一种甲壳素的制备方法

1.本技术涉及一种甲壳素的制备方法，属于壳质多糖及其衍生物的制备技术领域。


背景技术：

2.龙虾肉是鲜美至极而且它的脂肪含量极低，营养又是相当丰富，是很好的滋补食材，深受人们的喜爱，但餐后约80％的龙虾壳如小龙虾虾头和虾壳等是被当垃圾扔掉，龙虾壳中甲壳素含量占20～25％，而甲壳素被认定为是与蛋白质、维生素同等重要的“人体第六生命要素”，按照上述方式处理，既浪费资源又污染环境。龙虾壳经生化反应产生甲壳素，甲壳素再进行精深加工，能用于生产医药用品、保健食品、化妆品和纺织品等更高“含金量”的产品，但由于甲壳素提取所需原料是一个不小的困扰，目前全国年产甲壳素2.6～3万吨，只有10％来自小龙虾壳，其余都来自海产品，这些壳原料大量依靠从韩国、澳大利亚等国家进口。
3.现有技术中，利用龙虾壳制备甲壳素的过程中存在两个缺点：
4.(1)虾壳脱钙工艺主要采用盐酸脱钙法，该工艺容易对甲壳素分子链造成损害，破坏蛋白质结构，生产工艺能耗高，废弃物对环境污染较严重；
5.(2)龙虾壳制备甲壳素过程不进行脱色，甲壳素产品会呈红色，不利于甲壳素产品的应用。目前工业化甲壳素生产主要采用日光照射法和高锰酸钾法脱色，日光照射法脱色时间长，颜色略呈黄色，高锰酸钾法(如cn 104231113a、cn 105085707a)会残留未反应的高锰酸钾，对周边环境造成重金属污染；用双氧水替代高锰酸钾进行氧化脱色(如cn 114044835a)，但氧化工艺不易控制，甲壳素分子链损害严重。
6.虾壳制备甲壳素过程脱钙和脱色等技术难题一直未得到有效解决，直接影响了龙虾壳制备甲壳素的推广与应用。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术提供一种甲壳素的制备方法，不仅可以实现甲壳素产率、相对分子量、脱钙率的提高，还使甲壳素的颜色呈纯白色。
8.具体地，本技术是通过以下方案实现的：
9.一种甲壳素的制备方法，以龙虾壳为处理对象，依次进行清洗、超声波脱钙、碱煮、氧化脱色、晒干、脱乙酰基，
10.所述超声波脱钙工序中，超声频率为20～40khz，脱钙液的组成包括氢氧化钠(naoh)和edta，氢氧化钠占脱钙液总量的50.0～70.0g/l(优选为50.0～60.0g/l)，edta占脱钙液总量的20.0～30.0g/l；脱钙处理作为对龙虾壳处理的第一步，脱钙液配方改变，对成品甲壳素的各项性能参数影响都很明显：不论是单独改变naoh含量还是单独改变edta含量亦或者两者同时改变，所制备的甲壳素产率、脱乙酰度值、相对分子量和白度值都有显著降低。相对而言，氢氧化钠添加量对分子量和脱钙率影响较为显著，edta用量的改变对制备出甲壳素含钙量影响较小：当氢氧化钠用量为50g/l及以上时，制备的甲壳素分子量基本接
近于18.0
×
105，而当氢氧化钠用量小于50g/l，制备出的甲壳素含钙量明显偏大。
11.所述碱煮工序中，碱煮液的组成包括氢氧化钠和水，氢氧化钠占碱煮液总量的60.0～100.0g/l(优选为60-80g/l)；作为对龙虾壳处理的第二步，改变碱煮液配方，对甲壳素含钙量影响相对较弱，但对分子量的影响较为显著：当氢氧化钠用量低时，甲壳素制备的相对分子量较大，但添加量低于60g/l时，产率、脱乙酰度值和白度值都有所降低；当氢氧化钠用量高于100g/l时，脱钙效果减弱，含钙率有所增加，相对分子量、产率、脱乙酰度值和白度值都有一定下降。
12.所述氧化脱色工序中，氧化液的组成包括氢氧化钠、过碳酸钠(2na2co3·
3h2o2)、taed和水，氢氧化钠占氧化液总量的40.0～60.0g/l，过碳酸钠占氧化液总量的15.0～30.0g/l(优选为15～25g/l)，taed占氧化液总量的5～10g/l；作为对龙虾壳处理的第三步，改变氧化液配方，对后续处理步骤都有影响，其中，过碳酸钠用量是配方中对分子量和白度的影响最为显著，对产率、脱钙率和脱乙酰度影响相对较小，配方中其他组分浓度在选定范围时，产率基本都可保持在25％以上，脱钙率低于2％，脱乙酰度可达30％以上；当过碳酸钠用量在25g/l以下时，制备出甲壳素白度大于70，白度较纯，随着过碳酸钠用量增加，当过碳酸钠维持在较高用量时，则制备出甲壳素的相对分子量和白度都有显著降低，分子量基本保持在1
