朱新鵬

（安康學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)院，陜西安康725000）

蠶蛹甲殼素脫色工藝研究

朱新鵬

（安康學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)院，陜西安康725000）

對(duì)蠶蛹甲殼素提取所得產(chǎn)物的脫色工藝條件進(jìn)行了研究。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定KMnO4為脫色劑；通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，獲得了蠶蛹甲殼素脫色的最佳工藝條件為：KMnO4濃度4%、固液比1∶25、處理時(shí)間4h、處理溫度30℃。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在該條件下，蠶蛹甲殼素脫色后的藍(lán)光白度可達(dá)到76%以上。

蠶蛹，甲殼素，脫色，藍(lán)光白度

甲殼素又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)、甲殼胺等，是一種由N-乙酰-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接而成的天然高分子化合物。甲殼素具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)：能拉絲、成膜、制粒，能通過化學(xué)方法改良物化性能，能和多種物質(zhì)（如膽固醇、脂肪、金屬離子、蛋白質(zhì)、腫瘤細(xì)胞等）結(jié)合，無毒，高黏度，具有生物可溶性［1］，可被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、生物工程及輕工等領(lǐng)域。目前，甲殼素主要是從蝦、蟹的外殼中提取。我國(guó)是蠶絲生產(chǎn)大國(guó)，年均有53萬t干蠶蛹可以利用［2］。干蠶蛹含甲殼素約3%～5%，而分離得到的蛹?xì)るs物中的甲殼素含量高達(dá)36%，比蝦殼、蟹殼中含量高，蛹?xì)ず}質(zhì)或灰分（3%左右）遠(yuǎn)少于蝦、蟹殼（＞30%），而蛹?xì)ず土亢蜕馗哂谖r殼、蟹殼［3］，是生產(chǎn)甲殼素的良好原料。但由于蛹?xì)ど睾扛?、顏色深，?huì)影響到其應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值。對(duì)蠶蛹甲殼素脫色的研究鮮有報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)以蠶蛹為原料，經(jīng)脫油脂和分離蛋白質(zhì)后，對(duì)得到的蠶蛹粗甲殼素通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化脫色的工藝條件，以期為蠶蛹的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠶蛹 購(gòu)于安康巴山絲絹有限公司；石油醚（沸程60～90℃）、氫氧化鈉、鹽酸、高錳酸鉀、草酸、30%過氧化氫、次氯酸鈉 均為分析純。

FW100型萬能粉碎機(jī) 北京科偉永興儀器有限公司；ALC-210.4型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司；101-1A型電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；WSD-3C型全自動(dòng)白度計(jì) 北京康光儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蠶蛹甲殼素提取工藝流程 蠶蛹→烘干→粉碎→石油醚脫脂→烘干→堿液處理→水洗過濾→濾渣烘干鹽酸處理→水洗過濾→濾渣烘干→蠶蛹粗甲殼素［4］

1.2.2 蠶蛹甲殼素脫色試劑的選擇 取蠶蛹粗甲殼素5g放入100mL的三角瓶中，分別用20%和30% H2O2、5%和10%NaClO、3%KMnO4，以1∶15的固液比（W/V，下同），在40℃水浴鍋中處理4h，用雙層紗布過濾，濾渣水洗（其中，用3%KMnO4處理的樣品，需再以75mL 3%草酸中和濾渣中剩余的KMnO4，水洗，再重復(fù)兩次），然后濾渣在65℃下烘干。烘干后用白度計(jì)測(cè)定藍(lán)光白度，白度值較高的說明脫色效果好。

1.2.3 蠶蛹甲殼素脫色的單因素實(shí)驗(yàn) 以KMnO4濃度、固液比、溫度、時(shí)間作為影響因子，以藍(lán)光白度為指標(biāo)，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，確定各影響因子對(duì)脫色效果的影響。

1.2.3.1 高錳酸鉀濃度對(duì)脫色效果的影響實(shí)驗(yàn) 取蠶蛹甲殼素5g放入100mL三角瓶中，分別以1%、2%、3%、4%、5%的KMnO4濃度，以1∶15的固液比，在40℃水浴鍋中處理3h，雙層紗布過濾、水洗。再以75mL 3%草酸中和濾渣中剩余的KMnO4，過濾、水洗，再重復(fù)兩次，濾渣65℃下烘干，用白度計(jì)測(cè)定藍(lán)光白度。

