全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (4) : 561～565
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0420561205
三种昆虫甲壳素提取与分析 3
郭宝华 1, 2 , 何　钊 2 , 冯　颖 2 , 陈晓鸣 233
(1.国际竹藤网络中心 ,北京　100102; 2.中国林业科学研究院资源昆虫研究所 ,国家林业局
资源昆虫培育与利用重点实验室 ,云南 昆明　650224)
摘要 :以含氮量和灰分含量为指标 ,采用酸碱法对蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中甲壳素的提取方法进行了比较研
究 ,确定了三种昆虫最佳提取甲壳素的方法 :从蝉蜕中提取甲壳素方法为 80 ℃下与 NaOH (6% )反应 1 h脱蛋白、再
在常温下与 HCl(0. 2 mol·L - 1 )反应 20 m in,脱除无机盐 ;从中华稻蝗中提取甲壳素的方法为 80 ℃下与 NaOH
(7% )反应 1 h脱蛋白 ,再在常温下与 HCl(0. 3 mol·L - 1 )反应 10 m in,脱除无机盐 ;从喙尾琵琶甲中提取甲壳素的
方法为 80 ℃下与 NaOH (7% )反应 5 h脱蛋白 ,再在常温下与 HCl(0. 2 mol·L - 1 )反应 10 m in,脱除无机盐 ;红外光
谱与 X -射线衍生分析表征的结果表明 ,三种昆虫中提取的甲壳素与标样一致。
关键词 :蝉蜕 ;中华稻蝗 ;喙尾琵琶甲 ;甲壳素
中图分类号 : S865. 4 文献标识码 : A
收稿日期 : 2008201215
基金项目 : “十一五”科技支撑计划重点项目“物产资源高效利用关键技术研究与示范”项目 (2006BAD06B07)、国家林业局引进国外先
进农业技术项目“资源昆虫体内活性物质诱导及提取技术引进”(20064116)的部分研究内容
作者简介 : 郭宝华 (1978—) ,男 ,河北保定人 ,硕士 ,主要从事资源昆虫利用等研究及科研管理方面的工作.3 红外光谱及 X射线衍射分析由云南大学分析测试中心完成 ,特此感谢 !3 3 通讯作者.
Study on Extraction of Ch itin from Three In sects
GUO B ao2hua1, 2 , HE Zhao2 , FENG Ying2 , CHEN X iao2m ing2
(1. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing　100102, China; 2. Research Institute of Resources Insects, CAF;
Key Laboratory of Cultivating and U tilization of Resource Insects of State Forestry Adm inistration, Kunm ing　650224, Yunnan, China)
Abstract: The extraction conditions of chitin from Periostracum Cicadae, O xya ch inensis ( Thunberg) , B laps
rynchopetera Fairmaire were op tim ized by acid—alkali method laying a strong emphasis on the effects of NaOH and
HCl on the removal of p rotein and inorganic salt. The conditions of extractions of chitin from Periostracum Cicadae
were: (1) Removing p rotein: p rocessed the samp le with the solution of 6% NaOH, 80 ℃, keep ing for 1 hour; (2)
Removing inorganic salt: put the samp le in the solution of 0. 2 mol·L - 1 HCl, keep ing for 20 m in at room
temperature. Extractions from O. ch inensis were (1) Removing p rotein: 7% NaOH, 80 ℃, keep ing for 1 hours; (2)
Removing inorganic salt: put the samp le in the solution of 0. 3 mol·L - 1 HCl, keep ing for 10 m in at room
temperature. Extractions from B. rynchopetera were (1) 7% NaOH, 80 ℃, keep ing for 5 h; (2) 0. 2 mol·L - 1
HCl, keep ing for 10 m in at room temperature. The structures of chitin extracting from the three insectswere the same
as standards according to the IR and X2ray diffraction spectra.
