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zhuoshuangwen

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专业: 能源化工

[交流] 虾、蟹壳制备甲壳素新工艺探讨

虾、蟹壳制备甲壳素新工艺探讨
卓双文龙岩学院化学与材料学院06应用化工技术
摘要：甲壳素是21世纪的新材料，它对人类社会的发展与进步有着巨大的作用。我国甲壳素资源丰富，但没有得到有效的利用。本文对虾、蟹壳制备甲壳素新工艺进行探讨。用EDTA滴Ca2+法来测定脱钙率，用分光光度法测定脱蛋白率，既简单又方便。
关键词：甲壳素  虾、蟹壳  制备  EDTA  分光光度法
New Technic Exploration of Chitin Fibers Made by Crab Shells
  Zhuo Shuangwen  Wang Huizhong Lei Caihui
06 technology of applied chemical industry department Chemistry and Materials:
Associate Professor of Chemistry and Materials Institute Long Yan College
Abstract: Chitin Fibers is one kind of new materials in the 21st century, new materials. It plays an important role in the development and progress of human society. China is abound in chitin fibers, but chitin fibers has not been effective use. This thesis explores new technic of chitin fibers made by crab shells. It is simple and convenient way to use EDTA with Ca2+ drop method to measure decalcification rate and to use Spectrophotometry to determination of deproteinization rate.
Key words: Chitin, shrimp Crab shells, preparation, EDTA, spectrophotometry

甲壳素的学名为[(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖]，分子式为(C8H13NO5)n，单体之间以β(1→4)甙键连接，分子量一般在106左右，理论含氮量6.9%。其分子结构特点为：氧原子将每个碳原子的糖环连接到下一个糖环上，侧基团“挂”在这些环上。甲壳素分子化学结构与植物中广泛存在的纤维素非常相似，所不同的是，若把组成纤维素的单个分子——葡萄糖分子第二个碳原子上的羟基(OH)换成乙酰氨基(NHCOCH3)，这样纤维素就变成了甲壳素，从这个意义上讲，甲壳素可以说是动物性纤维。

  壳聚糖             甲壳素             纤维素
甲壳素又名甲壳质，壳多糖，壳蛋白，是自然界生物所含的一种氨基多糖。它具有无毒、无味、耐晒、耐热、耐腐蚀，不怕虫蛀和碱的浸蚀，可生物降解的特点。
甲壳素是一种重要的生物资源，具有重要的经济价值和应用前景。甲壳类动物如干的虾和蟹壳是甲壳素的最重要资源。虾壳中壳聚糖含量为20%，龙虾壳中含量为25% ，蟹壳中含量为17%一18%，其余为35%一50%的碳酸钙，30%一40%的蛋白质。[1]它是地球上仅次于纤维素的第二大生物资源，年生物合成量高达100亿吨，可以说是用之不竭的生物资源。这无疑给面临全球资源枯竭危机的人类带来了生机。甲壳素的可降解性使其有望成为塑料的替代物，从而解决人类所面临的“白色污染”问题。甲壳素在自然界的分布十分广泛，所以凡是含有甲壳素的生物体都可以用作制备甲壳素的原料。然而从生产成本考虑，当前大规模生产甲壳素还是取虾蟹的壳为原料，而且这两种资源丰富，又可以与水产加工厂结合，收集成本低。[2]近年来，甲壳素及其衍生物如壳聚糖等作为药物载体、膜材料、化妆品等在食品、农业、化工等特别是医药领域有着广泛的应用[3]
本文通过对传统方法的改进，用成本低的虾、蟹壳制备出甲壳素。
1. 材料与方法
1.1材料
本实验选用的虾、蟹壳来自漳州港。
1.2试剂与仪器
盐酸、氢氧化钠、过氧化氢、高锰酸钾、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠、乙醇、NH3-NH4Cl缓冲液、K-B指示剂、EDTA。
HH-4数显恒温水浴箱、BS124S电子天枰、电热恒温烘干箱、UNIC UV-2000紫外-可见分光光度计、AVATAR360 FT-IR富立叶变换红外光谱仪。
1.3工艺流程
               虾、蟹壳剔杂洗净
                     ↓
                     干燥
                     ↓
         用盐酸脱钙 →用EDTA滴Ca2法来测定脱钙率
                     ↓
                     洗涤
                     ↓
用氢氧化钠脱蛋白 →用分光光度法测定脱蛋白率
                     ↓
洗涤
↙↘
过氧化氢脱色    KMnO4 、NaHSO3脱色
               ↓
               洗涤
               ↓
               干燥
               ↓
               甲壳素
               ↓
红外光谱表征
1.4 实验
1.4.1 脱钙实验
将虾、蟹壳烘干后破碎成1cm的小片，电子天平称取一定量虾、蟹壳片于7个烧杯中，加入40 ml，1％、2％、3％、4％、5％、8％、10％的HCl溶液。室温下浸泡处理后过滤，滤液用EDTA溶液进行滴定[4]。确定脱钙用的盐酸浓度。
在一定盐酸浓度下，分别作不同温度、浸泡时间下脱钙效果实验。
1.4.2 脱蛋白质实验
在经脱钙后的虾、蟹壳片中，加入50 ml， 2％、5％、8％、10％、15％的NaoH溶液处理4h。确定在不同温度碱处理浓度。
在确定的浓度下，处理时间与脱蛋白质效果的影响。用紫外吸收法测定滤液中蛋白质的含量。
1.4.3 脱色实验
用1%KMnO4-1% NaHSO3确定脱色时间。用H2O2作脱色效果实验。确定所需脱色剂的浓度和脱色时间。
2. 结果与讨论
2.1盐酸浓度对脱钙效果的影响。
图1 为HCl浓度与脱钙率关系图

