海南產蝦蟹殼制取甲殼素的工藝研究

時 杰，劉平懷，劉洋洋，楊 勛，歐陽全林

（海南大學 海南優(yōu)勢資源化工材料應用技術教育部重點實驗室，海南 ?？?570228）

海南產蝦蟹殼制取甲殼素的工藝研究

時 杰，劉平懷*，劉洋洋，楊 勛，歐陽全林

（海南大學 海南優(yōu)勢資源化工材料應用技術教育部重點實驗室，海南 ?？?570228）

研究酸堿法從海南產蝦蟹殼中制取高純度甲殼素的工藝條件.以甲殼素產品質量為評價指標，通過正交試驗確定了最優(yōu)制備工藝為：廢棄蝦蟹殼原料經預處理后依次以1.5mol/L鹽酸溶液浸泡6 h、質量分數(shù)2％NaOH溶液浸泡24 h、質量分數(shù)10％過氧化氫溶液浸泡2 h，干燥得成品.結果，采用此工藝制取的甲殼素的質量指標為水分含量5.32％、灰分含量0.34％、氮含量5.98％、甲殼素含量93.7％，達到食品級標準.

蝦殼；蟹殼；甲殼素；功能性食品

甲殼素作為機能性健康食品，對人體具有強化免疫、抑制老化、預防疾病、促進疾病痊愈和調節(jié)生理機能等五大功能.甲殼素與人體細胞有很強的親和性，可被體內的酶分解而吸收，對人體無毒性和副作用，加上良好的吸濕性、紡絲性和成膜性，因而廣泛地被開發(fā)成優(yōu)良的生物醫(yī)學、藥學材料［1-2］；此外，甲殼素還是一種新型的化工材料和環(huán)保材料［3-4］.

海南具有豐富的海洋生物資源，又地處熱帶地區(qū)，一年四季產蝦蟹等甲殼類生物.《海南省海洋經濟發(fā)展規(guī)劃》中明確提出海南2010年海水蝦蟹養(yǎng)殖產量要達到19萬噸.蝦和蟹都具有一層幾丁質外殼，蝦蟹加工或食用后產生的甲殼類常常當作廢棄物處理，按40％廢棄物計算，海南每年要產生8萬噸以上的甲殼類廢棄物.長期以來，如此大量的蝦蟹等海產甲殼動物廢棄物得不到有效的利用，賓館酒樓每天都有大量的蝦蟹殼廢棄，特別在沿海一些漁村，有時蝦殼蟹殼等廢棄物堆積如山，臭氣熏天.這不僅嚴重污染了環(huán)境，而且浪費了資源.作者利用蝦蟹殼廢棄物生產高質量甲殼素，變廢為寶，在經濟和環(huán)保方面有著重要意義.

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

UDK-142全自動凱氏定氮儀（意大利VELP公司）；T27傅里葉紅外光譜儀（德國Bruker公司）；UV2450紫外光譜儀（日本島津公司）；DHG-9071A電熱鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；SX2-5-12箱式電阻爐（上海博訊實業(yè)有限公司）.

鹽酸、NaOH為工業(yè)級；過氧化氫溶液、硫酸、間苯二酚、甲基紅、溴甲酚綠等均為國產分析純，氨基己糖鹽酸鹽（安徽天啟化工科技有限公司），甲殼素（上海如吉生物發(fā)展有限公司，批號090328，為食品級）.

蝦蟹殼，從市場收集.

1.2 工藝流程

蝦蟹殼→預處理（清水洗凈，干燥后粉碎）→稀鹽酸脫鈣→海水洗至中性→清水沖洗→稀NaOH溶液脫蛋白→海水洗至中性→清水沖洗→過氧化氫溶液脫色→清水沖洗→低溫烘干→甲殼素產品.

1.3 甲殼素制取工藝優(yōu)化

1.3.1 脫鈣工藝優(yōu)化

50 g預處理后的蝦蟹殼與2 L酸液混合進行脫鈣處理.以蝦蟹殼脫鈣后的灰分含量為指標，對影響其脫鈣效果的鹽酸濃度、酸浸時間兩個因素分別進行單因素試驗.鹽酸濃度取0.5mol/L、1.0 mol/L、1.5mol/L、2.0 mol/L四個水平，酸浸時間取4 h、6 h、8 h、16 h四個水平.試驗重復3次，取平均值.

1.3.2 脫蛋白工藝優(yōu)化

以脫鈣及脫蛋白后干燥產物的氮含量為指標，對影響脫蛋白效果的NaOH質量分數(shù)進行單因素試驗.50g脫鈣后的蝦蟹殼與1.5L堿液混合，浸泡24 h.NaOH質量分數(shù)取2％、5％、8％、11％四個水平.試驗重復三次，取平均值.

