主题:【资料】CNS_20.018_甲壳素(又名几丁质)

浏览 |回复0 电梯直达
enhua
结帖率:
100%
关注:0 |粉丝:0
新手级: 新兵

食品添加剂 甲壳素

林夷畅



1 概述

甲壳素又称几丁质、甲壳质或壳多糖,英文名是chitin。甲壳素在1811年被Braconnot首次从蘑菇中分离出来。

1.%2 结构

甲壳素是以(β1→4)糖苷键连接的由N-乙酰-D-葡萄糖胺残基组成的匀质多糖,是一种天然生物高分子。分子式为(C8H13NO5)n,其中n是聚合度,范围是1000~3000。

2.%2 相关化合物

甲壳素的结构与纤维素非常相似,它们仅有的差异是在C-2位用乙酰氨基替换羟基。几丁质形成类似于纤维素的长纤维。纤维素和甲壳素的功能也非常相似,在生物体中都是主要起结构支持作用,但纤维素存在于植物中,甲壳素主要存在于节肢动物和菌类中。甲壳素和纤维素一样不能被脊椎动物所降解。纤维素是自然界中最丰富的糖类,甲壳素是仅次于纤维素的第二丰富的多糖类。

壳聚糖(chitosan),又称脱乙酰甲壳素、可溶性甲壳素,是甲壳素的脱乙酰化产物。由于现存的技术尚不能将甲壳素完全脱去乙酰基变成100%的壳聚糖,也很难将两者完全分离开,故现有壳聚糖商品通常是甲壳素与壳聚糖的混合物,但要求壳聚糖含量在60%以上,作为功能性食品基料的壳聚糖要求壳聚糖含量在85%以上。

甲壳素衍生物是甲壳素或壳聚糖经化学修饰而获得的产品。甲壳素和壳聚糖含有羟基和氨基,因此,通过多种化学反应可以实现其结构的化学修饰。壳聚糖衍生物克服了壳聚糖仅溶于酸,易降解,在有机溶剂中易沉淀,物理与化学稳定性差的弱点,从而大大拓展了甲壳素的应用领域。化学改性的方法[1]包括主链水解、酰化反应、烷基化反应、羧基化反应、硅烷化反应、接枝共聚反应、酯化反应、壳聚糖季铵盐反应、与金属形成壳聚糖金属配合物等。

1.3 理化性质

甲壳素是白色或微黄色无定形半透明固体,无臭、无味,化学性质稳定,不溶于水、乙醇、乙醚、盐类和稀酸、稀碱,能溶于醋酸、乳酸、柠檬酸、麸酸、无水甲酸和浓无机酸,与浓烧碱溶液作用,形成玻璃状胶体的壳聚糖。在浓酸或浓碱中发生水解而成α-氨基葡萄糖。

经脱乙酰基后形成的壳聚糖,虽然也不溶于水、碱溶液和有机溶剂中,但可溶于稀酸溶液中,包括无机稀酸(盐酸、硝酸等)和有机稀酸(醋酸、乳酸、甲酸、抗坏血酸、苹果酸等)中,这就是壳聚糖被称为可溶性甲壳素的原因。

1.4 在自然界的分布

甲壳素是自然界仅次于纤维素的第二丰富的多糖,是将近一百万种节肢动物,如昆虫、虾类、螃蟹外壳的主要成分,虾壳约含15%~30%,蟹壳约含15%~20%。甲壳动物的外壳,如虾壳、蟹壳都由两部分组成,其表面是薄而透明的角质层,主要成份是钙,内部则是较厚的甲壳素层。甲壳素也是菌类,如蘑菇、灵芝、酵母、地衣等的细胞壁的组成部分。鱿鱼、乌鱼的骨骼都含有甲壳素。绿藻、水母及乌贼体内也含有。据估计,生物圈中始终存在着至少100亿吨的甲壳素,每年的生物合成量超过10亿吨,是一种巨大的可再生资源。

