江蓠琼脂生产中清洗残碱的逆流工艺

梁懿，倪辉，2，3，姜泽东，2，3，朱艳冰，2，3，李清彪，2，3

（1 集美大学食品与生物工程学院，福建厦门361021；2 福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建厦门361021；3 厦门市食品生物工程技术研究中心，福建厦门361021）

琼脂又称琼胶，是一种从红藻中提取的天然水溶性高分子多糖，由琼脂糖和琼脂胶组成[1]。琼脂是世界上用途最广泛的海藻多糖之一[2]，琼脂及其衍生物具有良好的凝胶和增稠性能，可作为增稠剂、添加剂、胶凝剂等，广泛应用于食品、化妆品、微生物和医药等领域[3-4]。我国是世界最主要的琼脂生产基地，2018 年我国琼脂销量为1.05 万吨，产值达8.83 亿元，产量占全球产量的60%以上。琼脂生产原料包括石花菜类和江蓠类，其中我国生产琼脂的原料主要是江蓠。琼脂提取方法包括碱法提取[5]、微波辅助提取[6]、高压提取[7]、酶法提取[8]、过氧化氢辅助酶法提取[9]等，其中碱法提取是目前工业生产中普遍使用的方法。碱法提取江蓠琼脂的工艺过程包括碱处理、清洗残碱、酸化、漂白、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥和粉碎等[10-11]。采用碱法提取江蓠琼脂的工艺过程由于进行多次清洗，需要消耗大量的水资源，目前工业化生产琼脂的耗水量为1000～1500t/t[12]。

针对碱法提取琼脂耗水量大的问题，Xiao等[8]证明了生物酶技术可有效减少琼脂提取用碱和清洗残碱用水量；蔡鹰等[13]研究了海水替代淡水提取江蓠琼脂。这两种方法仍处于实验室阶段，目前无法实现工业化推广。工业上常借助膜分离[14]、絮凝沉降[15]、电解[16]等方法对废水进行处理后循环利用，这些方法由于水质效果达不到工艺要求或者工艺成本偏高等因素也没有在琼脂生产中应用。在碱法提取江蓠琼脂的过程中，江蓠经过碱处理后需将江蓠中残碱清洗至中性，该工序是碱法提取琼脂过程中耗水量较大的工艺环节，通常每生产1t 江蓠琼脂，碱处理后对江蓠进行清洗残碱需消耗淡水约727t。因此，对碱处理后的清洗残碱工艺进行优化是降低琼脂生产耗水量的重要环节。

在工业生产中，常用逆流技术节省提取或清洗溶剂用量。逆流提取技术是指在提取过程中，物料和溶剂同时连续运动，但运动方向相反，使物料和溶剂充分接触，设备内溶剂不断更新。采用逆流提取技术可以提高提取效率。例如，Bessa 等[17]利用连续逆流提取方法，大幅度增加了米糠油的提取效率。此外，采用逆流提取技术还可节约提取溶剂及提高溶质浓度，从而降低浓缩成本。由于具有多方面的优点，逆流提取技术逐渐在活性成分提取及清洁生产中广泛应用。琼脂提取过程中，碱处理后对江蓠进行清洗残碱的操作实质上是利用水提取江蓠中残留碱的过程。该工艺也可以借鉴逆流提取的技术原理，清水从清洗残碱的最后一个阶段注入，将后一级清洗废水逆向用于前一级清洗，最终的废水从清洗残碱的初始阶段抽出，初始阶段抽出废水经膜分离[14]处理后可重新用于生产加工，从而克服传统方法环境污染大的缺点。相关研究表明，萃取溶剂、固液比、萃取级数、萃取时间等是影响逆流萃取效果的主要因素[18]。若在江蓠琼脂清洗残碱工艺中运用逆流提取技术也应该考虑以上几个方面的因素，但由于清洗残碱的溶剂是水且清洗时间在工业生产中相对稳定，因此宜考虑固液比和清洗级数的影响。

基于以上国内外研究进展，本文模仿工业生产中的江蓠碱处理工艺，采用逆流清洗技术对清洗残碱工艺进行研究。以透明度、凝胶强度、硫酸基含量、凝固温度、溶化温度、3,6-内醚半乳糖含量等为指标优化清洗残碱的液料比并分析逆流清洗的节水效率，为降低工业生产江蓠琼脂的耗水量提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

