超聲間歇法優(yōu)化蝦蟹殼甲殼素提取工藝

李曄 吳佳靜 田研基

摘 要：以蝦蟹殼為原料，研究超聲間歇法提取蝦蟹殼中甲殼素的最佳工藝條件，采用酸堿法提取甲殼素，以提取物的產(chǎn)率、灰分和蛋白含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)選擇最佳的液料比、酸堿濃度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度。結(jié)果表明：脫鈣最佳條件為液料比1.25，HCl濃度6%，反應(yīng)時(shí)間2.5h，處理溫度50℃;脫蛋白的最佳工藝條件：液料比1∶10，NaOH濃度6%，反應(yīng)時(shí)間2h，處理溫度90℃;在此最佳條件下輔助超聲間歇法提取甲殼素，最佳超聲處理時(shí)間為15min，提取物的產(chǎn)率為19.6%，灰分含量和蛋白含量均較低，分別為0.42%和1.12%。

關(guān)鍵詞：

甲殼素;超聲波;提取工藝;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315006

甲殼素是一種以葡萄糖為基團(tuán)的天然高分子支鏈多糖，廣泛存在于自然界的甲殼動(dòng)物和昆蟲(chóng)外骨骼，以及一些細(xì)菌及真菌的細(xì)胞壁中[1]。甲殼素作為一種高分子材料，其本身的不飽和陽(yáng)離子基團(tuán)能夠?qū)ж?fù)電荷的有害物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附作用[2]，另外甲殼素能夠被人體正常代謝，有效清除人體內(nèi)的重金屬離子，達(dá)到保健預(yù)防的作用。因此，甲殼素被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)療、食品加工和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]。

蝦蟹作為常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖水產(chǎn)，世界各地都有進(jìn)行商業(yè)養(yǎng)殖，蝦蟹殼中的甲殼素含量較高，干物的甲殼素含量可達(dá)到20%～30%（日本利用對(duì)蝦殼提取甲殼質(zhì)）。目前常用的甲殼素提取方法包括[4]酸堿法[5]、EDTA提取法[6]、酶法[7]、發(fā)酵法[8]，這些方法或多或少地存在對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高昂等缺點(diǎn)。本研究從充分利用蝦蟹類食品加工的廢棄物，降低環(huán)境污染，提高甲殼素提取效率的角度出發(fā)[9]，采用超聲波輔助法對(duì)酸堿法提取甲殼素工藝進(jìn)行優(yōu)化，探索最佳的提取條件，以期提高蝦蟹類海產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的附加價(jià)值，并為此類食品加工的廢棄物綜合利用奠定基礎(chǔ)[10]。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

蝦蟹殼購(gòu)于市場(chǎng)，經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎成粉末;HCl、NaOH、30%H2O2等購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。

1.2?儀器與設(shè)備

85-2WS數(shù)顯恒溫磁力攪拌器（上海滬析實(shí)業(yè)有限公司）;JY96-IIN觸摸屏超聲波破碎儀（上海凈信科技有限公司）;FX101-0數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱（南北儀器設(shè)備有限公司）;DL-1800E超聲波清洗器（昆山超聲儀器有限公司）;800Y高速多功能粉碎機(jī)（皇代小家電有限公司）;NICOLET 5700傅立葉紅外光譜儀（美國(guó)熱電尼高力儀器公司）;UV2600/UV2600PC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海恒平科學(xué)儀器有限公司）。

1.3?試驗(yàn)方法

1.3.1?試驗(yàn)流程

1.3.2?脫鈣正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L9（34），考察HCl溶液料液比（g/mL）、濃度、反應(yīng)時(shí)間和處理溫度對(duì)脫鈣的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1。

1.3.3?脫蛋白正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L9（34），考察NaOH溶液料液比（g/mL）、濃度、反應(yīng)時(shí)間和處理溫度對(duì)脫蛋白的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表2。

1.3.4?脫色

蝦蟹殼經(jīng)過(guò)酸堿處理后呈淡黃色，需用氧化還原的方法進(jìn)行脫色處理。取脫鈣脫蛋白并烘干后的產(chǎn)物，加入30%H2O2溶液，在常溫下磁力攪拌，反應(yīng)1h后，過(guò)濾洗滌烘干。得乳白色粉末的甲殼素產(chǎn)品。

