家蠶蛹甲殼素的H2O2脫色及冷凍溶解研究

汪 濤，李曉琴，吳大洋

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400716)

家蠶蛹甲殼素的H2O2脫色及冷凍溶解研究

汪 濤，李曉琴，吳大洋

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400716)

用4 % H2O2溶液在pH11和溫度75 ℃條件下對(duì)蠶蛹甲殼素進(jìn)行漂白，能獲得理想的白度(66.5)。以8 % NaOH/10 % Urea為混合溶劑，冷凍溶解脫色甲殼素。結(jié)果表明：脫色甲殼素白度越高溶解度越高；冷凍溫度在－20℃及以下，溶劑中水分子才能結(jié)晶并破壞甲殼素結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而且溶劑體系為NaOH/Urea水溶液時(shí)最好，添加有機(jī)相(如乙醇、丙酮、DMSO)會(huì)使甲殼素溶解率下降甚至不溶。

蠶蛹；甲殼素；脫色；冷凍；溶解

作為繭絲綢產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，蠶蛹具有很高的綜合利用價(jià)值，其主要成分蛹蛋白、蛹油的利用已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化并開(kāi)發(fā)出高附加值產(chǎn)品[1-3]。而利用后的殘?jiān)屑讱に睾肯喈?dāng)高且易收集，其經(jīng)精練后利用也能產(chǎn)生相當(dāng)高的附加值。但由于甲殼素溶解性差，大大限制了其應(yīng)用[4]。目前主要是通過(guò)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(40 %以上)NaOH溶液使甲殼素脫乙?；频脷ぞ厶且蕴岣咂淙芙庑?，從而擴(kuò)大其應(yīng)用。但是該方法要消耗大量強(qiáng)堿，對(duì)環(huán)境污染和甲殼素?fù)p傷嚴(yán)重[5-6]。近來(lái)有研究[7]表明，在低溫下(－20 ℃以下)，較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5 %～10 %)的NaOH與尿素的混合溶液能使甲殼素溶解，溶解機(jī)理尚未弄清楚。本研究對(duì)蠶蛹甲殼素精練及冷凍溶解法進(jìn)行探究，為其利用開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材 料

氫氧化鈉、雙氧水、碳酸氫鈉、硅酸鈉、尿素、十二烷基磺酸鈉(SDS)，均為分析純(成都科龍化工試劑廠)；EDTA，分析純(成都化學(xué)試劑廠)；蛹渣，實(shí)驗(yàn)室制。

1.2 儀 器

DL-1電爐(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)，D2004W電動(dòng)攪拌器、HDI-3磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，SHA-B恒溫振動(dòng)器(常州澳華儀器有限公司)，WSB-II白度計(jì)(溫州儀器儀表有限公司)，PHS-3C酸度計(jì)(方舟科技)，HWS型智能恒溫箱(寧波東南儀器)，BCD-215KAN DZ海爾冰箱(青島海爾股份有限公司)，JA2003A電子天平(上海精天電子儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 蠶蛹甲殼素精練

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的NaOH水溶液，在溫度75 ℃下電動(dòng)攪拌煮練蛹渣4 h脫蛋白，過(guò)濾并將殘?jiān)浞炙春?，? %的EDTA水溶液于室溫(25 ℃)下浸泡并攪拌12 h脫鹽，過(guò)濾并將濾渣充分水洗得到棕灰色透亮的粗甲殼素。配制漂白液[8](雙氧水4 %、碳酸氫鈉0.2 %、硅酸鈉0.2 %、0.1 % SDS)并調(diào)pH值到11，然后放入粗甲殼素，在75 ℃下恒溫振蕩漂白3 h，得到乳白色精練甲殼素。

1.3.2 蠶蛹甲殼素溶解

配制含8 % NaOH和10 % CO(NH2)2的水溶液，以固液比1∶50(g∶mL)放入精練甲殼素，待精練甲殼素完全浸潤(rùn)后，在低溫4 ℃下靜置2 h，再放入冷凍室，于－20 ℃下冷凍12 h后，取出并用磁力攪拌器在室溫(25 ℃)下高速攪拌10 min，直至片狀甲殼素完全溶解成透明溶液。

1.3.3 測(cè)試方法

1)用白度計(jì)檢測(cè)精練甲殼素白度：將脫色甲殼素粉末用2塊透明的玻璃薄片壓實(shí)壓平，厚度不超過(guò)1 mm。旋轉(zhuǎn)樣品，用白度計(jì)檢測(cè)5次，取平均值。

2)用烘干稱(chēng)重法測(cè)甲殼素溶解率：樣品干重W0，溶解后剩余物干重W1，溶解率為：

2 結(jié)果與分析

2.1 漂白工藝對(duì)甲殼素品質(zhì)的影響

蛹渣經(jīng)過(guò)脫蛋白和脫鹽后，剩下潔凈度很高的棕灰色碎殼。有色碎殼必須經(jīng)過(guò)漂白脫色才能成為精練甲殼素被利用。漂白工藝參數(shù)選擇H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)、pH值和溫度(℃)并進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，白度指標(biāo)為結(jié)果，見(jiàn)表1，表2。

