生物法利用蝦殼及蝦頭廢棄物的研究進展

李嬌，李奇緣，王偉平

(湖北工業大學 生物工程與食品學院，武漢 430068)

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)俗稱克氏螯蝦、淡水龍蝦、小龍蝦，原產于美國中部和東部、墨西哥以及古巴，是最具食用價值的淡水龍蝦品種，年產量占整個淡水龍蝦產量的70%～80%。在我國，小龍蝦人工養殖和消費的數量很大。目前，在對蝦的加工中主要以凍蝦仁為主，在加工中產生大量的蝦頭、蝦殼等下腳料，約占蝦體質量的30%～40%[1]，如不及時處理，就會造成環境污染。

蝦殼蝦頭中除了含有甲殼素，還殘留著蛋白質、多不飽和脂肪酸、蝦青素和礦物質等成分，值得利用[2,3]。甲殼素是一種線型的天然高分子中性黏多糖，經脫乙酰化后可制得生物相容性好的殼聚糖，具有消炎、降血脂、降低膽固醇等生物功能活性[4,5]，廣泛用于工業、農業、漁業和醫療用品中[6]；蝦青素是一種酮式類胡蘿卜素，天然油溶性色素，穩定性好，有多種 結構形式，可淬滅單線態氧、清除自由基、防止或終止因單線態氧和自由基引起的鏈式反應[7-9]；回收蝦頭、蝦殼中的蛋白質，可方便地用于調味品、水解蛋白制品、保健品等各個領域。

目前我國對這部分資源并沒有進行有效利用，除一部分用于生產甲殼素和少量通過蛋白酶水解回收蛋白質外，大部分被直接干燥后作為飼料，甚至成為垃圾。傳統的提取甲殼素的方法，是利用酸堿法從蝦殼中提取，去除甲殼中的色素、蛋白質和碳酸鈣等成分后獲得。提取甲殼素的方法還有酶解法和微生物發酵法；蝦殼蛋白的提取思路為利用蛋白酶水解、純化得到，此外也有用微生物發酵法來獲取蛋白。酸堿法提取雖然成本較低，但會產生大量的酸堿廢水，對環境污染嚴重，且目標物降解比較嚴重；相對而言，生物法利用蝦殼及蝦頭廢棄物條件溫和，避免了環境中的酸堿污染，不易導致甲殼素水解，可獲得高分子甲殼素，同時可以回收利用蛋白質和碳酸鈣等成分。

本文將對酶解法、微生物發酵法利用蝦殼及蝦頭廢棄物回收蛋白質、甲殼素、蝦青素等成分進行綜述。

1 酶法利用蝦殼及蝦頭廢棄物

不同研究者以蝦殼和蝦頭為原料，分別利用單一蛋白酶如酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和復合蛋白酶來提取蝦殼中的甲殼素，同時可以回收得到蝦殼蛋白和蝦青素，研究結果見表1[10-16]。李婷等和Baron等利用酸性蛋白酶從蝦殼廢棄物中提取甲殼素；許慶陵等以蝦殼為原料，利用堿性蛋白酶Alcalase和檸檬酸分別脫除蝦殼中的蛋白質和鈣來提取甲殼素；Younes等利用芽孢桿菌粗蛋白酶A21提取蝦殼中甲殼素。王燕等利用木瓜蛋白酶與風味蛋白酶按1∶1.5混合作為復合蛋白酶提取蝦殼蛋白；Ambigaipalam等和劉洋等利用單一蛋白提取蝦殼蛋白，其中劉洋等利用堿性蛋白提取蝦殼蛋白的提取率高達62.7%。趙儀等以蝦殼為原料，利用木瓜蛋白酶水解提取蝦青素，在溫度為44.5 ℃，pH 5.51下作用92.6 min，總類胡蘿卜素釋放率為63.059 μg/g，比直接用有機溶劑高19.879%；孫兆遠等利用木瓜蛋白酶提取蝦青素，得到的最佳工藝條件為木瓜蛋白酶的添加量為10%，酶解溫度45 ℃，pH 5.5下酶解5 h，蝦青素的提取量為79.26 μg/g。

綜上所述，可以相較傳統的酸堿法，酶法反應溫和，便于操作且高效，減少了廢棄排放，有效減少環境的污染，但是在工廠中大量生產還存在生產成本較高，盡管酶解法可以提取出多種蛋白，但是蝦頭及蝦殼中豐富的蛋白質回收利用率較低，大批量的生產技術流程還不夠成熟。同時酶解法得到蛋白質酶解液如果控制不當，會帶來腥臭味和苦澀味，限制了其在食品領域的應用。因此，如何利用酶法降解蝦殼及蝦頭廢棄物，提高得率，降低生產成本，完善生產工藝是亟待解決的難題，解決該問題對提高蝦加工企業的經濟效益有重大意義[17]。

表1 酶法利用蝦殼及蝦頭廢棄物研究進展

2 細菌發酵利用蝦殼及蝦頭廢棄物

近年來，微生物發酵法成為蝦殼蛋白、甲殼素和蝦青素生產研究的一個熱點。使用微生物發酵產酸處理蝦殼，使其脫鈣，不但能減少環境污染，還能回收許多有價值的蝦殼副產物，如蛋白質、蝦青素、脂肪酸等，從而提高資源利用。

