家蚕蛹甲壳素的H2O2脱色及冷冻溶解研究

汪 涛，李晓琴，吴大洋

(西南大学 纺织服装学院，重庆 400716)

家蚕蛹甲壳素的H2O2脱色及冷冻溶解研究

汪 涛，李晓琴，吴大洋

(西南大学 纺织服装学院，重庆 400716)

用4 % H2O2溶液在pH11和温度75 ℃条件下对蚕蛹甲壳素进行漂白，能获得理想的白度(66.5)。以8 % NaOH/10 % Urea为混合溶剂，冷冻溶解脱色甲壳素。结果表明：脱色甲壳素白度越高溶解度越高；冷冻温度在－20℃及以下，溶剂中水分子才能结晶并破坏甲壳素结晶结构；而且溶剂体系为NaOH/Urea水溶液时最好，添加有机相(如乙醇、丙酮、DMSO)会使甲壳素溶解率下降甚至不溶。

蚕蛹；甲壳素；脱色；冷冻；溶解

作为茧丝绸产业的副产物，蚕蛹具有很高的综合利用价值，其主要成分蛹蛋白、蛹油的利用已实现工业化并开发出高附加值产品[1-3]。而利用后的残渣中甲壳素含量相当高且易收集，其经精练后利用也能产生相当高的附加值。但由于甲壳素溶解性差，大大限制了其应用[4]。目前主要是通过高质量分数(40 %以上)NaOH溶液使甲壳素脱乙酰化而制得壳聚糖以提高其溶解性，从而扩大其应用。但是该方法要消耗大量强碱，对环境污染和甲壳素损伤严重[5-6]。近来有研究[7]表明，在低温下(－20 ℃以下)，较低质量分数(5 %～10 %)的NaOH与尿素的混合溶液能使甲壳素溶解，溶解机理尚未弄清楚。本研究对蚕蛹甲壳素精练及冷冻溶解法进行探究，为其利用开发奠定基础。

1 实验部分

1.1 材 料

氢氧化钠、双氧水、碳酸氢钠、硅酸钠、尿素、十二烷基磺酸钠(SDS)，均为分析纯(成都科龙化工试剂厂)；EDTA，分析纯(成都化学试剂厂)；蛹渣，实验室制。

1.2 仪 器

DL-1电炉(北京中兴伟业仪器有限公司)，D2004W电动搅拌器、HDI-3磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司)，SHA-B恒温振动器(常州澳华仪器有限公司)，WSB-II白度计(温州仪器仪表有限公司)，PHS-3C酸度计(方舟科技)，HWS型智能恒温箱(宁波东南仪器)，BCD-215KAN DZ海尔冰箱(青岛海尔股份有限公司)，JA2003A电子天平(上海精天电子仪器有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 蚕蛹甲壳素精练

用质量分数为2 %的NaOH水溶液，在温度75 ℃下电动搅拌煮练蛹渣4 h脱蛋白，过滤并将残渣充分水洗后，用1 %的EDTA水溶液于室温(25 ℃)下浸泡并搅拌12 h脱盐，过滤并将滤渣充分水洗得到棕灰色透亮的粗甲壳素。配制漂白液[8](双氧水4 %、碳酸氢钠0.2 %、硅酸钠0.2 %、0.1 % SDS)并调pH值到11，然后放入粗甲壳素，在75 ℃下恒温振荡漂白3 h，得到乳白色精练甲壳素。

1.3.2 蚕蛹甲壳素溶解

配制含8 % NaOH和10 % CO(NH2)2的水溶液，以固液比1∶50(g∶mL)放入精练甲壳素，待精练甲壳素完全浸润后，在低温4 ℃下静置2 h，再放入冷冻室，于－20 ℃下冷冻12 h后，取出并用磁力搅拌器在室温(25 ℃)下高速搅拌10 min，直至片状甲壳素完全溶解成透明溶液。

