日本蟳蟹壳废弃物中壳聚糖的可持续提取与功能表征

《Sustainable Chemistry One World》：Sustainable extraction and functional characterization of chitosan from Charybdis feriata crab shell waste

　　

## 摘要

壳聚糖是一种从甲壳素衍生而来的可生物降解、生物相容性生物聚合物，由于其多样化的应用而备受关注。本研究旨在采用化学方法，通过脱蛋白、脱矿和脱乙酰化步骤，从十字蟹（*Charybdis feriata*）蟹壳废料中提取并表征壳聚糖。该过程获得了51.33%的甲壳素和54.35%的壳聚糖，代表了在实验条件下所采用的材料回收率。脱乙酰度（DDA）为68 ± 5.2%，与壳聚糖的形成一致。提取的材料在1%醋酸中的溶解度为75.8 ± 2.28%，含水量为7.63 ± 1.41%。持水能力（WBC）和持脂能力（FBC）分别为268.40 ± 14.78%和765 ± 39.2%。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示与壳聚糖一致的特征官能团，而X射线衍射（XRD）则指示半结晶结构。CHNS分析显示碳含量39.18 ± 0.23%、氢含量8.10 ± 0.16%、氮含量7.27 ± 0.12%、硫含量0.40 ± 0.02%，基于氮的脱乙酰度约为68.2%。热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）揭示了多阶段热降解，主要降解区间为195.45–298.90 °C，DTG最大峰值位于264.99 °C。总体而言，研究结果表明十字蟹壳废料具有作为壳聚糖生产资源和海产品副产品增值的潜力。需要进一步进行分子量、纯度和分级特异性表征，以确定材料质量和应用适用性。

## 引言

甲壳素是仅次于纤维素的第二大天然多糖[1]。它广泛存在于甲壳类动物、昆虫的外骨骼和真菌细胞壁中[2]。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化衍生物，因其独特的物理化学和生物特性（如可生物降解性、生物相容性、无毒性和抗菌活性）而受到广泛关注。这些特性使其在食品保鲜、生物医学工程、农业和环境修复等领域得到应用[[3], [4], [5]]。近期研究还探索了甲壳类动物来源的壳聚糖作为水产养殖中的功能性饲料添加剂，饲料补充与鱼类肠道微生物多样性和群落组成的变化相关，凸显了壳聚糖衍生生物材料的更广泛功能潜力[6]。

甲壳类动物壳废料，尤其是来自螃蟹、虾和龙虾壳的废料，被认为是甲壳素的主要来源[7]。海产品行业每年产生约600万至800万吨壳废料，如不妥善处理将导致严重的环境问题[8,9]。全球海产品加工行业每年估计产生600万至800万吨甲壳类动物壳废料。当管理不当时，这些残渣可能因其高有机含量而产生环境隐患，通过填埋或直接丢弃方式处理则意味着宝贵生物资源的流失[10]。因此，从这些副产品中回收甲壳素和壳聚糖等有价值生物聚合物代表了一种重要的减少废物和促进资源效率的策略。壳聚糖生产通过将海洋废弃物转化为高附加值产品，提供了一种环保和可持续的方法[5,11]。近年来，海洋生物废物的增值化利用作为循环经济战略的一部分获得了广泛关注，该战略旨在减轻环境负担的同时产生高价值生物材料[12]。

在印度背景下，甲壳类动物加工副产品同样代表了一种重要的增值资源。对印度海洋副产品技术经济评估估计，从虾壳废料中提取甲壳素的产量潜力约为3560吨，从蟹壳废料中提取的产量潜力约为1354吨[13]。这些估计突显了从海产品加工残渣中回收生物聚合物而非仅将其视为废物的潜在经济价值。在沿海地区，由于海产品登陆和加工活动集中，有机壳残渣的积累和处置可能带来与气味、微生物分解和本地环境骚扰相关的问题，尤其在缺乏适当废物管理系统时[14,15]。因此，将甲壳类动物加工残渣转化为有用的生物材料不仅是一种废物管理策略，也是促进沿海和资源依赖型经济体资源效率增值的机会。

十字蟹（*Charybdis feriata*），俗称十字蟹，是一种商业上重要的梭子蟹科蟹类，广泛分布于印度洋-太平洋地区，包括印度、中国、日本、斯里兰卡和东南亚沿海水域[16,17]。该物种因其体型大、肉质好以及在海产品和水产养殖市场中需求日益增长而备受重视[18]。在印度，十字蟹是一种被开发的水产资源，其在商业拖网捕捞中的出现已在卡纳塔克邦沿岸得到记录。Dineshbabu[17]报告称，该物种在该地区支撑着拖网渔业，研究期间记录的最高年度捕捞量为142吨。尽管目前尚无关于十字蟹加工专门产生的壳废料的综合估计数据，但这些捕捞数据表明该地区可利用该物种的商业量，因此在加工和消费后代表了潜在的壳残渣来源。

该蟹类的加工和消费产生大量壳废料，可作为甲壳素和壳聚糖生产的经济可持续原材料[19,20]。与其他甲壳类动物壳类似，十字蟹壳含有相当数量的甲壳素，与蛋白质和矿物质结合，使其适用于生物聚合物提取[20]。与其他海产品加工残渣一样，如果不适当利用而丢弃这些富含有机和矿物质的壳，可能会导致潜在有价值生物资源的流失，并可能加剧与海产品加工活动相关的局部环境管理挑战[14,15]。

