鯉魚魚鱗中甲殼素的提取

高倩倩

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林132101）

甲殼素（Chitin）是一種天然高分子聚合物，它是屬于直鏈的氨基多糖[1]，別名為甲殼質(zhì)或幾丁質(zhì)等。通常采用β-1，4糖苷鍵形式連接，也稱為N-乙酰-葡萄糖胺的聚糖[2]。這種高分子聚合物不溶于水、稀酸、稀堿、濃堿，也不溶于一般的有機(jī)溶劑，可溶于濃HCl、H2SO4、H3PO4和無水HCOOH，主鏈易發(fā)生降解。甲殼素在食品、醫(yī)藥科學(xué)、材料、農(nóng)業(yè)、微生物學(xué)、免疫學(xué)等方面應(yīng)用廣泛[3]，具有提高人體免疫力、抗癌抑制癌、癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移等作用，另外，對于高血壓、糖尿病、肝腎病、肥胖等癥狀也特別適用。

天然多糖的種類繁多，既可以顯酸性也可以顯堿性，其中一種多糖─殼聚糖，化學(xué)名稱為：聚葡萄糖胺（1，4）-2-氨基-B-D，顯堿性的，所以稱之為堿性多糖，殼聚糖是由甲殼素脫乙?；蟮脕淼漠a(chǎn)物[4]，主要包括糖類、維生素、脂肪、蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽[5]。具有降血脂、降血糖、降血壓等多種保健功效。

鯉魚是一種淡水魚，種類多、量產(chǎn)高、分布廣，養(yǎng)殖歷史悠久。副產(chǎn)物魚鱗通常被廢棄掉，不但浪費(fèi)資源，也會(huì)污染環(huán)境[6-7]。魚鱗中含有蛋白質(zhì)及多種維生素和脂肪，也含有鈣、鐵、鋅等微量元素，以及豐富的甲殼素和多種不飽和脂肪酸[8]，對于減少膽固醇在血管壁上的累積有一定的作用，因此，在預(yù)防高血壓、心臟病及動(dòng)脈硬化等疾病方面有一定功效[9]。目前，工業(yè)化生產(chǎn)中，對于甲殼素/殼聚糖的提取，主要集中在蝦蟹等原料上[10-12]，如從小龍蝦中提取甲殼素和殼聚糖，但是從鯉魚魚鱗中提取甲殼素/殼聚糖研究很少，至今未見報(bào)道。本試驗(yàn)以常見的鯉魚魚鱗為主要原料，采用酸堿法提取甲殼素，再脫乙?；苽錃ぞ厶?，通過不同的單因素確定甲殼素的最佳提取工藝，擴(kuò)展了甲殼素和殼聚糖的來源，為全方位利用副產(chǎn)物鯉魚魚鱗提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鯉魚魚鱗：吉林市西安路創(chuàng)業(yè)大市場；濃HCl、NaOH、KMnO4、草酸、乙醇（95%）：文理學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)儀器

101A-2E型數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋：上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；SX-2-4-10型箱式電阻爐：上海均珂儀器科技有限公司；ZHT型自動(dòng)恒溫電熱套：常州金南儀器制造有限公司；DHG-9420A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海高致精密儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循化水式多用真空泵：天津科諾儀器設(shè)備有限公司；FA1104N型電子天平：金諾天平儀器有限公司；PHB-4型酸度計(jì)：北京時(shí)代新維測控設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 甲殼素的提取

將鯉魚魚鱗反復(fù)沖洗，去除表面附著物，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱100℃烘干備用。

魚鱗中的礦物質(zhì)去除：將干魚鱗在常溫下分別與不同濃度的HCl溶液反應(yīng)，用玻璃棒充分?jǐn)嚢柚敝翢o氣泡產(chǎn)生為止。傾去酸液，水洗至中性。

魚鱗中的蛋白質(zhì)去除：向平底燒瓶中加入不同濃度的NaOH溶液，水浴加熱（T=70℃）。傾去堿液，靜置冷卻，水洗2次，酸度計(jì)調(diào)節(jié)溶液呈中性，抽濾，獲得甲殼素粗品。

精制甲殼素：將KMnO4溶液加入到平底燒瓶中，用天平稱取甲殼素粗品，每升KMnO4溶液（0.1 mol/L）中加入5 g粗品。浸泡1 h，漏斗過濾，洗滌，再向平底燒瓶中加入草酸溶液，每升草酸溶液中加入10 g粗品。將其置于水浴鍋中加熱（T=70℃），直到樣品全部變?yōu)榘咨?，靜置，當(dāng)燒瓶溫度達(dá)到室溫時(shí)，水洗至中性，將其置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥（T=60℃，t=24 h），制得白色的甲殼素固體。

