甲殼素的主要制備方法與應(yīng)用

1、甲殼素的主要制備方法與應(yīng)用1引言1.1甲殼素的研究背景經(jīng)過世界各國科學(xué)家、學(xué)者對甲克素的不懈探索和認(rèn)真研究， 人類開始逐步認(rèn)識甲殼素這一新的化學(xué)物質(zhì)，并將之應(yīng)用于生活的各 個領(lǐng)域。在探索和研究甲克素的歷史過程中，首先要提的是法國科學(xué) 家Henli Brocronna,其在1811年第一次從蘑菇中成功分離并提取到了 甲殼素，由此揭開了甲克素的神秘面紗，讓人們清晰的看清甲克素的 面容；其次，法國學(xué)者Rouget在1859年發(fā)現(xiàn)甲殼素溶于有機(jī)酸這 一重要化學(xué)性質(zhì)，這為人們初步了解甲殼素開啟了一扇大門。再次， 從二十世紀(jì)六十年代起，世界各國開始廣泛關(guān)注甲克素，有關(guān)甲殼素 的研究也逐漸變得活躍起來。比如

2、在1982年，日本將甲克素列為 19821992十年開發(fā)計劃，并且在1984年撥款50億美 元用于13所知名大學(xué)研究和開發(fā)利用甲殼素。最后，經(jīng)過不斷探索和科學(xué)研究，華盛頓大學(xué)的學(xué)者于1986 年首次發(fā)現(xiàn)甲克素具有生理活性。該發(fā)現(xiàn)引起了人們對甲克素的興趣， 以致于后來其成為甲殼素發(fā)展的堅實(shí)理論基礎(chǔ)。關(guān)于甲克素，曾經(jīng)有 人說：甲殼素是唯一一種被廣泛研究和應(yīng)用的物質(zhì)。"湛 至也有人說：甲殼素是二十一世紀(jì)最具研究希望的多糖。1.2甲殼素的來源在綿長的海岸線的滋養(yǎng)下，我國每年都出產(chǎn)大量的海產(chǎn)品、水產(chǎn)品。同時，龐大的人口基數(shù)也使得我國成為消費(fèi)海產(chǎn)品、水產(chǎn)品 的大國。在東南沿海城市，數(shù)量繁多的加工廠

3、在加工海產(chǎn)品、水產(chǎn)品 時，每天都有大量的蝦皮、蟹殼（見表1）等廢棄物產(chǎn)生，污染環(huán)境 的同時也讓這些富含甲克素的寶貴資源-蝦皮、蟹殼流之于壑，造成 極大地浪費(fèi)。然而，我們可以利用這些廢棄物生產(chǎn)出含有甲殼素及其 衍生物的一系列用品。目前的研究發(fā)現(xiàn)表明，甲克素是一種應(yīng)用極其 廣泛的化學(xué)物品，它比纖維素有更大工業(yè)價值和用途?，F(xiàn)在甲克素已 廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)療、化工、食品等各個領(lǐng)域。另外，借助于我國 獨(dú)特的海洋資源優(yōu)勢和原料價格優(yōu)勢，國內(nèi)甲克素的生產(chǎn)成本普遍較 低，成本優(yōu)勢使得甲殼素及其衍生物在市場競爭中極具價格優(yōu)勢。廣 泛的應(yīng)用領(lǐng)域催生出甲克素巨大的市場需求，而投資風(fēng)險小、原料成 本低等優(yōu)點(diǎn)也讓眾多廠

