年产300万吨壳聚糖的设计毕业设计论文.doc

宁夏理工学院毕业设计第一章 综述壳聚糖(chitosan)是一种由甲壳素脱乙酰基后的产物，壳聚糖是一种天然聚高分子多糖。壳聚糖能溶于低酸度水溶液中，因其含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱性多糖，因而具有许多特殊的物理化学性质和生物功能。几十年来，科学家们对甲壳素和壳聚糖的医疗保健作用及在农业上的应用投入了很大的力量，搞清楚了许多作用机理，取得了很多成果，在食品、医药方面显示出非常诱人的应用价值。近年来，国内外对甲壳素以及壳聚糖的开发研究十分活跃。中外专家认为，低聚甲壳素和低聚壳聚糖将会在医疗保健作用和药物研究方面为人们打开一扇大门，会让人看到一片广阔的天地。壳聚糖是由大部D-氨基葡萄糖和少量的N-乙酰-D-氨基葡萄糖组成，以-(1，4)糖苷键连接起来的直链多糖，其结构类似于纤维素。常见的制备法有化学法和酶法，本次设计采用的是化学法，是通过酸碱脱除钙盐、蛋白质、乙酰基制得壳聚糖的。首先通过酸碱法脱除钙盐和蛋白质制得甲壳素，然后利用碱液法脱除甲壳素中乙酰基得到壳聚糖产品。1.1 壳聚糖的来源1.1.1壳聚糖的发展史18ll年，法国科学家H.Braconot在蘑菇提取出一种类似纤维素的物质，首次发现甲壳素，并命名为Fungine。1823年，法国科学家Odier在昆虫表面角质部分也发现类似物质，为其取名甲壳素。1843年，Lassigne用氢氧化钠和亚氯酸钾从蚕中分离出甲壳素。1878年，Ledderhose明确指出甲壳素是由葡萄胺和乙酸组成的，并写出了水解方程式。1859年，Rouget将甲壳素置于氢氧化钠溶液中加热后得到一种可溶于有机酸的一种新物质，首次发现壳聚糖。1894年，德国Aoppe-Seuler将这种脱乙酰物质命名为几丁多糖。1991年欧、美医学界把可溶性甲壳素称为六大生命元素之一，即蛋白质、脂肪、糖、维生素、矿物质和可溶性甲壳素。1.1.2壳聚糖的原料来源甲壳素广泛存在于甲壳纲动物(虾、蟹等)、昆虫(甲虫、蝇蛆、蚕蛹等)、软体动物(鱿鱼、牡蛎)的甲壳、真菌(酵母、霉菌、蘑菇等)，除此之外，在植物及藻类的细胞壁中也发现了甲壳素。估计地球上的自然生成量有近100亿吨之多，因此，它是地球上己知的除了蛋白质外的含氮天然有机化合物中数量最大的，同时又是仅次于纤维素的第二大可再生资源。甲壳素制取原料主要来自于虾、蟹壳，甲壳素含量达到2040。我国沿海地区广阔，每年捕捞的虾蟹及贝类数量极大，除去供食用的肉外，还剩下大量的废弃物甲壳，可谓是取之不尽。而虾、蟹的养殖在水产养殖业中又占有相当一部分的比重，虾、蟹壳的来源比较广泛且易得，故虾、蟹壳成为制取壳聚糖的主要原料。如何开发利用这些甲壳，做到变废为宝，已经受到人们更多的重视。1.2壳聚糖的性质1.2.1壳聚糖物理性质纯甲壳素和纯壳聚糖都是一种白色或者灰白色的半透明的片状或者粉状固体，无味、无臭、无毒性，纯壳聚糖略带珍珠光泽。生物体中甲壳素的相对分子质量为1106到2106，经提取后甲壳素的相对分子质量约为31057105，由甲壳素制取壳聚糖的相对分子质量更低，约为21055105。壳聚糖为阳离子聚合物，可溶解于矿酸、有机酸及弱酸稀溶液。因制备工艺条件和需求的不同，脱乙酰度为55%100%不等。脱乙酰度和平均分子量是壳聚糖的两项主要性能指标。另外一项重要的质量指标是黏度，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3大类:(1)高黏度壳聚糖，1%壳聚糖溶于1%醋酸水溶液中，黏度大于1000mPas；(2)中黏度壳聚糖，1%壳聚糖溶于1%醋酸水溶液中，黏度为100500mPas；(3)低黏度壳聚糖，2%壳聚糖溶于2%醋酸水溶液中，黏度为2550mPas。