超声波辅助响应面优化谷婪步甲甲壳素的快速脱色工艺

杨菁 张建英 韩越 贾龙

摘 要：以谷婪步甲成虫干粉经前期脱脂、脱蛋白质和脱无机盐试验得到的甲壳素粗品为试验材料，通过超声波辅助过氧化氢氧化脱色的方法，研究了谷婪步甲甲壳素的脱色工艺。在不同条件下，研究过氧化氢浓度、固液比、超声时间、脱色温度及pH对甲壳素脱色效果的影响，用蓝光白度值作为脱色效果的判定指标，并以白度值为响应值通过响应面优化法进行相关工艺的优化。经过单因素试验和响应面优化设计，最終确定了谷婪步甲成虫甲壳素粗品脱色的最佳工艺条件：过氧化氢浓度30%、固液比1∶30g/mL、超声时间4h、脱色温度67.53℃、溶液pH 9。在此最佳工艺条件下，测得谷婪步甲的白度值为74.2371。研究结果可为谷婪步甲粗甲壳素的脱色提供科学数据，并为后期制备壳聚糖奠定基础。

关键词：谷婪步甲;甲壳素;脱色;白度值;响应面优化设计

中图分类号 TS254.5文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）12-0113-07

Optimization of Ultrasonic Assisted Decolorization of Harpalus calceatus′s Chitin by Response Surface Methodology

YANG Jing1 et al.

（1Guyuan Branch of Ningxia Airport Limited Company，China West Airpot Group， Guyuan 756000，China）

Abstract： This study used the crude chitin of adult Harpalus calceatus as the experimental material， which needed some pretreatment like degreasing， deproteinizing and salt demineralizing.Then we applied ultrasonic-assisted hydrogen peroxide oxidation method to the research on decolorization technology of the chitin， which could be affected by the variation of hydrogen peroxide concentration， solid-liquid ratio， ultrasonic time， decolorization temperature and pH.The blue light whiteness value was set as the criteria of the decolorization effect， and the related process could be optimized by the response surface optimization method with the whiteness value as the basic response value.Finally， the conclusion could be drawn that the optimum experimental conditions for the HarpaLus calceatus chitin： the hydrogen peroxide reaction concentration was 30%; the solid-liquid ratio was 1∶30（g/ml）; the ultrasonic time was 4h; the optimal bleaching temperature was 67.53℃; the pH was 9.Under this condition， the whiteness value of the Harpalus calceatus could be measured as 74.2371. This study provided a scientific basis for the decolorization process of the crude chitin， and lying  asolid ground for the preparation of chitosan.

Key words： Harpalus calceatus; Chitin; Decolorization; Whiteness value; Response surface optimization

谷婪步甲[Harpalus calceatus （Duftschmid）]隶属于鞘翅目步甲科，捕食种兼植食性种[1，2];成虫夜间出土活动，食害谷子、玉米、小麦[3]种子造成缺苗断垄或毁种，也危害苜蓿、草莓、马铃薯、胡麻、糜子[4]等。甲壳素是自然界中数量仅次于蛋白质的含氮有机物，也是仅次于纤维素的第二大天然高分子多糖，主要由动物生成，广泛存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物、海藻、真菌[7]和动物的关节、蹄、足的坚硬部分，以及动物肌肉与骨接合处均有甲壳素的存在[5]。

节肢动物中的昆虫，其甲壳素含量比较高，而且钙和重金属含量低，杂质少，纯度高，提取过程中对水、酸、碱消耗少，生产成本低[6]，昆虫甲壳素要优于虾、蟹甲壳素，而昆虫中的甲虫由于具有坚硬的外壳和鞘翅甲壳素含量更高，且甲虫是昆虫中资源量最大、种类最多的第一大类昆虫，正是潜在的甲壳素来源[7]。甲虫广泛分布于西北地区，是荒漠流沙地区的优势种类，其鞘翅及体壁含有丰富优质的甲壳素，具有一定的开发意义。目前，国内外生产甲壳素的主要材料来源是水产加工后废弃的虾、蟹壳[8]、鱼鳞[9]、蚕蛹[10，11]、蜣螂[12]、蟋蟀[13]等昆虫，有关甲虫中提取甲壳素的报道较少。谷婪步甲是宁夏甲虫的优势种类，当地数量多、分布广，本研究化害为益，充分利用生物资源，变废为宝。

