利用蝉蜕提取甲壳素的工艺研究

杨佳红，靳玲侠，张继林，李　琛

利用蝉蜕提取甲壳素的工艺研究

杨佳红1，靳玲侠1，张继林2，李琛1

（1.陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西汉中 723001；
2.勉县环境保护监测站，陕西勉县 723001）

以Ca（OH）2的沉淀重量为指标，采用正交实验设计，研究了HCl质量分数、温度、酸浸时间对脱钙的影响，同时研究了碱质量分数、反应时间对脱蛋白质的影响及适合甲壳素脱色条件。得到最佳工艺为：WHCl=5.0%，反应温度20℃，酸浸时间1 h；WNaOH=10%，反应温度90℃，反应时间2 h；用WKMnO4=5%，WNaHSO3=10%进行脱色。

蝉蜕；甲壳素；壳聚糖

甲壳素又名甲壳质，几丁质，是一种含氮的多糖天然高分子化合物，化学名称为（1，4）-2-乙酰氨基-汕-D葡萄糖，具有与纤维素相近的分子骨架结构。近年来，大量研究围绕甲壳素的结构、性质及应用等方面进行展开，通过对加工工艺进行改进，并延伸于医药、工业、食品及农业中，尤其是在医药和日用化妆品加工领域及水处理中应用广泛［1-4］。为了改进甲壳素及壳聚糖水溶解性能差的缺陷，相继制备出各种不同性能的壳聚糖［5-7］，从而极大拓展了甲壳素的应用前景。甲壳素资源在自然界中十分丰富，而目前人们提取甲壳素主要从虾、蟹壳中［8-9］，也有从蚕蛹壳，蛆蝇壳中提取，但是从蝉蜕中提取甲壳素很少有系统的报道。蝉蜕是一种常见的中药材，陕南地区资源丰富，煎服有清咽利喉，明目祛火的工效［10］。本文研究了从蝉蜕粉末中提取甲壳素的最佳工艺。这项工作不仅对中药材资源的开发利用提出了新思路，也为制备甲壳素提供了新的原料来源，使得资源可充分有效利用。

1　实验部分

1.1实验原理

CaCO3是蝉蜕中的主要无机成分，蛋白质、甲壳素和少量的色素是蝉蜕中的主要有机成分，因此以蝉蜕为原料，提取甲壳素，本质上就是将CaCO3、蛋白质及色素分进行分离。一般采用盐酸对于脱除CaCO3组分进行处理，其反应方程式为：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O，可溶性钙盐可随溶液滤出；根据蛋白质的两性特点，利用氢氧化钠溶液进行加热溶出；利用高锰酸钾进行浸泡，过滤，然后用清水洗至中性以达到脱除色素目的，经干燥后得到甲壳素，将制取的甲壳素经浓氢氧化钠溶液，在特定条件下水解脱乙酰基，便可得到能溶于稀酸的壳聚糖。

1.2材料与仪器

蝉蜕：从药材公司获取。国产分析纯试剂：亚硫酸氢钠、盐酸、高锰酸钾及氢氧化钠。仪器：恒温水浴锅、电子称、干燥箱、真空泵、分析天平及粉碎机。

1.3甲壳素的制备

1.3.1对原料进行预处理

将洗净并除泥沙的蝉蜕晾干，为缩短干燥时间，可将其剪断，在60℃下进行烘干。烘干后可粉碎成粉末状。

CaCO3的脱除，取5g烘干粉碎的蝉蜕，用5%的盐酸，20℃下恒温浸取1.0h，过滤后，用水洗至中性。蛋白质的脱除，将清洗后的蝉蜕用10%的氢氧化钠溶液在90℃下加热搅拌2.0h，然后进行过滤，并水洗直至中性。色素的脱除，蝉蜕中CaCO3及蛋白质的脱除后为肉色或橙色，必须利用高锰酸钾进行氧化脱色后才可获得产品。即将脱钙脱蛋白质后的甲壳素放入5%的KMnO4溶液浸泡0.5h，滤出洗净后再用8%的NaHSO3溶液在常温下搅拌1.5h，直至深褐色沉淀的颜色完全褪变成白色。

1.3.2对样品进行干燥

脱除色素的甲壳素可用水冲洗直至中性，自然晾干或在60℃下进行烘干，便可得到白色或微黄色的甲壳素。

1.4对甲壳素进行质量分析

衡量甲壳素的一个重要质量指标为灰分含量，一般要求灰分含量低于1%。用盐酸（1∶4）溶液将瓷坩埚煮沸10min，洗净，并放至马弗炉中在500～600℃下进行灼烧至恒重，准确称取样品1～2g置于坩埚中，将其放入马弗炉中在300℃进行灼烧2.0h，直至完全灰化，然后再升温至600℃持续2.0h，冷却直至200℃以下，取出并置于干燥器中，进行冷却0.5h，对其称重，然后再置于马弗炉中600℃灼烧1h，如此反复，直至恒重。可按下式计算灰分含量X：

