對蝦加工下腳料的綜合提取技術研究進展

李雨霖,余 煉,倪 婕,姜 毅,江虹銳,劉小玲

(廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004)

蝦作為水產品的一種,不僅是中國水產品中出口最大量的,還是國際市場上交易最活躍、價值最大的產品。2019年全球蝦的總產量約470 萬噸,中國產量已達110 萬噸[1]。其中對蝦養殖業是我國水產養殖的代表性產業之一,養殖產量占全球對蝦養殖產量的26%,主要養殖的種類包括南美白對蝦、中國對蝦、斑節對蝦、日本對蝦等[2]。南美白對蝦由于肉質鮮美、營養價值高、繁殖快、抵抗疾病侵害的能力強等優點,逐步成為中國主要的對蝦養殖品種,占總對蝦養殖量的70%以上[3]。隨著國內外對對蝦加工產品需求量的增長,其或將替代部分大宗淡水魚,成為主流的水產蛋白之一[4]。對蝦在生產中常以無外骨骼的冷凍形式出口,其中大約有45%～48%的廢棄物沒有經過利用而直接被丟棄[5]。對蝦的加工廢棄物又稱對蝦的加工下腳料,主要包括蝦頭、蝦殼、蝦尾、清洗用水(含有蛋白質)等,常被當作垃圾填埋或丟棄,是造成沿海地區難聞氣味和主要地表污染的原因之一[6]。

相關研究表明對蝦的加工下腳料仍含有許多營養物質,主要由甲殼素、蛋白質、蝦青素等組成,具有一定經濟和營養價值。以南美白對蝦為例,其下腳料中氨基酸種類齊全,脂肪酸組成與蝦肉差異也不顯著,且蝦頭的粗脂肪含量為3.87%高于蝦肉(1.89%)的粗脂肪含量[7],可提取油脂生產蝦油;同時蝦頭還含有18種揮發性物質,風味與蝦肉不同[8],可制作蝦頭醬等調味料;蝦殼中蝦青素含量較高,可用于天然蝦青素的制備或利用其多孔結構除去水體中的重金屬離子[9]等。目前,對于對蝦加工下腳料的利用已經得到一定重視,但在實際生產提取下腳料中營養成分時多數采用的酸堿法、溶劑萃取法，造成了化學試劑大量使用,增加了環境的負擔且對下腳料的利用率不高。隨著可持續發展和“零廢棄物”的提出實施,蝦類加工企業在如何更好利用這些下腳料的問題上陷入了一定困境,對此文章綜述了近年來國內外有關對蝦加工下腳料的有效成分提取及其方法,以求為更高效和更合理利用蝦類加工下腳料提供一定借鑒。

1 甲殼素

1.1 概述

甲殼素(Chitin)又稱幾丁質、甲殼質,是海洋生態系統中含量最豐富、與纖維素的化學結構類似的無定型多糖[10],脫乙酰化后可制成甲殼素衍生物殼聚糖[11]。由于甲殼素及其衍生物具有抑制腫瘤發生、保護肝臟、治療胃潰瘍、提高免疫系統能力等功能[10],被譽為“人體的健康能源”。已被美國藥物食品管理局、歐洲醫學科技界和營養食品研究機構列為繼糖、脂肪、蛋白質、礦物質和維生素之后人體所必需的第六生命要素[12]。對蝦中甲殼素含量豐富,以南美白對蝦為例,其在蝦殼和蝦頭中的含量分別為6.67%和3.33%[13],因此可通過從中提取甲殼素并進一步加工以應用于食品、藥品等領域。如作為益生元促進腸道有益菌生長[14],可用于食品加工中的增稠劑、穩定劑和防腐劑[15]以及新興的抗菌包裝和涂層[16]、人造皮膚等。甲殼素及其衍生物無論在科研還是生產應用方面,都顯示出了極大的市場潛力,因此從對蝦加工下腳料中提取甲殼素是減少浪費和提高其經濟價值的一個解決方案。

1.2 提取方法

水產加工下腳料中的蝦殼、蟹殼是生產甲殼素的主要來源,占生物合成甲殼素總量的80%[17]。甲殼素一般與蛋白質、鈣等組分結合緊密,通常需除去或回收這些組分后才能得到。在提取甲殼素的過程中,可以通過控制工藝條件獲得不同脫乙酰化程度的殼聚糖[18],同時回收蛋白質、碳酸鈣等其他有附加值的產物。