江蓠，绿新（福建）食品有限公司；明胶、氯化钡、活性炭、果糖，国药集团化学试剂有限公司；硫酸钾、浓盐酸、间苯二酚、1,1-乙缩醛，西陇化工股份有限公司。

WNB22 型数显恒温水浴锅，美墨尔特贸易有限公司；7200 型可见分光光度计，尤尼柯仪器有限公司；BS233S 型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；FE20K 型酸度计，梅特勒-托利多公司；MM723EB微波炉，美的集团有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 江蓠琼脂碱法提取传统工艺

工艺流程：江蓠→预处理→碱处理→4次水洗（清洗残碱）→酸化→水洗→漂白→水洗→煮胶→过滤→凝胶→冷冻脱水→干燥→粉碎。

预处理：用适量自来水冲洗江蓠，去除江蓠泥沙以及其他杂物，于烘箱中50℃烘至恒重。该处理的主要目的是排除杂质干扰，减少后续实验因杂质引起实验数据波动。

碱处理：配制1500mL质量分数为7%的NaOH溶液于烧杯中，加入已处理恒重的江蓠100g，于90℃水浴锅中恒温处理3h。

清洗残碱：将碱处理后的江蓠与碱液分离，用100mL清水冲洗江蓠表面残碱液，放入烧杯中，用2000mL 清水进行4 次清洗残碱（每次流动浸泡30min）的操作，分别记为第一次清洗残碱、第二次清洗残碱、第三次清洗残碱和第四次清洗残碱。

酸化：向清洗残碱4 次后的江蓠中加入1500mL清水，再加入0.65mL浓硫酸、0.96g草酸及0.192g乙二胺四乙酸二钠，混合均匀后，搅拌酸化0.5h，固液分离并沥干水。

水洗：向酸化后的江蓠中加入1500mL 清水，搅拌浸泡0.5h，重复清洗2 次至pH 中性，固液分离并沥干水。

漂白：向水洗至中性的江蓠中加入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。

水洗：加入1500mL 清水进行浸泡清洗至pH中性。

煮胶：经过以上处理的江蓠样品置于烧杯中，加入1400mL 清水，于水浴锅中100℃下进行煮胶4h，并过滤得琼脂胶液，于室温下形成凝胶。

冷冻脱水：将凝胶的琼脂切条，于冰柜中冷冻12h，室温解冻后，去掉水分。

干燥粉碎：将脱水后的琼脂条放置于托盘中，于40～50℃烘箱中烘干10h 后取出，用粉碎机粉碎成粉末状，装袋编号，得琼脂粉样品。

1.2.2 江蓠碱处理后清洗残碱工艺中液料比的优化

取5组江蓠样品各100g，碱处理后分别按水和江蓠的液料比5∶1（加水500mL）、7.5∶1（加水750mL）、10∶1（加水1000mL）、12.5∶1（加水1250mL）、15∶1（加水1500mL）、20∶1（加水2000mL）的加水量进行4 次清洗残碱操作，每次均清水搅拌浸泡0.5h，清洗残碱后操作均与1.2.1节中一致，制备得样品琼脂，并测定各项品质参数。采用二次项函数拟合各参数与清洗残碱液料比的关系模型，通过决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）比较拟合和检验结果；RMSE 值越小，R2越大，则模型拟合度越高。R2和RMSE的的计算如式(1)和式(2)。依据目前工业化生产工艺的琼脂质量拟合最低的液料比。

式中，yj为实测值；ŷj为模型预测值；-y为实测值的平均值；n为实测值数量。

1.2.3 江蓠碱处理后清洗残碱废水单次单级逆流

在江蓠琼脂生产过程中，按1.2.1 节中的方法进行碱处理，在液料比为18.1∶1 的条件下进行4次清洗残碱的操作。其中，第一批次4次清洗残碱全部用清水（无逆流），第二批次江蓠4 次清洗中有1次使用了第一批次江蓠清洗残碱的废水，其余3 次仍然使用清水清洗；例如，第一批次的第二、第三和第四次清洗废水分别用于第二批次三组不同样品第一、第二和第三次清洗，各样品制备流程如图1所示。清洗残碱后，按照1.2.1节的工艺制备琼脂，以4次清洗残碱全部用清水（无逆流）的工艺为对照分析琼脂质量差异。

