综述：甲壳类加工副产品作为生物活性化合物的可持续来源：传统和新兴提取技术与应用的综合综述

《International Journal of Molecular Sciences》：Crustacean Processing By-Products as Sustainable Sources of Bioactive Compounds: A Comprehensive Review of Conventional and Emerging Extraction Technologies and Applications

　　

甲壳类加工行业，特别是加工虾、蟹和龙虾的行业，会产生大量的生物废物，主要由壳、头和外骨骼组成。这些副产品由于其高有机负荷、缓慢的降解性和不当的处置方式，对环境污染有显著贡献。然而，它们代表了生物活性化合物的宝贵储库，如几丁质（chitin）、蛋白质（proteins）、多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）、类胡萝卜素（carotenoids）和矿物质，以及具有生物活性的酶（enzymes）和酶抑制剂（enzyme inhibitors），在食品、制药/化妆品、生物医学和环境领域具有巨大潜力。与以往主要关注单一成分或特定提取技术的研究不同，本综述比较评估了传统提取技术（酸-碱处理（acid-alkali treatment）和溶剂提取（solvent extraction））和新兴绿色方法（超临界流体萃取（supercritical fluid extraction, SFE）、酶解（enzymatic hydrolysis）、脉冲电场（pulsed electric fields, PEF）、超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）、冷等离子体（cold plasma）、微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）和高压处理（high-pressure processing, HPP）），强调了它们的效率、可持续性以及对化合物质量的影响。该综述进一步探讨了回收成分在食品保鲜、营养保健品开发、可生物降解包装和功能性成分配方中的多样化应用。此外，还批判性地评估了当前关于工艺优化、工业可扩展性、经济可行性和环境影响方面的挑战。

论文主体部分系统总结了甲壳类加工副产品的组成、提取技术及其应用。

**2. 源自甲壳类副产品的有价值化合物**：甲壳类副产品富含多种生物活性化合物。**2.1 几丁质及其衍生物**：几丁质（chitin）是线性氨基多糖，主要存在于虾、蟹壳中，以α-几丁质形式存在，具有高结晶度和热稳定性。传统酸-碱处理通过酸脱矿和碱脱蛋白提取几丁质，但可能降解聚合物并产生有害废水。酶法脱蛋白（如alcalase）可达到93.68%的蛋白去除率，但仍需额外化学处理。几丁质的溶解度受脱乙酰度（DDA）和聚合度（DP）影响，高DDA和低DP有利于溶解。脱乙酰化生成壳聚糖（chitosan），其脱乙酰度受碱浓度、温度和时间影响。低聚壳聚糖（chitooligosaccharide, COS）可通过酶法或非酶法水解制得，非特异性酶如纤维素酶、脂肪酶等可用于水解。**2.2 蛋白质和生物活性肽**：虾头干基含50-65%蛋白质，富含必需氨基酸。蛋白质可通过浓缩/分离或水解回收。酶解（如alcalase）在温和条件下选择性裂解肽键，保留营养价值，优于化学水解和微生物发酵。从加工水中回收蛋白质可采用膜过滤（微滤和超滤）。**2.3 脂质**：甲壳类富含omega-3长链多不饱和脂肪酸（PUFAs），如二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）。脂质提取常用极性和非极性溶剂混合物，如乙醇可回收磷脂结合型omega-3和虾青素（astaxanthin）。不同器官（如肝胰腺）脂质含量和组成差异显著。酶法水解可富集不饱和脂肪酸，β-环糊精（β-CD）处理可去除胆固醇。微胶囊化（如壳聚糖三聚磷酸钠纳米颗粒）可提高氧化稳定性。**2.4 类胡萝卜素**：虾青素是主要类胡萝卜素，具有抗氧化活性。溶剂选择显著影响回收率，丙酮效果最佳，但虾青素在蟹壳中因与几丁质-蛋白基质结合紧密而回收率较低。虾青素可增强油脂氧化稳定性，但其降解遵循一级动力学，温度控制至关重要。**2.5 碳酸钙**：蟹壳和虾壳富含碳酸钙（CaCO₃），可通过煅烧和沉淀制备高纯度沉淀碳酸钙（PCC），主要呈球霰石晶相，具有高反应性和生物利用度。热解可生成钙基生物炭，不同温度下形成方解石或石灰形态。**2.6 酶和酶抑制剂**：甲壳类肝胰腺富含消化酶，如丝氨酸内肽酶（brachyurins），包括胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶和胶原酶样活性。此外，还有脂肪酶、磷脂酶、淀粉酶和几丁质酶。几丁质酶（EC 3.2.1.14）和β-N-乙酰己糖胺酶（EC 3.2.1.52）协同降解几丁质。壳聚糖酶（EC 3.2.1.132）也在某些蟹类中发现。甲壳类副产品还含有天然酶抑制剂，如蛋白水解物和肽类可抑制α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、脂肪酶以及血管紧张素转换酶（ACE）和肾素。