Key W ords: Periostracum cicadae; O xya ch inensis; B laps rynchopetera; Chitin
　　甲壳素 (Chitin)又名几丁质、甲壳质等 ,化学名
为β2(1, 4) 222乙酰氨基 222脱氧 2D葡聚糖 [ 1 ] ,其广泛 存在于节肢动物门甲壳纲动物的虾、蟹的甲壳 ,昆虫纲 (如鞘翅目、双翅目翅膀等 )的甲壳 ,真菌类低等
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
植物如酵母、霉菌菌丝细胞和藻类细胞及高等植物
(如蘑菇 )的细胞壁中 [ 2 ]。甲壳素及其衍生物具有
良好的吸湿性、成膜性、气透性、降解性、生物相容
性、无毒副作用以及不污染环境等诸多优良性能 ,在
环保、纺织工业、医药保健、农业、食品和化妆品等方
面得到广泛应用 [ 2 - 5 ]。目前工业化生产甲壳素的原
料主要来源于水产品虾和蟹壳 ,来源相对单一 ,因此
开发新的甲壳素资源具有重要意义。
昆虫体壁中含有丰富的甲壳素 ,是潜在的甲壳
素来源 [ 6 ]。近年来 ,国内外开展了针对昆虫甲壳素
提取的研究工作 ,例如对蝇蛆 (M usca dom estica L in2
naeus)和云南松毛虫 (D endrolim us hou i Lajonquiere)
等几种昆虫的甲壳素提取进行了深入研究 [ 7 - 15 ]。
本文针对目前国内外在昆虫甲壳素研究开发领域的
现状及发展趋势 ,以蝉蜕、中华稻蝗、喙尾琵琶甲为
原料 ,进行甲壳素提取的研究 ,分析比较三种不同目
昆虫甲壳素的得率和质量 ,以期为研究和开发昆虫
甲壳素提供技术和理论依据。
1　材料与方法
1. 1　材料
材料 :蝉蜕为蚱蝉 (C ryptotym pana a tra ta Fabrici2
us)若虫羽化时脱落的皮壳 ,购自云南省昆明市菊花
村中药材市场 ;中华稻蝗 (O xya ch inensis Thunberg)
成虫、喙尾琵琶甲 (B laps rynchopetera Fairmaire)成
虫 ,购自云南省昆明市景星花鸟市场 ;甲壳素标样
(来源于虾 )购自 Sigma公司。
仪器 : PE公司 paragon 1 000型红外光谱仪 ,日
本理学 D /MAX - 3B型 X -衍射仪。
试验所用试剂均为分析纯。
1. 2　实验方法
1. 2. 1　甲壳素提取 　采用碱酸法提取甲壳素 ,主要
利用碱溶液脱除原料中的蛋白质 ,酸溶液脱除无机
盐及其它物质。
1. 2. 1. 1　蛋白质脱除 　以蝉蜕、中华稻蝗及喙尾琵
琶甲为原料 ,加入 NaOH溶液进行脱蛋白实验 ,反应
结束后 ,水洗至中性 ,干燥后采用凯氏定氮法测定氮
含量 ,根据样品中的氮含量来衡量原料中蛋白质脱
除的程度。
(1) NaOH浓度对脱除蛋白质的影响 　反应温
度 : 80 ℃;反应时间 : 2 h;液固比 : 8 mL·g- 1 ;蝉蜕脱
蛋白的 NaOH浓度 : 2%、4%、6%、8%、10% ;中华稻
蝗的 NaOH浓度 : 3%、5%、7%、9%、12% ;喙尾琵琶
甲的 NaOH浓度 : 3%、5%、7%、9%、11%。
(2)反应温度对脱蛋白的影响 　反应时间 : 2 h;
液固比 : 8 mL·g- 1 ; NaOH浓度 : 7% ;反应温度为 :
50、60、70、80、90 ℃
(3)反应时间对脱蛋白的影响 　NaOH浓度为
7% ;反应温度 80 ℃;液固比 : 8 mL·g- 1 ;蝉蜕、中华
稻蝗的反应时间为 : 1、2、3、4、5 h;喙尾琵琶甲的反
应时间为 : 1、2、3、5、7 h。
1. 2. 1. 2　无机盐脱除 　脱除蛋白质后的干燥样品