（1）无逆流（N1）样品 将干重100g的江蓠碱处理后放入烧杯中，按水和江蓠的液料比18.1∶1加清水进行4次浸泡清洗残碱，且每次清洗残碱所用水量相同，每次0.5h。用该方法清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

（2）第二次废水单次单级逆流（N2）样品 将干重为100g的江蓠碱处理后放入烧杯中，用N1样品第二次清洗残碱废水代替样品清水进行第一次清洗残碱，再按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行第二次至第四次的清洗残碱操作。每次清洗残碱浸泡时间均为0.5h。清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

（3）第三次废水单次单级逆流（N3）样品 将干重为100g 的江蓠碱处理后放入烧杯中，按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行第一次浸泡清洗残碱，用N1 样品第三次清洗残碱废水代替清水进行第二次清洗残碱操作，再按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行第三次和第四次的浸泡清洗残碱。每次清洗残碱浸泡时间均为0.5h。用该方法清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

图1 清洗残碱用水单次逆流的工艺流程

（4）第四次废水单次单级逆流（N4）样品 将干重为100g 的江蓠碱处理后放入烧杯中，按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行第一和第二次浸泡清洗残碱，用N1 样品第四次清洗残碱废水代替清水进行第三次清洗残碱操作，再按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行第四次的浸泡清洗残碱。每次清洗残碱浸泡时间均为0.5h。用该方法清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

1.2.4 江蓠碱处理后清洗残碱废水全程多级逆流

按1.2.1 节中的方法进行碱处理，在江蓠琼脂生产过程中，除了最后一次清洗残碱使用清水，其他阶段清洗全部用后一级废水（第四次清洗废水应用于进行第三清洗残碱，第三次清洗废水应用于进行第二次清洗残碱，第二次清洗废水应用于进行第一次清洗残碱），以四次清洗残碱全部用清水（无逆流）的工艺为对照。根据清洗废水逆流使用的级数，可分为全程一级逆流（J1）、全程二级逆流（J2）和全程三级逆流（J3），各工艺建立过程如图2所示。

（1）无逆流（J0）样品 将干重为100g 的江蓠样品碱处理后，按水和江蓠的液料比18.1∶1 加清水进行4次浸泡清洗残碱，每次清洗残碱浸泡时间是0.5h。用该方法清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

（2）全程一级逆流（J1）样品 将J0 批次样品第二、第三、第四次清洗废水代替清水进行J1批次江蓠第一、第二、第三次清洗残碱操作，加清水进行第四次清洗残碱操作。每次清洗残碱浸泡时间均为0.5h。此工艺中，J0批次的第四、第三和第二次废水都进行单级逆流使用，J1 清洗残碱全过程除第四次清洗外，全部都采用了上一级废水逆流清洗。清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

（3）全程二级逆流（J2）样品 将J1 批次样品第二、第三、第四次清洗废水代替清水进行J2批次江蓠第一、第二、第三次清洗残碱操作，加清水进行第四次清洗残碱操作。每次清洗残碱浸泡时间均为0.5h。此工艺中，清洗残碱全过程除第四次清洗外，全部都采用了上一级废水逆流清洗。J0批次的第四和第三次废水都进行二级逆流使用，J1第四次清洗废水进行了一级逆流使用。清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

图2 江蓠琼脂碱处理后逆流循环工艺流程

（4）全程三级逆流（J3）样品 将J2 批次样品第二、第三、第四次清洗废水代替清水用于J3批次江蓠第一、第二、第三次清洗残碱操作，加清水进行第四次清洗残碱操作。每次清洗残碱浸泡时间是0.5h。此工艺中，清洗残碱全过程除第四次清洗外，全部都采用了上一级废水逆流清洗。其中，J0 的第四次废水进行三级逆流使用，J1 的第四次清洗废水进行了二级逆流使用，J2 的第四次清洗废水进行了一级逆流使用，即为全程三级逆流。清洗残碱后酸化、煮胶、过滤、凝胶、压榨、干燥后测定凝胶性质。

1.2.5 分析测定方法

1.2.5.1 清洗残碱过程中耗水量、耗水率、节水率江蓠碱处理后清洗残碱传统工艺耗水量[式(3)]。

江蓠碱处理后清洗残碱改进工艺节水量[式(4)]。

江蓠碱处理后清洗残碱改进工艺节水率[式(5)]。

生产1t琼脂节约水费[式(6)]。

式中，V为清洗残碱传统工艺生产1 吨琼脂第一至第四次清洗总用水量，m3/t；V1为清洗残碱传统工艺生产一定量琼脂第一至第四次清洗总用水量，m3；V2为清洗残碱改进工艺生产一定量琼脂第一至第四次清洗总用水量，m3；M1为生产所得琼脂质量，按提取率11%计算，t；2.5 为1t 水的价格，CNY/t。

