微生物发酵法提取甲壳素的国内外研究进展

食品科技FOODSCIENCEANDTECHNOLOGY2012年第37卷第3期生物工程·40·甲壳素(Chitin)是自然界中唯一带正电荷的天然高分子聚合物，学名为(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖(C8H13NO5)n。它的来源极为广泛，主要存在于甲壳动物外壳、软体动物内骨骼、昆虫表皮、菌类及藻类等微生物的细胞壁中。每年地球上的生物合成量约为100亿t，是产量仅次于纤维素的第二大可再生资源，也是除蛋白质外数量昀大的含氮天然有机高分子。甲壳素收稿日期：2011-08-11*通讯作者作者简介：程倩(1986—)，女，湖北天门人，博士研究生，研究方向为食品科学。性能独特、组织相容性良好、可生物降解，其开发应用已涉及工业、农业、国防、化工、环保、食品、医药、保健、美容、纺织等诸多领域。目前，工业上用来生产甲壳素的主要原料是水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳，其甲壳素的含量一般在15%~40%，蛋白质含量为20%~40%，碳酸钙含量为20%~50%。制备甲壳素的方法主要包括脱盐、脱蛋白、脱色等３个步骤，即采用稀盐酸程倩1，吴薇2，籍保平1*(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083；2.中国农业大学工学院，北京100083)摘要：甲壳素是含氮天然有机高分子，具有优良的生物活性、安全性和降解性，在农业、化工、环保、食品、医药等行业有着巨大的应用前景。甲壳素制备方法主要有传统的酸碱法以及新兴的微生物发酵法。对微生物发酵法提取甲壳素的国内外研究进行综述，并探讨了微生物发酵的问题及今后的研究方向。关键词：甲壳素；发酵；提取；进展中图分类号：TS201.3文献标志码：A文章编号：1005-9989(2012)03-0040-04ProgressontheextractionofchitinbymicrobialfermentationCHENGQian1,WUWei2,JIbao-ping1*(1.CollegeofFoodScienceandNutritionalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083;2.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083)Abstract:Chitinisanitrogen-containingnaturalorganicpolymer,possessesexcellentbiologicalactivity,safetyanddegradability,andhasagreatprospectinagriculture,chemicalindustry,environmentalprotection,food,pharmaceuticalandotherindustries.Thetraditionalacid-basemethodandtheemergingmicrobialfermentationaretwomainmethodsforchitinpreparation.Inthispaper,theadvanceoftheextractionofchitinbymicrobialfermentationathomeandabroadwasilluminated.Atlast,themethodoffermentationwasalsodiscussed.Keywords:chitin;fermentation;extraction;progress微生物发酵法提取甲壳素的国内外研究进展·41·食品科技FOODSCIENCEANDTECHNOLOGY2012年第37卷第3期生物工程浸泡脱去碳酸钙，稀氢氧化钠或氢氧化钾溶液进行碱煮脱去蛋白质和脂类物质，高锰酸钾或过氧化氢溶液漂白。