本发明涉及一种适于工业化生产高纯度海藻酸钠的制备方法，属于多糖纯化技术领域。
背景技术：
海藻酸钠(又名褐藻酸钠、褐藻胶)是一种亲水性胶体，具有稳定细胞膜和蛋白质结构的功能，并且以其良好的生物降解性和生物相容性，被广泛地应用于食品、医药、化学、纺织、印染、造纸、生物、日用化工等方面。在食品中可以作为稳定剂、增稠剂、乳化剂、胶凝剂、粘结剂以及功能性添加剂使用。目前，海藻酸钠的提取纯化工艺主要采取消化后的酸凝-酸化法、钙凝-酸化法、钙凝-离子交换法等传统工艺，以及酶解法和超滤提取法等新工艺。不同提取方法得到的海藻酸钠提取率、纯度都有所不同。传统方法成本较低，但酸碱消耗量大、高污染、产品品质不高；新工艺成本较高，但低酸碱消耗、低污染、产品品质较高，可以说各具其优势。我国目前大部分生产厂家普遍应用的工艺是以海带为原料经消化-钙凝-酸化生产海藻酸钠，此法钙析速度较快，沉淀颗粒较大。脱钙过程需加入大量盐酸，生成较多的海藻酸凝块，而海藻酸不稳定，易降解，导致海藻酸钠提取率低，产品品质低。此外，也有采用活性炭等(zl200910256451.0)通过吸附除杂生产高纯度海藻酸钠的方法，但至今尚未得到实践应用。宋彦显、闵玉涛等人公开酶助提取的残渣消化后滤液经脱色、钙凝及离子交换脱钙，用无水乙醇提纯海藻酸钠的方法，但是经本发明人分析，当按照该工艺方法大规模生产海藻酸钠时，生产效率低，难以应用到大规模的工业生产中。因此需要开发新型的适于工业化生产的高纯度海藻酸钠的制备方法。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明以钙凝-离子交换为核心结合现代膜处理技术，根据海藻酸钠提取液中的不同杂质，通过不同分离纯化除杂方法的优化组合，开发了一种适于工业化生产高纯度海藻酸钠的制备方法。该方法适用于以海带为原料的碱消化、酶法等各种海藻酸钠提取前期处理所获得海藻酸钠提取液，提取过程不产生任何杂质，所用溶剂毒性低，目标产品海藻酸钠纯度高杂质含量低，白度高，溶液透明度高，是一种适于工业化生产应用的环保型高纯度海藻酸钠制备工艺。
本发明采用的技术方案是：
本发明的第一个方面，提供一种适于工业化生产高纯度海藻酸钠的制备方法，包括以下步骤：
(1)将海带海藻酸钠提取液进行微滤澄清，获得澄清的黄褐色褐藻酸钠提取液；
微滤澄清的条件是：陶瓷微滤膜的孔径为50～500nm，料液ph8.0～9.0，料液温度35～45℃，运行压力0.15～0.4mpa，所得截留液用滤液2～3倍体积的水洗涤并微滤；
(2)向上述澄清的黄褐色海藻酸钠提取液中加入15～20％(w/v)的cacl2溶液，cacl2的添加质量为所用海带原料质量的15～25％(w/w)，不断搅拌使海藻酸钙沉淀析出，添加完cacl2溶液后静置30～60min使沉淀老化；
(3)过滤海藻酸钙悬液得到海藻酸钙固体；
(4)对固液分离后的海藻酸钙利用高浓度乙醇洗涤脱色，得到浅黄色海藻酸钙固体；
(5)将经高浓度乙醇洗涤脱色的浅黄色海藻酸钙利用纯净水洗涤；
(6)采用离子交换法将所得海藻酸钙转化为海藻酸钠，固液分离得到高含盐海藻酸钠固体；
(7)将得到的高含盐海藻酸钠固体溶解于纯净水里，超滤脱盐浓缩，得到微黄色海藻酸钠浓缩溶液；
(8)向得到的微黄色海藻酸钠浓缩溶液中添加乙醇至设定浓度进一步脱色并沉淀海藻酸钠，固液分离后采用相同浓度的乙醇溶液洗涤海藻酸钠，得高纯度海藻酸钠固体；
(9)对得到的上述海藻酸钠干燥并粉碎，得高纯度的海藻酸钠产品。
本发明的第二个方面，还提供一种采用上述方法制备得到的高纯度海藻酸钠产品。
本发明的第三个方面，还提供上述方法在工业化生产高纯度海藻酸钠产品中的应用。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一套适于工业化规模生产的高纯度褐藻糖胶的制备方法及其应用。本发明技术设备充分立足海藻酸钠生产设备情况，以常规分离纯化方法通过巧妙组合达到生产高纯度高品质海藻酸钠产品的目标，对于促进海藻酸钠产业技术水平及产品升级具有指导意义。
