微波法制備蠶蛹殼聚糖工藝研究

摘要：對微波法制取蠶蛹殼聚糖的工藝條件進行了研究。通過單因素試驗考察了ＮａＯＨ質量分數、微波功率、處理時間以及甲殼素與ＮａＯＨ溶液的配比對脫乙酰基的影響，在此基礎上經正交試驗優化微波法制備蠶蛹殼聚糖的條件。結果表明，微波功率對蠶蛹甲殼素脫乙酰基的影響最大，其次為ＮａＯＨ質量分數、處理時間和固液比，優化后的處理條件為：ＮａＯＨ質量分數５５％、微波功率７００Ｗ、處理時間３０ｍｉｎ、固液比１∶２０（Ｗ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ）。經驗證試驗，在該條件下，制得的蠶蛹殼聚糖脫乙酰度可達到７６.3％。

關鍵詞：蠶蛹；甲殼素；殼聚糖；脫乙酰基；微波法

中圖分類號：Ｓ８８6.９文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）18－3801-03

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏn ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｃｒａｆｔ ｏｆ Ｃｈｉｔｏｓａｎ in Ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Method

ＨＥ Ｘｉａｏ－ｌａｎ，ＺＨＵ Ｘｉｎ－ｐｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｗｅｉ，ＬＩＵ Ｗｅｉ，ＪＩＡＯ Ｘｉｎ，ＧＵＡＮ Ｔａｏ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ａｎｋａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ａｎｋａｎｇ ７２５０００， Ｓｈａaｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｒａｆｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｎｇ ｃｈｉｔｏｓａｎ in ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｎｇｌｅ－ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ＮａＯＨ，ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ，ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｔｉｎ ａｎｄ ＮａＯＨ ｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｄｅａｃｅｔｙｌａｔｉｏｎ were studied， ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｏｒ ｓｉｌｋｗｏｒｍ’s ｃｈｉｔｏｓａｎ ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ experiment． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ waｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｋｗｏｒｍ’s ｃｈｉｔｉｎ ｃｈｉｔｏｓａｎ’s ｄｅａｃｅｔｙｌａｔｉｏｎ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＮａＯＨ， ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ． The optimized ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ were： ＮａＯＨ’ｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ５５％、ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ７００Ｗ、ｔｉｍｅ ３０ ｍｉｎ、ｓｏｌｉｄ to ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ １∶２０． Ａｆｔｅｒ ｐｒｏｖｅｎ ｔｅｓｔ， ｕｎｄｅｒ ｔｈｉｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｐｕｐａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｄｅａｃｅｔｙｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｔｏｓａｎ was ｕｐ ｔｏ ７６.3％．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｃｈｒｙｓａｌｉｓ； ｃｈｉｔｉｎ； ｃｈｉｔｏｓａｎ； ｄｅａｃｅｔｙｌａｔｉｏｎ； ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ

我國是蠶繭生產大國，蠶繭年產量已達到７０ 萬ｔ，在生產生絲后可得干蠶蛹１３．６萬ｔ。干蠶蛹含有約３．７％的甲殼素［１］，可用做生產甲殼素的原料，進而制備殼聚糖。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，為天然存在的惟一堿性多糖。由于其具有良好的吸附性、成膜性和通透性、成纖性、吸濕性和保濕性等特性被廣泛應用于食品、醫藥、生物技術、農業、紡織、印染、造紙、化妝品、環保等領域［２］。

目前以蝦蟹殼得到甲殼素用微波法脫乙酰基制備殼聚糖已有報道［３－６］，而以蠶蛹甲殼素采用微波法制備殼聚糖尚未見報道。本試驗通過正交試驗優化蠶蛹甲殼素脫乙酰基制備殼聚糖的工藝條件，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

１．１．１蠶蛹蠶蛹購于安康巴山絲絹有限公司。

１．１．２試劑石油醚（沸程６０～９０ ℃）、氫氧化鈉、鹽酸、高錳酸鉀、草酸等均為分析純。

１．１．３儀器ＦＷ１００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；ＷＧ７００ ＣＳＬ２０ⅡＫ６型微波爐，格蘭仕微波爐電器有限公司；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方法