中加入一定浓度的 HCl,搅拌反应一段时间后 ,水洗
至中性 ,干燥后采用灼烧法测定灰分含量 ,根据灰分
含量衡量无机盐脱除的程度。
(1) HCl浓度对无机盐脱除的影响 　反应温度 :
常温 ;反应时间 : 20 m in;液固比为 15 mL·g- 1 ;与蝉
蜕、喙尾琵琶甲反应脱除无机盐的 HCl浓度为 0. 2、
0. 5、1. 0、1. 5、2. 0 mol·L - 1 ;中华稻蝗的 HCl浓度
为 0. 3、0. 6、1. 0、1. 5、2. 0 mol·L - 1。
(2)反应时间对无机盐脱除的影响 　反应温
度 :常温 ;液固比为 15 mL·g- 1 ; HCl浓度 : 1 mol·
L - 1 ;蝉蜕、中华稻蝗反应时间 : 10、30、50、70、90
m in;喙尾琵琶甲反应时间 : 10、20、40、60、80 m in。
1. 2. 1. 3　甲壳素提取与分析 　根据上述实验结果 ,
分析不同反应条件对蛋白质和无机盐脱除的影响 ,
进行实验条件的优化 ,根据优化的实验方法对蝉蜕、
中华稻蝗及喙尾琵琶甲进行甲壳素的提取 ,对最后
的甲壳素样品测定灰分、氮含量 ,计算收率。
　　收率 =甲壳素样品质量 (g) /昆虫原料 (g) ×100%
1. 2. 2　结构表征 　采用红外光谱和 X - 射线衍射
进行甲壳素结构表征 ,测定结果与甲壳素标样进行
比对。
2　结果与分析
2. 1　蛋白质脱除
2. 1. 1 　NaOH 浓度对蛋白质脱除的影响 　不同
NaOH浓度对三种昆虫脱蛋白质影响的实验结果见
图 1。由图 1可知 :随着 NaOH浓度的增加 ,氮含量
逐渐降低 ,起始降低幅度较大 ,后逐步趋缓。这主要
是由于原料中蛋白脱除的过程是蛋白质的酰胺键
(肽键 )在碱的作用下发生水解 ,生成可溶于水的氨
基酸过程。随着 NaOH浓度的升高 ,蛋白质水解速
度加快 ,当 NaOH浓度升高到一定程度 ,水解速度增
加变缓 ,再增加 NaOH的浓度对加快蛋白质的水解
速度影响不大 ,蛋白质脱除后的样品中氮含量降低
265
第 4期 郭宝华等 :三种昆虫甲壳素提取与分析
图 1　NaOH浓度与样品中氮含量的关系
的也不明显 ,而且 NaOH浓度的增加 ,对甲壳素品质
不利的影响也会增加 [ 2 ]。
由此脱除蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中的蛋
白质时 ,综合考虑提取成本和甲壳素品质 , NaOH浓
度分别选择 6%、7%、7%较为合适。
2. 1. 2　反应温度对脱除蛋白质的影响 　反应温度
对脱蛋白影响的结果见图 2。由图 2可知 :反应温度
低于 80 ℃时 ,样品中氮含量随反应温度的升高而逐
渐降低 ,高于 80 ℃时 ,样品中氮含量降低的就不明
显。温度对碱水解蛋白质有较大的影响 ,一般来说 ,
反应温度越高 ,蛋白质碱水解的速度越快 ,但当温度
升高到一定值时 ,蛋白质水解的增加速度开始趋缓 ,
样品中氮含量降低的速度不明显 ,说明在此温度下 ,
蛋白质的碱水解反应趋于平衡 ,继续升温对蛋白质
的碱水解反应影响不大 ,相反 ,如果温度过高 ,还会
引起甲壳素的降解 [ 2 ]。
图 2　反应温度与样品中氮含量的关系
考虑到能耗和甲壳素品质 ,脱除蝉蜕、中华稻蝗
和喙尾琵琶甲中的蛋白质时 ,反应温度选择 80 ℃
为宜。
2. 1. 3　反应时间对脱除蛋白质的影响 　反应时间
对蛋白质脱除影响的实验结果见图 3。由图 3可知 :
随着反应时间的延长 ,三种昆虫样品中的氮均有所
下降 ,但蝉蜕与中华稻蝗样品中氮含量下降幅度较
小 ,而琵琶甲在 1～5 h内下降幅度较大 ,而后变缓。
一般来说 ,反应时间越长 ,蛋白质水解的越彻底 ,但
水解速度逐渐减慢 ,当反应时间延长到某一时刻以
