蚕蛹壳聚糖的制备、结构性能表征及其应用研究

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本课题以提取油和蛋白质后的蛹渣为原料,选用二次回归正交旋转组合设计,优化蚕蛹甲壳素提取工艺条件;采用无水乙醇浸泡与间歇式碱处理相结合的方法制备高脱乙酰度蚕蛹壳聚糖,并用二次回归正交旋转组合设计优化制备工艺条件,在最优工艺下通过控制反应时间获得3种不同脱乙酰度蚕蛹壳聚糖;用红外光谱(FTIR)、电镜扫描(SEM)和X-射线衍射(XRD)对蚕蛹甲壳素和3种壳聚糖的化学结构、表面结构和晶型结构进行了系统表征;采用3种常用体外抗氧化评价方法对其清除羟自由基(·OH)、超氧阴离子自由基(02-‘)和DPPH的能力进行了比较研究;采用牛津杯法测定了3种壳聚糖对9种供试菌的抑菌性能,并研究了pH及温度对抑菌活性的影响;研究了脱乙酰度、料液比、吸附时间、pH及温度对蚕蛹壳聚糖吸附水溶液中铅离子能力的影响。主要研究成果如下:1.通过频率分析法获得制备蚕蛹甲壳素的最佳工艺NaOH溶液质量分数7.85%,处理温度87℃,处理时间260 min,料液比1:10(g/mL)。其它处理条件为:用质量分数5%的HCl溶液按1:4(g/mL)的料液比在30℃条件下处理4 h去除无机盐;用质量分数8%的H202溶液按1:4(g/mL)的料液比在70℃的条件下处理4 h脱色。经检测,制备的蚕蛹甲壳素氮含量为6.32%,与理论预测值6.30%接近,验证了模型的合理性;所得甲壳素产品为淡黄色粉末,水分含量为8.60%,灰分含量为0.67%,提取率为91.07%,各项指标均达到相关企业标准。2.通过频率分析法得到制备高脱乙酰度蚕蛹壳聚糖的最佳工艺:无水乙醇浸泡时间1.7 h,NaOH溶液质量分数44%,处理温度94℃,处理时间9 h,料液比1:28(g/mL)。经检测,制备的蚕蛹壳聚糖脱乙酰度为95.96%,大于理论预测值95.39%,验证了模型的合理性;所得壳聚糖产品分子量为7.45×105,水分含量3.20%,灰分含量0.35%,产品为白色,外观色泽好,得率为56.98%,各项指标优于相关企业标准。3.当反应时间为5、7和9 h时,可得脱乙酰度为78.12%、86.45%和95.96%的白色蚕蛹壳聚糖粉末;3种壳聚糖样品完全溶解的乙酸溶液浓度的临界值分别为0.18 g/100 mL、0.21 g/100 mL和0.25g/100 mL;不同脱乙酰度蚕蛹壳聚糖在不同浓度乙酸溶液中的表观黏度变化不大。4.蚕蛹甲壳素与壳聚糖的红外光谱差异主要表现在氨基谱带(1590 cm-1)和酰胺谱带(1655 cm-1)上,甲壳素在1590 cm-1左右的吸收峰很小,3种不同脱乙酰度的壳聚糖在1590 cm-1左右的吸收强度随着脱乙酰度的增加而增大,而在1655cm-1处则随着脱乙酰度的增加而减小;蚕蛹甲壳素与壳聚糖的电镜图像均呈现蜂窝状,甲壳素的蜂窝状结构单元比较平坦,形状几乎都为椭圆形,随着壳聚糖脱乙酰度的提高,其蜂窝状结构单元变的更薄更平坦,当蚕蛹壳聚糖的脱乙酰度增至95.96%时,其每一个结构单元几乎都是较为规则的五边形;X-射线粉末衍射光谱表明来源于蚕蛹的甲壳素和壳聚糖的晶型结构均为α型,说明脱乙酰反应不会改变产品的天然构型。5.体外抗氧化试验表明:当蚕蛹壳聚糖溶液浓度为8 mg/mL时,脱乙酰度为78.12%、86.45%和95.96%的壳聚糖对·OH的清除率为:22.58%、32.18%和35.13%,对O2-的清除率为16.76%、25.89%和29.87%,对DPPH的清除率为74.51%、82.05%和91.92%,均高于虾蟹壳来源的壳聚糖。清除率的大小随壳聚糖脱乙酰度升高而提高。6.3种蚕蛹壳聚糖对蜡状芽孢杆菌、鼠伤寒杆菌、枯草芽孢杆菌、白色念珠球菌、绿脓假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有明显的抑制作用,其中脱乙酰度为95.96%的壳聚糖溶液对7种菌的最小抑菌浓度(MIC)分别为:0.625 g/L、0.625 g/L、0.313 g/L,、0.625 g/L,、0.625 g/L、1.250 g/L和2.500 g/L。当pH在4.0-5.0范围内,壳聚糖对所有供试菌均能完全抑制,当pH为6.0时,3种样品对供试菌均没有抑制作用。当温度大于80℃后,脱乙酰度为95.96%的壳聚糖仍保留了抑菌活性,高脱乙酰度蚕蛹壳聚糖作为在热加工食品中使用的防腐剂,可稳定保持抑菌防腐性能。7.通过单因素试验得到了蚕蛹壳聚糖对水溶液中铅离子吸附的较优工艺:脱乙酰度为86.45%的蚕蛹壳聚糖样品,料液比0.30:25(g/mL),时间3 h,pH 5,温度50℃,对0.5μg/mL的铅标准溶液中铅离子的平均吸附率可达到90.28%,平均吸附量为45.19μg/g,可作为很好的铅离子螯合剂使用。
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