4、家大量生產(chǎn)甲克素及其衍生物。因此，可以說 以甲克素為中心的利益鏈已經(jīng)越來越緊密。在甲克素及其衍生物系列 產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，經(jīng)濟(jì)效益會從不同方向流向生產(chǎn)廠家、普通百姓， 而最重要的是能減少環(huán)境污染，保護(hù)自然環(huán)境，大大顯現(xiàn)良好的社會 效益。1.3甲殼素及其衍生物的研究意義甲殼素的獨(dú)特之處在于它是自然界中一種帶正電荷的天然高 分子材料，而且只能通過生物法降解。根據(jù)國外諸多研究機(jī)構(gòu)的最新 研究，甲殼素在調(diào)節(jié)生物體特別是人體方面具有重要作用，如在增強(qiáng) 免疫、保護(hù)胃腸道、降血壓、降血脂等有著非常好的效果，在醫(yī)學(xué)界 已經(jīng)開始臨床使用。殼聚糖是甲殼素的N-脫乙?；苌?，具有生 物學(xué)活性多樣、無毒且易于吸收、

5、相容性好、易被微生物降解等特點(diǎn)。 從理論和應(yīng)用兩個方面來說，文章將闡述的甲殼素、殼聚糖的保健功 能特性，以及其在食品中的應(yīng)用會對甲殼素以及它的衍生物的發(fā)展前 景與新產(chǎn)品的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。1.4甲殼素及其衍生物殼聚糖的基本性質(zhì)甲殼素（見圖1）又稱幾丁質(zhì)，在自然界中廣泛存在，如動、 植物內(nèi)，其存在于低等植物的細(xì)胞內(nèi)，高等植物的細(xì)胞壁上，以及甲 殼動物的外殼中。是生物界廣泛存在天然有機(jī)物，也是地球上可再生 的天然高分子材料。殼聚糖是甲殼素經(jīng)脫鈣、脫乙?；兔摰鞍踪|(zhì)所 得的產(chǎn)物。甲殼素、殼聚糖中的高分子多糖是一種天然線性粘多糖， 是至今發(fā)現(xiàn)的唯一一種陽離子動物纖維的堿性多糖。甲殼素、殼聚糖 都

6、具有較強(qiáng)的保健功能。殼聚糖，化學(xué)名稱為（1,4）-2-氨基-2-脫氧-8-D-葡聚糖，其是 甲殼素最重要的衍生物（見圖2）。它含有豐富的C和N元素，是 自然界中除蛋白質(zhì)外含氮量最為豐富的有機(jī)氮源，因游離氨基的存在， 殼聚糖會溶于大多數(shù)無機(jī)酸和有機(jī)酸中。而且殼聚糖具有良好的生物 可降解性、生物安全性和生物相容性，無刺激性，在輕工業(yè)、醫(yī)學(xué)和 環(huán)保等方面都有相當(dāng)顯著的作用。2甲殼素的主要制備方法2.1熱堿法水解蛋白質(zhì)該法分別稱取顆粒大小不同的蝦殼粉10克，在65 mL質(zhì)量 分?jǐn)?shù)5 %的NaOH溶液中分別反應(yīng)5h、6h、7h、8 h,反應(yīng)溫度為 90甌反應(yīng)完成后通過離心分離，取下層沉淀物質(zhì)。研究蝦殼粉

7、顆粒 直徑大小與反應(yīng)時間對脫蛋白所產(chǎn)的生影響。2.2酶催化水解蛋白該法選用粒度為8.05 m的蟹殼粉10克，配制pH為 8.0的亞硫酸鈉緩沖溶液，用少量曲拉通作為表面活性劑，分別使用 堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶等酶的組合酶作催化，控制恒溫 搖床溫度為50甌轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下水解12小時。研究不 同酶及其組合對脫蛋白的影響。2.3微波輔助熱堿水解蛋白質(zhì)該法選用粒度8.05 m的蟹殼粉，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 % 的NaOH溶液，在微波功率為200 W的CEM微波反應(yīng)器中分別反 應(yīng) 10 min、20 min、30 min、40 min、50 min,反應(yīng)溫度 90 便。研究在 微波輔

