壳聚糖的性质、制备、测定及饲用

壳聚糖的性质、制备、测定及饲用

1虾蟹壳及贝类的主要成分甲壳素是通过水脱乙酰基生产的产物。甲壳素是一种类似于纤维的生物聚合物。它们是许多低等动物，尤其是昆虫、甲壳类动物和其他种类的外壳材料，主要以无产阶级（主要是碳酸盐）和有机质的结合形式存在。其中尤以虾蟹壳中的含量最高,因此通常以虾蟹壳为原料生产壳聚糖。我国的虾、蟹及贝类产量极大,食用后剩下大量甲壳废弃物,即可作为生产甲壳素、壳聚糖的原料,又可避免污染环境。壳聚糖具有无毒、无害,安全可靠,易于生物降解,不污染环境等特点,在生物工程、酶和细胞的固定化、生化药物的分离精制、纺织、印染、造纸、废水处理、食品以及化妆品行业中都得到了广泛的应用。但在饲料方面的应用研究不多,因此本文就壳聚糖的性质、制备、测定及饲用等方面予以综述。2壳聚糖的溶解壳聚糖又称脱乙酰甲壳素、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖,化学名称是聚(1,4-苷)-2-氨基-β-D-葡萄糖。壳聚糖的外观是白色或淡黄色半透明片状固体,略有珍珠光泽。可溶于大多数稀酸,如盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等酸溶液中,这是壳聚糖最主要、最有用的性质之一。壳聚糖不溶于水及碱溶液中,也不溶于硫酸和磷酸。因此在应用时应选择合适的酸使其溶解。壳聚糖在密闭干燥容器中保存,在常温下3年内不变质;吸湿或遇水引起分解反应;温度升高会加速分解反应;在干燥状态下,高温也会引起分解反应,但分解速度缓慢。在100℃的盐酸溶液中完全水解为胺基葡糖,而在比较温和的条件下则水解为胺基葡糖、壳二糖、壳三糖等低分子量多糖。壳聚糖的主要质量指标是粘度,目前国内外根据产品粘度不同分为3大类:(1)高粘度壳聚糖:1%壳聚糖溶于1%醋酸水溶液中,粘度大于1000厘泊;(2)中等粘度壳聚糖:1%壳聚糖溶于1%醋酸水溶液中,粘度在100～200厘泊;(3)低粘度壳聚糖:2%壳聚糖溶于2%醋酸水溶液中,粘度为20～50厘泊,不同粘度的产品有不同的用途。3甲壳素脱乙酰反应的制备甲壳素是类似纤维素的生物聚合物,是许多低等动物,特别是节肢类动物(如昆虫、甲壳类动物等)外壳的主要成分,主要以无机盐(主要是碳酸钙)及蛋白质结合形式存在。但其中尤以虾蟹壳中的含量最高,分别在虾壳中约含20%～25%,在蟹壳中含17%～18%。将虾或蟹壳在常温下用稀盐酸脱钙,再用热的稀碱除去蛋白质,剩下的不溶物就是甲壳素。将甲壳素用浓碱加热处理,脱去乙酰基就得到壳聚糖。由虾、蟹壳制取甲壳素、壳聚糖的简要流程如下:将虾、蟹壳洗净干燥后,以5%稀盐酸于室温浸泡2h,除去原料中的碳酸钙,然后过滤水洗至中性,再置于10%的NaOH溶液中煮沸2h脱蛋白,过滤水洗至中性,干燥即得甲壳素。而后置于45%～50%NaOH溶液中,在100～110℃水解4h或用40%NaOH溶液,于(84±1)℃的烘箱中保温17h,然后过滤,水洗至中性,干燥即得壳聚糖。为加快脱乙酰反应,可进行间断性水洗。壳聚糖的主要质量指标是粘度及胺基含量,在制备壳聚糖过程中,用稀盐酸分解虾蟹壳无机盐的同时,壳聚糖的主链也会发生不同程度的水解作用,因此在分解无机盐的过程中盐酸的浓度、处理时间及温度对壳聚糖制品的粘度、胺基含量均有影响。壳聚糖的粘度通常随着盐酸浓度的增加、反应时间的延长而降低。因此为了获得较高粘度及胺基含量的壳聚糖制品,通常控制盐酸浓度为5%～10%,温度控制在25℃左右,尽量缩短反应时间。