后 ,蛋白质的水解反应接近于平衡 ,样品中的氮含量
降低的也不明显。
图 3　反应时间与氮含量的关系
由此脱除蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中的蛋
白质时 ,反应时间分别选择 1、1、5 h为宜。
2. 2　无机盐脱除
昆虫体壁中含有的无机盐主要是碳酸钙 ,用稀
盐酸浸泡脱除蛋白质后的样品时 ,样品中的碳酸钙
等无机盐转化成相应的盐酸盐而溶于水 ,通过洗涤 ,
将其除去。无机盐脱除的彻底与否 ,主要以所提取
甲壳素的残留灰分含量作为评价指标 ,残留灰分含
量越低 ,说明无机盐脱除的越彻底 ,相反 ,残留灰分
含量越高 ,无机盐脱除的越不彻底。
2. 2. 1　HCl浓度对脱除无机盐的影响 　HCl浓度
对无机盐脱除的实验结果见图 4。由图 4可知 :随着
盐酸浓度升高 ,甲壳素残留的灰分含量基本不变。
理论上盐酸的浓度越高 ,无机盐脱除的越彻底 ;但由
于脱蛋白后的样品中无机盐含量比较低 ,低浓度的
盐酸即可使无机盐的脱除反应达到平衡 ;此外由于
有部分无机盐处于甲壳素的胶状分子团结构之中 ,
HCl难以渗透到里面 ,致使 HCl不能彻底的脱除无
机盐。
图 4　HCl浓度与灰分含量的关系
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
由于低浓度的盐酸即可将残留的灰分含量小于
1% (食品级甲壳素标准 ) [ 2 ] , HCl浓度过高 ,对脱除
无机盐效果并不明显 ,而且还会促进甲壳素分子的
降解 ,因此 ,脱除蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中的
无机盐时 , HCl浓度分别选择 0. 2、0. 3、0. 2 mol·
L - 1为宜。
2. 2. 2　反应时间对脱除无机盐的影响 　反应时间
对无机盐脱除影响的实验结果见图 5。由图 5可知 :
蝉蜕样品中的灰分含量起始下降较快 , 20 m in后变
化较小 ;而中华稻蝗与喙尾琵琶甲样品的灰分含量
整体上略有下降 ,变化较小。一般来说 ,随着反应时
间的延长 ,甲壳素残留的灰分含量呈下降趋势 ,但当
反应时间达到某一时刻后 ,下降趋势就不明显了。
由此脱除蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中的无机盐
时 ,反应时间选择 20、10、10 m in即可快速脱除样品
图 5　反应时间与灰分含量的关系
中的无机盐。
2. 2. 3　甲壳素提取与分析 　根据上述实验结果 ,优
化提取方法 ,对蝉蜕、喙尾琵琶甲和中华稻蝗进行甲
壳素提取 ,并分析提取样品的灰分、氮含量 ,计算甲
壳素收率 ,结果见表 1。
表 1　甲壳素的质量分析
甲壳素类别 提取条件 灰分 /% 氮含量 /% 甲壳素收率 /%
蝉蜕 80 ℃下与 6%NaOH反应 1 h、再在常温下与 0. 2 mol·L - 1 HCl反应 20 m in 0. 68 5. 95 36. 23
中华稻蝗 80 ℃下与 7%NaOH反应 1 h,再在常温下与 0. 3 mol·L - 1 HCl反应 10 m in 0. 28 5. 79 9. 72
喙尾琵琶甲 80 ℃下与 7%NaOH反应 5 h,再在常温下与 0. 2 mol·L - 1 HCl反应 10 m in 0. 15 5. 54 22. 56
　　灰分含量是甲壳素很重要的一个质量指标 [ 2 ] ,
通过测定 ,蝉蜕、中华稻蝗、喙尾琵琶甲原料的灰分
含量分别为 3. 74%、4. 38%和 4. 05% ,脱除蛋白质
和无机盐后 ,所得甲壳素中灰分含量分别为 0. 68%、
0. 28%和 0. 15% ,均低于 1% (表 1)。所提取甲壳