1.3.2 甲殼素提取條件的優(yōu)化

設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，分析各個(gè)因素：HCl、NaOH溶液濃度和處理時(shí)間對甲殼素提取率以及礦物質(zhì)脫除率的影響。

1）HCl溶液濃度對提取率的影響：稱取干魚鱗5 g左右，分別取不同濃度（0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mol/L）的HCl溶液浸泡魚鱗30 min，將HCl溶液倒掉，水洗至中性，烘干稱重后放入平底燒瓶中，加入1.0 mol/L NaOH溶液，水浴加熱（T=70℃，t=7 min），靜置冷卻，水洗至中性，加入 KMnO4溶液（5 g/L）浸泡 1 h，過濾，將樣品水洗至瓶內(nèi)水接近無色，再加入草酸溶液（10 g/L），水浴加熱（T=70℃），使樣品全部變?yōu)榘咨o置冷卻，置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中60℃干燥24 h，稱重。計(jì)算此次操作中礦物質(zhì)脫除率和甲殼素的提取率。

2）HCl溶液浸泡時(shí)間對提取率的影響：用1）中提取率最高的那組HCl溶液濃度（即1 mol/L）浸泡鯉魚魚鱗，分別在室溫下浸泡 20、25、30、35、40 min，方法同上。

3）NaOH溶液濃度對提取率的影響：稱取干魚鱗5 g左右于燒杯中，用1 mol/L的HCl溶液浸泡去除礦物質(zhì)，分別用 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mol/L 的 NaOH 溶液在70℃水浴中處理蛋白質(zhì)，靜置，當(dāng)燒瓶溫度達(dá)到室溫時(shí)，水洗至中性，其他方法同上。

4）NaOH溶液處理時(shí)間對提取率的影響：稱取干魚鱗5 g左右，1 mol/LHCl溶液浸泡，再用1 mol/L NaOH 在 70 ℃水浴中分別反應(yīng) 6、7、8、9、10 min，靜置，當(dāng)燒瓶溫度達(dá)到室溫時(shí)，水洗至中性，方法同上，稱重。計(jì)算此次操作中的甲殼素提取率。

1.3.3 甲殼素灰分的測定：參照文獻(xiàn)[13]

①坩堝灼燒：取4支坩堝洗凈，放入馬弗爐（T=580℃）中灼燒0.5 h。斷電冷卻，T=250℃左右，用坩堝鉗將坩堝取出，放入到干燥器（干燥劑為硅膠）中冷卻0.5 h。②稱樣品（甲殼素）1 g～2 g左右。③樣品的灼燒：將兩支裝有甲殼素的坩堝至于馬弗爐內(nèi)300℃灼燒1 h，使其完全炭化，再升高溫度至580℃時(shí)加熱1 h，冷卻至250℃以下，再取出置于干燥器中，冷卻1 h，用電子天平稱重。根據(jù)公示計(jì)算灰分的含量。

式中：X為灰分含量，%；m1為坩堝與灰分的總質(zhì)量，g；m2為坩堝的質(zhì)量，g；m3為坩堝與樣品的總質(zhì)量，g。

1.3.4 甲殼素脂肪含量的測定：參照文獻(xiàn)[14]

準(zhǔn)確稱取一定量的甲殼素樣品置于索式提取器中，在圓底燒瓶中加入適量乙醇、人造沸石，安裝索式抽提器。先通水后通電，將電熱套調(diào)制200 V左右進(jìn)行2 h的反應(yīng)，蒸餾濃縮，回收乙醇，取樣烘干并稱重。根據(jù)公式計(jì)算脂肪的含量。（文獻(xiàn)用乙醚，有毒）

式中：Y為脂肪含量，%；m1為反應(yīng)前甲殼素的質(zhì)量，g；m2為反應(yīng)后甲殼素的質(zhì)量，g。

1.3.5 殼聚糖的制備

殼聚糖的制備參照喬德亮的方法并進(jìn)行修改，具體過程如下：稱取一定量按優(yōu)化工藝提取的甲殼素，于燒杯中，加入1 mol/L NaOH溶液，水浴加熱10 min，溫度80℃[15]，使甲殼素脫乙?；o止冷卻至室溫，將NaOH溶液傾倒掉，樣品水洗至中性，用真空抽濾泵抽濾，烘干得到黃色的殼聚糖[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取甲殼素試驗(yàn)條件的優(yōu)化分析