图1 HCl浓度与脱钙率关系图（常温）
由图1可知，随着HCl浓度升高脱钙率上升，但是浓度高于5%时，在提高HCL浓度对提高脱钙效果并不明显，并且高浓度的HCl会加快甲壳素的降解，因此，在保证脱钙充分的前提下，为保证产品的得率，以HCl浓度4%为宜。
2.2 酸浸时间对脱钙效果的影响：
分别于电子天平称取经烘干预处理后得虾、蟹壳片4.000g于烧杯中。以HCl浓度4%在室温和温度70℃浸泡处理。

图2 酸浸时间与脱钙率关系图
由图2可知，酸浸时间越长，脱钙效果就越好，但酸浸时间越长越容易导致甲壳素的降解，在常温下酸浸时间最好为10h，通过对比可知，加热脱钙率有所提高，但提高幅度不大，综合考虑常温进行脱钙为宜。
2.3 氢氧化钠用量对虾、蟹壳脱蛋白效果的影响
脱蛋白率的测定：
用量筒移取50 ml， 2％、5％、8％、10％、15％的NaoH溶液于盛有经预处理后的样品的烧杯中，用恒温水浴槽加热（温度70℃ 4h）
滤液的预处理：
用量筒量出各滤液的体积，并记下数据，备用。
用紫外吸收法测定滤液中蛋白质的含量：
因蛋白质分子中的酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸在280nm处具有最大吸收，且各种蛋白质的这三种氨基酸的含量差别不大，因此测定蛋白质溶液在280nm处的吸光度值是最常用的紫外吸收法。
将待测蛋白质溶液适当稀释K倍，在紫外分光度计中分别测定样品在10mm光径石英比色皿中，分别在280nm 及260nm 两种波长下的吸光度值A280和A260。
当蛋白样品的吸光收比值A280／A260约为1.8，可用下面的公试进行计算：
蛋白质浓度（mg/ml）＝（1.45A280 －0.74A260）×K
图3为NaOH浓度在不同温度下脱蛋白率关系图