1.2.1 酸堿法 酸堿法是目前最成熟、工業上認可度最高、應用最廣的制備方法。它的原理主要是利用無機酸除礦物質和強堿脫蛋白后而獲得。藍尉冰等[19]用傳統的酸堿法提取南美白對蝦下腳料中的甲殼素,甲殼素得率為14.63%,脫蛋白率為52.45%,脫鈣率為70.54%,脫除蛋白質和礦物質的效果較好。Srinivasan等[20]在室溫下先后用1.0 mol/L HCl和3.0 mol/L NaOH從蝦殼中提取甲殼素,最后甲殼素得率為30%,殼聚糖的產率為35%,殼聚糖的產量升高主要是由于脫鹽和脫蛋白過程中引起的部分脫乙酰基和鏈降解,若要制備純度更高的甲殼素,就需要對提取過程的條件進行控制或后續進行純化。傳統的酸堿法雖然操作簡便,但提取過程使用了大量的強酸和強堿,對環境有極大的危害,并且還會使甲殼素的理化性質受到損害、蛋白質變性造成蛋白質無法回收的結果,損失部分有價值的副產物。

Kaya等[21]在傳統酸堿法的基礎上采用NaClO處理蝦殼,明顯縮短了除去礦物質和蛋白質所需的時間,且獲得的甲殼素性質與直接提取的甲殼素物理性質基本一致。朱凱等[22]通過在酸堿處理前增加原料粉碎和復合脫脂劑處理,相比不進行處理,酸堿總處理時間縮短了3倍,總用量減少了8倍,且灰分殘留量更少,既提高了獲得的甲殼素的產品質量,也節約了能源,減少了對環境的污染。彭元懷等[23]用98%的硫酸對甲殼素生產中的廢鹽酸進行再生,鹽酸的再生率可達91.51%,能重復利用5次。通過上述以及Knidri等[24]的研究可以發現,粉碎原料、輔助超聲或微波以及化學試劑的方法改進工藝,都能起到減少處理所需的化學試劑用量并縮短處理時間的目的。并且針對酸堿污染環境的問題,工藝優化和鹽酸再生都在一定程度上減少了酸的用量,更有利于生產中成本的節約和環境的保護。

1.2.2 酶解法 酶解法就是利用蛋白酶水解下腳料中蛋白質從而破壞甲殼素與蛋白質的結合,也是常用的提取甲殼素的方法之一,但是該法作用范圍局限在蛋白質,為了確保同時除去下腳料中的蛋白質和礦物質以提取甲殼素,常需輔助酸或微波、超聲波等。該法的優點在于提取條件溫和、污染小,而不足之處在于使用的蛋白酶價格較貴且應用條件較嚴苛。Angel等[25]首先以蛋白質脫除率為指標篩選具有蛋白脫除力最強的酶,實驗表明堿性蛋白酶的蛋白脫除率最高,而后以微波輔助其提取蝦頭中的甲殼素,最終甲殼素產率為22%,其中僅殘留有0.2%的灰分,脫除了61%的蛋白質,相比酸堿法甲殼素的產率相差不多,但礦物質的去除更徹底。Younes等[26]將蝦殼先用鹽酸脫礦物質并水洗至中性后用兩種堿性蛋白酶 A21 和S.scrofa來脫除蛋白質,該實驗結果顯示該方法可以脫除100%的灰分和95%的蛋白質,并且保留甲殼素99%的乙酰度,提高了甲殼素的純度。這表明將酶法與酸堿法相結合,比單一的使用酸堿法酸的用量減少,且甲殼素的質量更高。

1.2.3 微生物發酵法 微生物發酵法本質是通過發酵過程中產生的蛋白酶和有機酸分別脫除蝦殼中的蛋白質和灰分,被認為是環保、安全、技術靈活和經濟可行的替代酸堿法的方法之一[27],是目前研究制備甲殼素的熱點。乳酸菌是目前較常用的菌,因為其產生的乳酸能與對蝦下腳料中的碳酸鈣成分發生反應形成乳酸鈣沉淀,再進一步通過洗滌就可以去除[28],并且還能降低pH,抑制腐敗菌的生長。劉斯雅等[29]利用植物乳桿菌發酵蝦頭和蝦殼,蛋白質的回收率為98.2%,礦物質殘留僅為2.8%,提取的甲殼素可滿足工業級甲殼素的純度要求。Gamal等[30]用枯草芽孢桿菌在添加5%蔗糖、料液濃度12.5%、接種量10%、發酵時間7 d的條件下發酵蝦殼,甲殼素得率為22%,蛋白質脫除率為96.0%,礦物質脫除率為82.1%。Xin等[31]采用常壓和室溫等離子體誘變技術篩選出高效穩定的10017號突變株,用其發酵蝦的加工下腳料,甲殼素得率為70.18%,蛋白質脫除率為91.48%,高于原始菌株發酵所得60.75%的甲殼素得率和79.58%的蛋白質脫除率。Khanafari等[32]分別用化學和微生物法從蝦下腳料中提取甲殼素的實驗也表明微生物法優于化學法。以上實驗可以看出微生物發酵法能達到較高的蛋白質和礦物質的脫除率,且通過優化發酵工藝和菌種選育的方式還可以進一步提高甲殼素的得率和純度;與酸堿法相比提取過程較溫和,能獲得分子結構較穩定的高分子甲殼素,還可以進一步回收碳酸鈣和蛋白質等成分,也避免了酸堿使用造成的環境污染。但發酵法存在耗時長等不足,目前可通過優化發酵工藝、進行菌種選育和員工培訓等方法,使其更好應用在工業生產中[11]。

