当前世界环境

介绍

在海洋节肢动物中，最大的甲壳类动物群大约有3万种。海洋甲壳类动物的壳随着虾、蟹和龙虾是生物垃圾做出贡献到污染沿海区域。甲壳类废弃物含有8-10%的甲壳素，30-65%的蛋白质和10-20%的钙¹。从虾壳中制备几丁质、壳聚糖及其组分经过三个阶段:脱矿、脱蛋白和去乙酰化²。

几丁质是白色、坚硬、有弹性的天然多糖化合物，不溶于水。它是第二大过量的有机多糖化合物。它通常存在于真菌、酵母、节肢动物、软体动物和环节动物中^3.。几丁质是一种生物聚合物，含有?-(1?4linked residues)- 2-acetamido - 2-deoxy- D-glucopyranose semi-crystalline components. Chitin is composed of linear chains of acetylglucosamine groups. The differentiation between chitin and chitosan is the presence of acetyl groups⁴。几丁质具有良好的生物相容性、吸附能力、无毒、抗菌、免疫、给药和螯合性能。

在酶法中，将聚合物的n -乙酰基单元裂解成d -氨基葡萄糖单元得到壳聚糖。壳聚糖无毒，不溶于水，与酸混合后可溶解^6、7、8。壳聚糖具有生物相容性、生物降解性和吸附活性等特点⁹。甲壳素、壳聚糖及其残余物主要用于食品工业、制药、化妆品、生物化学、生物技术和污水处理等领域¹⁰。

几丁质、壳聚糖及其衍生物是有机混凝剂，不会产生二次污染物。-NH的官能团₂-OH能诱导染料的吸附能力¹¹。它们可作为纺织废水的混凝剂或絮凝剂¹²。虾壳壳聚糖可作为生物吸附剂用于纺织废水的脱色¹³。本研究制备了虾壳、几丁质、壳聚糖和膜，并对其理化性质和功能特性进行了研究。研究了壳聚糖在水净化领域的应用。

材料与方法

样本收集

的中国对虾学名:外骨骼于12月在泰米尔纳德邦Colachel当地的鱼市场收集。虾壳用自来水彻底洗净。然后，将虾外骨骼壳在阳光下晒干2-3天。

甲壳素和壳聚糖的制备

虾外骨骼取自中国对虾学名:在0.05M醋酸溶液中30℃浸泡24小时。浸泡过的外骨骼用水彻底清洗，然后风干。用HCl (0.68 M)在30℃下脱乙酰化6 h，将脱乙酰化后的颗粒分离，用水清洗，pH调节在6.5-7.5。用0.62M NaOH溶液在30°C下去除干燥物料中的蛋白质含量约16小时。然后将脱蛋白残留物分离并用蒸馏水清洗，直到pH保持在6.5 - 7.5。颗粒干燥，研磨，并通过一个150 ?m筛网(网)筛选。用NaOH溶液(25 M)在65℃下约20小时使几丁质去乙酰化。之后将残留物分离，pH维持在6.5-7.5。

壳聚糖膜的制备

将5克干燥的壳聚糖粉末溶解在3%的乙酸中。将壳聚糖溶液涂抹在培养皿上，60℃加热。之后，减少50%，在30°C下保存24小时。然后将干燥后的膜在NaOH溶液中浸泡24h。膜用二次蒸馏水清洗，自然干燥。

蛋白质的估算

用Foltch法测定蛋白质含量¹⁴。样品(0.1 g)加入1 ml蒸馏水，5000 rpm离心10 min。加入0.75 ml NaOH (0.1 N)溶液，加入2g碳酸钠配制溶液(A)。溶液(B)加入0.05 g硫酸铜，溶解于5ml双蒸馏水中，加入0.1 g酒石酸钾钠。溶液(C)由49 ml溶液(A)和1 ml溶液(B)组成。取三支试管，分别标记为空白、测试和标准。在所有试管中加入2.5 ml溶液(C)。空白管置于0.1 ml双蒸馏水中保存。试验一取0.1 ml样品。将0.1 ml牛血清白蛋白标准溶液倒入标准管中。最后，每管取福林试剂0.6 ml，充分混合。 All tubes were maintained at 30°C for 20 min and the OD (optical density) was determined at 625 nm¹⁴。