图3  NaOH浓度与脱蛋白率关系图
由图3可知NaOH浓度升高，脱蛋白效果没什么改变，通过70℃下的脱蛋白率与常温下脱蛋白率的对比可知，加热可以提高脱蛋白效果。在70℃下NaOH溶液的浓度为5%时脱蛋白效果最显著。
2.4 碱煮时间对脱蛋白效果的影响
于电子天平称取经脱钙处理后得样品4.000g 7份于烧杯中，往7份样品中加入5％的NaOH溶液，于70℃的温水浴中反应。分别处理1、2、3、4、5、6、7小时，后过滤滤液用量筒记录各滤液的体积。用紫外吸收法测定滤液中蛋白质的含量。

图4 碱煮时间与脱蛋白率关系图
由图4可看出，碱煮时间达到5h以后脱蛋白效果并没有明显的提高，在70℃下最佳的碱煮时间应选择5h。
2.5 脱色效果的对比
取4份经脱钙脱蛋白后的甲壳素，用1%KMnO4溶液分别浸泡0.5h、1h、1.5h、2h后，用蒸馏水洗涤2次，再用1% NaHSO3溶液，分别浸泡0.5h、1h、1.5h、2h。观察脱色效果。
取3份经脱钙脱蛋白后的甲壳素，分别用5%、10%30%H2O2溶液浸泡到全部退色，记录所需的时间。
用1% KMnO4-1% NaHSO3不同浸泡时间处理的效果，1% KMnO4浸泡时间1h、1.5h、2h；再用1% NaHSO3浸泡时间为0.5h、1h、1.5h、2h其效果基本相同。所以选择脱色条件是用1%KMnO4溶液浸泡1h，再用1% NaHSO3溶液，浸泡0.5h。不同浓度H2O2脱色处理时间，5% H2O2处理时间为4h, 10%H2O2处理时间为4h，30%H2O2处理时间是1.5h,
脱色条件是用1%KMnO4溶液浸泡1h，再用1% NaHSO3溶液，浸泡0.5h。或用30%的H2O2溶液浸泡1.5h。
脱色与为脱色比较

2.6 红外吸收光谱分析
分别取虾、蟹壳提取甲壳素和国药集团化学试剂有限公司的生化试剂(BR)甲壳素，用KBr压片法，分别测得红外吸收光谱，比较其特征吸收，两者图谱一致，见图5，所测得红外光谱与网络数据库[5]的红外光谱(图6)比较，虾、蟹壳提取甲壳素的分子基团特征吸收峰与网络数据库的红外光谱相一致。

图5 虾、蟹壳提取甲壳素和国药集团的生化试剂(BR)甲壳素红外光谱图

图6 网络数据库甲壳素红外光谱图
3. 结论
  由虾、蟹壳制备甲壳素的最佳工艺条件为：以4％HCl溶液进行脱钙，脱钙时间为10h，加热提高脱钙效果不大，建议常温下进行脱钙。以5%NaOH溶液进行脱蛋白，在70℃的水浴中进行脱蛋白，时间为4h。脱色条件是用1%KMnO4溶液浸泡1h，再用1% NaHSO3溶液，浸泡0.5h。也可以用30%的H2O2溶液浸泡1.5h。
用EDTA滴Ca2+法来测定脱钙率比用原子吸收光谱（AAS）或电感耦合等离子体光谱(ICP-AES)法来测定脱钙率方法较简单、易操作，具有一定的实用价值。用分光光度法测定脱蛋白率比双缩尿法（Biuret法）测定脱蛋白率更精确，比微量凯氏（Kjeldahl）定氮法、Folin－酚试剂法（Lowry法）更简单，易操作。

参考资料
[1]汪多仁.甲壳素、壳聚糖的生产和应用[J]. 印染助剂,2000，17（4）：1-4
[2]张雪,王雪涛. 虾壳制备甲壳素工艺研究[J].  粮油食品  2007（4）15
[3]温玉麟,赵萧涛. 甲壳素及其衍生物在药物制剂中的应用[J] .中国海洋药物,1989,8 (1) :33.
[4]杨建男.返滴定法测定处理虾壳制备甲壳素过程中的脱钙率[J]. 化学分析计量.2007（16）6
[5][DB/OL]：http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

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