1.2.4 離子液體法 目前一種新的利用離子液體來提取回收對蝦下腳料中甲殼素的研究方法[33]。離子液體又稱室溫熔鹽,是由有機陽離子和有機(或無機)陰離子組成的低溫熔融鹽,具有非揮發性、熱穩定性好、可設計性強、能保留高分子量產品的特點,能很好溶解甲殼素、纖維素等多糖[34],并且其提取甲殼素的能力與酸堿法相當,可作為酸堿試劑的良好替代品。Qin等[35]提出1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([C2mim][OAc])能溶解甲殼類動物的殼并回收其中的甲殼素,實驗以每0.4 g樣品加10 g[C2mim][OAc],并微波2 min輔助溶解蝦殼,結果顯示該法可有效提取蝦殼中94%的甲殼素,且獲得的甲殼素有較高的純度和分子量。但是由于離子液體本身黏度大,會阻礙其與蝦殼之間的傳質作用,從而影響甲殼素的提取率。Shamshina等[36]提出可以用酸性和堿性離子制成的低廉離子液體羥基乙酸銨([NH3OH][OAc])代替[C2mim][OAc]進行蝦殼中甲殼素的提取,可回收96%的甲殼素(純度為80%),在一定程度上可解決[C2mim][OAc]黏度大的問題且價格更經濟。但是該提取方法使用了羥胺,而羥胺易分解,劇烈加熱會爆炸,對呼吸系統、皮膚等也有刺激性。因此繼續尋找其他試劑替代部分離子液體來降低其黏度和生產成本,及注重天然無毒離子液體的合成和離子液體的循環使用等問題都是未來的研究需要進一步關注的方向[37]。

2 蛋白質

2.1 概述

南美白對蝦的加工下腳料中含豐富的蛋白質,在蝦頭和蝦殼中的含量分別為6.38%和5.22%,且氨基酸種類齊全,其中必需氨基酸在蝦頭和蝦殼中的含量分別可占游離氨基酸總量的41.52%和45.54%[12],與酪蛋白(含46.14%的必需氨基酸)和牛奶蛋白粉(含46.59%的必需氨基酸)中的必需氨基酸含量接近,是優良的食物蛋白質資源[38]。并且氨基酸的比例和組成符合人體必需氨基酸的要求,與人體肌肉組分相近,因而人體對其吸收利用率較高[39]。李曉等[40]對凡納濱對蝦蝦頭中蛋白質的營養價值進行了評分,發現蝦頭中平均氨基酸評分和平均氨基酸的化學評分分別為121.21、97.55,均高于蝦肉中兩者評分,更接近于理想全雞蛋的蛋白質模型。同時其含的呈味氨基酸占總氨基酸的比值達37.44%,各呈味氨基酸的組成也與蝦肉有所差異,因而具有不同于蝦肉的風味,可用于制備天然的調味品。由于對蝦下腳料中含有的豐富游離氨基酸,工廠常將其用作原料生產調味品、氨基酸肥料以及動物飼料。隨著研究的深入,研究人員發現很多海洋來源的生物活性肽都具有免疫調節、抗癌、抗菌等生物活性[41],因此越來越多的研究通過酶解、微生物發酵、凝膠過濾等方法提取純化蝦頭及蝦殼中含的生物活性物質如抗氧化肽、抗菌肽、ACE抑制肽等,并進一步加工應用于醫藥、化妝品等領域。有關蝦類加工下腳料中蛋白質的研究相比蝦肉蛋白和蝦類加工下腳料中甲殼素和蝦青素的研究都較少,而該活性成分的提取生產能在增加下腳料附加值的同時減少廢水處理的成本,使工廠利益最大化,因此對這方面資源的利用仍需加強。

2.2 提取方法

目前對于對蝦加工下腳料中的蛋白質的回收方法主要有:酶法水解、堿法提取、微生物發酵等。其中蛋白水解產物可以在生產甲殼素脫蛋白的過程中大量獲得。

2.2.1 堿法 堿法提取的原理就是使蛋白質的肽鍵在堿的作用下被破壞。陳博等[42]通過響應面優化超聲波輔助堿法提取對蝦下腳料中的蛋白質,在堿液質量分數10%、超聲溫度50 ℃的條件下提取30 min,蛋白質的提取率為14.1577%。堿法提取成本低、操作簡便,但是提取率不高、污染較大、蛋白的水解程度難以控制,并且由于反應過程較為劇烈,也易使氨基酸受到損傷[43]。