素的各项指标均已达到食品级甲壳素的标准 [ 2 ]。
2. 3　结构表征
2. 3. 1　红外光谱结构表征 　所提取的三种昆虫甲
壳素和甲壳素标样进行红外光谱分析 ,根据谱图对
照分析 ,均有相同的特征峰 :
(1) 3 400 cm - 1 ,是 O2H伸缩振动吸收峰 ; ( 2)
3 270 cm - 1 ,是 N2H 伸缩振动吸收峰 ; ( 3 ) 2 960～
2 879 cm - 1的 3个吸收峰 ,是 C2H伸缩振动吸收峰 ;
(4)分别在 1 657、1 557、1 315 cm - 1的吸收峰 ,分别
是酰胺 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ谱带 ,这 3个吸收峰是甲壳素的特
征吸收峰 ; ( 5) 1 030～1 157 cm - 1之间的 4个吸收
峰 ,是 C2O伸缩振动吸收峰 ; (6) 897 cm - 1是环伸缩
振动吸收峰。
由此可见 ,蝉蜕甲壳素、中华稻蝗甲壳素和喙尾
琵琶甲甲壳素和标样的红外光谱基本相同。
2. 3. 2　 X - 衍射结构表征 　所提取的三种昆虫甲
壳素的 X -衍射图谱和标样甲壳素的 X - 衍射图谱
相似。甲壳素标样在 2θ= 9. 28°和 2θ= 19. 11°处有
衍射峰 ,三种昆虫甲壳素在 2θ= 9. 04°～9. 25°和 2θ
= 19. 05°～19. 21°之间也有明显的甲壳素的结晶特
征峰 ,是一种晶体化合物。
从蝉蜕、中华稻蝗和喙尾琵琶甲中所提取甲壳
素的红外光谱、X - 射线衍射图谱和甲壳素标样的
红外光谱、X -射线衍射图谱基本相同 ,所提取的三
种昆虫甲壳素与标样化学结构基本一致 ,属于同一
种物质。
3　结论与讨论
根据实验结果确定从蝉蜕、中华稻蝗及喙尾琵
琶甲中提取甲壳素的方法分别为 :蝉蜕 80 ℃, 6%
NaOH反应 1 h脱蛋白 ,常温 0. 2 mol·L - 1 HCl反应
20 m in脱无机盐 ;中华稻蝗 80 ℃7% NaOH反应 1 h
脱蛋白 ,常温 0. 3 mol·L - 1 HCl反应 10 m in脱无机
盐 ;喙尾琵琶甲 80 ℃7%NaOH反应 5 h脱蛋白 ,常
温 0. 2 mol·L - 1 HCl反应 20 m in脱无机盐。用红外
光谱及 X - 射线衍生对提取的甲壳素进行结构表
征 ,结果表明与甲壳素标准品一致。
昆虫中蛋白质含量较高 ,故提取甲壳素的方法
与从蟹、虾壳中提取甲壳素的方法 [ 2 ]略有不同 ,首先
用 NaOH脱除蛋白质 ,再用 HCl脱除无机盐 ,以节约
盐酸的用量。从三种昆虫及其白蜡虫 [ 15 ]甲壳素得
465
第 4期 郭宝华等 :三种昆虫甲壳素提取与分析
率来看 ,以昆虫体壁角质化程度较高的蝉蜕和喙尾
琵琶甲为原料 ,提取的甲壳素得率最高 ,而以昆虫体
壁角质化程度较低的中华稻蝗、白蜡虫为原料 ,提取
的甲壳素得率较低。由此可见 ,不同种类的昆虫 ,甲
壳素的含量差别较大。由于只有在昆虫体壁的表皮
层部分含有甲壳素 ,因此在选择提取甲壳素的原料
时 ,应尽量选择体壁角质化程度较高的昆虫。
甲壳素的主要质量指标之一是灰分含量 ,虾、蟹
壳原料中的灰分含量在 30%以上 ,用酸除无机盐 ,
将其残留灰分含量降至 1%以下较难 ,同时原料的
来源还受地域和季节的影响 [ 2 ] ;而以昆虫为原料提
取甲壳素 ,由于昆虫本身的无机盐含量较低 ,在短时
间内即可将灰分含量降到 1%以下 ,因此从甲壳素
灰分这个角度分析 ,从昆虫中提取甲壳素 ,比从虾蟹
中提取的甲壳素较有优势 ,应该充分利用这一资源。
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