由于谷婪步甲虫含有较高含量的色素，使得成虫颜色呈现棕色或黑色，导致所提取的甲壳素颜色较深，不利于甲壳素的二次加工，使其应用范围和商品价值受到严重影响，因此，脱色工艺是解决颜色带来的产品弊端，生产高品质甲壳素及壳聚糖的关键技术[14]，直接影响甲壳素的品质。目前，关于甲壳素脱色工艺的研究，工业上主要采用日光照射和次氯酸钠、高锰酸钾氧化脱色等方法，也有用有机溶剂萃取脱色的报道[15]。过氧化氢作为一种易得、加热后易分解除去的无污染氧化剂，在织物、纸浆脱色上应用广泛，因此在谷婪步甲提取的甲壳素的应用，具有良好的前景。本研究采用超声波辅助溶剂进行脱色，利用声波产生高速、强烈的空化效应和溶剂分子搅拌作用，破坏材料的表面结构，使过氧化氢渗透到甲虫结构中，缩短脱色时间，提高脱色效率[16]。通过超声波辅助过氧化氢氧化的方法对已脱脂脱蛋白脱无机盐的谷婪步甲粗甲壳素进行脱色，并利用响应面进行工艺优化，以期为甲虫甲壳素的脱色提供理论参考和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂 谷婪步甲成虫采自宁夏吴忠市红寺堡区。高锰酸钾、次氯酸钠、30%过氧化氢、盐酸、氢氧化钠、溴化钾，均为分析纯，购于宁夏恒元创科贸易有限公司;标准甲壳素品，食品级，购于上海纯优生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备 ALC-210.4型电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司;KA-1000型低速台式离心机，上海安亭科学仪器厂;320A型pH计，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司;KQ-250DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司;CR-400型色差仪，日本柯尼卡美能达;TENSOR2型7红外光谱仪，布鲁克（北京）科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 谷婪步甲甲壳素制备工艺流程 新鲜甲虫→灭活→预处理→脱脂→脱蛋白→脱无机盐→干燥→甲壳素粗品→脱色→甲壳素产品。

1.3.2 甲壳素制备 将新鲜的谷婪步甲成虫旋转筛分去除泥土后，洗净后置于85℃烘箱内，装铝盒内烘至恒重（误差小于0.01g），用破碎机粉碎，过60目筛，过筛后的干虫粉用滤纸包浸泡于石油醚中，利用索氏提取法脱除油脂，后将已脱脂虫粉用碱性蛋白酶脱除蛋白质。在室温下，再用醋酸浸泡已脱脂脱蛋白后的虫粉，脱除无机盐后，最终得到的物质即为甲壳素粗品，此甲壳素粗品为本试验的试验材料。

1.4 谷婪步甲甲壳素脱色剂的选择 取谷婪步甲粗甲壳素干粉1.000g置于100mL的三角瓶中，分别用20%和30%的H2O2、5%和10%的NaClO、3%和4%的KMnO4[17]，以1∶25的固液比（W/V，下同），设置超声功率为500W、60℃下处理3h后，用定量滤纸过滤，滤渣蒸馏水水洗（若用KMnO4对样品进行处理，需用草酸溶液中和滤渣中剩余的KMnO4，重复2次），脱色后的滤渣在85℃下烘干。烘干后利用色差仪测定脱色后甲壳素样品白度，以白度值对比脱色工艺的脱色效果，每样品白度重复检测3次。

1.5 谷婪步甲甲壳素脱色的单因素试验 在确定最佳脱色剂后，以H2O2的浓度、固液比、超声时间、超声温度、溶液pH作为影响因子，以蓝光白度值为鉴定指标，进行单因素实验，确定各影响因子对谷婪步甲甲壳素粗品脱色效果的影响[18]。

1.5.1 浓度 固定其他脱色工艺条件：固液比1∶25g/mL、超声时间3h、脱色温度60℃、溶液pH9，考察不同过氧化氢浓度（10%、15%、20%、25%和30%），对谷婪步甲甲壳素粗品脱色效果的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置于100mL三角瓶中，分别以5种不同浓度的H2O2在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。

1.5.2 固液比 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度25%、超声时间3h、脱色温度60℃、溶液pH9，考察不同固液比（1∶10g/mL、1∶15g/mL、1∶20g/mL、1∶25g/mL、1∶30g/mL）对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同的固液比在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。

