黃粉蟲幼蟲蟲粕中甲殼素脫色工藝研究

高素紅++吉志新++宋士濤++溫曉蕾++聶倩文++候麗思

摘 要：對(duì)從壓榨油脂后黃粉蟲幼蟲的蟲粕制得的粗甲殼素的最佳脫色工藝條件進(jìn)行了研究。以甲殼素的藍(lán)光白度為指標(biāo)，通過對(duì)比試驗(yàn)，確定了高錳酸鉀宜為黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素的脫色劑，亞硫酸氫鈉為其還原劑，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素的脫色工藝條件進(jìn)行研究。結(jié)果表明：影響黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素脫色效果的作用因素，由大到小依次為反應(yīng)時(shí)間>高錳酸鉀濃度>浸泡溫度>固液比。黃粉蟲幼蟲蟲粕中甲殼素脫色的最佳工藝條件為高錳酸鉀濃度為2%，固液比1∶25，反應(yīng)時(shí)間為4 h，浸泡溫度為50 ℃。經(jīng)驗(yàn)證，該工藝條件下制取的甲殼素藍(lán)光白度大于86%。

關(guān)鍵詞： 黃粉蟲幼蟲蟲粕；甲殼素；正交試驗(yàn)；脫色工藝

中圖分類號(hào)：O636 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：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

甲殼素是一種生物大分子，具有結(jié)晶性、生物活性及可自然降解、再生等優(yōu)點(diǎn)，作為功能材料具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。昆蟲的體壁主要由甲殼素構(gòu)成，因此，昆蟲是一座巨大的甲殼素資源庫[2]。黃粉蟲作為目前已產(chǎn)業(yè)化的昆蟲資源，在飼養(yǎng)和加工過程中，產(chǎn)生了大量的蟲蛻及幼蟲壓榨油脂后廢棄的體壁等[3]，為甲殼素的資源開發(fā)和生產(chǎn)提供了大量原料。

與蝦殼來源制備的甲殼素相比，從黃粉蟲中提取的甲殼素，灰分含量較低，分子量較小，可進(jìn)一步用來制備低分子量、脫乙酰度較高的殼聚糖[4]。以往對(duì)于黃粉蟲甲殼素的研究，多集中在甲殼素的提取工藝上，其脫色工藝的研究相對(duì)較少。由于黃粉蟲蟲皮色素含量高、顏色深，所提取的甲殼素脫色不勻，雜質(zhì)含量高，會(huì)影響到其應(yīng)用和商品價(jià)值。黃粉蟲甲殼素的脫色，不僅要將蟲殼體壁的顏色去除；還要將產(chǎn)品中殘留的頭殼、口器等黑點(diǎn)去掉，以提高甲殼素的純度，改善甲殼素的外觀及性狀，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，尋找合適的脫色方法，是生產(chǎn)高品質(zhì)甲殼素及殼聚糖的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，工業(yè)上蝦蟹殼甲殼素脫色主要通過日光照射和雙氧水或高錳酸鉀氧化脫色法[5-6]。本試驗(yàn)以黃粉蟲幼蟲壓榨蟲油后的蟲粕為原料，經(jīng)脫蛋白質(zhì)和脫鈣處理，對(duì)得到的粗甲殼素通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化其脫色的工藝條件，為利用黃粉蟲規(guī)?；a(chǎn)甲殼素和殼聚糖提供一定的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料儀器

1.1.1 材 料 黃粉蟲幼蟲蟲粕制備的粗甲殼素；秦皇島市經(jīng)濟(jì)昆蟲開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心（河北科技師范學(xué)院）提供。

1.1.2 試 劑 鹽酸、氫氧化鈉、高錳酸鉀、雙氧水、草酸、亞硫酸氫鈉、無水硫酸鈉、偏重亞硫酸鈉，均為分析純。

1.1.3 儀 器 MP200A型電子天平、HH·S21·4型水浴鍋、DF205電熱鼓風(fēng)干燥箱、SMY-2000系列測(cè)色色差計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 甲殼素脫色劑的選擇 取粗甲殼素3 g放入燒杯中，分別用20% 和30% H2O2、3%和4%KMnO4，以1∶15的固液比，在50 ℃水浴鍋中處理4 h，用4層紗布水洗過濾（其中，用KMnO4處理的樣品，需再以75 mL 3%草酸還原濾渣中剩余的KMnO4，水洗過濾，再重復(fù)1次），然后濾渣在干燥箱65 ℃下烘干。烘干后目測(cè)觀察，并用色差計(jì)測(cè)定產(chǎn)品藍(lán)光白度。每處理重復(fù)3次。

