利用有机酸和酶法后处理技术，将虾壳废弃物生物炼制成α-几丁质和高价值副产品

《Bioresource Technology Reports》：Biorefinery of shrimp shell waste into α-chitin and high-value co-products using organic acids and enzymatic post-treatment

　　

摘要

虾壳废弃物中含有高价值的生物化合物，包括α-几丁质、生物钙和类胡萝卜蛋白。本研究尝试采用生物精炼工艺对虾壳粉末（SSP）进行脱矿（DM）和脱蛋白（DP）处理，以提取α-几丁质及其他生物化合物。实验中使用了三种有机酸：乳酸、醋酸和柠檬酸进行脱矿处理。由于醋酸具有较高的脱矿效率和成本效益，因此被选为处理剂。通过响应面法（Response Surface Methodology）优化了关键操作参数，包括酸浓度、液固比和提取时间。在最佳条件下（酸浓度0.5 M，液固比4:1，提取时间50分钟），脱矿效率达到了98.9%±0.75%。可溶性生物钙的产量为337.5 mg/g。随后使用少量商业碱性蛋白酶（20 mg/g）进行脱蛋白处理，脱蛋白效率达到97.05%±0.04%，几丁质的产量为21.2 mg/g。提取出的几丁质通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）进行了表征。该生物精炼工艺能够高效地提取出乙酰化度为96.1%、结晶度为78.6%的α-几丁质。从脱蛋白过程中获得的类胡萝卜蛋白显示出较高的抗氧化活性：DPPH自由基清除活性为12.89 μmol Trolox当量/g蛋白质，ABTS活性为233.8 μmol TE/g蛋白质，FRAP活性为14.55 μmol TE/g蛋白质，ORAC值为234.40 μmol TE/g蛋白质。研究表明，这种生物精炼工艺不仅能从虾壳粉末中提取出高质量的α-几丁质，还能获得高价值的生物钙和生物活性类胡萝卜蛋白，具有在营养保健品和食品工业中增强和强化应用的潜力。

引言

海鲜产业产生的大量虾壳废弃物若管理不当，将带来严重的废物处理成本和环境问题。然而，由于虾壳废弃物中含有α-几丁质、生物钙和类胡萝卜蛋白等高价值生物化合物，应根据生物经济理念对其进行开发利用（Zhou等人，2021年）。α-几丁质及其衍生物具有多种生物活性，可应用于医药、化妆品、食品和纺织等多个领域（Hamed等人，2016年）。类胡萝卜蛋白是良好的营养来源和动物饲料，而生物钙在制药、膳食补充剂、食品添加剂和环境管理等多个工业领域具有广泛应用（Patil等人，2024年；Wijayanti等人，2025年）。

传统的虾壳废弃物几丁质提取方法包括两个主要步骤：首先使用盐酸和硫酸等强酸进行脱矿（DM），以去除钙（El-Araby等人，2022年；Pohling等人，2022年）；然后用强碱（氢氧化钠，浓度4–8%）在高温（高达140°C）下进行脱蛋白（Zainol Abidin等人，2020年）。然而，这些极端条件会损害最终产物的物理性质，导致几丁质的质量下降，乙酰化度降低（Soni等人，2023年）。此外，被去除的蛋白质在处理过程中会降解，无法回收。这些方法需要苛刻的处理条件，可能限制了虾壳粉末中其他有价值成分的利用。

乳酸、醋酸和柠檬酸等有机酸被视为绿色化学物质，已被研究用于代替强酸来脱矿虾壳粉末（SSP）。使用这些有机酸具有较高的可行性，有助于实现环保的几丁质提取工艺（Ambigaipalan和Shahidi，2017年；El-Araby等人，2022年；Kozma等人，2024年；Pohling等人，2022年）。然而，选择这些有机酸时需考虑提取效率及生成的钙盐形式，同时兼顾人体安全、成本效益以及脱矿过程中副产品的利用。例如，使用乳酸脱矿会产生甲酸钙，而甲酸钙在欧盟及许多其他国家尚未获准用于食品（FEEDAP，2014年）。相比之下，乳酸钙、柠檬酸钙和醋酸钙已被用于食品领域（Mongkol等人，2025年）。