1.5.3 超声时间 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度25%、固液比1∶25g/mL、脱色温度60℃、溶液pH9，考察不同超声波时间（1h、1.5h、2h、2.5h、3h），对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同的超声时间在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。

1.5.4 超声温度 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度25%、固液比1∶25g/mL、超声波时间3h、溶液pH 9，考察不同脱色温度（45℃、50℃、55℃、60℃、65℃）对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同温度在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。

1.5.5 溶液pH 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度25%、固液比1∶25g/mL、超声时间3h、脱色温度60℃，考察不同溶液pH（5、7、9、11、13）对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别在5种不同溶液pH在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。

1.6 白度测定 将脱色烘干后所得谷婪步甲甲壳素产品用色差仪所带附件压成饼状，利用色差仪测样平台测定白度，选用蓝光白度為指标进行读数。用色差计测定干燥后甲壳素样品的白度（WH）[19，20]，以标准白板为基准（Y=88.3，X=0.3135，y=0.3198），其中L*为亮度，表示坐标颜色的亮度，取值范围为0～100（从黑色到白色）。a*和b*是颜色的色调和饱和度，a*代表物体的红色和绿色，正值代表红色，负值代表绿色;b*代表物体的黄色和蓝色，正值表示黄色，负值表示蓝色。甲壳素样品的白度根据亨特白度公式：[WH=100-（100-L）2+a2+b2][20]进行计算，每处理重复3次，取平均值。

1.7 谷婪步甲甲壳素脱色工艺优化 在单因素试验所得结果的基础上，以白度值作为评价指标，选取影响较大的3个因素，选取相关性最好的3个水平，设置3因素3水平的Box-Benhnken中心组合设计实验[21]，对谷婪步甲甲壳素脱色条件进行优化，各因素的3个水平采用-1、0、1进行编码，如表1，称取17份谷婪步甲干粉0.5000g，分别置于离心管中，固定超声波功率为500W，固液比为1∶30，溶液pH9。按表1进行响应面优化实验，重复3次取平均值。

1.8 甲壳素的定性分析 甲壳素的定性分析采用红外光谱分析法，将在最终条件制得的甲壳素产品和购买的甲壳素成品分别进行红外光谱分析，若试验所得的甲壳素产品与甲壳素成品所得的光谱一致，说明试验所得的甲壳素产品是甲壳素，反之不是。

1.9 数据处理 利用Excel 2010进行数据统计和计算，利用SPSS 17进行显著性分析，采用Design Expert 10.0.7软件进行响应面优化，建立优化模型。

2 结果与分析

2.1 谷婪步甲脱色剂的选择 由图1可知，在3种脱色剂6种浓度中，白度值由大到小依次为30%H2O2、20%H2O2、4%KMnO4、10%NaClO、5%NaClO、3%KMnO4，其中，30%H2O2的白度值最高，可高达50.01，表明其脱色效果最佳，所得的甲壳素白度最高。虽然KMnO4氧化能力较H2O2强，但是MnO4-体积较大，难以进入甲壳素分子中，因此脱色效果较H2O2差。H2O2是以O22-形式起作用，分解后的產物是水，不会产生浓烈的气味，也不会污染水及空气，故选用H2O2作脱色剂进行本试验的后续研究。经方差分析可得，30%H2O2与20%H2O2之间无显著差异（P>0.05），30%H2O2与3%KMnO4、4%KMnO4、5%NaClO、10%NaClO之间有显著差异（P<0.05）。故本试验采用H2O2作脱色剂进行后续的试验。

2.2 谷婪步甲甲壳素脱色的单因素影响

2.2.1 过氧化氢浓度对脱色效果的影响 由图2可知，随着浓度的不断增加，甲壳素白度值逐渐提高，脱色效果逐步提升，表明脱色效果与H2O2浓度呈正相关。过氧化氢浓度为30%时，白度值达到最大值，脱色能力最佳。经方差分析，过氧化氢浓度为30%时与过氧化氢浓度为20%、25%和35%时无显著差异（P>0.05），而过氧化氢浓度为30%时与过氧化氢浓度为10%、15%有显著性差异（P<0.05）。产生这种现象的原因可能是由于O22-等离子间的反应接近饱和，H2O2浓度的增加不会再影响脱色效果。因此，选择30%的H2O2浓度进行脱色较为合适。

