废弃虾壳制备壳聚糖的工艺改进

2018-04-02志壮

福建质量管理 2018年18期

志壮

(宁夏理工学院宁夏石嘴山 753000)

虾壳中甲壳素含量为20%，甲壳素是仅次于纤维素的天然高分子化合物，被誉为“第六生命要素”。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，在食品、医学，环保等领域均有广泛的用途[1]。大量的虾壳餐后被丢弃，造成浪费和污染，本文提出将虾壳废物利用制备壳聚糖。

目前，国内制备壳聚糖的方法主要用酸脱钙、碱脱蛋白、高锰酸钾脱色、浓碱脱乙酰基的化学法来制备甲壳素[2]。

本文尝试对传统工艺进行改进旨在解决传统工艺在生产中的缺点，提高壳聚糖产率。通过使用不同酸进行脱钙，以灰分作为脱钙效果指标，在不同反应介质下进行脱乙酰，以脱乙酰度作为评价指标。因此，改进工艺的具体做法是在脱钙时加入助剂-乙酸，在脱乙酰时添加无水乙醇作为脱乙酰反应介质，反应后无水乙醇无毒易于回收利用。

一、材料与方法

(一)材料

青虾虾壳；浓盐酸、氢氧化钠、过氧化氢、无水乙醇等均为市售分析纯；电磁搅拌器、电子天平、电热恒温鼓风干燥箱、恒温水浴锅等。

(二)实验方法

1.虾壳脱钙。称取处理过虾壳的50 g，超微粉碎，在25℃水浴中加入250mL混酸(盐酸：助剂-乙酸=7:1)[3]。在电磁搅拌器不停搅拌下进行脱钙。电磁搅拌器转速反应开始调为快速，目测到反应液粘度变大后逐渐调慢，脱钙反应后观察反应液中有无气泡，若有气泡，加混酸继续脱钙，水洗至中性，抽滤。滤液用来测脱钙率。

2.脱蛋白、脱色素。将脱钙后产物与10%氢氧化钠溶液(料碱比1:5)在100℃水浴中脱蛋白3h，测含氮量。若含氮量>7%，需要重复进行脱蛋白操作，直至含氮量<7%，水洗至中性。

将脱蛋白后产物与8%双氧水在25℃水浴中脱色1h，水洗、烘干。白色或微黄色甲壳素产品[4]，测定水分、灰分、含氮量、脱钙率，计算甲壳素产率。

3.脱乙酰。取10克甲壳素产品和浓度分别为35%、40%、45%、50%、55%的无水乙醇溶液及浓度分别为21%、23%、25%、27%、29%的氢氧化钠溶液(料碱比1:5),在90℃水浴中用电磁搅拌器搅拌反应3 h、4 h、5 h、6 h、8 h脱乙酰[5]，氢氧化钠溶液和无水乙醇溶液的体积比为20:1。然后过滤、水洗至中性、干燥得壳聚糖产品，测定壳聚糖脱乙酰度，计算壳聚糖产率。

(三)测定方法

(1)水分的测定—直接干燥法

(2)灰分的测定—高温灼烧法

(3)含氮量的测定—半微量定氮法

(4)甲壳素∕壳聚糖产率—称量计算法

(5)脱钙率的测定—EDTA滴定法

(6)脱乙酰度的测定—酸碱滴定法

(四)实验设计

1.设计脱钙阶段盐酸、助剂-乙酸的浓度和脱钙时间三个因素三个水平的Box-Behnken中心组合实验表，共17组实验。

2.设计脱乙酰阶段氢氧化钠溶液浓度、无水乙醇浓度和反应时间三个因素三个水平的正交实验表，共9组实验。

(五)壳聚糖品质测定

对传统工艺和改进工艺制备的壳聚糖产品结构进行表征。首先对壳聚糖进行定性反应[6]；其次对壳聚糖进行提纯，利用红外光谱分析壳聚糖的结构特性[7]；再次对壳聚糖进行热重分析；最后用粘度法测定分子量[8]。

二、结果与分析

(一)脱钙工艺改进实验结果讨论

设计Box-Behnken的中心组合实验方案，用响应面设计法优化改进脱钙工艺。建立了响应值脱钙率与三个自变量盐酸浓度、助剂-乙酸浓度、脱钙时间之间的数学模型，用Design Expert 7.0软件对实验数据进行分析，绘制了三个因素相互作用对脱钙率影响的响应面，得出三个因素对脱钙率影响程度的顺序为：脱钙时间﹥盐酸浓度﹥助剂-乙酸浓度，最终确定虾壳脱钙改进工艺最佳条件为：盐酸浓度10%、助剂-乙酸浓度15%、脱钙时间4.5h，此条件下脱钙率达87.77%。改进工艺成本低、污染小。

(二)脱乙酰工艺改进实验结果讨论

甲壳素脱乙酰改进工艺进行单因素实验，得到单因素实验最佳条件为：无水乙醇浓度55%、氢氧化钠浓度28%、反应时间8 h。选择氢氧化钠浓度、反应时间、无水乙醇浓度单因素最佳条件及其左右的条件，设计三因素三水平的正交实验，共进行9组。最终得到甲壳素脱乙酰改进工艺最佳工艺条件为：无水乙醇浓度50%、氢氧化钠浓度30%、反应时间8h，此条件下脱乙酰度为88.0%。改进后工艺成本低、污染小，无水乙醇可回收利用。