蝦殼中甲殼素提取工藝的研究進展

◎ 孫承磊

（龍口市檢驗檢測中心，山東 龍口 265701）

1 甲殼素簡介

甲殼素，別名是甲殼質、幾丁質，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，主要分布在節肢動物如蝦、蟹等，其中甲殼素含量高達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%。甲殼素的化學組成和纖維素非常類似，屬于六碳糖的多聚體，而且分子數量超過一百萬[1]。甲殼素作為一種機體的功能性食品，相比于其他的營養保健品，它具有強化身體和人體免疫的功能，而且能夠抑制老化，預防疾病如癌癥，以及加速病患的痊愈和調節機體生理和機能等。甲殼質在農業、食品、日化、輕紡、醫藥和環境保護等行業都有著廣泛的應用前景。

2 甲殼素主要營養價值及利用情況

目前在工業上生產甲殼素的原料主要是水產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占41%，碳酸鹽約占21%，甲殼質約占15%～20%，而干蝦殼中甲殼素的含量高達20%～30%[2]。我國是對蝦的養殖大國之一，在2005年我國蝦的養殖量達到98.1萬t，2006年我國對蝦的養殖產量已經達到156萬t，在2007年對蝦總產量超過100萬t，其中南美白對蝦占總量的78%[3]。在對蝦的加工過程中會產生大量的蝦殼和蝦頭的下腳料，而對蝦的蝦頭和蝦殼占蝦的30%～40%[4]。目前，我國的對蝦產品主要以出口為主，出口產品中以冷凍蝦仁為主要方式，在加工蝦仁產品的過程中也產生了很多像蝦殼這樣的廢棄副產物[5]。

3 甲殼素提取工藝的研究進展

目前提取甲殼素的基本方法主要有傳統的酸堿法、酶法結合化學法、新式的微生物發酵法和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，同時它也是工業上大范圍利用對蝦外殼制備幾丁質的主要方法。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間后除去蛋白質和脂類等物質，然后再沖洗至中性，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]。該方法的優勢是實踐比較簡單，操作較為方便，但該方法使得堿液及其熱能消耗很大，更容易產生廢液和廢水等污染物，對環境污染比較嚴重，所以一些學者不斷嘗試改進原存的技術。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，其提取率為18.56%；PERCOT A等人[9]探討了關于酸堿法脫去蛋白質和脫除礦物質的一系列過程，并對其進行優化，提高了甲殼素的提取率，并利用堿液制備幾丁質的方法；陳利梅等人[10]以南美對蝦為試驗原料，用檸檬酸和氫氧化鈉來制備甲殼素，獲得了優質的檸檬酸鈣和蛋白質粉；在提取甲殼質試驗之前，先利用沸水過濾蝦殼，目的是減少其中的蛋白質、脂質和碳酸鹽等物質，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間，可以減少酸和堿的利用量，最終得到符合工業級要求的幾丁質[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，過濾后再用3～5 mol·L-1稀鹽酸在45 ℃恒溫水浴中反應1.5 h，進而徹底脫除礦物質，隨后用蒸餾水進行洗滌、烘干即可獲得甲殼質產品。另有中國知名專利利用微波加熱對蝦外殼，再使用氫氧化鈉溶液進行堿煮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物[13]。

3.2 微生物發酵法

微生物發酵法主要是通過應用真菌或細菌等微生物在發酵這一過程中產生的有機酸和蛋白酶去除蝦蟹殼中的無機鹽和蛋白質及脂質，從而產生高品質甲殼素，其是提取甲殼質的一種新方法。黃璠[14]使用鼠李糖乳桿菌和枯草芽孢桿菌共同發酵從蝦殼中制備甲殼素，最后蛋白質和礦物質脫除率分別為85.45%和98.98%。林奕封等人[15]研究了對蝦頭的內源性蛋白酶水解蝦頭的蛋白質，同時設計了二次旋轉正交試驗，優化了內源性蛋白酶的酶解條件。相比于傳統的酸堿法提取甲殼素的工藝，用微生物發酵法提取甲殼素的各種反應條件較為溫和，所耗費的能源較少。

3.3 酶法結合化學法提取甲殼素

利用稀酸溶液結合蛋白酶除去對蝦外殼中的碳酸鹽和蛋白質及脂質，提取幾丁質，其中可使用的蛋白酶有堿性蛋白酶、酸性蛋白酶、風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用，同時利用濃度為10%的檸檬酸來提取蝦蟹殼中的幾丁質，提取的甲殼素中碳酸鹽含1.0%，蛋白質含約6.7%，并且過濾后的水解溶液也可以用來制備具有海鮮風味的調味劑。MIZANI等人[17]探究了通過Aicaiase結合亞硫酸鈉和Tritonx-10除去甲殼素中蛋白質的方法。此方法表明其可以有效除掉蛋白質等，所以甲殼質中蛋白質的殘余量僅約0.87%，并且水解液經過烘干后所得到蛋白粉含有豐富的必需氨基酸等物質，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[18]。此方法的缺點是消耗過量的酸和堿，并且容易破壞幾丁質的構成，除掉蛋白質需要在加熱的條件下進行[19]。張恒龍等人[20]用檸檬酸與蘋果酸的混雜液作脫鈣劑，它的脫除鈣物質的反應比用鹽酸更好，得到的幾丁質的質量更高，而且用過的EDTA還可進行回收再次利用，不僅降低了提取甲殼素的生產成本，而且提高了甲殼素的附加值。EDTA法提取甲殼質的工藝流程是鈣以碳酸鈣的形式存在于蝦殼中，該反應中EDTA可循環重復使用和回收。通過EDTA提取甲殼質的工藝研究中具備實踐性，工藝過程簡便，生產周期短，不易污染環境，工藝成本低等優點。

3.5 超聲波輔助檸檬酸法提取甲殼素

近期以來，科研工作者已經開始嘗試應用檸檬酸、乳酸和EDTA等物質對生物廢棄物進行脫鈣處理，但存在脫鈣效率低等問題。試驗以檸檬酸作為脫鈣劑，同時輔以超聲波的振動及空化等作用，獲得一項蝦殼中脫除鈣的高效、清潔技術。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鹽酸脫鈣反應造成的污染之外，方便回收礦物質鈣，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生產過程中用于脫除蝦殼中鈣的最佳方法。

4 展望

蝦殼是經常被人們忽視的可利用資源，甲殼素攜帶的不飽和陽離子基團強有力吸附各種帶負電荷的有害物質，除去人體的“垃圾”，從而有預防疾病的功效。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。通過傳統的酸堿法、酶法結合化學法、新式的微生物發酵法和EDTA法等技術，優化甲殼素提取工藝條件，提高甲殼素提取率，優化甲殼素提取速度，以期為甲殼素的深加工提供新思路。