苯磺酸衍生物提取虾壳中甲壳素研究

摘 要：探究了利用对甲基苯磺酸和对羟基苯磺酸从南美白对虾虾壳中提取甲壳素的可行性，对甲壳素这一物质应用于环保领域有重要影响。

关键词：虾壳;甲壳素;对甲基苯磺酸;对羟基苯磺酸

1 前言

本研究旨在研究苯磺酸衍生物处理虾壳提取甲壳素的可行性，利用这些酸一步分离除去蛋白质、无机质等杂质，得到高纯度的甲壳素，为虾壳资源的高效利用提供参考。

2 实验准备部分

2.1 材料、试剂和仪器

南美对虾虾壳风干至水分6.51±0.13%，将虾壳破碎成

粉状，保留下40-200目的虾粉，密封，置于干燥器中保存。

2.2 虾皮和甲壳素的溶解

称取0.04 g的虾壳（或甲壳素纯品），置于2 mL离心管中，用移取1 mL一定浓度的对甲基苯磺酸溶液（对羟基苯磺酸）于离心管中溶解。密封后放入80℃的鼓风干燥箱中，反应2 h后取出。在离心机中以2600 rpm的转速下离心2 min，弃去上清液，将固体物质分别用去离子水和无水乙醇洗涤，置于105℃的烘箱中烘干至恒重，然后将固体物质洗去，将离心管洗净，烘干，称量离心管重量。计算溶出物质的比例。

在研究虾粉颗粒尺寸对溶解的影响实验中，按下表1对虾粉编号。

3 分析与结果讨论

3.1 虾粉原料的成分

将虾壳粉碎、过筛后得到虾粉，其主要成分包含了蛋白质（28.58%）、甲壳素（27.95%）、无机灰分（23.94%）和脂肪（7.90%），其他成分合计占比11.63%。从理论上计算，每千克绝干虾粉最多能产生279.5 g甲壳素。

3.2 两种苯磺酸衍生物对甲壳素的溶解能力

本实验发现两种苯磺酸衍生物不能溶解純的甲壳素。先采用恒重法测定甲壳素纯品的水分含量，结果为水分6.90±0.08%。将甲壳素溶解于不同浓度对甲基苯磺酸（或对羟基苯磺酸），测得绝干固体质量占样品（含水分6.90± 0.08%）的比值在93.5%～94.2%之间，与未处理的对照样品除却水分后的固体含量93.10%相比，没有下降，反而略有上升。对羟基苯磺酸与对甲基苯磺酸测试结果类似，没有引起固体物质的显著减少。表明甲壳素在对甲基苯磺酸和对羟基苯磺酸中不能溶解，可以用来提纯甲壳素的。

3.3 两种苯磺酸衍生物对虾壳的溶解能力

3.3.1 酸浓度的影响

使用水分含量6.5%（下同）的40-200目虾粉进行实验，分散在0.1～2mol/L的对甲基苯磺酸（或对羟基苯磺酸）中，处理完成后测量绝干固体质量占样品的比值，扣除水分6.5%，计算溶解比发现：虾粉固体的溶解比与酸浓度的关系十分复杂，在低酸浓度（0.1～0.4mol/L）时，酸浓度越高，溶出物质越多，二者大体呈线性关系;在酸浓度0.4～0.8mol/L范围内，溶解比达到峰值，对甲基苯磺酸略高于对羟基苯磺酸;酸浓度0.8～2mol/L范围内，酸越多，越容易发生衍生化反应，残留在固体上越多。

3.3.2 反应时间的影响

时间不足可能会造成虾壳组分溶解的不彻底，本实验考察了在80℃条件下，溶解0～6 h后溶出物占绝干原料的比值，结果发现：反应2 h，虾粉固体溶解比就能接近峰值，持续增大反应时间不能提高固体物质（主要是甲壳素）的溶解比例。

3.3.3 虾粉尺寸的影响

用0.8 mol/L对甲基苯磺酸不同尺寸的虾粉做溶解实验，反应2 h后发现，尺寸越小，溶解比越高，含有低目数、小尺寸的颗粒越多，溶解比越高。目数在80-200目时，对甲基苯磺酸对虾壳的处理效果最好，溶解比可达68.38%，相当于85.5%的纯度。对羟基苯磺酸对不同目数的虾粉具有相同的溶解规律，最大溶解比略低（65.63%），得到纯度约74.1%的甲壳素。一般而言，干燥状态下研磨最容易得到小尺寸的虾粉颗粒，尺寸越小，与溶剂的接触面积越大，反应速率越大，可溶解物质的溶出比效率也越高。

3.4 形貌与化学组成分析

3.4.1 SEM和化学组成分析

使用0.4 mol/L的对甲基苯磺酸在80℃处理的40-200目虾粉样品（反应2 h），得到提纯的甲壳素样品。对该样品做表面形貌分析。经过对甲基苯磺酸衍生物的处理，虾粉大颗粒的尺寸从1 mm左右下降至500 μm以下，颗粒表面覆盖的钙质化颗粒显著减少。但对羟基苯磺酸对尺寸降低没有对甲基苯磺酸那么明显，而且一些颗粒表面还保留了明显的钙化斑块，这反映了对羟基苯磺酸处理除钙并不彻底。化学组分分析（结果在图1中）印证了苯磺酸衍生物确实可以去除掉虾粉中的蛋白质和灰分组成，在高温下去除杂质提高了甲壳素的纯度，其中对甲基苯磺酸处理后的样品纯度达到90%以上，相比传统的反复酸碱洗涤，大大地简化提纯步骤。