**3. 用于从甲壳类中提取生物活性化合物的新兴技术**：**3.1 深共熔溶剂（DES）**：DES由氢键供体（HBD）和受体（HBA）组成，可选择性溶解生物聚合物。例如，氯化胆碱-丙二酸可提取高纯度几丁质（93%），但需高温。疏水性DES（如proca?ne-薄荷醇-乙酸）可在室温下高效脱矿（98.35%）和脱蛋白（88.77%），且易于回收。**3.2 超临界流体萃取（SFE）**：利用超临界CO₂（SC-CO₂）在低温下提取热敏性脂质和类胡萝卜素。添加乙醇（10-15%）可显著提高虾青素回收率（57.9-65.2%），但仍需有机共溶剂，且高设备成本限制工业应用。**3.3 高压提取（HPAE）**：在100-600 MPa下促进溶剂渗透和细胞破裂。从凡纳滨对虾壳中提取虾青素71.1 μg/g，但需专用设备，限制大规模连续生产。**3.4 超声辅助提取（UAE）**：通过空化效应增强传质和细胞破碎。超声预处理可提高酶解效率（如蛋白水解度从22.15%升至31.12%），但可能引起脂质氧化。超声辅助脱蛋白可降低几丁质结晶度，但降低产率。**3.5 微波辅助提取（MAE）**：通过介电加热实现快速均匀加热，显著缩短反应时间（如脱乙酰化从240分钟降至16分钟）。微波结合DES可提高几丁质产率和纯度，但需优化以避免热降解。**3.6 其他先进提取技术**：脉冲电场（PEF）通过电穿孔促进细胞膜渗透，结合UAE可提高脂质提取率（30.34 g/100g）。冷等离子体通过活性氧氮物种（RONS）引起表面蚀刻和结构破坏，辅助脱蛋白（最高42%）和脱乙酰化，但可能降解几丁质链。

**4. 在各领域的应用**：**4.1 制药和医疗领域**：磷虾油中的游离脂肪酸（FFAs）对结直肠癌细胞具有抗增殖活性（94-96%），通过线粒体介导的凋亡机制。磷虾油补充剂可改善老年人肌肉功能。几丁质、壳聚糖和COS在药物递送、伤口愈合、组织工程中应用广泛，其抗菌活性源于正电荷氨基与微生物细胞膜相互作用。COS还通过p53/mTOR通路诱导骨肉瘤细胞凋亡。富含矿物质的组分可用于羟基磷灰石合成和骨再生。甲壳类衍生肽类可抑制α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、脂肪酶及ACE和肾素，具有调节代谢和血压的潜力。**4.2 食品工业**：壳聚糖和COS作为天然防腐剂和抗氧化剂，可抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等。多酚共轭物（如COS-EGCG）增强抗菌活性，最低抑菌浓度（MIC）为1024 μg/mL。虾油可替代植物油用于沙拉酱，10%添加量获得最高感官接受度。壳聚糖膜和涂层用于食品保鲜，如低粘度壳聚糖减少鱼糜氧化（TBARS降低52%）。COS-没食子酸共轭物及其脂质体用于强化牛奶，改善氧化稳定性。**4.3 其他应用**：蟹壳生物炭对染料具有高吸附容量（孔雀石绿12,502 mg/g，刚果红20,317 mg/g），可用于废水处理。COS作为植物生物刺激剂，激活茉莉酸和水杨酸信号通路，促进植物生长和抗病性。

**5. 趋势与未来展望**：新兴绿色技术（UAE、MAE、HPAE、PEF、冷等离子体、SFE、DES）在实验室条件下提高了提取效率和选择性，但需通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）量化可持续性。未来应发展集成式生物精炼厂，实现多组分级联回收。超声辅助提取和酶解技术最接近工业应用，而DES、PEF和等离子体仍需中试验证。产品安全方面需关注重金属（如铅、镉、汞）共提取问题，应采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行监测。

**6. 结论**：甲壳类废物是可持续的生物活性化合物来源，包括几丁质、蛋白质、脂质、虾青素等。新兴绿色技术可提高回收效率并降低环境影响，但工业转型需依赖混合生物精炼厂，结合传统工艺和绿色预处理。成功商业化需标准化评价、严格质量控制，并解决技术经济可行性和法规合规问题。