朱新鹏

(安康学院农学与生命科学院，陕西安康725000)

蚕肾壳聚糖制备条件研究

朱新鹏

(安康学院农学与生命科学院，陕西安康725000)

对蚕蛹甲壳素脱乙酰制备壳聚糖的条件进行了研究。通过单因素实验考察了NaOH浓度、处理温度、时间以及甲壳素与NaOH溶液的配比对脱乙酰的影响，在此基础上经正交实验优化蚕蛹壳聚糖制备条件。结果表明，NaOH浓度对蚕蛹甲壳素脱乙酰的影响最大，其次为处理温度，处理时间和固液比影响较小，优化后的处理条件为:NaOH浓度50%、处理温度90℃、时间10h、固液比1∶15。经验证实验，在该条件下，制得的蚕蛹壳聚糖脱乙酰度可达到74%。

蚕蛹，甲壳素，壳聚糖，脱乙酰度，电导率法

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，是(1，4)－2－氨基－2－脱氧－β－D－葡萄糖的聚合物，为天然存在的唯一碱性多糖。由于其具有良好的吸附性、成膜性、通透性、成纤性、吸湿性和保湿性等特性，广泛应用于食品、医药、生物技术、农业、纺织、印染、造纸、化妆品、水果保鲜、环保等领域［1］。我国是蚕茧生产大国，蚕茧年产量已达到70万t，在生产生丝后可得到干蚕蛹13.6万 t。干蚕蛹含有约3.7%的甲壳素［2］，可用于生产甲壳素，进而制备壳聚糖。本实验以蚕蛹为原料，经脱油脂、蛋白质、无机盐和色素后，以电导率法测定脱乙酰度，对得到的蚕蛹甲壳素通过正交实验优化脱乙酰基的工艺条件，以期为蚕蛹的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蚕蛹 购于安康巴山丝绢有限公司;石油醚(沸程60～90℃)、氢氧化钠、盐酸、高锰酸钾、草酸 均为分析纯。

FW 100型万能粉碎机 北京科伟永兴仪器有限公司;ALC－210.4型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;HH－4型数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;101－1A型电热恒温干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;DDS－307型电导率仪 上海精密科学仪器有限公司;LRH－190－Z振荡培养箱 广东省医疗器械厂。

1.2 实验方法

1.2.1 蚕蛹甲壳素提取工艺流程 蚕蛹→烘干→粉碎→石油醚脱脂→烘干→碱液处理→水洗过滤→滤渣烘干→盐酸处理→水洗过滤→滤渣烘干→蚕蛹粗甲壳素［3］

1.2.2 蚕蛹甲壳素脱色 将所得粗甲壳素用浓度3%的KMnO4在30℃下处理2h，过滤后，滤渣用3%草酸中和剩余的KMnO4［4］，水洗，然后在 65℃下烘干。

1.2.3 蚕蛹甲壳素脱乙酰基 将脱色甲壳素用浓NaOH处理，使其脱乙酰基而制得壳聚糖。因此，NaOH浓度、处理温度、时间以及甲壳素与NaOH溶液的配比(固液比)等是影响甲壳素脱乙酰基的主要因素。取3g蚕蛹甲壳素放入100m L三角瓶中，加入NaOH溶液，放置过夜后，置于恒温水浴锅中处理，每隔2h用双层纱布过滤、水洗，再加等量NaOH溶液继续处理。最后经过滤、水洗至中性，在65℃下烘干，用电导率法测定脱乙酰度。

1.2.3.1 蚕蛹甲壳素脱乙酰的单因素实验 分别以NaOH浓度、温度、时间、固液比作为影响因子，用上述方法脱乙酰基，以脱乙酰度为指标，进行单因素实验，确定各影响因子对脱乙酰效果的影响。

1.2.3.2 正交实验确定脱乙酰基的优化方案 在单因素实验的基础上，以NaOH浓度、处理温度、时间、固液比为因素，以脱乙酰度为考察指标，采用L9(34)进行正交实验，确定这四个因素对脱乙酰基的优化方案。正交实验因素水平见表1。

表1 正交实验因素水平表

1.2.4 壳聚糖水分测定 采用常压干燥法。将2.00～3.00g壳聚糖样品置105℃干燥箱中烘干至恒重，计算水分含量。

1.2.5 电导率法测定壳聚糖脱乙酰度 采用SC/T3403－2004中电导率法，结合贾之慎［5］等所提方法，经适当变化测定。准确称取0.2g蚕蛹壳聚糖样品置于100m L烧杯中，加入25m L 0.1mol/L HCl溶液，置于20℃的振荡培养箱中振荡溶解。然后加入蒸馏水至60m L，用0.1mol/L NaOH溶液滴定，每滴定0.3～0.5m L NaOH溶液记录电导率，作电导率随NaOH溶液体积变化的滴定曲线。由于NaOH加入壳聚糖的盐酸溶液后会与溶液中的游离H+以及壳聚糖氨基上所吸附的H+相继发生中和反应，导致溶液的电导率经过降低、缓慢升高、快速升高的过程，出现两个转折点，两转折点之间即为与壳聚糖氨基上所吸附的H+发生中和反应所消耗的NaOH溶液体积数。按下式计算脱乙酰度:

式中:D－样品的脱乙酰度，单位为百分率(%);C－NaOH标准溶液浓度，单位为每升摩尔(mol/L);ΔV－电导率保持缓慢升高时滴定消耗NaOH标准溶液体积，单位为毫升(m L);m－样品质量，单位为毫克(mg);W－样品水分含量，单位为百分率(%);203－甲壳素分子量;42－乙酰基分子量。

