利用有机酸从Litopenaeus vannamei贝壳废弃物中环保地提取壳聚糖：工艺优化与特性分析

《Process Biochemistry》：Environmentally Friendly Extraction of Chitosan from Litopenaeus vannamei Shell Waste Using Organic Acids: Process Optimization and Characterization

白leg虾壳废料通过乳酸和乙酸脱矿提取壳聚糖的工艺研究。采用3%乙酸（室温）或1%乳酸（室温）处理，获得最高38.4%壳聚糖产率，FTIR和XRD证实其结构，有机酸替代盐酸可降低环境危害。

　　

多娜塔·德拉帕瑙斯凯特（Donata Drapanauskait?）、艾哈迈德·霍斯尼（Ahmed Hosney）、阿尔吉曼塔·昆德罗塔伊特（Algimanta Kundrotait?）、马留斯·乌尔博纳维丘斯（Marius Urbonavi?ius）、沙鲁纳斯·瓦尔纳吉里斯（?arūnas Varnagiris）、卡罗琳娜·巴尔乔斯凯特（Karolina Bar?auskait?）

立陶宛农业与林业研究中心（Lithuanian Research Centre for Agriculture and Forestry），阿尔戈街1号（Instituto al.1），LT-58344，阿卡德米亚（Akademija），凯达伊尼亚伊区（Kedainiai District），立陶宛

摘要

本研究采用弱有机酸开发了一种可持续利用虾壳（Litopenaeus vannamei）废弃物的方法。实验中使用了乳酸和醋酸来去除虾壳中的矿物质。为了评估温度对去除效果的影响，分别在室温和50°C条件下进行了去除过程。结果表明，使用20%的乳酸或醋酸溶液时，虾壳的灰分含量最低，壳聚糖的溶解度最高。然而，较高的有机酸浓度会导致壳聚糖的产量降低。在室温下使用3%的醋酸溶液时，壳聚糖的产量最高（38.4%）；而在室温下使用1%的乳酸溶液时，壳聚糖的脱乙酰化程度最高（98.6%）。研究人员还分析了提取出的壳聚糖的物理化学性质，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和粉末X射线衍射（pXRD）技术验证了壳聚糖的特征结构。实验结果表明，乳酸和醋酸是盐酸的有效替代品，这种方法更加环保且危害较小。

引言

如今，白腿虾（Litopenaeus vannamei）是市场上最具经济价值的虾类，因此其加工和包装过程中会产生大量废弃物[1]。由于缺乏相关知识，许多加工企业并未对这些废弃物进行有效处理，而是直接将其填埋。虾壳中含有约10-20%的钙，蛋白质含量高达30-65%，干基壳聚糖含量为8%-10%[2]。壳聚糖及其衍生物具有独特的性质，如良好的生物相容性、低毒性、可生物降解性以及抗菌和抗微生物活性[3],[4],[5]。壳聚糖的化学提取方法已被广泛采用，因为该过程快速且产物清洁[6],[7]。壳聚糖可通过三个步骤从虾壳中提取：脱矿、脱蛋白和脱乙酰化。然而，化学提取方法存在一些缺点，例如需要使用高腐蚀性的酸和强碱性溶液，同时耗水量大、能耗高[8]。随着对可持续提取方法的迫切需求，人们开始探索替代方案。新技术和方法侧重于环保工艺，如利用益生菌进行发酵、酶催化，或用有机酸替代强无机酸[9],[10],[11]。尽管这些新方法具有潜力，但在工业应用方面仍面临诸多限制。酶法提取壳聚糖的成本较高，酶的重复使用性有限，反应动力学缓慢，这对其大规模经济可行性提出了质疑[12],[13],[14]。基于发酵的壳聚糖提取方法需要更长的时间才能达到理想的蛋白质和矿物质去除效果，且由于反应参数的敏感性，生产效率较低，过程稳定性较差[15],[16]。

