虾壳中壳聚糖的提取及应用

虾壳中壳聚糖的提取及应用摘要：虾壳是水产加工工业中的废弃物，其含有丰富的甲壳素及其脱乙酰基后的壳聚糖。本文介绍了虾壳中壳聚糖的提取及其应用。虾壳中壳聚糖的制备方法主要酸碱法以及新兴的微生物发酵法。壳聚糖具有优良的生物活性，在农业、医药、食品、化妆品、环保、纺织工业等领域具有广阔的应用前景，市场潜力巨大。关键词：虾壳，壳聚糖，提取，应用壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖。几丁质又名甲壳质、甲壳素、壳多糖，,学名为(1,4)-2-乙酰基-2-脱氧-β-D-葡聚糖,是N-乙酰基-D-葡胺糖通过β-(1,4)苷键联结的直链状多糖[1]，其结构与纤维素相似,大量存在于低等动物,特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫的甲壳中,估计地球每年生物合成的甲壳约为亿吨,是尚未充分开发利用的资源[2]。几丁质经加工后完全无毒无害,是百分百的环保型材料,在农业、医药、食品、化妆品、环保、纺织工业等领域具有广阔的应用前景,具有无限的市场潜力[3]。1虾壳中壳聚糖的提取目前虾壳中壳聚糖的提取主要有酸碱法，发酵法等。1.1酸碱法酸碱法是目前利用虾壳提取制备甲壳素和壳聚糖最普遍的方法，也是目前工业上大规模利用虾壳制备甲壳素和壳聚糖的主要方法。该方法先通过盐酸浸泡虾壳脱去碳酸盐，再通过NaOH溶液进行碱煮脱去蛋白质和脂类物质，然后再洗涤至中性，使用KMnO4溶液或者H2O2溶液脱色，最后干燥得到甲壳素[4-5]。得到的甲壳素再通过浓碱液法脱去乙酰基，就可以得到不同脱乙酰度的壳聚糖。此法的优点是操作简单、方便，但会耗费大量能源和资源。提取1t甲壳素，就需要消耗0.5t片碱，8.5t30%的盐酸，200～250t淡水和1.5t煤炭。另外，加工过程中会产生大量的废液，不仅对环境污染严重，而且处理费用高。故不少学者尝试改进此方法。例如，有人用乙二胺四乙酸（EthyleneDiamineTetraaceticAcid，EDTA）[6]或柠檬酸和苹果酸混合液代替盐酸作脱钙剂，其脱钙效果不仅比盐酸好，而且得到的甲壳素品质更高，另外EDTA还可回收，柠檬酸和苹果酸与钙反应生成的果酸钙还可以作为补钙剂利用，降低了制备成本和提高了产品的附加值；又如，先使用沸水抽提虾壳，减少其中的蛋白质、脂类和盐类，然后将虾壳粉碎成5mm左右的小片，就可以在后续的加工中采用稀酸、稀碱浸泡，从而可以减少酸碱的用量，得到符合食品级要求的甲壳素[7]。某中国专利（03115713.0）利用低浓度盐酸喷洒虾壳，然后使用A.S1.398枯草杆菌中性蛋白酶水解软化其中的蛋白质，滤除水解液后再用3～5mol/L盐酸在40～50℃浸泡1～2h，彻底脱除矿物质，随后用自来水清洗、晒干可获得甲壳素产品[8]。另一个中国专利（200710168572.0）是先通过微波加热虾壳，然后使用NaOH溶液煮12h，并浸入HCl溶液中，得到的虾壳再使用NaOH溶液和HCl溶液处理1遍，随后太阳暴晒就可以得到甲壳素[9]。1.2微生物发酵法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。比如，利用从虾壳中分离到的一株乳杆菌BR-3，在接种量为10%、葡萄糖浓度为4.5%、固液比为1∶3、发酵温度为35℃、发酵时间为3～4d的条件下，可以得到灰分含量低于6%的甲壳素，其品质优于传统酸碱法得到的甲壳素[10]。Wanna等[11]在添加50g/L蔗糖，并控制pH为7的条件下，利用片球菌L1/2发酵虾壳36h，可去除其中84.37%的盐类物质。国外亦有学者利用枯草芽孢杆菌作为发酵菌种，在最适条件下，可去除虾壳和虾头中84%蛋白质和72%的灰分物质[12]。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，另外不会产生大量的酸碱废液，对环境友好。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。[10]2壳聚糖的应用2.1在农业方面的应用壳聚糖及其衍生物在农业上的应用，是壳聚糖应用的一个新的领域。壳聚糖可用作种子的处理剂和叶面喷肥。激发种子发芽，提高植物抗逆，抗病能力，促进生长提高产量。在许多作物上应用，取得良好成效。利用壳聚糖的抗菌能力和改善土壤的能力，可将壳聚糖与可溶性蛋白合成液体土壤改良剂，制成杀菌剂。[11]壳聚糖具有降低胆固醇、降低体脂沉积、增强免疫作用、抑菌杀菌作用等多种生物学功能，且无毒无害，可被生物体完全吸收，因此壳聚糖作为一种新型绿色饲料添加剂具有广阔的开发前景[12]。