3 甲壳素的生产

甲壳素是从各种动物或菌类的废弃物,主要是甲壳动物的外壳(虾壳、蟹壳等)中提取制得,促进了对资源的综合利用。甲壳素的制备方法主要有酸碱法、酶解法、发酵法等。

3.1 酸碱法

酸碱法也称为化学法,主要步骤是:先用酸除去甲壳中的钙以及其他无机盐,再用碱除去蛋白质。所用的酸主要包括HCl、HNO3、H2SO3、CH3COOH、HCOOH和柠檬酸等, 其HCl的使用最为普遍; 所用的碱主要为NaOH等。酸碱法所用的原料包括虾壳、蟹壳、南极磷虾虾壳[2]、小龙虾(克氏原螯虾)[3]壳、白星花金龟[4]、鲤鱼鱼鳞[5]、蝉蜕[6]、尖尾东鳖甲[7]、黄粉虫虫粕[8]等。酸碱法的缺点是需要强酸和强碱。下面详细描述一种典型的工艺:

首先,将虾、蟹壳中的肉质剔去,洗净,烘干,粉碎。然后将其浸泡在盐酸中,一般要几天,直至不冒气泡为止,过滤,水洗至中性,此时甲壳中的钙等无机盐被除去,而呈柔软状。再用氢氧化钠溶液浸泡数小时,水洗,以除去蛋白质。酸、碱处理可重复1~2次,彻底除去碳酸钙、磷酸盐等无机盐、蛋白质、色素、角质层和脂肪等杂质。然后用1%的KMnO4溶液浸泡经碱煮后的软甲壳,通过氧化作用除去甲壳上的有机色素。水洗后,再浸入1%的亚硫酸氢钠溶液10分钟,除去残留的高锰酸钾,然后加入少量盐酸,使溶液呈酸性,继续浸泡20分钟,以除去附在甲壳上的二氧化锰,此时甲壳应呈白色,即得不溶性甲壳素,充分水洗,干燥,即得纯净的甲壳质。

也可将甲壳粉碎后先用2%稀碱液煮解蛋白质约1.5小时并过滤,再在不溶物中加5%~10%盐酸使碳酸钙变成氯化钙而溶解除去,再离心分离、水洗、干燥而成。已有报道用此法从蚕蛹[9]和黑皱鳃金龟[10]中提取甲壳素。

3.2 酶解法

酶解法采用生物酶对原料进行处理。所用的酶包括碱性蛋白酶、胰蛋白酶、水解酶、脂肪酶、酯酶等。

3.3 发酵法

发酵法是利用一些细菌和真菌发酵体产生的有机酸或蛋白酶来去除蛋白质和钙盐,从而制取甲壳素。所用的微生物包括乳酸菌、芽孢杆菌以及其他菌类,也可以使用混合菌。

2.4 其他生产方法

生产甲壳素的其他方法有EDTA法,离子液体提取法,热甘油预处理法等。也可以联合使用两种生产方法。此外,有些酿造工业的副产物也是甲壳素的原料。例如使用黑曲霉发酵生产柠檬酸的残液,以及使用鲁毛霉、布拉克须霉和卵孢接霉发酵的发酵液中都能提供一定量的脱乙酰甲壳质。

2.5 甲壳素转化为壳聚糖

产生的甲壳素可进一步用于制取壳聚糖。在很多工艺流程中,甲壳素就地转化为壳聚糖。将甲壳素置于高压皂化锅内,加入40%~60%氢氧化钠溶液进行蒸煮,温度为100~180℃,压力0.5~1 MPa,时间8~12 h,脱乙酰度可达70%~90%。皂化反应完成后,沥干碱液,水洗至中性,烘干,即可得壳聚糖。