1.3.3 脫色工藝優(yōu)化

以甲殼素產品的色澤為指標，對影響脫色效果的過氧化氫質量分數(shù)進行單因素試驗.50g脫鈣、脫蛋白后的蝦蟹殼與1 L過氧化氫溶液混合，浸泡2 h.過氧化氫質量分數(shù)取5％、10％、20％、30％四個水平.試驗重復3次，取平均值.

1.3.4 正交試驗

通過SAS統(tǒng)計分析軟件對單因素實驗結果進行分析，根據甲殼素產品的灰分含量、氮含量和色澤三個指標確定綜合評分，以該綜合評分為指標對影響甲殼素產品質量的鹽酸濃度、酸浸時間、NaOH質量分數(shù)和過氧化氫質量分數(shù)四個因素進行正交實驗.試驗重復3次，取平均值.

1.4 產品理化指標和相關參數(shù)的檢測與計算

根據中華人民共和國水產行業(yè)標準（SC/T3403-2004），對成品甲殼素的水分、灰分及氮含量等主要質量指標進行檢測［5］.采用 GB/T 5009.3-2003直接干燥法測定水分含量；GB/T 5009.4-2003干法灰化法測定灰分含量；GB/T 5009.5-2003凱氏定氮法測定氮含量.

實驗所得甲殼素產品與市售食品級甲殼素分別進行紅外及紫外光譜檢測，從而比較兩者甲殼素含量.

1.5 統(tǒng)計分析

采用SAS（STATISTICAL ANALYSIS SYSTEM）8.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據處理，用ANOVA過程T-檢測法做多重比較，進行鹽酸濃度和酸浸時間雙因素的方差分析，確定灰分對甲殼素產品質量的顯著性水平；用ANOVA過程T-檢驗法做多重比較，分別進行NaOH和過氧化氫質量分數(shù)的單因素方差分析，確定各工藝參數(shù)對甲殼素產品質量的顯著性水平；正交試驗以GLM過程做總模型方差分析，最后選擇較優(yōu)提取條件.

2 結果與分析

2.1 甲殼素制取工藝優(yōu)化結果

2.1.1 單因素實驗

甲殼素工藝單因素實驗結果見表1.

表1 甲殼素工藝單因素實驗結果Tab.1 Results of single factor test

由表1可知，鹽酸濃度越高脫鈣效果越好，濃度大于1.5mol/L后去鈣效果無顯著提高，同時考慮到鹽酸濃度的增大會促進甲殼素主鏈降解，故選擇1.5mol/L.酸浸時間越長脫鈣效果越佳，超過6 h后去鈣效果無顯著提高，故選擇6 h.NaOH質量分數(shù)越高，洗脫蛋白質的效果越好，超過5％后除蛋白效果無顯著性差異，蛋白質的水解已經接近平衡，故選擇5％.過氧化氫質量分數(shù)越高脫色效果越佳，質量分數(shù)為10％時所得甲殼素產品色澤最好，故選擇10％.

2.1.2 正交實驗

由甲殼素產品灰分含量、氮含量和色澤三個指標對甲殼素產品進行綜合評分，評分公式見式（1）.其中，灰分和氮含量分數(shù)分別為將甲殼素產品的灰分和氮含量值折合至1.000～7.000分所得，色澤分數(shù)為目測對甲殼素產品的色澤在1～7分的區(qū)間內打分.該公式綜合灰分含量、氮含量和色澤三個指標，用三指標P值中的最小值與三指標P值的比值決定對應指標分數(shù)在綜合分數(shù)中的比例，P值越小則該指標分數(shù)所占的比例越大.這樣可以突出差異顯著性大的指標在綜合分數(shù)中的作用，所得出的綜合分數(shù)更合理地體現(xiàn)各因素對甲殼素產品質量的影響.最后，以該綜合評分為指標對提取過程中影響甲殼素產品質量的鹽酸濃度、酸浸時間、NaOH質量分數(shù)和過氧化氫質量分數(shù)四個因素進行正交實驗，正交實驗方案及結果見表2.

由表2級差分析可以看出，影響綜合評分的因素主次順序為：鹽酸濃度、酸浸時間、過氧化氫質量分數(shù)、NaOH質量分數(shù)；最佳組合是A4B4D2C1.利用SAS統(tǒng)計軟件分析同因素不同水平之間的差異顯著性比較結果顯示，A3與A4之間差異不顯著，但考慮到工業(yè)成本及高濃度酸液能導致甲殼素降解，故選擇A3；B2與B4之間的差異也不顯著，為了縮短生產時間選擇B2.綜上所述，得出A3B2D2C1為最佳工藝參數(shù)，即鹽酸濃度1.5 mol/L、酸浸時間6 h、質量分數(shù)2％NaOH溶液浸泡24 h、質量分數(shù)10％過氧化氫溶液浸泡2 h.在此最佳工藝條件下所得甲殼素產品根據式（2）計算產率為22.25％.

