对虾加工下脚料的综合提取技术研究进展

李雨霖,余 炼,倪 婕,姜 毅,江虹锐,刘小玲

(广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁 530004)

虾作为水产品的一种,不仅是中国水产品中出口最大量的,还是国际市场上交易最活跃、价值最大的产品。2019年全球虾的总产量约470 万吨,中国产量已达110 万吨[1]。其中对虾养殖业是我国水产养殖的代表性产业之一,养殖产量占全球对虾养殖产量的26%,主要养殖的种类包括南美白对虾、中国对虾、斑节对虾、日本对虾等[2]。南美白对虾由于肉质鲜美、营养价值高、繁殖快、抵抗疾病侵害的能力强等优点,逐步成为中国主要的对虾养殖品种,占总对虾养殖量的70%以上[3]。随着国内外对对虾加工产品需求量的增长,其或将替代部分大宗淡水鱼,成为主流的水产蛋白之一[4]。对虾在生产中常以无外骨骼的冷冻形式出口,其中大约有45%～48%的废弃物没有经过利用而直接被丢弃[5]。对虾的加工废弃物又称对虾的加工下脚料,主要包括虾头、虾壳、虾尾、清洗用水(含有蛋白质)等,常被当作垃圾填埋或丢弃,是造成沿海地区难闻气味和主要地表污染的原因之一[6]。

相关研究表明对虾的加工下脚料仍含有许多营养物质,主要由甲壳素、蛋白质、虾青素等组成,具有一定经济和营养价值。以南美白对虾为例,其下脚料中氨基酸种类齐全,脂肪酸组成与虾肉差异也不显著,且虾头的粗脂肪含量为3.87%高于虾肉(1.89%)的粗脂肪含量[7],可提取油脂生产虾油;同时虾头还含有18种挥发性物质,风味与虾肉不同[8],可制作虾头酱等调味料;虾壳中虾青素含量较高,可用于天然虾青素的制备或利用其多孔结构除去水体中的重金属离子[9]等。目前,对于对虾加工下脚料的利用已经得到一定重视,但在实际生产提取下脚料中营养成分时多数采用的酸碱法、溶剂萃取法，造成了化学试剂大量使用,增加了环境的负担且对下脚料的利用率不高。随着可持续发展和“零废弃物”的提出实施,虾类加工企业在如何更好利用这些下脚料的问题上陷入了一定困境,对此文章综述了近年来国内外有关对虾加工下脚料的有效成分提取及其方法,以求为更高效和更合理利用虾类加工下脚料提供一定借鉴。

1 甲壳素

1.1 概述

甲壳素(Chitin)又称几丁质、甲壳质,是海洋生态系统中含量最丰富、与纤维素的化学结构类似的无定型多糖[10],脱乙酰化后可制成甲壳素衍生物壳聚糖[11]。由于甲壳素及其衍生物具有抑制肿瘤发生、保护肝脏、治疗胃溃疡、提高免疫系统能力等功能[10],被誉为“人体的健康能源”。已被美国药物食品管理局、欧洲医学科技界和营养食品研究机构列为继糖、脂肪、蛋白质、矿物质和维生素之后人体所必需的第六生命要素[12]。对虾中甲壳素含量丰富,以南美白对虾为例,其在虾壳和虾头中的含量分别为6.67%和3.33%[13],因此可通过从中提取甲壳素并进一步加工以应用于食品、药品等领域。如作为益生元促进肠道有益菌生长[14],可用于食品加工中的增稠剂、稳定剂和防腐剂[15]以及新兴的抗菌包装和涂层[16]、人造皮肤等。甲壳素及其衍生物无论在科研还是生产应用方面,都显示出了极大的市场潜力,因此从对虾加工下脚料中提取甲壳素是减少浪费和提高其经济价值的一个解决方案。

1.2 提取方法

水产加工下脚料中的虾壳、蟹壳是生产甲壳素的主要来源,占生物合成甲壳素总量的80%[17]。甲壳素一般与蛋白质、钙等组分结合紧密,通常需除去或回收这些组分后才能得到。在提取甲壳素的过程中,可以通过控制工艺条件获得不同脱乙酰化程度的壳聚糖[18],同时回收蛋白质、碳酸钙等其他有附加值的产物。