通过超声协同甲壳素脱乙酰基酶脱去乙酰基,再过滤、水洗、烘干得到壳聚糖,壳聚糖脱乙

酰度高达91.09%,相对得率81.87%[11]。

3 甲壳素的应用

甲壳素以及甲壳素制造的产品,因其独特的物理、化学性质,具有防潮、耐晒、防霉、耐腐蚀等优良特性,用途十分广泛。

3.1 防腐作用

甲壳素作为食品添加剂,具有防腐作用。醋酸、乳酸、柠檬酸、麸酸等常在工业制程中用以溶解甲壳素,其溶解度与酸浓度呈正比。以醋酸为例,10 g/L甲壳素需溶于1%醋酸中。一旦溶解,即可以进一步以水稀释。甲壳素的脱乙酰度影响其成膜的能力。较高脱乙酰度者,水溶液干燥后较易形成膜。用于肉或肉制品表面成膜,即有防腐作用。也可用甲壳素溶液浸泡食品,可降低生菌数,并增加商品寿命,达到防腐的效果。其制作过程需使用黏度低、脱乙酰度高的甲壳素。但亦有工艺说明,如以浸泡方式操作,其甲壳素的浓度应尽量提高,以便于浸泡后的剂量能有足够的防菌及保湿能力。但因浓度过高时黏度亦提高,故必须以特殊方式降低黏度,不使其凝聚成膜。

日本丸大火腿是用甲壳素防腐的一个实例,其制作过程中添加甲壳素约200 mg/kg,可抑制不良霉菌的滋长。日本朝日化学、Asama Chemical以及其下游厂商,均以甲壳素为保鲜剂提供酱菜,以利降低盐分的使用。

3.2 食品添加剂

甲壳素作为食品添加剂,除了防腐作用,也可作为增稠剂、稳定剂,具有防变色和除涩的功能。用于果汁、果酒、果酱、乳酸菌饮料、氢化植物油、其他油脂或油脂制品、冷冻饮品、花生酱、蛋黄酱、沙拉酱、冰淇淋、植脂性粉末、食醋、啤酒和麦芽饮料等。

甲壳素和脱乙酰甲壳素可以作为果汁澄清剂。由于果汁溶液多半呈弱酸性,壳聚糖分子上存在游离的氨基带正电,能够和酸、多酚类的物质进行反应,进而对胶态颗粒絮凝沉淀,达到澄清果汁的效果,并且不会影响营养成分和风味。目前大多用酶法或过滤法来澄清果汁,成本高且周期长,使用甲壳素和壳聚糖具有操作方便、成本低的优点。

3.3 在医疗方面的应用

甲壳素无毒,并具有生物相容性,在医疗方面有广泛的应用。甲壳素有一定协助溶菌作用,还能作为血液抗凝剂,创伤愈合剂等。脱乙酰甲壳素可调节机体免疫功能、抑制胃溃疡,还通过阻断膳食脂肪和胆固醇的吸收而降低胆固醇,降低血脂、血糖、血压。甲壳质的水解产物氨基葡萄糖盐用于治疗肠炎、结肠溃疡和肺炎。应用甲壳素或氨基葡萄糖作为某些肿瘤的化疗剂,效果很好。硫酸葡萄糖胺,是一种能缓解关节疼痛、支持关节运动、起到润滑作用的药物。

甲壳素可作为药剂辅料、医用缝合线等。其中作为辅料可用作缓释剂、润滑剂、包衣剂。通过直接压片、湿法制粒或包衣可制备相应药物的微粒剂、片剂、胶囊剂、微膜剂等。也可用于制作药物载体。可制成透析膜、超滤膜和反渗透膜;与纤维等交链复合体可作成分子筛。与戊二醛等作交联剂,可与许多酶或微生物细胞固定化,如固定化天冬酰胺酶。甲壳素可用于制作手术缝合线、人造皮肤、人造血管、人工肾、伤口敷料、止血海绵、接触眼镜等,使用效果良好。

