黄粉虫幼虫虫粕中甲壳素脱色工艺研究

高素红++吉志新++宋士涛++温晓蕾++聂倩文++候丽思

摘 要：对从压榨油脂后黄粉虫幼虫的虫粕制得的粗甲壳素的最佳脱色工艺条件进行了研究。以甲壳素的蓝光白度为指标，通过对比试验，确定了高锰酸钾宜为黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素的脱色剂，亚硫酸氢钠为其还原剂，采用正交试验设计对黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素的脱色工艺条件进行研究。结果表明：影响黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素脱色效果的作用因素，由大到小依次为反应时间>高锰酸钾浓度>浸泡温度>固液比。黄粉虫幼虫虫粕中甲壳素脱色的最佳工艺条件为高锰酸钾浓度为2%，固液比1∶25，反应时间为4 h，浸泡温度为50 ℃。经验证，该工艺条件下制取的甲壳素蓝光白度大于86%。

关键词： 黄粉虫幼虫虫粕；甲壳素；正交试验；脱色工艺

中图分类号：O636 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.07.010

Abstract：In this paper， the decoloring process of crude chitin of Tenebrio molitor larva meal after squeezing oil was studied. On the basis of the blue-ray whiteness index of chitin， the contrast test was used to determine the KMnO4 as the decoloring agent for the crude chitin of Tenebrio molitor larva meal and sodium bisulfite as the reducing agent. Orthogonal experimental design was used to study the bleaching conditions of crude chitin of Tenebrio molitor larvae meal. The results showed that concentration of potassium permanganate， soaking time， soaking temperature， the solid-liquid ratio have great influence on decolorization of crude chitin. The influence degree is as follows， the reaction time > potassium permanganate concentration > soaking temperature > solid-liquid ratio. The optimum conditions in bleaching of crude chitin of Tenebrio molitor larvae meal are as follows， the potassium permanganate concentration is 2%， the solid-liquid ratio is 1‥25， the reaction time is 4 h， and the soaking temperature is 50 ℃. It is proved that the white degree of chitin was more than 86% under the condition of this process.

Key words： Tenebrio mollilor larva meal；chitin；orthogonal test；decolorization process

甲壳素是一种生物大分子，具有结晶性、生物活性及可自然降解、再生等优点，作为功能材料具有广阔的应用前景[1]。昆虫的体壁主要由甲壳素构成，因此，昆虫是一座巨大的甲壳素资源库[2]。黄粉虫作为目前已产业化的昆虫资源，在饲养和加工过程中，产生了大量的虫蜕及幼虫压榨油脂后废弃的体壁等[3]，为甲壳素的资源开发和生产提供了大量原料。

与虾壳来源制备的甲壳素相比，从黄粉虫中提取的甲壳素，灰分含量较低，分子量较小，可进一步用来制备低分子量、脱乙酰度较高的壳聚糖[4]。以往对于黄粉虫甲壳素的研究，多集中在甲壳素的提取工艺上，其脱色工艺的研究相对较少。由于黄粉虫虫皮色素含量高、颜色深，所提取的甲壳素脱色不匀，杂质含量高，会影响到其应用和商品价值。黄粉虫甲壳素的脱色，不仅要将虫壳体壁的颜色去除；还要将产品中残留的头壳、口器等黑点去掉，以提高甲壳素的纯度，改善甲壳素的外观及性状，提高产品质量。因此，寻找合适的脱色方法，是生产高品质甲壳素及壳聚糖的关键技术之一。目前，工业上虾蟹壳甲壳素脱色主要通过日光照射和双氧水或高锰酸钾氧化脱色法[5-6]。本试验以黄粉虫幼虫压榨虫油后的虫粕为原料，经脱蛋白质和脱钙处理，对得到的粗甲壳素通过正交试验设计优化其脱色的工艺条件，为利用黄粉虫规模化生产甲壳素和壳聚糖提供一定的技术支持和理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料仪器