2.2.2 固液比对脱色效果的影响 由图3可知，随着固液比的增大，白度值呈现出缓慢增大的趋势。当固液比为1∶35时，白度值达到最大值，可达43.32，脱色能力最佳。经方差分析，固液比为1∶35与固液比为1∶10、1∶15、1∶20和1∶25均有显著性差异（P<0.05），而与1∶30无显著差异（P>0.05）。由此可知，随着固液比增大，谷婪步甲甲壳素与过氧化氢液体更充分接触，更多的过氧化氢分子使反应进行的较为彻底，从而使脱色效果更好。由于固液比为1∶35与1∶30白度值无显著差异，为了节约脱色成本，采用1∶30的固液比进行试验，不进行后期结果优化。

2.2.3 超声时间对脱色效果的影响 由图4可知，甲壳素白度值随超声时间的增加而增大，在时间为1h、1.5h、2h时脱色效果变化不明显，2.5h时脱色效果显著增强，3h时脱色能力最佳，效果最好，可达61.49。经方差分析，超声时间3h与超声时间1h、1.5h、2h和2.5h均有显著性差异（P<0.05），超声时间3h与超声时间3.5h之间无显著差异（P>0.05）。因此，选择3h进行脱色较为合适。

2.2.4 脱色温度对脱色效果的影响 由图5可知，在45～50℃时脱色效果变化不明显，55℃时脱色效果显著增强，60℃时脱色效果最佳，65℃时脱色效果反而下降。经方差分析，60℃与55℃无显著性差异（P<0.05），与45℃、50℃、65℃有显著性差异（P>0.05），这是由于在45～50℃时，温度较低，H2O2的分解速率较慢;而在55℃以上时，随着温度升高，H2O2的分解速度加快，脱色效果快速提高。当脱色温度达到60℃时，白度值最大，达到57.07。而在60℃以后，再提高温度白度值反而减小，脱色效果不佳，这可能是由于温度过高时，H2O2受热分解加剧，反而降低了H2O2的浓度，与温度提高反应速度的效应相抵消，从而反应速度基本保持不变甚至降低。因此，可选60℃为适宜的脱色温度。

2.2.5 溶液pH对脱色效果的影响 由图6可知，白度值随pH的增加呈现出先增大后减少的变化趋势。经方差分析，pH9时与其他4个pH均有显著性差异（P<0.05）。当pH9时，白度值最大，可达43.06，脱色效果最佳，这可能是因为pH9环境能够促进H2O2的分解，加快O22-的产生速度。因此，谷婪步甲甲壳素的脱色宜在pH9碱性条件下进行。同时，碱性环境也有利于去除粗甲壳素残留的蛋白质，所以pH选择9，不另作后期响应面优化试验的考察因素。

2.3 响应面优化试验结果

2.3.1 试验设计方案及结果 根据表1响应面设计，确定17组设计优化方案，试验步骤参考1.7，试验方案和结果如表2所示。其中，A-过氧化氢浓度（%）、B-超声时间（h）、C-脱色温度（℃），-1、0、1表示设计水平。

2.3.2 回归方程拟合及方差分析 采用响应面程序对所得数据进行回归分析，结果见表3。对各因素回归拟合后，得到回归方程为：Y=-139.416+2.01425A+8.63325B+4.68815C-0.326AB+0.05555AC+0.02625BC-0.070780A2+0.2105B2-0.04782C2。

通过响应面设计得到回归模型p=0.0356，小于0.05，说明所建立模型真实可靠;失拟项p=0.2434，大于0.05，表明所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例较小，使用该方程模拟真实的脱色三因素三水平的工艺设计分析是可行的。由表3可知，脱色温度、过氧化氢浓度、超声时间对谷婪步甲最佳脱色工艺的影响均呈现显著性差异（P<0.05），影响脱色的因素按主次顺序排列为：脱色温度（C）>过氧化氢浓度（A）>超声时间（B）。由设计试验所得的响应面交互作用曲面图如图7～9所示。响应面优化试验结果显著表明，最佳提取工艺为：过氧化氢浓度30%、超声时间4.0h、脱色温度67.53℃。

2.3.3 响应面优化图分析 为进一步研究各因素交互作用，利用Design-Expert10.0.7统计软件绘制响应面和等高线分析图，从图7～9中可以较明显的分析出3个自变量对响应值的影响以及响应值对不同自变量变化的敏感程度。

