生物法利用蝦殼及蝦頭廢棄物的研究進(jìn)展

李嬌，李奇緣，王偉平

(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，武漢 430068)

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)俗稱(chēng)克氏螯蝦、淡水龍蝦、小龍蝦，原產(chǎn)于美國(guó)中部和東部、墨西哥以及古巴，是最具食用價(jià)值的淡水龍蝦品種，年產(chǎn)量占整個(gè)淡水龍蝦產(chǎn)量的70%～80%。在我國(guó)，小龍蝦人工養(yǎng)殖和消費(fèi)的數(shù)量很大。目前，在對(duì)蝦的加工中主要以?xún)鑫r仁為主，在加工中產(chǎn)生大量的蝦頭、蝦殼等下腳料，約占蝦體質(zhì)量的30%～40%[1]，如不及時(shí)處理，就會(huì)造成環(huán)境污染。

蝦殼蝦頭中除了含有甲殼素，還殘留著蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸、蝦青素和礦物質(zhì)等成分，值得利用[2,3]。甲殼素是一種線(xiàn)型的天然高分子中性黏多糖，經(jīng)脫乙?；罂芍频蒙锵嗳菪院玫臍ぞ厶?，具有消炎、降血脂、降低膽固醇等生物功能活性[4,5]，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和醫(yī)療用品中[6]；蝦青素是一種酮式類(lèi)胡蘿卜素，天然油溶性色素，穩(wěn)定性好，有多種 結(jié)構(gòu)形式，可淬滅單線(xiàn)態(tài)氧、清除自由基、防止或終止因單線(xiàn)態(tài)氧和自由基引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[7-9]；回收蝦頭、蝦殼中的蛋白質(zhì)，可方便地用于調(diào)味品、水解蛋白制品、保健品等各個(gè)領(lǐng)域。

目前我國(guó)對(duì)這部分資源并沒(méi)有進(jìn)行有效利用，除一部分用于生產(chǎn)甲殼素和少量通過(guò)蛋白酶水解回收蛋白質(zhì)外，大部分被直接干燥后作為飼料，甚至成為垃圾。傳統(tǒng)的提取甲殼素的方法，是利用酸堿法從蝦殼中提取，去除甲殼中的色素、蛋白質(zhì)和碳酸鈣等成分后獲得。提取甲殼素的方法還有酶解法和微生物發(fā)酵法；蝦殼蛋白的提取思路為利用蛋白酶水解、純化得到，此外也有用微生物發(fā)酵法來(lái)獲取蛋白。酸堿法提取雖然成本較低，但會(huì)產(chǎn)生大量的酸堿廢水，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且目標(biāo)物降解比較嚴(yán)重；相對(duì)而言，生物法利用蝦殼及蝦頭廢棄物條件溫和，避免了環(huán)境中的酸堿污染，不易導(dǎo)致甲殼素水解，可獲得高分子甲殼素，同時(shí)可以回收利用蛋白質(zhì)和碳酸鈣等成分。

本文將對(duì)酶解法、微生物發(fā)酵法利用蝦殼及蝦頭廢棄物回收蛋白質(zhì)、甲殼素、蝦青素等成分進(jìn)行綜述。

1 酶法利用蝦殼及蝦頭廢棄物

不同研究者以蝦殼和蝦頭為原料，分別利用單一蛋白酶如酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和復(fù)合蛋白酶來(lái)提取蝦殼中的甲殼素，同時(shí)可以回收得到蝦殼蛋白和蝦青素，研究結(jié)果見(jiàn)表1[10-16]。李婷等和Baron等利用酸性蛋白酶從蝦殼廢棄物中提取甲殼素；許慶陵等以蝦殼為原料，利用堿性蛋白酶Alcalase和檸檬酸分別脫除蝦殼中的蛋白質(zhì)和鈣來(lái)提取甲殼素；Younes等利用芽孢桿菌粗蛋白酶A21提取蝦殼中甲殼素。王燕等利用木瓜蛋白酶與風(fēng)味蛋白酶按1∶1.5混合作為復(fù)合蛋白酶提取蝦殼蛋白；Ambigaipalam等和劉洋等利用單一蛋白提取蝦殼蛋白，其中劉洋等利用堿性蛋白提取蝦殼蛋白的提取率高達(dá)62.7%。趙儀等以蝦殼為原料，利用木瓜蛋白酶水解提取蝦青素，在溫度為44.5 ℃，pH 5.51下作用92.6 min，總類(lèi)胡蘿卜素釋放率為63.059 μg/g，比直接用有機(jī)溶劑高19.879%；孫兆遠(yuǎn)等利用木瓜蛋白酶提取蝦青素，得到的最佳工藝條件為木瓜蛋白酶的添加量為10%，酶解溫度45 ℃，pH 5.5下酶解5 h，蝦青素的提取量為79.26 μg/g。