1.1.1 材 料 黄粉虫幼虫虫粕制备的粗甲壳素；秦皇岛市经济昆虫开发利用工程技术研究中心（河北科技师范学院）提供。

1.1.2 试 剂 盐酸、氢氧化钠、高锰酸钾、双氧水、草酸、亚硫酸氢钠、无水硫酸钠、偏重亚硫酸钠，均为分析纯。

1.1.3 仪 器 MP200A型电子天平、HH·S21·4型水浴锅、DF205电热鼓风干燥箱、SMY-2000系列测色色差计。

1.2 试验方法

1.2.1 甲壳素脱色剂的选择 取粗甲壳素3 g放入烧杯中，分别用20% 和30% H2O2、3%和4%KMnO4，以1∶15的固液比，在50 ℃水浴锅中处理4 h，用4层纱布水洗过滤（其中，用KMnO4处理的样品，需再以75 mL 3%草酸还原滤渣中剩余的KMnO4，水洗过滤，再重复1次），然后滤渣在干燥箱65 ℃下烘干。烘干后目测观察，并用色差计测定产品蓝光白度。每处理重复3次。

1.2.2 高锰酸钾还原剂的选择 取3 g粗甲壳素放入烧杯中，经高锰酸钾脱色处理后，水洗至中性，分别用草酸、亚硫酸氢钠、无水亚硫酸钠、偏重亚硫酸钠进行还原浸泡处理。4种试剂均以浓度3%、固液比1∶15、时间30 min浸泡甲壳素，水洗过滤，再重复1次。滤渣在65 ℃下烘干，用色差计测产品蓝光白度。每处理重复3次。

1.2.3 粗甲壳素脱色正交实验设计 根据1.2.1和1.2.2的试验结果，采用4因素、4水平L16（44）正交试验设计，即以脱色剂浓度、固液比、浸泡温度、反应时间为影响因子，以蓝光白度为指标研究黄粉虫幼虫虫粕甲壳素脱色的最佳工艺条件。每处理5 g黄粉虫粗甲壳素，L16（44）正交试验设计方案见表1。

获得最优脱色工艺条件后还需进行验证试验，3次重复。

1.2.4 白度测定 将烘干后所得样品研磨成粉末，取相等重量的粉末置于色差计测样平台，测定其蓝光白度。

2 结果与分析

2.1 脱色剂种类确定

由表2可知，两种脱色剂中， KMnO4处理后的样品白度较高，且与H2O2处理后样品的白度存在显著差异。经目测，可明显观察到，用KMnO4处理后的样品白度要好于用H2O2处理的样品白度，甲壳素呈现白色。而经两种浓度的H2O2处理后，甲壳素颜色仅由棕黄色变为淡黄色。同时，表2表明：3%KMnO4处理后的样品白度与4%KMnO4处理后的样品白度无明显差异。因此，本试验选用高锰酸钾作为脱色剂。

2.2 还原剂种类确定

高锰酸钾为强氧化性脱色剂，反应后样品变为紫黑色，还原剂的作用就是除去多余的高锰酸钾。由表3可见，无水硫酸钠还原后，样品仍为紫黑色，无任何还原效果；其他3种还原剂中以亚硫酸氢钠还原后白度最高，且与偏重亚硫酸钠还原后的样品白度存在显著差异。目测亚硫酸氢钠还原后的甲壳素颜色更洁白。因此，本试验选用亚硫酸氢钠作为还原剂。

2.3 甲壳素脱色结果分析

由表4可知，各因素对甲壳素脱色效果影响大小不同，依次为：C>A>D>B，即处理时间对脱色效果影响最大，高锰酸钾浓度和浸泡温度次之，而固液比对脱色效果影响较小。

图1表明，样品的蓝光白度与处理时的KMnO4浓度密切相关。KMnO4浓度在2%～4%时，样品的蓝光白度变幅不大；当KMnO4浓度为5%时，蓝光白度急剧下降。而KMnO4浓度为2%时，样品的蓝光白度最高。

由图2 可知，随着固液比的改变，样品的蓝光白度也呈现上下波动。固液比为1∶25时，蓝光白度最大。

样品的蓝光白度随着反应时间的增长亦呈现出上下波动（图3）。其中，以处理时间为4 h时，样品的蓝光白度最大；反应时间达5 h后，样品的蓝光白度反而急剧下降。

从图4 可以看出：反应温度在30～40 ℃时，样品的蓝光白度几乎没有变化；当反应温度达50 ℃时，样品的蓝光白度提升至最高值，而在60 ℃时，样品的蓝光白度又呈现急剧下降的态势。