1.2.1 酸碱法 酸碱法是目前最成熟、工业上认可度最高、应用最广的制备方法。它的原理主要是利用无机酸除矿物质和强碱脱蛋白后而获得。蓝尉冰等[19]用传统的酸碱法提取南美白对虾下脚料中的甲壳素,甲壳素得率为14.63%,脱蛋白率为52.45%,脱钙率为70.54%,脱除蛋白质和矿物质的效果较好。Srinivasan等[20]在室温下先后用1.0 mol/L HCl和3.0 mol/L NaOH从虾壳中提取甲壳素,最后甲壳素得率为30%,壳聚糖的产率为35%,壳聚糖的产量升高主要是由于脱盐和脱蛋白过程中引起的部分脱乙酰基和链降解,若要制备纯度更高的甲壳素,就需要对提取过程的条件进行控制或后续进行纯化。传统的酸碱法虽然操作简便,但提取过程使用了大量的强酸和强碱,对环境有极大的危害,并且还会使甲壳素的理化性质受到损害、蛋白质变性造成蛋白质无法回收的结果,损失部分有价值的副产物。

Kaya等[21]在传统酸碱法的基础上采用NaClO处理虾壳,明显缩短了除去矿物质和蛋白质所需的时间,且获得的甲壳素性质与直接提取的甲壳素物理性质基本一致。朱凯等[22]通过在酸碱处理前增加原料粉碎和复合脱脂剂处理,相比不进行处理,酸碱总处理时间缩短了3倍,总用量减少了8倍,且灰分残留量更少,既提高了获得的甲壳素的产品质量,也节约了能源,减少了对环境的污染。彭元怀等[23]用98%的硫酸对甲壳素生产中的废盐酸进行再生,盐酸的再生率可达91.51%,能重复利用5次。通过上述以及Knidri等[24]的研究可以发现,粉碎原料、辅助超声或微波以及化学试剂的方法改进工艺,都能起到减少处理所需的化学试剂用量并缩短处理时间的目的。并且针对酸碱污染环境的问题,工艺优化和盐酸再生都在一定程度上减少了酸的用量,更有利于生产中成本的节约和环境的保护。

1.2.2 酶解法 酶解法就是利用蛋白酶水解下脚料中蛋白质从而破坏甲壳素与蛋白质的结合,也是常用的提取甲壳素的方法之一,但是该法作用范围局限在蛋白质,为了确保同时除去下脚料中的蛋白质和矿物质以提取甲壳素,常需辅助酸或微波、超声波等。该法的优点在于提取条件温和、污染小,而不足之处在于使用的蛋白酶价格较贵且应用条件较严苛。Angel等[25]首先以蛋白质脱除率为指标筛选具有蛋白脱除力最强的酶,实验表明碱性蛋白酶的蛋白脱除率最高,而后以微波辅助其提取虾头中的甲壳素,最终甲壳素产率为22%,其中仅残留有0.2%的灰分,脱除了61%的蛋白质,相比酸碱法甲壳素的产率相差不多,但矿物质的去除更彻底。Younes等[26]将虾壳先用盐酸脱矿物质并水洗至中性后用两种碱性蛋白酶 A21 和S.scrofa来脱除蛋白质,该实验结果显示该方法可以脱除100%的灰分和95%的蛋白质,并且保留甲壳素99%的乙酰度,提高了甲壳素的纯度。这表明将酶法与酸碱法相结合,比单一的使用酸碱法酸的用量减少,且甲壳素的质量更高。

1.2.3 微生物发酵法 微生物发酵法本质是通过发酵过程中产生的蛋白酶和有机酸分别脱除虾壳中的蛋白质和灰分,被认为是环保、安全、技术灵活和经济可行的替代酸碱法的方法之一[27],是目前研究制备甲壳素的热点。乳酸菌是目前较常用的菌,因为其产生的乳酸能与对虾下脚料中的碳酸钙成分发生反应形成乳酸钙沉淀,再进一步通过洗涤就可以去除[28],并且还能降低pH,抑制腐败菌的生长。刘斯雅等[29]利用植物乳杆菌发酵虾头和虾壳,蛋白质的回收率为98.2%,矿物质残留仅为2.8%,提取的甲壳素可满足工业级甲壳素的纯度要求。Gamal等[30]用枯草芽孢杆菌在添加5%蔗糖、料液浓度12.5%、接种量10%、发酵时间7 d的条件下发酵虾壳,甲壳素得率为22%,蛋白质脱除率为96.0%,矿物质脱除率为82.1%。Xin等[31]采用常压和室温等离子体诱变技术筛选出高效稳定的10017号突变株,用其发酵虾的加工下脚料,甲壳素得率为70.18%,蛋白质脱除率为91.48%,高于原始菌株发酵所得60.75%的甲壳素得率和79.58%的蛋白质脱除率。Khanafari等[32]分别用化学和微生物法从虾下脚料中提取甲壳素的实验也表明微生物法优于化学法。以上实验可以看出微生物发酵法能达到较高的蛋白质和矿物质的脱除率,且通过优化发酵工艺和菌种选育的方式还可以进一步提高甲壳素的得率和纯度;与酸碱法相比提取过程较温和,能获得分子结构较稳定的高分子甲壳素,还可以进一步回收碳酸钙和蛋白质等成分,也避免了酸碱使用造成的环境污染。但发酵法存在耗时长等不足,目前可通过优化发酵工艺、进行菌种选育和员工培训等方法,使其更好应用在工业生产中[11]。

