苯磺酸衍生物提取蝦殼中甲殼素研究

摘 要：探究了利用對甲基苯磺酸和對羥基苯磺酸從南美白對蝦蝦殼中提取甲殼素的可行性，對甲殼素這一物質(zhì)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域有重要影響。

關(guān)鍵詞：蝦殼;甲殼素;對甲基苯磺酸;對羥基苯磺酸

1 前言

本研究旨在研究苯磺酸衍生物處理蝦殼提取甲殼素的可行性，利用這些酸一步分離除去蛋白質(zhì)、無機質(zhì)等雜質(zhì)，得到高純度的甲殼素，為蝦殼資源的高效利用提供參考。

2 實驗準(zhǔn)備部分

2.1 材料、試劑和儀器

南美對蝦蝦殼風(fēng)干至水分6.51±0.13%，將蝦殼破碎成

粉狀，保留下40-200目的蝦粉，密封，置于干燥器中保存。

2.2 蝦皮和甲殼素的溶解

稱取0.04 g的蝦殼（或甲殼素純品），置于2 mL離心管中，用移取1 mL一定濃度的對甲基苯磺酸溶液（對羥基苯磺酸）于離心管中溶解。密封后放入80℃的鼓風(fēng)干燥箱中，反應(yīng)2 h后取出。在離心機中以2600 rpm的轉(zhuǎn)速下離心2 min，棄去上清液，將固體物質(zhì)分別用去離子水和無水乙醇洗滌，置于105℃的烘箱中烘干至恒重，然后將固體物質(zhì)洗去，將離心管洗凈，烘干，稱量離心管重量。計算溶出物質(zhì)的比例。

在研究蝦粉顆粒尺寸對溶解的影響實驗中，按下表1對蝦粉編號。

3 分析與結(jié)果討論

3.1 蝦粉原料的成分

將蝦殼粉碎、過篩后得到蝦粉，其主要成分包含了蛋白質(zhì)（28.58%）、甲殼素（27.95%）、無機灰分（23.94%）和脂肪（7.90%），其他成分合計占比11.63%。從理論上計算，每千克絕干蝦粉最多能產(chǎn)生279.5 g甲殼素。

3.2 兩種苯磺酸衍生物對甲殼素的溶解能力

本實驗發(fā)現(xiàn)兩種苯磺酸衍生物不能溶解純的甲殼素。先采用恒重法測定甲殼素純品的水分含量，結(jié)果為水分6.90±0.08%。將甲殼素溶解于不同濃度對甲基苯磺酸（或?qū)αu基苯磺酸），測得絕干固體質(zhì)量占樣品（含水分6.90± 0.08%）的比值在93.5%～94.2%之間，與未處理的對照樣品除卻水分后的固體含量93.10%相比，沒有下降，反而略有上升。對羥基苯磺酸與對甲基苯磺酸測試結(jié)果類似，沒有引起固體物質(zhì)的顯著減少。表明甲殼素在對甲基苯磺酸和對羥基苯磺酸中不能溶解，可以用來提純甲殼素的。

3.3 兩種苯磺酸衍生物對蝦殼的溶解能力

3.3.1 酸濃度的影響

使用水分含量6.5%（下同）的40-200目蝦粉進(jìn)行實驗，分散在0.1～2mol/L的對甲基苯磺酸（或?qū)αu基苯磺酸）中，處理完成后測量絕干固體質(zhì)量占樣品的比值，扣除水分6.5%，計算溶解比發(fā)現(xiàn)：蝦粉固體的溶解比與酸濃度的關(guān)系十分復(fù)雜，在低酸濃度（0.1～0.4mol/L）時，酸濃度越高，溶出物質(zhì)越多，二者大體呈線性關(guān)系;在酸濃度0.4～0.8mol/L范圍內(nèi)，溶解比達(dá)到峰值，對甲基苯磺酸略高于對羥基苯磺酸;酸濃度0.8～2mol/L范圍內(nèi)，酸越多，越容易發(fā)生衍生化反應(yīng)，殘留在固體上越多。

3.3.2 反應(yīng)時間的影響

時間不足可能會造成蝦殼組分溶解的不徹底，本實驗考察了在80℃條件下，溶解0～6 h后溶出物占絕干原料的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)2 h，蝦粉固體溶解比就能接近峰值，持續(xù)增大反應(yīng)時間不能提高固體物質(zhì)（主要是甲殼素）的溶解比例。

3.3.3 蝦粉尺寸的影響

用0.8 mol/L對甲基苯磺酸不同尺寸的蝦粉做溶解實驗，反應(yīng)2 h后發(fā)現(xiàn)，尺寸越小，溶解比越高，含有低目數(shù)、小尺寸的顆粒越多，溶解比越高。目數(shù)在80-200目時，對甲基苯磺酸對蝦殼的處理效果最好，溶解比可達(dá)68.38%，相當(dāng)于85.5%的純度。對羥基苯磺酸對不同目數(shù)的蝦粉具有相同的溶解規(guī)律，最大溶解比略低（65.63%），得到純度約74.1%的甲殼素。一般而言，干燥狀態(tài)下研磨最容易得到小尺寸的蝦粉顆粒，尺寸越小，與溶劑的接觸面積越大，反應(yīng)速率越大，可溶解物質(zhì)的溶出比效率也越高。

