蝦殼中甲殼素提取工藝的研究進(jìn)展

◎ 孫承磊

（龍口市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山東 龍口 265701）

1 甲殼素簡(jiǎn)介

甲殼素，別名是甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)，在英語中稱為Chitin，是由N-乙酰基-D-葡萄糖單體通過β-1,4糖苷鍵相連的直鏈高分子化合物，分布范圍廣，主要分布在節(jié)肢動(dòng)物如蝦、蟹等，其中甲殼素含量高達(dá)58%～85%，其次是昆蟲綱（蝗蟲、蝴蝶、蚊蠅、甲殼素約20%～60%）、葉狀體（如馬地、蜈蚣、蜘蛛、蝎子等，甲殼素含量為4%～22%。甲殼素的化學(xué)組成和纖維素非常類似，屬于六碳糖的多聚體，而且分子數(shù)量超過一百萬[1]。甲殼素作為一種機(jī)體的功能性食品，相比于其他的營(yíng)養(yǎng)保健品，它具有強(qiáng)化身體和人體免疫的功能，而且能夠抑制老化，預(yù)防疾病如癌癥，以及加速病患的痊愈和調(diào)節(jié)機(jī)體生理和機(jī)能等。甲殼質(zhì)在農(nóng)業(yè)、食品、日化、輕紡、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 甲殼素主要營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及利用情況

目前在工業(yè)上生產(chǎn)甲殼素的原料主要是水產(chǎn)品在加工過程中廢棄的蝦蟹殼等，蝦殼作為蝦仁加工或食用后的廢棄物未能得到綜合利用，而蝦殼中存在的成分主要有粗蛋白質(zhì)占41%，碳酸鹽約占21%，甲殼質(zhì)約占15%～20%，而干蝦殼中甲殼素的含量高達(dá)20%～30%[2]。我國(guó)是對(duì)蝦的養(yǎng)殖大國(guó)之一，在2005年我國(guó)蝦的養(yǎng)殖量達(dá)到98.1萬t，2006年我國(guó)對(duì)蝦的養(yǎng)殖產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到156萬t，在2007年對(duì)蝦總產(chǎn)量超過100萬t，其中南美白對(duì)蝦占總量的78%[3]。在對(duì)蝦的加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的蝦殼和蝦頭的下腳料，而對(duì)蝦的蝦頭和蝦殼占蝦的30%～40%[4]。目前，我國(guó)的對(duì)蝦產(chǎn)品主要以出口為主，出口產(chǎn)品中以冷凍蝦仁為主要方式，在加工蝦仁產(chǎn)品的過程中也產(chǎn)生了很多像蝦殼這樣的廢棄副產(chǎn)物[5]。

3 甲殼素提取工藝的研究進(jìn)展

目前提取甲殼素的基本方法主要有傳統(tǒng)的酸堿法、酶法結(jié)合化學(xué)法、新式的微生物發(fā)酵法和EDTA法等。

3.1 酸堿法提取甲殼素

在蝦殼中提取甲殼素的工藝中酸堿法是該工藝研究的基本方法，同時(shí)它也是工業(yè)上大范圍利用對(duì)蝦外殼制備幾丁質(zhì)的主要方法。該方法的主要步驟是先通過鹽酸溶液浸泡蝦殼，目的是脫去碳酸鹽，再利用氫氧化鈉溶液堿煮一段時(shí)間后除去蛋白質(zhì)和脂類等物質(zhì)，然后再?zèng)_洗至中性，用高錳酸鉀溶液或者過氧化氫溶液脫除色素，最后烘干得到甲殼素[6]。該方法的優(yōu)勢(shì)是實(shí)踐比較簡(jiǎn)單，操作較為方便，但該方法使得堿液及其熱能消耗很大，更容易產(chǎn)生廢液和廢水等污染物，對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，所以一些學(xué)者不斷嘗試改進(jìn)原存的技術(shù)。如伍軍等人[7]利用1.5%鹽酸溶液和8%的氫氧化鈉溶液處理蝦殼，得出幾丁質(zhì)的提取率為16%；舒曉宏等人[8]利用堿交替的方法提取甲殼質(zhì)，其提取率為18.56%；PERCOT A等人[9]探討了關(guān)于酸堿法脫去蛋白質(zhì)和脫除礦物質(zhì)的一系列過程，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高了甲殼素的提取率，并利用堿液制備幾丁質(zhì)的方法；陳利梅等人[10]以南美對(duì)蝦為試驗(yàn)原料，用檸檬酸和氫氧化鈉來制備甲殼素，獲得了優(yōu)質(zhì)的檸檬酸鈣和蛋白質(zhì)粉；在提取甲殼質(zhì)試驗(yàn)之前，先利用沸水過濾蝦殼，目的是減少其中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳酸鹽等物質(zhì)，再將蝦殼破碎至60目大小，再通過稀酸液和稀堿液浸泡一段時(shí)間，可以減少酸和堿的利用量，最終得到符合工業(yè)級(jí)要求的幾丁質(zhì)[11]。張雪等人[12]利用低濃度鹽酸浸泡蝦殼，然后使用中性蛋白酶酶解蛋白質(zhì)，過濾后再用3～5 mol·L-1稀鹽酸在45 ℃恒溫水浴中反應(yīng)1.5 h，進(jìn)而徹底脫除礦物質(zhì)，隨后用蒸餾水進(jìn)行洗滌、烘干即可獲得甲殼質(zhì)產(chǎn)品。另有中國(guó)知名專利利用微波加熱對(duì)蝦外殼，再使用氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿煮1～2 h，最后浸入鹽酸溶液中，得到的粗提物再利用氫氧化鈉溶液和鹽酸溶液處理1遍，通過自然曬干法得到甲殼素產(chǎn)物[13]。

