家蠶蛹甲殼素的H2O2脫色及冷凍溶解研究

汪 濤，李曉琴，吳大洋

(西南大學 紡織服裝學院，重慶 400716)

家蠶蛹甲殼素的H2O2脫色及冷凍溶解研究

汪 濤，李曉琴，吳大洋

(西南大學 紡織服裝學院，重慶 400716)

用4 % H2O2溶液在pH11和溫度75 ℃條件下對蠶蛹甲殼素進行漂白，能獲得理想的白度(66.5)。以8 % NaOH/10 % Urea為混合溶劑，冷凍溶解脫色甲殼素。結(jié)果表明：脫色甲殼素白度越高溶解度越高；冷凍溫度在－20℃及以下，溶劑中水分子才能結(jié)晶并破壞甲殼素結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而且溶劑體系為NaOH/Urea水溶液時最好，添加有機相(如乙醇、丙酮、DMSO)會使甲殼素溶解率下降甚至不溶。

蠶蛹；甲殼素；脫色；冷凍；溶解

作為繭絲綢產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，蠶蛹具有很高的綜合利用價值，其主要成分蛹蛋白、蛹油的利用已實現(xiàn)工業(yè)化并開發(fā)出高附加值產(chǎn)品[1-3]。而利用后的殘渣中甲殼素含量相當高且易收集，其經(jīng)精練后利用也能產(chǎn)生相當高的附加值。但由于甲殼素溶解性差，大大限制了其應用[4]。目前主要是通過高質(zhì)量分數(shù)(40 %以上)NaOH溶液使甲殼素脫乙酰化而制得殼聚糖以提高其溶解性，從而擴大其應用。但是該方法要消耗大量強堿，對環(huán)境污染和甲殼素損傷嚴重[5-6]。近來有研究[7]表明，在低溫下(－20 ℃以下)，較低質(zhì)量分數(shù)(5 %～10 %)的NaOH與尿素的混合溶液能使甲殼素溶解，溶解機理尚未弄清楚。本研究對蠶蛹甲殼素精練及冷凍溶解法進行探究，為其利用開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材 料

氫氧化鈉、雙氧水、碳酸氫鈉、硅酸鈉、尿素、十二烷基磺酸鈉(SDS)，均為分析純(成都科龍化工試劑廠)；EDTA，分析純(成都化學試劑廠)；蛹渣，實驗室制。

1.2 儀 器

DL-1電爐(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)，D2004W電動攪拌器、HDI-3磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，SHA-B恒溫振動器(常州澳華儀器有限公司)，WSB-II白度計(溫州儀器儀表有限公司)，PHS-3C酸度計(方舟科技)，HWS型智能恒溫箱(寧波東南儀器)，BCD-215KAN DZ海爾冰箱(青島海爾股份有限公司)，JA2003A電子天平(上海精天電子儀器有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 蠶蛹甲殼素精練

用質(zhì)量分數(shù)為2 %的NaOH水溶液，在溫度75 ℃下電動攪拌煮練蛹渣4 h脫蛋白，過濾并將殘渣充分水洗后，用1 %的EDTA水溶液于室溫(25 ℃)下浸泡并攪拌12 h脫鹽，過濾并將濾渣充分水洗得到棕灰色透亮的粗甲殼素。配制漂白液[8](雙氧水4 %、碳酸氫鈉0.2 %、硅酸鈉0.2 %、0.1 % SDS)并調(diào)pH值到11，然后放入粗甲殼素，在75 ℃下恒溫振蕩漂白3 h，得到乳白色精練甲殼素。

1.3.2 蠶蛹甲殼素溶解

配制含8 % NaOH和10 % CO(NH2)2的水溶液，以固液比1∶50(g∶mL)放入精練甲殼素，待精練甲殼素完全浸潤后，在低溫4 ℃下靜置2 h，再放入冷凍室，于－20 ℃下冷凍12 h后，取出并用磁力攪拌器在室溫(25 ℃)下高速攪拌10 min，直至片狀甲殼素完全溶解成透明溶液。

1.3.3 測試方法

1)用白度計檢測精練甲殼素白度：將脫色甲殼素粉末用2塊透明的玻璃薄片壓實壓平，厚度不超過1 mm。旋轉(zhuǎn)樣品，用白度計檢測5次，取平均值。

2)用烘干稱重法測甲殼素溶解率：樣品干重W0，溶解后剩余物干重W1，溶解率為：

2 結(jié)果與分析

2.1 漂白工藝對甲殼素品質(zhì)的影響

蛹渣經(jīng)過脫蛋白和脫鹽后，剩下潔凈度很高的棕灰色碎殼。有色碎殼必須經(jīng)過漂白脫色才能成為精練甲殼素被利用。漂白工藝參數(shù)選擇H2O2質(zhì)量分數(shù)(%)、pH值和溫度(℃)并進行正交實驗，白度指標為結(jié)果，見表1，表2。

