虾蟹壳中几丁质资源提取研究综述

沈祺颖，江 吉，安珈慧，曾铭新

(北京师范大学珠海分校 工程技术学院，广东 珠海 519085)

1 我国虾蟹壳资源现状

我国的湖泊众多，海洋广阔，因此我国的淡水养殖的资源十分丰富，特别在虾蟹方面，我国的对虾蟹养殖量和出口量的数量达到了世界第一，每一年的养殖量以百万吨来计算，据统计[1]，2015年我国虾蟹总生产量达到了686万t，2016年达到了712万t[2]，除了鲜食之外，我国虾的主要用途则是做成虾仁，面包虾，虾滑等，而蟹的用途则是蟹肉罐头，和蟹黄酱等等，但是加工过程中会有大量的加工废弃物，如虾壳，蟹壳等。而虾壳，虾头等废弃物中含有钙质约60%,蛋白质约20%，几丁质约20%，其余的如虾青素[3]，游离氨基酸，少量脂肪(雪蟹除外其脂肪达到17.1%[4])等[5]则不足1%，因此研究人员针对这一现象做了大量的研究工作，并取得一定的成果，本文则主要是讲解几丁质(甲壳素)的研究成果[6]。

2 几丁质(甲壳素)

几丁质，又叫做甲壳素，是N-乙酰葡糖胺通过β连接聚合而成的结构同多糖，是一种性质稳定，生理活性强的高分子化合物，主要构成真菌细胞壁[7]以及普遍存在于虾、蟹，昆虫等动物外壳中，几丁质的每年生物合成量约100亿t，是地球的一种规模庞大的再生资源，人们对甲壳素进行了大量研究和应用，如今应用于医学，农业，环保，化工，食品等各个领域[8-9]。

3 提取几丁质的工艺发展现状

3.1 几丁质的提取分离

3.1.1 酸碱法

此方法是通过用酸来去除去虾蟹壳中的灰份等矿物质，再用碱来去除蛋白质和脂类物质。最后再通过用高锰酸钾或者双氧水来氧化褪色。伍军[10]等通过用1.5%的盐酸和8%的氢氧化钠处理虾壳后，得到的几丁质得率达到16%。蔚鑫鑫[11]等人用1.0 mol/L的盐酸处理24 h和2.0 mol/L氢氧化钠处理4 h后，几丁质得率为16.52%。此外seghir[12]等人在对虾壳做了优化后，通过28.6%的氢氧化钠、温度为81.15°，处理9.55 h的条件下，获得的几丁质的乙酰化程度超过了98%。

这一类方法是最为早期也是最为传统的方法，这种方法有工艺简单，提取的浓度高，处理的周期短，工艺成熟等优点，但是也有排除的工业废水多，酸碱的温度控制问题严重，耗能大并且比较危险。因此现在研究的热点在生物法或者是用其他有机酸来提取代替此类方法。

3.1.2 微生物发酵法

而微生物发酵法则是通过利用微生物的代谢物发酵产生的酸和碱类物质来去除虾蟹壳中的蛋白和灰份，从而直接获得几丁质，这种方法是目前前景最好的一种方法，也是当今的研究热点。目前主要以乳酸菌和芽孢杆菌发酵为主。

乳酸菌发酵：乳酸菌是常见产酸和产蛋白酶的菌种，在乳酸菌代谢过程中，产出的酸和蛋白酶可以与虾蟹壳中的灰份和蛋白质反应，从而达到去除的效果，陈亚[13]等人用此方法加以改进，发酵温度为37℃，发酵时间为96 h，葡萄糖加入量为5%，固液比1.0∶3.0(m/V,g∶mL)，发酵初始pH值为5.5的情况下，几丁质的产出率有13.9%。而Rao等[14]分别用虾壳和虾头做实验，用乳杆菌发酵后，得到的几丁质得率分别为4.5%和13.0%。李磊[6]等人从虾头中分离出共附生乳酸菌，并用来发酵虾头和虾壳，经过筛选得出一种在虾头中易生长的嗜酸乳酸杆菌，在15%的葡萄糖，初始pH值为7，温度为40%的条件下，发酵72 h，蛋白质去除率打到94.8%，发酵废渣中矿物质只有0.77%。