根据回归方程（Y）作出三维交互作用响应面图和等高线图（图7、图8和图9），可以分析各因素之间相互作用的影响。每个响应曲面代表着其中任意一个因素为固定值时其余2个独立因素之间的相互作用对脱色效果影响的变化趋势，曲面图中的最高点表示实验因素间相互作用后的最佳脱色结果。由等高线图和表3可知，脱色温度、过氧化氢浓度、超声时间对谷婪步甲脱色的交互对作用p值均大于0.05，表明三者交互项的交互作用均不显著，三者交互作用对谷婪步甲甲壳素脱色效果无影响，这与方差分析结果吻合。

2.4 验证试验 利用DesignExpert10.0.7軟件对试验模型进行分析，得到谷婪步甲最佳脱色工艺为：过氧化氢反应浓度为30%、超声时间4h、最佳脱色温度67.53℃。为了验证响应面优化模型的准确性，进行了3次验证试验。实际测得的白度值为74.5356、74.3212和74.4329，与预测值74.2371接近，说明试验结果真实准确，该回归方程可以反映各因素对谷婪步甲脱色工艺的影响，具有实用价值。

2.5 甲壳素的定性分析 通过比对在最佳脱色条件下制备的甲壳素产品（yts）与标准甲壳素样品（bp）的红外光谱图可知，本工艺脱色制备的谷婪步甲甲壳素产品与标准甲壳素样品化学结构完全一致，说明确系甲壳素（见图10）。

2.6 试验结果 本试验以谷婪步甲成虫为原材料，经过前期脱脂、脱蛋白质和脱无机盐试验得到的甲壳素粗品为实验材料，通过响应面优化超声波辅助过氧化氢氧化的方法，研究了谷婪步甲甲壳素粗品的脱色工艺，用蓝光白度值进行鉴定，得到了以下结论：（1）通过对H2O2、KMnO4、NaClO3种脱色剂的脱色效果进行比较，选用H2O2作为谷婪步甲粗甲壳素的最佳脱色剂。（2）通过谷婪步甲脱色的单因素试验结果及数据分析可知，谷婪步甲的最佳脱色工艺为：过氧化氢浓度25%、超声时间3.0h、脱色温度60℃、溶液pH9、固液比为1∶30。（3）用响应面优化设计对超声波辅助过氧化氢脱色的工艺进一步优化，建立了白度值的回归模型，3个因素对白度值的影响大小为：脱色温度>过氧化氢浓度>超声时间，总模型P=0.0356，表明试验结果显著。最佳脱色工艺为：过氧化氢浓度30%、超声时间4.0h、脱色温度67.53℃。（4）在最佳脱色工艺条件下，最佳理论白度值为74.2771，进行2次验证试验。试验结果表明，验证试验白度值为74.5356、74.3212和74.4329，与模型预测结果相近，验证了该模型的可靠性，具有实用价值。

3 结论与讨论

3.1 误差分析 在试验过程中，造成的误差主要有以下几个方面：（1）超声波清洗器的温度不太精准，往往会随着实验的进行温度跳到高于所设定的温度值2～3℃，从而造成实验误差。对此，我们采用的办法是向清洗器里不时地加入自来水，同时排出温度较高的水，从而降低到实验所设定的温度。（2）进行pH影响的单因素试验时，加入30%氢氧化钠溶液调节pH值至碱性。由于过氧化氢液体与氢氧化钠溶液反应过于剧烈，反应会产生大量的气泡，常常会将虫粉冲出反应器皿以外。因此，该单因素试验更换了较大的反应器皿，而且降低了调节pH的氢氧化钠的浓度，将其浓度由30%调至5%，进行后期试验。

3.2 创新点 （1）化害为益：本试验以谷婪步甲成虫为原料，谷婪步甲为宁夏及周边普遍存在的一种农业害虫，用它提取甲壳素，化害为益，为甲壳素的制备提供新的材料来源。（2）化繁为简：采用超声波辅助过氧化氢氧化脱色的方法进行脱色，缩短了试验反应时间，节约了成本。

3.3 研究展望 本试验以谷婪步甲成虫为原材料，研究婪步甲甲壳素的脱色工艺，并确定了谷婪步甲的最佳试验条件。本研究为谷婪步甲等农业害虫的利用提供了新思路，为谷婪步甲等甲虫粗甲壳素的脱色提供了科学数据，并为后期制备壳聚糖奠定基础。

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（责编：张宏民）