表2 甲殼素工藝正交實驗方案及結果Tab.2 Experimental arrangement and test results

2.2 產品質量指標檢測結果

2.2.1 質量指標檢測

甲殼素質量指標測定結果以及與食品級標準比較情況見表3.

表3 蝦蟹甲殼素與食品級甲殼素質量指標的比較Tab.3 Comparison of quality indicators in chitin extracted froMshrimp and crab shell and food grade chitin

2.2.2 紅外光譜檢測

圖1中，1 070.0為C-O伸縮振動，1 316.8為酰胺Ⅲ譜帶和CH2搖擺，1 378.4為CH彎曲的不對稱C2變形，1 458.4為CH2彎曲CH2搖擺，1 560.7為酰胺Ⅱ譜帶，1 648.0為酰胺Ⅰ譜帶，2 856.7為CH2不對稱伸縮，2 927.1為不對稱CH3伸縮和不對稱CH2伸縮，3 442.2為O-H伸縮，可以看出兩圖基本一致，其在1 316.8、1 560.7、1 648.0處出峰的差異說明兩種樣品脫乙酰度略有不同.

2.2.3 紫外光譜檢測

按照高英立的方法［6］測定蝦蟹甲殼素和市售食品級甲殼素中甲殼素含量.對食品級甲殼素進行紫外吸收光譜掃描如圖2得出甲殼素在427 nm處有最大吸收峰，故選擇427 nm為檢測波長.繪制氨基己糖標準曲線，回歸方程y=5.075+177.867x，R2=0.9988.測定蝦蟹甲殼素和市售食品級甲殼素供試液的OD值.經計算，市售食品級甲殼素和蝦蟹甲殼素中甲殼素含量分別為91.3％和93.7％，蝦蟹甲殼素純度略高于市售食品級甲殼素.

由以上測定結果可以看出，蝦蟹殼制取的甲殼素達到水產行業(yè)標準SC/T3403-2004的食品級標準.

3 結論

制取甲殼素的最佳工藝條件為：自然溫度下廢棄蝦蟹殼原料依次以1.5mol/L鹽酸溶液浸泡6 h、質量分數(shù)2％NaOH溶液浸泡24h、質量分數(shù)10％過氧化氫溶液浸泡2 h.在此條件下的甲殼素產率為22.25％，采用此工藝制取的甲殼素的質量指標為水分含量 5.32％、灰分含量 0.34％、氮含量5.98％、甲殼素含量93.7％達到食品級標準.

［1］Pillai C K S，Paul W，Sharma C P.Chitin and chitosan polymers：CheMistry，solubility and fiber formation[J]. Progressin Polymer Science.，2009，34（7）：641-678.

［2］Ashish Dev，Jithin C.Mohan，Sreeja V，et al.Novel carboxymethyl chitin nanoparticles for cancer drug delivery applications[J].Carbohydrate Polymers.，2010，79（4）：1073-1079.

［3］Jayakumar R，Tamura H.Synthesis characterization and thermal properties of chitin-g-poly（-caprolactone）copolymersby using chitin gel[J].International Journal of Biological Macromolecules.2008，43（1）：32-36.

［4］Shinsuke Ifuku，Masaya Nogi，MasafuMi Yoshioka，et al. Fibrillation of dried chitin into 10-20 nMnanofibers by a simple grinding method under acidic conditions[J].Carbohydrate Polymers，2010，8（1）：134-139.

［5］中華人民共和國農業(yè)部.中華人民共和國水產行業(yè)標準甲殼質與殼聚糖[S].中國，2005.

［6］高英立，肖蓬，俞長興，等.甲殼素類化合物含量測定初探[J].分析化學，2001（10）：1235.

責任編輯：畢和平

Study on Extraction Technology of Chitin froMLocal Shrimp and Crab Shell

SHI Jie，LIU Pinghuai*，LIU Yangyang，YANG Xun，OUYANG Quanlin
（Ministry of Education Key Laboratory of Application Technology of Hainan Superior Resources Chemical Materials，Hainnan University，Haikou 570228，China）

The extraction conditions of chitin froMshrimp and crab shell were optimized by orthogonal test.The optimal conditions are as follows：The shell was soaked in a 1.5 mol/L HCL solution for 6 hours.The sample is then soaked in 2％NaOH for 24 hours.Then it was soaked in 10％H2O2for 2 hours.The extracted chitin's quality indicators were as follows：moisture content as 5.32％，ash content as 0.34％，nitrogen content as 5.98％，chitin content as 93.7％.It meets the demands of food grade on quality index.

shrimp shell；crab shell；Chitin；functional food

TS 202.3

A

1674-4942（2010）03-0295-05

2010-04-02

海南省重點科技計劃項目（080130）

*通訊作者