1.2.2 高錳酸鉀還原劑的選擇 取3 g粗甲殼素放入燒杯中，經(jīng)高錳酸鉀脫色處理后，水洗至中性，分別用草酸、亞硫酸氫鈉、無水亞硫酸鈉、偏重亞硫酸鈉進(jìn)行還原浸泡處理。4種試劑均以濃度3%、固液比1∶15、時(shí)間30 min浸泡甲殼素，水洗過濾，再重復(fù)1次。濾渣在65 ℃下烘干，用色差計(jì)測(cè)產(chǎn)品藍(lán)光白度。每處理重復(fù)3次。

1.2.3 粗甲殼素脫色正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)1.2.1和1.2.2的試驗(yàn)結(jié)果，采用4因素、4水平L16（44）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即以脫色劑濃度、固液比、浸泡溫度、反應(yīng)時(shí)間為影響因子，以藍(lán)光白度為指標(biāo)研究黃粉蟲幼蟲蟲粕甲殼素脫色的最佳工藝條件。每處理5 g黃粉蟲粗甲殼素，L16（44）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

獲得最優(yōu)脫色工藝條件后還需進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，3次重復(fù)。

1.2.4 白度測(cè)定 將烘干后所得樣品研磨成粉末，取相等重量的粉末置于色差計(jì)測(cè)樣平臺(tái)，測(cè)定其藍(lán)光白度。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫色劑種類確定

由表2可知，兩種脫色劑中， KMnO4處理后的樣品白度較高，且與H2O2處理后樣品的白度存在顯著差異。經(jīng)目測(cè)，可明顯觀察到，用KMnO4處理后的樣品白度要好于用H2O2處理的樣品白度，甲殼素呈現(xiàn)白色。而經(jīng)兩種濃度的H2O2處理后，甲殼素顏色僅由棕黃色變?yōu)榈S色。同時(shí)，表2表明：3%KMnO4處理后的樣品白度與4%KMnO4處理后的樣品白度無明顯差異。因此，本試驗(yàn)選用高錳酸鉀作為脫色劑。

2.2 還原劑種類確定

高錳酸鉀為強(qiáng)氧化性脫色劑，反應(yīng)后樣品變?yōu)樽虾谏€原劑的作用就是除去多余的高錳酸鉀。由表3可見，無水硫酸鈉還原后，樣品仍為紫黑色，無任何還原效果；其他3種還原劑中以亞硫酸氫鈉還原后白度最高，且與偏重亞硫酸鈉還原后的樣品白度存在顯著差異。目測(cè)亞硫酸氫鈉還原后的甲殼素顏色更潔白。因此，本試驗(yàn)選用亞硫酸氫鈉作為還原劑。

2.3 甲殼素脫色結(jié)果分析

由表4可知，各因素對(duì)甲殼素脫色效果影響大小不同，依次為：C>A>D>B，即處理時(shí)間對(duì)脫色效果影響最大，高錳酸鉀濃度和浸泡溫度次之，而固液比對(duì)脫色效果影響較小。

圖1表明，樣品的藍(lán)光白度與處理時(shí)的KMnO4濃度密切相關(guān)。KMnO4濃度在2%～4%時(shí)，樣品的藍(lán)光白度變幅不大；當(dāng)KMnO4濃度為5%時(shí)，藍(lán)光白度急劇下降。而KMnO4濃度為2%時(shí)，樣品的藍(lán)光白度最高。

由圖2 可知，隨著固液比的改變，樣品的藍(lán)光白度也呈現(xiàn)上下波動(dòng)。固液比為1∶25時(shí)，藍(lán)光白度最大。

樣品的藍(lán)光白度隨著反應(yīng)時(shí)間的增長亦呈現(xiàn)出上下波動(dòng)（圖3）。其中，以處理時(shí)間為4 h時(shí)，樣品的藍(lán)光白度最大；反應(yīng)時(shí)間達(dá)5 h后，樣品的藍(lán)光白度反而急劇下降。

從圖4 可以看出：反應(yīng)溫度在30～40 ℃時(shí)，樣品的藍(lán)光白度幾乎沒有變化；當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)50 ℃時(shí)，樣品的藍(lán)光白度提升至最高值，而在60 ℃時(shí)，樣品的藍(lán)光白度又呈現(xiàn)急劇下降的態(tài)勢(shì)。

