CN106367847B - 一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法。该方法是先对废弃小龙虾虾壳进行去杂质、脱色、脱脂预处理；然后用酶法去除小龙虾虾壳中蛋白质；再用体积分数为2%‑3%的盐酸水溶液处理虾壳去除盐；再对处理过的虾壳粉进行水洗，烘干得到几丁质半成品；最后将几丁质半成品粉碎后，搅拌溶解彻底制得几丁质溶液，在搅拌下向几丁质溶液中缓慢添加析出剂使几丁质逐渐从溶液中析出来，将析出剂除去后加入纯水重悬得到几丁质纳米纤维的悬浮液，反复纯水洗后，去除水可以获得几丁质纳米纤维。本发明的制备方法，可以提供纤维长，直径小且强度高的几丁质纳米纤维，该纤维可广泛应用于生物医药、组织工程等领域。

Description

一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法
技术领域
本发明涉及几丁质纤维制备领域，具体涉及一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法。
背景技术
我国虾类资源极为丰富，小龙虾（Procambarus clarkii），原产于美国东南部，又名克氏螯虾，在中国人们都习惯称作为小龙虾，是最具食用价值的淡水龙虾品种，年产量占整个淡水龙虾产量的70－80%。随着夏季的到来，各地都会对食用小龙虾狂热至极，每年避免不了的产生了大量虾壳垃圾，而虾壳中含有大量具有高价值的物质，尤其是几丁质。虾头、虾壳中几丁质含量达10%-20%，蛋白质含量达到20%-40%，钙含量30%-40%。如果对这些废弃物加以利用，将造出很大的价值。几丁质(C8H13O5N)n，甲壳质或壳多糖，由N-乙酰氨基葡萄糖通过糖苷键结合起来的聚合物，是一种含氮多糖类物质，为虾、蟹、昆虫等甲壳的重要成分。在自然界中分布极其广泛，且含量仅次于纤维素，是世界第二大自然可再生资源。甲壳素独特的分子结构，使其具有别具一格的生物活性。随研究的深入，几丁质的许多优异特性被挖掘出来，几丁质无毒害作用，并且有良好的生物相容性、生物可降解性 ，还可以应用于止血、镇痛、促进伤口愈合、抗菌等。而纳米几丁质除了继承上述性质外，还具有很高的比表面积、结晶度和模量，长期以来一直被视作是综合性能优异的天然高分子纤维。几丁质纳米纤维与一般无机纳米增强材料相比，它们具有可再生、来源广泛、耗能低、成本低、密度低等特点，并且表面有许多羟基可以参加接枝反应。通常，甲壳素纳米晶须和纳米纤维直接或经表面改性后分散于天然高分子或合成高分子中，被广泛用于改善聚合物材料的力学性能和热学性能等。此外，甲壳素纳米纤维还可用于食品、化妆品、水处理、包装、建筑材料等领域。因其具有良好的生物相容性，在生物医药、组织工程等领域也具有潜在的应用前景。
目前生产几丁质纳米纤维的原料多从几丁质出发，成本高昂，而且一些物理法制造几丁质纳米纤维耗能巨大，处理难度大，难以广泛的应用于大规模的生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，本发明以废弃虾壳为原材料，结合化学和酶法处理，所得几丁质纳米纤维细直径在40nm以下，且工艺简单，易操作，反应时间短，适合产业化。
为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，包括以下步骤：
步骤1，虾壳粉的制备
收集废弃小龙虾虾壳，经过清洗、煮沸、烘干、粉碎后，按质量体积比1：10-15添加脱色剂，25℃-50℃超声15-25h，过滤，将滤渣水洗2-3次后烘干，再按质量体积比1：10~15加入脱脂有机试剂中 55℃~70℃水浴下脱脂，中速滤纸过滤，将滤渣水洗后于60-80℃烘干，得脱脂虾壳粉；
步骤2，去蛋白虾壳粉的制备
将密度为5%的复合蛋白酶水溶液灭菌后，加入已灭菌的脱脂虾壳粉灭菌后加入中，在pH为 7~8温度为40~50℃下水浴酶解5~10h，再过滤保留滤渣，其中脱脂虾壳粉与复合蛋白酶水溶液的质量体积比为1:15-25；
步骤3，去蛋白虾壳粉的去盐过程
将步骤2中滤渣与体积分数为1%~3%的盐酸水溶液按1:10~15的比例混合后，在40℃~60℃，100~200rpm下搅拌反应1~2天，反应结束后，中速滤纸过滤，得到几丁质半成品；
