（化学工艺专业论文）黄粉虫中油脂和壳聚糖的提取工艺研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 黄粉虫是一种有着良好开发前景的昆虫资源，含有丰富而优质的油脂、蛋白 质、矿物元素以及甲壳素。目前对黄粉虫的研究主要以蛋白质开发为主，而油脂、 甲壳素的提取尚处于起步阶段。本研究以微波干燥的黄粉虫为材料，采用逐级提 取的方法提取油脂和甲壳素，对黄粉虫资源进行综合开发研究，以期找出最佳工 艺条件，为工业生产提供依据。 本研究主要由两部分组成： 第一部分，油脂的提取。分别采用索氏抽提法和浸提法，通过单因素实验和 正交试验，研究了各实验参数对油脂提取率及皂化值的影响，并对两种方法提取 效果进行比较。结果表明：索氏提取法提取油脂的最佳条件为：在石油醚用量恒 定为2 0 0 m l 时，加热电压1 2 5 v ，抽提时间5 h ，上样量l o g ，提取一次。该条件 下油脂提取率可达3 2 2 6 ，油脂的皂化值为2 0 2 0 1 ：浸提法提取油脂最佳提取 条件为料液比1 ：1 2 ，提取时间6 h ，水浴温度6 0 。油脂提取率为2 7 5 l ，皂 化值为2 0 4 9 8 。比较两种方法，索氏抽提法提取率较高，而浸提法所得油脂皂化 值略大。 第二部分，甲壳素、壳聚糖的提取。以提取油脂后的虫粉为原料，采用碱法 脱蛋白，酸浸法去除灰分，通过单因素和正交实验，确定最佳工艺条件。蛋白质 脱除的最佳工艺条件为：在沸水浴的条件下，氢氧化钠浓度2 o m o l l ，反应时间 6 h 。该条件下甲壳素中残留蛋白质含量低于5 0 ；采用盐酸浸泡法去除灰分的 最佳工艺条件为：室温下，盐酸浓度为2 o m o l l ，搅拌，反应3 h 。产品的灰分 含量低于0 2 0 。 脱乙酰度是衡量壳聚糖质量的重要指标，本研究采用强碱法对甲壳素进行脱 乙酰基处理，通过单因素实验研究了脱乙酰基过程中各参数对壳聚糖质量的影 响，并探讨了脱乙酰度与溶解度、黏度之间的关系。结果表明：在沸水浴条件下， 氢氧化钠溶液质量分数为4 0 ，反应时间6 h ，分两段处理，壳聚糖脱乙酰度可 达8 0 7 3 ，若需制备较高脱乙酰度的壳聚糖可通过提高反应温度和加大氢氧化 钠溶液浓度来实现；脱乙酰度大于7 0 的壳聚糖可溶于1 0 的醋酸中，呈油状 液体；壳聚糖黏度总体上随着脱乙酰度的增加而减小，在氢氧化钠溶液质量分数 山东大学硕士学位论文 为4 0 ，沸水浴，反应6 h 的条件下，制得的壳聚糖溶液黏度最大，为1 3 3 o m p a s 。 以干燥虫粉质量计，壳聚糖产率为9 5 1 。 关键词：黄粉虫；油脂；甲壳素；壳聚糖；提取 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e n e b r i om o l i t o rc o n t a i n sr i c ho i l ，p r o t e i n ，m i n e r a le l e m e n t sa n dc h i t i n a so n eo f t h ei m p o r t a n te c o n o m i ci n s e c t s ，t e n e b r i om o l i t o rh a sab r i g h td e v e l o p m e n tp r o s p e c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho ft e n e b r i om o l i t o ri sm a i n l yf o c u s i n go ne x t r a c t i o no f p r o t e i n ，b u tt h es t u d yo fo i la n dc h i t i ni ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g e t h ep o w d e ro f m i c r o w a v ed r i e dt e n e b r i om o l i t o rw a su s e da sm a t e r i a l t h ec o m p r e h e n s i v e e x p l o i t a t i o n o ft e n e b r i om o l i t o rr e s o u r c ew a ss t u d i e d b ya d o p t i n gs e q u e n t i a l e x t r a c t i o nm e t h o dt oe x t r a c to i la n dc h i t i n ，h o p i n gt od e t e r m i n et h e o p t i m u m c o n d i t i o n s t h i st h e s i sc a np r o v i d eb a s i sf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h et h e s i sw a sc a r r i e do u to ft w o a s p