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(zhì)量分數(shù)、微波功率、處理時間以及甲殼素與ＮａＯＨ溶液的配比對脫乙?；挠绊懀诖嘶A(chǔ)上經(jīng)正交試驗優(yōu)化微波法制備蠶蛹殼聚糖的條件。結(jié)果表明，微波功率對蠶蛹甲殼素脫乙?；挠绊懽畲?，其次為ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)、處理時間和固液比，優(yōu)化后的處理條件為：ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)５５％、微波功率７００Ｗ、處理時間３０ｍｉｎ、固液比１∶２０（Ｗ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ）。經(jīng)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(guān)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(chǎn)大國，蠶繭年產(chǎn)量已達到７０ 萬ｔ，在生產(chǎn)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(chǎn)甲殼素的原料，進而制備殼聚糖。殼聚糖是甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)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(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、紡織、印染、造紙、化妝品、環(huán)保等領(lǐng)域［２］。

目前以蝦蟹殼得到甲殼素用微波法脫乙?；苽錃ぞ厶且延袌蟮溃郏常叮?，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(yōu)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(fā)利用提供科學依據(jù)。

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(tǒng)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(yǎng)箱，廣東省醫(yī)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?；鶎⑿Q蛹甲殼素在微波場中用濃ＮａＯＨ處理，使其脫乙?；频脷ぞ厶恰Ｒ虼耍危幔希荣|(zhì)量分數(shù)、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(xù)處理。最后經(jīng)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(zhì)量分數(shù)、微波功率、處理時間、固液比作為影響因子，用上述方法脫乙?；悦撘阴６葹橹笜耍M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?；膬?yōu)化方案。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)、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?；膬?yōu)化方案。因素與水平設(shè)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(jié)合賈之慎等［８］所提方法，經(jīng)適當變化進行測定。準確稱?。埃?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(yǎng)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(fā)生中和反應(yīng)，導致溶液的電導率呈降低、緩慢升高、快速升高的過程，出現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)折點，兩轉(zhuǎn)折點之間即為與殼聚糖氨基上所吸附的Ｈ＋發(fā)生中和反應(yīng)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(zhì)量，ｍｇ；Ｗ為樣品水分含量，％；２０３為甲殼素分子量；４２為乙?；肿恿?。

２結(jié)果與分析

２．１蠶蛹甲殼素脫乙?；鶈我蛩卦囼?/p>

２．１．１ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)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(jié)果如圖１所示。

由圖１可見，隨著ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)的提高，脫乙酰度呈上升趨勢。但在ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)為４５％以后，脫乙酰度增加程度下降，考慮到繼續(xù)提高ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)，將會造成殼聚糖降解加劇，且增加費用，也造成后續(xù)水洗困難，因此選擇ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)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(jié)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?；潭仍黾印５S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(xiàn)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?；挠绊懛Q?。?ｇ蠶蛹甲殼素，以１∶１５的固液比加入質(zhì)量分數(shù)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(jié)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?？紤]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?；挠绊懛Q取３ ｇ蠶蛹甲殼素，以不同的固液比加入質(zhì)量分數(shù)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(jié)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(chǔ)上，進行Ｌ９（３４）正交試驗，結(jié)果見表２。正交試驗結(jié)果表明，影響蠶蛹甲殼素脫乙?；囊蛩刂鞔雾樞驗椋海拢荆粒荆茫荆模次⒉üβ蕦γ撘阴６扔绊懽畲?，其次為ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)，處理時間和固液比影響較小，優(yōu)化的脫乙?；鶙l件為Ａ３Ｂ３Ｃ３Ｄ２，即ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)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(jié)果。

３結(jié)論

經(jīng)正交試驗得到微波法蠶蛹甲殼素脫乙酰基的優(yōu)化條件為：ＮａＯＨ質(zhì)量分數(shù)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(jié)果與采用傳統(tǒng)的堿法脫乙?；啾葧r間大大縮短［６］。

甲殼素脫乙?；且粋€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(huán)境污染，同時在堿處理時質(zhì)量分數(shù)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(nèi)達到一定脫乙酰度的新方法，是殼聚糖生產(chǎn)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(yīng)時間，同時還能避免高溫長時間處理導致的殼聚糖產(chǎn)品品質(zhì)下降，從而提高其質(zhì)量指標。

參考文獻：

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