◎ 劉樣娟，姚智恩，江沛琦，王一博，張永訓(xùn)，劉 華

（廣州工商學(xué)院，廣東 佛山 528000）

甲殼素，即甲殼質(zhì)，存在于節(jié)肢動(dòng)物（如昆蟲(chóng)、蝦、蟹）的外殼、軟體動(dòng)物（如魷魚(yú)）的內(nèi)殼等，其衍生物殼聚糖更具有利用價(jià)值。殼聚糖（chitosan，CS），又稱脫酰甲殼素，呈灰白色的固體，是天然高分子多糖，化學(xué)名為2-氨基-1，4-葡聚糖。甲殼素在堿性條件下進(jìn)行水解、脫乙酰，得到衍生物殼聚糖，殼聚糖具有生物降解性、吸附螯合性和促進(jìn)腸內(nèi)有益細(xì)菌的繁育等生理功能，安全無(wú)毒，應(yīng)用廣泛。

隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)增加和工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，排入水中的廢水越來(lái)越多，導(dǎo)致水體污染問(wèn)題加重，水體重金屬污染問(wèn)題尤為明顯。重金屬隱蔽性強(qiáng)、保留時(shí)間長(zhǎng)、污染范圍廣闊、無(wú)法被微生物降解，通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)不斷累積，最終轉(zhuǎn)化為威脅人體生命健康的甲基化合物。根據(jù)《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2011年和2015年我國(guó)南美白對(duì)蝦海水養(yǎng)殖面積分別為13.14萬(wàn)hm2和17.31萬(wàn)hm2，呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)；2015年后開(kāi)始下降，2019年的養(yǎng)殖面積降為16.80萬(wàn)hm2，但仍比2011年高出了27.9%[1]。張祥剛等[2]參照馮振明制備甲殼素的工藝方法，依照原料預(yù)處理、堿解去蛋白、水洗、脫鈣、脫色和干燥的步驟測(cè)定南美白對(duì)蝦的蝦頭、蝦殼中甲殼素含量分別為3.33%、6.67%，充分利用蝦頭和蝦殼不僅可以減少?gòu)N余垃圾，還可以提高殼聚糖的利用率。

1 殼聚糖復(fù)合微粒的制備

殼聚糖在酸性條件下具有不穩(wěn)定性、易溶解等缺點(diǎn)，這在一定程度上限制了其應(yīng)用?，F(xiàn)今，大多采用改良方法提高殼聚糖的吸附率，如磁性殼聚糖吸附劑、殼聚糖聚合物等。殼聚糖聚合物即采用2種或2種以上的吸附劑，按照一定的用量和順序加入，在合適的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的一種復(fù)合物[3]。

（1）取適量殼聚糖加入到醋酸溶液中，用玻璃棒攪拌均勻，獲得2.5 g·L-1殼聚糖膠體溶液，低溫加熱殼聚糖膠體溶液使其充分溶解、消泡。

（2）用移液管吸取5 mL消泡后的殼聚糖膠體溶液，逐滴緩慢加入到3%NaOH溶液中，滴加速度保持勻速，確保微粒粒徑大小均勻，靜置1.5 h后，用蒸餾水反復(fù)沖洗殼聚糖微粒，直至pH檢驗(yàn)結(jié)果為中性。

（3）用移液管吸取30 mL甲醇，放入燒杯中，避免甲醇濺出，再向燒杯中緩慢滴加3滴戊二醛溶液（濃度為50%），用玻璃棒將溶液攪拌均勻，加入殼聚糖微粒，用玻璃棒攪拌后靜置20 min，用蒸餾水反復(fù)沖洗，直至pH檢驗(yàn)結(jié)果為中性。

（4）把交聯(lián)殼聚糖微粒放進(jìn)冰箱中冷凍，待交聯(lián)殼聚糖完全凍結(jié)，將其轉(zhuǎn)移到預(yù)熱后的烘箱中，60 ℃干燥12 h，去除交聯(lián)殼聚糖中的水分，得到干燥的殼聚糖復(fù)合微粒，拿出后置于變色硅膠干燥劑中保存?zhèn)溆谩?/p>

