超声间歇法优化虾蟹壳甲壳素提取工艺

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　　摘 要：以虾蟹壳为原料，研究超声间歇法提取虾蟹壳中甲壳素的最佳工艺条件，采用酸碱法提取甲壳素，以提取物的产率、灰分和蛋白含量作为评价指标，通过正交实验选择最佳的液料比、酸碱浓度、反应时间和反应温度。结果表明：脱钙最佳条件为液料比1.25，HCl浓度6%，反应时间2.5h，处理温度50℃;脱蛋白的最佳工艺条件：液料比1∶10，NaOH浓度6%，反应时间2h，处理温度90℃;在此最佳条件下辅助超声间歇法提取甲壳素，最佳超声处理时间为15min，提取物的产率为19.6%，灰分含量和蛋白含量均较低，分别为0.42%和1.12%。
　　关键词：
　　甲壳素;超声波;提取工艺;正交试验
　　中图分类号：S-3
　　文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315006
　　甲壳素是一种以葡萄糖为基团的天然高分子支链多糖，广泛存在于自然界的甲壳动物和昆虫外骨骼，以及一些细菌及真菌的细胞壁中[1]。甲壳素作为一种高分子材料，其本身的不饱和阳离子基团能够对带负电荷的有害物质产生强大的吸附作用[2]，另外甲壳素能够被人体正常代谢，有效清除人体内的重金属离子，达到保健预防的作用。因此，甲壳素被广泛地应用于化工、日化、医疗、食品加工和农业等领域[3]。
　　虾蟹作为常见的经济养殖水产，世界各地都有进行商业养殖，虾蟹壳中的甲壳素含量较高，干物的甲壳素含量可达到20%～30%（日本利用对虾壳提取甲壳质）。目前常用的甲壳素提取方法包括[4]酸碱法[5]、EDTA提取法[6]、酶法[7]、发酵法[8]，这些方法或多或少地存在对环境污染严重、生产周期较长、生产成本高昂等缺点。本研究从充分利用虾蟹类食品加工的废弃物，降低环境污染，提高甲壳素提取效率的角度出发[9]，采用超声波辅助法对酸碱法提取甲壳素工艺进行优化，探索最佳的提取条件，以期提高虾蟹类海产品加工副产物的附加价值，并为此类食品加工的废弃物综合利用奠定基础[10]。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　虾蟹壳购于市场，经高速粉碎机粉碎成粉末;HCl、NaOH、30%H2O2等购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。
　　1.2 仪器与设备
　　85-2WS数显恒温磁力搅拌器（上海沪析实业有限公司）;JY96-IIN触摸屏超声波破碎仪（上海净信科技有限公司）;FX101-0数显电热鼓风干燥箱（南北仪器设备有限公司）;DL-1800E超声波清洗器（昆山超声仪器有限公司）;800Y高速多功能粉碎机（皇代小家电有限公司）;NICOLET 5700傅立叶红外光谱仪（美国热电尼高力仪器公司）;UV2600/UV2600PC紫外可见分光光度计（上海恒平科学仪器有限公司）。
　　1.3 试验方法
　　1.3.1 试验流程
　　1.3.2 脱钙正交试验
　　设计正交试验L9（34），考察HCl溶液料液比（g/mL）、浓度、反应时间和处理温度对脱钙的影响。正交试验设计因素与水平见表1。
　　1.3.3 脱蛋白正交试验
　　设计正交试验L9（34），考察NaOH溶液料液比（g/mL）、浓度、反应时间和处理温度对脱蛋白的影响。正交试验设计因素与水平见表2。
　　1.3.4 脱色
　　虾蟹壳经过酸碱处理后呈淡黄色，需用氧化还原的方法进行脱色处理。取脱钙脱蛋白并烘干后的产物，加入30%H2O2溶液，在常温下磁力搅拌，反应1h后，过滤洗涤烘干。得乳白色粉末的甲壳素产品。
　　1.3.5 指标测定
　　灰分含量测定：总灰分测定法;
　　蛋白质含量测定：紫外吸光光度法。
　　1.3.6 超声间歇法脱钙、脱蛋白单因素试验
　　称取10g预处理的虾蟹壳粉末，加入250mL的6%浓度的HCl溶液中，进行2次间歇超声处理，每次脱钙时间50min，反应温度50℃，经抽滤烘干后，测定灰分。考察超声时间（5min、10min、15min、20min、25min）对脱钙的影响。