对于脱蛋白（DP）过程，采用了酶法去除蛋白质，以避免高温下使用强碱对几丁质内在性质的损害。常用的生物几丁质提取酶包括胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶、Flavourzyme和Protamex等，这些酶在虾壳粉末的脱蛋白和蛋白质水解产物的生成中表现出高效（Baksi和Pal，2025年；Sinthusamran等人，2020年；Tkaczewska等人，2024年）。然而，低效的反应条件可能导致不必要的高成本和过量废弃物，特别是在扩大生产规模时。

尽管已有研究利用虾壳粉末提取几丁质及其副产品（Deng等人，2020年；Li等人，2023年），但尚未对脱矿和脱蛋白过程中产生的液体成分进行深入分析，这限制了它们的未来应用。为实现技术和经济的可行性，需使用合适的食品级有机酸优化脱矿过程，并使用最小量的蛋白酶进行脱蛋白处理，同时详细分析工艺液体。本研究基于脱矿效率和成本效益选择了最合适的食品级有机酸，并通过响应面法（RSM）优化了关键操作参数。为了进一步提高脱蛋白效率，采用了碱性蛋白酶进行酶法后处理。提取出的α-几丁质通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）进行了表征。除了固态中的几丁质外，还分析了脱矿和脱蛋白过程中产生的液态成分（如可溶性钙、可溶性蛋白质和色素），并评估了它们的生物活性，以探讨其作为功能性成分的潜在应用。

章节摘要

材料

实验中使用了Litopenaeus vannamei虾壳废弃物，并在使用前将其冷冻保存。湿虾壳通过研磨机（BL91HD，Teal，中国）研磨成粒径为0.5–1 mm的虾壳粉末（SSP），然后挤出水分。SSP的近似组成如下：几丁质30.5%±0.01%，蛋白质34.14%±0.94%，灰分26.08%±0.25%，类胡萝卜素0.065%±0.002%，水分8.16%±0.15%。所用有机酸包括食品级的乳酸（88–90%）、醋酸（≥99%）和柠檬酸。

使用有机酸脱矿虾壳粉末

实验中使用了乳酸（LA）、柠檬酸（CA）和醋酸（AA）对虾壳粉末（SSP）进行脱矿处理以提取几丁质。在提取过程中监测了液体部分的pH值、可溶性钙、可溶性蛋白质和类胡萝卜素含量。虽然理论上乳酸和醋酸的脱矿所需酸浓度分别为2 mol H⁺/mol CaCO₃和0.67 mol H⁺/mol CaCO₃，但实际所需酸浓度还受初始pH值和有机酸pKa值的影响。

结论

本研究表明，结合酶法后处理的食品级有机酸可用于从虾壳废弃物中提取α-几丁质，该方法实现了高效的脱矿和脱蛋白，同时保持了提取几丁质的结构完整性。此外，对工艺液体的深入分析发现了具有高抗氧化活性的生物钙、类胡萝卜蛋白及其他生物活性成分。

作者贡献声明

Jariya Ruangwicha： 负责撰写原始稿件、方法设计、数据管理和概念构思。Benjamas Cheirsilp： 负责修订和编辑、监督项目、方法设计和概念构思。Wasana Suyotha： 负责修订和编辑、监督项目及概念构思。

资助

本研究得到了泰国国家研究委员会（NRCT）的支持（合同编号N42A680491）。第一作者还得到了泰国国家研究委员会（NRCT）的支持（合同编号N41A661148）。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的利益冲突。

Jariya Ruangwicha|Benjamas Cheirsilp|Wasana Suyotha

泰国宋卡府Hat Yai，宋卡大学农业工业学院创新生物技术卓越中心生物技术项目，邮编90110