3.4.2 表面元素组成分析

采用X射线光谱仪对四个不同样品做表面元素组成分析，结果见表2。本研究使用的商品甲壳素表面钙元素比重0.15%，除了钙以外，还检测到了钠、镁、铝、硅等元素，不含有P和S元素，表面含氮量2.21%，低于理论含氮量8.7%，这可能是由于生产甲壳素的酸碱交替处理过除掉了最表面一层甲壳素分子的部分N-乙酰基，而由于致密的结晶结构，酸、碱分子无法攻击颗粒内部的物质。

未处理的虾粉表面比甲壳素对照样多了P元素，应该是来自于虾体内的细胞物质，如核酸、磷酸化的糖、蛋白质等分子。未处理的虾粉表面氮元素含量很高，但远低于灰分的百分比，这说明钙元素虽然集中在表面，但很可能还有其他物质覆盖着钙化层。

对甲基苯磺酸处理得到的甲壳素完全测不到钙元素，并且表面N元素的比例达到了8.35%，非常接近理论值，这表明，对甲基苯磺酸在分离纯化甲壳素的同时，避免了表面N-乙酰基的破坏，这对于甲壳素表面功能化改性是很有利的。另外，样品表面多出了S元素，这说明部分对甲基苯磺酸与甲壳素发生了反应，含S元素磺酸基团与碳水化合物的羟基可能发生了酯化反应，这会造成样品固体质量的增加。

对羟基苯磺酸的处理尽管也提高了甲壳素的比例，但不够彻底，仍然残留了约20%的钙质。

3.4.3 结晶分析

对上述四种样品做了X射线晶体衍射分析，结果发现原虾粉样品位于2θ=29.4°存在一个强烈的CaCO3的衍射峰，经过两种苯磺酸衍生物的处理，该衍射峰消失了，这表明，对甲基苯磺酸和对羟基苯磺酸都能有效地与虾壳表面的钙化层反应，将Ca离子分离出来，与磺酸基团结合，分别形成对甲基苯磺酸钙和对羟基苯磺酸钙。但前者溶解度高，不易在后续的操作中沉积;而后者很可能因为容易沉积附着在甲壳素样品表面，尽管衍射峰消失了，但它们以无定型颗粒的形式存在，反映在化学组成上则表现为灰分和钙元素的含量仍然显著。

3.4.4 FT-IR分析

对甲壳素（标记Chitin）、未处理的40-200目的虾粉和0.40 mol/L的对甲基苯磺酸处理样进行FT-IR光谱鉴定，结果表明898cm-1左右属于环伸缩振动的吸收峰，1020～ 1160cm-1左右是C-O伸缩振动的吸收峰，1350cm-1左右是酰胺Ⅲ谱带，显然在此位置，甲壳素和对甲基苯磺酸处理样比原虾粉多出了一个显著的吸收峰，另外，它们比原虾粉在1555 cm-1左右酰胺II峰和1650 cm-1左右酰胺I峰的相对信号明显增强，峰更加尖锐，这是对应了甲壳素在表面含量的提升。

4 结论

①对甲基苯磺酸和对羟基苯磺酸不溶解纯的甲壳素，但能有效地溶解虾壳中的其他组分，可以提高甲壳素的纯度;

②使用0.40 mol/L对甲基苯磺酸，在80℃下处理虾粉2 h，能得到纯度90.28%的甲壳素样品，对羟基苯磺酸提纯能力略低。尺寸越小，虾粉固体的可溶解比越大，相应得到的甲壳素纯度越高;

③对甲基苯磺酸处理后，虾粉大颗粒的尺寸从1 mm左右下降至500 μm以下，灰分显著降低，钙元素被完全去除，表面变得光滑。对羟基苯磺酸也能溶解虾粉表面的钙质，完全去除CaCO3的衍射峰，但生成的对羟基苯磺酸钙容易沉积成无定形斑块，覆盖在颗粒表面，造成灰分和钙含量偏高，影响甲壳素产品的品质;

④相比于传统的酸碱交替反应，对甲基苯磺酸处理具有操作简单、保留表面N-乙酰基的优点，缺点是会有少量的磺酸基团与碳水化合物发生衍生化反应。

参考文献：

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[2]李婷，程燕霞，陈健聪等.利用有机酸结合蛋白酶从虾头虾壳中提取甲壳素[J].农产品加工（学刊），2014（2）.

[3]李永強.生物法处理虾壳提取甲壳素的方法研究[D].武汉：华中农业大学，2016.

[4]梁玉佳.南极磷虾虾壳中甲壳素的制取与应用[D].大连：大连工业大学，2013.

作者简介：

唐小红（1978- ），女，本科学历，工程师，益阳市生态环境局沅江分局，益阳市沅江生态环境监测站站长。