1.2.3.2 固液比對(duì)脫色效果的影響實(shí)驗(yàn) 取蠶蛹甲殼素5g放入100mL三角瓶中，用3%的KMnO4，分別以1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的固液比，在40℃水浴鍋中處理3h，雙層紗布過濾、水洗。再以75mL 3%草酸中和濾渣中剩余的KMnO4，過濾、水洗，再重復(fù)兩次，濾渣65℃下烘干，用白度計(jì)測(cè)定藍(lán)光白度。

1.2.3.3 時(shí)間對(duì)脫色效果的影響實(shí)驗(yàn) 取蠶蛹甲殼素5g放入100mL三角瓶中，用3%的KMnO4，以1∶15的固液比，在40℃水浴鍋中分別處理1、2、3、4、5h，雙層紗布過濾、水洗。再以75mL 3%草酸中和濾渣中剩余的KMnO4，過濾、水洗，再重復(fù)兩次，濾渣65℃下烘干，用白度計(jì)測(cè)定藍(lán)光白度。

1.2.3.4 溫度對(duì)脫色效果的影響實(shí)驗(yàn) 取蠶蛹甲殼素5g放入100mL三角瓶中，用3%的KMnO4，以1∶15的固液比，分別在20、30、40、50、60℃下處理3h，雙層紗布過濾、水洗。再以75mL3%草酸中和濾渣中剩余的KMnO4，過濾、水洗，再重復(fù)兩次，濾渣65℃下烘干，用白度計(jì)測(cè)定藍(lán)光白度。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化蠶蛹甲殼素脫色工藝條件 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以KMnO4濃度、固液比、溫度、時(shí)間為影響因子，選用L16（44）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以藍(lán)光白度為指標(biāo)，以優(yōu)化蠶蛹甲殼素脫色的最佳工藝條件，并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 不同脫色劑的脫色效果

1.2.5 白度測(cè)定 將烘干后所得樣品用白度計(jì)所帶附件壓成餅狀，置于白度計(jì)測(cè)樣平臺(tái)測(cè)定白度，選用藍(lán)光白度為指標(biāo)進(jìn)行讀數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫色試劑的選擇

過氧化氫、次氯酸鈉、高錳酸鉀三種脫色劑的脫色效果見表2。

由表2可見，三種脫色劑中，以KMnO4脫色效果最好，甲殼素顏色變白；兩種濃度的雙氧水處理，甲殼素由棕黃色僅變?yōu)辄S色；而以NaClO處理的效果最差，甲殼素顏色幾乎無變化（蠶蛹粗甲殼素的藍(lán)光白度為8.98%）。所以，本實(shí)驗(yàn)選用KMnO4做脫色劑進(jìn)行研究。

2.2 蠶蛹甲殼素脫色的單因素影響

2.2.1 KMnO4濃度對(duì)脫色效果的影響 KMnO4濃度對(duì)脫色效果的影響見圖1。

圖1 KMnO4濃度對(duì)脫色效果的影響

由圖1可見，KMnO4濃度在1%～4%的范圍內(nèi)，提高KMnO4濃度，脫色效果增加較為明顯，之后增加程度不明顯。這可能是由于反應(yīng)趨于飽和，再提高KMnO4濃度，已難以顯著提高脫色效果。同時(shí)，過高的KMnO4濃度會(huì)增加后續(xù)處理難度，還將造成甲殼素分子降解等不利影響。因而，選擇4%的KMnO4濃度進(jìn)行脫色較為合適。

2.2.2 固液比對(duì)脫色效果的影響 固液比對(duì)脫色效果的影響見圖2。

圖2 固液比對(duì)脫色效果的影響

從圖2可以看出，隨著KMnO4用量的增加，脫色效果提高，在固液比1∶25達(dá)到最高值。之后，增加KMnO4用量，白度反而下降。這可能是在一定范圍內(nèi)增加KMnO4用量足以將呈色物質(zhì)氧化為無色，繼續(xù)增加KMnO4用量將重新生成有色物質(zhì)所致。所以，選擇固液比1∶25進(jìn)行脫色為佳。

2.2.3 時(shí)間對(duì)脫色效果的影響 時(shí)間對(duì)脫色效果的影響見圖3。

圖3 時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

由圖3可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，脫色效果提高，但在4h時(shí)達(dá)到最高值，之后脫色效果開始下降。這可能是KMnO4在一定時(shí)間內(nèi)氧化有色物質(zhì)成為無色物質(zhì)后，繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，重新生成有色物質(zhì)所致。所以，時(shí)間選擇4h最佳。