×
106附近，白度也普遍在35附近；氢氧化钠用量和taed用量改变，对制备出的甲壳素白度值有所变化，但不显著。
13.所述脱乙酰基工序中，脱乙酰基液的组成包括氢氧化钠和水，氢氧化钠占脱乙酰基液总量的200～300g/l(优选为200～250g/l)。脱乙酰基液配方中的氢氧化钠用量变化对含钙量和白度值影响不大，但对制备甲壳素的产率、脱乙酰度和相对分子量影响较大，随着氢氧化钠用量的递增，脱乙酰度有显著提升，产率和分子量有所提升；氢氧化钠用量超过300g/l时，产率和相对分子量显著降低，脱乙酰度值则有所降低。
14.上述方案通过对小龙虾壳进行清洗、超声脱钙、碱煮、氧化脱色、晒干、脱乙酰基，实现对小龙虾的脱钙、脱色，edta(乙二胺四乙酸)作为脱钙的主要药剂，在超声环境下发挥螯合作用，实现钙质的脱除；氢氧化钠作为碱煮液和脱乙酰基液的主要药剂，分别控制在不同浓度，实现脱乙酰基的作用；过碳酸钠在氧化液中主要发挥氧化剂的作用，可以采用外观呈白色结晶或结晶性粉末的工业级固体过氧化氢，taed(四乙酰乙二胺)配合碳酸钠，活化其在处理中的氧化效果；按上述顺序操作，甲壳素制备的产率、脱乙酰度和相对分子质量较高，脱钙效果好，含钙量低，制得甲壳素颜色纯白。
15.上述过程还可以具体表述如下：
16.s1：将龙虾壳洗净，于75～85℃下烘干；
17.s2：在室温的超声波条件下，浸泡脱钙液8～10h，取出洗涤至中性，烘干，龙虾壳与脱钙液的重量浴比为1:40～100；
18.s3：在碱煮液中煮沸1.0～2.0h，取出水洗至中性，龙虾壳与碱煮液的重量浴比为1:50-80；
19.s4：投入氧化液中，于55～65℃浸泡1.0～2.0h，龙虾壳与氧化液的重量浴比为1:50-80；
20.s5：压去水分，摊开晒干；
21.s6：再投入脱乙酰基液中，于60～65℃保温20-30h，并定时搅拌，龙虾壳与脱乙酰
基液的重量浴比为1:50～75。
22.本发明的优点和有益效果在于：
23.(1)从整体路线上来讲：
24.龙虾壳依次进行清洗、超声波脱钙、碱煮、氧化脱色、晒干和脱乙酰基，甲壳素的制备分脱钙、碱煮、氧化脱色和脱乙酰基四个步骤操作，各项成品指标较好，工艺完整且简便，具有可操作性。
25.(2)从处理效果上来讲：本案采取超声波辅助脱钙，利用超声波在液体中的空穴效应，其处理液扩散渗透性更强，处理效率更高，制备的甲壳素的含钙量更低；氧化采用过碳酸钠为氧化剂，工艺易控制，且生态环保；各类助剂相互配合，不会存在变湿结块现象，操作简便。
26.采用本技术上述方案，产率＞25％，含钙量(含灰分质量分数)＜2％，脱乙酰度＞30％，相对分子质量＞15
×
105，白度＞70，产率、脱乙酰度和相对分子质量较高，脱钙效果好，含钙量低，制得甲壳素颜色纯白，有利于龙虾壳资源推广与利用，有很强的实用性，市场前景广阔。
具体实施方式
27.下述实施例中，各参数检测方法如下：
28.(1)产率计算
29.甲壳素的产率按下式计算：
[0030][0031]
其中，m为甲壳素的重量(g)，w为虾壳的重量(g)。
[0032]
(2)含钙量测试
[0033]
含钙量测试采用试样在550℃下灼烧生成的灰分来表征甲壳素试样的含钙量，caco3的分解温度为825℃，甲壳素试样的灰分数据可间接表征试样的含钙量。
[0034]
(3)脱乙酰度测试
[0035]
用碱量法测定脱乙酰度，按下式计算脱乙酰度(dd)：
[0036][0037][0038]c1-盐酸标准溶液的浓度(mol/l)，
[0039]c2-氢氧化钠标准溶液的浓度(mol/l)，
[0040]v1-盐酸标准溶液的体积(ml)，
[0041]v2-氢氧化钠标准溶液的体积(ml)，
[0042]
g-样品重量(g)，
[0043]
w-样品的水分(％)。
[0044]
(4)分子质量测定
[0045]
用粘度法测定分子质量，以含0.2mol/l hac和0.1mol/l nac1，4mol/l co(nh2)2的溶液为溶剂，壳聚糖初始浓度为0.1g/100ml，在25℃恒温下进行测定，按下式计算壳聚糖的
粘均分子质量m：
