.00g分别令其代号为A、B、C。A、B、C分别置放在三个烧杯中代号同上。向三个烧杯中放入大量清水彻底浸泡海藻，浸泡时间为4个小时，去除其中的水溶性物质。捞出A、B、C倒掉清液。将水泡后的A、B、C分别放入三个烧杯向其中分别加入100毫升水，用稀硫酸调节PH值为3-4，稀硫酸酸泡海藻1个小时。加入碳酸钠粉末，调节PH约为9，在60摄氏度水浴下搅拌A、B、C反应1.5小时，把多价金属例子型的海藻酸转化为海藻酸钠，此过程称为消化。将原料消化液先过滤，除去其中的粗大颗粒，过滤后得到清液A、B、C。向A、B、C中缓慢加入稀硫酸直至开始有絮状沉淀为止，然后静置8-12小时，最后往静置液体中缓缓加入稀硫酸调节PH值为1-2，海藻酸便可以凝结成为酸块。收集酸块，烘箱中50摄氏度烘干，称干重。结果比较：A：1.10g B:0.96g C:0.64g 初步结论：大叶子海带中海藻酸含量较高，小叶子海带含量其次，紫菜中海藻酸含量较少。查阅文献后，以上所得结果与文献定性一致。不同海藻中海藻酸含量差异较大，生产时要查阅文献结合相关实验选择海藻酸含量比较高的海藻进行提取实验。（2）提取温度对提取率的影响实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂。实验步骤：称取相同质量的海带7份，每份质量均为1g。标组为1、2、3、4、5、6、7。清水浸泡后（清水量相同），捞出海带，再酸泡，酸泡时控制每组的固液比（海带质量/水的质量）=5/100，酸泡时间均为1个小时，然后再用碳酸钠调节每组PH值至9左右，碱溶搅拌消化1.5小时。控制1、2、3、4、5、6、7组各组碱溶温度分别为45、50、60、65、70、80、100摄氏度。按照稀硫酸酸化沉淀法收集海藻酸。烘箱中50摄氏度烘干。实验结果：实验序号温度/摄氏度海藻酸湿重/g（烧杯+干燥产品）质量/g烧杯净重/g海藻酸产品质量/g纯化去杂后海藻酸质量/g（保留两位小数）简述1451.34100.76100.730.030.00得不到产品25011.49108.73108.460.270.01杂质较多36012.3998.6698.360.300.15杂质很少46510.85100.49100.220.270.14杂质较少57014.35102.37102.070.300.13杂质少68016.4598.6298.250.370.15杂质比较少710021.58104.06103.600.460.03杂质较多温度（对应序号）与海藻酸粗品质量的关系如下：温度与海藻酸纯化去杂后的质量关系如下：实验结果分析：上述数据仅是选择了多次实验后具有代表性的一组进行讨论的结果。对于海藻酸粗产品，随着提取温度升高，提取效果越来越好，温度过低时（小于45度）根本得不到海藻酸，温度高有利于消化过程，这与理论分析一致。可是，当把7组海藻酸粗产品放在烘箱中50摄氏度烘干后（已经查阅资料，海藻酸50度时不会变性），我们发现第2组、第7组的粗产品明显焦化，纯化去杂时除去了大量焦化杂质，第1组由于提取温度过低，得不到产品。温度高时虽然海藻酸粗品质量最大，可是含有大量杂质。当提取温度在60度-80度时，得到的海藻酸烘干产品中没有明显的焦化杂质，产品色泽淡黄，色泽较好。本组认为提取海藻酸时，应控制提取温度在60度-80度之间最好，60度时产品收率最大。（3）操作方式及反应物粒度对反应的影响海藻酸提取过程中，影响较大的操作步骤为消化过程。下面探究消化时搅拌对海藻酸的提取有多大影响。实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂。实验过程：称取相同质量的海带4份，每份质量均为1g。标组为1、2、3、4。清水浸泡后（清水量相同），捞出海带，再酸泡，酸泡时控制每组的固液比（海带质量/水的质量）=5/100，酸泡时间均为1个小时，然后再用碳酸钠调节每组PH值至9左右，碱溶消化1.5小时。控制1、2、3、4组各组碱溶温度均为60摄氏度（由上一个探究得知60度时最有利于提取），第1组消化时不搅拌，第2组搅拌0.5小时，第3组搅拌1小时，第4组始终搅拌即搅拌1.5小时。