因此，利用十字蟹壳残渣进行甲壳素和壳聚糖生产提供了一种实用的废物增值途径，可将当地可获取的海产品副产品转化为高价值生物材料。这种方法与循环经济原则一致，因为它促进了从加工残渣中回收资源，可能减少了需要处理的废物量，并为沿海和海产品依赖型经济中的增值活动创造了机会[14]。然而，尽管其商业重要性和广泛可用性，目前有限的研究调查了从十字蟹壳废料中提取和功能表征壳聚糖的工作。

壳聚糖的提取通常涉及三个主要步骤：脱矿、脱蛋白和脱乙酰化[21]。这些过程的效率受酸和碱浓度、温度和反应时间等参数的影响[4,22]。其中，脱乙酰化是关键步骤，因为它决定了脱乙酰度（DDA），而DDA直接影响溶解性、反应性和功能特性[3]。因此，优化提取条件对于获得具有特定应用所需理想特性的壳聚糖至关重要。

物理化学性质如溶解性、含水量、持水能力（WBC）和持脂能力（FBC）在确定壳聚糖在各行业的适用性方面起着关键作用[23,24]。这些性质使其适用于食品保鲜、药物递送、水处理和组织工程等领域[25]。酸性条件下的高溶解性归因于游离氨基的存在[10,26]。WBC和FBC反映了聚合物的亲水和疏水相互作用[26]。特别是，持脂能力是食品和制药配方中的重要功能参数，但在许多壳聚糖提取研究中被较少重视[27,28]。

结构表征技术如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）被广泛用于确认壳聚糖的化学结构和结晶性。FTIR识别官能团并确认脱乙酰化，而XRD揭示晶体或半结晶性质[21,29]。这些分析技术对于验证来自不同生物来源和提取条件的壳聚糖质量至关重要。尽管已有大量关于从各种甲壳类动物来源提取壳聚糖的研究，但关于专门从十字蟹壳废料中提取以及详细的物理化学、功能和结构表征信息仍然有限。以往关于其他甲壳类动物来源壳聚糖的研究表明，生物来源和提取条件可以显著影响其物理化学和功能性质[[30], [31], [32]]；然而，关于十字蟹的可比信息仍然有限。因此，本研究的创新之处在于对该相对未被开发的蟹壳资源的增值化利用，并使用FTIR和XRD分析对其物理化学性质、持水和持脂能力以及结构特性进行了综合评价。此外，地理来源和加工条件的差异可能显著影响最终产品的物理化学性质。因此，需要系统性地研究当地可获取的海洋资源，以评估壳聚糖质量及其在高附加值应用中的潜力。

在此背景下，本研究旨在采用化学方法从十字蟹壳废料中提取壳聚糖，并全面评估其物理化学、功能和结构性质，特别关注其结合能力。通过调查一种商业上可获取但相对未被开发的甲壳类动物壳资源，本研究致力于为将海产品加工残渣转化为高附加值生物材料提供科学依据。因此，所提出的方法可能有助于改善资源利用率和海洋副产品可持续管理，同时支持从当地可获取海洋生物质中开发循环和高附加值应用的更广泛发展。

## 各章节片段

### 原材料收集与制备

在本研究中，壳聚糖从十字蟹（*C. feriata*）壳废料中提取。新鲜的十字蟹（*C. feriata*）壳从印度泰米尔纳德邦卡尼亚库马里县马纳库迪河口马纳库迪的蟹加工活动中收集（约北纬8.093°，东经77.485°）。该蟹种根据其典型形态特征进行鉴定，并由合格的分类学家确认。收集的壳用自来水彻底清洗。

### 甲壳素和壳聚糖的产量

提取过程从30克原始蟹壳粉中获得15.4克甲壳素，对应甲壳素产量为51.33%。脱乙酰化后，从提取的甲壳素中获得8.37克壳聚糖，壳聚糖产量为54.35%。提取和脱乙酰化实验进行了三次重复，产量值以均值±标准差（SD）表示，见表1。观察到的甲壳素和壳聚糖产量代表了在实验条件下获得的材料回收率。

### 讨论

从蟹壳中提取壳聚糖的结果显示，甲壳素产量为51.33%，壳聚糖产量为54.35%，这在甲壳类动物来源生物聚合物的常见报道范围内。Kumari等人[4]报告了虾和蟹壳的类似产量，而Hajji等人[39]观察到略低的产量，这取决于矿物含量和加工条件。产量的差异主要归因于物种特异性特征、程度等因素。

### 结论

本研究通过化学脱矿、脱蛋白和脱乙酰化方法，从十字蟹壳废料中提取了壳聚糖，甲壳素产量为51.33%，壳聚糖产量为54.35%。提取材料表现出68 ± 5.2%的脱乙酰度、75.8 ± 2.28%的溶解度、7.63 ± 1.41%的含水量，以及可测量的持水和持脂能力。FTIR和XRD分析显示与壳聚糖及其半结晶特征一致的特性。

### CRediT作者贡献声明

J. Anna Blessa：撰写——初稿、方法论、调查研究、概念构思。

Jeni Chandar Padua：撰写——审阅与编辑、监督、调查研究、概念构思。

Alex Yagoo：撰写——审阅与编辑、方法论、调查研究、概念构思。

### 资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项拨款。

### 利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

作者感谢Holy Cross College（自治）校尼格尔科伊尔校区和St. Xavier's College（自治）帕莱亚马科塔伊校区的院长和书记，他们的鼓励和支持提供了必要的设施来完成本研究。

J. Anna Blessa | Jeni Chandar Padua | Alex Yagoo