8、助的條件下反應(yīng)時間對蝦殼粉脫蛋白的影響。3甲殼素及衍生物殼聚糖的主要應(yīng)用機(jī)理殼聚糖是甲殼素的衍生物，它可以促進(jìn)植物增長，因其具有 良好的成膜、廣譜等特性，并且能夠增強(qiáng)植物的抗逆性，所以被廣泛 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。3.1甲殼素及殼聚糖能促進(jìn)植物生長甲殼素及殼聚糖通過提高植物根、莖、葉的生長速率，從而 使得農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)得到很好的改善。殼聚糖針對植物的氮代謝 具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)功能這一特性，從而增加了低含量的蛋白作物提高儲 存蛋白含量的作用。甲殼素及殼聚糖中豐富的C和N元素，使得 當(dāng)其被微生物分解利用后可以用它來作為植物生長的養(yǎng)分，這不僅使 得土壤中的微生物體系得到了改善，還可以抑制放線菌等病原菌的生 長

9、，也可以加快有益微生物的生長。3.2殼聚糖具有良好的成膜性如果把殼聚糖噴灑在水果蔬菜表面上，就可以形成一層薄膜， 這層半透膜對二氧化碳的選擇通透性比較高，并可以有效的控制膜內(nèi) 二氧化碳與一氧化碳的濃度。這不僅減少了單寧的氧化，也能使多酚 氧化酶的活性降低。3.3殼聚糖具有廣譜抗菌性通過研究表明：殼聚糖具有良好的抗菌性。因殼聚糖分子上 鏈有帶正電的取代基-NH3,而細(xì)菌的細(xì)胞通常帶負(fù)電荷，所以殼聚糖 具有抗菌性。其主要作用方式有兩種：一方面，殼聚糖可以通過NH3 吸附在細(xì)菌細(xì)胞壁表面上，從而形成了一層高分子膜，進(jìn)而改變了細(xì) 菌細(xì)胞膜的滲透性，阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的滲入，致使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離， 殺死細(xì)菌；

10、另一方面，殼聚糖也可進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部，與細(xì)胞內(nèi)帶負(fù) 點(diǎn)的細(xì)胞質(zhì)相結(jié)合，發(fā)生絮凝作用，殺死細(xì)菌。4甲殼素在食品工業(yè)中的應(yīng)用4.1飲料澄清劑甲殼素還可以應(yīng)用在食品工業(yè)中?，F(xiàn)今，在果汁加工行業(yè)中，果汁澄清一般采用淀粉酶和果膠酶水解，結(jié)合助凝劑以及加 膨潤土硅膠等過程來完成，這種操作方法較復(fù)雜且周期長，費(fèi) 用高，最重要的是不能從本質(zhì)上解決果汁在貯藏過程中引起的變質(zhì)。但如果用甲殼素與殼聚糖作為飲料澄清劑就可以解決這些問 題，由于果汁溶液多半呈弱酸性，且殼聚糖在稀酸溶液中帶正電荷， 原果汁中含有大量帶負(fù)電荷的果膠和纖維素以及多聚戊糖等物質(zhì)，而 正負(fù)電荷間會形成靜電作用，當(dāng)果汁中帶負(fù)電荷的懸浮物吸附在殼聚

11、糖表面時，使得懸浮物小顆粒變成大顆粒，若超過溶液對它的承載浮 力時，就會發(fā)生沉降，經(jīng)過濾后即可得到澄清原果汁，因此甲殼素與 殼聚糖可以用作澄清劑，從而本質(zhì)上解決果汁在貯藏過程中引起的變 質(zhì)，并且有著廣闊的研究和應(yīng)用前景。4.2可食用包裝膜調(diào)查表明，聚合包裝膜在食品工業(yè)中普遍被使用，但因其含 有不易被天然降解的材料，容易造成白色污染。然而甲殼素和殼聚糖 具有較好的成膜性和生物降解性，當(dāng)與多糖物質(zhì)相結(jié)合后，會形成具 有隔氧性和隔濕性的薄膜。比如日本人把甲殼素和殼聚糖加入到淀粉 類物質(zhì)的水溶液中，混勻制膜?？捎糜诎b固體，半固體或液體食品。 結(jié)果表明，殼聚糖膜在食品包裝中可有效阻止食品氧化，阻斷抑制