1.2.1壳聚糖化学性质甲壳素的化学名称为(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，分子式为(C8H13O5N)n，是由N-乙酰氨基葡萄糖以-(1，4)糖苷键形式缩合而成的，是一种天然高分子化合物，属于碳水化合物中的多糖，其分子量可以达到几十万至几百万。甲壳素是多糖化合物中最重要的一种聚氨基葡萄糖，其结构式如图1-1所示。壳聚糖(Chitosan，简写CTS)，是甲壳素脱去部分乙酰基的氨基多糖，学名聚氨基葡萄糖，又名脱乙酰多糖、脱乙酰几丁质、聚甲壳糖、几定糖等。一般而言，甲壳素的脱乙酰度达到55以上就可称之为壳聚糖，壳聚糖是甲壳素最重要的衍生物。壳聚糖其化学名称为(1，4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。分子式为(C6H11O4N)n，壳聚糖是由N-乙酰-D-氨基葡萄糖单体通过-(1，4)-糖苷键连接起来的直链状高分子化合物，是迄今为止发现唯一的天然阳离子碱性多糖，结构式如图1-2所示。图1-1 甲壳素结构图图1-2壳聚糖结构图通过图1-1和图1-2的对比可以看出，壳聚糖与甲壳素的不同之处在于糖基上的N-乙酰基脱去程度。甲壳素分子中由于存在着-OH-O-型及-OH-N-型氢键的作用，不仅使甲壳素大分子链间存在着有序结构，而且导致甲壳素不能溶化，很难溶于一般溶剂中，因而这大大制约了甲壳素的用途。甲壳素在浓碱作用下，脱掉乙酰基，生成壳聚糖。由于壳聚糖同时含有氨基和羟基，其性质相对甲壳素来说要活泼的多，基本反应类型有：酰化反应，羧基化反应，醚化反应，N-烷基化，酯化、季铵化反应，水解反应等反应。常见的有N-羟乙基壳聚糖、N-酸化壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖等，通过不同的修饰反应形成不同结构和不同性能的衍生物，可以扩大壳聚糖的应用范围。壳聚糖有、三种构象，其分子链是以螺旋形式存在，其中研究-型的较多，因为这种构象的壳聚糖存在最多也最易制得。-型则关注的相对较少，然而这种构象的特征是具有很弱的分子间作用力，并且被证实了在不同的调节反应中会显示出比-型更高的反应活性和对溶剂有更高的亲和力。 低分子量的壳聚糖及其衍生物在水溶液中的构象变化现象对其生理活性及功能性质有极其重要的影响。壳聚糖分子量与水溶液性质的研究、壳聚糖衍生物的液晶行为的研究均受到了国内外的关注。 1.3壳聚糖的应用研究壳聚糖是迄今为止发现的自然界中唯一存在的阳离子型可食用纤维，在医药、食品、化妆品和农业等方面都有广泛且重要的应用价值。1.3.1在医药和保健食品中的应用壳聚糖在1991年被欧美学术界誉为继蛋白质，脂肪，糖类，维生素和无机盐之后的第六生命要素。近来被作为保健食品的发展较快。据文献报道，壳聚糖对疾病的预防和保健作用有：强化免疫功能；降低胆固醇；降血压，降血糖，强化肝脏机能；对神经内分泌系统有调节作用；使血管扩张，从而改善腰酸背痛症状；治疗烧伤，烫伤，加速外伤愈合；增殖肠道有益菌，调节免疫功能，防治痛风及尿酸过多症，防治胃溃疡，吸附体内有害物质并排出体外等。（1）壳聚糖在药物缓释载体中的应用壳聚糖具有很好的生物相容性和可生物降解性，可被溶菌酶降解成低聚糖，无不良反应。其分子内具有活性基团一NH2，可与含双官能团的醛或酸酐药物化学偶联，使药物大量分布于偶联结构内，缓慢释放。因此，近年来壳聚糖作为药物缓释载体被广泛应用于医药领域 。（2）壳聚糖在抗肿瘤方面的应用近几年，对壳聚糖作为抗肿瘤药物转运载体的研究引起了人们的广泛关注 。用壳聚糖包裹各种抗肿瘤药物后。可提高药物靶向性，增强药效或降低药物毒性。当药物经过壳聚糖微囊化后。