1.3.3 测试方法

1)用白度计检测精练甲壳素白度：将脱色甲壳素粉末用2块透明的玻璃薄片压实压平，厚度不超过1 mm。旋转样品，用白度计检测5次，取平均值。

2)用烘干称重法测甲壳素溶解率：样品干重W0，溶解后剩余物干重W1，溶解率为：

2 结果与分析

2.1 漂白工艺对甲壳素品质的影响

蛹渣经过脱蛋白和脱盐后，剩下洁净度很高的棕灰色碎壳。有色碎壳必须经过漂白脱色才能成为精练甲壳素被利用。漂白工艺参数选择H2O2质量分数(%)、pH值和温度(℃)并进行正交实验，白度指标为结果，见表1，表2。

表1 正交因子、水平设定Tab.1 Orthogonal Factor and Level Set

从表2中的极差可知，H2O2质量分数、pH值和温度在设定水平上的变化对甲壳素白度影响都较大，但主次顺序为：pH值＞温度＞H2O2质量分数。双氧水中含有H+、HOO-、O22-等离子，是由电离平衡产生的，化学平衡式为：H2O2←→ H+＋HOO-和HOO-←→ H+＋O22-。脱色时起作用的是HOO-、O22-及O2的离子型氧化和自由基氧化[9]。从平衡式可知，在碱性条件下，平衡向右移动，从而产生大量的氧化基团，增强脱色效果。从实验结果可以看出，pH值越大，漂白效果越好。但当pH值过大(超过11)时，双氧水会迅速放出氧气，并大量放热，造成反应失控，结果有部分甲壳素被过度氧化，损失量大，也有部分脱色不彻底，从而造成漂白不匀，整体漂白效果并不好。因此，pH值的最优水平为C3。

表2 甲壳素漂白正交实验方案及结果Tab.2 Orthogonal Experimental Program and Results of Chitin Bleaching

另外，双氧水漂白甲壳素还需要一定的温度，从温度的k值可知，温度越高，漂白效果越好。升高温度能提高H2O2的活化能，有助于H2O2电离发生，从而增加HOO-、O22-及O2的绝对数量，增强漂白效果。当温度过高(超过75 ℃)时，双氧水也会迅速放氧造成反应失控，甲壳素损失增加。因此，温度的最优水平为A3。H2O2质量分数对白度也有较大影响，从其k值来看，最优水平应为B3。从表2中试验6可知，即使在pH值为中性、温度较高的情况下，H2O2质量分数在B3水平也能取得较好漂白效果。而从试验7可知，只需调高溶液pH值和温度，就可大大减少H2O2的用量，而且漂白效果更好。对A3B3C3组合进行实验，得到甲壳素的白度为69.6，比试验7的提升幅度不大，从漂白工艺的经济性和环保性讲，H2O2质量分数在B1水平即可。因此，漂白工艺的最优组合即为试验7的组合A3B1C3。

2.2 白度对甲壳素溶解的影响

白度代表甲壳素脱色的程度，还可反映甲壳素的精练质量。以未漂白蛹壳，试验1、4和7的漂白蛹壳为原料，按1.3.2方法分别进行溶解试验，结果见表3。从表中可知，未漂白处理的甲壳素完全不溶，试验1、4和7是同样的H2O2质量分数下，温度和pH值因素水平递增的漂白处理，可以看出，随着甲壳素白度的增高，其溶解率也逐步增加，在试验7条件下，漂白甲壳素可完全溶解。

表3 甲壳素白度对其溶解率的影响Tab.3 Effect of Chitin Whiteness on Its Dissolution Ratio

双氧水脱除蚕蛹甲壳素颜色的机理是H2O2氧化铁硫蛋白与细胞色素复合物体系中的硫，将体系中半胱氨酸硫氧化成亚砜，使得色蛋白与甲壳素相连的键断开，从而使色素从甲壳素上分离下来[10]。所以，白度反映了甲壳素与交联色蛋白的分离程度，白度越高，甲壳素与色素分离度就越高，这样，甲壳素分子就成为没有交联束缚的线性分子状态，就可以采用“聚合物一次性溶解技术”，通过强机械剪切力或挤压等外力强制甲壳素分子与溶剂分子激烈作用而溶解于其中。因此，蚕蛹甲壳素越精练溶解度越好。