步骤4，几丁质的制备
将几丁质半成品水洗2~6次后于烘箱中60-80℃下干燥得到几丁质粉末；
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入溶剂在温度为4-60℃下溶解2-12h得几丁质溶液，边搅拌边加入析出剂，4℃冰箱放置过夜，调节pH至5-8，过滤后向滤渣中加入PB缓冲液清洗3-5次，过滤的滤渣再用纯水清洗过滤，纯水反复清洗3-10次，过滤得几丁质纳米纤维。
作为优选的是，步骤1中所述脱色剂为无水乙醇，脱脂有机试剂为乙酸乙酯；小龙虾虾壳粉碎至50目。
作为优选的是，步骤2中所述的复合蛋白酶由木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶或风味蛋白酶中任两种混合而成。
作为优选的是，步骤5中溶剂的体积浓度为10%-30%，溶剂为盐酸、磷酸或乙酸中任一种或两种组合。
作为优选的是，步骤5中析出剂为水、乙醇、甲醇或丙酮中任一种或几种混合。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、以餐饮废弃小龙虾壳为原料，不仅可以减少对环境的污染与空间的占有，还可以减少生产中的成本。
2、采用此法，生产出的几丁质纳米纤维的直径40nm以下，具有很好的生物材料特性。
3、此法操作简单，效率高，耗时短，能耗低。
附图说明
图 1为 本发明几丁质的红外图谱；
图2为市售几丁质的红外图谱；
图3为本发明几丁质纳米纤维素扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合实例对本发明做出进一步详述，实例仅用来解释发明，不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，包括以下步骤：
步骤1，虾壳粉的制备
收集餐饮废弃小龙虾虾壳1kg，经过清洗、煮沸以及烘干后，进行粉碎（50目），按（w/v）比1：11与无水乙醇混合，50℃超声辅助下20h，滤纸过滤，水洗3次，烘干得到脱色素虾壳。将脱色虾壳按(w/v)例1：11加入脱脂有机试剂，在60℃水浴下进行脱脂，中速滤纸过滤，将滤渣水洗，70℃烘箱烘干，得到脱脂虾壳粉。
步骤2，去蛋白虾壳粉的制备
将密度为5%的复合蛋白酶水溶液灭菌后，加入已灭菌的脱脂虾壳粉后，在pH为8温度为40℃下水浴酶解10h，再过滤保留滤渣，其中脱脂虾壳粉与复合蛋白酶水溶液的质量体积比为1：15。
步骤3，去蛋白虾壳粉的去盐过程
将步骤2中滤渣与体积分数为3%的盐酸水溶液按1:10的比例混合后，在60℃，200rpm下搅拌反应1天，反应结束后，中速滤纸过滤，得到几丁质半成品。
步骤4，几丁质的获得
将几丁质半成品水洗3次，70℃烘箱干燥得到几丁质粉末。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入体积分数为10%的盐酸，在温度为4-60℃下溶解2h得几丁质溶液，边搅拌边加入析出剂，4℃冰箱放置过夜，调节pH至6，过滤后向滤渣中加入PB缓冲液清洗3次，用纯水再清洗过滤，用纯水反复清洗5次，过滤得几丁质纳米纤维。
实施例2
一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，包括以下步骤：
步骤1，虾壳粉的制备
收集餐饮废弃小龙虾虾壳3kg，经过清洗、煮沸以及烘干后，进行粉碎（50目），按（w/v）比1：15与无水乙醇混合，40℃超声辅助下17h，滤纸过滤，水洗3次，烘干得到脱色素虾壳。将脱色虾壳按(w/v)例1：10加入脱脂有机试剂，在60℃水浴下进行脱脂，中速滤纸过滤，将滤渣水洗，70℃烘箱烘干，得到脱脂虾壳粉。
虾壳粉。
步骤2，去蛋白虾壳粉的制备
将密度为5%的复合蛋白酶水溶液灭菌后，加入已灭菌的脱脂虾壳粉后，在pH为7.5温度为45℃下水浴酶解7h，再过滤保留滤渣，其中脱脂虾壳粉与复合蛋白酶水溶液的质量体积比为1：16。
步骤3，去蛋白虾壳粉的去盐过程
将步骤2中滤渣与体积分数为2%的盐酸水溶液按1:13的比例混合后，在60℃，200rpm下搅拌反应1天，反应结束后，中速滤纸过滤，得到几丁质半成品。
步骤4，几丁质的获得