可避免与消化酶直接接触，并通过控制药物释放时间，使其在肠道内释放药物，或通过对药物微囊表面改性。使药物微囊在特定的肠道部位吸收，从而进一步提高口服药物的药效。（3）壳聚糖在肥胖及其并发症治疗中的应用壳聚糖是天然、无毒、可生物降解的化合物，有优良的生物相容性、抗菌和吸附性。对脂肪和胆固醇具有良好的吸附性能。这些优良的生理活性使其开始应用于肥胖及其并发症的预防和治疗上，成为一种新型的减肥药物 (食品) 。（4）壳聚糖在其他医药领域中的应用壳聚糖还具有免疫调节、调理肠胃、抗结核口、抗凝血和促进组织修复等多种生物活性和优良的抗菌性，可用于防治胃病、高血压、糖尿病、疗伤用药、外科手术缝合线 、人工皮肤、人工透析膜、人工血管与隐形管等。在口腔医学、医用膜剂、伤口敷料、眼科等方面都有广泛的应用。1.3.2在食品工业中的应用壳聚糖特别是甲壳低聚糖具有很好的抗菌活性，其抗菌机理与其结构中的氨基有关，将其添加到固液食品中，既会对汁液有一定的澄清作用，又可起防腐保鲜作用，特别适合于酸性或低酸性的食品保鲜。壳聚糖的稀酸溶液或其衍生物的水溶液喷涂在果蔬或鲜肉制品的表面后可制成膜，该膜对O2，CO2等气体有选择通透性，既具隔氧透气的功能，可以抑制果蔬的呼吸强度，达到保湿、护色、延长保鲜效果。且这种膜是可食用膜，同时又可在水和热水中保持原状，特别适合于固体、液体食品的包装。壳聚糖与其它物质复合可制成如香肠肠衣等的膜。壳聚糖特别是分子量很低的甲壳低聚糖，由于极性基团的存在，对水有很高的亲和力和持水性，这对于半干半潮食品的保湿有重要的作用。作为食品成分或加工辅助剂主要是应用其絮凝等功能性质对食品加工的废液，发酵液等进行处理，回收蛋白质，分离氨其酸和有机酸等以及对果蔬汁、糖液进行澄清，达项技术的应用有利于果蔬清汁的加工贮藏。用壳聚糖从工业废水中分离重金属离子的技术已进入工业化实施阶段。1.3.3壳聚糖在人体内的消化吸收研究壳聚糖作为功能性食品或保健食品的商业化生产近来发展很快，那么壳聚糖在人体内的水解和消化吸收机理是一个急需探明的问题。 根据国内外的研究来看，壳聚糖在人体内的代谢途径仍不十分清楚，但是壳聚糖作为食品必须要水解断裂至单糖才能被消化吸收。壳聚糖水解成氨基葡萄糖或-乙酰氨葡萄糖，通常需要两种酶的作用，一种是壳聚糖酶，将壳聚糖水解成2-8个单位的聚合体；另一种为-氨基己糖苷酶，能水解多聚体为游离单糖。这类酶存在于脊椎动物的消化道中，典型的食昆虫动物如鸟类、鱼类及海洋微生物也能有效降解和代谢壳聚糖，而在人类的消化道中则缺乏这类酶。 据推测脂肪酶和淀粉酶在人体内对壳聚糖的水解起了一定的作用。从人体内食物的消化过程来看，壳聚糖在胃酸中溶胀，有可能被胃液中存在的一些酶类部分有限的水解，当达到中性或碱性的肠道时，壳聚糖则相应成为不溶性沉淀物，而肠道微生物对不溶物的消化作用是较小的。 1.3.4壳聚糖在其它领域的应用壳聚糖作为酶固定化的载体的研究应用较多，目前常见的方法是壳聚糖为载体，戊二醛为偶联剂将酶固定。这种方法比其定固定酶的方法可以更好的保留酶活性，国内学者对多种蛋白酶的固定化的研究成果较多。甲壳低聚糖对多种水果、蔬菜、粮食等作物在抗病虫害和促生长方面有显著作用，这将在农业生产上得到大力推广应用。壳聚糖作为壁材应用于微胶囊技术，以壳聚糖为载体的亲和吸附剂的合成等都具有较大的应用潜力和开发前景。由于壳聚糖良好的吸湿性和持水性；在化妆品工业中用它作为保湿因子效果相当好，日本已经有这类化妆品上市。1.4壳聚糖的制备方法壳聚糖的制备可分为两部分：甲壳素的制备和甲壳素脱乙酰制壳聚糖。其制备大致流程为：蟹壳脱钙脱蛋白脱色甲壳素脱乙酰壳聚糖成品。1.4.1 甲壳素的制备方法在自然界中，甲壳素通常和碳酸钙、蛋白质及少量色素等物质相结合，要获得高品质的甲壳素，应尽可能的除去这些物质以提高甲壳素的纯度。