1.2.4 离子液体法 目前一种新的利用离子液体来提取回收对虾下脚料中甲壳素的研究方法[33]。离子液体又称室温熔盐,是由有机阳离子和有机(或无机)阴离子组成的低温熔融盐,具有非挥发性、热稳定性好、可设计性强、能保留高分子量产品的特点,能很好溶解甲壳素、纤维素等多糖[34],并且其提取甲壳素的能力与酸碱法相当,可作为酸碱试剂的良好替代品。Qin等[35]提出1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐([C2mim][OAc])能溶解甲壳类动物的壳并回收其中的甲壳素,实验以每0.4 g样品加10 g[C2mim][OAc],并微波2 min辅助溶解虾壳,结果显示该法可有效提取虾壳中94%的甲壳素,且获得的甲壳素有较高的纯度和分子量。但是由于离子液体本身黏度大,会阻碍其与虾壳之间的传质作用,从而影响甲壳素的提取率。Shamshina等[36]提出可以用酸性和碱性离子制成的低廉离子液体羟基乙酸铵([NH3OH][OAc])代替[C2mim][OAc]进行虾壳中甲壳素的提取,可回收96%的甲壳素(纯度为80%),在一定程度上可解决[C2mim][OAc]黏度大的问题且价格更经济。但是该提取方法使用了羟胺,而羟胺易分解,剧烈加热会爆炸,对呼吸系统、皮肤等也有刺激性。因此继续寻找其他试剂替代部分离子液体来降低其黏度和生产成本,及注重天然无毒离子液体的合成和离子液体的循环使用等问题都是未来的研究需要进一步关注的方向[37]。

2 蛋白质

2.1 概述

南美白对虾的加工下脚料中含丰富的蛋白质,在虾头和虾壳中的含量分别为6.38%和5.22%,且氨基酸种类齐全,其中必需氨基酸在虾头和虾壳中的含量分别可占游离氨基酸总量的41.52%和45.54%[12],与酪蛋白(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,是优良的食物蛋白质资源[38]。并且氨基酸的比例和组成符合人体必需氨基酸的要求,与人体肌肉组分相近,因而人体对其吸收利用率较高[39]。李晓等[40]对凡纳滨对虾虾头中蛋白质的营养价值进行了评分,发现虾头中平均氨基酸评分和平均氨基酸的化学评分分别为121.21、97.55,均高于虾肉中两者评分,更接近于理想全鸡蛋的蛋白质模型。同时其含的呈味氨基酸占总氨基酸的比值达37.44%,各呈味氨基酸的组成也与虾肉有所差异,因而具有不同于虾肉的风味,可用于制备天然的调味品。由于对虾下脚料中含有的丰富游离氨基酸,工厂常将其用作原料生产调味品、氨基酸肥料以及动物饲料。随着研究的深入,研究人员发现很多海洋来源的生物活性肽都具有免疫调节、抗癌、抗菌等生物活性[41],因此越来越多的研究通过酶解、微生物发酵、凝胶过滤等方法提取纯化虾头及虾壳中含的生物活性物质如抗氧化肽、抗菌肽、ACE抑制肽等,并进一步加工应用于医药、化妆品等领域。有关虾类加工下脚料中蛋白质的研究相比虾肉蛋白和虾类加工下脚料中甲壳素和虾青素的研究都较少,而该活性成分的提取生产能在增加下脚料附加值的同时减少废水处理的成本,使工厂利益最大化,因此对这方面资源的利用仍需加强。

