陳冬年 劉展 武韶華 史燕嬌 張勤
摘要:在超聲波輔助下,以乙二胺四乙酸二鈉為脫鈣劑,NaOH為脫蛋白劑,研究從小龍蝦殼中提取甲殼素的工藝條件。結果表明,NaOH的加入,不利于CaCO3的溶解;超聲波能顯著提高脫鈣、脫蛋白速率;室溫下最佳脫鈣條件為pH值4~5,乙二胺四乙酸二鈉濃度0.3 mol/L,反應時間80 min;最佳脫蛋白條件為反應溫度55 ℃,NaOH濃度 1.5 mol/L,反應時間100 min。
關鍵詞:超聲波,脫鈣,脫蛋白,甲殼素
中圖分類號:O657.5文獻標志碼:A文章編號:1002-1302(2014)01-0236-03
收稿日期:2013-05-20
作者簡介:陳冬年(1978—),男,江蘇泰興人,碩士,講師,研究方向為天然高分子材料制備與改性。Tel:(0523)86150058;E-mail:startonychen@sina.com。甲殼素是由N-乙酰-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵連接形成的多糖,在食品工業、功能材料、醫藥、農業和輕紡業中有廣泛應用,已成為水產品廢棄物加工利用的研究熱點[1-5]。目前,工業上主要由蝦蟹等動物的甲殼中提取甲殼素,主要過程為在機械攪拌下用鹽酸對蝦蟹殼脫鈣,用較高濃度的堿脫蛋白質[6]。
鹽酸脫鈣原理為蝦殼中的不溶于水的碳酸鈣與鹽酸反應,轉化為可溶的鈣而脫去,在脫鈣的同時,鹽酸也會破壞甲殼素分子鏈結構。文獻[3-5]報道EDTA(乙二胺四乙酸或其鈉鹽)可以在不破壞分子鏈的情況下脫鈣,然而,關于采用何種pH值條件才能取得最佳脫鈣效果的問題,各文獻說法差異較大。
堿脫蛋白的原理為蝦蟹殼中非水溶性的蛋白質或與甲殼素共價結合的蛋白質在堿性條件下發生水解轉化為可溶性物質而脫去。因為蝦蟹殼中蛋白質與其他物質緊密復合在一起,難以分離,所以脫蛋白過程常用堿煮法,耗時較長、能耗較高,脫蛋白速率有待提高。文獻[7]報道超聲波能在溶液中形成特殊的空化效應,適合于非均相反應。脫蛋白為非均相水解過程,超聲波應能提高該過程速率。然而,僅文獻[8]報道將超聲波應用于蝦蟹殼脫鈣脫蛋白提取甲殼素,文獻 [9-10] 報道超聲波應用于甲殼素脫乙酰制備殼聚糖。
本研究以乙二胺四乙酸二鈉為脫鈣試劑,NaOH溶液為脫蛋白試劑,探討超聲波輔助下提取甲殼素的方法。
1材料與方法
1.1材料與儀器
蝦殼:市售小龍蝦(克氏原螯蝦)經去肉、清洗、自然晾干、粉碎、烘干形成干蝦殼粉;破碎的熟雞蛋白為自制;乙二胺四乙酸二鈉、鹽酸、碳酸鈣、氫氧化鈉、無水乙醇、磷酸等為分析純;考馬斯亮藍G250為國藥集團化學試劑有限公司產品;鈣-羧酸指示劑為國藥集團化學試劑有限公司產品;K-B指示劑為國家水泥質量監督檢驗中心提供;蒸餾水為自制;廣泛pH試紙為上海三愛思試劑有限公司產品。超聲波清洗器KH-400KDV(超聲波功率400 W,頻率40 kHz)為昆山禾創超聲儀器有限公司產品;722可見分光光度計為上海精密科學儀器有限公司產品;電動攪拌器為常州國華電器有限公司產品。
1.2方法
1.2.1碳酸鈣溶解試驗取1 g碳酸鈣粉末,分別加入 0.3 mol/L 的乙二胺四乙酸二鈉溶液或0.25 mol/L的鹽酸,室溫下,置于超聲波清洗器中(攪拌或靜置)反應。觀察溶解現象,溶液中沒有固體沉淀、完全停止冒泡且澄清透明,則視碳酸鈣已全部溶解。
1.2.2熟雞蛋白溶解試驗取0.5 g破碎的熟雞蛋白,分別加入不同濃度的NaOH溶液,室溫下,置于超聲波清洗器中(攪拌或靜置)反應。觀察溶解現象,溶液中沒有固體沉淀且澄清透明,則視熟雞蛋白已全部溶解。