e c t s t h ef i r s ta s p e c tw a st oi d e n t i f yt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fb o t hs o x l e te x t r a c t i o n m e t h o da n dl i x i v i a t i n gm e t h o df o ro i le x t r a c t i o nt h r o u g hs i n g l e - f a c t o ra n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s t h e e f f e c t so f e a c h e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r o ne f f i c i e n c ya n d s a p o n i f i c a t i o nv a l u ew e r es t u d i e d ，a n dac o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w om e t h o d sw a s m a d e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fs o x l e te x t r a c t i o nm e t h o dw e r ea s f a l l o w ：t h ed o s a g eo fp e t r o l e u me t h e ri s2 0 0 m l ，h e a t i n gv o l t a g ei s12 5 v ，d u r a t i o ni s 5 h ，m a t e r i a lq u a n t i t yi s10 9 ，e x t r a c t i n gt i m ew a so n et i m e u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h e f a te x t r a c t i o ne f f i c i e n c yi s3 2 2 6 ，a n ds a p o n i f i c a t i o nv a l u ei s2 0 2 01 ；t h eo p t i m u m c o n d i t i o n so f l i x i v i a t i n gm e t h o dw e r ea sf a l l o w ：s o l i d l i q u i dr a t i oi s1 ：12 ，d u r a t i o ni s 6 ha n dw a t e rb a t ht e m p e r a t u r ei s6 0 。c u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ef a te x t r a c t i o n e f f i c i e n c yi s2 7 51 ，a n ds a p o n i f i c a t i o nv a l u ei s2 0 4 9 8 t h es e c o n da s p e c tw a st h et e c h n o l o g yo fc h i t i na n dc h i t o s a ne x a c t i o n t h e f a t - r e m o v e dt e n e b r i om o l i t o rp o w d e rw a su s e da sm a t e r i a l ，a n da c i dl e a c h i n gm e t h o d w a sa d o p t e dt or e m o v ea s h ，s o d i u mh y d r o x i d es o l u t i o nw a sa d o p t e dt or e m o v e p r o t e i n t h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d t h r o u g hs i n g l e f a c t o r a n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ：u s i n gb o i l i n gw a t e rb a t h ，n a o hc o n c e n t r a t i o ni s2 o m o l l ， t r e a t m e n tt i m ei s6 h u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h er e s i d u a lp r o t e i nc o n t e n to fc h i t i ni s b e l o w5 o ；w h e nh c lc o n c e n t r a t i