2.2.2 酶法 目前在實際生產中多數還是采用酶法或超聲等輔助酶解提取蛋白質。酶法水解就是通過蛋白酶切斷蛋白質分子的肽鍵,使高分子量的蛋白質裂解成低分子量的多肽后從原料中分離出來,從而獲得蛋白質。Pattanaik等[44]采用木瓜蛋白酶從斑節對蝦的蝦殼中回收到9.8 g/100 g的蛋白質,在對這些蛋白質進行的自由基清除活性和還原力的測定實驗中均表現出較好的效果,可作為補充營養成分添加在動物飼料中。Ambigaipalan等[45]利用多種蛋白酶從蝦下腳料中提取蛋白質和多肽,經檢測發現所提取的蛋白質水解物除具有多種自由基清除活性、亞鐵離子螯合能力和還原力外,還具有ACE抑制活性,經過純化后的ACE抑制肽可以用作潛在的血壓控制藥物。同時還發現利用酶在分解蝦殼中的蛋白質時可同步提高下腳料中類胡蘿卜素的回收率,對資源能進行更充分的利用。姜震[46]通過比對超聲輔助堿法和酶法提取蛋白質,發現堿性蛋白酶的蛋白質提取率為45.76%,雖低于超聲輔助堿法78.6%的提取率,但酶法獲得的蛋白質溶解性、乳化性等功能特性更好。酶法提取的過程易操控、反應條件溫和,且堿性蛋白酶處理對殼聚糖的回收率和質量無顯著影響[47];但大批量生產時成本較高且水解過程易腐敗[11],還存在蛋白質酶解液易因操作不當產生腥臭味和苦澀味的問題,對此可通過提高相關從業人員的操作水平及采取除臭手段來解決,以便更好在食品領域等應用。

2.2.3 微生物發酵法 微生物發酵法是利用了微生物的代謝作用,不僅能改變蛋白質的品質,還能產生易于消化利用的短肽、氨基酸等物質,使加工廢棄物轉化成高附加值的發酵產品[48]。Olfa等[49]用銅綠假單胞菌發酵蝦殼,有90%的蛋白質被水解,經檢測發現該蛋白水解產物可清除DPPH自由基。Bhaskar等[50]用乳酸片球菌發酵蝦的加工下腳料,在5%接種量、pH4.3、添加15%葡萄糖的條件下37 ℃發酵3 d,蛋白質回收率可達97.9%。段杉等[51]用3株乳酸菌混合成的發酵劑發酵蝦頭和蝦殼,在添加20%葡萄糖、1∶2固液比、10%接種量及39 ℃的條件下發酵5 d,蛋白質回收率為94.0%。以上采用不同菌株發酵回收蛋白質的回收率都較高,有很大的實用價值,尤其是用乳酸菌進行發酵,不僅可以防止對蝦下腳料在自溶過程中腐敗現象的發生,還可以延長自溶時間,使自溶酶和乳酸桿菌更充分的作用,使蛋白質得到更充分的水解;同時還能減輕或除去產品的腥臭味和苦澀味,解決生產中惡臭的問題;更重要的是發酵過程中生成的乳酸也能將下腳料中含有的不溶性鈣鹽轉化成可溶性乳酸鈣,更方便生產甲殼素[52],進行綜合利用。然而微生物發酵通常周期較長,發酵過程中也會產生影響目標產物產量和穩定性的其他代謝產物,且該代謝產物常難以分離和純化[11],對此可采用優化發酵條件使目標產物產量更高等方法,以便更好應用在實際生產中。

綜上所述,酶法和微生物發酵法就未來發展趨勢而言是替代化學法的有效途徑,可以對此進一步研究,同時采用輔助微波、超聲波、超濾[53]等其他技術使對蝦加工下腳料中的蛋白質能更好的回收利用。