1.2.3蝦殼中提取甲殼素取一定量的干蝦殼粉,加入 0.3 mol/L 的乙二胺四乙酸二鈉溶液,超聲波振蕩反應或攪拌反應。反應中或反應后取一定量的上清液,稀釋,用滴定分析法測定提取液中鈣的濃度,并依測定結果計算脫鈣率。脫鈣完成后,過濾,收集全部濾渣,并用蒸餾水洗滌至中性,干燥。濾渣中加入NaOH溶液,超聲波振蕩反應或攪拌反應。反應中或反應后取一定量的上清液,稀釋,用考馬斯亮藍法測定稀釋液中蛋白質的濃度,并依測定的蛋白質濃度計算蛋白質脫出量。
1.2.4乙二胺四乙酸二鈉脫鈣率計算取一定質量的干蝦殼粉,加入過量的0.25 mol/L鹽酸,室溫攪拌反應24 h保證脫鈣完全,按文獻[11]用絡合滴定法測定鹽酸脫鈣液中鈣的濃度,依此計算蝦殼中的鈣含量。取適量稀釋過的乙二胺四乙酸二鈉脫鈣溶液,按文獻[12]用返滴定分析法測定其中鈣的濃度,根據稀釋倍數計算乙二胺四乙酸二鈉脫出鈣的質量。按計算公式計算脫鈣率:
脫鈣率=單位質量蝦殼脫出鈣的質量1單位質量蝦殼中含有鈣的質量×100%。
1.2.5蛋白質脫出量計算取適量稀釋過的脫蛋白溶液,按文獻[13]用考馬斯亮藍法測定此稀釋液中蛋白質的濃度,根據稀釋倍數計算脫出的蛋白質的質量。按計算公式計算蛋白質脫出量:
蛋白質脫出量=脫出蛋白質的質量1脫鈣脫蛋白前蝦殼的質量×100%。
2結果與分析
2.1乙二胺四乙酸二鈉脫鈣效果
2.1.1乙二胺四乙酸二鈉溶液pH值對碳酸鈣溶解的影響乙二胺四乙酸(EDTA)和乙二胺四乙酸二鈉(乙二胺四乙酸二鈉)都具有較強的螯合能力,不同文獻報道用EDTA對蝦殼脫鈣時介質最佳pH值不一致,何蘭珍等[4]報道最佳pH值為4;黃俊嫻等[5]報道最佳pH值為13,并且能在一步中同時實現脫鈣、脫蛋白。由表1可知,乙二胺四乙酸二鈉水溶液能用于脫鈣。靜置時溶解較慢,攪拌使溶解加快,超聲波能顯著加快碳酸鈣的溶解速度,可能是由于超聲波具有特殊的空化效應、熱效應和機械效應所致。向乙二胺四乙酸二鈉水溶液中加入NaOH會使溶鈣速率和溶鈣能力顯著下降。這說明加入NaOH會使溶鈣能力下降,不應在強堿性介質中用乙二胺四乙酸二鈉對蝦殼脫鈣,而且乙二胺四乙酸二鈉脫鈣和堿脫蛋白應分步進行。表1不同pH值乙二胺四乙酸二鈉對碳酸鈣的溶解效果endprint
處理1溶解條件CaCO3(g)1乙二胺四乙酸二鈉(mL)a1NaOH(g)b1反應方式1反應前
溶液pH值1前期現象1全部溶解時間
(min)111.00140101靜置14~51少量氣泡12 160211.00140101攪拌14~51較多氣泡1180311.00140101超聲14~51大量氣泡150411.00140111超聲19~101無氣泡1360511.0014012.81超聲113~141無氣泡1-c611.001鹽酸d101靜置1未測1泡沫溢出11注:a.飽和的乙二胺四乙酸二鈉水溶液,濃度為0.3 mol/L;b.固體氫氧化鈉;c.長時間都不能完全溶解;d.用40 mL 0.25 mol/L鹽酸代替0.3 mol/L乙二胺四乙酸二鈉水溶液。
2.1.2反應方式對脫鈣效果的影響室溫下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為 1 g ∶16 mL,反應時間為50 min,分別采用攪拌和超聲波輔助兩種反應方式。由表2可知,在相同條件下,超聲波振蕩比機械攪拌更能促進脫鈣。