2.2.4 溫度對(duì)脫色效果的影響 溫度對(duì)脫色效果的影響見圖4。

圖4 溫度對(duì)脫色效果的影響

由圖4可見，溫度從20～30℃，脫色效果增加較為明顯，30℃后再提高溫度對(duì)脫色效果的增加效應(yīng)不明顯。這可能是由于KMnO4是一種強(qiáng)氧化劑，脫色反應(yīng)主要依靠分子間的作用即可進(jìn)行，而溫度對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用不明顯。從生產(chǎn)實(shí)際考慮，可選30℃或40℃為適宜脫色的溫度。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化蠶蛹甲殼素脫色工藝

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3極差分析顯示，四種影響蠶蛹甲殼素脫色效果的因素順序?yàn)椋篈＞B＞C＞D，即KMnO4濃度對(duì)脫色效果影響最大，固液比次之，處理時(shí)間再次，處理溫度對(duì)脫色的影響最小。最佳脫色工藝條件為A3B3C4D1，即KMnO4濃度4%、固液比1∶25、處理時(shí)間4h、處理溫度30℃。為驗(yàn)證該工藝的效果，進(jìn)行了兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果藍(lán)光白度分別為：76.31%、76.02%，平均值為76.17%，高于正交實(shí)驗(yàn)最高值74.56%，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

李端華［5］用雙氧水對(duì)蠶蛹甲殼素的脫色進(jìn)行了研究，其白度僅達(dá)到30%，遠(yuǎn)低于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，說明用KMnO4對(duì)蠶蛹甲殼素脫色效果更為明顯。

3 結(jié)論

3.1 通過對(duì)H2O2、NaClO、KMnO4三種脫色劑的脫色效果比較，確定采用KMnO4為蠶蛹甲殼素的脫色劑。3.2 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交實(shí)驗(yàn)探明了影響蠶蛹甲殼素脫色效果的四種因素順序?yàn)椋篕MnO4濃度對(duì)脫色效果影響最大，固液比次之，處理時(shí)間再次，處理溫度對(duì)脫色的影響最小。優(yōu)化后的脫色工藝條件為：KMnO4濃度4%、固液比1∶25、處理時(shí)間4h、處理溫度30℃，在此條件下進(jìn)行脫色，藍(lán)光白度可達(dá)76%以上，顏色潔白，效果很好，可以作為蠶蛹甲殼素脫色的參考條件。

表3 L1（644）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

［1］葉楚平，李陵嵐，王念貴.天然膠黏劑［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：267-285.

［2］王敦，白耀宇，張傳溪，等.家蠶蛹營(yíng)養(yǎng)成分及其開發(fā)利用研究進(jìn)展［J］.昆蟲知識(shí)，2004，41（5）：418-421.

［3］倪紅，陳懷新，楊艷燕，等.桑蠶蛹甲殼素及殼聚糖的提取與制備工藝研究［J］.湖北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，20（1）：94-96.

［4］朱新鵬，方瓊，樊明濤，等.蠶蛹甲殼素提取工藝優(yōu)化研究［J］.中國(guó)林副特產(chǎn)，2009（3）：27-29.

［5］李端華，周小華.蠶蛹甲殼素的脫色方法與機(jī)理探討［J］.應(yīng)用化學(xué)，2004，21（3）：309-312.

Study on the decolorization of chitin from silkworm chrysalis

ZHU Xin-peng
（College of Agriculture and Life Sciences，Ankang University，Ankang 725000，China）

The decolorization process of chitin from silkworm chrysalis was studied.Through comparative experiment，KMnO4was defined as the decolorant.Through single-factor and orthogonal experiment，the best decolorization process of chitin from silkworm chrysalis was as follows：KMnO4concentration was 4%，solid-liquid ratio was 1∶25，processing time was 4h，treatment temperature was 30℃.After proven test，under this condition，blue whiteness after decolorization of chitin from silkworm chrysalis can reach more than 76%.

silkworm chrysalis；chitin；decolorization；blue whiteness

TS201.1

B

1002-0306（2011）02-0230-03

2010-01-05

朱新鵬（1968-），男，碩士，副教授，研究方向：食品科學(xué)。

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)（09JK325）；安康市科技計(jì)劃項(xiàng)目（08AK01-01-07）。