（1）酸碱法在脱钙过程中，一般通过稀酸使不溶的碳酸钙转化为水溶性的氯化钙，同时生成二氧化碳和水，通过抽滤、洗涤即可除去钙盐，反应的原理是：CaCO3+HClCaCl2+C02；脱蛋白过程中，通常利用稀碱脱除蛋白，蛋白质被碱催化后，逐渐降解成分子量越来越小的肽段，直到最后变成氨基酸的混合物，从而溶入水中而被脱去，反应的原理是：R-CH2(NH2)+NaOHR-CH2- (NH2)-COONa+H20。经抽滤、洗涤、干燥即可得到粗品甲壳素。氧化脱色是用过氧化氢或者高锰酸钾溶液浸泡，氧化壳中的色素以达到脱色的目的，并除去剩余的有机物。经高锰酸钾氧化后得甲壳素还需还原漂白，其原理是用稀的亚硫酸氢钠溶液浸泡，搅拌至紫色褪尽为止。经抽滤、水洗、干燥制得甲壳素，收率15左右。此方法是目前国内外最常用的方法，设备简单而且制备成本较低。其缺点就是流程太过繁杂，制备时间过长。（2）微波法微波法生产壳聚糖是将蟹壳水洗，用2 mol/L的碱水溶液用微波加热煮沸1 h，冷至室温，浸泡 12 h除去蛋白质，水洗至中性，再用2 mol/L的盐酸溶液浸泡24h，使碳酸钙转化成氯化钙，再水洗至中性、干燥、粉碎，用2%的高锰酸钾脱色，水洗后用 60%70%的草酸处理30 min，生成甲壳素。 采用微波辐射这一新技术来制备壳聚糖，制备过程快速，脱乙酰度提高，产品粘度也较高，溶解性良好。但是，微波法同样也存在缺点，即温度较难控制，反映温度超过70，分子链断裂速度会加快，粘度下降 。同时，工业生产中的微波炉的设 计要求严格，以防止微波泄漏对人造成伤害。（3）酶制法酶法制备壳聚糖是利用专一性酶对甲壳素进行脱乙酰基反应。 这里介绍一种用黑曲霉电解法从菌丝体中提取甲壳素和碱法制备壳聚糖的制备工艺。工艺条件是：使用黑曲霉的最佳培养液YEPD培养菌体，最佳培养时间42 h，最终培养量0.942 g干菌体，最终残糖质量浓度0.627 mg/mL。黑曲霉湿菌体经质量分数为5%NaOH，100处理6 h。用质量百分数 为10%醋酸，95100处理3 h，NaOH滴定，析出甲壳素。1.4.2壳聚糖的制备方法壳聚糖是一种阳离子型氨基葡萄糖的直链多糖，其制备过程也就是甲壳素中酰胺类多糖的碱水解过程，也就是脱乙酰过程，反应的原理：(R-NH-CO-CH3)n+nNaOH(R-NH2)n+CH3COONa，其中R代表D-葡萄糖。壳聚糖制备的方法主要有碱熔法、碱液法、微波法、酶解法等。(1) 碱熔法早在1894年，Winterstein及Hoppe-seyler等人就分别发明了碱熔法使甲壳素脱除部分乙酰基的技术，后来有不少人做了改进。现在比较标准的做法是按质量比为1：5(甲壳素：固体KOH)的比例在在镍坩埚中共熔，在氮气保护的保护下180加热搅拌30min，得粗壳聚糖，然后熔融物小心倒入乙醇中，生成的胶状沉淀用水洗至中性，可得到粗壳聚糖，经反复提纯和冲洗得到较纯的产品。Horton等人研究表明这种方法得到的壳聚糖分子量低，不适合作色普和凝絮剂使用，因此目前使用的较少。(2)碱液法碱液法是目前国内外最常用的方法，设备简单而且制备成本较低，一般是用质量分数为4060的浓碱液，在高温下进行脱乙酰处理几小时，可以使甲壳素脱去大部分乙酰基得到可溶于稀酸的壳聚糖。人们对于甲壳素脱乙酰化的研究也主要集中于碱液法并且获得了一些脱乙酰基速率与碱液浓度、温度的规律。国Matsuura等采用碱液法制备壳聚糖，研究表明碱浓度、时间及温度对甲壳素的脱乙酰反应均有影响。Weska等采用响应面优化法对虾废弃物制各壳聚糖，通过计算聚合物的分子量来研究脱乙酰反应的最优条件。Fernandez Cervera等采用两种工艺对龙虾甲壳素制备不同分子量和不同脱乙酰度的两种壳聚糖，并对制备的壳聚糖理化性质和结构特征和商业壳聚糖进行比较，其制备的壳聚糖质量均由于商业壳聚糖。