鲎壳废弃物可持续增值用于功能食品开发

《Sustainable Food Technology》：Sustainable valorization of horseshoe crab carapace for functional food developmentOpen Access

　　

海洋副产物的增值利用为从未充分利用资源中生产高附加值生物材料提供了可持续策略。本研究将废弃圆尾鲎（Tachypleus gigas）壳作为生物活性化合物、甲壳素（chitin）和具有抗菌潜力的壳聚糖（chitosan）的可再生来源进行探究。研究人员使用甲醇、乙醇和氯仿制备粗提取物，并通过连续脱蛋白、脱矿质和脱乙酰化生产甲壳素和壳聚糖。采用纸片扩散法、最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）测定评估了对选定革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌活性。壳聚糖表现出最强的抗菌活性，MIC值范围为1.25至2.50 mg mL?1，显示出抑制和杀菌双重效应。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）进行结构表征，证实了脱乙酰化后甲壳素成功转化为壳聚糖，官能团、晶体结构和表面形貌均发生变化。壳聚糖增强的抗菌活性归因于脱乙酰化过程带来的游离氨基可用性增加及结构修饰。重要的是，该研究利用废弃加工废料，在不额外捕捞活体鲎的前提下促进了可持续海洋副产物增值。这些发现证明了鲎壳作为天然抗菌生物聚合物可持续来源在食品保鲜和功能生物材料中应用的潜力，同时支持了循环生物经济举措。研究人员建议进一步开展分子量测定、热表征和工艺优化研究，以推动未来工业应用。

研究背景方面，鲎作为古老水生节肢动物，其加工产生大量富含甲壳素的废弃壳，传统上未被充分利用。随着循环生物经济理念兴起，将海洋生物废物转化为高值功能材料成为减少环境负担的重要方向。壳聚糖因阳离子特性和游离氨基含量在食品保鲜、功能食品和生物医学领域备受关注，但以往研究较少系统评估鲎壳废料来源的甲壳素/壳聚糖抗菌表现与结构演变关联。为此，研究人员以马来西亚半岛东西海岸及沙捞越水域加工丢弃的圆尾鲎（Tachypleus gigas）壳为唯一原料，在不额外捕捞活体的前提下，开展粗提取物、甲壳素、壳聚糖的制备与抗菌评价，并结合多种物理表征揭示结构-活性关系，服务于《Sustainable Food Technology》所关注的可持续食品技术主题。

主要关键技术方法上，研究人员从本地海产加工源收集10个混合个体鲎壳经清洗、60℃烘干、研磨过筛成≤2 mm粉末并统一混批；分别用甲醇、乙醇、氯仿以1:2固液比浸提72小时得粗提物；甲壳素经3.5% NaOH脱蛋白与1 M HCl脱矿质获得；壳聚糖由甲壳素在50% NaOH中121℃、15 psi高压处理30分钟脱乙酰化制得。抗菌评价采用纸片扩散法（Kirby–Bauer）与肉汤稀释法测MIC/MBC，菌株涵盖金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等革兰氏阳/阴性菌。结构表征依次使用FTIR（4000–400 cm^?1）、XRD（Cu Kα，2θ 5–40°）、SEM（5.0 kV）分析官能团、结晶度与表面形貌。

研究结果部分，粗提取小节显示乙醇得率最高（0.62 g/100 g），氯仿次之（0.492 g/100 g），甲醇最低（0.389 g/100 g），颜色随极性变化；甲壳素与壳聚糖产率分别为24.5%和15.2%（相对初始壳粉）。抗菌活性评价中，粗提物对无乳链球菌（Streptococcus uberis）和金黄色葡萄球菌MIC达12.5 μg mL^?1，氯仿提物对沙门菌（Salmonella sp.）MIC 12.5 μg mL^?1但大肠杆菌全耐药；甲壳素对大肠杆菌MIC 12.5 μg mL^?1却对沙门菌无效；壳聚糖表现最优，对无乳链球菌、大肠杆菌MIC 12.5 μg mL^?1，金黄色葡萄球菌50 μg mL^?1，沙门菌25 μg mL^?1。MIC/MBC肉汤稀释验证显示壳聚糖等对三株菌MIC≤2.50 mg mL^?1且具杀菌性。FTIR表征表明脱乙酰化后酰胺I（~1620 cm^?1）与酰胺II（~1550 cm^?1）减弱，初级胺NH₂弯曲峰~1586 cm^?1出现，证实乙酰基脱除。XRD显示甲壳素在2θ≈26.6°尖峰有序，壳聚糖峰宽化、结晶度下降。SEM观察甲壳素呈紧凑纤维状带微孔，壳聚糖转为松散褶皱片状大孔隙，比表面积上升。上述多手段一致证明脱乙酰化成功且结构松散化利于氨基暴露。

讨论部分指出，壳聚糖阳离子氨基与细菌负电膜静电作用破坏通透性，并可穿透干扰DNA/蛋白合成，是其广谱抗菌主因；非极性氯仿提物对革兰氏阴性菌优效印证脂溶性组分膜破坏机制；甲壳素部分活性源于不同于粗提物的物理屏障作用。研究人员强调废料源利用避免活体捕捞，契合循环生物经济，但分子量、脱乙酰度未定量，后续需补测以明确构效关系。结论部分翻译如下：本研究证明废弃圆尾鲎壳可成功增值为具前景抗菌性的甲壳素与壳聚糖，支持海洋副产物可持续利用；壳聚糖经纸片扩散、MIC、MBC证实对革兰氏阴阳菌抗菌最强，脱乙酰化致游离氨基增多为核心原因；FTIR、XRD、SEM共同确认甲壳素到壳聚糖在官能团、晶态及形貌上的转化；研究使用加工废料而非新增捕捞，符合循环生物经济将低利用海洋生物质转为高值功能生物聚合物之原则，具食品保鲜与抗菌涂层潜力；未来需测定分子量、热性质并优化提取与安全评估以推工业应用。