芽孢杆菌发酵：因为芽孢杆菌产酸和产蛋白酶的能力很强，所以目前很多研究会使用芽孢杆菌来对虾蟹壳进行发酵来去除蛋白质和灰份，制取几丁质，如陈雪姣[15]等用高产蛋白酶的枯草芽孢杆菌B-1菌株发酵南极磷虾壳，在37℃，72 h，接种量为4%，液料比为1∶3的情况下，蛋白质的去除率为88.9%。而李永强[16]在接种量为10%的芽孢杆菌，pH值为8.6，培养基成分为5%的虾壳和10%的葡萄糖，发酵三天后，灰份的去除率达到了91%，但产蛋白酶的能力比较差，只去除了40%的蛋白质，他通过加入另一种蛋白酶K后实验，可以达到93%的蛋白去除率和91%的灰份去除率。达到了提纯高浓度的甲壳素的要求。

其他菌发酵：除了上面两种菌株外，还有很多其他菌株发酵可以做去除蛋白质和灰份的效果，如张婧[17]等人用嗜热链球菌发酵发酵虾头，在虾头含量为10%，葡萄糖含量为5%，发酵64 h后，获得最高去除蛋白率94.15%，去除灰份为83.27%。

在微生物发酵上，除了菌株的筛选，温度，适度，pH值都会对蛋白去除率和灰份去除率有很大影响，这一方面还有很大的研究空间。微生物发酵的优点是对环境友好，量产的可能性大。资源利用率高。但缺点是时间长，同时技术还不够成熟。因此这是一个很有前景的研究方面。

3.2 灰份的去除研究方法优化

传统的灰份去除方法是用盐酸，但是虽然这种工艺简单，但是会产生大量工业废水，污染问题很大，因此很多人开始用有机酸来代替盐酸，如栢韵[18]等人用柠檬酸来进行灰份的去除，在固液比为1∶12，反应时间为2.5 h，柠檬酸浓度为8%的情况下，灰份的剩余含量为0.42%。陈丽梅[19]等用南美对虾作为实验材料，用柠檬酸和NaOH制备甲壳素，得到了纯净的柠檬酸钙和蛋白质粉，与酸碱法相比可以回收钙和蛋白质，缺点是机酸一般比较贵。

3.3 蛋白质的去除方法优化

酶解法主要是通过商业蛋白酶或者用发酵液分离出的蛋白酶来对虾蟹壳中的蛋白质进行水解，这一方法通常用在去除蛋白质，因此通常会与酸来共同作用，来去除灰份与蛋白质。如刘锡红[20]等通过对碱性蛋白酶，酸性蛋白酶，木瓜蛋白酶和胰蛋白酶比较水解效果发现，碱性蛋白酶在添加量为5000 U/g。pH值为8.5的情况，温度60%，底物浓度为2 g/100mL，水解6 h之后,水解蛋白程度为78.3%。李永强[21]在通过多种蛋白酶中筛选出蛋白质效果最好的蛋白酶K，在添加量为1000 U/g的酶中，Ph值为8.0的情况下，发酵时间为12 h，蛋白质去除率可以达到82.62%。近期徐洋[22]等人通过超声波辅助碱性酶法，蛋白质回收率达到了87.42%。

这一方法在去除蛋白质的方面上，优点为反应条件容易达到，对甲壳素影响较小，环境污染比较轻，缺点为对蛋白质的去除程度不够，耗时长，需要找到去除蛋白程度更高的酶来进行去除蛋白质，这一方法目前研究得还不够成熟，大规模生产需要的蛋白酶较多，使得成本比较重。

4 结论

在从虾蟹壳中提取提取几丁质的研究方法中。微生物发酵和酶解的方法是如今的热点，随着我国虾蟹壳的产量不断提升，如何更加有效的和环保的利用好这一资源引起广泛的关注和研究。而这两个方法对传统方法来说也确实有机会和有希望达到产品和环境保护的要求，因此，这两种方法的研究具有很大的积极意义。