CN108912244B - 从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，将洁净的废弃蟹壳与由含9个以上碳原子的磺酸配制而成的磺酸溶液按1:5～20的固液比混合，于25～70℃反应8～24h，对蟹壳同时进行脱钙、脱蛋白质、脱脂肪，反应后水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干即得甲壳素。本发明方法从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素，直接省略了传统方法中大量强碱的使用和繁琐的制备步骤，避免中间步骤中蟹壳的多次转移以及清洗制备过程中残留的酸和碱所需消耗的大量水，有效缩短提取时间和降低人工成本，提高提取效率。本发明产生的副产物磺酸钙和蛋白质易于回收、纯化，在实现废弃蟹壳再利用的同时，达到了蟹壳提取甲壳素的清洁生产和全价利用。

Description

从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法

技术领域

本发明涉及一种甲壳素的提取方法，具体是一种从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法。

背景技术

虾壳和蟹壳是水产工业生产和消费过程中的固体废弃物，目前在我国仅有少部分被作为饲料原料、肥料及提取甲壳素和壳聚糖的原料利用。虾蟹壳的主要成分有碳酸钙30～50%、蛋白质20～30%、甲壳素15～30%。甲壳素(Chitin)全球每年生物合成量高达1000亿吨，是仅次于纤维素的第二大天然有机资源。甲壳素具有无毒、耐酸碱、耐热、耐腐蚀、耐虫蛀等特点，广泛应用于纺织、印染、造纸、食品、医药、化妆品、水果保鲜、环保等领域。

最传统的甲壳素的提取方法是酸碱法。酸碱法是目前工业上大规模利用虾、蟹壳提取制备甲壳素最普遍的方法，生产过程中无论是先用HCl脱钙，还是先用NaOH脱蛋白质（往往还需加热），均需要两步完成，在这期间需要消耗大量的水洗涤。由于盐酸的使用会导致氯离子对环境的严重污染，且强酸强碱易破坏甲壳素的结构，所产生的酸碱废水在处理时很难达到国家废水排放标准，致使这类企业面临着严重的环保压力。如CN201410157272.2公开了一种从虾蟹壳中提取甲壳素的方法，通过超声波处理、于110～121℃高压处理20～40min、酸处理，干燥后即得到甲壳素。该方法对设备要求高，能耗大，尤其是处理量非常有限，不适于工业化大规模生产，同时，蟹壳中大量存在的钙资源和蛋白质资源没有得到充分利用。

近年来发展的一些改进技术，如酶法、微生物发酵法等，由于成本高、效率低，多数停滞于实验室规模，无法获得工业生产应用。采用酶法脱蛋白，虽然污染小、条件温和，但酶解脱蛋白酶解效率低，需多次酶解，往往还需要其他辅助手段协同脱蛋白，反而增加了提取步骤和提取成本。如CN201310056441.9公开了一种甲壳素的清洁生产工艺，采用酶法水解蟹壳原料中的蛋白质，由于水解不完全，酶解残渣还需用氢氧化钠、盐酸依次浸泡制备甲壳素。该方法本质上与酸碱法没有根本区别，且步骤繁多。又如CN201310615938.X公开了一种甲壳素的分离提取工艺方法，采用混合酶（胰蛋白酶：枯草杆菌1.398蛋白酶：木瓜蛋白酶=1:2:1）酶解去除蛋白质，然后用10～11%的盐酸溶液浸泡脱钙后加氢氧化钠中和，盐酸脱钙液中的高氯高钙使废水处理成本大大提高。再如CN201611142177.0公开了一种蟹壳中甲壳素的提取方法，将蟹壳置于零下20～30℃冷冻后，采用液氮粉碎，加入水，置于超声波中1～2小时后，再放置到电磁场中20～30分钟，加入冰醋酸调节pH至3～5，温度为45～65℃，加入蛋白酶搅拌酶解2～4小时后，再放置在水浴中灭酶，收集沉淀物，加入乙酸乙酯超声20～30分钟后，减压旋转蒸发回收乙酸乙酯，冷冻干燥后即得所述甲壳素。可见酶解法并没有简化工艺流程。微生物发酵法可避免使用强酸强碱造成的环境污染、甲壳素水解和部分脱乙酰基等问题，但是操作较为复杂，蛋白质脱除效率低，且发酵周期长、生产成本高。如CN200910069014.8公开了一种全过程微生物提取甲壳素的方法，将虾、蟹壳放入固体发酵设备里，按照比例投入菌粉（5%～30%），温度控制40℃～70℃、pH5～8.5、通气量0.5～1.6L/min进行固体发酵。反应过程中需要通入热风，而在反应中产生的废气，需要通过对其进行处理后方能排放到空气中，大大增加了反应的步骤以及生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种低成本的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，将洁净的废弃蟹壳与由含9个以上碳原子的磺酸配制而成的磺酸溶液按1:5～20的固液比混合，于25～70℃反应8～24h，对蟹壳同时进行脱钙、脱蛋白质、脱脂肪，反应后水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干即得甲壳素。