2.2 提取方法

目前对于对虾加工下脚料中的蛋白质的回收方法主要有:酶法水解、碱法提取、微生物发酵等。其中蛋白水解产物可以在生产甲壳素脱蛋白的过程中大量获得。

2.2.1 碱法 碱法提取的原理就是使蛋白质的肽键在碱的作用下被破坏。陈博等[42]通过响应面优化超声波辅助碱法提取对虾下脚料中的蛋白质,在碱液质量分数10%、超声温度50 ℃的条件下提取30 min,蛋白质的提取率为14.1577%。碱法提取成本低、操作简便,但是提取率不高、污染较大、蛋白的水解程度难以控制,并且由于反应过程较为剧烈,也易使氨基酸受到损伤[43]。

2.2.2 酶法 目前在实际生产中多数还是采用酶法或超声等辅助酶解提取蛋白质。酶法水解就是通过蛋白酶切断蛋白质分子的肽键,使高分子量的蛋白质裂解成低分子量的多肽后从原料中分离出来,从而获得蛋白质。Pattanaik等[44]采用木瓜蛋白酶从斑节对虾的虾壳中回收到9.8 g/100 g的蛋白质,在对这些蛋白质进行的自由基清除活性和还原力的测定实验中均表现出较好的效果,可作为补充营养成分添加在动物饲料中。Ambigaipalan等[45]利用多种蛋白酶从虾下脚料中提取蛋白质和多肽,经检测发现所提取的蛋白质水解物除具有多种自由基清除活性、亚铁离子螯合能力和还原力外,还具有ACE抑制活性,经过纯化后的ACE抑制肽可以用作潜在的血压控制药物。同时还发现利用酶在分解虾壳中的蛋白质时可同步提高下脚料中类胡萝卜素的回收率,对资源能进行更充分的利用。姜震[46]通过比对超声辅助碱法和酶法提取蛋白质,发现碱性蛋白酶的蛋白质提取率为45.76%,虽低于超声辅助碱法78.6%的提取率,但酶法获得的蛋白质溶解性、乳化性等功能特性更好。酶法提取的过程易操控、反应条件温和,且碱性蛋白酶处理对壳聚糖的回收率和质量无显著影响[47];但大批量生产时成本较高且水解过程易腐败[11],还存在蛋白质酶解液易因操作不当产生腥臭味和苦涩味的问题,对此可通过提高相关从业人员的操作水平及采取除臭手段来解决,以便更好在食品领域等应用。

2.2.3 微生物发酵法 微生物发酵法是利用了微生物的代谢作用,不仅能改变蛋白质的品质,还能产生易于消化利用的短肽、氨基酸等物质,使加工废弃物转化成高附加值的发酵产品[48]。Olfa等[49]用铜绿假单胞菌发酵虾壳,有90%的蛋白质被水解,经检测发现该蛋白水解产物可清除DPPH自由基。Bhaskar等[50]用乳酸片球菌发酵虾的加工下脚料,在5%接种量、pH4.3、添加15%葡萄糖的条件下37 ℃发酵3 d,蛋白质回收率可达97.9%。段杉等[51]用3株乳酸菌混合成的发酵剂发酵虾头和虾壳,在添加20%葡萄糖、1∶2固液比、10%接种量及39 ℃的条件下发酵5 d,蛋白质回收率为94.0%。以上采用不同菌株发酵回收蛋白质的回收率都较高,有很大的实用价值,尤其是用乳酸菌进行发酵,不仅可以防止对虾下脚料在自溶过程中腐败现象的发生,还可以延长自溶时间,使自溶酶和乳酸杆菌更充分的作用,使蛋白质得到更充分的水解;同时还能减轻或除去产品的腥臭味和苦涩味,解决生产中恶臭的问题;更重要的是发酵过程中生成的乳酸也能将下脚料中含有的不溶性钙盐转化成可溶性乳酸钙,更方便生产甲壳素[52],进行综合利用。然而微生物发酵通常周期较长,发酵过程中也会产生影响目标产物产量和稳定性的其他代谢产物,且该代谢产物常难以分离和纯化[11],对此可采用优化发酵条件使目标产物产量更高等方法,以便更好应用在实际生产中。

综上所述,酶法和微生物发酵法就未来发展趋势而言是替代化学法的有效途径,可以对此进一步研究,同时采用辅助微波、超声波、超滤[53]等其他技术使对虾加工下脚料中的蛋白质能更好的回收利用。