o ni s2 0 m o l l ，t r e a t m e n tt i m ei s3 h ，s t i r r e du n d e r i i i 山东大学硕士学位论文 r o o mt e m p e r a t u r e s ，t h er e s i d u a la s hc o n t e n to f p r o d u c t si sb e l o w0 2 0 t h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o ni sa ni m p o r t a n ti n d e xo fc h i t o s a nq u a l i t y t h i st h e s i s u s e dn a o hs o l u t i o nt od e a c e t y l a t ec h i t i n t h ee f f e c to fe a c he x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r o nc h i t o s a n q u a l i t y w a ss t u d i e d t h r o u g hs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t s ，a n d t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gd e g r e eo fd e a c e t y l a t i o n ，s o l u b i l i t ya n da b s o l u t ev i s c o s i t yw e r e d i s c u s s e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o no fp r o d u c tr e a c h e s8 0 7 3 i n t h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：b o i l i n gw a t e rb a t h ，n a o hc o n c e n t r a t i o ni s4 0 ，t r e a t m e n t t i m ei s6 h ，t r e a tt w i c e ( 3 he a c ht i m e ) i n c r e a s i n gn a o hs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n d t r e a t m e n t t e m p e r a t u r ec o u l db e e f f e c t i v em e t h o d sf o ri m p r o v i n gt h ed e g r e eo f d e a c e t y l a t i o no fp r o d u c t s w h e nt h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o ni sa b o v e7 0 ，t h e p r o d u c t sc o u l dd i s s o l v ei n10 a c e t a t ea n dt h es o l u t i o ni sa no i l yl i q u i d g e n e r a l l y t h ea b s o l u t ev i s c o s i t yo fc h i t o s a nd e c r e a s e da st h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o ni n c r e a s e d w h e nn a o hc o n c e n t r a t i o ni s4 0 a n dt r e a t m e n tt i m ei s6 h ，t h ea b s o l u t ev i s c o s i t yo f p r o d u c t sr e a c hm a x i m u m1 3 3 0 m p a s b a s e do nt h ed r yp o w d e ro f t e n e b r i om o l i t o r , t h ey i e l do fc h i t o s a ni s9 51 k e y w o r d s ：t e n e b r i om o l i t o r ；o i l ；c h i t i n ；c h i t o s a n ；e x a c t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽垒 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：她导师签名：皇j ! 童：日期：趁雩：羔! 