表1 正交因子、水平設(shè)定Tab.1 Orthogonal Factor and Level Set

從表2中的極差可知，H2O2質(zhì)量分數(shù)、pH值和溫度在設(shè)定水平上的變化對甲殼素白度影響都較大，但主次順序為：pH值＞溫度＞H2O2質(zhì)量分數(shù)。雙氧水中含有H+、HOO-、O22-等離子，是由電離平衡產(chǎn)生的，化學平衡式為：H2O2←→ H+＋HOO-和HOO-←→ H+＋O22-。脫色時起作用的是HOO-、O22-及O2的離子型氧化和自由基氧化[9]。從平衡式可知，在堿性條件下，平衡向右移動，從而產(chǎn)生大量的氧化基團，增強脫色效果。從實驗結(jié)果可以看出，pH值越大，漂白效果越好。但當pH值過大(超過11)時，雙氧水會迅速放出氧氣，并大量放熱，造成反應失控，結(jié)果有部分甲殼素被過度氧化，損失量大，也有部分脫色不徹底，從而造成漂白不勻，整體漂白效果并不好。因此，pH值的最優(yōu)水平為C3。

表2 甲殼素漂白正交實驗方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal Experimental Program and Results of Chitin Bleaching

另外，雙氧水漂白甲殼素還需要一定的溫度，從溫度的k值可知，溫度越高，漂白效果越好。升高溫度能提高H2O2的活化能，有助于H2O2電離發(fā)生，從而增加HOO-、O22-及O2的絕對數(shù)量，增強漂白效果。當溫度過高(超過75 ℃)時，雙氧水也會迅速放氧造成反應失控，甲殼素損失增加。因此，溫度的最優(yōu)水平為A3。H2O2質(zhì)量分數(shù)對白度也有較大影響，從其k值來看，最優(yōu)水平應為B3。從表2中試驗6可知，即使在pH值為中性、溫度較高的情況下，H2O2質(zhì)量分數(shù)在B3水平也能取得較好漂白效果。而從試驗7可知，只需調(diào)高溶液pH值和溫度，就可大大減少H2O2的用量，而且漂白效果更好。對A3B3C3組合進行實驗，得到甲殼素的白度為69.6，比試驗7的提升幅度不大，從漂白工藝的經(jīng)濟性和環(huán)保性講，H2O2質(zhì)量分數(shù)在B1水平即可。因此，漂白工藝的最優(yōu)組合即為試驗7的組合A3B1C3。

2.2 白度對甲殼素溶解的影響

白度代表甲殼素脫色的程度，還可反映甲殼素的精練質(zhì)量。以未漂白蛹殼，試驗1、4和7的漂白蛹殼為原料，按1.3.2方法分別進行溶解試驗，結(jié)果見表3。從表中可知，未漂白處理的甲殼素完全不溶，試驗1、4和7是同樣的H2O2質(zhì)量分數(shù)下，溫度和pH值因素水平遞增的漂白處理，可以看出，隨著甲殼素白度的增高，其溶解率也逐步增加，在試驗7條件下，漂白甲殼素可完全溶解。

表3 甲殼素白度對其溶解率的影響Tab.3 Effect of Chitin Whiteness on Its Dissolution Ratio

雙氧水脫除蠶蛹甲殼素顏色的機理是H2O2氧化鐵硫蛋白與細胞色素復合物體系中的硫，將體系中半胱氨酸硫氧化成亞砜，使得色蛋白與甲殼素相連的鍵斷開，從而使色素從甲殼素上分離下來[10]。所以，白度反映了甲殼素與交聯(lián)色蛋白的分離程度，白度越高，甲殼素與色素分離度就越高，這樣，甲殼素分子就成為沒有交聯(lián)束縛的線性分子狀態(tài)，就可以采用“聚合物一次性溶解技術(shù)”，通過強機械剪切力或擠壓等外力強制甲殼素分子與溶劑分子激烈作用而溶解于其中。因此，蠶蛹甲殼素越精練溶解度越好。

2.3 溫度對甲殼素溶解的影響

按1.3.2方法，將5份甲殼素分別于－20，－20，－10，0，4 ℃下冷凍，依次編號T1，T2，T3，T4，T5，12 h后，取出T1靜置到室溫，后取出其他，同時高速攪拌，考察甲殼素溶解情況，見表4。