　　称取10g预处理的虾蟹壳粉末，加入100mL的6%浓度的NaOH溶液中，进行2次间歇超声处理，每次脱钙时间40min，反应温度90℃，经抽滤烘干后，测定蛋白质含量。考察超声时间（5min、10min、15min、20min、25min）对脱蛋白的影响。
　　2 结果与分析
　　2.1 脱钙正交试验
　　由表3、表4和表5可知，脱钙试验中产率的最佳组合为A2B2C3D1，即液料比为1∶25、HCl浓度8%、反应时间3h、处理温度50℃。从主效应检验可知，4因素对产率的影响主次顺序为D>B>A>C，液料比、HCl浓度和处理温度对产率有显著性影响。脱钙试验中灰分最低的组合为A2B1C2D3，即液料比为1∶25、HCl浓度6%、反应时间2.5h、处理温度60℃。从主效应检验可知，4因素对灰度的影响主次顺序为B>A>C>D，液料比、HCl浓度和反应时间对产率有显著性影响。从正交实验的灰度检测可以看出，除2组试验灰分超过1%外，其余组别灰分检测结果均符合食品级灰分标准，综合考虑产率和灰分含量，选择A2B1C2D1进行超声单因素试验。
　　2.2 脱蛋白正交试验
　　由表6、表7和表8可知，脱蛋白试验中产率的最佳组合为A1B2C2D2，即液料比为1∶10、NaOH浓度6%、反应时间1.5h、处理温度90℃。从主效应检验可知，4因素对产率的影响主次顺序为B>D>A>C，4因素对产率均有显著性影响。脱蛋白试验中蛋白含量最低的组合为A3B2C1D3，即液料比为1∶20、NaOH浓度6%、反应时间1h、处理温度95℃。从主效应检验可知，4因素对蛋白含量的影响主次顺序为A>C>B>D，液料比、NaOH浓度和反应时间对蛋白含量有显著性影响。从正交实验的蛋白含量检测可以看出，除1组试验蛋白含量超過5%外，其余组别均低于5%，综合考虑产率和蛋白含量，选择A1B2C3D2进行超声单因素试验。 　　2.3 超声间歇法单因素实验
　　由图1可知，间歇超声处理时间在15min前，随着超声处理时间的延长，产率呈现明显的上升趋势，当超声处理时间达到15min后，产率增长曲线平缓。间歇超声处理时间在15min前，甲壳素提取物的灰度含量呈明显下降趋势，而后变化趋于平缓，可知间歇超声脱钙的最佳处理时间为15min。由图2可知，对甲壳素进行超声间歇脱蛋白处理后，产率会有所降低，随后随着超声处理时间的增加，产率呈较明显的上升趋势。间歇超声处理时间在15min前，甲壳素提取物的蛋白含量呈明显下降趋势，而后变化趋于平缓，可知间歇超声脱蛋白的最佳处理时间为15min。
　　将10g虾蟹壳粉末经过最佳条件超声辅助脱钙脱蛋白后，得到甲壳素粉末1.96g，最终产品的灰分含量为0.42%，蛋白含量为1.12%。
　　2.4 甲壳素产品性质分析
　　图3为甲壳素产品的红外光谱图。图3中，环伸缩振动的吸收峰位于891cm-1处，1078cm-1附近的吸收峰是C-O的伸缩振动峰，甲壳素的3个特征吸收峰位于1641（酰胺Ⅰ）cm-1、1564（酰胺Ⅱ）cm-1和1375（酰胺Ⅲ）cm-1处，2924cm-1附近是C-H伸缩振动的吸收峰，3253cm-1处是N-H伸缩振动吸收峰，3400cm-1的吸收峰则是O-H的伸振动吸收峰。
　　3 结论
　　本研究通过正交实验设计考察了酸碱对甲壳素脱钙脱蛋白的最佳条件，确定了脱钙的最佳工艺条件：液料比为1∶25，HCl浓度6%，反应时间2.5h，处理温度50℃;脱蛋白的最佳工艺条件：液料比为1∶10，NaOH浓度6%，反应时间2h，处理温度90℃。在此基础上，通过考察超声处理时间对超声波辅助提取甲壳素的影响，脱钙和脱蛋白的最佳超声时间均为15min。超声辅助提取甲壳素能够有效地提高甲壳素提取的产率，降低产物的灰分和蛋白质含量。因此，超声间歇辅助酸碱提取法对提取甲壳素具有较大的应用前景。
　　参考文献
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　　（责任编辑 周康）
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