1.2.5.2 透明度的

配制质量分数为1.5%的琼脂溶液，微波溶解后趁热倒入比色皿中，室温放置24h，用紫外可见分光光度计在400～800nm 扫描，确定其最大吸收波长750nm，在最大吸收波长处测定样品的透光率（T）。

1.2.5.3 凝胶强度

参照GB 1975—2010的方法测定凝胶强度，配制质量分数1.5%的琼脂溶液，微波溶解后等量倒入3 个100mL 平皿中，盖上表面皿，室温放置15h后，在凝胶强度测定仪上测定凝胶强度。凝胶强度以质量分数1.5%琼胶（干基记）凝胶在15～20s 内抗破砝码的质量（g）与装置杆下端表面积（cm2）比值为单位（g/cm2）。

1.2.5.4 硫酸基的测定

采用硫酸钡比浊法，参照杨贤庆等[19]的方法。配制明胶-氯化钡溶液：配制5%的明胶溶液于4℃静置过夜，用其配制氯化钡质量分数为1%的明胶-氯化钡溶液，于4℃备用。配制硫酸钾标准溶液：硫酸钾先在105℃的条件下烘干3h，等待其冷却至室温，称取0.1088g，用1mol/L 的盐酸定容至100mL，贮藏备用。

硫酸根标准曲线：将硫酸钾标准溶液稀释5倍，分别取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL的稀释液，用1mol/L盐酸补足至1mL，加入3mL质量分数1%的明胶-氯化钡溶液，振荡混匀后静置10min，在360nm 波长下测定吸光度，得不同浓度的硫酸基对其吸光度作标准曲线，标准曲线方程为y=3.8351x－0.0024。

样品的消化：称取干燥的琼脂样品0.5g 于25mL比色管中，加入25mL浓度为1mol/L的盐酸于100℃水浴消化5h 后冷却至室温。用活性炭脱色，过滤得澄清溶液待用。取1mL 消化液加3mL 的明胶-氯化钡溶液，振荡混匀，静置10min，在360nm波长下测定吸光度，根据标准曲线换算样品硫酸基含量。

1.2.5.5 琼脂凝固温度和溶化温度

参考史升耀等[20]的方法，配制质量分数为1.5%的琼脂溶液，取10mL 装入试管中，在胶液中放入一个小玻璃珠，插入温度计，保证温度计水银球完全被胶液没过，当倾斜试管玻璃珠不移动时，此时的温度即为凝固温度。

配制质量分数为1.5%的琼脂溶液，取10mL装入试管中，室温下冷却过夜，在胶液上放一个小玻璃珠，将试管置于50℃水浴中，再以2min/℃的速率升温，当小玻璃珠接触试管底部时，此时温度即为溶化温度。

1.2.5.6 3,6-内醚半乳糖含量

采用间苯二酚法[21]，配制1.5mg/mL的间苯二酚溶液100mL，于冰箱中4℃保存；配制0.04%的1,1-乙缩醛溶液稀释液100mL，置于棕色试剂瓶中，于冰箱中保存；比色前取间苯二酚溶液9mL、1,1-乙缩醛溶液1mL 与100mL 12mol/L 的浓盐酸混合均匀，备用。

果糖标准曲线：配制25μg/mL的果糖稀释液贮存备用，分别取0、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL 果糖稀释液于10mL 的具塞试管中，用去离子水补足至1mL，另取1mL 去离子水为空白对比，盖上塞子置于冰水浴中5min，分别取5mL 间苯二酚混合试剂于各试管中，在冰水浴中振荡摇匀，后放置在80℃恒温水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm 的波长下测定吸光度，得不同浓度的果糖对其吸光度作标准曲线，标准曲线方程为y=1.5331x－0.003。

称取干燥的琼脂样品0.03g，完全溶解后定容至1000mL，取1mL 30μg/mL 琼脂溶液置于具塞试管中，冰水浴5min，加入5mL间苯二酚混合试剂，冰水浴中振荡摇匀，80℃恒温水浴15min，取出置于冰水浴中90s，在554nm的波长下测定吸光度值，根据所作果糖标准曲线换算出3,6-内醚半乳糖含量（以果糖当量计算）。

