CN109535455A - 一种从海产品制备甲壳素膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种从海产品制备甲壳素膜的方法，该方法包括步骤：（1）将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入柠檬酸溶液，室温下超声反应，清洗沥干；（2）加入碱性浸泡液并且在超声下反应；（3）加入酸性浸泡液并且在超声下反应；（4）挤去水分并且烘干，进一步粉碎，随后投入到溶解液中搅拌均匀，并且进行冷冻‑解冻；（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且凝胶化，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。本发明的方法制备得到的甲壳素膜具有较高的机械性能，在多个领域具有很高的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医药领域，具体提供了一种从海产品制备甲壳素膜的方法。
背景技术
甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子，但它的直接利用存在很多问题。主要是它不溶于一般溶剂，因此要通过浓碱条件下脱乙酰化转变为壳聚糖才能应用。因此目前开发和生产甲壳素类材料，主要是以壳聚糖为原料进行的。壳聚糖是通过将甲壳素脱乙酰化处理得到从而大大增加了工业化成本。这样不仅工艺繁杂，成本高而且浓碱会引起环境污染。开发直接溶解甲壳素的溶剂，从而制备材料的新工艺是具有重要的战略意义和经济利益。另外，甲壳素具有良好的生物相容性，可降解性，因此是制备医用材料的良好候选者。由于甲壳素可与重金属离子发生螯合作用，基于甲壳素的材料在废水处理方面也将具有广阔的应用前景。但其在大多数溶剂中难以溶胀和溶解。一直以来，开发高效、低成本、无污染的“绿色”甲壳素新溶剂都是甲壳素研发和利用的瓶颈。制备具有较高拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率的甲壳素膜，成为业界普遍关心的问题。该甲壳素膜可以应用于酶和催化剂载体、柔性电子器件、食品包装和生物医用材料等领域。这种简单、绿色的方法有效地提高了海洋生物质废弃物的利用率，是一种高效利用海洋生物质资源的可持续途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种从海产品制备甲壳素膜的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：所述的方法包括步骤：
（1）将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为15-25%的柠檬酸溶液，室温下超声反应10-20分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（2）在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入2-4倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1-2小时，所述的碱性浸泡液包含1.5-2.5 mol/L的NaOH和5-12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（3）在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1-2小时，所述的酸性浸泡液包含0.8-1.2mol/L的HCl，0.15-0.20mol/L的氯化锰和5-12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（4）将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到30-60目，随后投入到20-40倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-15~-25摄氏度下冷冻10-16小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含4-6%的NaOH，6-8%的尿素，0.5-1.0%的硼酸钠；
（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在25-35摄氏度下凝胶化1-4小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
在本发明优选的方面，在步骤1中，将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为20%的柠檬酸溶液，室温下超声反应15分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
在本发明优选的方面，在步骤2中，在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入3倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的碱性浸泡液包含2.0 mol/L的NaOH和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
在本发明优选的方面，在步骤3中，在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的酸性浸泡液包含1.0mol/L的HCl，0.17mol/L的氯化锰和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
在本发明优选的方面，在步骤4中，将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到50目，随后投入到30倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-18摄氏度下冷冻12小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含5%的NaOH，7.5%的尿素，0.75%的硼酸钠。
在本发明优选的方面，在步骤5中，将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在30摄氏度下凝胶化2小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
在本发明优选的方面，在步骤4中，在冷冻-解冻步骤之后，还包括1-2个额外的相同的冷冻-解冻的步骤。
本发明的方法制备得到的甲壳素膜具有较高的机械性能，在多个领域具有很高的应用前景。
具体实施方式
实施例1
在本实施例中，一种从海产品制备甲壳素膜的方法，该方法包括以下的步骤：
（1）将10千克新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为20%的柠檬酸溶液，室温下超声反应15分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（2）在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入3倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的碱性浸泡液包含2.0 mol/L的NaOH和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（3）在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的酸性浸泡液包含1.0mol/L的HCl，0.17mol/L的氯化锰和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（4）将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到50目，随后投入到30倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-18摄氏度下冷冻12小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含5%的NaOH，7.5%的尿素，0.75%的硼酸钠；
（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在30摄氏度下凝胶化2小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
实施例2
在本实施例中，一种从海产品制备甲壳素膜的方法，该方法包括以下的步骤：
（1）将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为25%的柠檬酸溶液，室温下超声反应10分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（2）在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入4倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1小时，所述的碱性浸泡液包含2.5 mol/L的NaOH和5%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（3）在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应2小时，所述的酸性浸泡液包含0.8mol/L的HCl，0.20mol/L的氯化锰和12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（4）将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到30目，随后投入到20倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-25摄氏度下冷冻10小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含4%的NaOH， 8%的尿素，0.5%的硼酸钠；
