蠶腎殼聚糖制備條件研究

朱新鵬

(安康學院農學與生命科學院，陜西安康725000)

蠶腎殼聚糖制備條件研究

朱新鵬

(安康學院農學與生命科學院，陜西安康725000)

對蠶蛹甲殼素脫乙酰制備殼聚糖的條件進行了研究。通過單因素實驗考察了NaOH濃度、處理溫度、時間以及甲殼素與NaOH溶液的配比對脫乙酰的影響，在此基礎上經正交實驗優化蠶蛹殼聚糖制備條件。結果表明，NaOH濃度對蠶蛹甲殼素脫乙酰的影響最大，其次為處理溫度，處理時間和固液比影響較小，優化后的處理條件為:NaOH濃度50%、處理溫度90℃、時間10h、固液比1∶15。經驗證實驗，在該條件下，制得的蠶蛹殼聚糖脫乙酰度可達到74%。

蠶蛹，甲殼素，殼聚糖，脫乙酰度，電導率法

殼聚糖是甲殼素脫乙酰基的產物，是(1，4)－2－氨基－2－脫氧－β－D－葡萄糖的聚合物，為天然存在的唯一堿性多糖。由于其具有良好的吸附性、成膜性、通透性、成纖性、吸濕性和保濕性等特性，廣泛應用于食品、醫藥、生物技術、農業、紡織、印染、造紙、化妝品、水果保鮮、環保等領域［1］。我國是蠶繭生產大國，蠶繭年產量已達到70萬t，在生產生絲后可得到干蠶蛹13.6萬 t。干蠶蛹含有約3.7%的甲殼素［2］，可用于生產甲殼素，進而制備殼聚糖。本實驗以蠶蛹為原料，經脫油脂、蛋白質、無機鹽和色素后，以電導率法測定脫乙酰度，對得到的蠶蛹甲殼素通過正交實驗優化脫乙酰基的工藝條件，以期為蠶蛹的開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠶蛹 購于安康巴山絲絹有限公司;石油醚(沸程60～90℃)、氫氧化鈉、鹽酸、高錳酸鉀、草酸 均為分析純。

FW 100型萬能粉碎機 北京科偉永興儀器有限公司;ALC－210.4型電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司;HH－4型數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;101－1A型電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;DDS－307型電導率儀 上海精密科學儀器有限公司;LRH－190－Z振蕩培養箱 廣東省醫療器械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 蠶蛹甲殼素提取工藝流程 蠶蛹→烘干→粉碎→石油醚脫脂→烘干→堿液處理→水洗過濾→濾渣烘干→鹽酸處理→水洗過濾→濾渣烘干→蠶蛹粗甲殼素［3］

1.2.2 蠶蛹甲殼素脫色 將所得粗甲殼素用濃度3%的KMnO4在30℃下處理2h，過濾后，濾渣用3%草酸中和剩余的KMnO4［4］，水洗，然后在 65℃下烘干。

1.2.3 蠶蛹甲殼素脫乙酰基 將脫色甲殼素用濃NaOH處理，使其脫乙酰基而制得殼聚糖。因此，NaOH濃度、處理溫度、時間以及甲殼素與NaOH溶液的配比(固液比)等是影響甲殼素脫乙酰基的主要因素。取3g蠶蛹甲殼素放入100m L三角瓶中，加入NaOH溶液，放置過夜后，置于恒溫水浴鍋中處理，每隔2h用雙層紗布過濾、水洗，再加等量NaOH溶液繼續處理。最后經過濾、水洗至中性，在65℃下烘干，用電導率法測定脫乙酰度。

1.2.3.1 蠶蛹甲殼素脫乙酰的單因素實驗 分別以NaOH濃度、溫度、時間、固液比作為影響因子，用上述方法脫乙酰基，以脫乙酰度為指標，進行單因素實驗，確定各影響因子對脫乙酰效果的影響。

1.2.3.2 正交實驗確定脫乙酰基的優化方案 在單因素實驗的基礎上，以NaOH濃度、處理溫度、時間、固液比為因素，以脫乙酰度為考察指標，采用L9(34)進行正交實驗，確定這四個因素對脫乙酰基的優化方案。正交實驗因素水平見表1。