1.3 数据统计方法

使用Excel 2019对不同水洗方式提取琼脂的理化性质进行统计学分析，对透明度、凝胶强度等参数随料液比变化制作柱状图和折线图，并采用Excel 2019进行二次函数回归分析。使用SPSS 19.0对不同琼脂理化性质进行显著性分析。使用AutoCAD 2014绘制逆流清洗工艺设备流程。

2 结果与讨论

2.1 江蓠碱处理后清洗残碱工艺中液料比的优化

琼脂的各项温度指标变化与分子结构和分子量有关[22]，例如，琼脂中的3,6-内醚半乳糖含量与凝胶强度呈正相关，硫酸基含量与凝胶强度呈负相关[23]。赵谋明[24]研究表明，硫酸基会转化为3,6-内醚半乳糖。碱处理是目前工业化去除琼脂中硫酸基和增加3,6-内醚半乳糖含量的关键操作；碱处理后江蓠残留了一定量的碱液，需要进行清洗才能去除[12]。此外，江蓠藻中含有大量色素，经碱处理后，大部分色素溶于碱液中[25]，其余部分要在清洗残碱过程中去除。相关研究表明，清洗残碱用水量是影响琼脂质量的重要因素，当清洗用水量过少时，江蓠内部所吸收的碱液及残留的色素不能彻底清除，对琼脂凝胶强度、透明度和色泽等指标产生负面影响[26]。目前，琼脂工业生产中常采用20 倍的水进行4次残碱清洗，用水量很大。本文用不同液料比的清水对碱处理后的琼脂进行清洗，如图3所示，随着清洗残碱用水量的增加，透明度、凝胶强度、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量呈上升趋势，硫酸基含量逐渐下降。对图3的液料比数据进行拟合，在拟合过程中，通过决定系数R2和均方根误差RMSE 判定实验值与模型的拟合度。根据相关文献[27]，决定系数R2大于0.3 为有效值，均方根误差RMSE为非负值；R2越大，RMSE越小，说明实验值与模型的拟合度越好。通过拟合，得到液料比与琼脂各项指标的影响规律如式(7)所示。如表1所示，透明度、凝胶强度、凝固温度、溶化温度、硫酸基含量和3,6-内醚半乳糖含量与不同液料比拟合模型的相关系数R2较大，且RMSE 较小，说明建立的动力学模型能较好地拟合液料比对琼脂质量的影响。其中，3,6-内醚半乳糖含量对应液料比的R2较高，RMSE最低，凝固温度对应液料比的R2、RMSE与3,6-内醚半乳糖含量对应液料比的R2、RMSE相近，但都略高于3,6-内醚半乳糖含量对应液料比的R2、RMSE，所以判定3,6-内醚半乳糖含量和凝固温度与液料比的拟合度最好；溶化温度R2最高，但是RMSE也略高，所以溶化温度与液料比的拟合度略低于3,6-内醚半乳糖含量和凝固温度与液料比的拟合度；硫酸基含量对应液料比的R2较低，RMSE较高，所以硫酸基含量与液料比的拟合度次于溶化温度与液料比的拟合度；透明度有较高的R2，但是RMSE高，所以透明度与液料比的拟合度次于硫酸基含量与液料比的拟合度；凝胶强度R2低于其他质量指标，RMSE高于其他质量指标，所以凝胶强度与液料比的拟合度在6 个质量指标中最低。

图3 不同液料比时琼脂样品质量变化

式中，x为液料比；Y1为透明度实际测量值；Y2为凝胶强度实际测量值；Y3为凝固温度实际测量值；Y4为溶化温度实际测量值；Y5为硫酸基含量实际测量值；Y6为3,6-内醚半乳糖含量实际测量值。