国内朱凯等以克氏螯虾为原料制备甲壳素和壳聚糖，通过脱脂、脱蛋白及脱钙得到甲壳素，甲壳素在45的浓碱反应4h，可得到脱乙酰度为81的壳聚糖。曹萍等利用蚕蛹皮为原料提取得到的甲壳素，在60用40的氢氧化钠溶液反应6h得到的产品质量达到食品工业级的要求。杨丹等利用虾蛄壳为原料制备壳聚糖，在40氢氧化钠溶液中60下处理30小时可以得到脱乙酰度在86以上，产品质量优于虾壳制备的壳聚糖。(3)微波法微波法是用微波炉加热代替电加热、蒸汽加热或直接火加热的方式，是随着微波技术和设备进步而出现的一项新技术。其可以在极短的时间内达到比传统更高的活化状态，从而大幅度缩短碱处理时间。此工艺比常规方法时间短，得率较高。梁吉艳等以虾壳为原料制得甲壳素后，在微波作用下与浓碱反应l0min可得脱乙酰度75的壳聚糖。居红芳等分别以大闸蟹壳和青蟹壳为原料制得甲壳素后，采用正交实验获得了微波制备壳聚糖的最佳工艺条件。张立彦副等研究了微波制各过程中微波功率、时间、碱浓度等对甲壳素脱乙酰反应的影响。微波法在工业生产中尚处于研究阶段，主要是设备昂贵，投资费用相对较高，而且设计时还要考虑到微波辐射的泄漏对人体的伤害等其它因素，影响了其工业化进展。(4)酶解法酶解法是将甲壳素脱乙酰酶与甲壳素在TES-NaOH缓冲液(pH=5.5)中30保温48h，即可获得壳聚糖产品，利用的酶主要有壳聚糖酶、溶菌酶等。这种方法不仅可以有效地从甲壳素分子中脱除乙酰基，而且不会把甲壳素的长链降解为小分子，也不存在排放废碱液而对环境造成严重污染。目前已经报道由Mucor rouxi i、Colletotrichum lindemuthiaIlum、Absidia coerulae中提取到甲壳素脱乙酰酶的研究。虽然这种方法节约能源，设备简单，但酶的提取和纯化过程比较复杂而且成本比化学法要高很多，制得的壳聚糖产量低，进行大规模工业化生产尚需研究。1.5壳聚糖的市场现状1.5.1 世界壳聚糖的市场概况全世界每年由生物合成的甲壳素约为100亿吨，可提取壳聚糖20亿吨以上。壳聚糖是自然界中仅次于纤维素的取之不尽、用之不竭的第二大天然生物有机资源。在日本，壳聚糖类保健品是该国政府特许的唯一准许宣传疗效的功能型保健食品；而欧洲及美国的营养学界称壳聚糖为六大要素之一，并投入大量人力、物力、财力研制开发生产以壳聚糖为主要原料的第四代保健食品，其中部分产品投放市场后，受到广大消费者的欢迎。壳聚糖在国际市场上供不应求，壳聚糖多年来在国际市场上都一直保持旺市畅销的局面，故此其销售价格不断上涨。如1990年每吨工业级壳聚糖的售价仅为1万美元左右，到1999年则猛升为5万美元。其中食品级，药用级壳聚糖的价格则分别达每吨12万美元和200万美元。仅美国、日本每年壳聚糖的消费量就分别高达400吨和2000吨，这一半以上需要是通过进口来满足国内市场的需求。1.5.2我国壳聚糖的市场现状我国具有丰富的壳聚糖生产原甲壳素来源，发展壳聚糖产业具有得天独厚的优势条件，市场潜力大，前景看好。国内对壳聚糖的需求势头旺盛。我国壳聚糖的应用研究及生产始于20世纪90年代初期，至1997年壳聚糖生产已卖现工业化批量生产，当年全国的总产量约150吨；1999年上升为400吨，国内需求量则高达800吨，仅能满足市场容量底线，处于供不应求的状态。壳聚糖的应用范围不断扩大。近些年来，随着各国对壳聚糖的认识不断提高和应用研究的进一步深化进行，壳聚糖已应用于许多领域中，其中化妆品，保健品，食品工业等行业对壳聚糖的需求增长最快；在医药、化工、造纸、农业、环保、轻纺等领域中正在得到广泛的应用。壳聚糖及其衍生物的开发应用及市场发展前景较为可观。1.6壳聚糖的发展前景1.6.1 壳聚糖的生产原料极为丰富壳聚糖是甲壳素的衍生物。