2.1.3反應時間對脫鈣的影響室溫下在超聲波輔助下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為1 g ∶16 mL。由圖1可知,脫鈣時間越長,脫鈣效果越好,80 min時脫鈣率即達96.8%,其后脫鈣率有緩慢增長,到120 min時脫鈣率達98.4%。若對甲殼素脫鈣率要求不高,則以80 min為最佳脫鈣時間,以提高脫鈣效率。Aline等報道025 mol/L的鹽酸15 min即可脫鈣完全[14]。這說明,即使有超聲波輔助,0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉水溶液的脫鈣速率仍不及0.25 mol/L的鹽酸。因此,相比乙二胺四乙酸二鈉,鹽酸是更高效的脫鈣劑;若對提取出的甲殼素分子量沒有要求,應選用鹽酸作脫鈣劑,因為脫鈣時間可以較短;若要求提取出高分子量的甲殼素,則可選用乙二胺四乙酸二鈉為脫鈣劑,但脫鈣時間應比較長。
2.2脫蛋白
2.2.1NaOH溶液對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,用不同濃度的NaOH溶液進行脫蛋白試驗,固液比為1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,反應溫度為65 ℃。由圖2可知,NaOH濃度較低時,單位時間內脫出的蛋白質較少,這是由于在此條件下蛋白質水解反應較慢。隨NaOH濃度增加,蛋白質水解反應加快,單位時間內脫出的蛋白質增多,NaOH濃度在1.5 mol/L時蛋白質脫出量最高。但當NaOH濃度超過1.5 mol/L時,測得的蛋白質脫出量反而有所降低。
2.2.2反應溫度對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在不同溫度下進行脫蛋白試驗,固液比為 1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L。由圖3可知,在35~75 ℃范圍內,55 ℃時蛋白質脫出量最多。溫度低于55 ℃時,因為水解反應較慢,所以單位時間內蛋白質脫出量較少。溫度高于55 ℃,可能因為蛋白質變性,所以水解反應反而較慢,單位時間內蛋白質脫出量也會較少。因此,55 ℃為最佳脫蛋白反應溫度。
2.2.3反應時間對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃條件下,進行脫蛋白試驗。從圖4可以看出,蛋白質脫出量隨反應時間的延長而增加,當反應時間達到100 min后蛋白質脫出量幾乎不發生變化,因此綜合考慮脫蛋白效果和能耗,以100 min作為最佳反應時間。
2.2.4操作方式對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃,反應時間為100 min條件下,分別用超聲波振蕩法和機械攪拌法進行脫蛋白試驗。表3數據說明,相比于機械攪拌,超聲波振蕩能顯著提高蝦殼渣中蛋白質的脫出量。
表3反應方式對脫蛋白的影響
反應方式1蛋白質脫出量(%)機械攪拌12.7超聲波振蕩18.8
3結論
超聲波輔助法相對于傳統的機械攪拌法能顯著提高脫鈣和脫蛋白的速率。在超聲波輔助下,從蝦殼中提取甲殼素的較佳工藝條件為:乙二胺四乙酸二鈉為0.3 mol/L,脫鈣時間為 80 min,脫鈣溫度為室溫;NaOH溶液濃度為1.5 mol/L,脫蛋白溫度為 55 ℃,脫蛋白時間為100 min。較佳工藝條件下提取出的粗甲殼素呈淺粉白色,若需獲得白色甲殼素,尚需進行脫色處理。
參考文獻:
[1]蔣挺大. 甲殼素[M]. 北京:化學工業出版社,2003:1-16.