１．２．１工藝流程蠶蛹甲殼素提取工藝流程如下。

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→蠶蛹甲殼素［７］。

１．２．２蠶蛹甲殼素脫乙酰基將蠶蛹甲殼素在微波場中用濃ＮａＯＨ處理，使其脫乙酰基而制得殼聚糖。因此，ＮａＯＨ質量分數、微波功率、處理時間以及甲殼素與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３ ｇ蠶蛹甲殼素放入１００ ｍＬ三角瓶中，加入ＮａＯＨ溶液，放置過夜后，置于微波爐中處理，每隔５ ｍｉｎ取出，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，測定脫乙酰度。

１）蠶蛹甲殼素脫乙酰基的單因素試驗。分別以ＮａＯＨ質量分數、微波功率、處理時間、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，進行單因素試驗，確定各影響因子對脫乙酰度的影響。

２）正交試驗確定脫乙酰基的優化方案。在單因素試驗的基礎上，以ＮａＯＨ質量分數、微波功率、處理時間、固液比為因素，以脫乙酰度為考察指標，采用Ｌ９（３４）進行正交試驗，確定這４個因素對脫乙酰基的優化方案。因素與水平設計見表１。

１．２．３殼聚糖水分測定采用常壓干燥法。將２．００～３．００ ｇ殼聚糖樣品置１０５ ℃干燥箱中烘干至恒重，計算水分含量。

１．２．４電導率法測定殼聚糖脫乙酰度測定采用ＳＣ／Ｔ３４０３－２００４中電導率法，結合賈之慎等［８］所提方法，經適當變化進行測定。準確稱取０．２ ｇ蠶蛹殼聚糖樣品置于１００ ｍＬ燒杯中，加入２５ ｍＬ ０．１ ｍｏｌ／Ｌ ＨＣｌ溶液，置于２０ ℃的振蕩培養箱中溶解。然后加入去離子水至６０ ｍＬ，用０．１ ｍｏｌ／Ｌ ＮａＯＨ溶液滴定，每滴定０．３～０．５ ｍＬ記錄電導率，做電導率隨ＮａＯＨ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，導致溶液的電導率呈降低、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。按下式計算脫乙酰度：

脫乙酰度＝×１００％

式中，Ｃ為ＮａＯＨ標準溶液摩爾濃度，ｍｏｌ／Ｌ；△Ｖ為電導率保持緩慢升高時滴定消耗ＮａＯＨ標準溶液體積，ｍＬ；ｍ為樣品質量，ｍｇ；Ｗ為樣品水分含量，％；２０３為甲殼素分子量；４２為乙酰基分子量。

２結果與分析

２．１蠶蛹甲殼素脫乙酰基單因素試驗

２．１．１ＮａＯＨ質量分數對脫乙酰基的影響稱取３ ｇ蠶蛹甲殼素，以１∶１５（Ｗ／Ｖ，g∶mL，下同）的固液比加入不同質量分數的ＮａＯＨ溶液，在５６０ Ｗ的微波爐中處理２５ ｍｉｎ，期間每隔５ ｍｉｎ水洗１次。結果如圖１所示。

由圖１可見，隨著ＮａＯＨ質量分數的提高，脫乙酰度呈上升趨勢。但在ＮａＯＨ質量分數為４５％以后，脫乙酰度增加程度下降，考慮到繼續提高ＮａＯＨ質量分數，將會造成殼聚糖降解加劇，且增加費用，也造成后續水洗困難，因此選擇ＮａＯＨ質量分數４５％、５０％、５５％為正交試驗水平。

２．１．２微波功率對脫乙酰基的影響稱取３ ｇ蠶蛹甲殼素，以１∶１５的固液比加入質量分數為４５％的ＮａＯＨ溶液，在不同微波功率下處理２５ ｍｉｎ，期間每隔５ ｍｉｎ水洗１次。結果如圖２所示。由圖２可以看出，隨著微波功率的提高，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。由于甲殼素在微波爐中溫度難以控制，易造成焦化現象，所以微波功率不宜過高。因此選擇微波功率４２０、５６０、７００ Ｗ作為正交試驗水平。

