超声波辅助响应面优化谷婪步甲甲壳素的快速脱色工艺

了谷婪步甲成虫甲壳素粗品脱色的最佳工艺条件：过氧化氢浓度 30%、固液比 1∶30g/mL、超声时间 4h、脱色温
度 67.53℃、溶液 pH 9。在此最佳工艺条件下，测得谷婪步甲的白度值为 74.2371。研究结果可为谷婪步甲粗
甲壳素的脱色提供科学数据，并为后期制备壳聚糖奠定基础。
关键词：谷婪步甲；甲壳素；脱色；白度值；响应面优化设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
谷婪步甲［Harpalus calceatus（Duftschmid）］隶属于 鞘翅目步甲科，捕食种兼植食性种［1,2］；成虫夜间出土活 动，食害谷子、玉米、小麦［3］种子造成缺苗断垄或毁种，也 危害苜蓿、草莓、马铃薯、胡麻、糜子［4］等。甲壳素是自然 界中数量仅次于蛋白质的含氮有机物，也是仅次于纤维 素的第二大天然高分子多糖，主要由动物生成，广泛存在 于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物、 海藻、真菌［7］和动物的关节、蹄、足的坚硬部分，以及动物 肌肉与骨接合处均有甲壳素的存在［5］。
摘 要：以谷婪步甲成虫干粉经前期脱脂、脱蛋白质和脱无机盐试验得到的甲壳素粗品为试验材料，通过超
声波辅助过氧化氢氧化脱色的方法，研究了谷婪步甲甲壳素的脱色工艺。在不同条件下，研究过氧化氢浓
度、固液比、超声时间、脱色温度及 pH 对甲壳素脱色效果的影响，用蓝光白度值作为脱色效果的判定指标，并
以白度值为响应值通过响应面优化法进行相关工艺的优化。经过单因素试验和响应面优化设计，最终确定
节肢动物中的昆虫，其甲壳素含量比较高，而且钙和
重金属含量低，杂质少，纯度高，提取过程中对水、酸、碱 消耗少，生产成本低［6］，昆虫甲壳素要优于虾、蟹甲壳素， 而昆虫中的甲虫由于具有坚硬的外壳和鞘翅甲壳素含量 更高，且甲虫是昆虫中资源量最大、种类最多的第一大类 昆虫，正是潜在的甲壳素来源［7］。甲虫广泛分布于西北 地区，是荒漠流沙地区的优势种类，其鞘翅及体壁含有丰 富优质的甲壳素，具有一定的开发意义。目前，国内外生 产 甲 壳 素 的 主 要 材 料 来 源 是 水 产 加 工 后 废 弃 的 虾 、蟹 壳［8］、鱼鳞［9］、蚕蛹［10,11］、蜣螂［12］、蟋蟀［13］等昆虫，有关甲虫 中提取甲壳素的报道较少。谷婪步甲是宁夏甲虫的优势
中图分类号 TS254.5
文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）12-0113-07
Optimization of Ultrasonic Assisted Decolorization of Harpalus calceatus′ s Chitin by Response Sur⁃ face Methodology
YANG Jing1 et al. （1Guyuan Branch of Ningxia Airport Limited Company，China West Airpot Group, Guyuan 756000，China） Abstract: This study used the crude chitin of adult Harpalus calceatus as the experimental material，which needed some pretreatment like degreasing，deproteinizing and salt demineralizing.Then we applied ultrasonic-assisted hy⁃ drogen peroxide oxidation method to the research on decolorization technology of the chitin，which could be affected by the variation of hydrogen peroxide concentration，solid-liquid ratio，ultrasonic time，decolorization temperature and pH. The blue light whiteness value was set as the criteria of the decolorization effect，and the related process could be optimized by the response surface optimization method with the whiteness value as the basic response value. Finally，the conclusion could be drawn that the optimum experimental conditions for the HarpaLus calceatus chitin： the hydrogen peroxide reaction concentration was 30%; the solid-liquid ratio was 1∶30（g/ml）; the ultrasonic time was 4h; the optimal bleaching temperature was 67.53℃; the pH was 9.Under this condition，the whiteness value of the Harpalus calceatus could be measured as 74.2371. This study provided a scientific basis for the decolorization process of the crude chitin, and lying asolid ground for the preparation of chitosan. Key words: Harpalus calceatus; Chitin; Decolorization; Whiteness value; Response surface optimization
1 材料与方法