[2]侯佰立,吉宏武,王燕,等. 凡納濱對蝦蝦頭制備甲殼素工藝的研究[J]. 食品工業科技,2011,32(10):273-276.
[3]劉毅,楊丹,何蘭珍. EDTA脫鈣法制備甲殼素[J]. 化學研究與應用,2004,16(2):278-279.
[4]何蘭珍,楊丹,劉毅,等. 制備甲殼素過程中EDTA脫鈣法的研究[J]. 食品與生物技術學報,2008,27(4):49-52.
[5]黃俊嫻,楊建男. EDTA處理蝦殼制備甲殼素的研究[J]. 現代食品科技,2009,25(3):296-297,311.
[6]顧正桂,林軍,顧美娟. 甲殼素系列產品生產過程的優化及裝置的改進[J]. 現代化工,2009,29(1):62-65,67.
[7]李廷盛,尹其光. 超聲化學[M]. 北京:科學出版社,1995:32-93.
[8]彭元懷,黃川,趙澤潔. 超聲波輔助提取蝦殼甲殼素的工藝研究[J]. 食品工業科技,2012,33(9):304-308.
[9]陳忻,袁毅樺,劉佳,等. 超聲波法制備高黏度的殼聚糖[J]. 水產科學,2007,26(6):352-354.
[10]莫祺紅,盧潔,黃佩芳,等. 超聲波預處理脫乙酰化制備殼聚糖的研究[J]. 食品科技,2009,34(8):224-227.
[11]程建國. 無機及分析化學實驗[M]. 杭州:浙江科學技術出版社,2006:53-55.
[12]黃俊嫻,楊建男. 返滴定法監測EDTA處理蝦殼制備甲殼素過程中的脫鈣率[J]. 化學分析計量,2007,16(6):49-51.
[13]史鋒. 生物化學實驗[M]. 杭州:浙江大學出版社,2002:92-93.于輝輝,李道亮,李瑾,等. 水產品質量安全監管系統關鍵控制點分析[J]. 江蘇農業科學,2014,42(1):239-241.endprint
處理1溶解條件CaCO3(g)1乙二胺四乙酸二鈉(mL)a1NaOH(g)b1反應方式1反應前
溶液pH值1前期現象1全部溶解時間
(min)111.00140101靜置14~51少量氣泡12 160211.00140101攪拌14~51較多氣泡1180311.00140101超聲14~51大量氣泡150411.00140111超聲19~101無氣泡1360511.0014012.81超聲113~141無氣泡1-c611.001鹽酸d101靜置1未測1泡沫溢出11注:a.飽和的乙二胺四乙酸二鈉水溶液,濃度為0.3 mol/L;b.固體氫氧化鈉;c.長時間都不能完全溶解;d.用40 mL 0.25 mol/L鹽酸代替0.3 mol/L乙二胺四乙酸二鈉水溶液。
2.1.2反應方式對脫鈣效果的影響室溫下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為 1 g ∶16 mL,反應時間為50 min,分別采用攪拌和超聲波輔助兩種反應方式。由表2可知,在相同條件下,超聲波振蕩比機械攪拌更能促進脫鈣。
2.1.3反應時間對脫鈣的影響室溫下在超聲波輔助下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為1 g ∶16 mL。由圖1可知,脫鈣時間越長,脫鈣效果越好,80 min時脫鈣率即達96.8%,其后脫鈣率有緩慢增長,到120 min時脫鈣率達98.4%。若對甲殼素脫鈣率要求不高,則以80 min為最佳脫鈣時間,以提高脫鈣效率。Aline等報道025 mol/L的鹽酸15 min即可脫鈣完全[14]。這說明,即使有超聲波輔助,0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉水溶液的脫鈣速率仍不及0.25 mol/L的鹽酸。因此,相比乙二胺四乙酸二鈉,鹽酸是更高效的脫鈣劑;若對提取出的甲殼素分子量沒有要求,應選用鹽酸作脫鈣劑,因為脫鈣時間可以較短;若要求提取出高分子量的甲殼素,則可選用乙二胺四乙酸二鈉為脫鈣劑,但脫鈣時間應比較長。
