檸檬酸-反相微膠團法提取蝦殼中甲殼素的研究

張 鐘,高佳欣

(廣東石油化工學院,廣東茂名 525000)

檸檬酸-反相微膠團法提取蝦殼中甲殼素的研究

張 鐘,高佳欣

(廣東石油化工學院,廣東茂名 525000)

以蝦殼為原料,采用檸檬酸反向微膠團法研究出一種新型的制備甲殼素的方法。首先用食品級的檸檬酸結合超聲波輔助萃取技術脫除蝦殼中的無機鹽,再用微膠團萃取技術脫除蝦殼中的蛋白質,再用30%的雙氧水脫色,從而制得甲殼素。在單因素實驗的基礎上,通過響應面設計,得到檸檬酸反相微膠團法提取蝦殼中甲殼素的最優條件。并將該法與酸堿法和酶法制備甲殼素產率進行了對比。結果表明,最優條件為:40 mL反相微膠團中蝦殼的原料添加量為0.62 g、KCl濃度為0.15 mol/L、萃取時間為116 min,產率為 47.32%。檸檬酸反相微膠團法甲殼素產率極顯著低于傳統的酸堿法,但極顯著高于酶法。該方法可行,可為甲殼素生產工藝的改進提供理論基礎。

蝦殼,檸檬酸,反相微膠團,甲殼素

我國蝦類資源十分豐富,蝦仁加工后,蝦頭、蝦殼成為加工廢棄物[1]。甲殼素又名幾丁質、甲殼質等,化學名為β-(1,4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-D葡聚糖,分子式為(C8H15NO6)n。甲殼素廣泛存在于節肢動物門甲殼綱動物的甲殼,其中蝦殼中甲殼素含量為20%～25%,蟹殼為15%～20%之間[2]。蝦殼中主要有蛋白質、礦物質、色素和甲殼素四類物質[1],因此,除去前三類物質,就可以制得甲殼素。目前甲殼素的生產工藝主要有酸堿法[3-4]、酶法[5]、發酵法[6]、EDTA法[7]等。酸堿法使用強酸強堿,對環境污染大,成本高,耗能大;酶法雖然污染小,且條件溫和,但提取率較低;發酵法操作較為復雜,對生產條件要求嚴格,生產周期長;EDTA法成本低,耗時少,但工藝中使用的NaOH仍對環境有影響,且目前用EDTA法制備甲殼素的工藝還不夠成熟。因此,研究出一種新的甲殼素提取方法尤為必要。

在反相微膠團中,表面活性劑的極性基團部分圍成一個極性核心,稱為“水池”。這個水池包括表面活性劑的極性基團內表面和其中的水分,以及溶解于水中的離子等。這個水池可以萃取蛋白質等水溶性大分子物質,從而實現蛋白的分離[8]。反相微膠團在天然成分提取中的應用越來越重視[9-10]。

目前,國內外主要采用傳統的酸堿化學方法生產甲殼素,生產過程中會引起嚴重的環境污染,同時造成水資源的嚴重浪費[11]。而本研究采用檸檬酸和反相微膠團萃取技術結合的方法提取甲殼素,不僅減少了對環境的污染,用食品級的檸檬酸脫鈣后的副產物檸檬酸鈣還能作為食品添加劑添加于各種食品中,因此也實現了資源的回收,促進了原料的綜合利用。

1 材料與儀器

1.1 材料與儀器

南美白對蝦蝦殼 茂名新洲海產有限公司；檸檬酸 食品級,天津市百世化工有限公司;CTAB(十六烷基三甲基溴化銨) 分析純,天津市永大化學試劑有限公司;異辛烷 分析純,天津市百世化工有限公司;硫酸、尿素、苯甲酸鈉、碘化鉀、HCl、HCl、氫氧化鈉、硫酸銅、碘均為分析純,過氧化氫溶液等。

SHZ-3循環水多用真空泵 鄭州長城儀器有限公司;XO-1200超聲波細胞粉碎機南京先歐儀器制造有限公司;DHG-9012A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海申光儀器儀表有限公司;DG120半斤裝中藥粉碎機 浙江省瑞安市春海藥材器械廠;HH-6數顯恒溫水浴鍋 常州博遠實驗分析儀器廠;HZ-9212S數顯水浴恒溫震蕩器 金壇市杰瑞爾電器有限公司;TD5B臺式大容量離心機 長沙英泰儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理 挑選新鮮蝦殼作為制備甲殼素的原料,用清水將蝦殼內外表面的異物去除干凈,于60 ℃烘箱中烘干后用粉碎機粉碎,備用。