芝， 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章文献综述 昆虫属于低等节肢动物门昆虫纲，是地球上种类多、生物量大、食物转换率 高、繁殖速度快的生物种群，生物量超过其他所有的动植物总量。昆虫体内含有 丰富而优质的油脂、蛋白质、矿物元素以及甲壳素资源，一直以来就是人们食品、 医药的重要来源。在健康越来越为人们所重视的今天，昆虫资源的健康价值更加 成为了关注的焦点。 昆虫的油脂含量丰富，消化性能好，含糖量低，微量元素也较丰富。并且昆 虫油脂具有较合理的脂肪酸成分，大部分昆虫中不饱和脂肪酸总量是饱和脂肪酸 的2 5 倍以上【l 】，其饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例十分 趋近于当今营养学推荐的人体食用最佳脂肪酸比例标准，可作为天然的优质营养 调和油。因此，昆虫油脂无论是在量上还是在质上都潜藏着巨大的研究、开发和 利用价值。 昆虫中蕴藏着十分丰富的甲壳素资源。在昆虫的不同虫态中含有5 1 5 的 甲壳素。如家蚕干蛹甲壳素含量为3 ，7 3 ，脱脂蛹为5 ，5 5 ，云南松毛虫蛹含甲 壳素7 4 7 ，成虫含甲壳素可高达1 7 8 3 ，黄粉虫虫蛹甲壳素含量约为1 2 5 5 e 引。 与虾壳来源的甲壳素相比，昆虫来源的甲壳素，灰分含量低，分子量较低，可进一步 用来制备低分子量的壳聚糖，同时又比较容易获得脱乙酰度较高的产品。随着壳 聚糖的广泛应用，昆虫来源的甲壳素制备逐渐成为研究热点。 1 2 脂肪酸概述 1 2 1 脂肪酸分类 油脂水解可以得到脂肪酸，脂肪酸是组成脂肪的小单位，通常以甘油醇的形 式存在。按碳链长度分类，脂肪酸可被分成短链( 含4 一- , 6 个碳原子) 脂肪酸、 中链( 含8 1 4 个碳原子) 脂肪酸、长链( 含1 6 1 8 个碳原子) 脂肪酸和超长链( 含 2 0 个或更多碳原子) 脂肪酸；按营养角度分类，脂肪酸可被分为非必需脂肪酸和 必需脂肪酸；按饱和度分类，脂肪酸可被分为饱和与不饱和脂肪酸两大类，其中 不饱和脂肪酸按不饱和程度分为单不饱和与多不饱和脂肪酸 3 1 。 山东大学硕士学位论文 1 单不饱和脂肪酸 单不饱和脂肪酸是指在碳链中只含有一个不饱和双键的脂肪酸。与饱和脂肪 酸相比，它相对活跃，不容易在血管内壁上沉积；与多不饱和脂肪酸相比较，相 对稳定不容易被氧化，是一种相对适中的脂肪酸。单不饱和脂肪酸中最有代表性 的脂肪酸一油酸( c 1 8 1 ，9 ) 是一种重要天然物质，被广泛应用于食品与医药工 业【4 吲。已发现的单不饱和脂肪酸主要包括：油酸( c 1 8 1 ，顺9 ) ，棕桐油酸( c 1 6 ： 1 ，顺9 ) ，肉豆蔻油酸( c 1 4 ：l ，顺9 ) ，反式油酸( c 1 8 ：l ，反9 ) ，蓖麻油酸( c l s ：i ， 顺一9 ) ，芥酸( c 2 2 ：l ，顺一1 3 ) ，鲸蜡烯酸( c 2 2 ：l ，顺9 ) 。昆虫脂肪中也含有大量的 单不饱和脂肪酸，不过脂肪中单不饱和脂肪酸多以油酸为主，含量在3 0 士1 0 左 右。 多年研究发现，单不饱和脂肪酸具有重要的生理功能 7 】，可以降低血糖、调 节血脂、减少胆固醇含量、保护心脏和防止记忆下降等，目前被广泛应用于食品 和医药工业，在促进人类健康方面起到重要的作用。 2 多不饱和脂肪酸 多不饱和脂肪酸( p o l y u n s a t u r a t e df a t t ya c i d s ，p u f a s ) ，系指在碳链中含有两 个或两个以上不饱和键的长链脂肪酸。因其独特的生物活性，已经进入生物制药 和营养保健品领域【8 1 1 】。 多不饱和脂肪酸主要包括n 一3 ，n 6 和n 一9 系列脂肪酸，但有重要生物学意义 的是n 一3 和n 6p u f a s 。对人体健康具有重要作用的多不饱和脂肪酸有很多种， 其中常见和含量较大的主要是亚油酸、 r 一亚麻酸、c 【一亚麻酸、二十碳五烯酸( e p a ) 与不饱和脂肪酸二十二碳六烯酸( d h a ) 、q 一6 与q 3 脂肪酸 1 2 1 。 3 饱和脂肪酸 饱和脂肪酸在室温下一般为稳定的固态，动物类食物如肉类、家禽和全脂牛 羊奶中含量较高。饱和脂肪酸状态稳定，不易与氧结合而腐败，但过多的摄入会 使血液胆固醇水平升高，增加了患糖尿病和心血管疾病的危险性。尽管如此，人 们却不能把饱和脂肪酸从饮食中剔除，因为除了维持人体正常的生理功能外，饱 和脂肪酸含量丰富的食物，如红肉富含铁质，乳制品又是钙的最佳来源，所以， 最佳的办法就是食用一些饱和脂肪酸较低的食品，如低脂乳及瘦肉等。作为人体 的正常成分，饱和、单不饱和与多不饱和脂肪酸，三者的构成达到1 ：1 ：1 的黄金 2 山东大学硕士学位论文 切割点时最健康【1 3 】。 4 反式脂肪酸 反式脂肪酸存在于食草动物的脂肪( 如猪油、黄油等) 以及经过氢化的油脂 中。研究表明，反式脂肪酸对人体健康产生一定的危害，如导致动脉硬化、血栓 形成，增加心脏病危险性，致使妇女患2 型糖尿病，抑制婴幼儿生长发育，损害 青少年中枢神经系统，截断肌肉营养供应等。主要产生及存在于动物脂肪及其乳 脂、氢化的植物油脂、高温加热处理后的植物油脂。 1 2 2 昆虫油脂的含量及组成 昆虫中脂肪的含量，随昆虫的生活史的变化而变动。