3 蝦青素

3.1 概述

蝦在加熱烹調過程中外殼的顏色逐漸變鮮紅,原因即是外殼中含有的蝦青素。蝦青素(Astaxanthin)又名蝦黃質、蝦黃素,是一種非維生素A原的類胡蘿卜素,在動物體內不可以進一步轉化成維生素A[54]。蝦青素在自然界中主要以游離蝦青素和蝦青素酯的形式存在,在蝦中主要以蝦青素酯的形式存在,根據結構不同蝦青素酯還可進一步分為蝦青素單酯和蝦青素雙酯[55],南美白對蝦的蝦殼中蝦青素酯的含量可占蝦青素含量的84.62%[56]。通過柱層析法等方法可分離制備不同形態的蝦青素,這樣依據蝦青素的構效關系能更好為功能食品開發提供依據[57]。郝淑賢的研究顯示凡納濱對蝦的蝦殼中蝦青素含量為5.01%±0.89%[7],是制備蝦青素的較好來源。蝦青素具有的強抗氧化性大約比維生素E的高500倍,因此又被稱為“超級維生素E”,常以抗皺、抗氧化、抗紫外線輻射等作用廣泛應用于化妝品中[58],還可以起到預防心血管疾病、增強免疫、降低動脈粥樣硬化發生率等作用[54]。除對人體有許多健康作用外,還可被用于飼料添加劑和商用食品添加劑,尤其是對脂類含量較高的食品,能起到著色和保鮮的雙重作用,有良好的應用前景[59]。

3.2 提取方法

近年來,蝦青素的功能特性及經濟價值被人們逐漸發現,其需求量也日益增加。目前可通過化學合成法和天然提取法來生產蝦青素,其中化學合成的蝦青素占據主要市場,其市場占有率約為95%,但實際上它的應用安全性、結構和功能與天然蝦青素均存在差異,相關實驗也表明其抗氧化活性僅為天然蝦青素的一半[58],穩定性、著色性等方面也更差,且價格高昂,因此,天然蝦青素的高效提取不僅是循環經濟的選擇也是未來蝦青素發展的重點。

3.2.1 堿法 堿提法成本低、時間短、純度高,但廢液嚴重污染環境。為此杜云建等[60]通過稀堿液處理蝦殼來提取蝦青素,在1∶4固液比、50 ℃的條件下用0.5 mol/L NaOH浸提,最終粗蝦青素的得率為9.31%,但提取后的廢液對環境的危害程度降低,可以與酶一樣用作提取蝦青素的前處理方法。

3.2.2 溶劑萃取法 目前,溶劑萃取法仍是蝦青素提取采用最多的方式,其優點在于提取溫度較低,利于蝦青素穩定,常用的溶劑有乙醇、丙酮、異丙醇及這些溶劑的各種組合等[61],但不同溶劑提取效果不同。Hooshmand等[62]用不同溶劑從蝦下腳料中提取蝦青素,最后采用丙酮作為溶劑提取的類胡蘿卜素產量最高,為61.321 μg/g。Sachindra等[63]用異丙醇與正己烷(50∶50,v/v)混合從蝦下腳料中提取蝦青素,產量為43.9 μg/g,比單獨用異丙醇(40.8 μg/g)和丙酮(40.6 μg/g)的蝦青素提取率都高。這表明混合溶劑能起到比單一溶劑更好的效果,并且可以彌補單一溶劑提取色素中成分有差異的問題。但溶劑提取法不足之處在于有些溶劑存在毒性,有一定安全隱患。另外,蝦青素具有油溶性質,也可用食用油來提取,常用的有大豆油、棕櫚油等。Sachindra等[64]比較了不同種類的油對蝦下腳料中蝦青素提取率的影響,取蝦下腳料與油1∶2混合,70 ℃水浴加熱2 h,結果顯示葵花籽油提取的蝦青素產量為26.3 μg/g,高于花生油、大豆油等其他6種油提取的蝦青素產量。用食用油提取蝦青素時,除油的種類外油用量也會影響蝦青素的提取,并且提取后蝦青素與油的混合物不易濃縮,易使產品的濃度較低,一定程度上會限制其應用范圍。

3.2.3 酶法 酶法提取也是一種環境友好的提取工藝,能防止溶劑造成化學污染,且能耗小,時間短,常用作前處理方法以破壞蝦青素與蛋白質的結合,也可與其他方法聯合同時提取甲殼素和蝦青素[65]。趙儀等[66]利用木瓜蛋白酶對大明蝦的加工下腳料進行蝦青素提取,研究結果表明在酶添加量1.30%、44.5 ℃、pH5.51的最適條件下酶解92.6 min,得到類胡蘿卜素的產量為63.059 μg/g,比直接用丙酮提取的產量提高了19.879%。該方法不僅提高了類胡蘿卜素的產量,還可以增強加工過程中的安全性,因為丙酮屬于易燃品且長期接觸對人健康有害。Auerswald等[65]先在龍蝦加工下腳料中添加0.5%木瓜蛋白酶,控制固液比1∶10,38 ℃下酶解24 h后離心分離,再用甲醇提取,最終可得到54.5 μg/g蝦青素,該法將酶法與甲醇溶劑法結合,相比單獨使用某一方法的蝦青素提取率高,而且可節約單獨使用酶提取的成本和甲醇的用量。