一般把脱乙酰基程度大于55的甲壳素称为壳聚糖。甲壳素作为壳聚糖的生产原料，自然界分布极广。我国沿海地区海产品产量丰富，同时也造成了大量的壳聚糖废物。在我国的山东、福建、浙江、江苏和广东等地区已有数十家生产甲壳素及其衍生物产品的企业。1.6.2壳聚糖的制备工艺简单壳聚糖在农业上应用。除了对其分子量、脱乙酰基度、含水量有一定要求外，并无其它限制。从而简化了制备流程，降低了生产成本。1.6.3壳聚糖本身具有的特点壳聚糖具有无毒、无污染。容易被微生物分解等其它化学农药所不可比拟的优点。壳聚糖还可缓解因化学农药而产生的药害。1.6.4壳聚糖应用前景广阔壳聚糖在美国、日本队壳聚糖的应用研究发展较快，尤其在壳聚糖抑制植病方面，美国已作了系统研究。我国壳聚糖在农业上的应用起步较晚，还没有在生产中大量推广应用。相信凭借壳聚糖自身的独特功效，在不久的将来壳聚糖在我国农业生产中的应用前景一片光明。1.7 壳聚糖研究目的和内容 1.7.1研究目的作为一个盛产虾、蟹，其它甲壳素资源也相当丰富的国家，如果能够通过广泛深入的研究，将这种至今还未充分利用的宝贵资源利用起来，无疑对国民经济的发展是有很大意义的。如何从甲壳蟹壳废弃物中提纯甲壳素，进而经脱乙酰化转化为能够溶于稀酸的壳聚糖，是甲壳素利用的重要一环。在我国甲壳素转化为壳聚糖主要制备方法还是碱液法，在这个方面虽然工艺非常成熟，但制备得到壳聚糖脱乙酰度低，粘度也不高，耗费的时间长，在当今讲究生产效率的时代，造成资源的浪费是明显的。本次研究主要是在传统工艺的基础上进行改进。在制备甲壳素脱钙阶段在稀盐酸中加入了助剂乙酸，大大缩短了反应时间和增加了产量。在由甲壳素利用碱液法制备壳聚糖时反应时间过长，加入了助剂乙醇缩短了反应时间，提高了效率。壳聚糖在如今可谓说是取之不尽、用之不竭的，而它的作用越来越大，发展前景越来越好，竞争就会越来越大。提高了效率就相当于提高了经济效益。1.7.2研究内容以蟹壳为原料，在传统工艺基础上对实验进行改进。在加入助剂的条件下研究其最佳工艺参数，对壳聚糖生产工艺流程进行设计与预算。（1） 采用酸碱法从蟹壳中提取蟹甲壳素。在制备甲壳素脱钙阶段稀盐酸中加入助剂乙酸减少反应时间和提高生产效率。以脱钙率为评价指标，设计单因素试验和正交试验，确定最佳的脱钙和脱蛋白工艺条件，并对蟹甲壳素的主要质量指标进行检测。（2）采用碱液法利用蟹甲壳素制备蟹壳聚糖。在脱乙酰阶段加入助剂乙醇缩减反应时间，以脱乙酰度为评价指标，通过单因素确定最佳制备工艺，并对壳聚糖的主要质量指标进行检测。（3）壳聚糖生产工艺进行预算。设计生产过程中工艺技术参数，进行过程中物料衡算。（4）壳聚糖生产工艺的确定。根据生产要求对设备流程的设计，以及经济效益评价。第二章 实验2.1实验原理蟹壳中的无机组成主要是碳酸钙，有机组成主要是蛋白质和甲壳素。因此利用蟹壳制取甲壳素，实质上是从蟹壳中分离出甲壳素。对于无机组分的脱除，采用稀盐酸加入助剂乙酸加速脱钙。其反应式为：CaCO3+2H+Ca2+H2O+CO2，形成的钙盐为可溶性盐，随着溶液分出。蛋白质由于溶于热碱，故蛋白质的脱除则利用氢氧化钠溶液加热溶出。甲壳素不溶于水及一般有机溶剂，再经浓氢氧化钠并加入助剂乙醇溶液在一定温度下脱乙酰基即可制得壳聚糖产品。