2.2脫蛋白
2.2.1NaOH溶液對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,用不同濃度的NaOH溶液進行脫蛋白試驗,固液比為1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,反應溫度為65 ℃。由圖2可知,NaOH濃度較低時,單位時間內脫出的蛋白質較少,這是由于在此條件下蛋白質水解反應較慢。隨NaOH濃度增加,蛋白質水解反應加快,單位時間內脫出的蛋白質增多,NaOH濃度在1.5 mol/L時蛋白質脫出量最高。但當NaOH濃度超過1.5 mol/L時,測得的蛋白質脫出量反而有所降低。
2.2.2反應溫度對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在不同溫度下進行脫蛋白試驗,固液比為 1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L。由圖3可知,在35~75 ℃范圍內,55 ℃時蛋白質脫出量最多。溫度低于55 ℃時,因為水解反應較慢,所以單位時間內蛋白質脫出量較少。溫度高于55 ℃,可能因為蛋白質變性,所以水解反應反而較慢,單位時間內蛋白質脫出量也會較少。因此,55 ℃為最佳脫蛋白反應溫度。
2.2.3反應時間對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃條件下,進行脫蛋白試驗。從圖4可以看出,蛋白質脫出量隨反應時間的延長而增加,當反應時間達到100 min后蛋白質脫出量幾乎不發生變化,因此綜合考慮脫蛋白效果和能耗,以100 min作為最佳反應時間。
2.2.4操作方式對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃,反應時間為100 min條件下,分別用超聲波振蕩法和機械攪拌法進行脫蛋白試驗。表3數據說明,相比于機械攪拌,超聲波振蕩能顯著提高蝦殼渣中蛋白質的脫出量。
表3反應方式對脫蛋白的影響
反應方式1蛋白質脫出量(%)機械攪拌12.7超聲波振蕩18.8
3結論
超聲波輔助法相對于傳統的機械攪拌法能顯著提高脫鈣和脫蛋白的速率。在超聲波輔助下,從蝦殼中提取甲殼素的較佳工藝條件為:乙二胺四乙酸二鈉為0.3 mol/L,脫鈣時間為 80 min,脫鈣溫度為室溫;NaOH溶液濃度為1.5 mol/L,脫蛋白溫度為 55 ℃,脫蛋白時間為100 min。較佳工藝條件下提取出的粗甲殼素呈淺粉白色,若需獲得白色甲殼素,尚需進行脫色處理。
參考文獻:
[1]蔣挺大. 甲殼素[M]. 北京:化學工業出版社,2003:1-16.
[2]侯佰立,吉宏武,王燕,等. 凡納濱對蝦蝦頭制備甲殼素工藝的研究[J]. 食品工業科技,2011,32(10):273-276.
[3]劉毅,楊丹,何蘭珍. EDTA脫鈣法制備甲殼素[J]. 化學研究與應用,2004,16(2):278-279.
[4]何蘭珍,楊丹,劉毅,等. 制備甲殼素過程中EDTA脫鈣法的研究[J]. 食品與生物技術學報,2008,27(4):49-52.
[5]黃俊嫻,楊建男. EDTA處理蝦殼制備甲殼素的研究[J]. 現代食品科技,2009,25(3):296-297,311.
[6]顧正桂,林軍,顧美娟. 甲殼素系列產品生產過程的優化及裝置的改進[J]. 現代化工,2009,29(1):62-65,67.
[7]李廷盛,尹其光. 超聲化學[M]. 北京:科學出版社,1995:32-93.