（5）取0.1 g納米二氧化硅加入到30 mL醋酸溶液（濃度為2%）中，再加入適量殼聚糖樣品，超聲振蕩30 min，完成上述操作后，再加入適量的殼聚糖。然后按照上述步驟還可以得到CS/SiO2復(fù)合微粒。

2 殼聚糖的制備方法

人們對(duì)殼聚糖已經(jīng)研究了近百年，目前，殼聚糖的制備方法有化學(xué)降解法、微生物培養(yǎng)法、酶降解法、微波技術(shù)和物理法等。殼聚糖的提取制備本質(zhì)上是酰胺類多糖水解的過(guò)程。

2.1 化學(xué)降解法

化學(xué)法又稱酸堿法，是較為傳統(tǒng)的制備方法。制備方法簡(jiǎn)單，消耗大量酸堿液，產(chǎn)生大量廢液，無(wú)法回收鈣物質(zhì)和蝦青素等。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)提高，傳統(tǒng)的制備方法并不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，開(kāi)始研發(fā)更加綠色的制備方法。蔚鑫鑫等[4]使用新鮮的小龍蝦殼進(jìn)行殼聚糖的提取，將紅螯蝦蝦殼洗凈，烘干磨成粉后浸泡在鹽酸溶液中進(jìn)行去礦物質(zhì)和脫鈣處理，待24 h后傾去酸液并沖洗殘留物質(zhì)，水洗至中性。將水洗后的粗樣品置于氫氧化鈉溶液中進(jìn)行脫蛋白處理，在90～100 ℃的水浴鍋中加熱3 h后傾去堿液并沖洗殘留蛋白，水洗至中性。然后浸泡在KMnO4溶液中，待1 h后傾去溶液并水洗。將甲殼素粗樣品置于10 g·L-1草酸溶液中進(jìn)行脫色處理，待完全脫色后傾去廢棄的草酸溶液并水洗至中性。再加入氫氧化鈉溶液，在加熱條件下煮沸，進(jìn)行脫乙酰處理，一段時(shí)間后傾去廢棄溶液并水洗至中性，得到殼聚糖。脫乙酰度越高的殼聚糖，其穩(wěn)定性降低，吸附作用增強(qiáng)。舒曉宏等[5]取100 g蟹殼，制得甲殼素并干燥后稱重，按照1∶5的比例加入50%NaOH溶液，用玻璃棒攪拌均勻，加熱煮沸2 h，傾去廢液，反復(fù)水洗至中性；將粗樣品加入到適量的40%NaOH溶液，加熱煮沸1 h，反復(fù)操作3次；將粗樣品60 ℃減壓干燥，然后用乙醇沖洗干燥后的粗樣品2次，再次干燥，得到脫乙酰度為91.25%的殼聚糖。

2.2 微生物培養(yǎng)法

微生物培養(yǎng)法是相較于化學(xué)降解法化學(xué)污染程度較低的殼聚糖提取法，主要通過(guò)催化微生物自身產(chǎn)生的酶，利用其脫去乙酰基，得到殼聚糖[6]。黃璠[7]取50 mL鼠李糖乳桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基，加入5 g處理后的蝦殼進(jìn)行脫鈣處理；將培養(yǎng)基滅菌，接種6%鼠李糖乳桿菌種子液；發(fā)酵50 h；過(guò)濾發(fā)酵液，用去離子水沖洗濾渣，除去殘留的鈣，將濾渣放入枯草芽孢桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行脫蛋白處理；將培養(yǎng)基滅菌，接種4%枯草芽孢桿菌種子液，發(fā)酵48 h，過(guò)濾、清洗，除去殘留蛋白質(zhì)；烘干樣品，測(cè)出該實(shí)驗(yàn)方法的脫鈣率和脫蛋白率分別為98.98%和85.45%。

