廢棄蝦殼制備殼聚糖的工藝改進

志壯

(寧夏理工學院 寧夏 石嘴山 753000)

蝦殼中甲殼素含量為20%，甲殼素是僅次于纖維素的天然高分子化合物，被譽為“第六生命要素”。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化產物，在食品、醫學，環保等領域均有廣泛的用途[1]。大量的蝦殼餐后被丟棄，造成浪費和污染，本文提出將蝦殼廢物利用制備殼聚糖。

目前，國內制備殼聚糖的方法主要用酸脫鈣、堿脫蛋白、高錳酸鉀脫色、濃堿脫乙酰基的化學法來制備甲殼素[2]。

本文嘗試對傳統工藝進行改進旨在解決傳統工藝在生產中的缺點，提高殼聚糖產率。通過使用不同酸進行脫鈣，以灰分作為脫鈣效果指標，在不同反應介質下進行脫乙酰，以脫乙酰度作為評價指標。因此，改進工藝的具體做法是在脫鈣時加入助劑-乙酸，在脫乙酰時添加無水乙醇作為脫乙酰反應介質，反應后無水乙醇無毒易于回收利用。

一、材料與方法

(一)材料

青蝦蝦殼；濃鹽酸、氫氧化鈉、過氧化氫、無水乙醇等均為市售分析純；電磁攪拌器、電子天平、電熱恒溫鼓風干燥箱、恒溫水浴鍋等。

(二)實驗方法

1.蝦殼脫鈣。稱取處理過蝦殼的50 g，超微粉碎，在25℃水浴中加入250mL混酸(鹽酸：助劑-乙酸=7:1)[3]。在電磁攪拌器不停攪拌下進行脫鈣。電磁攪拌器轉速反應開始調為快速，目測到反應液粘度變大后逐漸調慢，脫鈣反應后觀察反應液中有無氣泡，若有氣泡，加混酸繼續脫鈣，水洗至中性，抽濾。濾液用來測脫鈣率。

2.脫蛋白、脫色素。將脫鈣后產物與10%氫氧化鈉溶液(料堿比1:5)在100℃水浴中脫蛋白3h，測含氮量。若含氮量>7%，需要重復進行脫蛋白操作，直至含氮量<7%，水洗至中性。

將脫蛋白后產物與8%雙氧水在25℃水浴中脫色1h，水洗、烘干。白色或微黃色甲殼素產品[4]，測定水分、灰分、含氮量、脫鈣率，計算甲殼素產率。

3.脫乙酰。取10克甲殼素產品和濃度分別為35%、40%、45%、50%、55%的無水乙醇溶液及濃度分別為21%、23%、25%、27%、29%的氫氧化鈉溶液(料堿比1:5),在90℃水浴中用電磁攪拌器攪拌反應3 h、4 h、5 h、6 h、8 h脫乙酰[5]，氫氧化鈉溶液和無水乙醇溶液的體積比為20:1。然后過濾、水洗至中性、干燥得殼聚糖產品，測定殼聚糖脫乙酰度，計算殼聚糖產率。

(三)測定方法

(1)水分的測定—直接干燥法

(2)灰分的測定—高溫灼燒法

(3)含氮量的測定—半微量定氮法

(4)甲殼素∕殼聚糖產率—稱量計算法

(5)脫鈣率的測定—EDTA滴定法

(6)脫乙酰度的測定—酸堿滴定法

(四)實驗設計

1.設計脫鈣階段鹽酸、助劑-乙酸的濃度和脫鈣時間三個因素三個水平的Box-Behnken中心組合實驗表，共17組實驗。

2.設計脫乙酰階段氫氧化鈉溶液濃度、無水乙醇濃度和反應時間三個因素三個水平的正交實驗表，共9組實驗。

(五)殼聚糖品質測定

對傳統工藝和改進工藝制備的殼聚糖產品結構進行表征。首先對殼聚糖進行定性反應[6]；其次對殼聚糖進行提純，利用紅外光譜分析殼聚糖的結構特性[7]；再次對殼聚糖進行熱重分析；最后用粘度法測定分子量[8]。

二、結果與分析

(一)脫鈣工藝改進實驗結果討論

設計Box-Behnken的中心組合實驗方案，用響應面設計法優化改進脫鈣工藝。建立了響應值脫鈣率與三個自變量鹽酸濃度、助劑-乙酸濃度、脫鈣時間之間的數學模型，用Design Expert 7.0軟件對實驗數據進行分析，繪制了三個因素相互作用對脫鈣率影響的響應面，得出三個因素對脫鈣率影響程度的順序為：脫鈣時間﹥鹽酸濃度﹥助劑-乙酸濃度，最終確定蝦殼脫鈣改進工藝最佳條件為：鹽酸濃度10%、助劑-乙酸濃度15%、脫鈣時間4.5h，此條件下脫鈣率達87.77%。改進工藝成本低、污染小。

(二)脫乙酰工藝改進實驗結果討論

甲殼素脫乙酰改進工藝進行單因素實驗，得到單因素實驗最佳條件為：無水乙醇濃度55%、氫氧化鈉濃度28%、反應時間8 h。選擇氫氧化鈉濃度、反應時間、無水乙醇濃度單因素最佳條件及其左右的條件，設計三因素三水平的正交實驗，共進行9組。最終得到甲殼素脫乙酰改進工藝最佳工藝條件為：無水乙醇濃度50%、氫氧化鈉濃度30%、反應時間8h，此條件下脫乙酰度為88.0%。改進后工藝成本低、污染小，無水乙醇可回收利用。

(三)殼聚糖產品品質對比

比較傳統工藝和改進工藝制備的甲殼素和殼聚糖的水分、灰分、含氮量、脫鈣率、脫乙酰度，產率等可知，兩種工藝制得產品均已達到工業級標準，并且改進工藝產率和脫鈣率明顯高于傳統工藝，脫乙酰度稍低于傳統工藝。由此可知，改進工藝具有優勢，可進行工業生產。

采用紅外光譜、TG分析等儀器分析技術對傳統工藝和改進工藝制得殼聚糖進行產品表征，并測定了粘度和分子量，探討不同工藝對產品質量的影響，主要結果如下：

1、兩種工藝經紅外光譜測試發現制得殼聚糖結構相同且熱降解均一步完成。傳統工藝的熱穩定性優于改進工藝，原因是傳統工藝生產產品結晶度較高。改進工藝的粘度和分子量高于傳統工藝。改進工藝酰胺鍵增多。

2、綜合產品質量、環境保護、操作難易、生產周期等因素，認為改進工藝制備殼聚糖有明顯的優勢，可進行中試，為工業化生產奠定理論基礎。