甲壳素脱乙酰基反应通常在100～180℃、40%～60%的氢氧化钠溶液中进行。试验认为,当氢氧化钠浓度低于30%时,无论反应温度多高、反应时间多长,乙酰基脱除率也只在50%左右。而当氢氧化钠浓度一定时,脱乙酰化反应速度随着温度的升高而加快,例如当氢氧化钠浓度为50%时,反应温度为140℃,20min乙酰基脱除率在85%左右,而在25℃时则需24h左右。甲壳素在热浓碱作用下,主要反应是乙酰胺水解脱除乙酰基,同时也发生主链的水解降解副反应,因此必须严格控制反应时间。4壳聚糖自由氨基结合酸含量的测定方法壳聚糖的脱乙酰度是壳聚糖分子中脱除乙酰基的糖残基数占壳聚糖分子中总的糖残基数的百分数,也就是壳聚糖分子链上自由氨基的含量,是一项重要的技术指标之一。壳聚糖脱乙酰度的高低,直接关系到它在稀酸中的溶解能力、粘度、离子交换能力、絮凝性能和与氨基有关的化学反应能力,以及许多方面的应用。例如,医药食品级的壳聚糖脱乙酰基度≥85%,工业级的脱乙酰基度>75%。测定的方法很多,如酸碱滴定法、苦味酸法、胶体滴定法、银量滴定法、电位滴定法等。本文只介绍最简单的酸碱滴定法,该法不需特殊的仪器,且重复性好,特别适合于生产过程中的质量监控。酸碱滴定法的原理,是壳聚糖的自由氨基呈碱性,可与酸定量地发生质子化反应,形成壳聚糖的胶体溶液;溶液中游离的H+用碱反滴定,这样从用于溶解壳聚糖的酸量与滴定用去的碱量之差,即可推算出壳聚糖自由氨基结合酸的量,从而计算出壳聚糖中自由氨基的含量。准确称取0.3～0.5g壳聚糖样品放入250ml锥形瓶中(带塞),加入0.1mol/lHCl标准溶液30ml,在20～25℃搅拌至溶解完全(可加适量蒸馏水稀释),加入2～3滴甲基橙,用0.1mol/lNaOH标准液滴定游离的HCl,记下NaOH的用量,根据HCl和NaOH的量即可算出样品的脱乙酰度。5甲壳素、壳聚糖的应用甲壳素是19世纪初发现的,直到20世纪70年代,在提倡资源再利用的形式下,才逐渐被人们所重视,20世纪80年代以来,国外对甲壳素的研究发展迅速,发现甲壳素在医药、化工、环保、食品等方面均有广阔的应用前景,但甲壳素、壳聚糖作为饲料添加剂方面的研究不多,国内的研究更少。5.1壳聚糖对脂肪的作用肉鸡85%以上的体脂作为能源贮存于脂肪组织(如腹部脂肪、皮下脂肪、肌间脂肪等),血液内的脂肪和其它具有生理功能的脂肪最多占体重2.5%(Lcenstva,1986)。皮下脂肪在鸡肉加工中要被剔除,因此,皮下脂肪和腹部脂肪的沉积都是浪费。而脂肪是高能量物,因此肉鸡大量沉积脂肪会导致饲料成本上升。壳聚糖能降低试验动物血脂和胆固醇(sugano等,1980),由于其成分中的聚葡糖胺链带有4价铵离子,因此具有较高的阴离子交换性能,而能粘合胆汁酸,阻止胆汁酸循环,降低脂肪吸收,从而减少体脂的沉积量。壳聚糖能降低动物血脂和胆固醇,使保健品的生产成为可能。在日粮中添加甲壳素对脂肪表观吸收率、血脂浓度或腹脂量没有影响,但是添加壳聚糖减少了腹脂吸收率和腹脂量(Shigeki,kobayshi等,1995)。补饲壳聚糖可使饲喂高脂肪日粮而导致的血浆甘油三酯浓度降低。因此在肉鸡日粮中添加壳聚糖可以控制脂肪沉积量,且不降低饲料利用率。5.2稀土甲壳素在鱼体内的应用美国学者研究表明,小鸡吃含有干乳清加甲壳素的饲料比吃不加甲壳素的饲料增重明显。日本人发现,壳聚糖与其衍生物可被小鸡和牛消化;母鸡连续1周吃含10%鳞虾壳的饲料后,其产蛋率比前周高8.8%;类似地,蚕吃含1%的甲壳素衍生物的饲料后,能提高产茧量5%,而对蚕无任何不良影响。