表1 正交因子、水平設(shè)定Tab.1 Orthogonal Factor and Level Set

從表2中的極差可知，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值和溫度在設(shè)定水平上的變化對(duì)甲殼素白度影響都較大，但主次順序?yàn)椋簆H值＞溫度＞H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。雙氧水中含有H+、HOO-、O22-等離子，是由電離平衡產(chǎn)生的，化學(xué)平衡式為：H2O2←→ H+＋HOO-和HOO-←→ H+＋O22-。脫色時(shí)起作用的是HOO-、O22-及O2的離子型氧化和自由基氧化[9]。從平衡式可知，在堿性條件下，平衡向右移動(dòng)，從而產(chǎn)生大量的氧化基團(tuán)，增強(qiáng)脫色效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，pH值越大，漂白效果越好。但當(dāng)pH值過(guò)大(超過(guò)11)時(shí)，雙氧水會(huì)迅速放出氧氣，并大量放熱，造成反應(yīng)失控，結(jié)果有部分甲殼素被過(guò)度氧化，損失量大，也有部分脫色不徹底，從而造成漂白不勻，整體漂白效果并不好。因此，pH值的最優(yōu)水平為C3。

表2 甲殼素漂白正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal Experimental Program and Results of Chitin Bleaching

另外，雙氧水漂白甲殼素還需要一定的溫度，從溫度的k值可知，溫度越高，漂白效果越好。升高溫度能提高H2O2的活化能，有助于H2O2電離發(fā)生，從而增加HOO-、O22-及O2的絕對(duì)數(shù)量，增強(qiáng)漂白效果。當(dāng)溫度過(guò)高(超過(guò)75 ℃)時(shí)，雙氧水也會(huì)迅速放氧造成反應(yīng)失控，甲殼素?fù)p失增加。因此，溫度的最優(yōu)水平為A3。H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)白度也有較大影響，從其k值來(lái)看，最優(yōu)水平應(yīng)為B3。從表2中試驗(yàn)6可知，即使在pH值為中性、溫度較高的情況下，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在B3水平也能取得較好漂白效果。而從試驗(yàn)7可知，只需調(diào)高溶液pH值和溫度，就可大大減少H2O2的用量，而且漂白效果更好。對(duì)A3B3C3組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到甲殼素的白度為69.6，比試驗(yàn)7的提升幅度不大，從漂白工藝的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性講，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在B1水平即可。因此，漂白工藝的最優(yōu)組合即為試驗(yàn)7的組合A3B1C3。

2.2 白度對(duì)甲殼素溶解的影響

白度代表甲殼素脫色的程度，還可反映甲殼素的精練質(zhì)量。以未漂白蛹?xì)ぃ囼?yàn)1、4和7的漂白蛹?xì)樵希?.3.2方法分別進(jìn)行溶解試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可知，未漂白處理的甲殼素完全不溶，試驗(yàn)1、4和7是同樣的H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，溫度和pH值因素水平遞增的漂白處理，可以看出，隨著甲殼素白度的增高，其溶解率也逐步增加，在試驗(yàn)7條件下，漂白甲殼素可完全溶解。

表3 甲殼素白度對(duì)其溶解率的影響Tab.3 Effect of Chitin Whiteness on Its Dissolution Ratio

雙氧水脫除蠶蛹甲殼素顏色的機(jī)理是H2O2氧化鐵硫蛋白與細(xì)胞色素復(fù)合物體系中的硫，將體系中半胱氨酸硫氧化成亞砜，使得色蛋白與甲殼素相連的鍵斷開(kāi)，從而使色素從甲殼素上分離下來(lái)[10]。所以，白度反映了甲殼素與交聯(lián)色蛋白的分離程度，白度越高，甲殼素與色素分離度就越高，這樣，甲殼素分子就成為沒(méi)有交聯(lián)束縛的線(xiàn)性分子狀態(tài)，就可以采用“聚合物一次性溶解技術(shù)”，通過(guò)強(qiáng)機(jī)械剪切力或擠壓等外力強(qiáng)制甲殼素分子與溶劑分子激烈作用而溶解于其中。因此，蠶蛹甲殼素越精練溶解度越好。

2.3 溫度對(duì)甲殼素溶解的影響

按1.3.2方法，將5份甲殼素分別于－20，－20，－10，0，4 ℃下冷凍，依次編號(hào)T1，T2，T3，T4，T5，12 h后，取出T1靜置到室溫，后取出其他，同時(shí)高速攪拌，考察甲殼素溶解情況，見(jiàn)表4。

