利用蟬蛻提取甲殼素的工藝研究

楊佳紅，靳玲俠，張繼林，李　琛

利用蟬蛻提取甲殼素的工藝研究

楊佳紅1，靳玲俠1，張繼林2，李琛1

（1.陜西理工大學化學與環境科學學院，陜西漢中 723001；
2.勉縣環境保護監測站，陜西勉縣 723001）

以Ca（OH）2的沉淀重量為指標，采用正交實驗設計，研究了HCl質量分數、溫度、酸浸時間對脫鈣的影響，同時研究了堿質量分數、反應時間對脫蛋白質的影響及適合甲殼素脫色條件。得到最佳工藝為：WHCl=5.0%，反應溫度20℃，酸浸時間1 h；WNaOH=10%，反應溫度90℃，反應時間2 h；用WKMnO4=5%，WNaHSO3=10%進行脫色。

蟬蛻；甲殼素；殼聚糖

甲殼素又名甲殼質，幾丁質，是一種含氮的多糖天然高分子化合物，化學名稱為（1，4）-2-乙酰氨基-汕-D葡萄糖，具有與纖維素相近的分子骨架結構。近年來，大量研究圍繞甲殼素的結構、性質及應用等方面進行展開，通過對加工工藝進行改進，并延伸于醫藥、工業、食品及農業中，尤其是在醫藥和日用化妝品加工領域及水處理中應用廣泛［1-4］。為了改進甲殼素及殼聚糖水溶解性能差的缺陷，相繼制備出各種不同性能的殼聚糖［5-7］，從而極大拓展了甲殼素的應用前景。甲殼素資源在自然界中十分豐富，而目前人們提取甲殼素主要從蝦、蟹殼中［8-9］，也有從蠶蛹殼，蛆蠅殼中提取，但是從蟬蛻中提取甲殼素很少有系統的報道。蟬蛻是一種常見的中藥材，陜南地區資源豐富，煎服有清咽利喉，明目祛火的工效［10］。本文研究了從蟬蛻粉末中提取甲殼素的最佳工藝。這項工作不僅對中藥材資源的開發利用提出了新思路，也為制備甲殼素提供了新的原料來源，使得資源可充分有效利用。

1　實驗部分

1.1實驗原理

CaCO3是蟬蛻中的主要無機成分，蛋白質、甲殼素和少量的色素是蟬蛻中的主要有機成分，因此以蟬蛻為原料，提取甲殼素，本質上就是將CaCO3、蛋白質及色素分進行分離。一般采用鹽酸對于脫除CaCO3組分進行處理，其反應方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O，可溶性鈣鹽可隨溶液濾出；根據蛋白質的兩性特點，利用氫氧化鈉溶液進行加熱溶出；利用高錳酸鉀進行浸泡，過濾，然后用清水洗至中性以達到脫除色素目的，經干燥后得到甲殼素，將制取的甲殼素經濃氫氧化鈉溶液，在特定條件下水解脫乙酰基，便可得到能溶于稀酸的殼聚糖。

1.2材料與儀器

蟬蛻：從藥材公司獲取。國產分析純試劑：亞硫酸氫鈉、鹽酸、高錳酸鉀及氫氧化鈉。儀器：恒溫水浴鍋、電子稱、干燥箱、真空泵、分析天平及粉碎機。

1.3甲殼素的制備

1.3.1對原料進行預處理

將洗凈并除泥沙的蟬蛻晾干，為縮短干燥時間，可將其剪斷，在60℃下進行烘干。烘干后可粉碎成粉末狀。

CaCO3的脫除，取5g烘干粉碎的蟬蛻，用5%的鹽酸，20℃下恒溫浸取1.0h，過濾后，用水洗至中性。蛋白質的脫除，將清洗后的蟬蛻用10%的氫氧化鈉溶液在90℃下加熱攪拌2.0h，然后進行過濾，并水洗直至中性。色素的脫除，蟬蛻中CaCO3及蛋白質的脫除后為肉色或橙色，必須利用高錳酸鉀進行氧化脫色后才可獲得產品。即將脫鈣脫蛋白質后的甲殼素放入5%的KMnO4溶液浸泡0.5h，濾出洗凈后再用8%的NaHSO3溶液在常溫下攪拌1.5h，直至深褐色沉淀的顏色完全褪變成白色。

1.3.2對樣品進行干燥

脫除色素的甲殼素可用水沖洗直至中性，自然晾干或在60℃下進行烘干，便可得到白色或微黃色的甲殼素。

1.4對甲殼素進行質量分析

衡量甲殼素的一個重要質量指標為灰分含量，一般要求灰分含量低于1%。用鹽酸（1∶4）溶液將瓷坩堝煮沸10min，洗凈，并放至馬弗爐中在500～600℃下進行灼燒至恒重，準確稱取樣品1～2g置于坩堝中，將其放入馬弗爐中在300℃進行灼燒2.0h，直至完全灰化，然后再升溫至600℃持續2.0h，冷卻直至200℃以下，取出并置于干燥器中，進行冷卻0.5h，對其稱重，然后再置于馬弗爐中600℃灼燒1h，如此反復，直至恒重。可按下式計算灰分含量X：