[0046][0047]
(5)白度测试方法
[0048]
用色彩色差计测定干燥后所得的甲壳素样品的白度(wh).以标准白板为基准(a＝0.03，b＝0.01，l＝91.23)，其中：l表示亮度，l值越大亮度越大；a表示有色物质的红绿偏向，正值越大偏向红色的程度越大，负值越大偏向绿色的程度越大；b表示有色物质的黄蓝偏向，正值越大偏向黄色的程度越大，负值越大偏向蓝色的程度越大，甲壳素样品的白度根据亨特白度公式：
[0049][0050]
实施例1
[0051]
本实施例中，主要处理试剂设置如下：
[0052]
(1)脱钙液组成：氢氧化钠占脱钙液总量的50.0g/l，edta占脱钙液总量的20.0g/l，余量为水。
[0053]
(2)碱煮液组成：氢氧化钠占碱煮液总量的60.0g/l，余量为水。
[0054]
(3)氧化液组成：氢氧化钠占氧化液总量的40.0g/l，过碳酸钠占氧化液总量的15.0g/l，taed占氧化液总量的5g/l，余量为水。
[0055]
(4)脱乙酰基液组成：氢氧化钠占脱乙酰基液总量的200g/l，余量为水。
[0056]
从龙虾壳中制备壳聚糖的过程如下：
[0057]
s1：取收集的龙虾壳(虾头、虾壳)，将龙虾壳洗净，去除残余虾肉虾黄等，于85℃烘干；
[0058]
s2：在超声波频率为20khz、室温条件下，浸泡脱钙液8h，龙虾壳与脱钙液的重量浴比为1:50，取出洗涤至中性，烘干；
[0059]
s3：在碱煮液中煮沸1.0h，龙虾壳与碱煮液的重量浴比为1:50，取出水洗至中性；
[0060]
s4：投入氧化液60℃浸泡1.0h，龙虾壳与氧化液的重量浴比为1:50；
[0061]
s5：压去水分，摊开晒干；
[0062]
s6：再投入脱乙酰基液中，龙虾壳与脱乙酰基液的重量浴比为1:50，60℃保温24h，保温期间定时搅拌。
[0063]
经过检测各项指标分别为：产率为27.85％，含钙量(含灰分质量分数)为1.58％，脱乙酰度为33.31％，相对分子质量为18.9
×
105，白度73.65。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例中，主要处理试剂设置如下：
[0066]
(1)脱钙液组成：氢氧化钠占脱钙液总量的60.0g/l，edta占脱钙液总量的25.0g/l，余量为水。
[0067]
(2)碱煮液组成：氢氧化钠占碱煮液总量的80.0g/l，余量为水。
[0068]
(3)氧化液组成：氢氧化钠占碱煮总量的50.0g/l，过碳酸钠占氧化液总量的20.0g/l，taed占氧化液总量的7.5g/l，余量为水。
[0069]
(4)脱乙酰基液组成：氢氧化钠占脱乙酰基液总量的250g/l，余量为水。
[0070]
从龙虾壳中制备壳聚糖的过程如下：
[0071]
s1：将龙虾壳洗净，85℃下烘干；
[0072]
s2：在超声波频率为25khz、室温条件下，浸泡脱钙液9h，龙虾壳与脱钙液的重量浴比为1:50，取出洗涤至中性，烘干；
[0073]
s3：在碱煮液中煮沸1.5h，龙虾壳与碱煮液的重量浴比为1:50，取出水洗至中性；
[0074]
s4：投入氧化液60℃浸泡1.5h，龙虾壳与氧化液的重量浴比为1:50；
[0075]
s5：压去水分，摊开晒干；
[0076]
s6：再投入脱乙酰基液中，龙虾壳与脱乙酰基液的重量浴比为1:50，60℃保温24h，保温期间定时搅拌。
[0077]
经过检测各项指标分别为：产率为28.25％，含钙量(含灰分质量分数)为1.69％，脱乙酰度为33.67％，相对分子质量为18.2
×
105，白度73.13。
[0078]
实施例3
[0079]
本实施例中，处理试剂设置如下：
[0080]
(1)脱钙液组成：氢氧化钠占脱钙液总量的70.0g/l，edta占脱钙液总量的30.0g/l，余量为水。
[0081]
(2)碱煮液组成：氢氧化钠占碱煮总量的100.0g/l，余量为水。
[0082]
(3)氧化液组成：氢氧化钠占碱煮总量的60.0g/l，过碳酸钠占氧化液总量的25.0g/l，taed占氧化液总量的10g/l，余量为水。
[0083]
(4)脱乙酰基液组成：氢氧化钠占脱乙酰基液总量的300g/l，余量为水。