（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在35摄氏度下凝胶化1小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
实施例3
在本实施例中，一种从海产品制备甲壳素膜的方法，该方法包括以下的步骤：
（1）将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为15%的柠檬酸溶液，室温下超声反应20分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（2）在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入2倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应2小时，所述的碱性浸泡液包含1.5 mol/L的NaOH和12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（3）在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1小时，所述的酸性浸泡液包含1.2mol/L的HCl，0.15mol/L的氯化锰和5%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（4）将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到60目，随后投入到40倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-15摄氏度下冷冻16小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含6%的NaOH，6%的尿素， 1.0%的硼酸钠；
（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在25摄氏度下凝胶化4小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
实施例4
在本实施例中，和实施例1的区别在于：在步骤4中，在冷冻-解冻步骤之后，还包括1个额外的相同的冷冻-解冻的步骤。
实施例5
在本实施例中，和实施例1的区别在于：在步骤4中，在冷冻-解冻步骤之后，还包括2个额外的相同的冷冻-解冻的步骤。
对比例1
按照CN 101864082 A的实施例1所描述的方法来制备了甲壳素膜。
对比例2
按照CN 101864082 A的实施例4所描述的方法来制备了甲壳素膜。
对比例3
按照Advanced Functional Materials杂志的第27卷26期题为“Extremely Strongand Transparent Chitin Films: A High‐Efficiency, Energy‐Saving, and “Green”Route Using an Aqueous KOH/Urea Solution”的论文中所描述的最优方法，制备了甲壳素膜。该甲壳素膜对应于论文摘要所指出的“拉伸强度、杨氏模量和断裂功分别达到226MPa、7.2GPa和20MJm-3”的试验结果。
实施例1-5和对比例1-3的甲壳素膜的各项性能的对比试验
按照Advanced Functional Materials杂志的第27卷26期题为“Extremely Strongand Transparent Chitin Films: A High‐Efficiency, Energy‐Saving, and “Green”Route Using an Aqueous KOH/Urea Solution”的论文中所描述的方法，测量了其拉伸强度、杨氏模量，并且按照GB/T3923.1-1997的方法来测量了其断裂伸长率。以上数据显示在表1中：
表1：实施例1-5和对比例1-3的甲壳素膜的各项性能参数
| 组号 | 拉伸强度MPa | 杨氏模量GPa | 断裂伸长率% |
| 实施例1 | 144 | 4.5 | 21.5 |
| 实施例2 | 137 | 4.1 | 20.9 |
| 实施例3 | 131 | 3.8 | 22.4 |
| 实施例4 | 199 | 5.2 | 27.5 |
| 实施例5 | 215 | 5.4 | 33.0 |
| 对比例1 | 92 | 3.2 | 8.2 |
| 对比例2 | 74 | 2.8 | 28.5 |
| 对比例3 | 203 | 6.6 | 9.4 |
需要指出的是，对比例2中的断裂伸长率在重复试验中均没有达到文献报道的水平，而对比例3的各项机械参数都没有达到文献所标称的数值。但是以上数值均基本在同一数量级。
从表1中可以看到，通过增加重复冷冻融化的次数，使得甲壳素膜的强度有所提升。并且通过实施例1-5的方法可以得到断裂伸长率、杨氏模量和拉伸强度均很高的甲壳素膜。
Claims (7)
1.一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：所述的方法包括步骤：
（1）将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为15-25%的柠檬酸溶液，室温下超声反应10-20分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（2）在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入2-4倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1-2小时，所述的碱性浸泡液包含1.5-2.5 mol/L的NaOH和5-12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（3）在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1-2小时，所述的酸性浸泡液包含0.8-1.2mol/L的HCl，0.15-0.20mol/L的氯化锰和5-12%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分；
（4）将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到30-60目，随后投入到20-40倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-15~-25摄氏度下冷冻10-16小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含4-6%的NaOH，6-8%的尿素，0.5-1.0%的硼酸钠；
（5）将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在25-35摄氏度下凝胶化1-4小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
2.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤1中，将新鲜的虾壳或蟹壳清洗干净后粉碎，加入浓度为20%的柠檬酸溶液，室温下超声反应15分钟，随后过滤并且使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
3.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤2中，在步骤1得到的虾壳或蟹壳粉末中加入3倍重量的碱性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的碱性浸泡液包含2.0 mol/L的NaOH和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
4.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤3中，在步骤2中得到的虾壳或蟹壳粉末中加入酸性浸泡液，并且在超声下反应1.5小时，所述的酸性浸泡液包含1.0mol/L的HCl，0.17mol/L的氯化锰和8%的乙醇，其余为水，随后使用清水将虾壳或蟹壳粉末清洗到中性，并且沥干水分。
5.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤4中，将步骤3得到的产物挤去水分并且烘干，进一步粉碎到50目，随后投入到30倍重量的溶解液中搅拌均匀并且在-18摄氏度下冷冻12小时，取出解冻得到甲壳素溶液，所述的溶解液按重量计包含5%的NaOH，7.5%的尿素，0.75%的硼酸钠。
6.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤5中，将步骤4得到的甲壳素溶液流延，并且在30摄氏度下凝胶化2小时，使用蒸馏水清洗直到清洗液为中性，干燥之后得到甲壳素膜。
7.根据权利要求1所述的一种从海产品制备甲壳素膜的方法，其特征在于：在步骤4中，在冷冻-解冻步骤之后，还包括1-2个额外的相同的冷冻-解冻的步骤。
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| WO2010141470A3 (en) * | 2009-06-01 | 2011-03-24 | The Board Of Trustees Of The University Of Alabama | Process for forming films, fibers, and beads from chitinous biomass |
| CN102964467A (zh) * | 2011-09-01 | 2013-03-13 | 湛江师范学院 | 一种制备甲壳素的新工艺 |
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