这一变化反映了脂类合 成( 包括吸收) 和脂类利用之间代谢平衡的变化，是由激素或神经激素的直接或间 接作用导致的，发育、迁移、滞育、繁殖、飞行等过程都影响着脂类的新陈代谢。 表1 1 部分昆虫( 干体) 粗脂肪含量 t a b l e1 - 1t h ef a tc o n t e n to fs o m ei n s e c t s ( d r yb o d y ) 昆虫种类粗脂肪含量( )昆虫种类粗脂肪含量( ) 蝙蝠蛾幼虫 7 7 1 7 沙漠蝗虫 1 7 0 0 棉红铃虫幼虫 4 9 4 8 豆大蛾 1 5 4 4 亚洲玉米螟幼虫4 6 0 8大斑芫菁 1 4 5 0 米蛾幼虫 4 3 2 6 铜绿丽金龟幼虫 14 0 5 黄粉虫蛹 4 0 5 0 眼斑芫菁 1 3 9 6 柞蚕雄成虫3 9 4 9水虻1 3 9 3 桃红颈天牛幼虫 3 5 8 9 家蝇幼虫 1 2 6 1 黄星瓜天牛幼虫 3 5 1 9 菜粉蝶幼虫 1 1 8 0 黄粉虫幼虫 2 8 8 3 4 0 5家蝇蛹1 0 5 5 柞蚕蛹3 1 2 5鼎突多刺蚁雌成虫 9 5 0 华北黑鳃金龟幼虫2 9 8 4鼎突多刺蚁雄成虫 8 5 7 大白蚁1 9 3 5 2 8 3 红胸多刺蚁成虫 8 5 2 凸星花金龟幼虫 1 9 3 5 中华稻蝗 8 2 4 黄粉虫成虫 1 9 2 3 中华豆芫菁 8 2 2 注：引自于文礼章的墨西哥食用昆虫的营养成分 山东大学硕士学位论文 昆虫干体的油脂含量一般在1 0 以上，许多昆虫的脂肪比例达3 0 甚至4 0 以上，蝙蝠蛾幼虫的粗脂肪含量甚至高达7 7 1 6 【m 1 6 。表1 1 是部分昆虫干体 粗脂肪含量。 昆虫不仅油脂含量丰富，而且其脂肪酸组成也相当理想 1 。7 1 。目前的研究表 明，昆虫油脂的脂肪酸组成受饲料、发育、种类等条件影响。但总的来说，昆虫 油脂中含有大量的不饱和脂肪酸，其饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值小于0 4 ， 具有良好的保健作用。由表1 - 2 ，1 3 中数据可看出，昆虫的饱和脂肪酸大多以 棕榈酸( 1 6 ：o ) 为主，硬脂酸的含量较低，单不饱和脂肪酸则绝大多数以油酸为 绝对组成，含量多在3 0 左右，部分昆虫含有较多的多不饱和脂肪酸，其中以亚 油酸和亚麻酸较为突出。另外值得关注的是，昆虫油脂中存在着自然界较为少 见的奇数碳脂肪酸，其中以十五碳和十七碳较为多见。 昆虫油脂中含有磷脂和脂溶性维生素，如维生素a 、d 、e 等天然活性产物， 这些天然活性产物具有极强的生理生物学作用，有着十分重要的价值【1 8 】。 表1 2 部分昆虫油脂脂肪酸组成 t a b l e1 2t h ef a t t ya c i dc o m p o s i t i o no fs o m ei n s e c t s f a t 注：引自于刘晓庚等( 2 0 0 3 ) 昆虫油脂及其营养评价 4 山东大学硕士学位论文 表1 3 昆虫油脂脂肪酸与常用食用油脂的脂肪酸含量比较( ) t a b l e1 - 3c o m p a r i s o no ff a t t ya c i dc o n t e n to fi n s e c t sa n dc o m m o ne d i b l eo i l s ( ) 注：引臼于刘晓庚等( 2 0 0 3 ) 昆虫油脂及其营养评价 1 2 3 昆虫油脂应用现状 在国际上，美国、墨西哥、澳大利亚、日本等国，昆虫油脂已经成为饮食业 中常见原料。在日本，巴斯夫公司将食用多不饱和脂肪酸制成微胶囊粉末油脂， 加入预防婴儿变应性和改善体质等目的的婴儿奶粉类食品中。不饱和脂肪酸二十 二碳六烯酸( d h a ) 已经添加到香肠、罐头、饮料等食品中。美国也开发出多不饱 和脂肪酸系列保健品，如d h a 软胶囊等。 在国内，昆虫脂质作为药物活性成分得到了广泛应用。卫生部药品标准中收 载的昆虫中药材达1 0 3 个品种，除以蚕丝、蜂蜜、紫胶、五倍子为主的四大传统 昆虫资源产品外，以昆虫体利用为主导所开拓的技术市场也在不断扩大，国家新 药中涉及到昆虫的比例也在增加。脂肪酸保健开发产品有脑黄金、丫亚麻酸软胶 囊和0 【亚麻酸软胶丸等。对于昆虫脂质的开发，总体来说目前还缺乏系统深入的 基础研究【1 9 ，2 0 1 ，特别是对现有食用昆虫中功能性脂质成分和其他生理活性成分 ( 包括具有强抗癌活性的物质) 的数据相对欠缺，工业化的例子也仅限于一些富 集性的特种脂质，如虫白蜡、蜂蜡、斑蝥素等，而作为食用性功能性油脂的工业 产品极为少见。目前，昆虫油脂开发较为突出的一例是通过压榨或浸出从蚕蛹中 提取得到的蚕蛹油【2 。蚕蛹油在国外已被用来制备降低血液胆固醇的药物、人 山东大学硕士学位论文 造奶油、润滑油、切削油、洗涤油、干性油、黑油膏、壬二酸及表面活性剂中间 体等，国内也已将其用于制皂、太古油及增塑剂。 1 2 4 油脂提取方法 1 索氏提取法 该法利用有机溶剂( 石油醚、环己烷、乙醚) 将被提取物质的油脂萃取、溶 解，成为油脂与有机溶剂的混合物，然后利用油脂和溶剂的沸点不同，经蒸馏分 离得粗油脂。采用有机溶剂加热提取，需有加热回流装置，以免溶剂挥发损失； 操作时，可在平底烧瓶上连接回流冷凝器。索氏提取器内装被提取物，溶剂可浸 过被提取物表面，加热回流，抽提一定时间，然后减压蒸馏，回收溶剂。