表1 液料比对琼脂质量的影响线性模型拟合的R2和RMSE

目前大部分企业生产琼脂过程中清洗残碱的液料比为20∶1，在此工艺条件下所得琼脂的透明度为90.1%，凝胶强度为936g/cm2，凝固温度为39.5℃，溶化温度为95.8℃，硫酸基含量为1.4%，3,6-内醚半乳糖含量为26.4%。根据这些质量指标，运用式(7)进行液料比预测，得到液料比分别为16.7∶1、13.2∶1、15.5∶1、14.5∶1、16.5∶1和18.1∶1（表2）。通过比较发现，透明度、凝胶强度、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量随液料比的增大而上升，硫酸基含量随液料比增大而减小。当液料比为18.1∶1 时，所得琼脂所有质量指标均与液料比20∶1所得琼脂样品的质量指标相当。根据统计分析结果，在保证质量指标与液料比20∶1 所得琼脂样品不变的前提下，最低液料比应为18.1∶1，与目前大部分企业生产用的液料比相比，该液料比降低了9.5%。在液料比18.1∶1的条件下进行20kg 中试验证实验，提取得到琼脂的透明度为86.3%、凝胶强度为945g/cm2、凝固温度为39.8℃、溶化温度为95.7℃、硫酸基含量为0.94%、3,6-内醚半乳糖含量为27.3%。经过对比发现，凝胶强度、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量与液料比20∶1 所生产的琼脂样品相近，透明度和硫酸基含量较低。其中，透明度较低主要是由于中试试验设备的滤布孔径较大所引起；而硫酸基相比预测有所降低，3,6-内醚半乳糖相比预测有所增加，这说明清洗效果比工厂生产效果好，其原因主要是中试工艺控制精度更高。综合结果表明，中试验证实验结果与模型预测结果相似，一方面说明模型预测值的准确性，另外一方面说明该预测清洗工艺效果可以在中试放大中重现。

表2 运用模型预测液料比对琼脂质量指标计算结果及验证实验结果

2.2 江蓠碱处理后清洗残碱废水单次单级逆流

以上通过对液料比进行优化，实现了9.5%的节水。为了进一步节省清洗环节的用水量，本文采用优化后的液料比进行单次单级逆流清洗试验。由表3可见，对第二至第四次清洗废水进行单次单级逆流使用时，所得琼脂的透明度、凝胶强度、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量均呈现下降趋势，硫酸基含量呈上升趋势；在初始环节采用清洗废水进行清洗指标与无逆流工艺生产琼脂指标相近，末尾环节采用废水清洗与无逆流工艺生产琼脂指标相差较大，在初始环节进行单次单级逆流效果更好。表3结果显示，与无逆流的工艺对比，单次单级逆流工艺的琼脂样品透明度、硫酸基含量、凝固温度、溶化温度、3,6-内醚半乳糖含量变化较小，各琼脂质量指标十分相似，而凝胶强度变化较大，数值不断降低。虽然如此，各项指标仍然符合国家食品安全标准GB 1975—2010 中高强度琼脂（801～1200g/cm2）的标准，能满足高强度琼脂相关应用的使用要求。说明江蓠碱处理后清洗残碱过程中废水逆流使用具有一定可行性，可以进一步优化，从而实现更大节水目标。

2.3 江蓠碱处理后清洗残碱废水全程多级逆流

单次逆流清洗试验结果说明，采用优化的液料比及逆流工艺可以实现节水。为了实现最大的节水目标，对碱处理后的江蓠采用全程多级逆流循环的方式进行清洗。成品琼脂的质量及理化性质如表4所示，随着清洗残碱用水的多级逆流循环清洗残碱，琼脂的透明度、凝胶强度、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量呈降低趋势，硫酸基含量呈增加趋势。相关研究表明，过度碱处理造成琼脂分子降解，从而导致琼脂强度降低[26]。在清洗残碱的过程中，随着全程逆流清洗级数的增加，清洗废水中碱含量逐渐上升，可能会导致琼脂分子降解，从而影响凝胶强度。对比全程一级逆流、全程二级逆流和全程三级逆流工艺，硫酸基含量、凝固温度、溶化温度和3,6-内醚半乳糖含量变化较小，透明度和凝胶强度变化较大。虽然采用全程逆流清洗时，琼脂透明度和凝胶强度与无逆流和单次逆流工艺相比有所降低，但仍然符合国家食品安全标准GB 1975—2010中高强度琼脂（801～1200g/cm2）的标准及朱运恒等[28]报道的国产琼脂标准。该结果说明采用全程多级逆流工艺清洗残碱虽然会对琼脂质量产生细微影响，但琼脂质量变化在可控范围内，说明采用全程多级逆流工艺具有可行性，可以实现最大的节水目标。