脂质估算

用氯仿-甲醇法提取总脂质¹⁵。用氯仿(2ml)和甲醇(1ml)对干燥后的样品粉末进行均质。然后，残留物在2800 rpm的涡流中混合。提取液用约20%的氯化钠溶液进行平衡。称量并计算提取物含量¹²。

脂质含量=带样品培养皿-不带样品培养皿× 100

碳水化合物的估算

用杜布瓦法提取碳水化合物¹⁶。1毫升样品与1毫升苯酚(5%)溶解，H₂所以₄(5 ml)，在30℃下保存20 min。最后，在490 nm处记录样品的OD。

灰分含量

采用实验室马弗炉法测定了灰分含量¹⁷。取1 g样品用盖子密封，放入炉中，在575℃下保存6 h，冷却后得到重量。

水分含量

水分含量用重量法测定¹⁸。取半克样品粉末，在110℃下保存3小时。冷却后，估计重量，并按给定公式测定水分含量百分比¹⁵：

去乙酰化度(DD)

采用酸碱滴定法测定DD¹⁹。将样品(0.1 g)溶于盐酸(0.1 mol/l)溶液中，加入甲基橙(5滴)。最后用0.1 mol/l的NaOH溶液滴定溶解后的壳聚糖溶液。

是,

HCl浓度(C₁）

HCl溶液的体积(V₁）

标准NaOH (C₂）

NaOH溶液体积(V₂）

样品用量(M)

NH₂集团当量重量(0.016)

NH₂复合比例(0.0994)

水结合力(WBC)

将0.5 g样品与10 ml水溶解，在旋涡上混合5分钟，在29℃下保持30分钟。之后，在3000 rpm下读取结合的颗粒30分钟^3.。

溶解度

样品在1%的醋酸中溶解30分钟，在30℃下冷却。然后，将混合后的颗粒在10000 rpm下读取10 min。分离未溶解的颗粒，在10000 rpm下离心，60℃干燥1天。然后对残差进行测量和计算^20.。

脂肪结合能力(FBC)

将0.5 g壳聚糖与10 ml油放入管中，涡旋混合5 min，在3000 rpm下读取残渣25 min，离心后测量计算^3.。

废水采样

纺织废水收集自印度南部泰米尔纳德邦Tirupur的一家棉纺厂(北纬11.11°，东经77.34°)。废水收集在纺织厂排放槽的无菌塑料罐中。在现场用pH计和温度计测定样品的pH值和温度。将流出物储存在冰箱中，用于进一步分析²¹。

脱色实验

将样品(0.5、1.0、2.0 g)添加到不同浓度(10、20、30、40、50、60、70、80、90、100%)的纺织废水中。记录初始吸光度，在500 nm处每隔24 h周期性测量吸光度，持续30天。

傅里叶变换红外光谱学

利用Perkin Elmer光谱软件对FTIR光谱进行了分析。几毫克的壳聚糖被放置在ATR头部距离4000到450厘米的地方¹。对于每个光谱，收集16次扫描并取平均值。

图1:壳聚糖的提取 点击此处查看图

图2:壳聚糖膜。 点击此处查看图

的理化性质和功能性质p .学名:壳，几丁质和壳聚糖。

美国没有	理化/功能参数(%)	生壳	几丁质	壳聚糖
1.	蛋白质含量	38.8±0.6	3.82±0.60	2.94±0.05
2.	脂质含量	5.1±0.08	0.9±0.25	1.3±0.08
3.	碳水化合物含量	75.42±0.18	68.45±0.45	73.42±0.04
4.	灰分含量	17.2±0.16	2.9±0.08	1.5±0.081
5.	水分含量	21.26±0.52	9.6±1.63	8.2±0.16
6.	脱乙酰作用	-	67.60±0.26	79.03±0.13
7.	水结合力	170±8.16	640±16.32	580±16.32
8.	脂肪结合能力	140±16.32	420±16.32	420±8.16
9.	溶解度	33±2.44	97.3±0.28	97.6±0.53