3.4 重要的化工原料

甲壳素是制取壳聚糖、氨基葡萄糖系列产品的重要原料。这一系列产品在医药、化工、保健食品等方面具有十分广泛的用途。甲壳素可用作制人造纤维和塑料等的原料。

3.5 环境保护

甲壳素与其衍生物对多种金属,特别是一些会造成严重环境污染的有害金属,如汞、镉、铜、镍、铬等都有很好的螯合能力,所以在净水、污水处理等方面很有前途。可作为絮凝剂,用于废水处理。

也可以用来净化放射性污染,因为许多放射性污染的造成系属于放射性的过渡族元素的衍生物,可以使用甲壳素移除。

3.6 纺织业

可用于纺织品的防皱和防缩处理;直接染料或硫化染料的固色;其他织物的整理剂。甲壳素可以制成高聚物型的染料。

3.7 化妆品工业

甲壳素可作为阳离子增稠剂,其溶液呈无色半透明黏稠液,失水后能形成薄膜,用于皮肤、头发,均可形成薄膜,具有护肤、护发、定型的功能,因此可以配制膏霜、面膜、摩丝、发胶等产品。甲壳素和抗氧化成分的结合具有清除自由基的作用,可用于防止太阳辐射对光老化和皱纹的有害影响。

壳聚糖是亲水胶体,可以与蛋白质等相互作用形成保护膜,从而起到保湿的作用。能够在头发表面形成一层覆盖膜,不易沾染灰尘,是一种理想的固发原料。

8.%2 农业

甲壳素及壳聚糖通过提高植物根、茎、叶的生长速率,从而使得农作物的产量和品质得到很好的改善。壳聚糖针对植物的氮代谢具有独特的调节功能这一特性,从而增加了低含量的蛋白作物提高储存蛋白含量的作用。甲壳素及壳聚糖中丰富的C和N元素,使得当其被微生物分解利用后可以用它来作为植物生长的养分,这不仅使得土壤中的微生物体系得到了改善,还可以抑制放线菌等病原菌的生长,也可以加快有益微生物的生长。

3.9 其他方面的应用

甲壳素还有许多其他方面的应用。例如,几丁质可用于几丁质酶的分析,要求纯化后才能使用作为几丁质酶的底物。可用作色谱载体。甲壳素对锆、铌、铷等都是有效的收集剂,可增大矿石的利用程度。在造纸工业中,甲壳素可用作施胶剂、助留剂和增强剂。甲壳素在照相技术中也有应用,可制备照相感光乳剂,一种无液定影与显影的照相法即是采用耐磨且具有感光能力的甲壳素。甲壳素还可用于涂料印花的固着,木材的胶合以及防雨篷布的上浆等。

4 甲壳素的限量

目前,规定甲壳素作为食品添加剂的限量标准的现行国标是GB 2760—2014。其CNS号为20.018。这个国家标准规定了9类食品中甲壳素作为食品添加剂的最大使用量,如下表所示。

食品分类号食品名称最大使用量/(g/kg)备注
02.01.01.02氢化植物油2.0 
02.05其他油脂或油脂制品(仅限植脂末)2.0 
03.0冷冻饮品(03.04食用冰除外)2.0 
04.01.02.05果酱5.0 
04.05.02.04坚果与籽类的泥(酱),包括花生酱等2.0 
12.031.0 
12.10.02.01蛋黄酱、沙拉酱2.0 
14.03.01.03乳酸菌饮料2.5固体饮料按稀释倍 数增加使用量
15.03.05啤酒和麦芽饮料0.4 


虽然国家标准已经规定了几种食品中甲壳素的限量,但是,目前,国标(GB 5009系列)尚未规定食品中甲壳素的测定方法。

5 对食品添加剂甲壳素的要求

现行国标GB 1886.312-2020对作为食品添加剂的甲壳素提出了若干要求。该标准适用于以虾壳、蟹壳、鲎壳、鱿鱼骨、乌鱼骨等为主要原料,经脱钙、脱蛋白等工艺加工制得的食品添加剂甲壳素。