2.3 酶解法

通過(guò)催化脫去甲殼素分子中的乙酰基而制備出殼聚糖的酶即為甲殼素脫乙酰酶。甲殼素與脫乙酰酶于一定培養(yǎng)條件下制備出殼聚糖。采取超聲協(xié)同CDA酶法，并利用響應(yīng)面法對(duì)其優(yōu)化，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)476 W超聲功率下處理60 min、加酶9.45%，50 ℃下酶解3.5 h，殼聚糖脫乙酰度達(dá)到最優(yōu)，平均值為91.09%[8]。

2.4 微波技術(shù)

微波是一種電磁波，微波法堿液用量少，可增強(qiáng)乙?；磻?yīng)活性，但由于微波升溫較快，甲殼素降解不充分。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，在微波功率400 W、55%氫氧化鈉溶液、料液比1∶15（g∶mL）和時(shí)間為20 min的條件下，殼聚糖的提取效率最佳，提取3次，測(cè)得殼聚糖的脫乙酰度為86.42%±0.43%[9]。

3 殼聚糖及其復(fù)合材料對(duì)水中重金屬離子的吸附作用

3.1 吸附原理

殼聚糖的分子鏈上分布著許多羥基和游離氨基，形成帶正電荷的高分子化合物，殼聚糖借助氫鍵形成籠形分子。殼聚糖具有平伏鍵結(jié)構(gòu)，使殼聚糖在pH＜6.5時(shí)可與金屬離子螯合。因此，殼聚糖能有效地使溶液中的有機(jī)物沉淀，達(dá)到捕獲有毒重金屬離子的目的。張軍麗等[10]采用FTIR光譜、熱重分析技術(shù)和SEM技術(shù)，在pH為5的條件下加入0.1 g吸附劑吸附2 h，對(duì)Cd2+的吸附率達(dá)到79.12%。王麗麗等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在pH為5時(shí)，氨基殼聚糖吸附材料對(duì)正二價(jià)銅離子的吸附量達(dá)到0.84 mmol·g-1，為最高值。當(dāng)pH值為7、吸附劑用量為6 g·L-1，反應(yīng)30 min，重金屬離子的去除率達(dá)到最高，如：CS/GO對(duì)Cu2+的吸附率為99.20%，CS/SiO2對(duì)Cu2+的吸附率達(dá)到99.48%[12]。

3.2 最優(yōu)吸附條件

pH值、反應(yīng)時(shí)間、殼聚糖用量等因素均影響殼聚糖的吸附性能。殼聚糖及其復(fù)合物在適宜的時(shí)間、溫度、pH值和劑量的作用下，反應(yīng)充分，對(duì)殼聚糖的利用率達(dá)到最佳效果。于碩[13]制備了乙二胺四乙酸改性磁性殼聚糖，反復(fù)試驗(yàn)pH值、溫度、時(shí)間等因素對(duì)磁性殼聚糖的影響，結(jié)果顯示，調(diào)整溶液的pH為5、溫度為24.85 ℃、添加量為200 mg·L-1，反應(yīng)30 min，飽和吸附176.32 mg·g-1的Cd2+，反復(fù)吸附5次后，吸附劑仍能保留較好的吸附性能。借助SEMEDS、FT-IR、XRD、VSM 和 XPS等 對(duì) CS-GTU、CS-CDF、CS-Mo S2-1這3種吸附劑進(jìn)行表征測(cè)試，結(jié)果證明成功合成這3種吸附劑；且當(dāng)pH為5時(shí)，CS-GTU在吸附時(shí)間為300 min的條件下，對(duì)金屬離子的最大吸附量為69 028 mg·g-1；CS-CDF在吸附時(shí)間為480 min的條件下，對(duì)金屬離子的最大吸附量 為 478.47 mg·g-1；CS-MoS2-1反 應(yīng) 300 min， 吸 附2 012.46 mg·g-1金屬離子[14]。朱巨建等[15]在試驗(yàn)中制備了聚鐵-殼聚糖、聚鋁-殼聚糖和硫酸殼聚糖這3種磁性殼聚糖，并通過(guò)脫色效果和廢水COD去除率計(jì)算得到處理模擬廢水的最佳條件：殼聚糖和聚鋁以1∶3的質(zhì)量配比混合、聚鋁-殼聚糖的pH值=5.5、反應(yīng)物投加量＝1.6 g·L-1，COD去除率為90.5%、脫色率為97.3%。采取正交實(shí)驗(yàn)法探索殼聚糖軟化硬水的最佳條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，取適量殼聚糖，溶液pH值為10，在20 ℃的條件下反應(yīng)25 min，此時(shí)，殼聚糖對(duì)硬水中的重金屬離子的去除率高于60%，如表1所示[16]。