1.2.2 超聲波輔助檸檬酸脫除無機鹽 根據彭元懷[12]等人的實驗,脫除蝦殼中無機鹽的最佳條件為:室溫、功率180 W、檸檬酸濃度為14 %、液料比為12∶1 (mL/g)、反應時間22 min。

1.2.3 反相微膠團技術脫除蛋白質 取適量CTAB溶解于尿素∶異辛烷為1 g∶4 mL的混合溶液中,構成透明澄清的反膠團溶液[13]。

1.2.4 實驗內容

1.2.4.1 原料加入量的單因素實驗 分別量取20 mL異辛烷于5個250 mL的錐形瓶中,各加入5 g尿素、0.8 g CTAB、10 mL C6H8O7-Na2HPO4緩沖溶液、10 mL 0.1 mol/L KCl溶液,搖勻,構成反膠團溶液。再分別加入0.40、0.60、0.80、1.00、1.20 g經檸檬酸脫鹽后的蝦殼,調反膠團體系的pH至9.0,在45 ℃,180 r/min的條件下震蕩120 min。震蕩完畢后,取出置于離心機中以3000 r/min離心5 min,去除上層物質,抽濾,干燥,稱重。

1.2.4.2 KCl濃度的單因素實驗 分別量取20 mL異辛烷于5個250 mL的錐形瓶中,各加入5 g尿素、0.8 g CTAB、10 mL C6H8O7-Na2HPO4緩沖溶液、分別加入10 mL 0.02、0.06、0.10、0.14、0.18 mol/L KCl溶液,搖勻,構成反膠團溶液。再分別加入0.60 g經檸檬酸脫鹽后的蝦殼,調反膠團體系的pH至9.0,在45 ℃,180 r/min的條件下震蕩120 min。震蕩完畢后,取出置于離心機中以3000 r/min離心5 min,去除上層物質,抽濾,干燥,稱重。

1.2.4.3 萃取時間的單因素實驗 分別量取20 mL異辛烷于5個250 mL的錐形瓶中,各加入5 g尿素、0.8 g CTAB、10 mL C6H8O7-Na2HPO4緩沖溶液、10 mL 0.1 mol/L KCl溶液,搖勻,構成反膠團溶液。再分別加入0.60 g經檸檬酸脫鹽后的蝦殼,調反膠團體系的pH至9.0,分別在45 ℃,180 r/min的條件下震蕩60、80、100、120、140 min。震蕩完畢后,取出置于離心機中以3000 r/min離心5 min,去除上層物質,抽濾,干燥,稱重。

1.2.4.4 響應面實驗 在單因素實驗的基礎上進行響應面實驗,來確定影響蝦殼中甲殼素產率的最佳因素水平,以原料添加量、萃取時間、KCl濃度為實驗因素,實驗數據的處理分析均采用Dseign Expert 6.5.0軟件進行。因素水平表見表1。

表1 響應面設計因素水平表

1.2.5 H2O2溶液脫色 將脫鈣、脫蛋白質后的蝦殼,浸于質量分數30%的過氧化氫中浸泡2 h(反應過程中低速攪拌,便于排除氣體,并加速反應的進行),蝦殼顏色漸變淺黃,逐步完全脫色,經水洗,干燥得到甲殼素產品。

1.2.6 甲殼素的定性分析 在提取出的甲殼素中加入1滴0.03%的碘-碘化鉀溶液和1滴質量分數為1%的H2SO4溶液,在白瓷點滴試樣板上顯示紫褐色,再加數滴質量分數為75%的H2SO4溶液,觀察顏色反應,若紫色逐漸消失,說明該測試產品為甲殼素[14]。

1.2.7 甲殼素產率的計算 甲殼素的產率包括檸檬酸脫除無機鹽后甲殼素的產率、反相微膠團技術脫除蛋白質后甲殼素的產率以及最終甲殼素的產率,其計算公式如下:

檸檬酸脫除無機鹽后甲殼素的產率(%)=檸檬酸脫除無機鹽后蝦殼的重量(g)/樣本中蝦殼的重量(g)×100

反相微膠團脫除蛋白質后甲殼素產率(%)=反相微膠團脫除蛋白質后蝦殼的重量(g)/檸檬酸脫除無機鹽后蝦殼的重量(g)×100

最終甲殼素的產率(%)=經檸檬酸脫除無機鹽和反相微膠團脫除蛋白質后蝦殼的重量(g)/樣本中蝦殼的重量(g)×100

1.2.8 與成熟工藝對比實驗

1.2.8.1 酸堿法 挑選新鮮蝦殼作為制備甲殼素的原料,用清水將蝦殼內外表面的異物去除干凈,于60 ℃烘箱中烘干后用粉碎機粉碎。稱取3份1.00 g蝦殼,于100 mL 5% HCl中浸泡4 h至無氣泡冒出,再補加50 mL 5 % HCl,浸泡2 h,除去蝦殼中的鈣質和無機鹽,抽濾用蒸餾水洗至中性,加100 mL 10 % NaOH于50 ℃水浴中加熱2 h,除去蛋白,過濾,用蒸餾水洗至中性,然后用0.1% HCl浸泡0.5 h,再用質量分數30%的過氧化氫溶液100 mL浸泡2 h,水洗至中性,抽濾,烘干后得白色粉末狀甲殼素,分別計算甲殼素產率,取平均值[15]。