[8]彭元懷,黃川,趙澤潔. 超聲波輔助提取蝦殼甲殼素的工藝研究[J]. 食品工業科技,2012,33(9):304-308.
[9]陳忻,袁毅樺,劉佳,等. 超聲波法制備高黏度的殼聚糖[J]. 水產科學,2007,26(6):352-354.
[10]莫祺紅,盧潔,黃佩芳,等. 超聲波預處理脫乙酰化制備殼聚糖的研究[J]. 食品科技,2009,34(8):224-227.
[11]程建國. 無機及分析化學實驗[M]. 杭州:浙江科學技術出版社,2006:53-55.
[12]黃俊嫻,楊建男. 返滴定法監測EDTA處理蝦殼制備甲殼素過程中的脫鈣率[J]. 化學分析計量,2007,16(6):49-51.
[13]史鋒. 生物化學實驗[M]. 杭州:浙江大學出版社,2002:92-93.于輝輝,李道亮,李瑾,等. 水產品質量安全監管系統關鍵控制點分析[J]. 江蘇農業科學,2014,42(1):239-241.endprint
處理1溶解條件CaCO3(g)1乙二胺四乙酸二鈉(mL)a1NaOH(g)b1反應方式1反應前
溶液pH值1前期現象1全部溶解時間
(min)111.00140101靜置14~51少量氣泡12 160211.00140101攪拌14~51較多氣泡1180311.00140101超聲14~51大量氣泡150411.00140111超聲19~101無氣泡1360511.0014012.81超聲113~141無氣泡1-c611.001鹽酸d101靜置1未測1泡沫溢出11注:a.飽和的乙二胺四乙酸二鈉水溶液,濃度為0.3 mol/L;b.固體氫氧化鈉;c.長時間都不能完全溶解;d.用40 mL 0.25 mol/L鹽酸代替0.3 mol/L乙二胺四乙酸二鈉水溶液。
2.1.2反應方式對脫鈣效果的影響室溫下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為 1 g ∶16 mL,反應時間為50 min,分別采用攪拌和超聲波輔助兩種反應方式。由表2可知,在相同條件下,超聲波振蕩比機械攪拌更能促進脫鈣。
2.1.3反應時間對脫鈣的影響室溫下在超聲波輔助下,用0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對干蝦殼粉進行脫鈣,固液比為1 g ∶16 mL。由圖1可知,脫鈣時間越長,脫鈣效果越好,80 min時脫鈣率即達96.8%,其后脫鈣率有緩慢增長,到120 min時脫鈣率達98.4%。若對甲殼素脫鈣率要求不高,則以80 min為最佳脫鈣時間,以提高脫鈣效率。Aline等報道025 mol/L的鹽酸15 min即可脫鈣完全[14]。這說明,即使有超聲波輔助,0.3 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉水溶液的脫鈣速率仍不及0.25 mol/L的鹽酸。因此,相比乙二胺四乙酸二鈉,鹽酸是更高效的脫鈣劑;若對提取出的甲殼素分子量沒有要求,應選用鹽酸作脫鈣劑,因為脫鈣時間可以較短;若要求提取出高分子量的甲殼素,則可選用乙二胺四乙酸二鈉為脫鈣劑,但脫鈣時間應比較長。
2.2脫蛋白
2.2.1NaOH溶液對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,用不同濃度的NaOH溶液進行脫蛋白試驗,固液比為1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,反應溫度為65 ℃。由圖2可知,NaOH濃度較低時,單位時間內脫出的蛋白質較少,這是由于在此條件下蛋白質水解反應較慢。隨NaOH濃度增加,蛋白質水解反應加快,單位時間內脫出的蛋白質增多,NaOH濃度在1.5 mol/L時蛋白質脫出量最高。但當NaOH濃度超過1.5 mol/L時,測得的蛋白質脫出量反而有所降低。