图3:纺织废水的脱色。 点击此处查看图

图4:壳聚糖提取液的FTIR光谱。 点击此处查看图

图5:壳聚糖吸附纺织废水后的FTIR光谱。 点击此处查看图

表2:壳聚糖提取液的FTIR分析(官能团)。

波长	官能团	结构
670.20	卤代烃	R-Br
701.90	胺	RNH2, R2NH
899.83	胺	RNH2, R2NH
951.37	混杂。	ph磷化氢
1014.56	混杂。	ph磷化氢
1313.60	羧酸	RCO-OH
1406.80	混杂。	S = O硫酸
1436.36	混杂。	S = O硫酸
1654.81	烯烃	8-ring
2916.18	烷烃	RCH2CH3
3001.40	芳烃	Ar-H
3415.37	酚类	ArO-H保税

表3:壳聚糖吸附纺织废水后的FTIR分析

波长	官能团	结构
671.28	卤代烃	R-Br
702.90	混杂。	年代或酯
872.39	混杂。	年代或酯
900.53	混杂。	p或者酯
951.23	混杂。	= NOH肟
1013.96	混杂。	ph磷化氢
1314.19	酯类	RCOOR吗?
1406.72	混杂。	S = O硫酸
1436.32	混杂。	S = O硫酸
1658.84	烯烃	8-ring
2916.62	烷烃	RCH2CH3
3002.50	芳烃	Ar-H
3407.63	酚类	ArO-H保税

结果与讨论

在本研究中，原料壳、几丁质和壳聚糖的蛋白质含量分别为38.8±0.6，3.82±0.60;和2.94±0.05分别。同类报道中，虾壳废物和几丁质蛋白质含量分别为32.13±0.08和0.80±0.15²²。生虾壳的蛋白质含量普遍较高(38.81%)，脱蛋白后的几丁质中含有微量的蛋白质(3.82%)。脱蛋白不能100%去除虾壳中的蛋白质²³。

原料壳、几丁质和壳聚糖的脂质含量分别为5.1±0.08、0.9±0.25和1.3±0.08。虾壳外骨骼中甲壳素、壳聚糖生颗粒和提取壳聚糖的脂质含量分别为1.50、2.00和2.60%²⁴。虾壳粗脂肪含量为10%，与虾壳粗蛋白质含量有一定关系。

生壳、几丁质和壳聚糖的碳水化合物含量分别为75.42±0.18、68.45±0.45和73.42±0.04。在类似的工作中，提取的几丁质、壳聚糖的原料颗粒和壳提取的壳聚糖的碳水化合物含量分别为76.20%、79.18%和77.55%²⁴。

在本研究中，生壳、几丁质和壳聚糖的灰分含量分别为17.2±0.16%、2.9±0.08%和1.5±0.081%。根据灰分的存在，对纯壳聚糖进行了测定。灰分是影响粘度和溶解度等特性的高频参数²⁵。脱矿后的壳聚糖灰分为31-36%²⁶。灰分<1%的壳聚糖是优质的壳聚糖^2、27。

研究表明，生壳、甲壳素和提取壳聚糖的水分含量分别为21.26±0.52、9.6±1.63和8.2±0.16%。在相关研究中，虾壳聚糖的含水率为9.34%²⁸。商品壳聚糖的水分含量为10%²⁹。壳聚糖具有吸湿性，在储存过程中受吸湿率低的影响^20.。

甲壳素、壳聚糖的DD分别为67.60±0.26和79.03±0.13%。在类似的工作中，脱乙酰度为80%的壳聚糖被认为是优质的^30.。在几丁质中，DD的量取决于原料、脱蛋白和脱矿³¹。