表1 正交實驗因素水平表

1.2.4 殼聚糖水分測定 采用常壓干燥法。將2.00～3.00g殼聚糖樣品置105℃干燥箱中烘干至恒重，計算水分含量。

1.2.5 電導率法測定殼聚糖脫乙酰度 采用SC/T3403－2004中電導率法，結合賈之慎［5］等所提方法，經適當變化測定。準確稱取0.2g蠶蛹殼聚糖樣品置于100m L燒杯中，加入25m L 0.1mol/L HCl溶液，置于20℃的振蕩培養箱中振蕩溶解。然后加入蒸餾水至60m L，用0.1mol/L NaOH溶液滴定，每滴定0.3～0.5m L NaOH溶液記錄電導率，作電導率隨NaOH溶液體積變化的滴定曲線。由于NaOH加入殼聚糖的鹽酸溶液后會與溶液中的游離H+以及殼聚糖氨基上所吸附的H+相繼發生中和反應，導致溶液的電導率經過降低、緩慢升高、快速升高的過程，出現兩個轉折點，兩轉折點之間即為與殼聚糖氨基上所吸附的H+發生中和反應所消耗的NaOH溶液體積數。按下式計算脫乙酰度:

式中:D－樣品的脫乙酰度，單位為百分率(%);C－NaOH標準溶液濃度，單位為每升摩爾(mol/L);ΔV－電導率保持緩慢升高時滴定消耗NaOH標準溶液體積，單位為毫升(m L);m－樣品質量，單位為毫克(mg);W－樣品水分含量，單位為百分率(%);203－甲殼素分子量;42－乙酰基分子量。

2 結果與討論

2.1 蠶蛹甲殼素脫乙酰基的單因素實驗

2.1.1 NaOH濃度對脫乙酰基的影響 稱取3g脫色甲殼素，以1∶15的固液比加入不同濃度的NaOH溶液，在90℃水浴鍋中處理8h，期間每隔2h水洗一次。結果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著NaOH濃度的升高，脫乙酰度呈上升趨勢。考慮到繼續提高NaOH濃度，將會造成殼聚糖降解加劇，且增加費用，也使后續水洗困難，因此選擇NaOH濃度以50%為宜。

2.1.2 處理溫度對脫乙酰基的影響 稱取3g脫色甲殼素，以1∶15的固液比加入濃度為45%的NaOH溶液，在不同溫度水浴鍋中處理8h，期間每隔2h水洗一次。結果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著溫度的提高，蠶蛹甲殼素脫乙酰基程度增加，但隨著溫度的提高，脫乙酰度增加的幅度有所下降。由于甲殼素脫乙酰反應相對比較困難，因而可通過適當的增加溫度來提高脫乙酰度，在此選擇溫度為90℃。

圖1 NaOH濃度對脫乙酰基的影響

圖2 處理溫度對脫乙酰基的影響

2.1.3 處理時間對脫乙酰基的影響 稱取3g脫色甲殼素，以1∶15的固液比加入濃度為45%NaOH溶液，在90℃水浴鍋中處理不同時間，期間每隔2h水洗一次。結果如圖3所示。

圖3 處理時間對脫乙酰基的影響

由圖3可以看出，在處理初期，隨著時間的延長，脫乙酰度提高較快，在6h以后，脫乙酰度隨時間提高幅度有所下降。考慮到脫乙酰度的要求，以及時間成本，選擇時間以10h較為適宜。

2.1.4 固液比對脫乙酰基的影響 稱取3g脫色甲殼素，以不同的固液比加入濃度為45%NaOH溶液，在90℃水浴鍋中處理8h，期間每隔2h水洗一次。結果如圖4所示。

圖4 固液比對脫乙酰基的影響

由圖4可以看出，隨著NaOH溶液用量加大，脫乙酰度增加，在固液比1∶15時達到最大，之后開始緩慢下降。這可能是由于在甲殼素用量一定的情況下，NaOH溶液用量增加到一定程度，反應達到飽和，同時脫乙酰過程中生成的乙酸鈉附著在甲殼素表面，會影響反應的進行，所以固液比選擇1∶15為宜。