3.3 吸附效果

殼聚糖復(fù)合材料即將兩種或兩種以上的吸附材料復(fù)合而成的復(fù)合物，殼聚糖復(fù)合材料增大了吸附孔徑。采用開(kāi)管法測(cè)定廢水中的COD值，0.4 g·L-1殼聚糖使廢水COD去除率為66.8%，而處理同樣的造紙廢水，硫酸鋁用量1.6 g·L-1，廢水COD去除率為54.3%。由此可見(jiàn)，殼聚糖的用量及處理效果明顯優(yōu)異于硫酸鋁[17]。張毅等[18]經(jīng)過(guò)一系列殼聚糖不同用量的吸光值測(cè)試，發(fā)現(xiàn)殼聚糖能去除70.84% Cu2+、69.38% Co2+和65.51% Ni2+，對(duì)Cu2+的去除效果優(yōu)異。增加殼聚糖的用量，殼聚糖對(duì)上述3種金屬離子的去除率亦隨之增大，1.5 g殼聚糖對(duì)金屬離子的去除率達(dá)到最大值。MARIA等[19]制備了殼聚糖包覆膨潤(rùn)土珠，加入膨潤(rùn)土使殼聚糖的結(jié)晶度降低，有利于重金屬離子與殼聚糖上的活性位點(diǎn)相結(jié)合，提高了殼聚糖的機(jī)械強(qiáng)度，改善了殼聚糖在酸性和堿性介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)2 000 mg·L-1銅離子、pH為4、反應(yīng)溫度為25 ℃，此時(shí)對(duì)銅離子的最大吸附量為17.5 mg·g-1。

4 殼聚糖制備的新工藝

殼聚糖不僅具有良好的吸附性能，還具有抑菌防腐、澄清果蔬汁以及檢測(cè)牛奶中三聚氰胺等作用。通過(guò)模糊數(shù)學(xué)綜合感官評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)0.50%艾蒿精油、0.40%殼聚糖和0.10%維生素E混合使用，能有效延長(zhǎng)冷卻豬肉貨架期[20]。李述剛等[21]的研究結(jié)果表明，經(jīng)70 d貯藏，空白對(duì)照組中果實(shí)腐爛率為92%，1.50%殼聚糖復(fù)合涂膜液處理后的果實(shí)腐爛率為30.60%?？梢?jiàn)，1.50%殼聚糖復(fù)合涂膜液可以明顯延緩紅棗脫水衰老，有效延長(zhǎng)紅棗的貨架期。趙彥華等[22]采用正交試驗(yàn)研究殼聚糖對(duì)桑果的澄清效果，結(jié)果表明，殼聚糖用量為0.6 g·L-1、溫度為45 ℃、pH為4.5時(shí)效果最佳。使用石墨烯-殼聚糖修飾電極的免疫傳感器檢測(cè)牛奶中三聚氰胺，具有良好的回收率[23]。

5 結(jié)語(yǔ)

殼聚糖來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，且具有無(wú)毒無(wú)味、可生物降解、高效吸附重金屬離子的特性，其作為生物吸附劑通過(guò)螯合和靜電相互作用有效地吸附金屬離子，對(duì)重金屬污染廢水進(jìn)行生物吸附凈化是可行的。隨著對(duì)殼聚糖及其復(fù)合物的研究愈加深入，殼聚糖會(huì)逐步投入到實(shí)際重金屬離子的處理中，為重金屬?gòu)U水的處理提供更佳的解決辦法，打開(kāi)新的局面。