生壳、几丁质和壳聚糖的水结合力(WBC)分别为170±8.16%、640±16.32%和580±16.32%。同样，壳聚糖的WBC范围为581 ~ 1150%³²商业、虾和蟹用壳聚糖，其中wb5从458到805%不等³³。

生壳、几丁质和提取壳聚糖的FBC分别为140±16.32、420±16.32和420±8.16%。在一份类似的报告中，FBC在314%到535%之间³⁴。FBC的水平取决于去蛋白化和去乙酰化³⁵。

生壳、几丁质和壳聚糖的溶解度分别为33±2.44、97.3±0.28和97.6±0.53。在相关研究中，用50%和60%的NaOH溶液处理后，壳的溶解度在96.01 ~ 97.2%之间。壳聚糖的溶解度受温度、脱乙酰时间、碱性浓度、甲壳素得率、分离甲壳素的不同方法和粒径等因素的影响³⁶。壳聚糖的溶解度随脱乙酰程度成比例地增加。

在本研究中，图3显示，脱色率从2^nd到18^th观察天数(81% ~ 13%)。在一项类似的研究中，对虾壳废料对纺织染料的脱色率为93% ~ 70%³⁷。结果表明，壳聚糖用量越大，脱色率越高。在壳聚糖膜中，出水的最佳脱色率为86.82 ~ 41.54%。高浓度纺织废水的吸附位点较少。因此，脱色率在很大程度上取决于纺织废水的浓度³⁸。

采用分光光度法测定壳聚糖提取液的吸收效率。图2和图3是提取后(处理前)的壳聚糖与纺织废水(处理后)吸收后的壳聚糖的FTIR光谱比较。在600 cm处的一个峰位置存在类似的基团有烷基卤化物、P-H膦、烯烃、烷烃、芳烃和酚¹至3500厘米¹。在872.39 cm处记录到新峰¹表示S-OR酯。羧酸基团的波长为1313.60 cm¹在1314.19 cm波长处被修饰成酯基¹。P-H膦基转化为NOH肟。在本研究中，在899.83 cm处存在一个胺基¹被注意到。在类似的研究中，壳聚糖低聚物的多糖结构在899 cm处^{1 39}。在1654.81 cm处发现了烯烃官能团¹。同样，NH的弯曲振动带₂分别在1656.55 cm和1658.48 cm处发现群^{1 40}。与标准带拉伸相比，制备的壳聚糖中存在全带拉伸，表明吸附发生在壳聚糖低聚物上。

结论

壳聚糖由中国对虾学名:步骤包括脱矿、脱蛋白和去乙酰化过程。FTIR结果表明，虾壳壳聚糖可作为一种良好的生物修复剂用于纺织废水的脱色。综上所述，本研究制备壳聚糖的方法经济，是利用虾外骨骼废弃物的一种途径，否则虾外骨骼废弃物将成为污染环境的废物而得不到利用。

鸣谢

作者感谢Manonmanium Sundaranar University, Tirunelveli和Scott Christian College (Autonomous)， Nagercoil的支持，为开展这项研究工作提供许可和必要的设施。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