HCl溶液濃度對甲殼素提取率及礦物質(zhì)脫除率的影響見圖1。

圖1 HCl溶液濃度對甲殼素提取率及礦物質(zhì)脫除率的影響Fig.1 Effects of HCL concentration on chitin yield rate and mineral removal rate

由圖1可知，在HCl溶液濃度增大的過程中，甲殼素的提取率出現(xiàn)了先升高后降低的現(xiàn)象，在1 mol/L處達(dá)到峰值。礦物質(zhì)脫除率趨于穩(wěn)定上升狀態(tài)，增大HCl溶液的濃度有助于去除鯉魚魚鱗中的礦物質(zhì)，但一直增大HCl溶液的濃度，甲殼素的提取率也隨之下降，會(huì)破壞鯉魚魚鱗中甲殼素，因此單因素試驗(yàn)中1 mol/LHCl溶液濃度甲殼素提取率最高。

HCl溶液浸泡時(shí)間對甲殼素提取及礦物質(zhì)脫除率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著HCl溶液處理魚鱗時(shí)間增加，甲殼素的提取率先升高，在30 min處達(dá)到峰值，隨后開始下降。礦物質(zhì)脫除率趨于穩(wěn)定上升狀態(tài)，但在HCl溶液處理時(shí)間30 min處開始緩慢下降。由此而知HCl溶液處理時(shí)間增加有助于去除鯉魚魚鱗中的礦物質(zhì)，但HCl溶液處理時(shí)間增加甲殼素的提取率也隨之下降，會(huì)破壞魚鱗中甲殼素，因此單因素試驗(yàn)中HCl溶液處理鯉魚魚鱗時(shí)間為30 min

圖2 HCl溶液浸泡時(shí)間對甲殼素提取及礦物質(zhì)脫除率的影響Fig.2 Effects of soaking time within HCL solution on chitin yield rate and mineral removal rate

NaOH溶液濃度對甲殼素提取率的影響見圖3。

圖3 NaOH溶液濃度對甲殼素提取率的影響Fig.3 Effects of NaOH concentration on chitin yield rate

由圖3得知，NaOH濃度為0.6 mol/L～1.0 mol/L時(shí)，甲殼素的提取率逐漸上升，但是變化幅度不大。超過1 mol/L時(shí)，曲線變化幅度大，迅速降低。原因是魚鱗中蛋白質(zhì)等在NaOH溶液的作用下被分解。濃度越大，甲殼素也會(huì)被分解，由此可見，因此單因素試驗(yàn)中NaOH溶液濃度為1 mol/L時(shí)，甲殼素提取率最高。

NaOH溶液處理時(shí)間對甲殼素提取率的影響見圖4。

圖4 NaOH溶液處理時(shí)間對甲殼素的影響Fig.4 Effects of processing time within NaOH solution on chitin

由圖4可知，NaOH溶液處理時(shí)間在6 min～8 min時(shí)甲殼素提取率逐漸升高，但隨著反應(yīng)時(shí)間增加，曲線又有所下降，原因是魚鱗中的蛋白質(zhì)等被分解使其質(zhì)量減少，甲殼素也會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而水解。所以單因素試驗(yàn)中鯉魚魚鱗在NaOH溶液中最佳處理時(shí)間為8 min，甲殼素提取率最高。

由上述4個(gè)圖可知，鯉魚魚鱗中甲殼素的提取較佳工藝為用1 mol/L的HCl溶液在室溫下浸泡30 min，1 mol/LNaOH溶液在70℃水浴中處理8 min，甲殼素提取率11.72%。

2.2 鯉魚魚鱗中甲殼素提取率的響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化分析

2.2.1 鯉魚魚鱗中甲殼素提取率的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)因素編碼水平表見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 The response surface test factors level table

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tabie 2 Design and results of the response test

利用Design Expert V 8.0.4響應(yīng)面軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合，得出鯉魚魚鱗中甲殼素提取率對4個(gè)單因素的二次回歸模型：

甲殼素提取率Y=+11.72+0.45A+0.63B+0.40C+0.29D－1.13AB－1.08AC－0.30AD－0.30BC－0.38BD－0.88CD－0.72A2－0.48B2－0.61C2－0.35D2

對甲殼素響應(yīng)面設(shè)計(jì)模型進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析，分析結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table 3 Response surface analysis of variance