(2)本发明技术的一个突出的优势是通过分离技术的选择与组合，大大降低分离纯化过程中其他物质的添加种类与添加量，特别是降低了酸、碱、高盐等废弃液的产生量，实现海藻酸钠高效绿色化工业生产。
(3)本发明高纯度海藻酸钠制备技术与现有技术比较增加了陶瓷膜微滤和超滤两个环节，大大提高了整体技术工艺的可控连续性，显著提高了海藻酸钠的品质。
(4)本发明技术环节衔接灵活，可生产不同规格的海藻酸钠产品，根据产品市场需求，通过技术环节的不同组合与控制可在同一条生产线上生产出工业级、食品级以及医药级等不同的海藻酸钠产品，不需要其他附加技术环节。
(5)本发明技术方法条件温和适合于与其他海带功能性成分进行联产，如高附加值的褐藻糖胶、甘露醇、海带膳食纤维及其他微量元素等，实现海带资源的高效综合利用。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中提取纯化海藻酸钠的工艺方法存在提取率低、纯度较低等缺点，因此这些现有的技术方法并不适合海藻酸钠的大规模工业化生产，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种适于工业化生产高纯度海藻酸钠的制备方法。
本发明人对现有技术中提取纯化海藻酸钠的工艺方法进行分析，分析这些方法存在以上缺点的原因，发现采用常规的消化、酸凝、酶解等前处理后，再进行固液分离除去海带渣后获得的海藻酸钠提取液，其外观为黑褐色浓稠不透明液体，具有非常多的杂质种类。经发明人分析含有大量水不溶性微粒(细胞碎片、未溶解海藻酸、絮凝蛋白、不溶性色素等)、水溶性高分子(褐藻糖胶、果胶、水溶性蛋白、水溶性色素等)、水溶性小分子(寡糖、单糖、甘露醇、氨基酸等)以及水溶性无机盐类。而现有技术中的工艺方法并没有对其一一进行去除，导致海藻酸钠产品的品质较低。
本发明人正是根据海藻酸钠提取液中的杂质组成特点，从能够大规模产业化应用的角度上，选择并优化分离纯化技术与设备，具体工艺技术如下：
(1)微滤澄清：海带原料经过消化、酸凝、酶解等前处理后(包括复合酶解-固液分离法、前处理-消化-固液分离法或前处理-超声辅助消化-固液分离法)，再进行固液分离除去海带渣后获得需要进一步纯化的海藻酸钠提取液，其外观为黑褐色浓稠不透明液体，经分析含有大量水不溶性微粒、水溶性高分子、水溶性小分子以及水溶性无机盐类。根据杂质的特征，为了后续分离纯化的高效进行，本发明选择首先采用微滤膜处理海藻酸钠提取液，以达到除去水不溶性微粒澄清提取液并部分脱色的目的。
优选的，所述海藻酸钠提取液微滤澄清的条件是：陶瓷微滤膜的孔径为50～500nm，料液ph8.0～9.0，料液温度35～45℃，运行压力0.15～0.4mpa，所得截留液用滤液2～3倍体积的水洗涤并微滤。
合并所有滤液得黄褐色澄清的海藻酸钠提取液，进行后续分离纯化操作。
(2)钙凝
获得澄清的褐藻酸钠提取液后，可通过沉淀海藻酸或海藻酸钙一步除去可溶性杂质，也可通过乙醇沉淀实现。但是通过实践证实沉淀海藻酸使最终海藻酸钠的得率降低，杂质含量高，同时破坏海带功能性成分褐藻糖胶，显著降低其提取得率，不利于海带资源高效综合利用；直接进行乙醇沉淀将会显著影响目标产物海藻酸钠的纯度，在其中保留大量的杂质，基于以上原因，本发明优选了加钙沉淀海藻酸钙的分离纯化方法，以除去绝大部分水溶性杂质。
优选的，所述钙凝的具体操作是：在黄褐色澄清的海藻酸钠提取液中加入15～20％(w/v)的cacl2溶液，cacl2的添加质量为所用海带原料质量的15～25％(w/w)，不断搅拌使海藻酸钙沉淀析出，搅拌转速为150～300r/min，添加完cacl2后静置30～60min使沉淀老化，进入后续固液分离，除去可溶性杂质。