3 虾青素

3.1 概述

虾在加热烹调过程中外壳的颜色逐渐变鲜红,原因即是外壳中含有的虾青素。虾青素(Astaxanthin)又名虾黄质、虾黄素,是一种非维生素A原的类胡萝卜素,在动物体内不可以进一步转化成维生素A[54]。虾青素在自然界中主要以游离虾青素和虾青素酯的形式存在,在虾中主要以虾青素酯的形式存在,根据结构不同虾青素酯还可进一步分为虾青素单酯和虾青素双酯[55],南美白对虾的虾壳中虾青素酯的含量可占虾青素含量的84.62%[56]。通过柱层析法等方法可分离制备不同形态的虾青素,这样依据虾青素的构效关系能更好为功能食品开发提供依据[57]。郝淑贤的研究显示凡纳滨对虾的虾壳中虾青素含量为5.01%±0.89%[7],是制备虾青素的较好来源。虾青素具有的强抗氧化性大约比维生素E的高500倍,因此又被称为“超级维生素E”,常以抗皱、抗氧化、抗紫外线辐射等作用广泛应用于化妆品中[58],还可以起到预防心血管疾病、增强免疫、降低动脉粥样硬化发生率等作用[54]。除对人体有许多健康作用外,还可被用于饲料添加剂和商用食品添加剂,尤其是对脂类含量较高的食品,能起到着色和保鲜的双重作用,有良好的应用前景[59]。

3.2 提取方法

近年来,虾青素的功能特性及经济价值被人们逐渐发现,其需求量也日益增加。目前可通过化学合成法和天然提取法来生产虾青素,其中化学合成的虾青素占据主要市场,其市场占有率约为95%,但实际上它的应用安全性、结构和功能与天然虾青素均存在差异,相关实验也表明其抗氧化活性仅为天然虾青素的一半[58],稳定性、着色性等方面也更差,且价格高昂,因此,天然虾青素的高效提取不仅是循环经济的选择也是未来虾青素发展的重点。

3.2.1 碱法 碱提法成本低、时间短、纯度高,但废液严重污染环境。为此杜云建等[60]通过稀碱液处理虾壳来提取虾青素,在1∶4固液比、50 ℃的条件下用0.5 mol/L NaOH浸提,最终粗虾青素的得率为9.31%,但提取后的废液对环境的危害程度降低,可以与酶一样用作提取虾青素的前处理方法。

3.2.2 溶剂萃取法 目前,溶剂萃取法仍是虾青素提取采用最多的方式,其优点在于提取温度较低,利于虾青素稳定,常用的溶剂有乙醇、丙酮、异丙醇及这些溶剂的各种组合等[61],但不同溶剂提取效果不同。Hooshmand等[62]用不同溶剂从虾下脚料中提取虾青素,最后采用丙酮作为溶剂提取的类胡萝卜素产量最高,为61.321 μg/g。Sachindra等[63]用异丙醇与正己烷(50∶50,v/v)混合从虾下脚料中提取虾青素,产量为43.9 μg/g,比单独用异丙醇(40.8 μg/g)和丙酮(40.6 μg/g)的虾青素提取率都高。这表明混合溶剂能起到比单一溶剂更好的效果,并且可以弥补单一溶剂提取色素中成分有差异的问题。但溶剂提取法不足之处在于有些溶剂存在毒性,有一定安全隐患。另外,虾青素具有油溶性质,也可用食用油来提取,常用的有大豆油、棕榈油等。Sachindra等[64]比较了不同种类的油对虾下脚料中虾青素提取率的影响,取虾下脚料与油1∶2混合,70 ℃水浴加热2 h,结果显示葵花籽油提取的虾青素产量为26.3 μg/g,高于花生油、大豆油等其他6种油提取的虾青素产量。用食用油提取虾青素时,除油的种类外油用量也会影响虾青素的提取,并且提取后虾青素与油的混合物不易浓缩,易使产品的浓度较低,一定程度上会限制其应用范围。

3.2.3 酶法 酶法提取也是一种环境友好的提取工艺,能防止溶剂造成化学污染,且能耗小,时间短,常用作前处理方法以破坏虾青素与蛋白质的结合,也可与其他方法联合同时提取甲壳素和虾青素[65]。赵仪等[66]利用木瓜蛋白酶对大明虾的加工下脚料进行虾青素提取,研究结果表明在酶添加量1.30%、44.5 ℃、pH5.51的最适条件下酶解92.6 min,得到类胡萝卜素的产量为63.059 μg/g,比直接用丙酮提取的产量提高了19.879%。该方法不仅提高了类胡萝卜素的产量,还可以增强加工过程中的安全性,因为丙酮属于易燃品且长期接触对人健康有害。Auerswald等[65]先在龙虾加工下脚料中添加0.5%木瓜蛋白酶,控制固液比1∶10,38 ℃下酶解24 h后离心分离,再用甲醇提取,最终可得到54.5 μg/g虾青素,该法将酶法与甲醇溶剂法结合,相比单独使用某一方法的虾青素提取率高,而且可节约单独使用酶提取的成本和甲醇的用量。