本发明方法通过含9个以上碳原子的磺酸对蟹壳进行一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素，得到的甲壳素中灰分为0.8~3.0%，含氮量为6.2~6.9%，达到工业级或食品级要求。

在蟹壳中，甲壳素在壳体中呈纤维状互相交错的无规则网络结构；蛋白质以甲壳素为骨架，沿甲壳素层片状生长；碳酸钙及其无机盐呈蜂窝状多孔的结晶结构，充填在甲壳素与蛋白质组成的层与层之间，脂肪使碳酸钙、甲壳素与蛋白质连接紧密。含9个以上碳原子的磺酸是一类强酸性的阴离子表面活性剂，与蟹壳中的碳酸钙反应生成可溶性磺酸钙，由于磺酸、磺酸钙都具有良好的渗透性以及对脂肪的乳化作用，使得蟹壳中的蛋白质与甲壳素的结构变得疏松，导致在脱钙的同时蟹壳中的蛋白质随之脱落，从而达到一步从蟹壳中脱钙、脱蛋白、脱脂肪的目的，高效提取得到甲壳素。

作为优选，所述的磺酸溶液的浓度为5～20%。

作为优选，所述的磺酸为烷基苯磺酸、木质素磺酸、α-烯烃磺酸、烷基磺酸、琥珀酸酯磺酸、烷基萘磺酸、石油磺酸和烷基甘油醚磺酸中的一种或几种。

作为优选，所述的反应的形式为浸泡、搅拌或鼓气。

作为优选，所述的蟹壳预先经过破碎处理。破碎处理主要针对蟹钳或者完整的蟹，以便后续反应，确保对甲壳素的提取效果。

进一步地，去除残留的磺酸后，还包括脱色、干燥的步骤，即：用高锰酸钾溶液浸泡甲壳素25～60min，沥干水分后在草酸溶液中浸泡并搅拌至甲壳素呈白色，再水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤、烘干即得到白色的甲壳素。由于国标中对甲壳素颜色的要求为白色，因此需要对其进行脱色处理。而对于无颜色要求的产品用途，可不经此脱色、干燥步骤。

作为优选，所述的高锰酸钾溶液的浓度为2～5%，所述的高锰酸钾溶液与蟹壳的固液比为1:2～5；所述的草酸溶液的浓度为1～3%，所述的草酸溶液与蟹壳的固液比为1:2～5。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明方法从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素，可避免传统工艺必需的多步反应制备的弊端，避免中间步骤中蟹壳的多次转移以及清洗制备过程中残留的酸和碱所需消耗的大量水，从而有效缩短甲壳素的提取时间和降低人工成本，提高提取效率。本发明方法提取得到的甲壳素中灰分为0.8~3.0%，含氮量为6.2~6.9%，达到工业级或食品级要求；

2、本发明方法使用的含9个以上碳原子的磺酸不仅能将蟹壳中的钙脱除，还能脱除蛋白质与脂肪，直接省略了传统方法中大量强碱的使用和繁琐的制备步骤；

3、本发明方法产生的副产物磺酸钙和蛋白质易于回收、纯化，其中磺酸钙可以作为分散剂、减水剂等化工助剂使用，蛋白质可以作为饲料、肥料原料使用，在实现废弃蟹壳再利用的同时，达到了蟹壳提取甲壳素的清洁生产和全价利用。

附图说明

图1为不同磺酸浓度下提取的甲壳素中灰分与含氮量对比图；

图2为不同温度下提取的甲壳素中灰分与含氮量对比图；

图3为不同反应时间下提取的甲壳素中灰分与含氮量对比图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：将废弃的蟹壳用清水洗净，沥干。称取5份清洗干净的蟹壳50g，分别置于1000mL烧杯中，按照固液比1:10（g/mL）、室温条件下搅拌反应12h，分别加入5%、7.5%、10%、12.5%、15%、20%的磺酸溶液中，中途更换一次磺酸溶液，对得到的样品用50℃的清水水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干得到甲壳素；再用200mL的3%的高锰酸钾溶液浸泡上述甲壳素30min脱色，沥干水分后在草酸溶液中浸泡并搅拌至甲壳素呈白色，再水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤、烘干即得到白色的甲壳素。不同磺酸浓度下提取的甲壳素中灰分与含氮量见图1。

实施例2：将废弃的蟹壳用清水洗净，沥干。称取5份清洗干净的蟹壳50g，分别置于1000mL烧杯中，在磺酸浓度10%、固液比1:10（g/mL）、搅拌12h条件下，分别在25℃、40℃、50℃、60℃、70℃下反应，中途更换一次磺酸溶液，对得到的样品用50℃清水水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干得到甲壳素；再用200mL的3%的高锰酸钾溶液浸泡上述甲壳素30min脱色，沥干水分后在草酸溶液中浸泡并搅拌至甲壳素呈白色，再水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤、烘干即得到白色的甲壳素。不同温度下提取的甲壳素中灰分与含氮量见图2。

