虾壳中甲壳素提取工艺的研究进展

◎ 孙承磊

（龙口市检验检测中心，山东 龙口 265701）

1 甲壳素简介

甲壳素，别名是甲壳质、几丁质，在英语中称为Chitin，是由N-乙酰基-D-葡萄糖单体通过β-1,4糖苷键相连的直链高分子化合物，分布范围广，主要分布在节肢动物如虾、蟹等，其中甲壳素含量高达58%～85%，其次是昆虫纲（蝗虫、蝴蝶、蚊蝇、甲壳素约20%～60%）、叶状体（如马地、蜈蚣、蜘蛛、蝎子等，甲壳素含量为4%～22%。甲壳素的化学组成和纤维素非常类似，属于六碳糖的多聚体，而且分子数量超过一百万[1]。甲壳素作为一种机体的功能性食品，相比于其他的营养保健品，它具有强化身体和人体免疫的功能，而且能够抑制老化，预防疾病如癌症，以及加速病患的痊愈和调节机体生理和机能等。甲壳质在农业、食品、日化、轻纺、医药和环境保护等行业都有着广泛的应用前景。

2 甲壳素主要营养价值及利用情况

目前在工业上生产甲壳素的原料主要是水产品在加工过程中废弃的虾蟹壳等，虾壳作为虾仁加工或食用后的废弃物未能得到综合利用，而虾壳中存在的成分主要有粗蛋白质占41%，碳酸盐约占21%，甲壳质约占15%～20%，而干虾壳中甲壳素的含量高达20%～30%[2]。我国是对虾的养殖大国之一，在2005年我国虾的养殖量达到98.1万t，2006年我国对虾的养殖产量已经达到156万t，在2007年对虾总产量超过100万t，其中南美白对虾占总量的78%[3]。在对虾的加工过程中会产生大量的虾壳和虾头的下脚料，而对虾的虾头和虾壳占虾的30%～40%[4]。目前，我国的对虾产品主要以出口为主，出口产品中以冷冻虾仁为主要方式，在加工虾仁产品的过程中也产生了很多像虾壳这样的废弃副产物[5]。

3 甲壳素提取工艺的研究进展

目前提取甲壳素的基本方法主要有传统的酸碱法、酶法结合化学法、新式的微生物发酵法和EDTA法等。

3.1 酸碱法提取甲壳素

在虾壳中提取甲壳素的工艺中酸碱法是该工艺研究的基本方法，同时它也是工业上大范围利用对虾外壳制备几丁质的主要方法。该方法的主要步骤是先通过盐酸溶液浸泡虾壳，目的是脱去碳酸盐，再利用氢氧化钠溶液碱煮一段时间后除去蛋白质和脂类等物质，然后再冲洗至中性，用高锰酸钾溶液或者过氧化氢溶液脱除色素，最后烘干得到甲壳素[6]。该方法的优势是实践比较简单，操作较为方便，但该方法使得碱液及其热能消耗很大，更容易产生废液和废水等污染物，对环境污染比较严重，所以一些学者不断尝试改进原存的技术。如伍军等人[7]利用1.5%盐酸溶液和8%的氢氧化钠溶液处理虾壳，得出几丁质的提取率为16%；舒晓宏等人[8]利用碱交替的方法提取甲壳质，其提取率为18.56%；PERCOT A等人[9]探讨了关于酸碱法脱去蛋白质和脱除矿物质的一系列过程，并对其进行优化，提高了甲壳素的提取率，并利用碱液制备几丁质的方法；陈利梅等人[10]以南美对虾为试验原料，用柠檬酸和氢氧化钠来制备甲壳素，获得了优质的柠檬酸钙和蛋白质粉；在提取甲壳质试验之前，先利用沸水过滤虾壳，目的是减少其中的蛋白质、脂质和碳酸盐等物质，再将虾壳破碎至60目大小，再通过稀酸液和稀碱液浸泡一段时间，可以减少酸和碱的利用量，最终得到符合工业级要求的几丁质[11]。张雪等人[12]利用低浓度盐酸浸泡虾壳，然后使用中性蛋白酶酶解蛋白质，过滤后再用3～5 mol·L-1稀盐酸在45 ℃恒温水浴中反应1.5 h，进而彻底脱除矿物质，随后用蒸馏水进行洗涤、烘干即可获得甲壳质产品。另有中国知名专利利用微波加热对虾外壳，再使用氢氧化钠溶液进行碱煮1～2 h，最后浸入盐酸溶液中，得到的粗提物再利用氢氧化钠溶液和盐酸溶液处理1遍，通过自然晒干法得到甲壳素产物[13]。