2.2材料与仪器2.2.1 实验材料与试剂原料：蟹壳(市售)主要试剂：表2-1 实验药品及规格 药品 规格 药品 规格 盐酸 分析纯 冰醋酸 分析纯 氢氧化钠 分析纯 氯化铵 分析纯 氨水 分析纯 无水乙醇 分析纯 过氧化氢 分析纯 高锰酸钾 分析纯 硼酸 分析纯 铬蓝黑T 分析纯 EDTA指示剂 分析纯 三乙醇胺 分析纯 甲基橙 分析纯甲基红 分析纯 溴甲酚绿 分析纯 硫酸铜 分析纯 硫酸钾 分析纯 硫酸 分析纯2.2.2仪器与设备主要仪器：表2-2 实验仪器及规格仪器规格 托盘天平 铁架台 锥形瓶 烧杯 玻璃杯 酸式滴定管 碱式滴定管 量筒 蛇形冷凝管 圆底烧瓶 分液漏斗 容量瓶 研钵 1台 2台 250ml3个 50ml1个、100ml1个、200ml1个 1根 1个 1个 10ml1个、50ml一个 1个 1个 1个 50ml1个、250ml3个、1000ml1个 1个主要设备：表2-3 主要设备及规格仪器设备规格 CS101-2型鼓风干燥箱 NDJ-79型旋转氏黏度计 GSR-2电子恒速搅拌器 DF-101S集热式恒温磁力搅拌器 SHB-IIIA循环水式多用真空泵 FA1004电子分析天平 乌氏毛细管粘度计 RPB1000精密pH计 重庆实验设备厂生产 同济大学电机厂生产 上海医械专机厂生产 菏泽市祥龙科技有限公司 陕西金康生物科技有限公司 上海精密仪器仪表有限公司 浙江玻璃仪器厂生产 上海罗素科技有限公司2.3实验方法通过对酸碱法、微波法、酶法三种壳聚糖的方法进行对比，发现酸碱法制备壳聚糖在工业生产中使用较为普遍，壳聚糖产量也较高，产品质量较好。但对酸碱溶液的消耗较多，反应时间较长，同时对环境的污染也较严重。因此，本次主要要在传统酸碱法的基础上，进行改良型，在脱钙阶段加入助剂乙酸溶液，减少盐酸溶液的用量，减少酸溶液排放减少对环境的污染，减少反应时间，同时增加脱钙率。在脱乙酰基时，在传统工艺碱处理的工艺条件基础之上，加入助剂乙醇，减少氢氧化钠溶液的用量，减少碱溶液排放减少环境污染，加速反应减少反应时间，同时提高脱乙酰度，得到质量更好的壳聚糖。2.3.1 工艺流程与主要操作（1）工艺流程 盐酸溶液（+助剂乙酸溶液） NaOH溶液 蟹壳清洗干燥粉碎脱钙过滤洗涤干燥脱蛋白过滤洗涤干燥脱色过滤洗涤干燥甲壳素脱乙酰过滤洗涤干燥壳聚糖 过氧化氢溶液 浓NaOH溶液（+助剂乙醇溶液）（2） 主要操作将蟹壳清洗两到三遍，放入干燥箱中105干燥12h，然后将干燥后的蟹壳进行粉碎。用稀盐酸（+助剂稀醋酸）在常温下脱除蟹壳粉中的无机钙盐，然后用稀氢氧化钠溶液在100下进一步脱除蛋白质，最后用一定浓度的过氧化氢在45条件脱色2h，在烘箱中105烘干12h即可得到甲壳素成品。将制得的甲壳素用浓氢氧化钠（+助剂乙醇溶液）在100下脱除乙酰基即可制得壳聚糖产品。在蟹壳制取壳聚糖的整个过程中，脱钙和脱蛋白及脱乙酰三个过程将进行单因素实验设计获取最佳工艺条件。其中脱钙阶段利用其最佳工艺条件进行正交试验设计。2.3.2评价指标的测定以脱钙率作为衡量脱钙效果的评价指标，含氮量作为衡量脱蛋白效果的评价指标，壳聚糖脱乙酰度作为衡量脱乙酰效果的评价指标。（1）脱钙率的测定用移液管移取5ml经处理后的样液于250ml的容量瓶中，并加水定容至刻度线。再次用移液管移取5ml溶液于锥形瓶加5mlNH3-NH4Cl缓冲液，加34滴钙指示剂摇匀使其变为红色，用EDTA溶液滴定，当溶液由红色变为蓝色即为终点。对于每一组取3次进行重复实验，求脱钙率平均值。脱钙率( %) = CEDTA VEDTA 250 MCaV m 100%式中 CEDTAEDTA 浓度，mol/L VEDTA滴定消耗EDTA 体积，L MCaCa 摩尔浓度，g/L V样品体积，L m蟹壳的质量，g（2）含氮量的测定采用凯氏定氮法(GB/T 5009.5-2003)。精密称取0.22.0g样品，移入干燥的500mL定氮瓶中，加入0.2g硫酸铜，3g硫酸钾及20mL硫酸，稍摇匀后于瓶口放一小漏斗，将瓶以45度角斜支于有小孔的石槔网上。小心加热，待内容物全部炭化，泡沫完全停止后，加强火力，并保持瓶内液体微沸，至液体呈蓝绿色澄清透明后，再继续加热0.5h。取下放冷，小心加20mL水。放冷后，移100mL容量瓶中，并用少量水洗定氮瓶，洗液并入容量瓶中，再加水至刻度，混匀备用。