实施例3：将废弃的蟹壳用清水洗净，沥干。称取7份清洗干净的蟹壳50g，分别置于1000mL烧杯中，在磺酸浓度10%、固液比1:10（g/mL）、50℃条件下恒温搅拌4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h，中途更换一次磺酸溶液，对得到的样品用50℃清水水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干得到甲壳素；再用200mL的3%的高锰酸钾溶液浸泡上述甲壳素30min脱色，沥干水分后在草酸溶液中浸泡并搅拌至甲壳素呈白色，再水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤、烘干即得到白色的甲壳素。不同反应时间下提取的甲壳素中灰分与含氮量见图3。

实施例4：将废弃的蟹壳用清水洗净，沥干。称取500g清洗干净的蟹壳放入5000mL的8%木质素磺酸与2%十二烷基苯磺酸的混合溶液中，于50℃搅拌反应1.5h后，再更换新的5000mL的8%木质素磺酸与2%十二烷基苯磺酸的混合溶液继续反应6.5hr，对得到的样品用50℃清水洗去残留的磺酸后，放入500mL的3%的高锰酸钾溶液中浸泡30min，沥干蟹壳，并将其加入到70℃的草酸溶液中搅拌反应至蟹壳变为白色，水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤，放入烘箱中烘干即得甲壳素。经检测所提取的甲壳素中灰分为2.5%，氮含量为6.52%，达到工业级甲壳素要求。

实施例5：将废弃的蟹壳用清水洗净，去除蟹壳表面的泥沙和杂质，沥干。称取500g清洗干净的蟹壳放入6000mL的7.5%木质素磺酸与5%十二烷基磺酸的混合溶液中，于50℃搅拌反应2.5h后，更换新的6000mL的7.5%木质素磺酸与5%十二烷基磺酸的混合溶液继续反应5.5h后，对得到的样品用50℃清水洗去残留的磺酸后，放入500mL的3%的高锰酸钾溶液中浸泡30min，沥干蟹壳，并将其加入到70℃的草酸溶液中搅拌反应至蟹壳变为白色，水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤，放入烘箱中烘干即得甲壳素。经检测所提取的甲壳素中灰分为1.3%，氮含量为6.42%，达到工业级甲壳素要求。

实施例6：将废弃的蟹壳用清水洗净，去除蟹壳表面的泥沙和杂质，沥干。称取500g清洗干净的蟹壳放入5000mL的5%的十二烷基苯磺酸溶液中50℃搅拌反应1.5h后，更换2次新的5000mL的5%的十二烷基苯磺酸溶液继续反应，每次反应2~5h后，对得到的样品用50℃清水洗去残留的磺酸后，放入500mL的3%的高锰酸钾溶液中浸泡30min，沥干蟹壳，并将其加入到70℃的草酸溶液中搅拌反应至蟹壳变为白色，水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤，放入烘箱中烘干即得甲壳素。经检测所提取的甲壳素中灰分为1.0%，氮含量为6.34%，达到食品级甲壳素要求。

Claims (8)

1.从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，将洁净的废弃蟹壳与由含9个以上碳原子的磺酸配制而成的磺酸溶液按1:5～20g/mL的固液比混合，于25～70℃反应8～24h，对蟹壳同时进行脱钙、脱蛋白质、脱脂肪，反应后水洗去除残留的磺酸，过滤、烘干即得甲壳素。

2.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，所述的磺酸溶液的浓度为5～20%。

3.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，所述的磺酸为烷基苯磺酸、木质素磺酸、α-烯烃磺酸、烷基磺酸、琥珀酸酯磺酸、烷基萘磺酸和烷基甘油醚磺酸中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，所述的反应的形式为浸泡、搅拌或鼓气。

5.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，所述的蟹壳预先经过破碎处理。

6.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，去除残留的磺酸后，还包括脱色、干燥的步骤，即：用高锰酸钾溶液浸泡甲壳素25～60min，沥干水分后在草酸溶液中浸泡并搅拌至甲壳素呈白色，再水洗去除残留的高锰酸钾和草酸，过滤、烘干即得到白色的甲壳素。

7.根据权利要求6所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，所述的高锰酸钾溶液的浓度为2～5%，所述的蟹壳与高锰酸钾溶液的固液比为1:2～5g/mL；所述的草酸溶液的浓度为1～3%，所述的蟹壳与草酸溶液的固液比为1:2～5g/mL。

8.根据权利要求1所述的从蟹壳中一步脱钙、脱蛋白、脱脂肪提取甲壳素的方法，其特征在于，得到的甲壳素中灰分为0.8~3.0%，含氮量为6.2~6.9%。

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