3.2.4 超临界CO2萃取法 溶剂萃取法涉及萃取后溶剂分离的问题,而超临界CO2萃取技术则避免了这一环节。同时由于其具有低粘度、高扩散系数等优异特性,能更好地从固体样品中进行提取,且在较低温度下进行,能有效防止虾青素的降解损失。Abdelkader等[67]比较了不同压力和温度条件下超临界CO2与正己烷萃取虾青素得率的差异,实验表明超临界CO2萃取虾青素的最高产量为(86.2±3.1) μg/g,正己烷萃取得到的虾青素产量为(103.2±1.3) μg/g,虽然超临界CO2萃取的虾青素产量略低,但不存在正己烷后续回收和回收不彻底造成危害的问题,能简化生产步骤。Charest等[68]发现以10%添加量的乙醇作助溶剂用超临界CO2萃取虾壳中的虾青素能提高其萃取效率,而CO2和乙醇又具有无毒性和环境友好的特点,符合绿色发展的趋势,或可成为未来提取虾青素的优选方法,但超临界CO2萃取法相比普通的溶剂萃取需要更高端且耐高压的设备,投资较大。

3.2.5 离子液体-盐双水相萃取 双水相萃取是通过双水相的成相现象及物质在两相间的分配系数不同而进行的分离技术。传统的双水相萃取存在高粘度阻碍传质、极性范围窄、选择性受限等问题,而离子液体双水相体系能弥补上述一些不足。Gao等[69]对比了6种不同离子液体与磷酸钾组成的离子液体-盐双水相体系的提取效果。按5∶3∶12的离子液体:磷酸钾:水的比例制成三元体系后与虾下脚料以20∶1 (mL/g)进行混合搅拌,再于35 ℃平衡12 h后取含虾青素的离子液体层加入超纯水沉淀虾青素。实验结果显示辛基三丁基溴化膦([P4448]Br)与磷酸钾的组合提取产量最高,为30.51 μg/g。这说明离子液体的结构会影响虾青素的提取效率,因为([P4448]Br)有最小的水合度和最低的氢键接受强度,所以对磷酸钾双水相的耐受性最强;其次[P4448]Br改善了水溶液的亲脂性,而虾青素是亲脂性化合物,故可增加虾青素的溶解度;而温度的升高会使离子液体的粘度降低因此也能提高虾青素提取率。将该实验提取的虾青素与丙酮提取的虾青素经扫描电镜观察微观结构发现前者损伤更小,表明前者提取的虾青素质量更高。因此该法或可成为替代有机溶剂萃取的方法之一,其优点是环保、能耗较低且对设备要求不高,提取条件也较温和,利于虾青素的稳定。目前,用该法从虾下脚料中提取虾青素的研究较少,还存在许多问题需要进一步探究,如蛋白质和矿物质对离子液体中虾青素提取的影响、使用过的离子液体如何除杂以延长使用期限等。

在虾的下脚料中虾青素常与蛋白质结合,进行甲壳素提取脱蛋白时,虾青素也会随之溶出,可同时进行提取利用。虽然水产品副产物中虾青素含量较低不能满足大规模的商业化生产需求且提取费用相对较高,但废弃资源再利用可以实现循环经济、减轻环境负担,因此仍保持从水产品下脚料中提取天然虾青素用于生产的方式[70]。可以通过超临界CO2、酶和溶剂等复合工艺以及对原料进行酸或酶解等预处理来达到提高产量、降低成本的目的,使得虾青素得以更好的开发和利用[61]。

4 脂肪

4.1 概述

近年来,人们由于摄入过多脂类而引起的高血脂、高胆固醇、肥胖等疾病已屡见不鲜。为此,人们致力于开发新型保健型油脂,其中多不饱和脂肪酸在其中发挥主要功效作用。而虾头中含有一定的脂质,可以从中提取虾油。对虾加工下脚料中脂肪酸组成的研究表明,其富含的有益健康的单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸可占总脂肪酸的34%[6]。李晓等[40]对凡纳滨对虾的虾头和虾肉进行的脂肪酸分析结果显示,虾头中含有38.12%的饱和脂肪酸、24.99%的单不饱和脂肪酸和36.61%的多不饱和脂肪酸,其中n-6:n-3 多不饱和脂肪酸的比值为0.79,低于虾肉中1.56的比值。事实上,人们在日常饮食中摄入的n-3多不饱和脂肪酸通常不足而n-6多不饱和脂肪酸通却较多,因此n-6:n-3多不饱和脂肪酸的比例失衡问题也越来越受到人们的关注[71]。尤其是n-3系列中被称为“脑黄金”的DHA(二十二碳六烯酸)和“血管清道夫”EPA(二十碳五烯酸),由于可以起到健脑、降低血脂、预防心血管疾病等作用受到人们青睐,而这两种多不饱和脂肪酸在凡纳滨对虾的虾头中分别含10.54%和6.47%,均高于虾肉中对应的含量。因此可以从对虾的虾头及其它下脚料中提取和生产虾油,以此来改善人们的饮食结构,这符合人们健康的发展观念,具有很大的发展潜力。