将几丁质半成品水洗4次，80℃烘箱干燥得到几丁质粉末。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入体积分数为10%的盐酸，在温度为4-60℃下溶解2h得几丁质溶液，边搅拌边加入析出剂，4℃冰箱放置过夜，调节pH至6，过滤后向滤渣中加入PB缓冲液清洗3次，再用纯水清洗过滤，用纯水反复清洗6次，过滤得几丁质纳米纤维。
实施例3
一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，包括以下步骤：
步骤1，虾壳粉的制备
收集餐饮废弃小龙虾虾壳5kg，经过清洗、煮沸以及烘干后，进行粉碎（50目），按（w/v）比1：14与无水乙醇混合，40℃超声辅助下15h，滤纸过滤，水洗2次，烘干得到脱色素虾壳。将脱色虾壳按(w/v)例1：13加入脱脂有机试剂，在60℃水浴下进行脱脂，中速滤纸过滤，将滤渣水洗，70℃烘箱烘干，得到脱脂虾壳粉。
步骤2，去蛋白虾壳粉的制备
将密度为5%的复合蛋白酶水溶液灭菌后，加入已灭菌的脱脂虾壳粉后，在pH为7温度为50℃下水浴酶解10h，再过滤保留滤渣，其中脱脂虾壳粉与复合蛋白酶水溶液的质量体积比为1：16。
步骤3，去蛋白虾壳粉的去盐过程
将步骤2中滤渣与体积分数为2%的盐酸水溶液按1:13的比例混合后，在60℃，150rpm下搅拌反应1天，反应结束后，中速滤纸过滤，得到几丁质半成品。
步骤4，几丁质的获得
将几丁质半成品水洗4次，80℃烘箱干燥得到几丁质粉末。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入体积分数为10%的盐酸，在温度为4-60℃下溶解2h得几丁质溶液，边搅拌边加入水，4℃冰箱放置过夜，调节pH至6，过滤后向滤渣中加入PB缓冲液清洗3次，再用纯水清洗过滤，过滤后向滤渣中加入纯水清洗，用纯水反复清洗5次，过滤得几丁质纳米纤维。
实施例4
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml浓盐酸，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入2L 0℃蒸馏水中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm 离心获得沉淀，反复用蒸馏水悬浮洗3-5次，最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约40nm。
实施例5
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml磷酸和浓盐酸的混合物，其中磷酸和浓盐酸的体积比为1：1，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入2L 0℃蒸馏水中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm 离心获得沉淀，反复用蒸馏水悬浮洗3-5次，最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约60nm。
实施例6
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml冰乙酸和浓盐酸的混合物，其中磷酸和浓盐酸的体积比为1：1，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入2L 0℃蒸馏水中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm离心获得沉淀，反复用纯水悬浮洗3-5次，最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约50nm。
实施例7
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml冰乙酸、磷酸和浓盐酸的混合物，其中冰乙酸、磷酸和浓盐酸的体积比为1：1，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入2L 0℃蒸馏水中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm 离心获得沉淀，用PB缓冲液反复清洗3-5次，再用纯水清洗3-5次，最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约90nm。