表4 不同溫度下甲殼素的溶解率Tab.4 Dissolution Ratio of Chitin under Different Temperatures

從表中可看出，當冷凍溫度高于－20 ℃時，甲殼素不溶于NaOH/Urea的水相溶劑中，當溫度下降到－20 ℃時，甲殼素在高速攪拌下能完全溶解。但即使冷凍溫度是－20 ℃，在室溫下達到平衡后，高速攪拌，仍有大量甲殼素不能溶解。分析認為，當冷凍溫度高于－20℃時，正好高于NaOH/Urea溶劑體系的冰點[7]，因而水分子不能結(jié)晶膨脹，從而不能破壞甲殼素緊密的結(jié)構(gòu)。當冷凍溫度降到－20 ℃及以下時，堿甲殼素體系被結(jié)晶水膨脹而間距增大，分子之間的氫鍵作用大部分被破壞，從而在高速攪拌作用下，甲殼素分子很容易被剪切力撕扯下來，分散在溶液當中。如果冷凍到－20 ℃后又重新平衡到室溫(25 ℃)下，有約20%的溶解率，觀察不溶物，發(fā)現(xiàn)原來的片狀甲殼素變成了更碎小的塊狀物。分析認為，甲殼素長時間在－20℃下冷凍后，部分薄弱區(qū)域及表面被膨脹發(fā)生永久破壞，而結(jié)晶區(qū)的膨脹在溫度逐漸平衡到室溫后仍能發(fā)生可逆恢復，因而平衡后攪拌，薄弱區(qū)域被溶解，高度結(jié)晶區(qū)不溶，表現(xiàn)出低的溶解率。

2.4 溶劑體系對甲殼素溶解的影響

對8 % NaOH/10 % Urea的水相和有機相溶劑體系于－20 ℃下冷凍甲殼素進行溶解研究，考察溶劑體系對甲殼素溶解的影響，結(jié)果見表5。

表5 甲殼素在不同溶劑體系中的溶解率Tab.5 Dissolution Ratio of Chitin in Different Solvent Systems

從表中可知，完全水相體系能完全溶解甲殼素，而在水相中加入10 %的有機相(分別是乙醇、丙酮和DMSO)后，甲殼素的溶解率都出現(xiàn)了較大幅度下降，而增大有機相比例分別達到80 %，甲殼素均完全不溶解，只是在丙酮溶液中表現(xiàn)出明顯的溶脹現(xiàn)象。分析認為，乙醇和丙酮有機相會降低溶劑體系的冰點，導致附近的水分子不能結(jié)晶膨脹；隨著它們比例的增加，整個體系都不能結(jié)晶膨脹，因而導致甲殼素不溶。而DMSO雖然并沒有降低溶劑冰點，但是它吸水性和締合能力強，致使分子體積較大而不能進入甲殼素結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而不能破壞甲殼素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而也不能溶解甲殼素。因此，冷凍法溶解甲殼素的最佳溶劑體系是NaOH/Urea的純水相體系。

3 結(jié) 論

1)蠶蛹甲殼素精練時，不能盲目追求白度指標，還應盡量減少H2O2的用量，減少對甲殼素的損傷。適當提高溫度為75 ℃和pH11時，能在較低的H2O2質(zhì)量分數(shù)為4 %下獲得理想的白度。溫度過高或pH值過高，會造成H2O2放氧過快及反應失控，影響漂白效果。

2)蠶蛹甲殼素白度越高，溶解率越高。

3)蠶蛹甲殼素用8 % NaOH/10 % Urea的水溶液，在－20 ℃下冷凍12 h后，立即在高速剪切力作用下能完全溶解。冷凍溫度高于－20 ℃或者水相體系中加入有機相，都將導致甲殼素溶解率大大下降甚至完全不溶。

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Studies on Decolorization of Chitin from Silkworm Pupa with H2O2 and Its Frozen Dissolution

WANG Tao, LI Xiao-qin, WU Da-yang

(College of Textile and Clothing, Southwest University, Chongqing 400716, China)

The bleach of chitin from silkworm pupa could gain perfect whiteness(66.5)under the condition of 4 % H2O2aqueous solution, pH value 11 and temperature 75 ℃. Chitin was frozen and dissolved in 8 %NaOH/10 % Urea aqueous solution. The results showed that the degree of dissolution gets higher with higher whiteness, only temperature below －20 ℃ then the crystal structure of water could be formed and destroyed the structure of chitin. The best solvent system is NaOH/Urea aqueous solution, the dissolution degree of chitin would decrease to zero if the organic solvent such as ethanol, acetone and DMSO were added into the solvent.

Silkworm; Chitin; Decolorization; Freezing; Dissolution

S886.9

A

1001-7003(2010)06-0001-03

2009-11-09

重慶市科技攻關(guān)計劃項目(2008AB1005)

汪濤(1979－ )，男，講師，碩士，主要從事功能性紡織材料及產(chǎn)品開發(fā)。通訊作者：吳大洋，教授，博士生導師，wdy1484@swu.edu.cn。