按照稀硫酸酸化沉淀法收集海藻酸。烘箱中50摄氏度烘干得粗品，记录数据。再纯化去杂，记录数据。实验结果：实验组别代号消化搅拌时间/小时海藻酸粗品质量/g海藻酸纯化去杂后质量/g（保留两位小数）100.110.0420.50.240.13310.270.1741.50.310.19搅拌时间（对应组代号）与海藻酸粗品质量及纯化去杂后质量关系如下：实验结果分析：搅拌对于消化过程来说十分重要。从上面数据可知道，无论是海藻酸粗品还是纯品随着搅拌的充分度增加海藻酸提取率均线性增长，所以对于提取海藻中的海藻酸来说，搅拌过程要伴随消化始终，只有这样海藻中的多价盐离子海藻酸盐才能充分转化为可溶性海藻酸钠，进而可以酸凝得到更多海藻酸。海藻颗粒的大小即反应物粒度大小对于提取率的影响作用原理与搅拌类似，都是影响多价海藻酸盐类转化为海藻酸钠转化率，通过影响反应物海带与起消化作用的碱的接触充分度影响反应结果。当然，海带粒度越小转化越充分。（5） 提取时间长短对提取率的影响下面探究消化时间长短即提取时间长短对反应的影响。实验时，我们控制所有操作条件相同，唯一不同的是海藻即海带的消化时间的长短。实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂。实验过程：称取相同质量的海带6份，每份质量均为1g。标组为1、2、3、4、5、6。清水浸泡后（清水量相同），捞出海带，再酸泡，酸泡时控制每组的固液比（海带质量/水的质量）=5/100，酸泡时间均为1个小时，然后再用碳酸钠调节每组PH值至9左右，碱溶搅拌消化。控制1、2、3、4、5、6组各组碱溶温度均为60摄氏度（由上一个探究得知60度时最有利于提取），第1组消化时间为0.5小时，第2组消化1.0小时，第3组消化1.5小时，第4组消化2.0小时，第5组消化2.5小时，第6组消化3.5小时。按照稀硫酸酸化沉淀法收集海藻酸。烘箱中50摄氏度烘干得粗品。再纯化去杂，记录数据。实验结果：实验组别代号提取时间长短/小时纯化去杂后海藻酸质量/g（保留到小数点后两位）10.50.0321.00.0931.50.1342.00.1252.50.1263.50.13提取时间（对应代号）与海藻酸提取质量关系如下所示：实验结果分析： 提取时间的长短对海藻酸提取量的影响较为显著。提取时间过短，海带中的海藻酸无法充分浸出。由以上实验数据可得，消化时消化时间应选择在1-2小时之间，消化时间过短提取率低，消化时间过长，提取率增加不明显，操作时间长，单位时间产品产量低、耗能大（消化要维持水温，此为耗能过程）不利于竞争。（6） 固液比及消化液浓度对提取率的影响所谓固液比就是（海带质量）/（消化时水的质量）。本人翻阅了大量文献，发现许多作者都认为固液比选为1/10，其实本人认为，在消化时讨论固液比是没有意义的，因为消化过后我们还要往消化液中加入一定量的水对其稀释以便于后续过滤。无论固液比是多少，我们只要保证海藻被碱彻底消化为粘稠液体即可，而不必纠结与固液比1/10还是1/20。下面本人将用实验证明我的观点。实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂，烧杯（蒸发浓缩用）。实验过程：称取相同质量的海带4份，每份质量均为1g。标组为1、2、3、4。清水浸泡后（清水量相同），捞出海带，再酸泡，酸泡时控制每组的固液比（海带质量/水的质量）分别为1/10、1/20、1/40、1/80，酸泡时间均为1个小时，然后再用碳酸钠调节每组PH值至9左右，碱溶搅拌使海带彻底消化。控制1、2、3、4组各组碱溶温度均为60摄氏度（由前面的个探究得知60度时最有利于提取），消化时间均为1.5小时。消化液由于很粘稠，有的组要加水稀释过滤，不如将每组均稀释至100毫升左右，过滤后得到清液，收集每组的所有清液，以设定清液体积为标准（约50毫升），用蒸发浓缩法对1、2、3、4组清液进行浓缩至相同体积。按照稀硫酸酸化沉淀法收集海藻酸。烘箱中50摄氏度烘干得粗品。