式中：M1，M2及M3分別為坩堝與樣品的總質量，坩堝與灰分的總質量及灼燒至恒重時的坩堝質量。質量單位均為g。

1.5甲殼素性質的測定

將一定量的甲殼素分別注入10mL的水和濃鹽酸中，觀察其溶解性。

1.6甲殼素的脫乙酰基反應

將一定量的甲殼素浸泡于50.0%的NaOH溶液中加熱到60～130℃處理4.0～6.0h即可完成其脫乙酰基上午操作，脫乙酰基的甲殼素再加入稀醋酸后即可溶解，過濾除去雜質，所得溶液加堿后即可析出其衍生物殼聚糖。

2　結果分析

2.1甲殼素產率

稱取烘干粉碎的5g蟬蛻，最終得到的甲殼素質量為1.0750 g，產率為21.5%，灰分為0.2%。

2.2酸處理時間與溫度對無機組分分離的影響

對蟬蛻中進行CaCO3、蛋白質及色素的脫除從而提取甲殼素，其中CaCO3的脫除步驟中以鈣離子含量［Ca（OH）2沉淀質量］為考察指標，采用正交實驗，以L9（34）正交設計表，鹽酸濃度、溫度、時間為考察因素安排實驗，列表1和 2中。

2.2.1 操作方法

取5g樣品9份，按照表2實驗條件，分別加入50mL鹽酸，進行過濾，并去除濾液然后再測定鈣離子的含量（濾液中加入的過量NaOH溶液至不再產生沉淀為止，進行過濾，并棄除濾液，將過濾獲得的沉淀進行干燥，并稱重，以沉淀量可代替鈣離子的含量），殘渣可留做進一步脫蛋白質，進而制得甲殼素的粗品。

表1　因素水平表

表2　正交設計方案

2.3蟬蛻甲殼素脫色工藝的研究

蟬蛻中含甲殼素25.0%，含氮7.8%，灰分14.6%，其他為喋啶色素類物質，酚類物質，蛋白質，氨基酸等。以蟬蛻制備甲殼素，其脫色條件中，與蝦、蟹為原料提取甲殼素時具有明顯不同。蝦紅素為蝦，蟹殼中的主要色素，高錳酸鉀極易容易氧化除去其色素，而喋啶類色素為蟬蛻中的主要色素，在酸堿的作用下，喋啶類色素極易轉變為顏色更深的咖啡色物質，低濃度的高錳酸鉀很難氧化此類色素。因而采用高濃度的高錳酸鉀進行氧化，同時在漂白過程中，相應提高亞硫酸氫鈉的濃度，而且反應時間也要相應延長。這樣可以得到質量交好的產品。不同脫色條件制得的產品質量情況見表3。

表3　不同條件對產品脫色效果的影響

實驗表明：采用5.0%的高錳酸鉀和10.0%的亞硫酸氫鈉為還原劑，分別處理0.5h和1.5h，可得到白色片狀、分子量范圍穩定的甲殼素。

3　結論

1）利用粉碎的蟬蛻提取甲殼素的最佳工藝條件為：先用5%的鹽酸在20℃下浸泡1.0h，過濾并洗至中性；再用10%的氫氧化鈉溶液在90℃下浸泡2.0h過濾并洗至中性；在用5%高錳酸鉀微沸浸泡0.5h，濾去浸泡液后，用10%亞硫酸氫鈉微沸浸煮1.5h，水洗至中性，晾干可得白色的甲殼素。

2）蟬蛻原料易得，制備工藝簡單，將成為獲得天然多糖的另一可行途徑。

［1］ 劉恒勝，姜燕冬.甲殼素（糖）制備與應用［J］.應用科技，1998，（7）.

［2］ 陳一，周強，王鳳彩.甲殼素的開發應用前景［J］.糧食科技與經濟，2002.

［3］ 蔡玲，李愛陽，何曉梅.甲殼素/殼聚糖在水處理中的應用［J］.吉林化工學院學報，2006.

［4］ 張海容，白寶林，任光明，等.甲殼素、殼聚糖研究與應用進展［J］.忻州師范學院學報，2006.

［5］ 夏文水，陳潔.甲殼素和殼聚糖的化學改性及其應用［J］.無錫輕工業學院學報，1994.

［6］ 楊安樂，陳長春，孫康，等.甲殼素的改性研究及其在功能材料上的應用［J］.現代化工.1999.

［7］ 佟妍.甲殼素改性產品的提取制備工藝的研究［J］.天津化工，2007.

［8］ 陳珊珊.甲殼素及殼聚糖的制備工藝［J］.蕪湖職業技術學院學報，2001.

［9］ 朱凱，朱新寶，羅金岳.克氏鰲峽制備甲殼素及殼聚糖的研究［J］.化學工業與工程技術，2005.

Extraction Technology of Utilizing Chitin

Yang Jia-hong，Jin Ling xia，Zhang Ji-lin，Li Chen

To precipitate Ca（OH）2as an index of weight，orthogonal experimental design to study the HCl concentration，temperature，leaching time of decalcification，also studied alkali concentration，reaction time deproteinized influence and the conditions for decolorization chitin.Obtain optimum process：WHCl= 5.0%，the reaction temperature is 20 ℃，leaching time 1 h；WNaOH= 10%，the reaction temperature is 90 ℃，reaction time 2 h；with WKMnO4= 5%，WNaHSO3= 10% decolorization.

cicada；chitin；chitosan

TQ28

A

1003-6490（2016）06-0080-02

2016-06-01

2016年大學生創新創業訓練計劃項目基金資助項目（2016009）。

楊佳紅（1995—），女，陜西勉縣人，本科在讀，主要研究方向為化學教育專業。