２．１．３處理時間對脫乙酰基的影響稱取３ ｇ蠶蛹甲殼素，以１∶１５的固液比加入質量分數為４５％的ＮａＯＨ溶液，在５６０ Ｗ微波爐中處理不同時間，期間每隔５ ｍｉｎ水洗１次。結果如圖３所示。由圖３可以看出，在處理初期，隨著處理時間的延長，脫乙酰度提高較快，在２０ ｍｉｎ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，選擇處理時間以２０、２５、３０ ｍｉｎ進行正交試驗。

２．１．４固液比對脫乙酰基的影響稱取３ ｇ蠶蛹甲殼素，以不同的固液比加入質量分數為４５％的ＮａＯＨ溶液，在５６０ Ｗ微波爐中處理２５ ｍｉｎ，期間每隔５ ｍｉｎ水洗１次。結果如圖４所示。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。所以固液比選擇１∶１５、１∶２０、１∶２５作為正交試驗水平。

２．２蠶蛹甲殼素脫乙酰基的正交試驗

在單因素試驗的基礎上，進行Ｌ９（３４）正交試驗，結果見表２。正交試驗結果表明，影響蠶蛹甲殼素脫乙酰基的因素主次順序為：Ｂ＞Ａ＞Ｃ＞Ｄ，即微波功率對脫乙酰度影響最大，其次為ＮａＯＨ質量分數，處理時間和固液比影響較小，優化的脫乙酰基條件為Ａ３Ｂ３Ｃ３Ｄ２，即ＮａＯＨ質量分數５５％、微波功率７００ Ｗ、處理時間３０ ｍｉｎ、固液比１∶２０。以此條件進行兩次驗證試驗，得到的蠶蛹殼聚糖脫乙酰度分別為７６．１％和７６．５％，平均值７６．３％，高于正交試驗結果。

３結論

經正交試驗得到微波法蠶蛹甲殼素脫乙酰基的優化條件為：ＮａＯＨ質量分數５５％、微波功率７００ Ｗ、處理時間３０ ｍｉｎ、固液比１∶２０，在此條件下所得殼聚糖脫乙酰度可達７６.3％。這一結果與采用傳統的堿法脫乙酰基相比時間大大縮短［６］。

甲殼素脫乙酰基是一個較為困難的過程，目前常用的方法是用濃堿法。由于濃堿法易造成環境污染，同時在堿處理時質量分數越大，后處理的水洗耗水量越大；濃堿法在高溫下耗時長，易造成殼聚糖分子降解并增加能耗。所以，研究能在較短時間內達到一定脫乙酰度的新方法，是殼聚糖生產中亟需解決的問題，而微波法制備殼聚糖不僅可以大大減少反應時間，同時還能避免高溫長時間處理導致的殼聚糖產品品質下降，從而提高其質量指標。

參考文獻：

［１］ 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，２００７，１３（４）：１－２．

［２］ 蔣挺大．甲殼素［Ｍ］．北京：化學工業出版社，２００３．２３．

［３］ 曹健，代養勇，王紅軍，等． 甲殼素微波法脫乙酰制備殼聚糖的研究［Ｊ］．食品科學，２００５，２６（１１）：１２０－１２４．

［４］ 張立彥，曾慶孝，林珣，等．微波對甲殼素脫乙酰反應的影響［Ｊ］．食品與生物技術，２００２，２１（１）：１５－１９．

［５］ 梁吉艷，王新，王賢豐． 微波法制備殼聚糖絮凝劑的研究［Ｊ］．當代化工，２００５，３４（５）：３２４－３２６．

［６］ 丁盈紅，黃小文，張紅． 微波輻射制備殼聚糖［Ｊ］．化學試劑，２００３，２５（１）：４１－４２．

［７］ 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．

［８］ 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．