摘要
琼胶是一种从红藻中提取的天然植物多糖，在食品、医药、日用化工、生物工程等领域有着广泛应用。龙须菜(Gracilarialemaneiformis)是提取琼胶的重要海藻原料，不同原料中多糖、硫酸基等成分组成及含量存在较大差异，对琼胶的提取工艺产生很大影响。而传统生产工艺不考虑原料的影响，工艺参数固定，造成原料浪费、成本增加、环境污染。因此，针对不同原料性质实时调整工艺参数，实现提胶工艺的数字化控制具有深远意义。本论文对龙须菜琼胶提取工艺中关键环节的优化、基于数字化控制的数学建模以及提胶副产物的应用等方面进行了系统研究。 1.工艺关键环节优化分析：分别探究了碱处理工艺中碱处理浓度、温度和时间对龙须菜琼胶的出胶率、凝胶强度以及其他理化性质的影响。通过相关性分析得到三个因素对硫酸基含量、3,6-内醚-L-半乳糖含量、凝固温度和熔化温度等性质的影响极显著(plt;0.01)，碱处理使琼胶分子结构中硫酸基含量减少，3,6-内醚-L-半乳糖含量增加，进而影响琼胶出胶率、凝胶强度、凝固及熔化温度。通过单因素实验和正交试验优化分析，得到本实验龙须菜原料的最佳碱处理条件为：碱处理浓度4%，碱处理温度80℃，碱处理时间1h，在此条件下，出胶率为24.33%，凝胶强度为817.04g/cm2。并且通过正交试验中极差分析得到碱处理环节中影响最为显著的因素为碱处理浓度，将其作为后期提胶工艺数字化控制中数学建模的关键控制点。 2.碱后处理对品构的影响：分别探究了龙须菜碱后处理——漂白酸化工艺和蒸汽压力提胶工艺对琼胶品质和结构性质的影响。以出胶率和凝胶强度为主要指标，通过单因素实验优化得到最佳的漂白酸化工艺条件为：次氯酸钠浓度0.10%，漂白处理10min，草酸浓度0.15%，进行二次酸化处理，每次5min；最佳提取条件为：提胶温度108℃，提胶时间2h。同时，相关性分析可知碱后处理的四个因素对硫酸基含量、3,6-内醚-L-半乳糖含量、凝固温度和熔化温度等性质的影响显著(plt;0.05)。 3.原料数据采集及建模：对八种不同地域、不同季节、不同成熟度的龙须菜原料进行多糖含量和硫酸基含量的测定，并分别对其进行碱处理浓度梯度实验，以此获得龙须菜琼胶提取工艺建模数据。借助人工神经网络模型和遗传算法对提胶工艺中碱处理环节进行数学建模，优化得到最佳的神经网络拓扑结构为3-14,14-2。在此基础上，通过遗传算法对最佳碱处理浓度进行全局寻优，设定每代染色体种群数为20，最大遗传代数为500，代沟为0.85，交叉概率0.75，变异概率0.025，得到相关系数大于0.95的高拟合度数学模型。并利用两种验证样本原料进行数学模型的验证试验，神经网络模型输出的最佳碱处理浓度和最大出胶率的预测值与实验实际值之间的绝对误差小于4%，表明了所建模型可应用于龙须菜琼胶提取工艺数字化控制体系中。 4.原料的全质化利用：利用龙须菜提胶副产物——龙须菜藻渣进行膳食纤维的制备，得到龙须菜膳食纤维产率为13.78%。通过单因素实验和响应面优化试验综合分析，得到酶解活化龙须菜膳食纤维的最佳条件为：料液比1∶35(w/v)，加酶量400U/g，酶解时间2h，并通过验证性试验保证了回归模型的可靠性和拟合度。酶解活化后的龙须菜膳食纤维膨胀力和持水力较活化前分别提高了46.94%和32.65%。 本文在龙须菜琼胶提取传统工艺的基础上进行工艺优化创新，将数学模型与提胶工艺相结合，实现琼胶提取工艺的数字化控制和原料的全质化利用，为海藻加工企业的产业升级和智能化生产提供一定的理论依据。
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