1.3.5?指標(biāo)測(cè)定

灰分含量測(cè)定：總灰分測(cè)定法;

蛋白質(zhì)含量測(cè)定：紫外吸光光度法。

1.3.6?超聲間歇法脫鈣、脫蛋白單因素試驗(yàn)

稱取10g預(yù)處理的蝦蟹殼粉末，加入250mL的6%濃度的HCl溶液中，進(jìn)行2次間歇超聲處理，每次脫鈣時(shí)間50min，反應(yīng)溫度50℃，經(jīng)抽濾烘干后，測(cè)定灰分。考察超聲時(shí)間（5min、10min、15min、20min、25min）對(duì)脫鈣的影響。

稱取10g預(yù)處理的蝦蟹殼粉末，加入100mL的6%濃度的NaOH溶液中，進(jìn)行2次間歇超聲處理，每次脫鈣時(shí)間40min，反應(yīng)溫度90℃，經(jīng)抽濾烘干后，測(cè)定蛋白質(zhì)含量。考察超聲時(shí)間（5min、10min、15min、20min、25min）對(duì)脫蛋白的影響。

2?結(jié)果與分析

2.1?脫鈣正交試驗(yàn)

由表3、表4和表5可知，脫鈣試驗(yàn)中產(chǎn)率的最佳組合為A2B2C3D1，即液料比為1∶25、HCl濃度8%、反應(yīng)時(shí)間3h、處理溫度50℃。從主效應(yīng)檢驗(yàn)可知，4因素對(duì)產(chǎn)率的影響主次順序?yàn)镈>B>A>C，液料比、HCl濃度和處理溫度對(duì)產(chǎn)率有顯著性影響。脫鈣試驗(yàn)中灰分最低的組合為A2B1C2D3，即液料比為1∶25、HCl濃度6%、反應(yīng)時(shí)間2.5h、處理溫度60℃。從主效應(yīng)檢驗(yàn)可知，4因素對(duì)灰度的影響主次順序?yàn)锽>A>C>D，液料比、HCl濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率有顯著性影響。從正交實(shí)驗(yàn)的灰度檢測(cè)可以看出，除2組試驗(yàn)灰分超過(guò)1%外，其余組別灰分檢測(cè)結(jié)果均符合食品級(jí)灰分標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮產(chǎn)率和灰分含量，選擇A2B1C2D1進(jìn)行超聲單因素試驗(yàn)。

2.2?脫蛋白正交試驗(yàn)

由表6、表7和表8可知，脫蛋白試驗(yàn)中產(chǎn)率的最佳組合為A1B2C2D2，即液料比為1∶10、NaOH濃度6%、反應(yīng)時(shí)間1.5h、處理溫度90℃。從主效應(yīng)檢驗(yàn)可知，4因素對(duì)產(chǎn)率的影響主次順序?yàn)锽>D>A>C，4因素對(duì)產(chǎn)率均有顯著性影響。脫蛋白試驗(yàn)中蛋白含量最低的組合為A3B2C1D3，即液料比為1∶20、NaOH濃度6%、反應(yīng)時(shí)間1h、處理溫度95℃。從主效應(yīng)檢驗(yàn)可知，4因素對(duì)蛋白含量的影響主次順序?yàn)锳>C>B>D，液料比、NaOH濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)蛋白含量有顯著性影響。從正交實(shí)驗(yàn)的蛋白含量檢測(cè)可以看出，除1組試驗(yàn)蛋白含量超過(guò)5%外，其余組別均低于5%，綜合考慮產(chǎn)率和蛋白含量，選擇A1B2C3D2進(jìn)行超聲單因素試驗(yàn)。

2.3?超聲間歇法單因素實(shí)驗(yàn)

由圖1可知，間歇超聲處理時(shí)間在15min前，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)超聲處理時(shí)間達(dá)到15min后，產(chǎn)率增長(zhǎng)曲線平緩。間歇超聲處理時(shí)間在15min前，甲殼素提取物的灰度含量呈明顯下降趨勢(shì)，而后變化趨于平緩，可知間歇超聲脫鈣的最佳處理時(shí)間為15min。由圖2可知，對(duì)甲殼素進(jìn)行超聲間歇脫蛋白處理后，產(chǎn)率會(huì)有所降低，隨后隨著超聲處理時(shí)間的增加，產(chǎn)率呈較明顯的上升趨勢(shì)。間歇超聲處理時(shí)間在15min前，甲殼素提取物的蛋白含量呈明顯下降趨勢(shì)，而后變化趨于平緩，可知間歇超聲脫蛋白的最佳處理時(shí)間為15min。