2.2 蠶蛹甲殼素脫乙酰基的正交實驗

在單因素實驗的基礎上，選用L9(34)進行正交實驗，結果見表2。

表2 正交實驗方案及結果

正交實驗結果表明，影響蠶蛹甲殼素脫乙酰基的因素主次順序為:A>B>C>D，即NaOH溶液濃度對脫乙酰度影響最大，其次為處理溫度，處理時間和固液比影響較小。優化的脫乙酰條件為A3B3C3D2，即:NaOH濃度50%、處理溫度90℃、時間10h、固液比1∶15。以此條件進行2次驗證實驗，得到的蠶蛹殼聚糖脫乙酰度分別為73.8%和74.1%，平均值74.0%，均高于正交實驗最高值72.6%，說明實驗結果可靠。

3 結論

經正交實驗所得結果，脫色后的蠶蛹甲殼素脫乙酰基的優化條件是:NaOH濃度50%、處理溫度90℃、時間10h、固液比1∶15，在此條件下進行脫乙酰基所得殼聚糖脫乙酰度可達74%，這一結果與詹永樂等［6］所得結果較為接近。

甲殼素脫乙酰基是一個較為困難的過程，目前采用的有效方法即是用濃堿法。由于用堿液脫乙酰基時，生成的乙酸鹽積聚在脫去部分乙酰基的甲殼素上，會妨礙堿液進一步向甲殼素內部擴散，導致脫乙酰基耗時長，程度低。所以，需經反復水洗以及時除去乙酸鹽［4，7］。濃堿法易造成環境問題，同時在堿處理時濃度越大，后處理的水洗耗水量越大。所以在實際應用中，應根據對脫乙酰度的要求適當對工藝條件進行調整。

［1］蔣挺大.甲殼素［M］.北京:化學工業出版社，2003:23.

［2］毛平生，吳繁強，杜賢明，等.蠶蛹綜合利用綜述［J］.蠶桑茶葉通訊，2007，130(4):1－2.

［3］朱新鵬，方瓊，樊明濤，等.蠶蛹甲殼素提取工藝優化研究［J］.中國林副特產，2009(3):27－29.

［4］曹萍，朱桂秀.蠶蛹皮制備甲殼質和殼聚糖的研究［J］.上海應用技術學院學報，2007，7(4):233－237.

［5］賈之慎，李秀玲.酸堿電導滴定法測定殼聚糖脫乙酰度［J］.分析化學，2002，30(7):846－848.

［6］詹永樂，黃春芳，陳復生.家蠶蛹皮制取殼聚糖的最佳工藝條件［J］.化學通報，2001(7):450－453.

［7］賈延華，劉穎，張燕玲，等.柞蠶蛹皮殼聚糖的制備工藝研究［J］.遼寧絲綢，2003(1):10－12.

Study on the preparation conditions of silkworm chrysalis’s chitosan

ZHU Xin－peng
(College of Agriculture and Life Sciences，Ankang University，Ankang 725000，China)

Preparation conditions of the silkworm chitin chitosan deacetylation were studied.Through single－factor experiment，the affecting factors of sodium hydroxide concentration，time of treatment temperature，the proportion of chitin and sodium hydroxide solution on degree of deacetylation were studied，on the basis of optim ized conditions for silkworm chitosan.The results revealed that the sodium hydroxide concentration was themost im portant factor on the degree of the silkworm chitin chitosan deacetylation，followed by the tem perature of treatment，processing time and solid to liquid ratio had little effect.After optim izing，the treatment conditions were:NaOH concentration was 50%，treatment temperaturewas90℃，timewas10h，solid－liquid ratio was1∶15.After proven test，under this conditions，the degree of deacetylation of silkworm chrysalis chitosan was up to 74%.

silkworm chrysalis;chitin;chitosan;degree of deacetylation;conductivity m ethod

TS201.1

B

1002－0306(2011)06－0250－03

2010－05－24

朱新鵬(1968－)，男，碩士，副教授，研究方向:食品科學。

陜西省教育廳自然科學專項(09JK325);安康市科技計劃項目(08AK01－01－07)。