此法提 取效率较浸出法高，适用于实验室少量提取。 2 浸提法 该法在国内外广泛应用，运用化工原理，使用食用级溶剂从油料中抽提油脂 【2 2 】。该方法选用与油脂能以任何比例互溶的有机溶剂，对含油料进行浸泡、冲 洗，得到溶剂与油脂的混合物，然后进行加热蒸馏，使溶剂挥发，留下的便是制 取的油脂。操作上，直接将虫粉置于一定量的溶剂中，通过控制浸提温度，提取 时间等参数，寻求最佳的提取条件。该法的优点在于简便易行，可大量提取，缺 点是提取效率略低。 3 超临界流体萃取技术( s c f e 法) 超临界流体萃取技术是一项近年来国内外采用的新型分离技术，它利用超临 界条件下的气体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出来某些成分并进行分离。 s c f e 技术作为一种独特、高效、清洁的分离方法在天然产物有效成分的提取与 分离方面得到了广泛应用。s c f e 技术可以萃取热敏性及易氧化、易挥发性物质， 缩短时间，提高产品质量( 包括分离得到氨基酸) ，同时具有节省能源等优点， 因而越来越被人们重视。超临界流体萃取技术最早在食品中的工业化应用是从天 然咖啡豆中脱除咖啡因，以及从啤酒花中萃取酒花油。近些年来，在食品工业领 域中，超临界流体萃取技术已应用到特种油脂的提取，它开始从提取普通的食用 大豆油、油菜籽油发展到分离提取一些具有保健功能作用的功能性油脂。采用超 临界法提取昆虫油脂可以有效地防止油脂氧化。 超临界流体萃取技术虽然具有许多优点，但也存在一些问题，主要是处理成 6 山东大学硕士学位论文 本高，使用高压装置，从安装到使用的维护过程中，技术要求较高，一次性投资 较大，设备生产能力低，对有些成分提取率低，另外还有能源的回收、堵塞、腐 蚀等技术问题有待解决。但作为一种国际上公认的绿色提取技术，其本身特性己 显示出了巨大生命力。 1 3 甲壳素及壳聚糖概述 1 3 1 甲壳素的性质 1 8 11 年，法国科学家h b r a c o n n o t 发现了甲壳素或称壳多糖。甲壳素及壳聚 糖存在于低等动物中，特别是节肢动物的外壳及低等植物( 如藻类等) 和真菌、酵 母的细胞壁中，是一种天然的生物高分子，属线性多糖类2 3 1 。甲壳素( c h i t i n ) ， 又名甲壳质、几丁质，化学名称为：1 3 - ( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基一2 脱氧一d 一葡聚糖，分子 式为： c 8 h 1 3 n 0 5 】。，相对分子质量在1 0 5 1 0 6 左右，是一种天然高分子聚合物， 属于氨基多糖。甲壳素是呈白色或灰白色、半透明无定形固体，几乎不溶于水、 乙醇、乙醚、稀酸和稀碱，可溶于浓无机酸，大约在2 7 0 分解，但同时主链发 生降解。已发现的能溶解甲壳素的溶剂有：三氯乙酸二氯甲烷、二甲基乙酰胺 氯化锂【2 4 1 。甲壳素大分子排列有序，呈微纤维网状的高度晶体结构，因其中结 晶单元中分子链的不同排列顺序分为3 种多晶型物：a 、p 、丫。自然界中存在的甲 壳素多为( i t 型，它含量最丰富也最稳定 2 5 】。 1 3 2 壳聚糖的性质 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又名脱乙酰甲壳素、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖，化 学名称为：1 3 - ( 1 ，4 ) 一2 一氨基- 2 一脱氧d 葡聚糖，是由甲壳素经脱乙酰基而得到。甲 壳素及壳聚糖的差别在于分子长链上的每个葡萄糖单元上的c 2 上所接的基团， 甲壳素所接基团为乙酰胺基( - n h c o c h 3 ) ，壳聚糖所接基团为氨基( - n h 2 ) ，分子 式见图1 1 。 7 山东大学硕士学位论文 甲壳素壳聚糖 图1 1 甲壳素、壳聚糖的化学结构图 f i g 1 1c h e m i c a ls t r u c t u r e 留a p h so fc h i t i na n dc h i t o s a n 壳聚糖呈白色或灰白色，略有珍珠光泽，半透明无定形固体，约在1 8 5 c 分 解，不溶于水和稀碱溶液，可溶于稀有机酸和部分无机酸( 盐酸) ，但不溶于稀硫 酸、稀硝酸、稀磷酸、草酸等。壳聚糖作为溶液被存放和使用时，需处于酸性环 境中，但由于其缩醛结构的存在，使其在酸性溶液中发生降解，溶液粘度随之下 降。如果加入乙醇、甲醇、丙酮等可延缓壳聚糖溶液粘度降低，其中乙醇作用最 明显【2 6 1 。由于壳聚糖分子中含有活泼的羟基和氨基等极性基团，主链上可发生 水解反应，c 2 位上的氨基和c 6 位上的羟基可以发生乙酰化、羟乙酰化、羧甲基 化、氰乙基化、硫酸酯化、氧化、黄原酸化等化学修饰，生成各种不同结构和不 同性能的衍生物2 7 1 。在双官能团的醛或酸酐等交联剂作用下，可进行交联反应， 在v 射线或催化剂作用下，乙烯基单体和丙烯酸类单体可与壳聚糖进行接枝共聚 反应。 壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，甲壳素是酰胺类多糖，壳聚糖制备过程就是 酰胺的水解过程，酰胺可在强酸或强碱条件下水解，对于低分子量的酰胺，水解 可进行得比较完全，但是对于多糖来说，强酸更容易水解糖苷键，所以对甲壳素 脱乙酰基，一般不采用强酸水解，而强碱造成糖苷键的断裂不像强酸那么严重， 所以一般采用强碱来脱乙酰基。在脱乙酰基的过程中，随着n 乙酰基的不断减少， 剩余的n 一乙酰基更难脱去，所以要想获得1 0 0 游离氨基的壳聚糖是十分困难的。 1 3 3 壳聚糖质量指标 壳聚糖的质量指标主要包括：灰分含量、脱乙酰度、粘度等。目前还没有壳 聚糖产品的国家标准，表1 4 为有关资料提供的工业级、食品级及医药化妆品级 的质量指标。 r 山东大学硕士学位论文 注：引自于蒋挺大等( 2 0 0 3 ) 壳聚糖 脱乙酰度是评价壳聚糖质量的重要指标。壳聚糖的理化性质，如溶解性、富 集离子的能力、脱乙酰甲壳素膜的机械性能、絮凝能力、离子交换能力、黏度等 性质主要是由脱乙酰度决定的。脱乙酰度在6 0 以下的壳聚糖只有部分离析溶解 于稀醋酸溶液中；脱乙酰度为6 0 - - - 8 0 的呈絮凝悬浮于稀醋酸溶液中；脱乙酰 度为8 0 以上的以油状清澈的溶于稀醋酸溶液中。 壳聚糖的另一个主要质量指标是黏度，不同黏度的产品有不同的用途，目前 国内外根据产品黏度不同分为三大类，通常黏度在1 0 0 0 m p a s 以上的( 1 壳聚糖 醋酸溶液) 被定为高黏度壳聚糖；粘度在1 0 0 0 - 一1 0 0 m p a s 的被定为中黏度壳聚糖； 粘度在l o o m p a s 以下的被定为低黏度壳聚糖。 1 3 4 甲壳素和壳聚糖的用途 目前，国际上应用甲壳素及其衍生物制备的生物材料高科技产品不断推出， 应用产品已达5 0 0 种以上，美、日、意、挪、印、朝等国相继建立甲壳素壳聚 糖生产厂，其中美、日是主要生产国，同时又是主要消费国。1 9 9 9 年国内壳聚 糖产品的需求量达8 0 0 吨，2 0 0 5 年时，国内对壳聚糖的需求量达到4 0 0 0 吨， 全世界的总需求量达2 万吨，产量远不能满足市场需求，缺口较大。根据目前的 国际市场情况分析，今后若干年，仅壳聚糖产品就将有数亿美元的市场【2 8 1 。 9 山东大学硕士学位论文 甲壳素蕴藏量在地球的天然有机高分子物质中占第二位，仅次于纤维素，估 计年生物合成量达1 0 0 0 亿吨，是地球上迄今为止发现的膳食纤维中唯一阳离子 的高分子基团，并有抗辐射和抑菌防霉等优点，以此制成的壳聚糖生物保健品己 被欧美各国誉为除蛋白质、脂肪、糖、纤维素、矿物质之外人体所需的第六大生 命要素【2 9 】。 甲壳素资源丰富，制法简单，价格低廉，具有与人体良好的生物相溶性和生 物可降解性，其降解产物可被人体吸收，在体内不蓄积，无免疫原性，具有良好 的化学物理性质。甲壳素能拉丝、成膜、制粒，能通过化学改良物化特性，并且 能和多种物质( 如胆固醇、脂肪、重金属、蛋白质、肿瘤细胞等) 结合。另外甲 壳素无毒且有生物活性，具有良好的保湿性、润湿性，并能防止产生静电，对皮 肤及眼粘膜无刺激。我国有丰富的甲壳素自然资源，有关研究被列入“八五”国家 科技攻关、星火计划项目。甲壳素及衍生物应用的领域已涉及医药、食品、农业、 水处理、化妆品、造纸、纺织、印染等行业，前景十分广阔。 由于甲壳素、壳聚糖具有与人体良好的生物相溶性和生物可降解性，其在医 药卫生方面有着广泛的应用。用甲壳素、壳聚糖纤维制成的手术缝合线已应用于 临床。该手术缝合线材料柔软，易打结，机械强度高，易被机体吸收，同时不改 变皮肤胶原蛋白中羟脯氨酸含量，无炎症反应，还可用常规方法消毒，增加伤口 的抗张强度，加速伤口愈合【3 0 1 。用壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透明、 手感好、柔软、良好的透气性、吸水性和杀菌性等优点。中国纺织大学已成功地 将壳聚糖无纺布、壳聚糖流涎膜、壳聚糖涂层纱布等多种医用敷料用于临床，其 中用壳聚糖醋酸溶液制成的壳聚糖无纺布，透气透水性能极佳，用于大面积的烧、 烫伤，能吸收组织渗出液，防止感染，效果很好。以甲壳素、壳聚糖为主要原料 制成的人工皮肤3 1 , 3 2 1 己应用于临床。用壳聚糖作为药物载体可以稳定药物中的成 分【3 3 1 ，促进药物吸收，延缓或控制药物的溶解速度，帮助药物达到靶器官，并 且抗酸、抗溃疡，防止药物对胃的刺激。包扎用纱布经甲壳素粉末或壳聚糖溶液 处理后包扎伤口，能立即止血，并有消炎作用，伤口愈合速度提高7 5 。伤口长 好后纱布不粘连，甚至不留痕迹。用壳聚糖制成止血海绵【3 4 1 ，能够立即止血， 临床效果非常好。甲壳素能选择性地凝聚白血病的l 1 2 1 0 细胞、e h r l i c h 腹水癌 细胞，对正常的红血球骨髓细胞无影响【35 1 。壳聚糖能有效地增加巨噬细胞的吞 噬功能和水解酶的活性，通过增强机体非特异性免疫系统的功能而抑制肿瘤生 1 0 山东大学硕士学位论文 长。巨噬细胞激活后，除了本身的吞噬杀灭肿瘤细胞等功能增强外，又能分泌多 种免疫因子调节其他细胞免疫与体液免疫【36 | 。此外，壳聚糖还可显著促进脾脏 细胞生成抗体的能力 37 1 ，同时可降低胃酸，抑制溃疡，具有健胃的作用。可用 于治疗过敏性皮炎，预防龋齿和牙周炎，除去和减轻口臭，还可降低肾病患者血 清胆固醇、尿素及肌酸水平。此外，还可制成各种人工器官，如：人工肝脏【3 8 】、 人工肾、人造骨、人造血管等。 