4.2 提取方法

4.2.1 溶剂萃取法 溶剂萃取法是目前工业生产中较为常用的方法,其提取油脂成本较低、操作简便,常用乙醇、丙酮等作为萃取溶剂。唐红枫等[72]从4种溶剂中筛选出提取虾油产率较高的异丙醇为提取剂,控制料液比1∶7于70 ℃提取110 min,从南美白对虾虾头中提取的虾油得率为7.89%。在提取过程中虾头的含水量、蛋白质等都会影响虾油的提取,可通过对虾头进行干燥和脱蛋白处理来提高提取率,因为含水量降低可以减少水与油脂分子的结合,使虾油更易提取,而蛋白质是通过疏水作用与脂质非极性部位结合,除去蛋白使脂质更好被释放出来。徐洋等[73]用不同原料处理方式探究对虾油提取率的影响,结果表明以冷冻干燥并粉碎的方式来提取虾油的提取率最高。在1∶9料液比、50 ℃、30 min的条件下用95%的乙醇提取,虾油得率最高,为12.64%±0.02%,高于从全虾中虾油的一次提取率(11.61%)[74]。原料粉碎后的虾油得率较高主要是由于粉碎能使接触面积更大,而干燥使原料水分含量降低从而能减少提取溶剂的用量,利于节约成本。作为萃取剂,乙醇本身与虾油分离简单,虾油提取液经浓缩分离后的乙醇回收率可达73%,能重复利用[74]。但有机溶剂提取的虾油中可能含有机残留,具有一定的毒性,还会对其他营养成分造成破坏。

4.2.2 酶辅助法 酶预处理作为一种新的、有效的提高油脂产量的方法,通过采用蛋白酶使肽键断裂,破坏蛋白质与油脂的结合,从而使油脂更好被释放出来。徐晓斌等[75]在中性环境下加入0.13%的复合蛋白酶,43.8 ℃酶解4.9 h,再用乙醇和石油醚提取,磷虾油的提取率为96.06%,高于曹文静等[76]用无水乙醇-正己烷(1∶10,v/v)混合溶剂萃取的89.1%的磷虾油提取率,且所得的磷虾油脂肪酸组成中,EPA和DHA的含量分别占16.90%和8.99%。Chen等[77]采用4种蛋白酶对虾下脚料进行水解,发现风味蛋白酶是该实验中的最佳水解酶。在酶添加量2.0%(w/w)、液固比9∶1 (mL/g)、水解时间2.6 h、温度50 ℃的条件下,虾油得率为88.9%。在对所得虾油进行的气相色谱分析发现该虾油含有11种脂肪酸,其中EPA和DHA的含量分别为7.81%和9.26%,与磷虾油中的脂肪酸组成有所差异,但多不饱和脂肪酸的含量也较高,具有较好的应用价值。该法优点是操作条件温和、得到的产品品质较高;可适用于含水量高的原料,节省干燥成本;酶解后的下脚料如蛋白质也可以进一步利用[75],但与传统方法相比额外增加了酶用量的成本。

