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幾丁聚醣(Chitosan)/幾丁質(Chitin)基本介紹

Chitin/Chitosan基本系列產品,在英文名稱上,主要的名稱就只有Chitin和Chitosan兩種,Chitin指的是蝦蟹殼等原料,經過去除脂肪蛋白質及硬殼中所含的碳酸鈣後,所剩下的薄膜狀物質,Chitin不溶於水及弱酸,基本上做為中間原料居多,Chitin再經過不同的再加工製程,可製造成Chitosan和葡萄醣胺(Glucosamine)等產品。

產品敘述

Chitosan(幾丁聚醣)/Chitin(幾丁質) 基本介紹

粗碎-CHITIN/CHITOSAN

原型-CHITIN/CHITOSAN

一、Chitin/Chitosan的名詞定義
Chitin/Chitosan基本系列產品,在英文名稱上,主要的名稱就只有Chitin和Chitosan兩種,Chitin指的是蝦蟹殼等原料,經過去除脂肪蛋白質及硬殼中所含的碳酸鈣後,所剩下的薄膜狀物質,Chitin不溶於水及弱酸,基本上做為中間原料居多,Chitin再經過不同的再加工製程,可製造成Chitosan和葡萄醣胺(Glucosamine)等產品。

Chitin經過脫乙醯化(Deacetylation)製程,去除內含的乙醯基後,就變成Chitosan, Chitosan帶正電,具有吸附能力,可溶於各種弱酸,所以是一種可以廣汎被利用在食品、工農業、生技等用途的產品。

所以在英文名稱上,未經脫乙醯化的中間體就是Chitin,脫乙醯化的終端產品,就是Chitosan,只有這兩種名稱,很容易分辦。

但在中文名稱或譯名上,兩種產品都有多種不同名稱,很容易混淆,例如Chitin就有幾丁、甲殼素、幾丁質等名稱,Chitosan的名稱更多,有甲殼素、甲聚醣、幾丁質、幾丁聚醣、殼聚醣、殼多醣、殼醣胺等名稱,兩者很容易弄錯或引起誤解,為避免名詞上的誤解,本篇以下介紹就直接使用Chitin和Chitosan兩個基本名詞。

二、Chitin/Chitosan的歷史

Chitin、Chitosan,通稱為甲殼質系列產品,是一種由甲殼類動物或磨菇類植物中所萃取的天然高分子物質,自西元1811年為法國人發現至今已有百餘年歷史,但先前並未廣汎被應用,及至1980年代,科學家發現甲殼素系列材料在生化科技上,具有多項獨特的用途,於是展開在不同應用範疇的研究,在各國中,尤以日本最為積極,在1997年Chitosan已成為日本保健食品銷售值的第三位,台灣目前也有許多直銷業者銷售Chitosan系列保健食品,在研究方面,財團法人生技中心、海洋大學、台大、交大、清大、中原大學、大葉大學、宜蘭大學、淡大等學術機構及其他公私立研發單位均有針對甲殼質應用相關領域的研究主題,進行學術研究及用途開發。

三、Chitin/Chitosan產品的製造

甲殼質在地球上蘊藏量非常豐富,舉凡蝦、蟹、昆蟲、蟑螂等甲殼類動物及磨菇等植物皆含有甲殼質,但在製造實務上,主要係以蝦蟹殼為原料,一般而言高緯度地區使用蟹殼較多,熱帶國家則以蝦殼為主,以這兩種主要原料所製成的甲殼質,在品質上並無重大差異。
甲殼質在製造過程中首先係製成Chitin,甲殼中除含有甲殼質外,尚有碳酸鈣及脂肪、蛋白質、蝦紅素等物質,故在製程中,一般以弱酸(HCl)去除碳酸鈣、以弱鹼(NaOH)去除蛋白質及脂肪,之後再日哂或藥劑脫色,烘乾後即獲得接近白色之Chitin。
由於Chitin並不溶於水,也不溶於弱酸或弱鹼,故在應用上限制較多。Chitin雖不溶於水和弱酸,但做為中間原料,可以製造成醫藥或保健食品重要原料的葡萄醣胺(Glucosamine)或經脫乙醯化,製造成Chitosan。
將Chitin以濃鹼在高溫下浸煮一段時間後,即產生脫乙醯(Deacetylation)作用,經過脫乙醯化以後的產品,即稱為Chitosan, Chitosan不溶於水,但可溶於稀醋酸、蘋果酸、檸檬酸等有機酸中,以一般食用米醋或白醋亦可輕易溶解,人體胃酸也可以溶解,故可開發做為各類用途。
以不同原料製造的Chitin/Chitosan在名稱上也有公認不同代號的分別:

