殼聚糖的性質(zhì)、制備、測定及飼用

1蝦蟹殼及貝類的主要成分甲殼素是通過水脫乙?；a(chǎn)的產(chǎn)物。甲殼素是一種類似于纖維的生物聚合物。它們是許多低等動(dòng)物，尤其是昆蟲、甲殼類動(dòng)物和其他種類的外殼材料，主要以無產(chǎn)階級（主要是碳酸鹽）和有機(jī)質(zhì)的結(jié)合形式存在。其中尤以蝦蟹殼中的含量最高,因此通常以蝦蟹殼為原料生產(chǎn)殼聚糖。我國的蝦、蟹及貝類產(chǎn)量極大,食用后剩下大量甲殼廢棄物,即可作為生產(chǎn)甲殼素、殼聚糖的原料,又可避免污染環(huán)境。殼聚糖具有無毒、無害,安全可靠,易于生物降解,不污染環(huán)境等特點(diǎn),在生物工程、酶和細(xì)胞的固定化、生化藥物的分離精制、紡織、印染、造紙、廢水處理、食品以及化妝品行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但在飼料方面的應(yīng)用研究不多,因此本文就殼聚糖的性質(zhì)、制備、測定及飼用等方面予以綜述。2殼聚糖的溶解殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素、可溶性甲殼素、聚氨基葡萄糖,化學(xué)名稱是聚(1,4-苷)-2-氨基-β-D-葡萄糖。殼聚糖的外觀是白色或淡黃色半透明片狀固體,略有珍珠光澤?？扇苡诖蠖鄶?shù)稀酸,如鹽酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等酸溶液中,這是殼聚糖最主要、最有用的性質(zhì)之一。殼聚糖不溶于水及堿溶液中,也不溶于硫酸和磷酸。因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)選擇合適的酸使其溶解。殼聚糖在密閉干燥容器中保存,在常溫下3年內(nèi)不變質(zhì);吸濕或遇水引起分解反應(yīng);溫度升高會(huì)加速分解反應(yīng);在干燥狀態(tài)下,高溫也會(huì)引起分解反應(yīng),但分解速度緩慢。在100℃的鹽酸溶液中完全水解為胺基葡糖,而在比較溫和的條件下則水解為胺基葡糖、殼二糖、殼三糖等低分子量多糖。殼聚糖的主要質(zhì)量指標(biāo)是粘度,目前國內(nèi)外根據(jù)產(chǎn)品粘度不同分為3大類:(1)高粘度殼聚糖:1%殼聚糖溶于1%醋酸水溶液中,粘度大于1000厘泊;(2)中等粘度殼聚糖:1%殼聚糖溶于1%醋酸水溶液中,粘度在100～200厘泊;(3)低粘度殼聚糖:2%殼聚糖溶于2%醋酸水溶液中,粘度為20～50厘泊,不同粘度的產(chǎn)品有不同的用途。3甲殼素脫乙酰反應(yīng)的制備甲殼素是類似纖維素的生物聚合物,是許多低等動(dòng)物,特別是節(jié)肢類動(dòng)物(如昆蟲、甲殼類動(dòng)物等)外殼的主要成分,主要以無機(jī)鹽(主要是碳酸鈣)及蛋白質(zhì)結(jié)合形式存在。但其中尤以蝦蟹殼中的含量最高,分別在蝦殼中約含20%～25%,在蟹殼中含17%～18%。將蝦或蟹殼在常溫下用稀鹽酸脫鈣,再用熱的稀堿除去蛋白質(zhì),剩下的不溶物就是甲殼素。將甲殼素用濃堿加熱處理,脫去乙?；偷玫綒ぞ厶?。由蝦、蟹殼制取甲殼素、殼聚糖的簡要流程如下:將蝦、蟹殼洗凈干燥后,以5%稀鹽酸于室溫浸泡2h,除去原料中的碳酸鈣,然后過濾水洗至中性,再置于10%的NaOH溶液中煮沸2h脫蛋白,過濾水洗至中性,干燥即得甲殼素。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)℃的烘箱中保溫17h,然后過濾,水洗至中性,干燥即得殼聚糖。為加快脫乙酰反應(yīng),可進(jìn)行間斷性水洗。殼聚糖的主要質(zhì)量指標(biāo)是粘度及胺基含量,在制備殼聚糖過程中,用稀鹽酸分解蝦蟹殼無機(jī)鹽的同時(shí),殼聚糖的主鏈也會(huì)發(fā)生不同程度的水解作用,因此在分解無機(jī)鹽的過程中鹽酸的濃度、處理時(shí)間及溫度對殼聚糖制品的粘度、胺基含量均有影響。殼聚糖的粘度通常隨著鹽酸濃度的增加、反應(yīng)時(shí)間的延長而降低。因此為了獲得較高粘度及胺基含量的殼聚糖制品,通常控制鹽酸濃度為5%～10%,溫度控制在25℃左右,盡量縮短反應(yīng)時(shí)間。甲殼素脫乙酰基反應(yīng)通常在100～180℃、40%～60%的氫氧化鈉溶液中進(jìn)行。試驗(yàn)認(rèn)為,當(dāng)氫氧化鈉濃度低于30%時(shí),無論反應(yīng)溫度多高、反應(yīng)時(shí)間多長,乙?