前两个步骤的顺序可以互换，但如果要回收蛋白质的话就需先进行脱蛋白处理。该化学法操作简单方便、效率高，但存在一定危险性，能源和资源消耗较大；加工过程产生大量的酸碱废液，对环境污染严重，处理费用高；长时间酸碱作用下甲壳素易发生解聚、异构化、脱乙酰化等现象导致产品结构不均一；此外，蛋白质、钙、虾青素等有效成分很难回收利用。由于化学法存在以上诸多缺陷，学者们尝试做了很多的改进。用乙二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸代替盐酸作脱钙剂，得到甲壳素的品质更高，另外EDTA还可回收，柠檬酸与钙反应生成的柠檬酸钙还可以作为补钙剂利用，降低了制备成本，又提高了产品的附加值。随着生物技术的发展，酶法也被应用于甲壳素的提取。Alcalase、糜蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胰蛋白酶等大量的商业酶已见于脱蛋白的研究。酶法虽大大降低了污染物的产生，减少了能耗，但却存在耗时长、效率低、成本高、脱蛋白不充分等不足之处。微生物发酵法是一种从虾壳和虾头中制备甲壳素和壳聚糖崭新的思路和方法。微生物发酵法即以虾壳和虾头等废弃物为底料，利用微生物在其生长繁殖过程中产酸去除矿物质，产蛋白酶去除蛋白质。相比传统的酸碱法，微生物发酵法不仅反应条件温和，耗能少，而且发酵过程不会水解甲壳素，可以得到较大分子量的甲壳素产物，另外不会产生酸碱废液，对环境友好，同时可大量降低生产用水，其他副产物能被有效回收利用。但目前此方法还处在实验室研究阶段，尚未大规模应用到工业化生产中。以下将从国外、国内开展的研究着重介绍微生物发酵提取甲壳素的昀新进展。1国外研究进展1.1生物处理脱盐微生物发酵产生有机酸可以将虾、蟹等加工下脚料中的钙溶解起到脱盐的作用，乳酸菌发酵消耗葡萄糖往往能产生大量乳酸，因而常被用于发酵提取甲壳素的研究对象。发酵产酸的速度与总量取决于接种量、碳源及其浓度、壳浓度、壳大小、温度等因素。Jung等[1]比较了LactobacillusparacaseiKCTC-3074发酵与2mol/LHCL、不同浓度EDTA、不同浓度乳酸等方式处理蟹壳的脱盐效果，脱盐后上述方法各自所得甲壳素残渣昀低灰分含量为18.3%、0.1%、0.2%和5.0%，由此可知，发酵相对于传统化学方法而言，脱盐率(DM)要低得多。他们又分别研究了该菌株不同接种量与糖浓度[2]、不同温度、壳浓度和大小[3]对发酵脱盐的影响，结果表明：DM与pH值呈负相关，而与总酸度呈正相关；糖浓度对微生物的生长与pH的下降起着关键作用，接种量超过5%后影响并不显著；25~35℃的温度范围和0.84~35mm的壳大小范围对DM影响甚微，壳浓度对DM有重要的影响，壳在培养基中的淹没程度决定了DM的高低；10%的接种量、10%的葡萄糖、10%的壳浓度、30℃发酵5d后DM为80%。Choorit等[4]利用响应曲面法优化Pediococcussp.L1/2发酵虾头脱盐的昀佳条件，在蔗糖浓度为50g/L、起始pH值为7.0、发酵36h后DM可以达到83.47%。1.2生物处理脱蛋白微生物发酵法脱蛋白，主要是通过环境友好的真菌或细菌的发酵体系中产生的“酵素”将蛋白质水解从而达到去除的目的。用于研究发酵脱蛋白的菌种有Lactobacillussp.、Bacillussp.、Pseudomonassp.和S.marcesce等。微生物脱蛋白的效率比较低，脱蛋白率(DP)一般在40%~88%，主要与使用的原料和菌种、发酵类型和时间有关。Yang等[5]比较了BacillussubtilisY-108、BacillussubtilisCCRC10029、PseudomonasmaltophiliaCCRC10737这3株菌的脱蛋白效果，结果显示BacillussubtilisY-108效果昀好，发酵3d，未经处理的虾壳DP为88%，盐酸处理过的虾壳DP降至76%。王三郎等[6]利用Bacillussp.TKU004和S.marcescensTKU011发酵鱿鱼软骨提取β-甲壳素，3d后DP分别达到73%和80%。