表2 原料添加量對甲殼素產率的影響

注：不同小寫字母表示在0.05水平上的顯著,大寫字母表示在0.01水平上的顯著,表3、表4、表7同。

表3 KCl濃度對甲殼素產率的影響

表4 萃取時間對甲殼素產率的影響

1.2.8.2 酶法 挑選新鮮蝦殼作為制備甲殼素的原料,用清水將蝦殼內外表面的異物去除干凈,于60 ℃烘箱中烘干后用粉碎機粉碎。稱取3份1.00 g蝦殼,分別于100 mL 5% HCl中浸泡4 h至無氣泡冒出,再補加50 mL 5% HCl,浸泡2 h,除去蝦殼中的鈣質和無機鹽,抽濾用蒸餾水洗至中性,干燥。底物濃度為10%(重量百分比),pH8.0,沸水浴15 min,加入蛋白酶0.25%～1%(占反應液中蛋白量的百分比),溫度55 ℃,時間24～48 h,再用沸水浴加熱15 min,冷卻,抽濾,烘干后得白色粉末狀甲殼素,分別計算甲殼素產率,取平均值[16]。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 原料添加量對甲殼素產率影響的單因素實驗 結果如表2所示。

由表2單因素實驗結果可知,隨著原料添加量的增加,甲殼素產率先增加后減少,在0.60 g時達到最大值,為41.56%，極顯著高于除0.80 g以外的添加量(p<0.01)。

2.1.2 KCl濃度對甲殼素產率影響的單因素實驗 由表3可知,在一定范圍內,甲殼素的產率隨著KCl濃度的增加而增加,在0.14 mol/L時達到最大值,為49.67%,繼續增加KCl濃度時,甲殼素產率反而下降,因此選擇0.14 mol/L為KCl的最佳濃度。當KCl濃度為0.14 mol/L時的實驗結果與其他濃度的實驗結果有極顯著性差異，(p<0.01)。

2.1.3 萃取時間對甲殼素產率影響的單因素實驗 由表4可知:在一定的范圍內,甲殼素產率隨著萃取時間的增加而增加,在120 min時達到最大值,為49.67%,繼續增加萃取時間時,甲殼素產率反而下降。因此選擇120 min為最佳萃取時間。當萃取時間為120 min時,與其它實驗結果存在極顯著性差異，(p<0.01)。

2.2 響應面的實驗結果

2.2.1 回歸模型的建立及其顯著性檢驗 運用Desingn-Expert 6.5.0軟件對實驗數據進行回歸分析,并通過對數據進行逐步的回歸擬合,可以得到原料添加量、KCl濃度和萃取時間與甲殼素產率之間的二次多項回歸方程:

Y(%)=49.67-1.59A+0.22B+2.75C-4.24A2-4.63B2-4.21C2-1.49AB-0.27AC+2.89BC

表5 Box-Behnken設計方案及實驗結果

回歸模型方差分析的結果表明,該模型顯著(p<0.005),失擬項不顯著,由此可見,該方程可以比較準確地描述各因素與響應值之間的真實關系,可以利用該回歸方程確定最佳配方組成。

表6 回歸模型的方差分析

注：“**”為差異極顯著(p<0.01);“*”為差異顯著(0.01

2.2.2 原料添加量與KCl濃度的交互作用對蝦殼中甲殼素產率的影響 響應面圖形的等高線(圖1)表明,當萃取時間為120 min時,原料的添加量與KCl濃度沒有明顯的交互作用。當KCl濃度一定時,蝦殼中甲殼素的產率隨著原料添加量在0.40～0.60 g范圍內的增大而增加,當原料添加量大于0.60 g時,蝦殼中甲殼素的產率隨著原料添加量的增大而降低。當原料添加量一定時,蝦殼中甲殼素的產率隨著KCl濃度在0.10～0.14 mol/L范圍內的增大而增加,KCl濃度大于0.14 mol/L時,蝦殼中甲殼素的產率又隨著KCl濃度的增大而降低。

圖1 原料添加量與KCl濃度的 交互作用對甲殼素產率的影響Fig.1 Effect of raw material content and concentration of KCl interactions on the extraction ratio of chitin