；摮室仓辉?0%左右。而當(dāng)氫氧化鈉濃度一定時(shí),脫乙?；磻?yīng)速度隨著溫度的升高而加快,例如當(dāng)氫氧化鈉濃度為50%時(shí),反應(yīng)溫度為140℃,20min乙?；摮试?5%左右,而在25℃時(shí)則需24h左右。甲殼素在熱濃堿作用下,主要反應(yīng)是乙酰胺水解脫除乙?；?同時(shí)也發(fā)生主鏈的水解降解副反應(yīng),因此必須嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間。4殼聚糖自由氨基結(jié)合酸含量的測定方法殼聚糖的脫乙酰度是殼聚糖分子中脫除乙?；奶菤埢鶖?shù)占?xì)ぞ厶欠肿又锌偟奶菤埢鶖?shù)的百分?jǐn)?shù),也就是殼聚糖分子鏈上自由氨基的含量,是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)之一。殼聚糖脫乙酰度的高低,直接關(guān)系到它在稀酸中的溶解能力、粘度、離子交換能力、絮凝性能和與氨基有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)能力,以及許多方面的應(yīng)用。例如,醫(yī)藥食品級的殼聚糖脫乙?；取?5%,工業(yè)級的脫乙?；?gt;75%。測定的方法很多,如酸堿滴定法、苦味酸法、膠體滴定法、銀量滴定法、電位滴定法等。本文只介紹最簡單的酸堿滴定法,該法不需特殊的儀器,且重復(fù)性好,特別適合于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控。酸堿滴定法的原理,是殼聚糖的自由氨基呈堿性,可與酸定量地發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),形成殼聚糖的膠體溶液;溶液中游離的H+用堿反滴定,這樣從用于溶解殼聚糖的酸量與滴定用去的堿量之差,即可推算出殼聚糖自由氨基結(jié)合酸的量,從而計(jì)算出殼聚糖中自由氨基的含量。準(zhǔn)確稱取0.3～0.5g殼聚糖樣品放入250ml錐形瓶中(帶塞),加入0.1mol/lHCl標(biāo)準(zhǔn)溶液30ml,在20～25℃攪拌至溶解完全(可加適量蒸餾水稀釋),加入2～3滴甲基橙,用0.1mol/lNaOH標(biāo)準(zhǔn)液滴定游離的HCl,記下NaOH的用量,根據(jù)HCl和NaOH的量即可算出樣品的脫乙酰度。5甲殼素、殼聚糖的應(yīng)用甲殼素是19世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的,直到20世紀(jì)70年代,在提倡資源再利用的形式下,才逐漸被人們所重視,20世紀(jì)80年代以來,國外對甲殼素的研究發(fā)展迅速,發(fā)現(xiàn)甲殼素在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、食品等方面均有廣闊的應(yīng)用前景,但甲殼素、殼聚糖作為飼料添加劑方面的研究不多,國內(nèi)的研究更少。5.1殼聚糖對脂肪的作用肉雞85%以上的體脂作為能源貯存于脂肪組織(如腹部脂肪、皮下脂肪、肌間脂肪等),血液內(nèi)的脂肪和其它具有生理功能的脂肪最多占體重2.5%(Lcenstva,1986)。皮下脂肪在雞肉加工中要被剔除,因此,皮下脂肪和腹部脂肪的沉積都是浪費(fèi)。而脂肪是高能量物,因此肉雞大量沉積脂肪會(huì)導(dǎo)致飼料成本上升。殼聚糖能降低試驗(yàn)動(dòng)物血脂和膽固醇(sugano等,1980),由于其成分中的聚葡糖胺鏈帶有4價(jià)銨離子,因此具有較高的陰離子交換性能,而能粘合膽汁酸,阻止膽汁酸循環(huán),降低脂肪吸收,從而減少體脂的沉積量。殼聚糖能降低動(dòng)物血脂和膽固醇,使保健品的生產(chǎn)成為可能。在日糧中添加甲殼素對脂肪表觀吸收率、血脂濃度或腹脂量沒有影響,但是添加殼聚糖減少了腹脂吸收率和腹脂量(Shigeki,kobayshi等,1995)。補(bǔ)飼殼聚糖可使飼喂高脂肪日糧而導(dǎo)致的血漿甘油三酯濃度降低。因此在肉雞日糧中添加殼聚糖可以控制脂肪沉積量,且不降低飼料利用率。5.2稀土甲殼素在魚體內(nèi)的應(yīng)用美國學(xué)者研究表明,小雞吃含有干乳清加甲殼素的飼料比吃不加甲殼素的飼料增重明顯。