取与处理样品相同量的硫酸铜、硫酸钾、硫酸按同一方法做试剂空白试验。 向接收瓶内加入10mL20g/L硼酸溶液及混合指示液2滴，并使冷凝管的下端插入液面下，吸取10mL样品消化稀释液由小玻杯流入反应室，并以10mL水洗涤小烧杯使流入反应室内，塞紧小玻杯的棒状玻塞。将10mL40氢氧化钠溶液倒入小玻杯，提起玻塞使其缓缓流入反应室，立即将玻塞盖紧，并加水于小玻杯以防漏气。夹紧螺旋夹，开始蒸馏。蒸气通入反应室使氨通过冷凝管而进入接收瓶内，蒸馏5min。移动接受瓶，使冷凝管下端离开液面，再蒸馏1min。然后用少量水冲洗冷凝管下端外部。取下接收瓶，以0.05molL盐酸标准溶液滴定至灰色或蓝紫色为终点。同时吸取10mL试剂空白消化液做空白试验。按公式进行计算：X（%）=100%式中 X样品中蛋白质的含量，； V1祥品消耗硫酸或盐酸标准液的体积，mL； V2实际空白消耗硫酸或盐酸标准液的体积，mL； 盐酸标准溶液的浓度，mol/L； 0.01401 mol/L硫酸或盐酸标准溶液lmL相当于氮的克数； m样品质量，g； F氮换算为蛋白质的系数，一般取6.25。（3）脱乙酰度的测定称取0.2g壳聚糖, 溶解于30ml 标准0. 1mol /L盐酸溶液中,（用磁力搅拌器持续搅拌使其充分溶解)。加入2滴0.1%甲基橙指示剂。然后用标准0. 1mol /L 氢氧化钠溶液滴定至终点(红色橙色）。另取一份样品，置于105烘干箱至恒重，测定水分。每个样品各测定3次取平均值。氨基含量：NH2 % = 100 %脱乙酰度： (D. D. ) =100 %式中C1盐酸标准溶液的浓度,mol /L； C2氢氧化钠标准溶液的浓度, mol /L； V1加入的盐酸标准溶液的休积ml； V2滴定耗用的氢氧化钠标准溶液的体积ml； G样品重g； W样品的水分%； 0.016 与1ml 的1mol /L 盐酸溶液相当的氨基量， g； 0.0094壳聚糖中的理论氨基含量。（4）灰分的测定将瓷坩埚用20的HCl溶液煮沸10 min，洗净。放到马弗炉中600下灼烧至恒重，准确称取待测样品12g于坩埚中，在马弗炉内300灼烧2h。使其完全炭化。再升温至600保持2h，冷却至200以下，取出置于干燥器中，冷却0.5h，称重，置于马弗炉中600灼烧1 h，如此反复，直至恒重。计算样品中的灰分含量。X=(m2-m3)/(m1-m3)100式中 X为样品的灰分含量； m1为坩埚与样品的总质量； m2为坩埚与灰分的总质量； m3为灼烧至恒重时的坩埚质量。（5） 矿物质脱除率的测定分别称取HCl溶液处理前后蟹壳粉的干重，计算矿物质脱除率。矿物质脱除率=(m0-m)/m0l00%式中m0为原料蟹壳粉的质量； m为HCl溶液处理后蟹壳粉的质量。（6） 水分含量的测定准确称取待测样品12g，然后置于105干燥箱中干燥3h，然后取出样品称重，计算样品的水分含量。水分含量=(m0-m)/m0l00%式中 m0为样品干燥前的重量； m为干燥后的重量 。2.3.3溶液的配制（1） 不同浓度氢氧化钠溶液配制：X%烧碱溶液：称取XgNaOH粉末于100ml烧杯中，加蒸馏水溶解，然后于100ml容量瓶中摇匀并定容至100ml。（2）0.1%甲基橙指示剂的配制：准确称取0.1g甲基橙溶于100ml蒸馏水中摇匀即可（pH=3.2-3.4）。（3）0.1mol/LEDTA溶液的配制：称取37.224gEDTA，加入蒸馏水溶解，于1000ml容量瓶中定容至1000ml。（4） 不同浓度（%）盐酸溶液配制：根据表2-4中已知浓盐酸的浓度和密度和所需配制溶液的密度，利用公式1V1c1=2V2c2，配制成不同浓度的盐酸溶液。表2-4 不同浓度盐酸溶液的密度对照表浓度%温度-50102040608010012468101214161820222426