3.2 微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法主要是通過應(yīng)用真菌或細(xì)菌等微生物在發(fā)酵這一過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸和蛋白酶去除蝦蟹殼中的無機(jī)鹽和蛋白質(zhì)及脂質(zhì)，從而產(chǎn)生高品質(zhì)甲殼素，其是提取甲殼質(zhì)的一種新方法。黃璠[14]使用鼠李糖乳桿菌和枯草芽孢桿菌共同發(fā)酵從蝦殼中制備甲殼素，最后蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)脫除率分別為85.45%和98.98%。林奕封等人[15]研究了對(duì)蝦頭的內(nèi)源性蛋白酶水解蝦頭的蛋白質(zhì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，優(yōu)化了內(nèi)源性蛋白酶的酶解條件。相比于傳統(tǒng)的酸堿法提取甲殼素的工藝，用微生物發(fā)酵法提取甲殼素的各種反應(yīng)條件較為溫和，所耗費(fèi)的能源較少。

3.3 酶法結(jié)合化學(xué)法提取甲殼素

利用稀酸溶液結(jié)合蛋白酶除去對(duì)蝦外殼中的碳酸鹽和蛋白質(zhì)及脂質(zhì)，提取幾丁質(zhì)，其中可使用的蛋白酶有堿性蛋白酶、酸性蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶及枯草桿菌中性蛋白酶。如段元斐等人[16]也探究了木瓜蛋白酶和枯草桿菌中性蛋白酶的綜合運(yùn)用，同時(shí)利用濃度為10%的檸檬酸來提取蝦蟹殼中的幾丁質(zhì)，提取的甲殼素中碳酸鹽含1.0%，蛋白質(zhì)含約6.7%，并且過濾后的水解溶液也可以用來制備具有海鮮風(fēng)味的調(diào)味劑。MIZANI等人[17]探究了通過Aicaiase結(jié)合亞硫酸鈉和Tritonx-10除去甲殼素中蛋白質(zhì)的方法。此方法表明其可以有效除掉蛋白質(zhì)等，所以甲殼質(zhì)中蛋白質(zhì)的殘余量?jī)H約0.87%，并且水解液經(jīng)過烘干后所得到蛋白粉含有豐富的必需氨基酸等物質(zhì)，因此可作為合適的畜禽飼料添加劑。

3.4 EDTA法制備甲殼素

制備甲殼素的傳統(tǒng)工藝是用酸堿法提取甲殼素，工藝流程是用酸脫鈣，用堿脫蛋白質(zhì)[18]。此方法的缺點(diǎn)是消耗過量的酸和堿，并且容易破壞幾丁質(zhì)的構(gòu)成，除掉蛋白質(zhì)需要在加熱的條件下進(jìn)行[19]。張恒龍等人[20]用檸檬酸與蘋果酸的混雜液作脫鈣劑，它的脫除鈣物質(zhì)的反應(yīng)比用鹽酸更好，得到的幾丁質(zhì)的質(zhì)量更高，而且用過的EDTA還可進(jìn)行回收再次利用，不僅降低了提取甲殼素的生產(chǎn)成本，而且提高了甲殼素的附加值。EDTA法提取甲殼質(zhì)的工藝流程是鈣以碳酸鈣的形式存在于蝦殼中，該反應(yīng)中EDTA可循環(huán)重復(fù)使用和回收。通過EDTA提取甲殼質(zhì)的工藝研究中具備實(shí)踐性，工藝過程簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短，不易污染環(huán)境，工藝成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 超聲波輔助檸檬酸法提取甲殼素

近期以來，科研工作者已經(jīng)開始嘗試應(yīng)用檸檬酸、乳酸和EDTA等物質(zhì)對(duì)生物廢棄物進(jìn)行脫鈣處理，但存在脫鈣效率低等問題。試驗(yàn)以檸檬酸作為脫鈣劑，同時(shí)輔以超聲波的振動(dòng)及空化等作用，獲得一項(xiàng)蝦殼中脫除鈣的高效、清潔技術(shù)。在用蝦殼制備甲殼素的工藝流程中，用超聲波輔助檸檬酸法能夠有效脫除蝦殼中的鈣。超聲波可明顯提高蝦殼的脫鈣效率，除此之外，用檸檬酸脫鈣的工藝除了可以減少常規(guī)鹽酸脫鈣反應(yīng)造成的污染之外，方便回收礦物質(zhì)鈣，提高了蝦殼的綜合利用率。因此，超聲波輔助檸檬酸處理法可以稱為一種幾丁質(zhì)生產(chǎn)過程中用于脫除蝦殼中鈣的最佳方法。

4 展望

蝦殼是經(jīng)常被人們忽視的可利用資源，甲殼素?cái)y帶的不飽和陽(yáng)離子基團(tuán)強(qiáng)有力吸附各種帶負(fù)電荷的有害物質(zhì)，除去人體的“垃圾”，從而有預(yù)防疾病的功效。甲殼素是常用的抗氧化劑、自由基清除劑以及食品添加劑，在治療腫瘤，心血管疾病方面有著重要的輔助作用。通過傳統(tǒng)的酸堿法、酶法結(jié)合化學(xué)法、新式的微生物發(fā)酵法和EDTA法等技術(shù)，優(yōu)化甲殼素提取工藝條件，提高甲殼素提取率，優(yōu)化甲殼素提取速度，以期為甲殼素的深加工提供新思路。