日本人發(fā)現(xiàn),殼聚糖與其衍生物可被小雞和牛消化;母雞連續(xù)1周吃含10%鱗蝦殼的飼料后,其產(chǎn)蛋率比前周高8.8%;類似地,蠶吃含1%的甲殼素衍生物的飼料后,能提高產(chǎn)繭量5%,而對蠶無任何不良影響。小林直樹等(2001)在乳豬飼料中添加2%殼聚糖,斷奶后發(fā)現(xiàn)小豬不易得病而且生長良好。胡品虎、梁雙林(1994)報(bào)道,用添加1.5%的稀土甲殼素鰻魚飼料飼喂僵鰻,8d后僵鰻活動(dòng)能力明顯增強(qiáng),食欲增加,20d后體色好轉(zhuǎn)。待僵鰻復(fù)蘇后連續(xù)使用稀土甲殼素,其日增長率與正常鰻基本相似,比對照池普遍提高3.25～4.60倍;正常鰻魚攝食稀土甲殼素后,其生長速度明顯提高,并且攝食稀土甲殼素的鰻魚體色有光澤、魚體表面的粘液較清晰,而對照池鰻魚則缺少光澤,體表粘液混濁,且有3%左右病鰻;稀土甲殼素還能有效降低飼料系數(shù),僵鰻和正常鰻的飼料系數(shù)降低69.28%和26.47%。顧振權(quán)(1991)、宋錦昌(1992)在稀土甲殼素對生長肉豬的效應(yīng)研究中表明,在基礎(chǔ)飼料一致的情況下添加稀土甲殼素劑量為0.2%、0.3%、0.5%和1%,試驗(yàn)組與對照組比較可提高日增重5.35%～10.17%,可節(jié)省飼料3%～14.37%,其中以添加0.5%為佳。5.3雙歧桿菌的缺乏長期以來乳制品工業(yè)產(chǎn)生大量乳清,得不到很好的利用,浪費(fèi)了大量的優(yōu)質(zhì)乳蛋白,其原因是乳清中含有大量乳糖。干乳清中含有13%的蛋白質(zhì),1%脂肪,8%的以鈣和磷為主的礦物質(zhì),70%乳糖。雙歧桿菌是動(dòng)物腸道的正常菌群,雙歧因子是促進(jìn)雙歧桿菌生長的一大類化合物,雙歧因子的缺乏,將造成腸道內(nèi)雙歧桿菌的嚴(yán)重缺損,而乳糖的代謝主要靠雙歧桿菌。因此,腸道內(nèi)雙歧桿菌的缺乏,則會(huì)造成乳糖的不吸收。李繼珩(1985)研究發(fā)現(xiàn),甲殼素?cái)z入體內(nèi)后可作為雙歧因子的前體發(fā)揮作用。Austin(1981)發(fā)現(xiàn)甲殼素可提高雞對高乳糖干酪乳清的消化率。5.4殼聚糖的降解用殼聚糖等包被蛋氨酸、賴氨酸等飼料添加劑,能選擇性地在反芻動(dòng)物的胃和腸中釋放活性物質(zhì)。殼聚糖具有不溶于水和堿性溶液,而在酸性溶液中膨脹吸水作用,所以,利用殼聚糖這一特性在脂肪酸鈣包被氨基酸的被膜里添加,能達(dá)到pH值6.7左右的瘤胃里不分解,pH值2.4左右的真胃里釋放的目的并有效解決脂肪酸鈣過保護(hù)問題。丸山廣美(1983)在包被氨基酸時(shí)加3%殼聚糖,試驗(yàn)組產(chǎn)品在瘤胃中降解30.1%～31.9%,真胃中降解92.4%～95.2%,而不加殼聚糖組在瘤胃中降解21.8%～22.3%,真胃中降解8.6%～9.5%。在日本專利S61—028351和H07—236430都有類似應(yīng)用。5.5抑菌、殺菌及微生物活性殼聚糖不溶于水,具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力,而且也是魚、蝦、蟹等水產(chǎn)動(dòng)物生長的養(yǎng)分。陳子濤等(1998)用稀土元素和低分子量殼聚糖配合成一種粘合劑,用于粘合蝦餌料,試驗(yàn)表明這種粘合劑能在餌料表面形成一層保護(hù)膜,不但延長水化時(shí)間,保護(hù)餌料成分,不污染水質(zhì),防止霉變,且可提高水產(chǎn)動(dòng)物的產(chǎn)量。殼聚糖具有較強(qiáng)的抑菌、殺菌能力。張燕婉等(1991)對殼聚糖的抗微生物活性作了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:在pH=5.5,濃度為0.5%時(shí),殼聚糖對體外培養(yǎng)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌有明顯的抑制作用,且抑菌的作用隨著殼聚糖分子量的降低而逐漸增強(qiáng),尤以分子量為1500左右的低殼聚糖的抗菌效果最好。通過比較試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)游離氨基酸的存在是殼聚糖具有抗菌、抑菌作用的基礎(chǔ)。鈴木茂(1995)用醋酸加4g的液體涂抹于奶牛乳房炎患處,得到了很好的療效。高橋明徳等(1998)也把殼聚糖試用于奶牛乳房炎的治療。6甲殼素及殼聚糖隨著人們對健康問題的日趨重視以及