2.3 温度对甲壳素溶解的影响

按1.3.2方法，将5份甲壳素分别于－20，－20，－10，0，4 ℃下冷冻，依次编号T1，T2，T3，T4，T5，12 h后，取出T1静置到室温，后取出其他，同时高速搅拌，考察甲壳素溶解情况，见表4。

表4 不同温度下甲壳素的溶解率Tab.4 Dissolution Ratio of Chitin under Different Temperatures

从表中可看出，当冷冻温度高于－20 ℃时，甲壳素不溶于NaOH/Urea的水相溶剂中，当温度下降到－20 ℃时，甲壳素在高速搅拌下能完全溶解。但即使冷冻温度是－20 ℃，在室温下达到平衡后，高速搅拌，仍有大量甲壳素不能溶解。分析认为，当冷冻温度高于－20℃时，正好高于NaOH/Urea溶剂体系的冰点[7]，因而水分子不能结晶膨胀，从而不能破坏甲壳素紧密的结构。当冷冻温度降到－20 ℃及以下时，碱甲壳素体系被结晶水膨胀而间距增大，分子之间的氢键作用大部分被破坏，从而在高速搅拌作用下，甲壳素分子很容易被剪切力撕扯下来，分散在溶液当中。如果冷冻到－20 ℃后又重新平衡到室温(25 ℃)下，有约20%的溶解率，观察不溶物，发现原来的片状甲壳素变成了更碎小的块状物。分析认为，甲壳素长时间在－20℃下冷冻后，部分薄弱区域及表面被膨胀发生永久破坏，而结晶区的膨胀在温度逐渐平衡到室温后仍能发生可逆恢复，因而平衡后搅拌，薄弱区域被溶解，高度结晶区不溶，表现出低的溶解率。

2.4 溶剂体系对甲壳素溶解的影响

对8 % NaOH/10 % Urea的水相和有机相溶剂体系于－20 ℃下冷冻甲壳素进行溶解研究，考察溶剂体系对甲壳素溶解的影响，结果见表5。

表5 甲壳素在不同溶剂体系中的溶解率Tab.5 Dissolution Ratio of Chitin in Different Solvent Systems

从表中可知，完全水相体系能完全溶解甲壳素，而在水相中加入10 %的有机相(分别是乙醇、丙酮和DMSO)后，甲壳素的溶解率都出现了较大幅度下降，而增大有机相比例分别达到80 %，甲壳素均完全不溶解，只是在丙酮溶液中表现出明显的溶胀现象。分析认为，乙醇和丙酮有机相会降低溶剂体系的冰点，导致附近的水分子不能结晶膨胀；随着它们比例的增加，整个体系都不能结晶膨胀，因而导致甲壳素不溶。而DMSO虽然并没有降低溶剂冰点，但是它吸水性和缔合能力强，致使分子体积较大而不能进入甲壳素结构内部，从而不能破坏甲壳素的结晶结构，因而也不能溶解甲壳素。因此，冷冻法溶解甲壳素的最佳溶剂体系是NaOH/Urea的纯水相体系。

3 结 论

1)蚕蛹甲壳素精练时，不能盲目追求白度指标，还应尽量减少H2O2的用量，减少对甲壳素的损伤。适当提高温度为75 ℃和pH11时，能在较低的H2O2质量分数为4 %下获得理想的白度。温度过高或pH值过高，会造成H2O2放氧过快及反应失控，影响漂白效果。

2)蚕蛹甲壳素白度越高，溶解率越高。

3)蚕蛹甲壳素用8 % NaOH/10 % Urea的水溶液，在－20 ℃下冷冻12 h后，立即在高速剪切力作用下能完全溶解。冷冻温度高于－20 ℃或者水相体系中加入有机相，都将导致甲壳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

重庆市科技攻关计划项目(2008AB1005)

汪涛(1979－ )，男，讲师，硕士，主要从事功能性纺织材料及产品开发。通讯作者：吴大洋，教授，博士生导师，wdy1484@swu.edu.cn。