(3)固液分离
根据海藻酸钙沉淀的特性结合目前工业化生产操作的方便性，本发明选择过滤处理完成海藻酸钙悬液的固液分离。
优选的，所述过滤的操作条件是：滤布孔径为200～400目，所得滤饼加入2～3倍的水洗涤2～3次，所得黄绿色固体滤饼为海藻酸钙，混合后所得的全部滤液用于海带高附加值功能性成分褐藻糖胶及微量元素的分离纯化。
(4)乙醇脱色
通过钙凝-固液分离后除去了水溶性杂质，但所得海藻酸钙为黄绿色仍含有较多色素杂质，因此需要进行脱色，常用的脱色方法有活性炭吸附法、氧化还原法、溶剂溶解法等，因为海藻酸钙为固体，不适用活性炭吸附，而氧化还原法将引入或产生其他杂质，因此本发明选择用食品工业常用且易于分离的乙醇洗涤法进行海藻酸钙脱色。
优选的，所述乙醇脱色的条件是：高浓度乙醇的终浓度为65～85％(v/v)，脱色温度为35～50℃，脱色时间为30～90min，脱色处理1～3次，得浅黄色海藻酸钙固体。
(5)洗涤
经高浓度乙醇脱色的浅黄色海藻酸钙用水洗涤1～3次，除去水溶性杂质。
(6)离子交换
采用离子交换法将所得海藻酸钙转化为海藻酸钠，工艺步骤简单，避免大量酸碱的使用。
优选的，所述离子交换的条件是：海藻酸钙的添加量为5～10％(w/v)，nacl浓度为15～20％(w/v)，ph为6.0～7.5，交换体系温度为35～55℃，交换时间20～60min，搅拌转速100～300r/min，海藻酸钙经过离子交换转变为海藻酸钠，海藻酸钠在高浓度盐溶液中以固体沉淀形式存在，钙离子则进入溶液中，通过板框过滤固液分离得高含盐海藻酸钠固体，采用相同浓度的nacl溶液洗涤所得高含盐海藻酸钠固体2-3次，以使离子交换完全，并除去钙离子。
优选的，上述板框过滤的条件为滤布孔径为300～500目。
(7)超滤脱盐浓缩
经离子交换所得的海藻酸钠固体含有大量的nacl，因此需要进行脱盐操作。为了减少操作步骤及减少后续沉淀溶剂用量，本发明选择采用将所得高含盐海藻酸钠固体溶解后通过超滤法进行脱盐同时浓缩。
为达到更好的脱盐浓缩效果，优选的，所述超滤脱盐浓缩的具体条件：高含盐海藻酸钠固体的溶解浓度为0.2～0.8％(w/v)，超滤膜截留分子量为1000～5000da，物料温度30～38℃，运行压力0.15～0.5mpa，提取液浓缩倍数为5～10倍，所得浓缩液采用3～5倍体积的水洗涤2～3次，以便脱盐完全。
(8)低浓度二次脱色并沉淀-固液分离
在经超滤脱盐浓缩获得的海藻酸钠浓缩液添加乙醇至一定浓度进行进一步脱色并沉淀海藻酸钠，固液分离后采用相同浓度的乙醇溶液洗涤海藻酸钠溶液1～3次，得白色海藻酸钠固体料，进入干燥工段。
为实现更好的脱色效果，优选的，所述添加乙醇的终浓度为20～35％(v/v)，沉淀脱色时间为30～120min，体系温度为25～35℃；
优选的，所述固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300～500目。
(9)干燥并粉碎
优选的，干燥条件为70～90℃，干燥时间为2～4h。
经上述纯化制备方法，所得海藻酸钠产品为类白色至白色，白度＞85％，平均回收率≥98％，水不溶物＜0.3％，纯度为98-99.5％。本发明通过对现有技术中的分离技术的有效选择和组合，在提高海藻酸钠的品质上以及降低废弃液的产生量等方面取得了出乎意料的技术效果，实现海藻酸钠的高效纯化。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
采用通过洗涤浸泡前处理后，经复合酶解-固液分离获得的海藻酸钠提取液，工艺流程如图1所示：