綜上可知，黃粉蟲幼蟲蟲粕甲殼素最佳脫色工藝條件為高錳酸鉀濃度2%，固液比1∶25，處理時(shí)間4 h，處理溫度50 ℃，即A1B3C3D3組合（試驗(yàn)3）時(shí)，樣品的藍(lán)光白度最高。以最優(yōu)條件組合重復(fù)處理黃粉蟲幼蟲蟲粕中粗甲殼素，得到產(chǎn)品并測(cè)定其藍(lán)光白度，結(jié)果均高于86%。因此，A1B3C3D3為黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素脫色的最優(yōu)組合，脫色得率達(dá)72.5%。

3 結(jié)論與討論

本文以甲殼素的藍(lán)光白度為指標(biāo)，通過對(duì)比試驗(yàn)，確定了高錳酸鉀宜為黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素的脫色劑，亞硫酸氫鈉為其還原劑，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素的脫色工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明，影響黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素脫色效果的作用因素，由大到小依次為： 反應(yīng)時(shí)間>高錳酸鉀濃度>浸泡溫度>固液比。黃粉蟲幼蟲蟲粕粗甲殼素的最佳脫色工藝條件為2%KMnO4，固液比1∶25，在50 ℃下加熱4 h，產(chǎn)品經(jīng)清水洗滌數(shù)次至中性，過濾，再用3%亞硫酸氫鈉溶液浸泡30 min，脫色效果良好，樣品的藍(lán)光白度達(dá)86%以上。

劉影等研究認(rèn)為，盡管黃粉蟲中甲殼素含量較高，且碳酸鹽含量低、分子量小，但是從黃粉蟲提取甲殼素也面臨如何除去頭殼中黑色及黃色纖維的難題。這些物質(zhì)不溶于水，難溶于稀酸及稀堿，在加工過程中會(huì)夾雜在甲殼素甚至殼聚糖產(chǎn)品中，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不良[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，在甲殼素脫色階段優(yōu)化其工藝條件，可有助于除去上述物質(zhì)，使之顏色潔白，增加其品質(zhì)和商品價(jià)值。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，以黃粉蟲全蟲為材料提取甲殼素，由于其內(nèi)容物含量較多，不僅酸堿用量多，導(dǎo)致成本增加，且產(chǎn)品品質(zhì)也較低。當(dāng)前，黃粉蟲深加工產(chǎn)品蟲油、蟲蛋白等的提取及純化技術(shù)已日臻完善，而提取后的蟲粕除用于畜禽飼料外，并未得到很好的利用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低。進(jìn)一步對(duì)黃粉蟲幼蟲蟲粕中含有的大量甲殼素提取提純，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的增值利用，是黃粉蟲產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

此外，在脫色之前，如對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥處理，則脫色效果較差。因此，建議提取粗甲殼素后，不必干燥，直接進(jìn)行脫色。同時(shí)，還應(yīng)注意，對(duì)黃粉蟲幼蟲蟲粕甲殼素精煉時(shí)，要保護(hù)甲殼素本身所具有的各項(xiàng)性能指標(biāo)，不能盲目追求白度指標(biāo)，如高錳酸鉀的作用時(shí)間要嚴(yán)格控制，以免作用時(shí)間過長，加重甲殼素分子的降解程度，使最終產(chǎn)物殼聚糖分子量減小，黏度降低，從而影響其應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[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]郭寶華. 四種昆蟲甲殼素的提取及昆蟲殼聚糖和羧甲基殼聚糖的制備[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2005.

[3]楊兆芬，林躍鑫，陳寅山，等.黃粉蟲幼蟲營養(yǎng)成分分析和保健功能的實(shí)驗(yàn)研究[J].昆蟲知識(shí)，1999，36（2）：97-100.

[4] 王丙麗，王洪亮，趙志強(qiáng)，等.黃粉蟲蟲蛻中甲殼素的提取條件研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（1）：118-119.

[5] 高樂平，杜予民，余華堂.過氧化氫甲殼素脫色反應(yīng)條件與分子量研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，48（4）：453-456.

[6] 汪濤， 李曉琴， 吳大洋. 家蠶蛹甲殼素的H2O2脫色及冷凍溶解研究[J]. 絲綢， 2010（6）：1-3.

[7] 劉影. 酸堿法提取黃粉蟲幼蟲幾丁質(zhì)及幾丁質(zhì)糖制備最優(yōu)條件研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.