苯磺酸衍生物提取蝦殼中甲殼素研究

摘 要：探究了利用對(duì)甲基苯磺酸和對(duì)羥基苯磺酸從南美白對(duì)蝦蝦殼中提取甲殼素的可行性，對(duì)甲殼素這一物質(zhì)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域有重要影響。

關(guān)鍵詞：蝦殼;甲殼素;對(duì)甲基苯磺酸;對(duì)羥基苯磺酸

1 前言

本研究旨在研究苯磺酸衍生物處理蝦殼提取甲殼素的可行性，利用這些酸一步分離除去蛋白質(zhì)、無機(jī)質(zhì)等雜質(zhì)，得到高純度的甲殼素，為蝦殼資源的高效利用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備部分

2.1 材料、試劑和儀器

南美對(duì)蝦蝦殼風(fēng)干至水分6.51±0.13%，將蝦殼破碎成

粉狀，保留下40-200目的蝦粉，密封，置于干燥器中保存。

2.2 蝦皮和甲殼素的溶解

稱取0.04 g的蝦殼（或甲殼素純品），置于2 mL離心管中，用移取1 mL一定濃度的對(duì)甲基苯磺酸溶液（對(duì)羥基苯磺酸）于離心管中溶解。密封后放入80℃的鼓風(fēng)干燥箱中，反應(yīng)2 h后取出。在離心機(jī)中以2600 rpm的轉(zhuǎn)速下離心2 min，棄去上清液，將固體物質(zhì)分別用去離子水和無水乙醇洗滌，置于105℃的烘箱中烘干至恒重，然后將固體物質(zhì)洗去，將離心管洗凈，烘干，稱量離心管重量。計(jì)算溶出物質(zhì)的比例。

在研究蝦粉顆粒尺寸對(duì)溶解的影響實(shí)驗(yàn)中，按下表1對(duì)蝦粉編號(hào)。

3 分析與結(jié)果討論

3.1 蝦粉原料的成分

將蝦殼粉碎、過篩后得到蝦粉，其主要成分包含了蛋白質(zhì)（28.58%）、甲殼素（27.95%）、無機(jī)灰分（23.94%）和脂肪（7.90%），其他成分合計(jì)占比11.63%。從理論上計(jì)算，每千克絕干蝦粉最多能產(chǎn)生279.5 g甲殼素。

3.2 兩種苯磺酸衍生物對(duì)甲殼素的溶解能力

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種苯磺酸衍生物不能溶解純的甲殼素。先采用恒重法測定甲殼素純品的水分含量，結(jié)果為水分6.90±0.08%。將甲殼素溶解于不同濃度對(duì)甲基苯磺酸（或?qū)αu基苯磺酸），測得絕干固體質(zhì)量占樣品（含水分6.90± 0.08%）的比值在93.5%～94.2%之間，與未處理的對(duì)照樣品除卻水分后的固體含量93.10%相比，沒有下降，反而略有上升。對(duì)羥基苯磺酸與對(duì)甲基苯磺酸測試結(jié)果類似，沒有引起固體物質(zhì)的顯著減少。表明甲殼素在對(duì)甲基苯磺酸和對(duì)羥基苯磺酸中不能溶解，可以用來提純甲殼素的。

3.3 兩種苯磺酸衍生物對(duì)蝦殼的溶解能力

3.3.1 酸濃度的影響

使用水分含量6.5%（下同）的40-200目蝦粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分散在0.1～2mol/L的對(duì)甲基苯磺酸（或?qū)αu基苯磺酸）中，處理完成后測量絕干固體質(zhì)量占樣品的比值，扣除水分6.5%，計(jì)算溶解比發(fā)現(xiàn)：蝦粉固體的溶解比與酸濃度的關(guān)系十分復(fù)雜，在低酸濃度（0.1～0.4mol/L）時(shí)，酸濃度越高，溶出物質(zhì)越多，二者大體呈線性關(guān)系;在酸濃度0.4～0.8mol/L范圍內(nèi)，溶解比達(dá)到峰值，對(duì)甲基苯磺酸略高于對(duì)羥基苯磺酸;酸濃度0.8～2mol/L范圍內(nèi)，酸越多，越容易發(fā)生衍生化反應(yīng)，殘留在固體上越多。