3.2.4 超臨界CO2萃取法 溶劑萃取法涉及萃取后溶劑分離的問題,而超臨界CO2萃取技術則避免了這一環節。同時由于其具有低粘度、高擴散系數等優異特性,能更好地從固體樣品中進行提取,且在較低溫度下進行,能有效防止蝦青素的降解損失。Abdelkader等[67]比較了不同壓力和溫度條件下超臨界CO2與正己烷萃取蝦青素得率的差異,實驗表明超臨界CO2萃取蝦青素的最高產量為(86.2±3.1) μg/g,正己烷萃取得到的蝦青素產量為(103.2±1.3) μg/g,雖然超臨界CO2萃取的蝦青素產量略低,但不存在正己烷后續回收和回收不徹底造成危害的問題,能簡化生產步驟。Charest等[68]發現以10%添加量的乙醇作助溶劑用超臨界CO2萃取蝦殼中的蝦青素能提高其萃取效率,而CO2和乙醇又具有無毒性和環境友好的特點,符合綠色發展的趨勢,或可成為未來提取蝦青素的優選方法,但超臨界CO2萃取法相比普通的溶劑萃取需要更高端且耐高壓的設備,投資較大。

3.2.5 離子液體-鹽雙水相萃取 雙水相萃取是通過雙水相的成相現象及物質在兩相間的分配系數不同而進行的分離技術。傳統的雙水相萃取存在高粘度阻礙傳質、極性范圍窄、選擇性受限等問題,而離子液體雙水相體系能彌補上述一些不足。Gao等[69]對比了6種不同離子液體與磷酸鉀組成的離子液體-鹽雙水相體系的提取效果。按5∶3∶12的離子液體:磷酸鉀:水的比例制成三元體系后與蝦下腳料以20∶1 (mL/g)進行混合攪拌,再于35 ℃平衡12 h后取含蝦青素的離子液體層加入超純水沉淀蝦青素。實驗結果顯示辛基三丁基溴化膦([P4448]Br)與磷酸鉀的組合提取產量最高,為30.51 μg/g。這說明離子液體的結構會影響蝦青素的提取效率,因為([P4448]Br)有最小的水合度和最低的氫鍵接受強度,所以對磷酸鉀雙水相的耐受性最強;其次[P4448]Br改善了水溶液的親脂性,而蝦青素是親脂性化合物,故可增加蝦青素的溶解度;而溫度的升高會使離子液體的粘度降低因此也能提高蝦青素提取率。將該實驗提取的蝦青素與丙酮提取的蝦青素經掃描電鏡觀察微觀結構發現前者損傷更小,表明前者提取的蝦青素質量更高。因此該法或可成為替代有機溶劑萃取的方法之一,其優點是環保、能耗較低且對設備要求不高,提取條件也較溫和,利于蝦青素的穩定。目前,用該法從蝦下腳料中提取蝦青素的研究較少,還存在許多問題需要進一步探究,如蛋白質和礦物質對離子液體中蝦青素提取的影響、使用過的離子液體如何除雜以延長使用期限等。

在蝦的下腳料中蝦青素常與蛋白質結合,進行甲殼素提取脫蛋白時,蝦青素也會隨之溶出,可同時進行提取利用。雖然水產品副產物中蝦青素含量較低不能滿足大規模的商業化生產需求且提取費用相對較高,但廢棄資源再利用可以實現循環經濟、減輕環境負擔,因此仍保持從水產品下腳料中提取天然蝦青素用于生產的方式[70]。可以通過超臨界CO2、酶和溶劑等復合工藝以及對原料進行酸或酶解等預處理來達到提高產量、降低成本的目的,使得蝦青素得以更好的開發和利用[61]。

4 脂肪

4.1 概述

近年來,人們由于攝入過多脂類而引起的高血脂、高膽固醇、肥胖等疾病已屢見不鮮。為此,人們致力于開發新型保健型油脂,其中多不飽和脂肪酸在其中發揮主要功效作用。而蝦頭中含有一定的脂質,可以從中提取蝦油。對蝦加工下腳料中脂肪酸組成的研究表明,其富含的有益健康的單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸可占總脂肪酸的34%[6]。李曉等[40]對凡納濱對蝦的蝦頭和蝦肉進行的脂肪酸分析結果顯示,蝦頭中含有38.12%的飽和脂肪酸、24.99%的單不飽和脂肪酸和36.61%的多不飽和脂肪酸,其中n-6:n-3 多不飽和脂肪酸的比值為0.79,低于蝦肉中1.56的比值。事實上,人們在日常飲食中攝入的n-3多不飽和脂肪酸通常不足而n-6多不飽和脂肪酸通卻較多,因此n-6:n-3多不飽和脂肪酸的比例失衡問題也越來越受到人們的關注[71]。尤其是n-3系列中被稱為“腦黃金”的DHA(二十二碳六烯酸)和“血管清道夫”EPA(二十碳五烯酸),由于可以起到健腦、降低血脂、預防心血管疾病等作用受到人們青睞,而這兩種多不飽和脂肪酸在凡納濱對蝦的蝦頭中分別含10.54%和6.47%,均高于蝦肉中對應的含量。因此可以從對蝦的蝦頭及其它下腳料中提取和生產蝦油,以此來改善人們的飲食結構,這符合人們健康的發展觀念,具有很大的發展潛力。