2 结果与讨论

2.1 蚕蛹甲壳素脱乙酰基的单因素实验

2.1.1 NaOH浓度对脱乙酰基的影响 称取3g脱色甲壳素，以1∶15的固液比加入不同浓度的NaOH溶液，在90℃水浴锅中处理8h，期间每隔2h水洗一次。结果如图1所示。

由图1可以看出，随着NaOH浓度的升高，脱乙酰度呈上升趋势。考虑到继续提高NaOH浓度，将会造成壳聚糖降解加剧，且增加费用，也使后续水洗困难，因此选择NaOH浓度以50%为宜。

2.1.2 处理温度对脱乙酰基的影响 称取3g脱色甲壳素，以1∶15的固液比加入浓度为45%的NaOH溶液，在不同温度水浴锅中处理8h，期间每隔2h水洗一次。结果如图2所示。

由图2可以看出，随着温度的提高，蚕蛹甲壳素脱乙酰基程度增加，但随着温度的提高，脱乙酰度增加的幅度有所下降。由于甲壳素脱乙酰反应相对比较困难，因而可通过适当的增加温度来提高脱乙酰度，在此选择温度为90℃。

图1 NaOH浓度对脱乙酰基的影响

图2 处理温度对脱乙酰基的影响

2.1.3 处理时间对脱乙酰基的影响 称取3g脱色甲壳素，以1∶15的固液比加入浓度为45%NaOH溶液，在90℃水浴锅中处理不同时间，期间每隔2h水洗一次。结果如图3所示。

图3 处理时间对脱乙酰基的影响

由图3可以看出，在处理初期，随着时间的延长，脱乙酰度提高较快，在6h以后，脱乙酰度随时间提高幅度有所下降。考虑到脱乙酰度的要求，以及时间成本，选择时间以10h较为适宜。

2.1.4 固液比对脱乙酰基的影响 称取3g脱色甲壳素，以不同的固液比加入浓度为45%NaOH溶液，在90℃水浴锅中处理8h，期间每隔2h水洗一次。结果如图4所示。

图4 固液比对脱乙酰基的影响

由图4可以看出，随着NaOH溶液用量加大，脱乙酰度增加，在固液比1∶15时达到最大，之后开始缓慢下降。这可能是由于在甲壳素用量一定的情况下，NaOH溶液用量增加到一定程度，反应达到饱和，同时脱乙酰过程中生成的乙酸钠附着在甲壳素表面，会影响反应的进行，所以固液比选择1∶15为宜。

2.2 蚕蛹甲壳素脱乙酰基的正交实验

在单因素实验的基础上，选用L9(34)进行正交实验，结果见表2。

表2 正交实验方案及结果

正交实验结果表明，影响蚕蛹甲壳素脱乙酰基的因素主次顺序为:A>B>C>D，即NaOH溶液浓度对脱乙酰度影响最大，其次为处理温度，处理时间和固液比影响较小。优化的脱乙酰条件为A3B3C3D2，即:NaOH浓度50%、处理温度90℃、时间10h、固液比1∶15。以此条件进行2次验证实验，得到的蚕蛹壳聚糖脱乙酰度分别为73.8%和74.1%，平均值74.0%，均高于正交实验最高值72.6%，说明实验结果可靠。

3 结论

经正交实验所得结果，脱色后的蚕蛹甲壳素脱乙酰基的优化条件是:NaOH浓度50%、处理温度90℃、时间10h、固液比1∶15，在此条件下进行脱乙酰基所得壳聚糖脱乙酰度可达74%，这一结果与詹永乐等［6］所得结果较为接近。

甲壳素脱乙酰基是一个较为困难的过程，目前采用的有效方法即是用浓碱法。由于用碱液脱乙酰基时，生成的乙酸盐积聚在脱去部分乙酰基的甲壳素上，会妨碍碱液进一步向甲壳素内部扩散，导致脱乙酰基耗时长，程度低。所以，需经反复水洗以及时除去乙酸盐［4，7］。浓碱法易造成环境问题，同时在碱处理时浓度越大，后处理的水洗耗水量越大。所以在实际应用中，应根据对脱乙酰度的要求适当对工艺条件进行调整。

［1］蒋挺大.甲壳素［M］.北京:化学工业出版社，2003:23.

［2］毛平生，吴繁强，杜贤明，等.蚕蛹综合利用综述［J］.蚕桑茶叶通讯，2007，130(4):1－2.

［3］朱新鹏，方琼，樊明涛，等.蚕蛹甲壳素提取工艺优化研究［J］.中国林副特产，2009(3):27－29.

［4］曹萍，朱桂秀.蚕蛹皮制备甲壳质和壳聚糖的研究［J］.上海应用技术学院学报，2007，7(4):233－237.

［5］贾之慎，李秀玲.酸碱电导滴定法测定壳聚糖脱乙酰度［J］.分析化学，2002，30(7):846－848.

［6］詹永乐，黄春芳，陈复生.家蚕蛹皮制取壳聚糖的最佳工艺条件［J］.化学通报，2001(7):450－453.

［7］贾延华，刘颖，张燕玲，等.柞蚕蛹皮壳聚糖的制备工艺研究［J］.辽宁丝绸，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

朱新鹏(1968－)，男，硕士，副教授，研究方向:食品科学。

陕西省教育厅自然科学专项(09JK325);安康市科技计划项目(08AK01－01－07)。