綜上所述，可以相較傳統(tǒng)的酸堿法，酶法反應(yīng)溫和，便于操作且高效，減少了廢棄排放，有效減少環(huán)境的污染，但是在工廠(chǎng)中大量生產(chǎn)還存在生產(chǎn)成本較高，盡管酶解法可以提取出多種蛋白，但是蝦頭及蝦殼中豐富的蛋白質(zhì)回收利用率較低，大批量的生產(chǎn)技術(shù)流程還不夠成熟。同時(shí)酶解法得到蛋白質(zhì)酶解液如果控制不當(dāng)，會(huì)帶來(lái)腥臭味和苦澀味，限制了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何利用酶法降解蝦殼及蝦頭廢棄物，提高得率，降低生產(chǎn)成本，完善生產(chǎn)工藝是亟待解決的難題，解決該問(wèn)題對(duì)提高蝦加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有重大意義[17]。

表1 酶法利用蝦殼及蝦頭廢棄物研究進(jìn)展

2 細(xì)菌發(fā)酵利用蝦殼及蝦頭廢棄物

近年來(lái)，微生物發(fā)酵法成為蝦殼蛋白、甲殼素和蝦青素生產(chǎn)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。使用微生物發(fā)酵產(chǎn)酸處理蝦殼，使其脫鈣，不但能減少環(huán)境污染，還能回收許多有價(jià)值的蝦殼副產(chǎn)物，如蛋白質(zhì)、蝦青素、脂肪酸等，從而提高資源利用。

目前主要采用乳酸菌發(fā)酵來(lái)降解蝦殼及蝦頭廢棄物，見(jiàn)表2。例如，段杉等利用乳酸菌發(fā)酵協(xié)同自溶作用，回收蝦殼及蝦頭中的蛋白質(zhì)；林瑞軍等研究利用嗜酸乳桿菌發(fā)酵蝦殼及蝦頭，與蝦頭、蝦殼的自溶作用相結(jié)合，回收蛋白質(zhì)和甲殼素；劉斯雅等[18]研究利用植物乳桿菌的乳酸發(fā)酵作用，并結(jié)合蝦頭內(nèi)源酶的自溶作用，回收利用蝦頭、蝦殼中的蛋白質(zhì)和甲殼素。乳酸菌發(fā)酵與蝦頭、蝦殼的自溶作用相結(jié)合具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，乳酸菌發(fā)酵可以防止蝦頭、蝦殼在自溶過(guò)程中發(fā)生腐敗，延長(zhǎng)自溶時(shí)間，也有利于產(chǎn)品的后續(xù)處理和保藏；在自溶酶和乳酸桿菌的同時(shí)作用下，可以保證蝦殼中蛋白質(zhì)的充分水解和高利用率，無(wú)需再外加蛋白酶；可以消除產(chǎn)品的苦澀味和腥臭味；產(chǎn)生的乳酸可以將蝦殼、蝦頭中的不溶性鈣鹽轉(zhuǎn)化為可溶性乳酸鈣，剩余的發(fā)酵殘?jiān)礊榇旨讱に?，脫鈣后的蝦頭、蝦殼更方便用于甲殼素的生產(chǎn)[19]。

除了乳酸發(fā)酵蝦殼及蝦頭廢棄物，回收利用蝦頭、蝦殼中的蛋白質(zhì)和甲殼素，研究者紛紛利用細(xì)菌發(fā)酵蝦殼、蝦頭來(lái)制備各種蛋白酶。付博等[20]利用納豆菌來(lái)水解蝦殼、蝦頭中的蛋白質(zhì)，其研究了發(fā)酵過(guò)程中不同條件下納豆菌所產(chǎn)蛋白酶的活力；Yen等[21]研究以蟹蝦殼粉作為碳源，利用銅綠假單胞菌M-1001進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生一種抗真菌的蛋白酶；Wang等[22]利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵蝦殼產(chǎn)生一種堿性蛋白酶。