选用PseudomonasaeruginosaK-187液态发酵虾-蟹壳粉、虾壳、虾头，7、5、5d后DP分别达到55%、48%、61%；固态发酵虾-蟹壳粉、酸化虾-蟹壳粉、虾壳、虾头，10、10、5、5d后DP分别达到68%、46%、82%、81%；通过比较发现，PseudomonasaeruginosaK-187脱蛋白活力比Pseudomonasmaltophilia高。Jo等[7]筛选SerratiamarcescensFS-3发酵蟹壳，7d后DP为84%，同时产生了47%的DM。此外研究还表明：壳浓度影响脱蛋白率，当壳浓度在5%~10%时，全部没在培养基中，液态发酵的DP为80%；当壳浓度在食品科技FOODSCIENCEANDTECHNOLOGY2012年第37卷第3期生物工程·42·20%~30%时，半固态或固态发酵的DP为55%。根据前人的研究结果，微生物发酵脱蛋白的效果要优于其本身所产的酶。1.3生物处理脱盐脱蛋白乳杆菌在发酵过程中既能产生有机酸又能产生蛋白酶，是从生物原料中采取一次发酵提取甲壳素的理想菌种。现有关于乳杆菌的报道较多。Zakaria等[8]利用LactobacillusparacaseiA3在旋转卧式生物反应器中发酵螯虾废料，5d后DM和DP分别为61.0%和77.5%。Rao等[9]在鼓式反应器中接种10%的Lactobacillusplantarum541、加入5%的葡萄糖，发酵1d后，虾头的DP和DM为83%、88%，虾壳的DP和DM为66%、63%。经过发酵所得残渣再用4%NaOH和4%HCL处理后，灰分含量都降至1%以下，符合甲壳素工业级要求(矿物质含量低于3%)[10]。Cremades等[11]对螯虾下脚料进行浮沉处理脱去部分蛋白质后，接种LactobacillusparacaseiA3，发酵3d后所得甲壳素中蛋白质和灰分含量分别为2.07%和1.34%。Cira等[12]对碳源及其浓度、接种量等发酵因子进行优化，结果表明：在添加10%的蔗糖、接种5%Lactobacillussp.strainB2的前提下，虾壳废料在固态塔式反应器中可以发酵保藏至少3个月。2kg规模的虾壳废料发酵6d后达到昀高DM和DP分别为85%、87.6%，此时甲壳素中含6.31%的钙和16.5%的蛋白质，该粗品经0.5mol/LHCL和0.4mol/LNaOH处理后，钙含量在1%以下，蛋白质含量在2%以下。Xu等[13]利用L.caseiMRS1分别发酵P.monodon和Crangoncrangon两种虾壳，前者发酵4.8d后DM和DP为99.6%、97.4%，所得甲壳素蛋白质和钙含量为5.8%、0.4%；后者发酵4d后DM和DP为99.7%、90.8%，所得甲壳素蛋白质和钙含量为6.7%、0.3%。以上所得甲壳素产品均符合工业级要求。为了更好地提高发酵的效果，昀大程度地脱除钙盐和蛋白质，有学者尝试了共培养和分步连续培养的发酵方式。Jung等[14]将产乳酸的菌株LactobacillusparacaseiKCTC-3074和产蛋白酶的菌株SerratiamarcescensFS-3也进行共培养，结果表明共培养比各自单独培养脱盐效果都要好，但脱蛋白效果不如SerratiamarcescensFS-3单培养，这可能由于LactobacillusparacaseiKCTC-3074产生酸抑制了蛋白酶的活性。共培养条件下，DM和DP分别为97.2%和52.6%。为进一步提高脱蛋白的程度，他们[15]首次采取了分步连续发酵的方法，通过比较L.paracaseiKCTC-3074单发酵、S.marcescensFS-3单发酵、先L.paracaseiKCTC-3074后S.marcescensFS-3发酵、先S.marcescensFS-3后L.paracaseiKCTC-3074发酵等不同策略的发酵效果，得出第4种方式昀佳，DM和DP分别达到94.3%和68.9%。影响发酵脱盐脱蛋白效果的因素很多，如壳浓度、糖浓度、起始pH、接种量、发酵时间、温度