资金来源

作者在本文的研究、撰写和发表过程中未获得任何资金支持。

参考文献

1. Rao, m.s.， Yu, P, Stevens, W.F, Chandrkrachang, S, Kungsuwan, A, and Hall, G.M.第二届亚太几丁质和壳聚糖研讨会论文集。1996年，泰国曼谷。
2. Mohammed, m.h.， Williams, P.A.和Tverezovskaya, O.从对虾壳中提取甲壳素并转化为低分子质量壳聚糖。食品凝胶。2013;31(2): 166 - 171。
   CrossRef
3. 几丁质和壳聚糖的功能特性。J.食品科学。1982;47: 593 - 595。
   CrossRef
4. No, H.K.和Meyers, S.P.。甲壳素和壳聚糖的制备和表征综述。j . Aquat。食品生产技术。1992;4: 27-52。
   CrossRef
5. 壳聚糖生产中几丁质脱乙酰化程度的提高。马来西亚彭亨大学化学工程与自然资源学院，2008;5-31。
6. 克鲁格，M.，桑切斯，M. N.， M.，拉兰吉拉，M. C.，费弗雷，V. T.和罗德里格斯，C. A.。N-(3,4 -二羟基苄基)壳聚糖吸附Cu (II)、Ni (II)、Pb (II)和Zn (II)等温线的非线性回归分析Quimica新星。1998;(4): 410 - 413。
   CrossRef
7. Kubota, N.， Tastumoto, N.， Sano, T.和Toya, K.一种半N-乙酰化壳聚糖的简单制备方法，高度溶于水和水性有机溶剂。碳水化合物的研究。2000;324: 268 - 274。
   CrossRef
8. 金属离子与壳聚糖基吸附剂的相互作用研究进展。分离纯化技术。2004;38: 43 - 74。
   CrossRef
9. Dash, M, Chiellini, F, Ottenbrite, R.M.和Chiellini, E.壳聚糖-生物医学应用中的多功能半合成聚合物。掠夺。变异较大。Sci。2011;36: 981 - 1014。
   CrossRef
10. Aranaz, I.， Mengibar, M.， Harris, R.， Panos, I.， Miralles, B.， Acosta, N.， Galed, G.和Heras, A.甲壳素和壳聚糖的功能表征。当代化学生物学。2009;3(2): 203 - 230。
    CrossRef
11. Zeenat, m.a.， Abdul Jabbar, L.， Abdul Khalique, A.和Mohammad, Y.K.。印度对虾壳聚糖的提取及表征(Fenneropenaeus indicus)及其在本地酥油工业废水处理中的应用。工程学报, 2013;3.(10): 28-37。
    CrossRef
12. 虾壳壳聚糖和蟹壳壳聚糖对纺织废水脱色效果的比较研究。自然环境与污染技术。2022;21(2): 675-681。
    CrossRef
13. Lowry, o.h.， Rosebrough, n.j.， Farr, A.L.和Randall, R.J.用福林酚试剂测定蛋白质。生物化学杂志。1951;[j](1): 56- 57。
    CrossRef
14. Foltch, J.， Lees, M.和Sloane, G.H.一种从动物组织中分离和纯化总脂质的简单方法。生物化学。1957;226(1): 497-509。
    CrossRef
15. Dubois, M.， Gilles, k.a.， Hamilton, j.k.， Rebers, P.A.和Smith, F.测定糖和相关物质的比色法。分析的化学。1956;28(3): 350-356。
    CrossRef
16. 采用AOAC公认的。官方分析方法，第15页^th版，官方分析化学家协会，华盛顿特区。1990.
    CrossRef
17. 布莱克，G.和哈奇，K.土壤分析方法。第一部分，美国农学学会。美国威斯康辛州麦迪逊市。1965.
18. 全去乙酰化壳聚糖的制备与表征。国际生物大分子杂志。5(1): 49-52。1983;
19. 不同加工工艺对小龙虾壳聚糖理化和功能特性的影响。毕业论文，路易斯安那州立大学:巴吞鲁日，路易斯安那州，美国。2004.
    CrossRef
20. APHA。水和废水检验标准和方法。美国公共卫生协会。1998;19(1): 10 - 150。
21. Parthiban, F, Balasundari, S, Gopalakannan, A, Rathnakumar, K.和Felix, S.虾、蟹、鱿鱼废料中甲壳素和壳聚糖的质量比较。当前世界环境。2017;12(3): 672 - 679。
22. 卢瑟福，F.A.和奥斯汀，P.R.海洋几丁质的性质和溶剂。几丁质/壳聚糖国际会议马萨诸塞州,剑桥。1978;182 - 192。