式中：M1，M2及M3分别为坩埚与样品的总质量，坩埚与灰分的总质量及灼烧至恒重时的坩埚质量。质量单位均为g。

1.5甲壳素性质的测定

将一定量的甲壳素分别注入10mL的水和浓盐酸中，观察其溶解性。

1.6甲壳素的脱乙酰基反应

将一定量的甲壳素浸泡于50.0%的NaOH溶液中加热到60～130℃处理4.0～6.0h即可完成其脱乙酰基上午操作，脱乙酰基的甲壳素再加入稀醋酸后即可溶解，过滤除去杂质，所得溶液加碱后即可析出其衍生物壳聚糖。

2　结果分析

2.1甲壳素产率

称取烘干粉碎的5g蝉蜕，最终得到的甲壳素质量为1.0750 g，产率为21.5%，灰分为0.2%。

2.2酸处理时间与温度对无机组分分离的影响

对蝉蜕中进行CaCO3、蛋白质及色素的脱除从而提取甲壳素，其中CaCO3的脱除步骤中以钙离子含量［Ca（OH）2沉淀质量］为考察指标，采用正交实验，以L9（34）正交设计表，盐酸浓度、温度、时间为考察因素安排实验，列表1和 2中。

2.2.1 操作方法

取5g样品9份，按照表2实验条件，分别加入50mL盐酸，进行过滤，并去除滤液然后再测定钙离子的含量（滤液中加入的过量NaOH溶液至不再产生沉淀为止，进行过滤，并弃除滤液，将过滤获得的沉淀进行干燥，并称重，以沉淀量可代替钙离子的含量），残渣可留做进一步脱蛋白质，进而制得甲壳素的粗品。

表1　因素水平表

表2　正交设计方案

2.3蝉蜕甲壳素脱色工艺的研究

蝉蜕中含甲壳素25.0%，含氮7.8%，灰分14.6%，其他为喋啶色素类物质，酚类物质，蛋白质，氨基酸等。以蝉蜕制备甲壳素，其脱色条件中，与虾、蟹为原料提取甲壳素时具有明显不同。虾红素为虾，蟹壳中的主要色素，高锰酸钾极易容易氧化除去其色素，而喋啶类色素为蝉蜕中的主要色素，在酸碱的作用下，喋啶类色素极易转变为颜色更深的咖啡色物质，低浓度的高锰酸钾很难氧化此类色素。因而采用高浓度的高锰酸钾进行氧化，同时在漂白过程中，相应提高亚硫酸氢钠的浓度，而且反应时间也要相应延长。这样可以得到质量交好的产品。不同脱色条件制得的产品质量情况见表3。

表3　不同条件对产品脱色效果的影响

实验表明：采用5.0%的高锰酸钾和10.0%的亚硫酸氢钠为还原剂，分别处理0.5h和1.5h，可得到白色片状、分子量范围稳定的甲壳素。

3　结论

1）利用粉碎的蝉蜕提取甲壳素的最佳工艺条件为：先用5%的盐酸在20℃下浸泡1.0h，过滤并洗至中性；再用10%的氢氧化钠溶液在90℃下浸泡2.0h过滤并洗至中性；在用5%高锰酸钾微沸浸泡0.5h，滤去浸泡液后，用10%亚硫酸氢钠微沸浸煮1.5h，水洗至中性，晾干可得白色的甲壳素。

2）蝉蜕原料易得，制备工艺简单，将成为获得天然多糖的另一可行途径。

［1］ 刘恒胜，姜燕冬.甲壳素（糖）制备与应用［J］.应用科技，1998，（7）.

［2］ 陈一，周强，王凤彩.甲壳素的开发应用前景［J］.粮食科技与经济，2002.

［3］ 蔡玲，李爱阳，何晓梅.甲壳素/壳聚糖在水处理中的应用［J］.吉林化工学院学报，2006.

［4］ 张海容，白宝林，任光明，等.甲壳素、壳聚糖研究与应用进展［J］.忻州师范学院学报，2006.

［5］ 夏文水，陈洁.甲壳素和壳聚糖的化学改性及其应用［J］.无锡轻工业学院学报，1994.

［6］ 杨安乐，陈长春，孙康，等.甲壳素的改性研究及其在功能材料上的应用［J］.现代化工.1999.

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［8］ 陈珊珊.甲壳素及壳聚糖的制备工艺［J］.芜湖职业技术学院学报，2001.

［9］ 朱凯，朱新宝，罗金岳.克氏鳌峡制备甲壳素及壳聚糖的研究［J］.化学工业与工程技术，2005.

Extraction Technology of Utilizing Chitin

Yang Jia-hong，Jin Ling xia，Zhang Ji-lin，Li Chen

To precipitate Ca（OH）2as an index of weight，orthogonal experimental design to study the HCl concentration，temperature，leaching time of decalcification，also studied alkali concentration，reaction time deproteinized influence and the conditions for decolorization chitin.Obtain optimum process：WHCl= 5.0%，the reaction temperature is 20 ℃，leaching time 1 h；WNaOH= 10%，the reaction temperature is 90 ℃，reaction time 2 h；with WKMnO4= 5%，WNaHSO3= 10% decolorization.

cicada；chitin；chitosan

TQ28

A

1003-6490（2016）06-0080-02

2016-06-01

2016年大学生创新创业训练计划项目基金资助项目（2016009）。

杨佳红（1995—），女，陕西勉县人，本科在读，主要研究方向为化学教育专业。