通过RSM-CCD优化的醋酸脱矿工艺，环保地从钝鳞梭子蟹壳废弃物中提取几丁质和乙酸钙

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Environmentally conscious extraction of chitin and calcium acetate from Portunus segnis shell waste via RSM-CCD optimized acetic acid demineralization

　　

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  从入侵蟹壳中同时提取几丁质和醋酸钙。
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  采用乙酸进行环保型脱矿处理，该过程通过RSM-CCD技术得到优化。
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  在优化条件下可得到灰分极低的（约0.10%）α-几丁质。
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  提取出的几丁质具有多孔结构，且白度与氧化度较高。
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  成功回收了一水合醋酸钙，作为一种高附加值的副产品。
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  该工艺有助于实现循环生物经济，以及海洋废弃物的可持续利用。

引言

几丁质是地球上最丰富的天然生物聚合物之一，其年生物合成量仅低于纤维素。它是一种线性多糖，由β-(1→4)-连接的N-乙酰-D-葡萄糖胺单元构成，是节肢动物、软体动物外壳以及真菌细胞壁的结构成分（Lalarukh等，2024）。由于其生物相容性、可生物降解性和无毒性，几丁质及其衍生物壳聚糖在生物医学、食品、农业和化妆品领域受到了广泛关注（El-Araby等，2024；Lalarukh等，2024）。

在各种天然几丁质来源中，海洋甲壳类动物的壳，尤其是螃蟹和虾的壳，因其较高的几丁质含量、作为工业海鲜废弃物全年均可获得以及相对较低的成本，而被视为最具潜力的来源（Ngasotter等，2023）。然而，原始壳中不仅含有几丁质，还含有大量的碳酸钙和蛋白质，这些成分往往占其干质量的70%以上（Younes和Rinaudo，2015）。因此，从这些基质中提取几丁质需要经过多步骤的纯化处理，主要包括脱矿和脱蛋白。

在全球范围内，海鲜加工业每年会产生数百万吨的甲壳类动物壳废弃物，主要来自虾、蟹和龙虾的加工，其中壳通常占甲壳类生物总量的40-50%（Arbia等，2013）。在许多沿海地区，这些生物质要么未被充分利用，要么被不当处理，由于其高含量的有机物和矿物质，会导致异味问题、微生物滋生以及环境污染。因此，将甲壳类动物壳废弃物转化为几丁质等高价值生物产品，同时回收有用的矿物副产品，已成为可持续生物经济和绿色化学战略中的重要目标。

传统上，脱矿步骤是使用盐酸等强矿物酸来实现的，这些酸能与碳酸钙反应，从而去除无机基质。不过，为了实现更环保、更具生物相容性的处理方式，人们越来越多地选择使用乙酸等有机酸（Liu等，2021）。乙酸不仅能有效去除矿物质成分，还能通过碳酸钙与乙酸的反应生成醋酸钙作为副产品（Thongkam等，2021）。近年来，包括离子液体和深共晶溶剂在内的替代绿色溶剂体系在几丁质的提取和纯化方面引起了广泛关注。这类溶剂能够在相对温和的条件下实现甲壳类生物质的同时脱矿和脱蛋白，从而减少有害化学物质的使用，并保持几丁质的结构完整性。最新研究证明了深共晶溶剂，尤其是以乙酸为基础的体系，如氯化胆碱-乙酸混合物，在从生物资源中分离高纯度几丁质方面的有效性（Y?ld?z等，2024）。此外，由于挥发性低、性质可调且具有可回收性，深共晶溶剂和离子液体通常被视为环保的替代品（Zhang等，2024；Kaur和Bhardwaj，2023）。然而，溶剂回收困难、粘度过高、处理成本上升以及规模化生产等问题仍然限制了它们的工业化应用（Kaur和Bhardwaj，2023；Wang等，2024）。相比之下，乙酸是一种简单、廉价且易于获取的绿色溶剂，它既能有效去除矿物质成分，还能帮助回收醋酸钙这一高附加值的副产品。

醋酸钙本身也是一种具有工业价值的化合物，可用于食品保存、制药、可生物降解包装，甚至用于环境修复和混凝土添加剂领域（Seesanong等，2024）。对其的回收利用使得几丁质提取过程能够向更加可持续和循环化的方向发展，完全符合绿色化学和零废物利用的理念。

在循环生物经济的背景下，人们最近开始关注入侵海洋物种作为尚未被充分利用的生物质来源。原产于大西洋西海岸的大西洋蓝蟹已成为地中海地区的有害入侵物种。其种群数量的快速增长给当地渔业带来了严重的生态破坏和经济损失（Marchessaux等，2024）。然而，由于其数量众多，且外壳结构十分坚固，这种物种成为了提取几丁质等生物聚合物的优质原料。