1.1 材料与试剂 谷婪步甲成虫采自宁夏吴忠市红寺堡 区。高锰酸钾、次氯酸钠、30%过氧化氢、盐酸、氢氧化 钠、溴化钾，均为分析纯，购于宁夏恒元创科贸易有限公司； 标准甲壳素品，食品级，购于上海纯优生物科技有限公司。 1.2 仪器与设备 ALC-210.4型电子天平，北京赛多利斯 仪器系统有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱， 上海一恒科技有限公司；KA-1000型低速台式离心机，上 海安亭科学仪器厂；320A型pH计，梅特勒-托利多仪器（上 海）有限公司；KQ-250DE型数控超声波清洗器，昆山市超 声仪器有限公司；CR-400型色差仪，日本柯尼卡美能达； TENSOR2型7红外光谱仪，布鲁克（北京）科技有限公司。 1.3 试验方法 1.3.1 谷婪步甲甲壳素制备工艺流程 新鲜甲虫→灭活 →预处理→脱脂→脱蛋白→脱无机盐→干燥→甲壳素粗 品→脱色→甲壳素产品。 1.3.2 甲壳素制备 将新鲜的谷婪步甲成虫旋转筛分去 除泥土后，洗净后置于85℃烘箱内，装铝盒内烘至恒重 （误差小于0.01g），用破碎机粉碎，过60目筛，过筛后的干 虫粉用滤纸包浸泡于石油醚中，利用索氏提取法脱除油 脂，后将已脱脂虫粉用碱性蛋白酶脱除蛋白质。在室温 下，再用醋酸浸泡已脱脂脱蛋白后的虫粉，脱除无机盐 后，最终得到的物质即为甲壳素粗品，此甲壳素粗品为本 试验的试验材料。 1.4 谷婪步甲甲壳素脱色剂的选择 取谷婪步甲粗甲壳
安徽农学通报，Anhui Agri，Sci，Bull，2021，27（12）
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超声波辅助响应面优化谷婪步甲甲壳素的快速脱色工艺
杨 菁 1 张建英 2* 韩 越 3 贾 龙 3
（1 西部机场集团宁夏机场有限公司固原分公司，宁夏固原 756000；2 宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021； 3 宁夏大学农学院，宁夏银川 750021）
基金项目：宁夏自然科学基金项目（2019AAC03013）。 作者简介：杨菁（1995—），女，宁夏银川人，从事机场生物资源的研究工作。 *通讯作者
收稿日期：2021-04-12
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种类，当地数量多、分布广，本研究化害为益，充分利用生 物资源，变废为宝。
由于谷婪步甲虫含有较高含量的色素，使得成虫颜 色呈现棕色或黑色，导致所提取的甲壳素颜色较深，不 利于甲壳素的二次加工，使其应用范围和商品价值受到 严重影响，因此，脱色工艺是解决颜色带来的产品弊端， 生产高品质甲壳素及壳聚糖的关键技术［14］，直接影响甲 壳素的品质。目前，关于甲壳素脱色工艺的研究，工业 上主要采用日光照射和次氯酸钠、高锰酸钾氧化脱色等 方法，也有用有机溶剂萃取脱色的报道［15］。过氧化氢作 为一种易得、加热后易分解除去的无污染氧化剂，在织 物、纸浆脱色上应用广泛，因此在谷婪步甲提取的甲壳 素的应用，具有良好的前景。本研究采用超声波辅助溶 剂进行脱色，利用声波产生高速、强烈的空化效应和溶 剂分子搅拌作用，破坏材料的表面结构，使过氧化氢渗 透到甲虫结构中，缩短脱色时间，提高脱色效率［16］。通 过超声波辅助过氧化氢氧化的方法对已脱脂脱蛋白脱 无机盐的谷婪步甲粗甲壳素进行脱色，并利用响应面进 行工艺优化，以期为甲虫甲壳素的脱色提供理论参考和 技术支持。
安徽农学通报，Anhui Agri，Sci，Bull，2021，27（12）
素干粉1.000g置于100mL的三角瓶中，分别用20%和30% 的H2O2、5%和10%的NaClO、3%和4%的KMnO4［17］，以1∶25 的固液比（W/V，下同），设置超声功率为500W、60℃下处 理3h后，用定量滤纸过滤，滤渣蒸馏水水洗（若用KMnO4 对样品进行处理，需用草酸溶液中和滤渣中剩余的KM⁃ nO4，重复2次），脱色后的滤渣在85℃下烘干。烘干后利 用色差仪测定脱色后甲壳素样品白度，以白度值对比脱 色工艺的脱色效果，每样品白度重复检测3次。 1.5 谷婪步甲甲壳素脱色的单因素试验 在确定最佳脱 色剂后，以H2O2的浓度、固液比、超声时间、超声温度、溶液pH 作为影响因子，以蓝光白度值为鉴定指标，进行单因素实验， 确定各影响因子对谷婪步甲甲壳素粗品脱色效果的影响［18］。 1.5.1 浓度 固定其他脱色工艺条件：固液比1∶25g/mL、 超声时间3h、脱色温度60℃、溶液pH9，考察不同过氧化氢 浓度（10%、15%、20%、25%和30%），对谷婪步甲甲壳素粗 品脱色效果的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置于 100mL三角瓶中，分别以5种不同浓度的H2O2在固定其他 脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参考1.4。 1.5.2 固液比 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度 25%、超声时间3h、脱色温度60℃、溶液pH9，考察不同固液 比（1∶10g/mL、1∶15g/mL、1∶20g/mL、1∶25g/mL、1∶30g/mL） 对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳 素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同 的固液比在固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱 色效果比较参考1.4。 1.5.3 超声时间 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓 度25%、固液比1∶25g/mL、脱色温度60℃、溶液pH9，考察 不同超声波时间（1h、1.5h、2h、2.5h、3h），对谷婪步甲甲壳 素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置 入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同的超声时间在固 定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较参 考1.4。 1.5.4 超声温度 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓 度25%、固液比1∶25g/mL、超声波时间3h、溶液pH 9，考察 不同脱色温度（45℃、50℃、55℃、60℃、65℃）对谷婪步甲 甲壳素粗品脱色能力的影响。分别称取甲壳素粗品 0.3000g置入5个100mL三角瓶中，分别以5种不同温度在 固定其他脱色工艺条件下进行脱色处理，脱色效果比较 参考1.4。 1.5.5 溶液pH 固定其他脱色工艺条件：过氧化氢浓度 25%、固液比1∶25g/mL、超声时间3h、脱色温度60℃，考察不 同溶液pH（5、7、9、11、13）对谷婪步甲甲壳素粗品脱色能力 的影响。分别称取甲壳素粗品0.3000g置入5个100mL三角瓶 中，分别在5种不同溶液pH在固定其他脱色工艺条件下进行 脱色处理，脱色效果比较参考1.4。