再纯化去杂，记录数据。实验结果如下：实验组别代号起始固液比浓缩后体积/毫升纯化去杂后海藻酸质量/g11/10约500.0721/20约5000831/40约500.0641/80约500.06实验结果分析：由以上数据明显可以看出，起始的固液比没有多少意义。只要消化时保证消化彻底即可。以上的讨论让我灵感突现，起始的固液比虽然对提取没有多少影响，可是消化液的浓缩程度似乎对提取有重要影响。带着这个感性认知，我又准备并进了下面的实验。实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂，烧杯（蒸发浓缩用）。实验步骤：称取6g海带，放入大烧杯中，加入600毫升水。清水浸泡酸泡-碱溶消化按部就班，下面有所不同。过滤得到消化液，加水稀释消化液至600毫升（过滤操作时消化液有一定损失，所以最终得到的消化液不足600毫升），将消化液均匀分成6份，即6组，标号为1、2、3、4、5、6，每组100毫升，用蒸发浓缩或者用水稀释法使得每组最后体积分别为：12.5，25，50，100，150，200毫升，再分别酸凝成胶体。纯化去杂后记录。实验结果：实验代号起始体积/ml浓缩稀释后消化液体积/ml海藻酸块湿重/g无水乙醇吸水后酸块质量/g纯化去杂后海藻酸质量/g110012.53.000.820.052100256.151.500.0731005012.873.290.08410010019.283.910.05510015022.780.510.0261002003.750.320.01海藻酸的纯化质量与浓缩程度的关系如下图：实验结果分析：通过实验我们发现，浓缩程度不仅影响提取率还影响提取难以程度、产品质量好坏。第1组：海藻酸酸凝块气泡较多，酸块颜色为淡黄色，形状较好，酸块比较硬不易松散。第2组：海藻酸酸凝块气泡也较多，酸块颜色淡黄色，酸块凝聚较好。第3组：酸凝块的气泡含量很少，近于透明，形状较好，成块较整。第4组：酸凝块几乎不含气泡，白色透明，形状最好，较完整。第5组：酸块透明，无气泡，色泽较好，但是形状较差，很分散，酸块不完整较软，难于过滤。第6组：有海藻酸絮状物生成，形成浑浊，但没有酸块形成，极难过滤。从上图的曲线以及实验现象可以看出，消化液浓缩程度大时，提取率较高，海藻酸成型较好。根据以上数据与现象，我们可以知道：在对海藻酸消化液进行酸凝时，海藻酸钠溶液浓度明显影响提取效果，在本实验中，通过计算，当浓缩比为1/50时提取效果最好。（浓缩比：溶液中换算成的海藻质量/溶液体积）（7） 不同提取方式的提取率的比较我们知道，从海藻中提取海藻酸的方法有三种：稀酸酸凝沉淀法、钙盐钙析-酸化法、钙析-离子交换法。不同的提取方法得到的结果可能不尽相同，甚至可能有巨大差异，下面我们就来探究这三种方法提取效果的异同，并找出最好的提取方法。实验材料：质地均匀的大叶子海带（含少量水），其他必备化学试剂。实验方法：保证前续实验条件相同（每组1克海带，相等量的清水泡时间4小时，消化时间1.5小时，消化液体积相同均为50毫升），只是在后续的沉淀时操作不同。第1组：稀硫酸酸凝沉淀，第2组：钙盐钙析-酸化，第3组：钙析-离子交换。实验结果见下表:实验组别代号实验方法海藻酸纯化后质量/g1稀硫酸酸凝沉淀0.092钙盐钙析-酸化0.133钙析-离子交换（再酸化）0.05实验结果分析：本人在实验过程中发现，第1种方法提取海藻酸时，酸化沉淀时，硫酸或者盐酸总是无法使所有海藻酸都凝成块，总是有一小部分脱离酸凝块成为一种絮状物，静置过夜后仍然无法使那些絮状物都凝成块，调节PH值至1-2之间也无济于事，所以在过滤时候必然造成海藻酸的浪费。第2种方法，即钙盐钙析酸凝法，向消化液中加入一定浓度的氯化钙溶液时，海藻酸钠很快转化为海藻酸钙沉淀析出，析出的海藻酸钙凝块十分紧实，没有任何游离于海藻酸钙凝块外的絮状物，甚至无需过滤直接用玻璃棒就可将海藻酸钙凝块挑出，将海藻酸钙凝块加入PH值为12的酸后，转化迅速，且生成的海藻酸凝块也较为完整，游离的海藻酸絮状物极少，这十分利于后续操作。