目前主要采用乳酸菌發酵來降解蝦殼及蝦頭廢棄物，見表2。例如，段杉等利用乳酸菌發酵協同自溶作用，回收蝦殼及蝦頭中的蛋白質；林瑞軍等研究利用嗜酸乳桿菌發酵蝦殼及蝦頭，與蝦頭、蝦殼的自溶作用相結合，回收蛋白質和甲殼素；劉斯雅等[18]研究利用植物乳桿菌的乳酸發酵作用，并結合蝦頭內源酶的自溶作用，回收利用蝦頭、蝦殼中的蛋白質和甲殼素。乳酸菌發酵與蝦頭、蝦殼的自溶作用相結合具有獨特的優勢，乳酸菌發酵可以防止蝦頭、蝦殼在自溶過程中發生腐敗，延長自溶時間，也有利于產品的后續處理和保藏；在自溶酶和乳酸桿菌的同時作用下，可以保證蝦殼中蛋白質的充分水解和高利用率，無需再外加蛋白酶；可以消除產品的苦澀味和腥臭味；產生的乳酸可以將蝦殼、蝦頭中的不溶性鈣鹽轉化為可溶性乳酸鈣，剩余的發酵殘渣即為粗甲殼素，脫鈣后的蝦頭、蝦殼更方便用于甲殼素的生產[19]。

除了乳酸發酵蝦殼及蝦頭廢棄物，回收利用蝦頭、蝦殼中的蛋白質和甲殼素，研究者紛紛利用細菌發酵蝦殼、蝦頭來制備各種蛋白酶。付博等[20]利用納豆菌來水解蝦殼、蝦頭中的蛋白質，其研究了發酵過程中不同條件下納豆菌所產蛋白酶的活力；Yen等[21]研究以蟹蝦殼粉作為碳源，利用銅綠假單胞菌M-1001進行發酵產生一種抗真菌的蛋白酶；Wang等[22]利用枯草芽孢桿菌發酵蝦殼產生一種堿性蛋白酶。

利用各類發酵菌種以蝦殼為碳源、氮源來生產各類蛋白質和甲殼素取得了一系列成果[23-25]，但是發酵法生產蝦殼蛋白、甲殼素等還存在一定的問題，利用細菌發酵過程中會產生影響目的產物穩定性、濃度的代謝產物，且代謝產物一般難以分離、純化，發酵周期過長，生產成本較高。

表2 細菌發酵法利用蝦殼及蝦頭廢棄物研究進展

3 真菌發酵蝦殼及蝦頭

利用蝦殼、蝦頭進行真菌發酵，既可充分利用蝦殼、蝦頭中豐富的蛋白質等成分培養真菌獲得大量菌體，以降低發酵成本，又可以蝦殼、蝦頭為底物，通過真菌誘導產生各種酶系。

利用真菌發酵生產甲殼素或蝦殼蛋白等方面的文獻報道較少，目前主要利用淡紫擬青霉(Paecilomyceslilacinus)、藍色犁頭霉(Absidiacoerulea)和紅曲霉(Monascus)等真菌利用蝦殼及蝦頭進行發酵研究。為開辟新的真菌農藥的培養基基質，肖順等[26]研究了添加蝦殼的培養基培養食線蟲真菌淡紫擬青霉。肖麗鳳等[27]利用藍色犁頭霉發酵蝦殼得到甲殼素脫乙酰酶來進行甲殼素脫乙酰工藝的優化。以紅曲菌為代表的真菌發酵蝦殼最具優勢，它極大地降低了發酵成本；發酵副產物較為單一，易于分離；發酵產物中有抑菌作用，降血糖、血脂、膽固醇作用，可以極大地豐富發酵產物，同時甲殼素和蛋白質等營養物的提取技術也變得更加安全，更加環保。Liang等[28]以蝦殼粉為發酵基質，研究了紅曲霉發酵上清液中的胞外蛋白酶的純化及表征，得到了分子量為40000 Da，最佳pH值為7.9，最佳溫度為40 ℃，pH穩定性為5.9，熱穩定性為40 ℃的蛋白酶。Wang等[29]利用蟹蝦殼粉為碳源進行紅曲霉發酵產生一種抗菌化合物。

相對于細菌發酵，真菌發酵過程更為復雜，發酵影響因素更多，同時發酵過程在物質的聯級利用上也更完善，所以利用真菌發酵蝦殼以及蝦頭是當今科研的創新，也是重點方向。

4 結論及展望

綜上所述，對蝦殼的利用技術正在逐步優化、改良和發展。傳統的酸堿法可以有效地提取出蝦殼的甲殼素，但存在諸多弊端，酶法的優點是條件溫和，避免污染，工藝簡單，且酶解液中的鈣和蛋白質等成分可回收利用，由于有機酸的酸性較低，不易導致甲殼素水解，與發酵法一樣，可獲得高分子甲殼素，但是其制約因素為生產成本過高和資源綜合率不高；微生物發酵法的優點是反應條件溫和，對環境友好，可以得到較高分子量的甲殼素，且蛋白質、蝦青素等成分也能回收利用，同時可以發酵得到堿性蛋白酶、甲殼素脫乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的產物。