4.2 提取方法

4.2.1 溶劑萃取法 溶劑萃取法是目前工業生產中較為常用的方法,其提取油脂成本較低、操作簡便,常用乙醇、丙酮等作為萃取溶劑。唐紅楓等[72]從4種溶劑中篩選出提取蝦油產率較高的異丙醇為提取劑,控制料液比1∶7于70 ℃提取110 min,從南美白對蝦蝦頭中提取的蝦油得率為7.89%。在提取過程中蝦頭的含水量、蛋白質等都會影響蝦油的提取,可通過對蝦頭進行干燥和脫蛋白處理來提高提取率,因為含水量降低可以減少水與油脂分子的結合,使蝦油更易提取,而蛋白質是通過疏水作用與脂質非極性部位結合,除去蛋白使脂質更好被釋放出來。徐洋等[73]用不同原料處理方式探究對蝦油提取率的影響,結果表明以冷凍干燥并粉碎的方式來提取蝦油的提取率最高。在1∶9料液比、50 ℃、30 min的條件下用95%的乙醇提取,蝦油得率最高,為12.64%±0.02%,高于從全蝦中蝦油的一次提取率(11.61%)[74]。原料粉碎后的蝦油得率較高主要是由于粉碎能使接觸面積更大,而干燥使原料水分含量降低從而能減少提取溶劑的用量,利于節約成本。作為萃取劑,乙醇本身與蝦油分離簡單,蝦油提取液經濃縮分離后的乙醇回收率可達73%,能重復利用[74]。但有機溶劑提取的蝦油中可能含有機殘留,具有一定的毒性,還會對其他營養成分造成破壞。

4.2.2 酶輔助法 酶預處理作為一種新的、有效的提高油脂產量的方法,通過采用蛋白酶使肽鍵斷裂,破壞蛋白質與油脂的結合,從而使油脂更好被釋放出來。徐曉斌等[75]在中性環境下加入0.13%的復合蛋白酶,43.8 ℃酶解4.9 h,再用乙醇和石油醚提取,磷蝦油的提取率為96.06%,高于曹文靜等[76]用無水乙醇-正己烷(1∶10,v/v)混合溶劑萃取的89.1%的磷蝦油提取率,且所得的磷蝦油脂肪酸組成中,EPA和DHA的含量分別占16.90%和8.99%。Chen等[77]采用4種蛋白酶對蝦下腳料進行水解,發現風味蛋白酶是該實驗中的最佳水解酶。在酶添加量2.0%(w/w)、液固比9∶1 (mL/g)、水解時間2.6 h、溫度50 ℃的條件下,蝦油得率為88.9%。在對所得蝦油進行的氣相色譜分析發現該蝦油含有11種脂肪酸,其中EPA和DHA的含量分別為7.81%和9.26%,與磷蝦油中的脂肪酸組成有所差異,但多不飽和脂肪酸的含量也較高,具有較好的應用價值。該法優點是操作條件溫和、得到的產品品質較高;可適用于含水量高的原料,節省干燥成本;酶解后的下腳料如蛋白質也可以進一步利用[75],但與傳統方法相比額外增加了酶用量的成本。