目前大多数关于从甲壳类动物中提取几丁质的研究都遵循完整的转化路径，包括脱矿、脱蛋白和脱乙酰化，最终得到壳聚糖（Younes和Rinaudo，2015）。尽管这种完全转化的过程已有大量研究记载，但现有文献中仍存在两个关键缺陷。首先，从优化和价值利用的角度来看，纯化的几丁质中间产物以及如醋酸钙这样的工艺副产品仍缺乏深入研究，大多数研究要么丢弃富含矿物质的滤液，要么只关注最终的壳聚糖产品，忽视了同时回收副产品的经济和环境潜力。其次，虽然脱矿步骤对提取出的几丁质的物理化学性质起着决定性作用（Kozma等，2022），但很少有人通过实验设计方法，运用弱有机酸对这一步骤进行系统优化，大多数研究仍采用传统的逐因素试验方法。

脱矿效率取决于酸浓度、反应时间以及固液比等多个相互关联的参数。如果这些参数控制不当，可能会导致脱钙不完全或聚合物链过度降解。响应面法，尤其是中心复合设计，为确定最佳操作条件提供了一种系统且具有统计可靠性的方法，同时还能减少实验次数（Weska等，2007），但目前关于将该方法应用于蟹壳的乙酸脱矿过程的文献还非常少。

为弥补这些不足，本研究旨在：（i）利用RSM-CCD技术，开发并优化一种基于乙酸脱矿的、环保的从大西洋蓝蟹壳中提取几丁质的方法；（ii）通过FTIR、XRD、SEM、白度及氧化度分析等方法，全面表征脱矿后的几丁质，评估其结构完整性、纯度和功能特性；（iii）分离并分析从脱矿滤液中得到的醋酸钙，从而展示一种既能提升可持续性又能提高经济效益的双重价值利用策略。通过重点研究脱矿阶段以及从单一入侵生物质来源中同时获取两种有价值产品的方法，本研究有助于构建符合循环生物经济理念的模块化、集成化生物精炼厂模型。

章节要点

原材料准备

蓝色蟹（大西洋蓝蟹）的壳由位于突尼斯的海洋废弃物价值利用初创企业Chitelix S.A提供。收到原料后，先用蒸馏水彻底冲洗，以去除残留的组织和杂质。随后将壳放在通风烤箱中以60°C的温度干燥24小时，再将其研磨至大约2-4毫米的颗粒大小。处理后的材料被储存在密封容器中，置于室温下，作为提取几丁质的主要原料。

实验参数与观测结果

脱矿效率是通过中心复合设计来评估的，实验结果汇总在表1中。残余灰分含量是衡量脱矿效率的直接指标，其数值在2.56%（实验11）到0.07%（实验15）之间，这表明实验条件对脱矿效率有着显著影响。残余灰分较高的情况通常出现在酸浓度较低且反应时间较短的情况下，而最低的残余灰分则出现在实验条件的中间值或较高值对应的情况中。

讨论

本研究表明，通过乙酸介导的脱矿过程从大西洋蓝蟹壳中提取几丁质和醋酸钙在技术上是可行的，同时也具有重要的生态意义。通过响应面法对工艺参数进行系统优化，不仅提高了提取材料的品质和功能特性，同时还成功回收了醋酸钙这一高附加值的副产品。这种集成化的生物精炼厂模式符合

结论

总之，本研究成功展示了一种绿色且经过优化的基于乙酸的脱矿工艺，该工艺可用于从大西洋蓝蟹壳废弃物中提取α-几丁质，同时还能回收有价值的醋酸钙副产品。响应面法的应用使得工艺参数能够得到精确控制，实现了几乎完全的矿物质去除（残余灰分约为0.10%），同时保持了几丁质的结构完整性以及良好的功能特性，包括

CRediT作者贡献说明

Moufida Saidani Tounsi：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，指导。 Karima Horchani-Naifer：指导，软件使用，资源协调，概念构思。 Mouna Ben Farhat：写作——初稿撰写，可视化，软件使用。 Walid Yeddes：指导，正式分析，数据整理，概念构思。 Soumaya Sayeb：可视化，数据整理，概念构思。 Majdi Hammami：软件使用，资源协调，方法设计，概念构思。 Raghda Yazidi：写作——

利益冲突声明

在财务、一般以及机构利益冲突方面，作者均无需要声明的情况。

资助情况

本研究是由CHITPHAN项目（资助代码：Collabora-Technop?le-16）资助的，该项目是由LPAM/CBBC、LPCMMA/CNRSM以及初创企业CHITELIX共同开展的，属于突尼斯技术园区内的合作研究创新项目。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢LPAM/CBBC、LPCMMA/CNRSM以及初创企业CHITELIX对这项研究的支持。

Raghda Yazidi|Majdi Hammami|Soumaya Sayeb|Walid Yeddes|Hamza Ghadoumi|Mounir Ferhi|Wissem Aidi Wannes|Soumaya Bourgou|Mouna Ben Farhat|Karima Horchani-Naifer|Moufida Saidani Tounsi