利用酸可以将碳酸钙分解为氯化钙和二氧化碳。虽然盐酸仍是去除昆虫和外骨骼矿物质的首选试剂，但人们正在寻找更环保的替代品，如有机酸[17]。有机酸含有羧基（-COOH）等碳基功能团，虽然酸度低于无机酸，但分子结构更复杂，因此能更有效地溶解虾壳中的矿物质。然而，无机酸的高反应性可能导致壳聚糖链水解、分子量降低、结构受损及结晶度下降[18],[19]。在提取过程中使用有机酸具有明显优势，因为这种方法更加环保可持续，减少了有害化学物质的使用及其对环境的影响。表1总结了使用强无机酸和弱有机酸进行脱矿的优缺点。

脱蛋白是壳聚糖生产中的关键步骤，有助于破坏钙-蛋白质-壳聚糖复合结构，从而获得高纯度的壳聚糖并提高其乙酰基的可用性，便于进一步脱乙酰化。如果蛋白质去除不完全，会影响壳聚糖的脱乙酰化效果及其结构和功能特性。使用NaOH进行碱性脱蛋白可有效去除蛋白质，但需优化浓度以在保持聚合物完整性的同时破坏复合结构。近期研究提出了结合生物和化学或酶法的脱蛋白方案，以降低环境影响的同时保持产品质量。这些方法有望减少化学物质的使用和环境影响，但去除蛋白质所需时间较长[13],[37]。

本研究探讨了两种不同有机酸（醋酸和乳酸）对虾壳壳聚糖提取过程中脱矿步骤的影响。实验中测试了7种不同浓度的有机酸（1%、2%、3%、4%、5%、10%和20%），并在室温和50°C两种温度条件下进行了脱矿和脱蛋白操作。研究假设弱有机酸在去除虾壳废弃物中的矿物质方面与强无机酸具有同等效果。提取出的壳聚糖样品与市售壳聚糖进行了对比。本研究的主要创新在于探索使用更环保的有机酸进行壳聚糖提取的可行性。

研究内容概述

虾壳废弃物的制备

实验所用虾壳（Litopenaeus vannamei）来自室内养虾场。虾壳先用去离子水清洗，去除杂质，然后在45°C下干燥。干燥后的虾壳被粉碎至0.25毫米的粒度，所得粉末在去离子水中煮沸1小时，过滤后于70°C下烘烤24小时。

壳聚糖的提取

使用乳酸和醋酸从虾壳中提取壳聚糖分为三个步骤：

壳聚糖的物理化学分析

图1显示了利用有机酸脱矿从Litopenaeus vannamei虾壳中提取壳聚糖的产量。脱矿过程利用酸去除矿物质（CaCO₃和CaCl₂），而脱蛋白和脱乙酰化则分别使用碱和酶去除蛋白质及乙酰基[42]。在室温下使用3%的醋酸进行脱矿处理时，壳聚糖的产量最高，达到38.4±0.28%

结论

本研究分析了从Litopenaeus vannamei虾壳废弃物中提取壳聚糖的过程。实验考察了不同浓度和温度条件对壳聚糖提取效果的影响。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和粉末X射线衍射（pXRD）分析验证了提取出的壳聚糖质量。结果表明，脱矿过程中使用的酸的种类会影响壳聚糖的物理化学性质。

作者贡献

无

未引用文献

[70]

资助信息

无

CRediT作者贡献声明

多娜塔·德拉帕瑙斯凯特（Donata Drapanauskait?）：撰写初稿、数据可视化。艾哈迈德·霍斯尼（Ahmed Hosney）：实验设计、数据管理。阿尔吉曼塔·昆德罗塔伊特（Algimanta Kundrotait?）：实验设计、数据管理。马留斯·乌尔博纳维丘斯（Marius Urbonavi?ius）：实验设计、数据管理。沙鲁纳斯·瓦尔纳吉里斯（?arūnas Varnagiris）：实验设计、数据管理。卡罗琳娜·巴尔乔斯凯特（Karolina Bar?auskait?）：撰写、审稿与编辑、方法论制定、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。