3.4 形貌與化學(xué)組成分析

3.4.1 SEM和化學(xué)組成分析

使用0.4 mol/L的對甲基苯磺酸在80℃處理的40-200目蝦粉樣品（反應(yīng)2 h），得到提純的甲殼素樣品。對該樣品做表面形貌分析。經(jīng)過對甲基苯磺酸衍生物的處理，蝦粉大顆粒的尺寸從1 mm左右下降至500 μm以下，顆粒表面覆蓋的鈣質(zhì)化顆粒顯著減少。但對羥基苯磺酸對尺寸降低沒有對甲基苯磺酸那么明顯，而且一些顆粒表面還保留了明顯的鈣化斑塊，這反映了對羥基苯磺酸處理除鈣并不徹底。化學(xué)組分分析（結(jié)果在圖1中）印證了苯磺酸衍生物確實可以去除掉蝦粉中的蛋白質(zhì)和灰分組成，在高溫下去除雜質(zhì)提高了甲殼素的純度，其中對甲基苯磺酸處理后的樣品純度達(dá)到90%以上，相比傳統(tǒng)的反復(fù)酸堿洗滌，大大地簡化提純步驟。

3.4.2 表面元素組成分析

采用X射線光譜儀對四個不同樣品做表面元素組成分析，結(jié)果見表2。本研究使用的商品甲殼素表面鈣元素比重0.15%，除了鈣以外，還檢測到了鈉、鎂、鋁、硅等元素，不含有P和S元素，表面含氮量2.21%，低于理論含氮量8.7%，這可能是由于生產(chǎn)甲殼素的酸堿交替處理過除掉了最表面一層甲殼素分子的部分N-乙?；捎谥旅艿慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)，酸、堿分子無法攻擊顆粒內(nèi)部的物質(zhì)。

未處理的蝦粉表面比甲殼素對照樣多了P元素，應(yīng)該是來自于蝦體內(nèi)的細(xì)胞物質(zhì)，如核酸、磷酸化的糖、蛋白質(zhì)等分子。未處理的蝦粉表面氮元素含量很高，但遠(yuǎn)低于灰分的百分比，這說明鈣元素雖然集中在表面，但很可能還有其他物質(zhì)覆蓋著鈣化層。

對甲基苯磺酸處理得到的甲殼素完全測不到鈣元素，并且表面N元素的比例達(dá)到了8.35%，非常接近理論值，這表明，對甲基苯磺酸在分離純化甲殼素的同時，避免了表面N-乙?；钠茐?，這對于甲殼素表面功能化改性是很有利的。另外，樣品表面多出了S元素，這說明部分對甲基苯磺酸與甲殼素發(fā)生了反應(yīng)，含S元素磺酸基團(tuán)與碳水化合物的羥基可能發(fā)生了酯化反應(yīng)，這會造成樣品固體質(zhì)量的增加。

對羥基苯磺酸的處理盡管也提高了甲殼素的比例，但不夠徹底，仍然殘留了約20%的鈣質(zhì)。

3.4.3 結(jié)晶分析

對上述四種樣品做了X射線晶體衍射分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原蝦粉樣品位于2θ=29.4°存在一個強烈的CaCO3的衍射峰，經(jīng)過兩種苯磺酸衍生物的處理，該衍射峰消失了，這表明，對甲基苯磺酸和對羥基苯磺酸都能有效地與蝦殼表面的鈣化層反應(yīng)，將Ca離子分離出來，與磺酸基團(tuán)結(jié)合，分別形成對甲基苯磺酸鈣和對羥基苯磺酸鈣。但前者溶解度高，不易在后續(xù)的操作中沉積;而后者很可能因為容易沉積附著在甲殼素樣品表面，盡管衍射峰消失了，但它們以無定型顆粒的形式存在，反映在化學(xué)組成上則表現(xiàn)為灰分和鈣元素的含量仍然顯著。

3.4.4 FT-IR分析

對甲殼素（標(biāo)記Chitin）、未處理的40-200目的蝦粉和0.40 mol/L的對甲基苯磺酸處理樣進(jìn)行FT-IR光譜鑒定，結(jié)果表明898cm-1左右屬于環(huán)伸縮振動的吸收峰，1020～ 1160cm-1左右是C-O伸縮振動的吸收峰，1350cm-1左右是酰胺Ⅲ譜帶，顯然在此位置，甲殼素和對甲基苯磺酸處理樣比原蝦粉多出了一個顯著的吸收峰，另外，它們比原蝦粉在1555 cm-1左右酰胺II峰和1650 cm-1左右酰胺I峰的相對信號明顯增強，峰更加尖銳，這是對應(yīng)了甲殼素在表面含量的提升。

4 結(jié)論

①對甲基苯磺酸和對羥基苯磺酸不溶解純的甲殼素，但能有效地溶解蝦殼中的其他組分，可以提高甲殼素的純度;

②使用0.40 mol/L對甲基苯磺酸，在80℃下處理蝦粉2 h，能得到純度90.28%的甲殼素樣品，對羥基苯磺酸提純能力略低。尺寸越小，蝦粉固體的可溶解比越大，相應(yīng)得到的甲殼素純度越高;

③對甲基苯磺酸處理后，蝦粉大顆粒的尺寸從1 mm左右下降至500 μm以下，灰分顯著降低，鈣元素被完全去除，表面變得光滑。對羥基苯磺酸也能溶解蝦粉表面的鈣質(zhì)，完全去除CaCO3的衍射峰，但生成的對羥基苯磺酸鈣容易沉積成無定形斑塊，覆蓋在顆粒表面，造成灰分和鈣含量偏高，影響甲殼素產(chǎn)品的品質(zhì);

④相比于傳統(tǒng)的酸堿交替反應(yīng)，對甲基苯磺酸處理具有操作簡單、保留表面N-乙?；膬?yōu)點，缺點是會有少量的磺酸基團(tuán)與碳水化合物發(fā)生衍生化反應(yīng)。

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作者簡介：

唐小紅（1978- ），女，本科學(xué)歷，工程師，益陽市生態(tài)環(huán)境局沅江分局，益陽市沅江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站站長。