(1)微滤澄清：陶瓷微滤膜的孔径为100nm，料液ph8.5，料液温度35℃，运行压力0.4mpa，所得截留液用滤液3倍体积的去离子水洗涤并微滤，合并所有滤液得黄褐色澄清的海藻酸钠提取液，进行后续分离纯化操作。
(2)钙凝：在黄褐色澄清的海藻酸钠提取液中加入20％(w/v)的cacl2溶液，cacl2的添加质量为所用海带原料质量的25％(w/w)，不断搅拌使海藻酸钙沉淀析出，搅拌转速200r/min，添加完cacl2后静置60min使沉淀老化，进入后续固液分离，除去绝大部分可溶性杂质。
(3)固液分离：板框过滤的操作条件是滤布孔径为400目，所得滤饼加入3倍的去离子水洗涤2次，所得黄绿色固体滤饼为海藻酸钙，混合后所得的全部滤液用于海带高附加值功能性成分褐藻糖胶及微量元素等的分离纯化。
(4)乙醇脱色：高浓度乙醇的终浓度为85％(v/v)，脱色温度为50℃，脱色时间为90min，脱色处理3次，得浅黄色海藻酸钙固体。
(5)洗涤：经高浓度乙醇脱色的浅黄色海藻酸钙固体用去离子水洗涤3次，除去水溶性杂质。
(6)离子交换-固液分离：海藻酸钙的添加量为5％(w/v)，nacl浓度为16％(w/v)，ph为6.5，交换体系温度为45℃，交换时间60min，搅拌转速250r/min，海藻酸钙经过离子交换转变为海藻酸钠；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为400目，所得滤饼采用相同浓度的nacl溶液深度离子交换洗涤3次，得高含盐海藻酸钠固体料。
(7)超滤脱盐浓缩：高含盐海藻酸钠固体溶解后的浓度为0.2％(w/v)，超滤膜截留分子量为1000da，物料温度38℃，运行压力0.25mpa，提取液浓缩倍数为5倍，所得浓缩液用5倍体积的去离子水洗涤3次，以便脱盐完全。经浓缩脱盐后得微黄色海藻酸钠浓缩溶液。
(8)低浓度二次脱色并沉淀-固液分离：添加乙醇的终浓度为35％(v/v)，沉淀脱色时120min，体系温度为35℃；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300目；固液分离后采用相同浓度的乙醇溶液洗涤海藻酸钠溶液3次，得白色海藻酸钠固体料，进入干燥工段。
(9)干燥并粉碎：干燥条件为80℃干燥4h。
经上述纯化制备方法，所得海藻酸钠为白色，白度达到95％，回收率99.5％，水不溶物0.1％，纯度为99.3％，产品质量达到医药级海藻酸钠的要求。
实施例2
采用通过洗涤浸泡前处理后，消化-固液分离获得的海藻酸钠提取液，工艺流程如图1所示：
(1)微滤澄清：陶瓷微滤膜的孔径为200nm，料液ph9.0，料液温度45℃，运行压力0.20mpa，所得截留液用滤液用2倍体积的饮用水洗涤并微滤，合并所有滤液得黄褐色澄清的海藻酸钠提取液，进行后续分离纯化操作。
(2)钙凝：在黄褐色澄清的海藻酸钠提取液中加入18％(w/v)的cacl2溶液，cacl2的添加质量为所用海带原料质量的20％(w/w)，不断搅拌使海藻酸钙沉淀析出，搅拌转速250r/min，添加完cacl2后静置40min使沉淀老化，进入后续固液分离，除去绝大部分可溶性杂质。
(3)固液分离：板框过滤的操作条件是滤布孔径为300目，所得滤饼加入2倍的饮用水水洗涤3次，所得黄绿色固体滤饼为海藻酸钙，混合后所得的全部滤液用于海带高附加值功能性成分褐藻糖胶及微量元素的分离纯化。
(4)乙醇脱色：高浓度乙醇的终浓度为75％(v/v)，脱色温度为40℃，脱色时间为60min，脱色处理2次，得浅黄色海藻酸钙固体。
(5)洗涤：经高浓度乙醇脱色的浅黄色海藻酸钙固体用饮用水洗涤3次，除去水溶性杂质。
(6)离子交换：海藻酸钙的添加量为8％(w/v)，nacl浓度为18％(w/v)，ph为7.0，交换体系温度为40℃，交换时间40min，搅拌转速200r/min，海藻酸钙经过离子交换转变为海藻酸钠；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300目，所得滤饼采用相同浓度的nacl溶液深度离子交换洗涤3次，得高含盐海藻酸钠固体料。