小林直树等(2001)在乳猪饲料中添加2%壳聚糖,断奶后发现小猪不易得病而且生长良好。胡品虎、梁双林(1994)报道,用添加1.5%的稀土甲壳素鳗鱼饲料饲喂僵鳗,8d后僵鳗活动能力明显增强,食欲增加,20d后体色好转。待僵鳗复苏后连续使用稀土甲壳素,其日增长率与正常鳗基本相似,比对照池普遍提高3.25～4.60倍;正常鳗鱼摄食稀土甲壳素后,其生长速度明显提高,并且摄食稀土甲壳素的鳗鱼体色有光泽、鱼体表面的粘液较清晰,而对照池鳗鱼则缺少光泽,体表粘液混浊,且有3%左右病鳗;稀土甲壳素还能有效降低饲料系数,僵鳗和正常鳗的饲料系数降低69.28%和26.47%。顾振权(1991)、宋锦昌(1992)在稀土甲壳素对生长肉猪的效应研究中表明,在基础饲料一致的情况下添加稀土甲壳素剂量为0.2%、0.3%、0.5%和1%,试验组与对照组比较可提高日增重5.35%～10.17%,可节省饲料3%～14.37%,其中以添加0.5%为佳。5.3双歧杆菌的缺乏长期以来乳制品工业产生大量乳清,得不到很好的利用,浪费了大量的优质乳蛋白,其原因是乳清中含有大量乳糖。干乳清中含有13%的蛋白质,1%脂肪,8%的以钙和磷为主的矿物质,70%乳糖。双歧杆菌是动物肠道的正常菌群,双歧因子是促进双歧杆菌生长的一大类化合物,双歧因子的缺乏,将造成肠道内双歧杆菌的严重缺损,而乳糖的代谢主要靠双歧杆菌。因此,肠道内双歧杆菌的缺乏,则会造成乳糖的不吸收。李继珩(1985)研究发现,甲壳素摄入体内后可作为双歧因子的前体发挥作用。Austin(1981)发现甲壳素可提高鸡对高乳糖干酪乳清的消化率。5.4壳聚糖的降解用壳聚糖等包被蛋氨酸、赖氨酸等饲料添加剂,能选择性地在反刍动物的胃和肠中释放活性物质。壳聚糖具有不溶于水和碱性溶液,而在酸性溶液中膨胀吸水作用,所以,利用壳聚糖这一特性在脂肪酸钙包被氨基酸的被膜里添加,能达到pH值6.7左右的瘤胃里不分解,pH值2.4左右的真胃里释放的目的并有效解决脂肪酸钙过保护问题。丸山广美(1983)在包被氨基酸时加3%壳聚糖,试验组产品在瘤胃中降解30.1%～31.9%,真胃中降解92.4%～95.2%,而不加壳聚糖组在瘤胃中降解21.8%～22.3%,真胃中降解8.6%～9.5%。在日本专利S61—028351和H07—236430都有类似应用。5.5抑菌、杀菌及微生物活性壳聚糖不溶于水,具有较强的粘结能力,而且也是鱼、虾、蟹等水产动物生长的养分。陈子涛等(1998)用稀土元素和低分子量壳聚糖配合成一种粘合剂,用于粘合虾饵料,试验表明这种粘合剂能在饵料表面形成一层保护膜,不但延长水化时间,保护饵料成分,不污染水质,防止霉变,且可提高水产动物的产量。壳聚糖具有较强的抑菌、杀菌能力。张燕婉等(1991)对壳聚糖的抗微生物活性作了研究,试验结果表明:在pH=5.5,浓度为0.5%时,壳聚糖对体外培养金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有明显的抑制作用,且抑菌的作用随着壳聚糖分子量的降低而逐渐增强,尤以分子量为1500左右的低壳聚糖的抗菌效果最好。通过比较试验,发现游离氨基酸的存在是壳聚糖具有抗菌、抑菌作用的基础。铃木茂(1995)用醋酸加4g的液体涂抹于奶牛乳房炎患处,得到了很好的疗效。高桥明徳等(1998)也把壳聚糖试用于奶牛乳房炎的治疗。6甲壳素及壳聚糖随着人们对健康问题的日趋重视以及