4.2.3 超临界CO2萃取法 无溶剂残留、无污染的超临界CO2萃取技术弥补了溶剂萃取法存在的溶剂毒性危害和回收繁琐及不彻底的缺点。梁锐[78]用不同溶剂提取南美白对虾下脚料中的虾油,发现溶剂提取的虾油大多色泽较差且有腥味,选用综合表现较好的正己烷为萃取剂与超临界CO2萃取进行了对比,发现两个方法提取的虾油在外观上有明显区别,前者虾油呈深褐色,后者虾油呈金黄色,且后者过氧化值、酸值都更低,表明后者提取的虾油品质更高;两者在脂肪酸含量上没有明显差异,但在脂肪酸组成上有差异,主要表现在正己烷提取的虾油EPA含量(14.065%)明显高于超临界CO2萃取虾油的EPA含量(8.664%),这可能与EPA在正己烷中溶解度较高以及对色谱图积分时峰未分开和扣除无效杂峰面积有关。由该实验可以看出超临界CO2萃取法相比正己烷提取法提取虾油有更好的应用价值。由于磷脂在超临界CO2中溶解度很小,常需辅助极性溶剂(如5%～20%乙醇[79])为夹带剂进行提取[80]。杨霞[81]从南美白对虾的虾头中提取虾油的实验显示虾油提取率受CO2流量、温度和压力的影响较小,但在加入用量8%的乙醇后,虾油提取率为80.9%,比不加乙醇得率提高了5%,说明乙醇作为夹带剂对虾油提取率的影响较大。这主要是因为提取物质极性较大时CO2作为非极性物质溶解力有限,因此以乙醇为夹带剂可以提高提取率。在选择夹带剂用量时需进行对比,加大其用量可加强夹带剂和溶剂间的作用力,但添加量太多反而会造成其与超临界流体难以混合的情况,也会影响流体的超临界状态。虽然超临界CO2萃取技术溶剂使用量小,较环保且产品品质较高,但乙醇在室温下呈液态,使得在脱溶剂方面依旧有所欠缺,且设备较为昂贵、投入成本高,因此在目前要实现工业化生产存在一定困难[82]。

4.2.4 亚临界萃取法 亚临界萃取主要依据相似相容原理,以亚临界流体为萃取剂将萃取物中的脂溶性成分转移到萃取剂中,再通过减压蒸发使目的产物与萃取剂分离最终获得目的产物。许洋等[83]采用丙烷作为溶剂,控制压力和温度分别在0.3～0.8 MPa和30～35 ℃进行萃取,将得到的浸提液于0.01～0.03 Mpa和不同温度下分别减压蒸发水分和有机溶剂,即可得到精制虾油,该虾油中磷脂、EPA和DHA的含量分别为38.5%、21.8%和13.6%。用亚临界萃取法提取虾下脚料中的虾油,所得虾油中不饱和脂肪酸含量较高,因为亚临界状态下的丙烷分子扩散性能较强,使得其对物质的溶解能力增强,并且与超临界CO2萃取相比,无需另外添加夹带剂,技术设备投入也较低,更适合工业生产。然而目前以此法提取虾油的研究较少,有待更进一步的探究。

目前,对于这部分资源的利用和研究相对较少,其中大部分针对虾油的研究都来自磷虾,原因在于磷虾油相比于其他的海洋油脂更易被人所吸收[73]。在对虾下脚料进行提取虾油的过程中仍有一些问题亟待研究解决,如不当的原料解冻方式和条件会导致虾油酸价、脂肪酸含量、感官等品质下降[84];虾油酸价、过氧化值等偏高时需在保证功能活性物质完好的前提下确定合适的精炼方法[78]等。

5 结语

对虾的加工下脚料是廉价的可再利用资源,具有较大的社会效益和经济价值。随着对下脚料中虾青素、蛋白质、甲壳素和脂肪酸等成分的不断认识,越来越多的生产企业日益注重对这些下脚料资源的开发利用。但目前企业对于这些资源的提取多数仍以传统的酸碱法或溶剂法为主,使用的化学试剂大大增加了环境负担。随着提取、分离等技术的逐步优化、改良和发展,提取这些物质的方式将趋向于更环保、更方便、更高效的方向转变,如文中提到的微生物发酵、离子液体、高效无毒的超临界CO2法、离子液体-盐双水相萃取等。然而,就目前现状来看,对这些营养成分提取工艺的研究开发相对独立且大多停留在实验室规模阶段,与投入实际生产还有一定距离。由于实际生产更倾向于综合利用,对此可将对虾的下脚料进行分开处理,虾头由于脂质和蛋白质含量较高可主要用于虾油的生产和蛋白质的提取,而虾青素作为脂溶性化合物,在处理过程中也会溶于油脂使提取的虾油含部分虾青素,增加了虾油的活性成分;虾壳则可主要用于虾青素和甲壳素的生产,在生产甲壳素脱蛋白时虾青素也会溶出,可同时进行虾青素的提取和蛋白质的回收,还可通过脱钙回收碳酸钙沉淀。对于较成熟的方法还应进行中试试验等并制定相关的监测指标,进一步优化实验室的工艺参数,以便更好的在实际生产中应用。在将来,进一步寻找和优化更合适而高效的工业化综合利用对虾加工下脚料的方法仍是研究的重点方向。