在食品工业中，由于带氨基的壳聚糖是阳离子电解质，在溶液中对有机物悬 浮颗粒有明显的絮凝效果，且无毒、无味，可用于饮料及酒类的除浊澄清，防止 醋、酱油沉淀。作为絮凝剂和增稠剂添加到蛋黄酱、花生酱、芝麻酱，增稠效果 明显并可使产品长期贮存不变质，延长货架期。壳聚糖衍生物如n 一羧丁基壳聚 糖对细菌、霉菌、酵母菌均具有较强的抑制作用，其中对大肠杆菌、枯草杆菌、 毛霉、根霉具有更强烈的抑制作用【3 9 1 。壳聚糖衍生物具有良好的水溶性和抗菌 性，无毒无害，在食品、果蔬、农产品的防腐保鲜上有广泛的应用。将壳聚糖 与淀粉、水混合均匀制成薄膜、干燥，经碱溶液处理，可制成壳聚糖一淀粉合成 食品包装膜，此膜可食，无毒，耐油，抗张强度高，不溶于冷、热水，可用于包 装固体、半固体和液体食品。该膜能自动生物降解，无白色环境污染。将壳聚糖 醋酸溶液喷入到碱性溶液中进行凝固，经分离再生得到壳聚糖微细颗粒，此颗粒 可作为固定化酶载体【4 0 】。被壳聚糖固定的酶可广泛应用于制糖、酿酒、造醋等 食品工业。甲壳素、壳聚糖作为功能性保健食品对人类有5 大功能：免疫强化功 能、抑制老化、预防疾病、促进疾病痊愈和调节人体生理机能。将壳聚糖与其他 成分配合使用，可研制出人类所需的新产品。壳聚糖与果胶、卡拉胶等酸性多糖 可加工成壳聚糖一酸性多糖络合盐，这种络合盐可与肉类中脂肪酸结合，不被人 体吸收而制成高质量低热能减肥保健品。 在农业中，壳聚糖处理后的种子，其中的甲壳酶( c h i t i n a s e ) 的活性可提高 1 5 倍，具有良好的防病、防虫和促进作物生长作用。利用甲壳素的成膜性及生 物降解性，可制成具有良好粘附性、通透性和一定抗拉强度的农用地膜，并且避 免了白色污染。利用甲壳素和壳聚糖作饲料添加剂，能使小鸡明显增重，对 鱼有显著的增重作用，在猪饲料中添加壳聚糖，可以提高育肥猪的瘦肉率。 利用其保湿性、润湿性、成膜性、抗静电作用以及对皮肤无刺激、无毒等特 山东大学硕士学位论文 性，壳聚糖在化妆品中具有广泛的应用。它对皮肤和眼粘膜无刺激，不存在接触 过敏的问题，因此将其应用于护肤品中，使产品具有优良的性能，并能全部或部 分代替通常所用的保湿及润湿成分。在洗发香波中，若能合理的添加少量的壳聚 糖，就能减少或代替洗发香波中添加的护发、养发、滋润等成分，有洗发、护发 及抗静电作用，同时又具有滋养定型之功效，使洗后的头发各种性能大为改观。 壳聚糖作为发型固定剂的原料，在头发表面形成的薄膜其硬度适中，且不发粘， 特别是在湿度较大和出汗的情况下仍能保持原来的硬度而不发粘。普通的固发剂 在头发疏理或揉擦时，具有明显的静电作用，很难长时间保持发型。而由壳聚糖 配制的固发剂，具有抗静电作用，少量使用就能保持发型。特别是对某些敏感性 皮肤的人，使用壳聚糖为原料的固发剂可以减少或避免皮肤过敏或灼烧感的发 生。 在纺织工业中，用壳聚糖醋酸溶液作直接染料和硫化染料的固化剂，不仅可 以增进织物和花布的耐光和耐磨性，而且可使织物富有滑爽和硬挺的外观。 在造纸工业中，壳聚糖及其衍生物可有效地提高纸张的干、湿强度、改善表 面印刷性，被广泛地应用于印刷纸的生产，以适应高速印刷、高粘度油墨的要求。 在环保方面，由于壳聚糖及其衍生物能够通过分子中的氨基和羟基与多种金 属离子形成稳定的螯合物且可帮助微粒凝聚，故广泛用作化工、轻工、纺织等废 水处理中的吸附剂和絮凝剂。壳聚糖作为吸附剂和絮凝剂，能够有效地捕集溶液 中的重金属离子和有机物，并可以抑制细菌生长，使污水变清，特别是对于汞、 铬、铜、铅、钴、锌和砷等元素的离子有明显的吸附滤除作用。此外，壳聚糖还 可用于湿法冶金与核工业废水中c o 6 0 的回收以及海水、天然水中铀的富集等。 1 3 5 昆虫来源的甲壳素及壳聚糖研究进展 目前为止，人们主要是从虾、蟹壳制备甲壳素及壳聚糖，利用其他原料开发 甲壳素产品还不多见。甲壳素虽然最早是在昆虫体壁发现和提取的，但国内外对 昆虫甲壳素的实际应用和研究尚处于起步阶段，国外仅见有蚕蛹和鞘翅目昆虫的 甲壳素、壳聚糖制备的研究报道。相比之下，国内的相关报道较多，目前国内外 已进行开发研究的虫类有松毛虫、蝇蛆、蚕蛹、黄粉虫、蝉、掸子虫等。 松毛虫是类资源量很大的昆虫，作为一类潜在的生物资源近年来受到了人 们的重视。中国林业科学研究院资源昆虫研究所对云南松毛虫蛹中甲壳素和壳聚 1 2 山东大学硕士学位论文 糖的制取、壳聚糖对水果汁的澄清试验以及以壳聚糖为主要原料研制药用口服胶 囊进行了研究4 2 1 。黄茵等【4 3 】对松毛虫蛹壳进行了壳聚糖的制备及应用研究，发 现松毛虫蛹壳制备的壳聚糖制成口服胶囊对慢性肝炎、肝硬化有显著降低作用、 提示有保肝作用。 蝇蛆也是提取壳聚糖的理想材料。陈旭红】对蝇和蛆壳的甲壳素、壳聚糖 的制备做了大量实验，蝇和蛆壳的甲壳素得率分别为1 0 - 1 3 军f 1 1 5 - 2 0 ，蝇、 蛆壳的壳聚糖得率分别为8 - 1 0 和1 3 - - 1 6 ；王稳航等【4 5 】利用盐场废弃物卤蝇 蛆壳提取了甲壳素和壳聚糖，指出蝇蛆甲壳素在质量分数4 5 n a o h 溶液、1 0 0 * c 反应l h l i 1 可得到白洁度好、粘度大、分子量大的蝇蛆壳聚糖。陈盛等【4 6 】报道， 蛆皮壳聚糖的制取工艺，采用稀碱法除去蛋白、酸浸除钙、再用浓碱脱乙酰基制 得