3.3.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

時(shí)間不足可能會(huì)造成蝦殼組分溶解的不徹底，本實(shí)驗(yàn)考察了在80℃條件下，溶解0～6 h后溶出物占絕干原料的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)2 h，蝦粉固體溶解比就能接近峰值，持續(xù)增大反應(yīng)時(shí)間不能提高固體物質(zhì)（主要是甲殼素）的溶解比例。

3.3.3 蝦粉尺寸的影響

用0.8 mol/L對(duì)甲基苯磺酸不同尺寸的蝦粉做溶解實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)2 h后發(fā)現(xiàn)，尺寸越小，溶解比越高，含有低目數(shù)、小尺寸的顆粒越多，溶解比越高。目數(shù)在80-200目時(shí)，對(duì)甲基苯磺酸對(duì)蝦殼的處理效果最好，溶解比可達(dá)68.38%，相當(dāng)于85.5%的純度。對(duì)羥基苯磺酸對(duì)不同目數(shù)的蝦粉具有相同的溶解規(guī)律，最大溶解比略低（65.63%），得到純度約74.1%的甲殼素。一般而言，干燥狀態(tài)下研磨最容易得到小尺寸的蝦粉顆粒，尺寸越小，與溶劑的接觸面積越大，反應(yīng)速率越大，可溶解物質(zhì)的溶出比效率也越高。

3.4 形貌與化學(xué)組成分析

3.4.1 SEM和化學(xué)組成分析

使用0.4 mol/L的對(duì)甲基苯磺酸在80℃處理的40-200目蝦粉樣品（反應(yīng)2 h），得到提純的甲殼素樣品。對(duì)該樣品做表面形貌分析。經(jīng)過對(duì)甲基苯磺酸衍生物的處理，蝦粉大顆粒的尺寸從1 mm左右下降至500 μm以下，顆粒表面覆蓋的鈣質(zhì)化顆粒顯著減少。但對(duì)羥基苯磺酸對(duì)尺寸降低沒有對(duì)甲基苯磺酸那么明顯，而且一些顆粒表面還保留了明顯的鈣化斑塊，這反映了對(duì)羥基苯磺酸處理除鈣并不徹底。化學(xué)組分分析（結(jié)果在圖1中）印證了苯磺酸衍生物確實(shí)可以去除掉蝦粉中的蛋白質(zhì)和灰分組成，在高溫下去除雜質(zhì)提高了甲殼素的純度，其中對(duì)甲基苯磺酸處理后的樣品純度達(dá)到90%以上，相比傳統(tǒng)的反復(fù)酸堿洗滌，大大地簡化提純步驟。

3.4.2 表面元素組成分析

采用X射線光譜儀對(duì)四個(gè)不同樣品做表面元素組成分析，結(jié)果見表2。本研究使用的商品甲殼素表面鈣元素比重0.15%，除了鈣以外，還檢測到了鈉、鎂、鋁、硅等元素，不含有P和S元素，表面含氮量2.21%，低于理論含氮量8.7%，這可能是由于生產(chǎn)甲殼素的酸堿交替處理過除掉了最表面一層甲殼素分子的部分N-乙酰基，而由于致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，酸、堿分子無法攻擊顆粒內(nèi)部的物質(zhì)。

未處理的蝦粉表面比甲殼素對(duì)照樣多了P元素，應(yīng)該是來自于蝦體內(nèi)的細(xì)胞物質(zhì)，如核酸、磷酸化的糖、蛋白質(zhì)等分子。未處理的蝦粉表面氮元素含量很高，但遠(yuǎn)低于灰分的百分比，這說明鈣元素雖然集中在表面，但很可能還有其他物質(zhì)覆蓋著鈣化層。