5.1 感官要求

感官要求应符合下表的规定。

项目要求检验方法
色泽白色至浅黄色或浅红色

取适量试样置于清洁、干燥的白瓷盘内,在自然光线下观察其色泽和组织状态,嗅其气味
状态片状或粉末状
气味具有本身固有特征气味、无异味
杂质无正常视力可见的外来杂质


5.2 理化指标

理化指标应符合下表的规定。

项目指标检验方法
水分,w/%                      10.0GB 5009.3第一法 直接干燥法
pH(10 g/L水溶液)6.5~8.5GB/T 9724a
总灰分,w/%                    1.0GB 5009.4
铅(Pb)/(mg/kg)                   2.0GB 5009.12或GB 5009.75
总砷(以As计)/(mg/kg)           1.0GB 5009.11或GB 5009.76
镉(Cd)/(mg/kg)                   1.0GB 5009.15
重金属(以Pb计)/(mg/kg)         10GB 5009.74


a磁力搅拌1h。


5.3 鉴别试验

试验所用到的试剂和材料需按照该标准进行配制。

称取1.0 g试样,精确至0.01 g,加入200 mL水,混合,试样应不溶解。

称取1.0 g试样,精确至0.01 g,加入200 mL 1%乙酸溶液,混合,试样应不溶解。

称取0.2 g试样,精确至0.01 g,加入5 mL 0.2%蒽酮硫酸溶液和1 mL水,水浴加热,试样溶液应呈蓝色至绿色。

称取1.0 g试样,精确至0.01 g,加入10 mL盐酸,置于90 ℃~100 ℃水浴中放置4 h,过滤,滤液用氢氧化钠溶液中和,作为试样溶液。吸取1 mL试样溶液,加入1 mL茚三酮溶液,加热,溶液应呈紫红色。

参考文献

1. 戴鹏, 郑金路, 刘炳荣, 王甘英, 刘峰. 甲壳素与壳聚糖的化学改性及应用. 高分子通报, 2020, (07), 1-17.

2. 韩银双, 张忭忭, 刘志东, 刘宝林, 林娜. 南极磷虾甲壳素研究进展. 食品安全质量检测学报, 2021, 12(03), 866-872.

3. 徐文思, 李柏花, 张梦媛, 杨祺福, 杨品红, 周顺祥. 小龙虾及其副产物加工利用研究进展. 农产品加工, 2021, (01), 60-63+68.

4. 李小万, 王萍莉. 从白星花金龟中提取甲壳素的工艺研究. 世界中医药, 2018, 13(08), 2027-2031.

5. 高倩倩. 鲤鱼鱼鳞中甲壳素的提取. 食品研究与开发, 2018, 39(04), 84-90.

6. 杨佳红, 靳玲侠, 张继林, 李琛. 利用蝉蜕提取甲壳素的工艺研究. 化工设计通讯, 2016, 42(06), 80-81.

7. 张建英, 贾龙, 张大治, 喜巧红. 从尖尾东鳖甲中提取甲壳素的研究. 食品研究与开发, 2016, 37(09), 66-71.

8. 高素红, 吉志新, 宋士涛, 温晓蕾, 暴瑞欣, 王熙. 黄粉虫虫粕中甲壳素的提取工艺. 河北科技师范学院学报, 2016, 30(02), 48-54.

9. 蒋艳忠, 蒋琳. 蚕蛹甲壳素的提取工艺研究. 中国食品添加剂, 2015, (03), 88-91.

10. 张建英, 贾龙, 杨贵军, 石晓莉. 黑皱鳃金龟甲壳素提取工艺研究. 环境昆虫学报, 2015, 37(04), 818-826.

11. 窦勇, 胡佩红. 超声协同CDA酶法制备龙虾壳聚糖. 食品与发酵工业, 2014, 40(11), 127-131.
为您推荐