12、細(xì) 菌生長，膜體透明，耐油，防水防潮，機(jī)械延展性高，柔韌性相對較 好。5甲殼素及其衍生物的發(fā)展前景甲殼素由于特殊的生理功能不斷被人們發(fā)覺，引發(fā)全球各界人士的重視。至今，國際上有關(guān)殼聚糖的學(xué)術(shù)會議差不多都召開了七 屆。每年與殼聚糖有關(guān)的論文就要成千上萬篇，與此同時也有相當(dāng)多 的專利問世。據(jù)了解，在日本每三天差不多就會出現(xiàn)一份申請殼聚糖 應(yīng)用專利的報告，全球開發(fā)甲殼素的企業(yè)已經(jīng)有上千家?，F(xiàn)如今，甲 殼素的開發(fā)利用已成為世人矚目的新興產(chǎn)業(yè)。比如在一些較為發(fā)達(dá)的國家會爭相投入大量資金進(jìn)行開發(fā)與 研究。然而日本政府對甲殼素的研究與開發(fā)頗有興趣，而今在基礎(chǔ)研 究和應(yīng)用開發(fā)方面取得相當(dāng)大成就。目前，日本政府

13、唯一批準(zhǔn)的一種 宣傳療效的機(jī)能性食品是甲殼素。甲殼素是一種線型的高分子多糖，即天然的中性粘多糖，甲 殼素化學(xué)活性上不活潑，不與體液發(fā)生變化，對組織不起異物反應(yīng)， 純甲殼素是一種無毒無味的白色或灰白色半透明的固體，在水、稀酸、 稀堿以及一般的有機(jī)溶劑中難以溶解，因而限制了它的應(yīng)用和發(fā)展， 所以可溶性甲殼素的制備是當(dāng)今的重要研究方向。本實(shí)驗?zāi)康氖峭黄片F(xiàn)有提取工藝，設(shè)計一種新的制備可溶性 甲殼素的工藝技術(shù)。利用本技術(shù)方法制備的甲殼素，不僅提取工藝簡 單、甲殼素提取率高，而且提取的甲殼素純度高、亮度好。甲殼素的 研究開發(fā)及其商業(yè)產(chǎn)品已出現(xiàn)了全球競爭趨勢，并將繼續(xù)保持穩(wěn)定的 高速發(fā)展。殼聚糖因其具有獨(dú)特

14、的電荷屬性，應(yīng)用已普及了農(nóng)業(yè)、化工、食品等眾多領(lǐng)域。隨著科技的迅速發(fā)展，人們對食品行業(yè)的安全問題 相當(dāng)重視。然而甲殼素，殼聚糖天然無毒，因此在食品工業(yè)中起著極 其重要的角色。雖然我們國家對殼聚糖的制備和開發(fā)進(jìn)行了一連串的 研究，也得到了相應(yīng)成果，但與發(fā)達(dá)國家比較，我們國家對甲殼素及 其衍生物的開發(fā)還有一些距離，因此我國需要對其進(jìn)行更全面，更廣 泛，更深入的研究。以便更好地為我國食品行業(yè)服務(wù)。甲殼素?fù)碛胸S 富的資源產(chǎn)量。獨(dú)特的生理保健功能且自身含有大量的可供修飾的基 團(tuán)，則甲殼素及其衍生物具有良好的發(fā)展及應(yīng)用前景。二十一世紀(jì)，甲殼素及其衍生物的研究應(yīng)用的很廣泛，但因 為甲殼素的提取因各種條件的限制，不能得到高產(chǎn)率，純度好的甲殼 素。為了能提高甲殼素的產(chǎn)率和純度，我們在制備方法上做了一定的 改進(jìn)。