將10g蝦蟹殼粉末經(jīng)過(guò)最佳條件超聲輔助脫鈣脫蛋白后，得到甲殼素粉末1.96g，最終產(chǎn)品的灰分含量為0.42%，蛋白含量為1.12%。

2.4?甲殼素產(chǎn)品性質(zhì)分析

圖3為甲殼素產(chǎn)品的紅外光譜圖。圖3中，環(huán)伸縮振動(dòng)的吸收峰位于891cm-1處，1078cm-1附近的吸收峰是C-O的伸縮振動(dòng)峰，甲殼素的3個(gè)特征吸收峰位于1641（酰胺Ⅰ）cm-1、1564（酰胺Ⅱ）cm-1和1375（酰胺Ⅲ）cm-1處，2924cm-1附近是C-H伸縮振動(dòng)的吸收峰，3253cm-1處是N-H伸縮振動(dòng)吸收峰，3400cm-1的吸收峰則是O-H的伸振動(dòng)吸收峰。

3?結(jié)論

本研究通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考察了酸堿對(duì)甲殼素脫鈣脫蛋白的最佳條件，確定了脫鈣的最佳工藝條件：液料比為1∶25，HCl濃度6%，反應(yīng)時(shí)間2.5h，處理溫度50℃;脫蛋白的最佳工藝條件：液料比為1∶10，NaOH濃度6%，反應(yīng)時(shí)間2h，處理溫度90℃。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)考察超聲處理時(shí)間對(duì)超聲波輔助提取甲殼素的影響，脫鈣和脫蛋白的最佳超聲時(shí)間均為15min。超聲輔助提取甲殼素能夠有效地提高甲殼素提取的產(chǎn)率，降低產(chǎn)物的灰分和蛋白質(zhì)含量。因此，超聲間歇輔助酸堿提取法對(duì)提取甲殼素具有較大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]

Lorenz Anthony T，F(xiàn)ernando，Myra Ruth S，Poblete，Aileen Grace M，Ongkiko，Leslie Joy L，Diaz.Chitin Extraction and Synthesis of Chitin-Based Polymer Films from Philippine Blue Swimming Crab （Portunus pelagicus） Shells[J]. Procedia Chemistry，2016（19）：462-468.

[2]Khanafari A， Marandi R， Sanatei S. Recovery of chitin and chitosan from shrimp waste by chemical and microbial methods[J]. Journal of Environmental Health Science & Engineering， 2008， 5（1）： 1-24.

[3]李彥艷， 張閃閃， 任國(guó)棟.甲殼動(dòng)物、昆蟲(chóng)、真菌中甲殼素的提取進(jìn)展[J].食品研究與開(kāi)發(fā)， 2015（7）：122-126.

[4]唐紅楓， 夏琪， 劉群， 等.甲殼素提取工藝條件比較及殼聚糖抑菌作用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2017（10）：63-66.

[5]季錦林， 湯立新， 錢(qián)清華.間歇法提取蝦甲殼素和制備殼聚糖的工藝優(yōu)化[J].食品科技， 2013（4）：200-204.

[6]竇勇， 胡佩紅， 顧鵬程.超聲波輔助EDTA法提取淡水小龍蝦殼中甲殼素的工藝研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2014（22）：93-97.

[7]李婷， 程燕霞， 陳健聰，等.利用有機(jī)酸結(jié)合蛋白酶從蝦頭蝦殼中提取甲殼素[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊）， 2014（03）：6-9，12.

[8]程倩， 吳薇， 籍保平.微生物發(fā)酵法提取甲殼素的國(guó)內(nèi)外研宄進(jìn)展[J].食品科技， 2012（3）：40-44.

[9]盧海能，龔奇菡，周文利，陳壽，居學(xué)成，鄭超. 蝦殼中甲殼素的提取工藝優(yōu)化[J].廣東化工，2016（13）：22-24.

[10]張建英， 賈龍， 張大治， 等. 從尖尾東鱉甲中提取甲殼素的研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā)， 2016（9）：66-71.

（責(zé)任編輯?周康）