4.2.3 超臨界CO2萃取法 無溶劑殘留、無污染的超臨界CO2萃取技術彌補了溶劑萃取法存在的溶劑毒性危害和回收繁瑣及不徹底的缺點。梁銳[78]用不同溶劑提取南美白對蝦下腳料中的蝦油,發現溶劑提取的蝦油大多色澤較差且有腥味,選用綜合表現較好的正己烷為萃取劑與超臨界CO2萃取進行了對比,發現兩個方法提取的蝦油在外觀上有明顯區別,前者蝦油呈深褐色,后者蝦油呈金黃色,且后者過氧化值、酸值都更低,表明后者提取的蝦油品質更高;兩者在脂肪酸含量上沒有明顯差異,但在脂肪酸組成上有差異,主要表現在正己烷提取的蝦油EPA含量(14.065%)明顯高于超臨界CO2萃取蝦油的EPA含量(8.664%),這可能與EPA在正己烷中溶解度較高以及對色譜圖積分時峰未分開和扣除無效雜峰面積有關。由該實驗可以看出超臨界CO2萃取法相比正己烷提取法提取蝦油有更好的應用價值。由于磷脂在超臨界CO2中溶解度很小,常需輔助極性溶劑(如5%～20%乙醇[79])為夾帶劑進行提取[80]。楊霞[81]從南美白對蝦的蝦頭中提取蝦油的實驗顯示蝦油提取率受CO2流量、溫度和壓力的影響較小,但在加入用量8%的乙醇后,蝦油提取率為80.9%,比不加乙醇得率提高了5%,說明乙醇作為夾帶劑對蝦油提取率的影響較大。這主要是因為提取物質極性較大時CO2作為非極性物質溶解力有限,因此以乙醇為夾帶劑可以提高提取率。在選擇夾帶劑用量時需進行對比,加大其用量可加強夾帶劑和溶劑間的作用力,但添加量太多反而會造成其與超臨界流體難以混合的情況,也會影響流體的超臨界狀態。雖然超臨界CO2萃取技術溶劑使用量小,較環保且產品品質較高,但乙醇在室溫下呈液態,使得在脫溶劑方面依舊有所欠缺,且設備較為昂貴、投入成本高,因此在目前要實現工業化生產存在一定困難[82]。

4.2.4 亞臨界萃取法 亞臨界萃取主要依據相似相容原理,以亞臨界流體為萃取劑將萃取物中的脂溶性成分轉移到萃取劑中,再通過減壓蒸發使目的產物與萃取劑分離最終獲得目的產物。許洋等[83]采用丙烷作為溶劑,控制壓力和溫度分別在0.3～0.8 MPa和30～35 ℃進行萃取,將得到的浸提液于0.01～0.03 Mpa和不同溫度下分別減壓蒸發水分和有機溶劑,即可得到精制蝦油,該蝦油中磷脂、EPA和DHA的含量分別為38.5%、21.8%和13.6%。用亞臨界萃取法提取蝦下腳料中的蝦油,所得蝦油中不飽和脂肪酸含量較高,因為亞臨界狀態下的丙烷分子擴散性能較強,使得其對物質的溶解能力增強,并且與超臨界CO2萃取相比,無需另外添加夾帶劑,技術設備投入也較低,更適合工業生產。然而目前以此法提取蝦油的研究較少,有待更進一步的探究。

目前,對于這部分資源的利用和研究相對較少,其中大部分針對蝦油的研究都來自磷蝦,原因在于磷蝦油相比于其他的海洋油脂更易被人所吸收[73]。在對蝦下腳料進行提取蝦油的過程中仍有一些問題亟待研究解決,如不當的原料解凍方式和條件會導致蝦油酸價、脂肪酸含量、感官等品質下降[84];蝦油酸價、過氧化值等偏高時需在保證功能活性物質完好的前提下確定合適的精煉方法[78]等。

5 結語

對蝦的加工下腳料是廉價的可再利用資源,具有較大的社會效益和經濟價值。隨著對下腳料中蝦青素、蛋白質、甲殼素和脂肪酸等成分的不斷認識,越來越多的生產企業日益注重對這些下腳料資源的開發利用。但目前企業對于這些資源的提取多數仍以傳統的酸堿法或溶劑法為主,使用的化學試劑大大增加了環境負擔。隨著提取、分離等技術的逐步優化、改良和發展,提取這些物質的方式將趨向于更環保、更方便、更高效的方向轉變,如文中提到的微生物發酵、離子液體、高效無毒的超臨界CO2法、離子液體-鹽雙水相萃取等。然而,就目前現狀來看,對這些營養成分提取工藝的研究開發相對獨立且大多停留在實驗室規模階段,與投入實際生產還有一定距離。由于實際生產更傾向于綜合利用,對此可將對蝦的下腳料進行分開處理,蝦頭由于脂質和蛋白質含量較高可主要用于蝦油的生產和蛋白質的提取,而蝦青素作為脂溶性化合物,在處理過程中也會溶于油脂使提取的蝦油含部分蝦青素,增加了蝦油的活性成分;蝦殼則可主要用于蝦青素和甲殼素的生產,在生產甲殼素脫蛋白時蝦青素也會溶出,可同時進行蝦青素的提取和蛋白質的回收,還可通過脫鈣回收碳酸鈣沉淀。對于較成熟的方法還應進行中試試驗等并制定相關的監測指標,進一步優化實驗室的工藝參數,以便更好的在實際生產中應用。在將來,進一步尋找和優化更合適而高效的工業化綜合利用對蝦加工下腳料的方法仍是研究的重點方向。