利用各類(lèi)發(fā)酵菌種以蝦殼為碳源、氮源來(lái)生產(chǎn)各類(lèi)蛋白質(zhì)和甲殼素取得了一系列成果[23-25]，但是發(fā)酵法生產(chǎn)蝦殼蛋白、甲殼素等還存在一定的問(wèn)題，利用細(xì)菌發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生影響目的產(chǎn)物穩(wěn)定性、濃度的代謝產(chǎn)物，且代謝產(chǎn)物一般難以分離、純化，發(fā)酵周期過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較高。

表2 細(xì)菌發(fā)酵法利用蝦殼及蝦頭廢棄物研究進(jìn)展

3 真菌發(fā)酵蝦殼及蝦頭

利用蝦殼、蝦頭進(jìn)行真菌發(fā)酵，既可充分利用蝦殼、蝦頭中豐富的蛋白質(zhì)等成分培養(yǎng)真菌獲得大量菌體，以降低發(fā)酵成本，又可以蝦殼、蝦頭為底物，通過(guò)真菌誘導(dǎo)產(chǎn)生各種酶系。

利用真菌發(fā)酵生產(chǎn)甲殼素或蝦殼蛋白等方面的文獻(xiàn)報(bào)道較少，目前主要利用淡紫擬青霉(Paecilomyceslilacinus)、藍(lán)色犁頭霉(Absidiacoerulea)和紅曲霉(Monascus)等真菌利用蝦殼及蝦頭進(jìn)行發(fā)酵研究。為開(kāi)辟新的真菌農(nóng)藥的培養(yǎng)基基質(zhì)，肖順等[26]研究了添加蝦殼的培養(yǎng)基培養(yǎng)食線(xiàn)蟲(chóng)真菌淡紫擬青霉。肖麗鳳等[27]利用藍(lán)色犁頭霉發(fā)酵蝦殼得到甲殼素脫乙酰酶來(lái)進(jìn)行甲殼素脫乙酰工藝的優(yōu)化。以紅曲菌為代表的真菌發(fā)酵蝦殼最具優(yōu)勢(shì)，它極大地降低了發(fā)酵成本；發(fā)酵副產(chǎn)物較為單一，易于分離；發(fā)酵產(chǎn)物中有抑菌作用，降血糖、血脂、膽固醇作用，可以極大地豐富發(fā)酵產(chǎn)物，同時(shí)甲殼素和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物的提取技術(shù)也變得更加安全，更加環(huán)保。Liang等[28]以蝦殼粉為發(fā)酵基質(zhì)，研究了紅曲霉發(fā)酵上清液中的胞外蛋白酶的純化及表征，得到了分子量為40000 Da，最佳pH值為7.9，最佳溫度為40 ℃，pH穩(wěn)定性為5.9，熱穩(wěn)定性為40 ℃的蛋白酶。Wang等[29]利用蟹蝦殼粉為碳源進(jìn)行紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)生一種抗菌化合物。

相對(duì)于細(xì)菌發(fā)酵，真菌發(fā)酵過(guò)程更為復(fù)雜，發(fā)酵影響因素更多，同時(shí)發(fā)酵過(guò)程在物質(zhì)的聯(lián)級(jí)利用上也更完善，所以利用真菌發(fā)酵蝦殼以及蝦頭是當(dāng)今科研的創(chuàng)新，也是重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論及展望

綜上所述，對(duì)蝦殼的利用技術(shù)正在逐步優(yōu)化、改良和發(fā)展。傳統(tǒng)的酸堿法可以有效地提取出蝦殼的甲殼素，但存在諸多弊端，酶法的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和，避免污染，工藝簡(jiǎn)單，且酶解液中的鈣和蛋白質(zhì)等成分可回收利用，由于有機(jī)酸的酸性較低，不易導(dǎo)致甲殼素水解，與發(fā)酵法一樣，可獲得高分子甲殼素，但是其制約因素為生產(chǎn)成本過(guò)高和資源綜合率不高；微生物發(fā)酵法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，對(duì)環(huán)境友好，可以得到較高分子量的甲殼素，且蛋白質(zhì)、蝦青素等成分也能回收利用，同時(shí)可以發(fā)酵得到堿性蛋白酶、甲殼素脫乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的產(chǎn)物。