[0084]
从龙虾壳中制备壳聚糖的过程如下：
[0085]
s1：将虾壳洗净，85℃下烘干；
[0086]
s2：在超声波频率为40khz、室温条件下，浸泡脱钙液10h，龙虾壳与脱钙液的重量浴比为1:50，取出洗涤至中性，烘干；
[0087]
s3：在碱煮液中煮沸2.0h，龙虾壳与碱煮液的重量浴比为1:50，取出水洗至中性；
[0088]
s4：投入氧化液60℃浸泡2.0h，龙虾壳与氧化液的重量浴比为1:50；
[0089]
s5：压去水分，摊开晒干；
[0090]
s6：再投入脱乙酰基液中，龙虾壳与脱乙酰基液的重量浴比为1:50，60℃保温24h，保温期间定时搅拌。
[0091]
经过检测各项指标分别为：产率为27.01％，含钙量(含灰分质量分数)为1.98％，脱乙酰度为30.53％，相对分子质量为15.7
×
105，白度70.43。
[0092]
上述实施例1-3中，将虾壳于相同条件下烘干后，取等量并控制浴比不变，分别于不同的工艺参数下进行处理完毕并晒干后，在相同脱乙酰基条件下获得成品，结果表明：在选定参数(包括处理试剂的配比和处理温度时间等工艺条件)区间内，产率基本可以保持在27％以上，脱乙酰度保持在30％以上，分子量在18
×
105附近，白度保持在70以上，而随着处理试剂浓度的提升，甲壳素含钙率逐渐提高，相对分子量和白度递减。基于甲壳素使用中脱钙与脱色为较为核心的参数，结合含钙率、白度等参数来看，实施例1的方案为最佳方案。
[0093]
平行例1
[0094]
本案例与实施例1的设置相同，区别在于：脱钙液采用表1所示组成。
[0095]
表1：脱钙液构成对制备的影响
[0096][0097][0098]
结合实施例1，并对照表1中的序号1-1至1-6可以看出：氢氧化钠、edta用量未在选定范围时，相对分子量和白度普遍较低，特别是白度，基本都在70以下；氢氧化钠用量为50g/l时，制备的甲壳素含钙量基本接近于1.5％，而当氢氧化钠用量小于50g/l(见序号1-3、1-5)时，制备出的甲壳素含钙量大于5％，含钙量明显偏大，脱钙效果不佳。
[0099]
平行例2
[0100]
本案例与实施例1的设置相同，区别在于：碱煮液采用表2所示组成。
[0101]
表2：碱煮液构成对制备的影响
[0102][0103]
结合实施例1，并对照表2中的序号2-1与2-2可以看出：当氢氧化钠用量低于60g/l时，甲壳素制备的相对分子量可以达到18.7
×
105，但产率、脱乙酰度值和白度值都有所降低，特别是白度，依旧低于70；当氢氧化钠用量高于100g/l时(如150g/l)，相对分子量会显著降低至12.7
×
105。
[0104]
平行例3
[0105]
本对比例与实施例1的设置相同，区别在于：氧化液采用表3组成。
[0106]
表3：氧化液构成对制备的影响
[0107]
[0108][0109]
比较实施例1和表3的序号3-1至3-12，结果表明：制备出甲壳素白度随着过碳酸钠用量增加而提高，当过碳酸钠用量达到15g/l时，白度达到65，白度也普遍在65附近；当过碳酸钠用量为30g/l，制备出甲壳素白度大于70，白度较纯，但由于用量大，过度氧化引起制备出甲壳素相对分子量明显降低。
[0110]
平行例4
[0111]
本案例与实施例1的设置相同，区别在于，脱乙酰基液如表4所示。
[0112]
表4：脱乙酰基液构成对制备的影响
[0113][0114]
结合实施例1与表4中的序号4-1与4-2：相同条件下，脱乙酰基液配方中的氢氧化钠用量低于200g/l时，相对分子量依旧在17.6
×
105附近的较高水平，而当氢氧化钠用量高于400g/l时，产率降低至22.53％，相对分子量降低至13.3
×
105附近，脱乙酰度值保持在32.74％的较高水平，相对实施例1有所降低。
[0115]
同时，申请人还就本案与现有技术进行比对，具体如表5所示。
[0116]
表5：本案与现有技术的比对结果
[0117][0118]
采用本技术上述方案，产率＞25％，含钙量(含灰分质量分数)＜2％，脱乙酰度＞30％，相对分子质量＞15
×
105，白度＞70；整个加工流程简便、低排放、环保。