3.2 微生物发酵法

微生物发酵法主要是通过应用真菌或细菌等微生物在发酵这一过程中产生的有机酸和蛋白酶去除虾蟹壳中的无机盐和蛋白质及脂质，从而产生高品质甲壳素，其是提取甲壳质的一种新方法。黄璠[14]使用鼠李糖乳杆菌和枯草芽孢杆菌共同发酵从虾壳中制备甲壳素，最后蛋白质和矿物质脱除率分别为85.45%和98.98%。林奕封等人[15]研究了对虾头的内源性蛋白酶水解虾头的蛋白质，同时设计了二次旋转正交试验，优化了内源性蛋白酶的酶解条件。相比于传统的酸碱法提取甲壳素的工艺，用微生物发酵法提取甲壳素的各种反应条件较为温和，所耗费的能源较少。

3.3 酶法结合化学法提取甲壳素

利用稀酸溶液结合蛋白酶除去对虾外壳中的碳酸盐和蛋白质及脂质，提取几丁质，其中可使用的蛋白酶有碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、风味蛋白酶及枯草杆菌中性蛋白酶。如段元斐等人[16]也探究了木瓜蛋白酶和枯草杆菌中性蛋白酶的综合运用，同时利用浓度为10%的柠檬酸来提取虾蟹壳中的几丁质，提取的甲壳素中碳酸盐含1.0%，蛋白质含约6.7%，并且过滤后的水解溶液也可以用来制备具有海鲜风味的调味剂。MIZANI等人[17]探究了通过Aicaiase结合亚硫酸钠和Tritonx-10除去甲壳素中蛋白质的方法。此方法表明其可以有效除掉蛋白质等，所以甲壳质中蛋白质的残余量仅约0.87%，并且水解液经过烘干后所得到蛋白粉含有丰富的必需氨基酸等物质，因此可作为合适的畜禽饲料添加剂。

3.4 EDTA法制备甲壳素

制备甲壳素的传统工艺是用酸碱法提取甲壳素，工艺流程是用酸脱钙，用碱脱蛋白质[18]。此方法的缺点是消耗过量的酸和碱，并且容易破坏几丁质的构成，除掉蛋白质需要在加热的条件下进行[19]。张恒龙等人[20]用柠檬酸与苹果酸的混杂液作脱钙剂，它的脱除钙物质的反应比用盐酸更好，得到的几丁质的质量更高，而且用过的EDTA还可进行回收再次利用，不仅降低了提取甲壳素的生产成本，而且提高了甲壳素的附加值。EDTA法提取甲壳质的工艺流程是钙以碳酸钙的形式存在于虾壳中，该反应中EDTA可循环重复使用和回收。通过EDTA提取甲壳质的工艺研究中具备实践性，工艺过程简便，生产周期短，不易污染环境，工艺成本低等优点。

3.5 超声波辅助柠檬酸法提取甲壳素

近期以来，科研工作者已经开始尝试应用柠檬酸、乳酸和EDTA等物质对生物废弃物进行脱钙处理，但存在脱钙效率低等问题。试验以柠檬酸作为脱钙剂，同时辅以超声波的振动及空化等作用，获得一项虾壳中脱除钙的高效、清洁技术。在用虾壳制备甲壳素的工艺流程中，用超声波辅助柠檬酸法能够有效脱除虾壳中的钙。超声波可明显提高虾壳的脱钙效率，除此之外，用柠檬酸脱钙的工艺除了可以减少常规盐酸脱钙反应造成的污染之外，方便回收矿物质钙，提高了虾壳的综合利用率。因此，超声波辅助柠檬酸处理法可以称为一种几丁质生产过程中用于脱除虾壳中钙的最佳方法。

4 展望

虾壳是经常被人们忽视的可利用资源，甲壳素携带的不饱和阳离子基团强有力吸附各种带负电荷的有害物质，除去人体的“垃圾”，从而有预防疾病的功效。甲壳素是常用的抗氧化剂、自由基清除剂以及食品添加剂，在治疗肿瘤，心血管疾病方面有着重要的辅助作用。通过传统的酸碱法、酶法结合化学法、新式的微生物发酵法和EDTA法等技术，优化甲壳素提取工艺条件，提高甲壳素提取率，优化甲壳素提取速度，以期为甲壳素的深加工提供新思路。