    CrossRef
23. Olafadehan, O.A, Amoo, K.O, Ajayi, T.O.和Bello, V.E.从羊膜Callinectes和对虾(Penaeus noteralis)贝壳废物中提取甲壳素和壳聚糖的研究。化学工程与材料科学学报。2021;12(1):行。
24. Mohanasrinivasan, V.， Mudit, M.， Jeny, P.， sunet, S.， Selvarajan, E.， Suganthi, V.和Subathra, D.虾壳废料制备壳聚糖的重金属去除效率和抗菌活性研究3生物技术。2014;4(2): 167 - 175。
    CrossRef
25. 鲍夫、索尔特、吴敬明、帕金斯、B.E.。生产工艺对壳聚糖产品特性和有效性的影响。生物技术与生物工程, 1978;20: 1931。
    CrossRef
26. 李建军，李建军，李建军，等。从虾壳中提取高纯度壳聚糖的研究进展。国际刑事法院院长应用科学与环境工程进展会议。2014.Doi: 10.15224/ 978-1-63248-004-0-93。
    CrossRef
27. Puvvada, Y.S, Vankayalapati, S.和Sukhavasi, S.虾壳聚糖外骨骼中甲壳素的提取及其在制药工业中的应用。国际当代药学杂志。2012;1(9): 258 - 263。
28. 李强，邓e.t.， E.W. Grandmaison和Goosen, M. F. A.壳聚糖的应用和性能。J.生物活性相容性聚合物。1992;7: 370 - 397。
    CrossRef
29. No, H.K. and Meyers, S.P.(1992)。小龙虾加工废弃物作为类胡萝卜素、几丁质和壳聚糖资源的利用。韩文Soc期刊。食物的营养科学通报，21(3):319-326。
    CrossRef
30. Younes, I.， Hajjia, S.， Frachetb, V.， Rinaudoc, M.， Jelloulia, K.和Nasri, M.壳聚糖酶法提取虾壳中的几丁质及其抗肿瘤、抗氧化和抗菌活性。国际生物大分子杂志。2014;69: 489 - 498。
31. 小龙虾甲壳素和壳聚糖的理化、功能和光谱分析。博士论文，路易斯安那州立大学，巴吞鲁日，洛杉矶，美国。2001.
    CrossRef
32. Cho, Y.I, No, H. K.， Meyers, S.P.。各种商品甲壳素和壳聚糖产品的物理化学特性和功能特性。j·阿格利司。食品化学。1998; 46: 3839 - 3843。
33. No, H.K.， Hur, e .。抗泡剂对甲壳类动物制备甲壳素脱矿过程中泡沫形成的控制。农业与食品化学杂志。1998;46(9): 3844 - 3846。
    CrossRef
34. 小龙虾甲壳素和壳聚糖的理化、功能和光谱分析。博士论文，2001年路易斯安那州立大学，巴吞鲁日，洛杉矶，美国。
    CrossRef
35. 胡森，M. S.和伊克巴尔，A.虾废壳聚糖的生产和表征。J.孟加拉国。大学。2014;12(1): 153 - 160。
36. Ismail, a.m.， Loganathan, M.和Theodor, P.。生物吸附剂对纺织品和皮革染料脱色和毒性的影响。生物工程学报。2012;4(1): 1 - 10。
    CrossRef
37. Natarajan, S.T, Jayaraj, R, Thanaraj, P和Prasath, P.海藻去除水中重金属铬(VI)的研究Graciliria鸡蛋果。J Chem pharmaceutical Res .。2011;3: 595 - 604。
38. Kurita, K.， Tomita, K.， Ishi, S.， Nishimura, S.I.和Shimoda, K. -几丁质作为一种方便的起始原料，用于高效制备n -十六烷基壳寡糖。J高分子科学A高分子化学。2006;31日:2393 - 2395。
39. Ghannam, h.e.， Talab, a.s.， Dolganova, n.v.， Hussein, A.M.S.和Abdelmaguid, N.M.从不同甲壳类废物中提取壳聚糖的表征。应用科学学报，2016;16(10):454-461。
    CrossRef
40. 汗迪，w.a.，亚洲。，M and Hameed, B.H. Cross-linked beads of activated oil palm ash zeolite/chitosan composite as a bio–adsorbent for the removal of methylene blue and acid blue 29 dyes.[J];2017;95:895 - 902。
    CrossRef