目前，壳聚糖降脂、降胆固醇功能已在家禽研究中得以证实，但机理尚不清楚；免疫增强作用、抑菌杀菌作用等其它生物学功能已在体外试验或小鼠试验中验证，而在畜禽试验中的研究较少。因此壳聚糖作为一种畜禽新型绿色饲料添加剂，仍有待于进行全面系统研究。2.2在医药方面的应用壳聚糖是目前医疗领域广泛应用的一种安全可靠的医用高分子材料,具有优良的生物亲和性和力学特性。壳聚糖具有在体内的生物降解性与组织相容性、抑菌活性、免疫活性、抗癌活性及降血压、降血脂、降血糖等生物活性[13]，这使得他在医药上拥有广泛的应用。其可用作优良的药物缓释剂[14]，药物微球载体[15]，人工皮肤，人工硬脑膜，防止术后粘连，结肠靶向给药，抗凝血材料以及用于骨修复材料等[13]。2.3在食品及化妆品方面的应用壳聚糖可以作为食品的抗氧化剂。有人发现，壳聚糖的脱乙酰度越高，其去除自由基的能力越强Kamil等将不同黏度壳聚糖添加到熟制鲱鱼中，发现其抗氧化效果优于传统的抗氧化剂如丁基羟基（ButylatedHydroxyanisole，BHA），而且黏度越低，其抗氧化效果越好因此，低相对分子量的壳聚糖可作为天然抗氧化剂加入食品中。除此之外，壳聚糖还可以作为食品增稠剂、乳化剂、稳定剂和风味改变剂壳聚糖具有广谱的抗菌性和成膜性，可用于食品保鲜。同时，甲壳素和壳聚糖含有大量的羟基和氨基，酸性溶液带正电而可以结合果汁中的阴性物质，破坏胶体结构，因此可以用来澄清果汁。壳聚糖的优良生物活性也使其可用于保健食品中，使食品具有调节人体免疫力、降低胆固醇、调节微量元素、改善肠胃功能、抗肿瘤活性、调节人体酸碱平衡和吸附、排除人体内重金属离子等功能。壳聚糖还是化妆品工业上的优良添加剂。壳聚糖经有机酸和磺酸处理后形成的衍生物，具有良好的吸湿性、成膜性、防静电和防尘性，且对皮肤无毒、无刺激性，因而在化妆品工业上被广泛用来制香波、润肤剂、固发摩丝、护发素、香皂等，其用量可因目的不同而异[11]。2.4在环境保护方面的应用壳聚糖含有大量的氨基和羟基，是一种良好的生物吸附剂，可用于吸附工业废水中的金属离子、放射性物质、酚类和染料等有害物质[10]。壳聚糖的分子链上分布有大量的游离氨基，在稀酸溶液中易质子化，从而使壳聚糖带有大量的正电荷，成为聚电介质，成为一种典型的阳离子型絮凝剂[10]。2.5在纺织工业中的应用壳聚糖可用作轻纺工业上的印花媒染剂。其对织物、皮革、纤维等均有良好的亲合性。它不仅具有牢固的吸着力，而且也具防皱和耐磨性，可以做媒染剂和织物整理剂[13]。3总结虾壳是水产品加工后的废弃物，其产量巨大，成本较低，提取其中的壳聚糖，经过改性处理后可应用于各个方面，能够实现废弃物的高效利用及使资源利用最大化，产生巨大的经济及社会效益。目前各国对壳聚糖的应用研究不断深化，但其规模化应用依旧有限。我国在这方面的研究起步较晚，研究成果有限，因此应加大虾壳中壳聚糖的提取及应用研究，以期取得较大的社会效益。参考文献：[1]DweltzNE.Thestructureofchitin[J].BiochemBiophysActa,1960,44:416—453.[2]单虎王宝维张丽英闰桂玲王述柏锁守丽.甲壳素及壳聚糖提取工艺的研究[J].食品科学，1997，,214:14[3]范文艳,王丽艳.黄粉虫几丁质/壳聚糖提取工艺的研究[J].黑龙江农业科学,2010(4):122~126[4]张恒龙.虾壳中几丁质的提取与应用[J].食品和机械，1997（15）：31-32.[5]项东升，李红梅.地产龙虾壳提取甲壳素及其废水的综合利用[J].食品与生物技术学报，2008，27（2）：52-54.[6]何兰珍，陈亚胜，杨丹，等.虾壳不同部位制备甲壳素、壳聚糖的研究[J].食品科学，2006，27（12）：308-310.[7]张雪，王雪涛.虾壳制备甲壳素工艺研究[J].粮油食品科学，2007，15（4）：36-37.[8]国家海洋局第二海洋研究所.甲壳素清洁生产工艺：中国，03115713.0[P].2004-09.[9]湖北东方天琪生物工程股份有限公司.从虾壳中提取甲壳素及其生物活性物质的低耗环保方法：中国，200710168572.0[P].2008-05.[10]唐义宝谢晶.虾壳、虾头中甲壳素和壳聚糖的制备与应用[J].山西农业科学,2010，38（10）：55-59[11]翟荣玲，刘艳琴，孙丰林，秦卓明，姜世金.壳聚糖应用研究进展[J].山东畜牧兽医,2008,29(37)[12]刘海英,于森,杨桂琴.壳聚糖对肉鸡生产性能、脂肪代谢的影响[J].饲料博览,2003,5:l-4.[13]马茂.壳聚糖-类人胶原蛋白海绵的生物相容性及止血效果研究[D].西安.西北大学.2008[14]罗华丽.医用壳聚糖缓释材料研究[D].济南.山东大学.2007[15]梁晓飞.壳聚糖季铵盐多功能靶向纳米微球的制备及在药物载体方面的应用[D].天津.天津大学.2008