α型:指以蝦蟹殼為原料製造的Chitin/Chitosan。
β型:指以墨魚或魷魚等軟體動物軟骨為原料製造的Chitin/Chitosan。
γ型:以上兩種的混合型。
四、Chitin/Chitosan製程特點

Chitin/Chitosan產品製程看似簡單,但其特點如下:

1.需要大量原料:

以蝦殼為原料製造為例,鮮蝦殼是較適合的材料,100公斤的鮮蝦殼,去除水份、碳酸鈣、蛋白質後,最終可提取約4公斤左右的Chitin,Chitin經脫乙醯化成為Chitosan,其重量損耗約25%,故每百公斤鮮蝦殼,最終僅能生產約3公斤Chitosan;除了需大量原材料外,處理及運送時效也很重要,因為鮮蝦殼不易保存,尤其是在炎熱高溫的環境下,很容易產生異味,故不適合長途運送,入廠後也需立即處理,所以在這個條件下,先進國家是不太可能發展這個產業,一則沒有水產加工業(如剝蝦仁,蟹肉等)以提供充足的原料,二則環保處理也有困難,故如標榜日本,美國等生產之產品,有很多是在開發中或有豐富原料的國家生產(至少在原料萃取段是如此)。

2.製程中需要多重人工篩檢:

由於蝦、蟹本為高級海鮮食材,價值不菲,故欲製造Chitin時,不可能用完整的蝦蟹做原料,僅能收集食品加工廠剝蝦仁或蟹肉後的廢棄蝦蟹殼來利用,因係廢棄物,且來源多處,殼中多多少少夾雜了水產工廠包裝袋、貼標等廢棄物,故在製程中除須多次清洗及儘可能去除雜質外,在成品包裝前,必須耗費大量人工全檢,以避免最終產品摻雜雜質。

3.採批號(BATCH)式生產:

Chitin/Chitosan大都採用批號生產,不同的原料品種、製程時間、反應溫度、酸鹼濃度均會影響成品的色澤、粘度、分子量等特性。

五.Chitin/Chitosan製程對成品特性的影響

1.關於成品顏色:

一般消費者大都喜愛顏色純白的Chitin/Chitosan產品,影響成品顏色有幾個因素:新鮮蝦蟹殼中含有蝦紅素,Chitin製程完成後,在陽光下曝曬,可去除大部份的蝦紅素(橘紅色澤),顏色較白,如果用機械式烘箱乾燥,蝦紅素不易完全去除,產品可能會呈現橘紅色澤,

如果不是使用鮮蝦殼,而是而是用乾燥的蝦蟹殼原料,蝦紅素已經不易去除,產品要白晰,有些困難。

也有廠商在製程中使用高錳酸鉀或其他化學品漂白,也可以使成品色變白。

2.關於成品脫乙醯度(Degree of deacetylation,簡稱Dac%)

Chitin經脫乙醯化後,即成為Chitosan,未經脫乙醯的Chitin,只是一種中間體,不溶於稀酸或鹼,人體無法消化吸收,也很難用在一般用途上,故應用以Chitosan為主;在製程中,時間、温度和鹼液的濃度均會影響脫乙醯度;一般而言,食品級產品脫乙醯度應在80%以上(日本食品工業標準),中國的行業標準,食品級則訂在90%;據某些研究報告顯示,並非脫乙醯度越高越好,應視用途而定。脫乙醯度在60%以上的Chitosan就能被弱酸溶解。

3.關於分子量和粘度

在不同的製造條件下,能製造出不同分子量及粘度的成品,分子量和粘度是呈正相關性,分子量高,溶液測出的粘度就高。由於分子量高低差異大,所以單純從溶液的粘度不能判斷液態Chitosan中有效成份的含量。

Chitosan是一種高分子”聚醣”,分子量從數十萬DT到數百萬DT均可製造出來,分子量的高低主要受到Chitin及Chitosan製程中,酸鹼濃度、處理時間長短和温度高低的影響,粘度高低的產品各有其用途,例如粘度很高的成品可用來融溶抽絲,製成抗菌纖維等應用,在食品工業上也可用做增粘劑使用。

“聚醣”也可以透過其他製程轉化為低分子寡醣,或降解至較低粘度的”聚醣”;低分子的寡醣或以酸或氧化劑降解的聚醣,會具有水溶的特性,在水中就可以溶解。低分子水溶性Chitosan易於為生物體吸收和利用,在農業上和工業上也有廣汎的用途。很多種不同製程均可以製造出可水溶的Chitosan,不同製造方法所產出的Chitosan也會具有不同的特性。這些以Chitin或Chitosan為基礎原料,以各種不同製程製造出來的產品,通稱為Chitosan的衍生物。