综上可知，黄粉虫幼虫虫粕甲壳素最佳脱色工艺条件为高锰酸钾浓度2%，固液比1∶25，处理时间4 h，处理温度50 ℃，即A1B3C3D3组合（试验3）时，样品的蓝光白度最高。以最优条件组合重复处理黄粉虫幼虫虫粕中粗甲壳素，得到产品并测定其蓝光白度，结果均高于86%。因此，A1B3C3D3为黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素脱色的最优组合，脱色得率达72.5%。

3 结论与讨论

本文以甲壳素的蓝光白度为指标，通过对比试验，确定了高锰酸钾宜为黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素的脱色剂，亚硫酸氢钠为其还原剂，并采用正交试验设计对黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素的脱色工艺条件进行了优化研究。结果表明，影响黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素脱色效果的作用因素，由大到小依次为： 反应时间>高锰酸钾浓度>浸泡温度>固液比。黄粉虫幼虫虫粕粗甲壳素的最佳脱色工艺条件为2%KMnO4，固液比1∶25，在50 ℃下加热4 h，产品经清水洗涤数次至中性，过滤，再用3%亚硫酸氢钠溶液浸泡30 min，脱色效果良好，样品的蓝光白度达86%以上。

刘影等研究认为，尽管黄粉虫中甲壳素含量较高，且碳酸盐含量低、分子量小，但是从黄粉虫提取甲壳素也面临如何除去头壳中黑色及黄色纤维的难题。这些物质不溶于水，难溶于稀酸及稀碱，在加工过程中会夹杂在甲壳素甚至壳聚糖产品中，导致产品品质不良[7]。本研究发现，在甲壳素脱色阶段优化其工艺条件，可有助于除去上述物质，使之颜色洁白，增加其品质和商品价值。

研究过程中发现，以黄粉虫全虫为材料提取甲壳素，由于其内容物含量较多，不仅酸碱用量多，导致成本增加，且产品品质也较低。当前，黄粉虫深加工产品虫油、虫蛋白等的提取及纯化技术已日臻完善，而提取后的虫粕除用于畜禽饲料外，并未得到很好的利用，经济价值低。进一步对黄粉虫幼虫虫粕中含有的大量甲壳素提取提纯，变废为宝，实现资源的增值利用，是黄粉虫产业的重要发展方向。

此外，在脱色之前，如对产品进行干燥处理，则脱色效果较差。因此，建议提取粗甲壳素后，不必干燥，直接进行脱色。同时，还应注意，对黄粉虫幼虫虫粕甲壳素精炼时，要保护甲壳素本身所具有的各项性能指标，不能盲目追求白度指标，如高锰酸钾的作用时间要严格控制，以免作用时间过长，加重甲壳素分子的降解程度，使最终产物壳聚糖分子量减小，黏度降低，从而影响其应用。

参考文献：

[1] TOKURA S， UENO K， MIYAZAKI S， et al. Molecular weight dependent antimicrobial activity by Chitosan[J]. Macromolecular Symposia， 1996， 120（1）：1-9.

[2]郭宝华. 四种昆虫甲壳素的提取及昆虫壳聚糖和羧甲基壳聚糖的制备[D].北京：中国林业科学研究院，2005.

[3]杨兆芬，林跃鑫，陈寅山，等.黄粉虫幼虫营养成分分析和保健功能的实验研究[J].昆虫知识，1999，36（2）：97-100.

[4] 王丙丽，王洪亮，赵志强，等.黄粉虫虫蜕中甲壳素的提取条件研究[J].广东农业科学，2011（1）：118-119.

[5] 高乐平，杜予民，余华堂.过氧化氢甲壳素脱色反应条件与分子量研究[J].武汉大学学报，2002，48（4）：453-456.

[6] 汪涛， 李晓琴， 吴大洋. 家蚕蛹甲壳素的H2O2脱色及冷冻溶解研究[J]. 丝绸， 2010（6）：1-3.

[7] 刘影. 酸碱法提取黄粉虫幼虫几丁质及几丁质糖制备最优条件研究[D].长春：吉林农业大学，2004.