实施例8
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml浓盐酸，，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入1L冰乙醇中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm 离心获得沉淀，用PB缓冲液反复清洗3-5次，再用纯水清洗3-5次。最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约38nm。
实施例9
步骤1-4同实施例3。
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入200ml浓盐酸，，200rpm 均匀搅拌2h形成几丁质溶液，然后将几丁质溶液缓慢加入1L冰甲醇中，搅拌均匀，4℃冰箱放置过夜，让几丁质充分再生。用氢氧化钠调将其pH为中性，8000rpm 离心获得沉淀，用PB缓冲液反复清洗3-5次，再用纯水清洗3-5次。最终获得几丁质纳米纤维悬浮液，再将其冷冻干燥获得几丁质纳米纤维，直径约45nm。
其中表1为不同溶解剂和不同析出剂对几丁质纳米纤维直径的影响。
从实验的结果（表1）中可以看出，本发明方法制备的几丁质纤维是以废弃小龙虾壳作为原料，经过脱蛋白，脱脂及脱盐，最后以制的得几丁质做成几丁质纳米纤维。其中在几丁质纳米纤维的制作过程中，以浓盐酸为溶剂，水和乙醇为析出剂或乙醇与丙酮一定比例混合为析出剂的条件下，得到的纳米几丁质纤维效果最好，纳米几丁质纤维直径可以达到40nm以下，具有很好的生物材料特性。

Claims (3)

1.一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，虾壳粉的制备
收集废弃小龙虾虾壳，经过清洗、煮沸、烘干、粉碎后，按质量体积比1∶10-15添加脱色剂，25℃-50℃超声15-25h，过滤，将滤渣水洗2-3次后烘干，再按质量体积比1∶10-15加入脱脂有机试剂中55℃-70℃水浴下脱脂，中速滤纸过滤，将滤渣水洗后于60-80℃烘干，得脱脂虾壳粉；
步骤2，去蛋白虾壳粉的制备
将浓度为5％的复合蛋白酶水溶液灭菌后，加入已灭菌的脱脂虾壳粉后，在pH为7-8，温度为40-50℃下水浴酶解5-10h，再过滤保留滤渣，其中脱脂虾壳粉与复合蛋白酶水溶液的质量体积比为1∶15-25；
步骤3，去蛋白虾壳粉的去盐过程
将步骤2中滤渣与体积分数为1％-3％的盐酸水溶液按1∶10-15的比例混合后，在40℃-60℃，100-200rpm下搅拌反应1-2天，反应结束后，中速滤纸过滤，得到几丁质半成品；
步骤4，几丁质的制备
将几丁质半成品纯水洗2-6次后于烘箱中60-80℃下干燥得到几丁质粉末；
步骤5，几丁质纳米纤维的制备
向几丁质粉末中加入溶剂在温度为4-60℃下溶解2-12h得几丁质溶液，边搅拌边加入析出剂，4℃冰箱放置过夜，调节pH至5-8，过滤后向滤渣中加入PB缓冲液清洗3-5次，过滤得滤渣，继续加纯水搅匀清洗过滤，用纯水反复清洗3-10次，过滤得几丁质纳米纤维；其中，步骤5中溶剂的体积浓度为10％-30％，溶剂为盐酸，析出剂为蒸馏水和乙醇、乙醇和丙酮或蒸馏水。
2.根据权利要求1所述的一种利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，其特征在于：步骤1中所述脱色剂为无水乙醇，脱脂有机试剂为乙酸乙酯；小龙虾虾壳粉碎至50目。
3.根据权利要求1所述的利用废弃小龙虾壳制备几丁质纳米纤维的方法，其特征在于：步骤2中所述的复合蛋白酶由木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶或风味蛋白酶中任两种混合而成。
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