4.關於灰份和蛋白質殘留

Chitin製程中,主要是用酸去除內含的碳酸鈣,以碱去除脂肪及蛋白質,灰份(Ash )即指成品中殘留的碳酸鈣,灰份的高低和原物料及處理過程都有關係,碳酸鈣含量高的硬殼通常不好處理,同樣的,蝦頭組織複雜,殘留蛋白質較難完全去除,所以有經驗的廠商大都喜歡利用蝦身作為Chitin原料,蝦頭富含蛋白質,就讓飼料業者去使用。

Chitosan用酸溶解後,呈現具有粘度的透明狀液體,其不溶物或沉澱物就是灰份或蛋白質殘留,或是在乾燥的過程中混到少量的Chitin,一般灰份和不溶物越低的成品,代表品質品級越好,一般食品級Chitosan的灰份和不溶物標準都訂在百份之一以下。

如灰份或不溶物超限,就供工業或農業使用。

六、Chitosan應用
依據目前的文獻報告及實務驗證,Chitosan應用範圍歸納如下:

1.食品及食品工業用途

Chitin及Chitosan是經食藥署(TFDA)公告可以做為食品或食品原料使用的物質,Chitosan是一種歷史悠久的保健食品原料,文獻上記載有多種保健效能,故也被廣汎用來做為有關保健的食品原料(詳情請參閱其他學術網站或研究報告);高粘度的Chitosan可以當做食品或飲料的增黏劑使用;由於Chitosan具有吸附特性,在釀造業(例如醬油或釀酒)可以作為脫色劑,在麵條或類似產品加入Chitosan,可增加Q度及延展性。

2.紡織工業用途

由於Chitosan是一種帶正電的物質,會破壞細菌、霉菌的生存環境,故具有防止霉菌滋生的效果,可添加、塗佈或抽絲混紡於紡織品中,最常見為使用在免洗內衣褲、排汗衫、寢具、襪子等產品,使其具有防霉、抗菌、防臭等效果,市面上已有各種此類產品出售。

3.農業用途

Chitosan在農作物栽培上,利用其抑菌性,可促進植物生長、活化植物免疫力、增加抗病能力,間接達成防治病蟲害的效果,在使用實務上可用葉面噴洒、種子浸泡或混入土壤等方式來達成其作用,是一種純天然的病蟲害抑制劑;也可添加在飼料中,增強牲畜的健康;亦可作為有機肥料的添加劑,提昇其效能。

4.工業用途

利用Chitosan具有吸附力的特性,可作為污水處理、淨水處理、吸附重金屬等材料及其他工業用途。

5.其他產業上用途

chitosan/chitin是生物科技產業的重要原料素材,在生物科技產業上可發展出各種高附加價值的科技商品, Chitosan純化為醫療級素材後,也可以應用在醫藥科學上,這部份的應用屬於較尖端的生技用途,一般品級的Chitosan不適用,需要應用生技工程進行純化及改質。

Chitosan具有保濕和抗菌的作用,這項特性,也可以應用在化妝品產業上,例如製造面膜或清潔用品等。

七、Chitosan主要規格項目
依據Chitosan在各種不同領域上的應用,其主要品質要求項目說明如下:

1.外觀:

一般食品級(酸溶性)顏色以白色或略帶微淡黃色為正常。

工業或農業級產品因灰份略高,呈現淺灰或淺黃均屬正常。

經過改質的Chitosan,例如酸解水溶性Chitosan或寡醣(Chitosan oligosaccharide)或經改質的高密度Chitosan,顏色會呈較深的淡黃色。

2.脫乙醯度(DAC %)

Chitin經過脫乙醯製程後,才轉變為Chitosan,也才能酸溶和具有吸附能力,一般認為DAC%較高的產品具有較強的吸附能力,一般食品級Chitosan脫乙醯度應達到90%,工農業級為80%以上。

3.粘度(vicosity)和分子量(M.W):

視用途而定,高或低均有其目的訴求,粘度一般是以1%的Chitosan醋酸溶液,在攝氐20度C的環境下,用標準粘度計所測出的數據。
4.粒度(particle size):

可於粉碎製程調整,一般以目數(mesh)衡量,食品級粉狀大都使用100-120mesh,目數越高,密度也會較高,如產品是要調成液態使用,粒度就不是很重要,有些利用在淨水濾心上,就要使用粗碎品。

5.灰份(ASH):

灰份是Chitosan純度的重要指標,灰份越低,溶液越清澈,食品級Chitosan灰份應在1.0%以內,工農一級產品在1%~2%間,適合做液態用途,超過2%以上,則建議做為農業用途(如摻入土壤或混入有機肥料等)。

6.重金屬:

Chitosan本身可以吸附重金屬,食品級產品,鉛、砷、汞、鎘應在1PPM以下,總重金屬含量20PPM以下。

7.蛋白質殘留:
1%以下,純甲殼質應是無味無臭,不可以聞到有蝦蟹味或腥味。

(其他個別產品的特性,請參考各產品網頁介紹)

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