2.2.2反應溫度對脫蛋白效果的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在不同溫度下進行脫蛋白試驗,固液比為 1 g ∶16 mL,超聲時間為60 min,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L。由圖3可知,在35~75 ℃范圍內,55 ℃時蛋白質脫出量最多。溫度低于55 ℃時,因為水解反應較慢,所以單位時間內蛋白質脫出量較少。溫度高于55 ℃,可能因為蛋白質變性,所以水解反應反而較慢,單位時間內蛋白質脫出量也會較少。因此,55 ℃為最佳脫蛋白反應溫度。
2.2.3反應時間對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃條件下,進行脫蛋白試驗。從圖4可以看出,蛋白質脫出量隨反應時間的延長而增加,當反應時間達到100 min后蛋白質脫出量幾乎不發生變化,因此綜合考慮脫蛋白效果和能耗,以100 min作為最佳反應時間。
2.2.4操作方式對脫蛋白的影響以高脫鈣率的蝦殼渣為原料,在固液比為1 g ∶16 mL,NaOH溶液濃度為 1.5 mol/L,反應溫度為55 ℃,反應時間為100 min條件下,分別用超聲波振蕩法和機械攪拌法進行脫蛋白試驗。表3數據說明,相比于機械攪拌,超聲波振蕩能顯著提高蝦殼渣中蛋白質的脫出量。
表3反應方式對脫蛋白的影響
反應方式1蛋白質脫出量(%)機械攪拌12.7超聲波振蕩18.8
3結論
超聲波輔助法相對于傳統的機械攪拌法能顯著提高脫鈣和脫蛋白的速率。在超聲波輔助下,從蝦殼中提取甲殼素的較佳工藝條件為:乙二胺四乙酸二鈉為0.3 mol/L,脫鈣時間為 80 min,脫鈣溫度為室溫;NaOH溶液濃度為1.5 mol/L,脫蛋白溫度為 55 ℃,脫蛋白時間為100 min。較佳工藝條件下提取出的粗甲殼素呈淺粉白色,若需獲得白色甲殼素,尚需進行脫色處理。
參考文獻:
[1]蔣挺大. 甲殼素[M]. 北京:化學工業出版社,2003:1-16.
[2]侯佰立,吉宏武,王燕,等. 凡納濱對蝦蝦頭制備甲殼素工藝的研究[J]. 食品工業科技,2011,32(10):273-276.
[3]劉毅,楊丹,何蘭珍. EDTA脫鈣法制備甲殼素[J]. 化學研究與應用,2004,16(2):278-279.
[4]何蘭珍,楊丹,劉毅,等. 制備甲殼素過程中EDTA脫鈣法的研究[J]. 食品與生物技術學報,2008,27(4):49-52.
[5]黃俊嫻,楊建男. EDTA處理蝦殼制備甲殼素的研究[J]. 現代食品科技,2009,25(3):296-297,311.
[6]顧正桂,林軍,顧美娟. 甲殼素系列產品生產過程的優化及裝置的改進[J]. 現代化工,2009,29(1):62-65,67.
[7]李廷盛,尹其光. 超聲化學[M]. 北京:科學出版社,1995:32-93.
[8]彭元懷,黃川,趙澤潔. 超聲波輔助提取蝦殼甲殼素的工藝研究[J]. 食品工業科技,2012,33(9):304-308.
[9]陳忻,袁毅樺,劉佳,等. 超聲波法制備高黏度的殼聚糖[J]. 水產科學,2007,26(6):352-354.
[10]莫祺紅,盧潔,黃佩芳,等. 超聲波預處理脫乙酰化制備殼聚糖的研究[J]. 食品科技,2009,34(8):224-227.
[11]程建國. 無機及分析化學實驗[M]. 杭州:浙江科學技術出版社,2006:53-55.
[12]黃俊嫻,楊建男. 返滴定法監測EDTA處理蝦殼制備甲殼素過程中的脫鈣率[J]. 化學分析計量,2007,16(6):49-51.
[13]史鋒. 生物化學實驗[M]. 杭州:浙江大學出版社,2002:92-93.于輝輝,李道亮,李瑾,等. 水產品質量安全監管系統關鍵控制點分析[J]. 江蘇農業科學,2014,42(1):239-241.endprint