由表3可以看出，P＜0.000 1，說明模型具有差異極顯著水平，回歸方程結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，誤差項(xiàng)不明顯，說明試驗(yàn)誤差小。方差分析結(jié)果說明，回歸模型中差異極顯著項(xiàng)有 A、B、C、D、AB、AC、AD、CD、A2、B2、C2，差異高度顯著項(xiàng)有 BC、BD、D2。模型的調(diào)整確定系數(shù)為98.49%，矯正決定系數(shù)為96.97%，修正決定系數(shù)為91.29%，R2adj與R2pred數(shù)值基本接近，說明響應(yīng)值的變化有91%都可以通過該模型來解釋，方程擬合程度較好。R2adj與R2pred的值是合理的。由P值和F值可以看出，鯉魚魚鱗中甲殼素提取率影響的4個(gè)因素順序?yàn)椋篐Cl溶液處理時(shí)間＞HCl溶液濃度＞NaOH溶液濃度＞NaOH溶液處理時(shí)間。

圖5 HCl溶液濃度與HCl溶液處理時(shí)間交互作用對甲殼素提取率的影響Fig.5 Effects of the interaction with HCL concentration and processing time within HCL solution on chitin yield rate

圖7 HCl溶液濃度與NaOH溶液處理時(shí)間交互作用對甲殼素提取率的影響Fig.7 Effects of the interaction with HCL concentration and processing time within NaOH solution on chitin yield rate

2.2.2 響應(yīng)面的曲面分析

響應(yīng)面曲面分析見下圖5至圖10。

由圖5至圖10可以看出，HCl溶液處理時(shí)間對鯉魚魚鱗中甲殼素的提取率影響最為顯著，曲線幅度變化最為明顯；余下的3個(gè)因素，由于曲線相對平緩，且與響應(yīng)面方差結(jié)論相一致。因此，可通過有形狀的等高線來呈現(xiàn)其相互作用的強(qiáng)和弱。提取率變化明顯的用橢圓來表示，變化不明顯的用圓形來表示。從圖6中可以看出HCl溶液濃度與NaOH溶液濃度交互作用顯示橢圓形，交互作用顯著。從圖8中可以看出HCl溶液處理時(shí)間與NaOH溶液濃度交互作用顯示為圓形，交互作用不顯著。

根據(jù)響應(yīng)面軟件優(yōu)化結(jié)果得出，鯉魚魚鱗最佳提取工藝條件為HCl溶液濃度1 mol/L，HCl溶液浸泡時(shí)間30 min，NaOH溶液濃度1 mol/L，NaOH溶液處理時(shí)間8 min，此時(shí)甲殼素提取率為11.72%。

圖8 HCl溶液處理時(shí)間與NaOH溶液濃度交互作用對甲殼素提取率的影響Fig.8 Effects of the interaction with processing time within HCL solution and NaOH concentration on chitin yield rate

圖9 HCl溶液處理時(shí)間與NaOH溶液處理時(shí)間交互作用對甲殼素提取率的影響Fig.9 Effects of the interaction with processing time within HCL solution and processing time within NaOH solution on chitin yield rate

圖10 NaOH溶液濃度與NaOH溶液處理時(shí)間交互作用對甲殼素提取率的影響Fig.10 Effects of the interaction with NaOH concentration and processing time within NaOH solution on chitin yield rate

2.3 甲殼素灰分測定的結(jié)果

甲殼素灰分測定的結(jié)果見表4。

2.4 甲殼素脂肪含量測定的結(jié)果

甲殼素脂肪含量測定的結(jié)果見表5。

表4 灰分測定結(jié)果Table 4 Ash determination results

表5 脂肪含量測定結(jié)果Table 5 Fat content determination results

2.5 殼聚糖的制備結(jié)果

將殼聚糖從恒溫鼓風(fēng)干燥箱中取出，黃色，細(xì)絲狀。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)以鯉魚魚鱗為主要原料提取甲殼素，通過不同的單因素試驗(yàn)來確定最佳工藝條件：HCl溶液濃度1 mol/L，HCl溶液浸泡時(shí)間30 min，NaOH溶液濃度1 mol/L，NaOH溶液處理時(shí)間8 min，提取率為11.72%，與文獻(xiàn)[12]比較，甲殼素提取率基本相同，可以有效解決目前國內(nèi)加工甲殼素存在的原料來源有限的問題，加大鯉魚魚鱗資源的有效利用。根據(jù)響應(yīng)面方差分析和響應(yīng)面軟件優(yōu)化結(jié)果得出影響提取率因素的大?。篐Cl溶液處理時(shí)間＞HCl溶液濃度＞NaOH溶液濃度＞NaOH溶液處理時(shí)間。殼聚糖是由甲殼素在1 mol/L NaOH溶液中通過80℃水浴中加熱10 min，制得的黃色絲狀固體。

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