(7)超滤脱盐浓缩：高含盐海藻酸钠固体溶解后的浓度为0.5％(w/v)，超滤膜截留分子量为3000da，物料温度35℃，运行压力0.22mpa，提取液浓缩倍数为8倍，所得浓缩液用3倍体积的饮用水洗涤2次，以便脱盐完全。经浓缩脱盐后得微黄色海藻酸钠浓缩溶液。
(8)低浓度二次脱色并沉淀-固液分离：添加乙醇的终浓度为25％(v/v)，沉淀脱色时间为60min，体系温度为30℃；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300～500目；固液分离后采用相同浓度的乙醇溶液洗涤海藻酸钠溶液3次，得白色海藻酸钠固体料，进入干燥工段。
(9)干燥并粉碎
优选的，干燥条件为90℃，干燥时间为3h。
经上述纯化制备方法，所得海藻酸钠为白色，白度92％，回收率≥99.2％，水不溶物0.22％，纯度为98.5％，产品质量指标符合食品安全国家标准食品添加剂海藻酸钠(又名褐藻酸钠)gb1886.243-2016的规定。
实施例3
采用通过洗涤浸泡等前处理后，超声辅助消化-固液分离获得的海藻酸钠提取液，工艺流程如图1所示：
(1)微滤澄清：陶瓷微滤膜的孔径为300nm，料液ph9.0，料液温度45℃，运行压力0.15mpa，所得截留液用滤液2倍体积的自来水洗涤并微滤，合并所有滤液得黄褐色澄清的海藻酸钠提取液，进行后续分离纯化操作。
(2)钙凝：在黄褐色澄清的海藻酸钠提取液中加入15％(w/v)的cacl2溶液，cacl2的添加质量为所用海带原料质量的15％(w/w)，不断搅拌使海藻酸钙沉淀析出，搅拌转速300r/min，添加完cacl2后静置30使沉淀老化，进入后续固液分离，除去可溶性杂质。
(3)固液分离：板框过滤的操作条件是滤布孔径为200目，所得滤饼加入2倍的自来水洗涤2次，所得黄绿色固体滤饼为海藻酸钙，混合后所得的全部滤液用于海带高附加值功能性成分褐藻糖胶及微量元素的分离纯化。
(4)乙醇脱色：高浓度乙醇的终浓度为65％(v/v)，脱色温度为35℃，脱色时间为30min，脱色处理2次，得黄色海藻酸钙固体。
(5)洗涤：经高浓度乙醇脱色的浅黄色海藻酸钙固体用自来水洗涤2次，除去水溶性杂质。
(6)离子交换：海藻酸钙的添加量为10％(w/v)，nacl浓度为20％(w/v)，ph为7.5，交换体系温度为50℃，交换时间35min，搅拌转速300r/min，海藻酸钙经过离子交换转变为海藻酸钠；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300目，所得滤饼采用相同浓度的nacl溶液深度离子交换洗涤2次，得高含盐海藻酸钠固体料。
(7)超滤脱盐浓缩：高含盐海藻酸钠固体溶解后的浓度为0.8％(w/v)，超滤膜截留分子量为5000da，物料温度35℃，运行压力0.15mpa，提取液浓缩倍数为5倍，所得浓缩液用3倍体积的自来水洗涤1次，以便脱盐完全。经浓缩脱盐后得微黄色海藻酸钠浓缩溶液。
(8)低浓度二次脱色并沉淀-固液分离：添加乙醇的终浓度为22％(v/v)，沉淀脱色时间为45min，体系温度为35℃；固液分离采用板框过滤机，滤布的孔径为300目；固液分离后采用相同浓度的乙醇溶液洗涤海藻酸钠溶液1次，得白色海藻酸钠固体料，进入干燥工段。
(9)干燥并粉碎：干燥条件为90℃干燥2h。
经上述纯化制备方法，所得海藻酸钠为类白色，白度87％，回收率≥99.8％，水不溶物0.3％，纯度为98.2％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。