表3 江蓠碱处理后清洗残碱废水单次单级逆流使用的琼脂样品质量指标

表4 江蓠碱处理后清洗残碱废水全程多级逆流使用的样品质量指标

2.4 江蓠碱处理后清洗残碱液料比优化及废水逆流使用节水量分析

经过以上研究发现，液料比优化后无逆流工艺、单次单级逆流与全程多级逆流工艺所得琼脂质量指标与传统工艺所得琼脂质量指标都符合国家食品安全标准GB 1975—2010 中高强度琼脂（801～1200g/cm2）的标准。在此基础上根据式(3)～式(5)计算不同清洗工艺的耗水量，如表5所示，采用传统工艺，每生产1t 琼脂的清洗工艺消耗727t 清水；采用本研究优化液料比无逆流的工艺生产1t 琼脂消耗658t清洗用水，采用单次单级逆流工艺生产1t琼脂消耗494t 清洗用水，采用全程单次单级逆流工艺生产1t琼脂消耗411t清洗用水，采用全程多级循环逆流工艺生产1t琼脂消耗165t清洗用水。与传统工艺相比，采用优化后的液料比及逆流清洗工艺可以显著节约清洗用水，其中全程多级逆流循环工艺节水效果最显著，生产1t 琼脂可节省清洗用水562t，节水率达到77.4%（表5）。

表5 江蓠碱处理后清洗残碱液料比优化及废水逆流使用节水量分析

假设有一工厂，每天生产5t 琼脂，该工厂有两个车间，每个车间有5条生产线，按每条生产线每次投放1t 江蓠，琼脂得率为11%计算，需投放大约9次江蓠才能得到1t琼脂。根据逆流清洗技术绘制逆流清洗技术工艺流程，如表6、图4 所示，该工程运行费用主要包括设备购置费、设备折旧费、电费，其中设备购置费包括4 个贮液罐12 万元、4 个压力泵5.12 万元、购买设备成本17.12 万元。假设设备运行时间为10 年，每年运行300 天，每天运行5 次，则每条线每次设备运行成本约为11.4元/次，每生产1t琼脂设备需运行约9次，所以设备成本约为103CNY/t；每台泵功率为7.5kW·h，抽20t 水需要10min，结合图1、图2、图4 分析发现，逆流设备在传统工艺和本研究全程无逆流工艺中不工作，压力泵在本研究单次单级逆流工艺中工作1.21h 生产1t 琼脂，全程一级逆流工艺中每天工作1.81h 生产1t 琼脂，全程三级逆流工艺中每天工作3.62h生产1t琼脂，各逆流工艺生产1t琼脂耗电量分别为9.08kW·h、13.58kW·h、27.15kW·h，以0.75CNY/(kW·h)计算，各逆流工艺生产1t琼脂每天分别消耗电费6.81CNY、10.2CNY、20.4CNY。结合设备成本费和运行电费，计算得到对于逆流工艺生产1t 琼脂新增总费用（成本） 分别为0、0、110CNY、113CNY、123CNY，如表6 所示。根据表5可知，每生产1t琼脂本研究全程无逆流工艺相对于传统工艺可节约68.8t 水，单次单级逆流可节约234t 水，全程一级逆流可节约316t 水，全程三级逆流可节约562t 水。根据式(6)计算，每生产1t琼脂本研究各工艺分别可节约172CNY、583CNY、790CNY、1405CNY（表6）。将节水费用扣除新增工艺成本，本研究各工艺分别可节约172CNY、473CNY、677CNY、1282CNY。该工艺设计结果说明，琼脂生产过程中采用逆流工艺清洗残碱可以大幅度降低清洗用水量及工艺成本，为降低江蓠琼脂工业生产过程中的耗水量提供指导。

表6 各工艺结合废水逆流工艺成本分析

图4 传统工艺设备及逆流清洗工艺设备图（单位：mm）

3 结论

通过对琼脂提取过程中清洗残碱工艺的液料比与琼脂质量关联模型进行分析，在琼脂质量不变的情况下优化得到液料比为18.1∶1，在工业生产中应用该比例结合全程三级逆流技术，生产1t琼脂最高可减少562t 水，可节约成本1282CNY。采用逆流工艺进行清洗残碱的操作，琼脂的透明度、凝胶强度、3,6-内醚半乳糖含量、硫酸基含量等理化性质随着逆流级数和次数的增加而稍微下降，但产品仍然符合相关质量要求。该结果证明了琼脂生产过程中采用逆流工艺清洗残碱的工艺可行性，为降低江蓠琼脂工业生产过程中的耗水量提供指导。