第3种方法，即钙析-离子交换法，此方法实际上是生产海藻酸钠的方法而非为了得到海藻酸，用此方法生产海藻酸属多余，所以这里不做比较。方法1与方法2相比，酸凝沉淀时，混合液要静置8-12小时，即要放置过夜。而方法2中向消化液中加入氯化钙后，海藻酸钙迅速析出，只需再静置片刻即可进行酸化操作，而且酸化后，混合液无需静置过长时间，只需静置12小时甚至几十分钟即可，再结合上述对方法1与方法2的具体阐述，我们认为提取海藻酸时，如果只考虑操作时间、产品质量与收率，方法2，即钙盐钙析-酸化法最好，工业生产时要综合考虑各种因素选择合适的方法。（8） 提取率校正与分析总结仔细对比以上几个探究（提取温度对提取效果的影响、提取时间的影响、提取时操作方式的影响等），很容易发现，同样的1克的大叶子海带，在每个探究中却得到不同的实验结果，即使操作条件完全一样。其实原因笔者我是很清楚的，以上几个探究并非同时完成的，有的探究甚至隔了很多天才进行。探究用的大叶子海带起初烘干了，放置后必然会受吸水等因素影响，这就造成后面的提取率有些差异，但这种差异并非不同探究的客观差异，它只是一种表象（比如：操作条件相同时起初1克海带能提取0.13克海藻酸，在后面的探究中1克海带却只能提取0.8克海藻酸，此差异非人为的，而是系统误差，海带吸水后，1克的海带实际包含了一部分的水，当然不可能提取出0.13克海藻酸）。但这些因素的影响对海带整体来说是均匀的，因此采用质地均匀的海带进行每个探究，不会影响探究的结果与结论。介于试验的严谨性要求，本人又用彻底烘干的海带海带对探究（6）进行了研究，仍然每组用海带1克，尽管每组提取到的海藻酸的量与原探究有差异（实际上是大于原探究的提取量），但是所得实验结果结论与原探究完全一致。那么，对于海带来说，1克海带到底能提取多少克海藻酸呢？下面通过实验给出答案。实验材料：彻底烘干（恒重）的干净的海带，其他必备试剂。实验过程：干海带5.00克，适量的清水泡4小时后，捞出海带加入稀硫酸（很稀）溶液酸泡1个小时，60摄氏度下碱溶消化1.5小时，加水稀释过滤得消化清液，由于清液量较多放入多个烧杯中（本实验将清液分成四组标号1、2、3、4，每组得到的清液为约为200毫升），加入高浓度（10%以上）氯化钙溶液析出海藻酸钙，再酸化酸凝，得到海藻酸块，用乙醇除杂吸水，烘干得粗品，粗品再纯化去杂的成品。实验结果：实验组别代号烧杯+成品质量/g烧杯质量/g成品质量/g1166.86166600.262165.36165.070.293174.34173.990.354170.48170.140.34合计1.24提取率w=海藻酸成品质量/干的恒重海带质量 =1.24/5.00 =24.7%实验结果讨论与分析：提取时所用原料海带很少时由于操作中不可避免的产品损失，得到的提取率会变低，所用原料海带越少，损失的海藻酸的量占的比例越大。所以本次实验故意将海带质量放大到5.00克，以求减少这种误差。这次实验与以上几组探究相比得到的海藻酸的提取率显然高得多。由于本次实验用的是干海带，并借鉴了前面几个探究的成果，采用较优秀的提取路线，并且极力降低了误差，查阅文献后比较提取率，与文献相近，所以实验结果可靠。分析总结：从以上几个探究，我们可以找出一条合适的高效率的提取海藻酸的方法。综合各个因素分析，我们得出了下面的最优提取路线。4.5探究实验后设计的最优提取路线（1）水洗浸泡：海藻切成小块，大量清水浸泡4小时，除去海藻中的泥沙、可溶性的碘化物、甘露醇等物质，浸泡液收集保存，浸泡液浓缩后可以用来提取碘单质、甘露醇等，这符合绿色环保、资源充分利用理念。（2）二次水洗：除去海藻中的水溶性胶体，如糖胶。（3）酸泡：稀硫酸或者稀盐酸可以破坏海藻组织，使得海藻中的海藻酸前体更容易被下一步消化，利于消化反应，使反应彻底。酸泡时间约为1小时，酸的浓度要低，PH值大于2，以3.5左右为宜，这可以节约后面的碱量。（4）消化：消化一般用10%的碳酸钠溶液，或者直接加入碳酸钠粉末均可，调节PH值到9左右，使得酸泡液体中的多价海藻酸盐类转化为可溶的海藻酸钠。根据上节的探究可知，消化温度控制在60度（既节能提取效果又好），消化时