對(duì)甲基苯磺酸處理得到的甲殼素完全測不到鈣元素，并且表面N元素的比例達(dá)到了8.35%，非常接近理論值，這表明，對(duì)甲基苯磺酸在分離純化甲殼素的同時(shí)，避免了表面N-乙酰基的破壞，這對(duì)于甲殼素表面功能化改性是很有利的。另外，樣品表面多出了S元素，這說明部分對(duì)甲基苯磺酸與甲殼素發(fā)生了反應(yīng)，含S元素磺酸基團(tuán)與碳水化合物的羥基可能發(fā)生了酯化反應(yīng)，這會(huì)造成樣品固體質(zhì)量的增加。

對(duì)羥基苯磺酸的處理盡管也提高了甲殼素的比例，但不夠徹底，仍然殘留了約20%的鈣質(zhì)。

3.4.3 結(jié)晶分析

對(duì)上述四種樣品做了X射線晶體衍射分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原蝦粉樣品位于2θ=29.4°存在一個(gè)強(qiáng)烈的CaCO3的衍射峰，經(jīng)過兩種苯磺酸衍生物的處理，該衍射峰消失了，這表明，對(duì)甲基苯磺酸和對(duì)羥基苯磺酸都能有效地與蝦殼表面的鈣化層反應(yīng)，將Ca離子分離出來，與磺酸基團(tuán)結(jié)合，分別形成對(duì)甲基苯磺酸鈣和對(duì)羥基苯磺酸鈣。但前者溶解度高，不易在后續(xù)的操作中沉積;而后者很可能因?yàn)槿菀壮练e附著在甲殼素樣品表面，盡管衍射峰消失了，但它們以無定型顆粒的形式存在，反映在化學(xué)組成上則表現(xiàn)為灰分和鈣元素的含量仍然顯著。

3.4.4 FT-IR分析

對(duì)甲殼素（標(biāo)記Chitin）、未處理的40-200目的蝦粉和0.40 mol/L的對(duì)甲基苯磺酸處理樣進(jìn)行FT-IR光譜鑒定，結(jié)果表明898cm-1左右屬于環(huán)伸縮振動(dòng)的吸收峰，1020～ 1160cm-1左右是C-O伸縮振動(dòng)的吸收峰，1350cm-1左右是酰胺Ⅲ譜帶，顯然在此位置，甲殼素和對(duì)甲基苯磺酸處理樣比原蝦粉多出了一個(gè)顯著的吸收峰，另外，它們比原蝦粉在1555 cm-1左右酰胺II峰和1650 cm-1左右酰胺I峰的相對(duì)信號(hào)明顯增強(qiáng)，峰更加尖銳，這是對(duì)應(yīng)了甲殼素在表面含量的提升。

4 結(jié)論

①對(duì)甲基苯磺酸和對(duì)羥基苯磺酸不溶解純的甲殼素，但能有效地溶解蝦殼中的其他組分，可以提高甲殼素的純度;

②使用0.40 mol/L對(duì)甲基苯磺酸，在80℃下處理蝦粉2 h，能得到純度90.28%的甲殼素樣品，對(duì)羥基苯磺酸提純能力略低。尺寸越小，蝦粉固體的可溶解比越大，相應(yīng)得到的甲殼素純度越高;

③對(duì)甲基苯磺酸處理后，蝦粉大顆粒的尺寸從1 mm左右下降至500 μm以下，灰分顯著降低，鈣元素被完全去除，表面變得光滑。對(duì)羥基苯磺酸也能溶解蝦粉表面的鈣質(zhì)，完全去除CaCO3的衍射峰，但生成的對(duì)羥基苯磺酸鈣容易沉積成無定形斑塊，覆蓋在顆粒表面，造成灰分和鈣含量偏高，影響甲殼素產(chǎn)品的品質(zhì);

④相比于傳統(tǒng)的酸堿交替反應(yīng)，對(duì)甲基苯磺酸處理具有操作簡單、保留表面N-乙酰基的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會(huì)有少量的磺酸基團(tuán)與碳水化合物發(fā)生衍生化反應(yīng)。

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作者簡介：

唐小紅（1978- ），女，本科學(xué)歷，工程師，益陽市生態(tài)環(huán)境局沅江分局，益陽市沅江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站站長。