2.2.3 原料添加量與萃取時間的交互作用對蝦殼中甲殼素產率的影響 響應面圖形的等高線(圖2)表明,當KCl濃度為0.14 mol/L時,原料添加量與萃取時間沒有明顯的交互作用。當原料添加量一定,萃取時間在100～120 min范圍內時,蝦殼中甲殼素的產率隨著萃取時間的增加而增加;當萃取時間大于120 min時,蝦殼中甲殼素的產率隨著萃取時間的增加而降低。當萃取時間一定,原料添加量在0.40～0.60 g的范圍內時,蝦殼中甲殼素的產率隨著原料添加量的增加而增加;當原料添加量大于0.60 g時,蝦殼中甲殼素的產率隨著原料添加量的增加而降低。

圖2 原料添加量與萃取時間的 交互作用對甲殼素產率的影響Fig.2 Effect of raw material content and extraction time interactions on the extraction ratio of chitin

圖3 KCl濃度與萃取時間的交互作用對甲殼素產率的影響Fig.3 Effect of concentration of KCl and extraction time interactions on the extraction ratio of chitin

2.2.4 KCl濃度與萃取時間的交互作用對蝦殼中甲殼素產率的影響 響應面圖形的等高線(圖3)表明,當原料添加量0.60 g時,KCl濃度與萃取時間有明顯的交互作用。當KCl濃度一定,萃取時間在100～120 min范圍內時,蝦殼中甲殼素的產率隨著萃取時間的增加而增大;萃取時間大于120 min時,蝦殼中甲殼素的產率隨著萃取時間的增大而降低。當萃取時間一定,KCl濃度在0.10～0.14 mol/L的范圍內時,蝦殼中甲殼素的產率隨著KCl濃度的增大而增大;當KCl濃度大于0.14 mol/L時,蝦殼中甲殼素的產率隨著KCl濃度的增大而降低。

通過分析與研究,得到檸檬酸反相微膠團法提取蝦殼中甲殼素的最優條件是:原料添加量為0.62 g、KCl濃度為0.15 mol/L、萃取時間為116.25 min,產率為 47.69%。

實際進行實驗過程中,采用原料添加量為0.62 g、KCl濃度為0.15 mol/L、萃取時間為116 min,產率為47.32%。

2.3 與成熟工藝的對比

檸檬酸反相微膠團法、酸堿法和酶法提取蝦殼中甲殼素產率的對比如表7。

表7 甲殼素產率的對比

由表7可知,檸檬酸反相微膠團法甲殼素產率顯著低于傳統的酸堿法,存在極顯著性差異,但檸檬酸反相微膠團法甲殼素產率明顯高于酶法,也存在著極顯著性差異。

3 結論

由單因素實驗總結可知,檸檬酸反相微膠團法在pH9.0提取蝦殼中甲殼素的最佳條件是:原料添加量為0.60 g、KCl濃度為0.14 mol/L、萃取時間為120 min。通過響應面優化后,得到檸檬酸反相微膠團法提取蝦殼中甲殼素的最優條件是:原料添加量為0.62 g、KCl濃度為0.15 mol/L、萃取時間為116 min。而本實驗方法與酸堿法對比,產率明顯低于傳統的酸堿法,但該方法反應條件溫和,用食品級檸檬酸代替鹽酸,不但減小了對環境的污染,而且還實現了資源的充分利用;而與酶法相比,檸檬酸反相微膠團法的產率極顯著高于酶法,而且還大大節省了時間,因此此法是可行的。

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Study on the extraction of chitin from shrimp shell by citric acid-reverse micelles method

ZHANG Zhong,GAO Jia-xin

(Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China)

A novel method of preparing chitin by reverse micelles and citric acid was studied. Chitin was made by means of citric acid and ultrasonic assisted extraction technology to remove inorganic salt and reverse micelles extraction technology to remove protein in the shrimp shell,and 30% hydrogen peroxide for bleaching. Based on the single factor experiment result,through the response surface design,the optimum conditions of extracting chitin by citric acid-reverse micelles method was studied. The results showed that the optimal conditions by citric acid-reverse micelle method were raw material content of 0.62 g,concentration of KCl 0.15 mol/L,extraction time of 116.25 min,and the rate of extraction was 47.32%. The yield of chitin was significantly lower than that of the traditional acid base method,but it was significantly higher than that of the enzyme method. The method is feasible,and it can provide theoretical basis for the improvement of the production process of chitin.

hrimp shell;citric acid;reverse micelle;chitin

2016-08-19

張鐘(1962-)，男，本科，教授，研究方向：農產品貯藏與加工，E-mail：47108887@qq.com。

廣東省科技計劃2015B020230001。

TS254.9

B

1002-0306(2017)05-0269-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.042