表4 不同溫度下甲殼素的溶解率Tab.4 Dissolution Ratio of Chitin under Different Temperatures

從表中可看出，當(dāng)冷凍溫度高于－20 ℃時(shí)，甲殼素不溶于NaOH/Urea的水相溶劑中，當(dāng)溫度下降到－20 ℃時(shí)，甲殼素在高速攪拌下能完全溶解。但即使冷凍溫度是－20 ℃，在室溫下達(dá)到平衡后，高速攪拌，仍有大量甲殼素不能溶解。分析認(rèn)為，當(dāng)冷凍溫度高于－20℃時(shí)，正好高于NaOH/Urea溶劑體系的冰點(diǎn)[7]，因而水分子不能結(jié)晶膨脹，從而不能破壞甲殼素緊密的結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷凍溫度降到－20 ℃及以下時(shí)，堿甲殼素體系被結(jié)晶水膨脹而間距增大，分子之間的氫鍵作用大部分被破壞，從而在高速攪拌作用下，甲殼素分子很容易被剪切力撕扯下來(lái)，分散在溶液當(dāng)中。如果冷凍到－20 ℃后又重新平衡到室溫(25 ℃)下，有約20%的溶解率，觀察不溶物，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的片狀甲殼素變成了更碎小的塊狀物。分析認(rèn)為，甲殼素長(zhǎng)時(shí)間在－20℃下冷凍后，部分薄弱區(qū)域及表面被膨脹發(fā)生永久破壞，而結(jié)晶區(qū)的膨脹在溫度逐漸平衡到室溫后仍能發(fā)生可逆恢復(fù)，因而平衡后攪拌，薄弱區(qū)域被溶解，高度結(jié)晶區(qū)不溶，表現(xiàn)出低的溶解率。

2.4 溶劑體系對(duì)甲殼素溶解的影響

對(duì)8 % NaOH/10 % Urea的水相和有機(jī)相溶劑體系于－20 ℃下冷凍甲殼素進(jìn)行溶解研究，考察溶劑體系對(duì)甲殼素溶解的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 甲殼素在不同溶劑體系中的溶解率Tab.5 Dissolution Ratio of Chitin in Different Solvent Systems

從表中可知，完全水相體系能完全溶解甲殼素，而在水相中加入10 %的有機(jī)相(分別是乙醇、丙酮和DMSO)后，甲殼素的溶解率都出現(xiàn)了較大幅度下降，而增大有機(jī)相比例分別達(dá)到80 %，甲殼素均完全不溶解，只是在丙酮溶液中表現(xiàn)出明顯的溶脹現(xiàn)象。分析認(rèn)為，乙醇和丙酮有機(jī)相會(huì)降低溶劑體系的冰點(diǎn)，導(dǎo)致附近的水分子不能結(jié)晶膨脹；隨著它們比例的增加，整個(gè)體系都不能結(jié)晶膨脹，因而導(dǎo)致甲殼素不溶。而DMSO雖然并沒(méi)有降低溶劑冰點(diǎn)，但是它吸水性和締合能力強(qiáng)，致使分子體積較大而不能進(jìn)入甲殼素結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而不能破壞甲殼素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而也不能溶解甲殼素。因此，冷凍法溶解甲殼素的最佳溶劑體系是NaOH/Urea的純水相體系。

3 結(jié) 論

1)蠶蛹甲殼素精練時(shí)，不能盲目追求白度指標(biāo)，還應(yīng)盡量減少H2O2的用量，減少對(duì)甲殼素的損傷。適當(dāng)提高溫度為75 ℃和pH11時(shí)，能在較低的H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %下獲得理想的白度。溫度過(guò)高或pH值過(guò)高，會(huì)造成H2O2放氧過(guò)快及反應(yīng)失控，影響漂白效果。

2)蠶蛹甲殼素白度越高，溶解率越高。

3)蠶蛹甲殼素用8 % NaOH/10 % Urea的水溶液，在－20 ℃下冷凍12 h后，立即在高速剪切力作用下能完全溶解。冷凍溫度高于－20 ℃或者水相體系中加入有機(jī)相，都將導(dǎo)致甲殼素溶解率大大下降甚至完全不溶。

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Studies on Decolorization of Chitin from Silkworm Pupa with H2O2 and Its Frozen Dissolution

WANG Tao, LI Xiao-qin, WU Da-yang

(College of Textile and Clothing, Southwest University, Chongqing 400716, China)

The bleach of chitin from silkworm pupa could gain perfect whiteness(66.5)under the condition of 4 % H2O2aqueous solution, pH value 11 and temperature 75 ℃. Chitin was frozen and dissolved in 8 %NaOH/10 % Urea aqueous solution. The results showed that the degree of dissolution gets higher with higher whiteness, only temperature below －20 ℃ then the crystal structure of water could be formed and destroyed the structure of chitin. The best solvent system is NaOH/Urea aqueous solution, the dissolution degree of chitin would decrease to zero if the organic solvent such as ethanol, acetone and DMSO were added into the solvent.

Silkworm; Chitin; Decolorization; Freezing; Dissolution

S886.9

A

1001-7003(2010)06-0001-03

2009-11-09

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2008AB1005)

汪濤(1979－ )，男，講師，碩士，主要從事功能性紡織材料及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。通訊作者：吳大洋，教授，博士生導(dǎo)師，wdy1484@swu.edu.cn。