對蝦加工下腳料的綜合提取技術(shù)研究進(jìn)展

李雨霖,余 煉,倪 婕,姜 毅,江虹銳,劉小玲

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

蝦作為水產(chǎn)品的一種,不僅是中國水產(chǎn)品中出口最大量的,還是國際市場上交易最活躍、價(jià)值最大的產(chǎn)品。2019年全球蝦的總產(chǎn)量約470 萬噸,中國產(chǎn)量已達(dá)110 萬噸[1]。其中對蝦養(yǎng)殖業(yè)是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的代表性產(chǎn)業(yè)之一,養(yǎng)殖產(chǎn)量占全球?qū)ξr養(yǎng)殖產(chǎn)量的26%,主要養(yǎng)殖的種類包括南美白對蝦、中國對蝦、斑節(jié)對蝦、日本對蝦等[2]。南美白對蝦由于肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)價(jià)值高、繁殖快、抵抗疾病侵害的能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),逐步成為中國主要的對蝦養(yǎng)殖品種,占總對蝦養(yǎng)殖量的70%以上[3]。隨著國內(nèi)外對對蝦加工產(chǎn)品需求量的增長,其或?qū)⑻娲糠执笞诘~,成為主流的水產(chǎn)蛋白之一[4]。對蝦在生產(chǎn)中常以無外骨骼的冷凍形式出口,其中大約有45%～48%的廢棄物沒有經(jīng)過利用而直接被丟棄[5]。對蝦的加工廢棄物又稱對蝦的加工下腳料,主要包括蝦頭、蝦殼、蝦尾、清洗用水(含有蛋白質(zhì))等,常被當(dāng)作垃圾填埋或丟棄,是造成沿海地區(qū)難聞氣味和主要地表污染的原因之一[6]。

相關(guān)研究表明對蝦的加工下腳料仍含有許多營養(yǎng)物質(zhì),主要由甲殼素、蛋白質(zhì)、蝦青素等組成,具有一定經(jīng)濟(jì)和營養(yǎng)價(jià)值。以南美白對蝦為例,其下腳料中氨基酸種類齊全,脂肪酸組成與蝦肉差異也不顯著,且蝦頭的粗脂肪含量為3.87%高于蝦肉(1.89%)的粗脂肪含量[7],可提取油脂生產(chǎn)蝦油;同時(shí)蝦頭還含有18種揮發(fā)性物質(zhì),風(fēng)味與蝦肉不同[8],可制作蝦頭醬等調(diào)味料;蝦殼中蝦青素含量較高,可用于天然蝦青素的制備或利用其多孔結(jié)構(gòu)除去水體中的重金屬離子[9]等。目前,對于對蝦加工下腳料的利用已經(jīng)得到一定重視,但在實(shí)際生產(chǎn)提取下腳料中營養(yǎng)成分時(shí)多數(shù)采用的酸堿法、溶劑萃取法，造成了化學(xué)試劑大量使用,增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)且對下腳料的利用率不高。隨著可持續(xù)發(fā)展和“零廢棄物”的提出實(shí)施,蝦類加工企業(yè)在如何更好利用這些下腳料的問題上陷入了一定困境,對此文章綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)對蝦加工下腳料的有效成分提取及其方法,以求為更高效和更合理利用蝦類加工下腳料提供一定借鑒。

1 甲殼素

1.1 概述

甲殼素(Chitin)又稱幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì),是海洋生態(tài)系統(tǒng)中含量最豐富、與纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的無定型多糖[10],脫乙酰化后可制成甲殼素衍生物殼聚糖[11]。由于甲殼素及其衍生物具有抑制腫瘤發(fā)生、保護(hù)肝臟、治療胃潰瘍、提高免疫系統(tǒng)能力等功能[10],被譽(yù)為“人體的健康能源”。已被美國藥物食品管理局、歐洲醫(yī)學(xué)科技界和營養(yǎng)食品研究機(jī)構(gòu)列為繼糖、脂肪、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素之后人體所必需的第六生命要素[12]。對蝦中甲殼素含量豐富,以南美白對蝦為例,其在蝦殼和蝦頭中的含量分別為6.67%和3.33%[13],因此可通過從中提取甲殼素并進(jìn)一步加工以應(yīng)用于食品、藥品等領(lǐng)域。如作為益生元促進(jìn)腸道有益菌生長[14],可用于食品加工中的增稠劑、穩(wěn)定劑和防腐劑[15]以及新興的抗菌包裝和涂層[16]、人造皮膚等。甲殼素及其衍生物無論在科研還是生產(chǎn)應(yīng)用方面,都顯示出了極大的市場潛力,因此從對蝦加工下腳料中提取甲殼素是減少浪費(fèi)和提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一個(gè)解決方案。

1.2 提取方法

水產(chǎn)加工下腳料中的蝦殼、蟹殼是生產(chǎn)甲殼素的主要來源,占生物合成甲殼素總量的80%[17]。甲殼素一般與蛋白質(zhì)、鈣等組分結(jié)合緊密,通常需除去或回收這些組分后才能得到。在提取甲殼素的過程中,可以通過控制工藝條件獲得不同脫乙酰化程度的殼聚糖[18],同時(shí)回收蛋白質(zhì)、碳酸鈣等其他有附加值的產(chǎn)物。

1.2.1 酸堿法 酸堿法是目前最成熟、工業(yè)上認(rèn)可度最高、應(yīng)用最廣的制備方法。它的原理主要是利用無機(jī)酸除礦物質(zhì)和強(qiáng)堿脫蛋白后而獲得。藍(lán)尉冰等[19]用傳統(tǒng)的酸堿法提取南美白對蝦下腳料中的甲殼素,甲殼素得率為14.63%,脫蛋白率為52.45%,脫鈣率為70.54%,脫除蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的效果較好。Srinivasan等[20]在室溫下先后用1.0 mol/L HCl和3.0 mol/L NaOH從蝦殼中提取甲殼素,最后甲殼素得率為30%,殼聚糖的產(chǎn)率為35%,殼聚糖的產(chǎn)量升高主要是由于脫鹽和脫蛋白過程中引起的部分脫乙?；玩溄到?若要制備純度更高的甲殼素,就需要對提取過程的條件進(jìn)行控制或后續(xù)進(jìn)行純化。傳統(tǒng)的酸堿法雖然操作簡便,但提取過程使用了大量的強(qiáng)酸和強(qiáng)堿,對環(huán)境有極大的危害,并且還會使甲殼素的理化性質(zhì)受到損害、蛋白質(zhì)變性造成蛋白質(zhì)無法回收的結(jié)果,損失部分有價(jià)值的副產(chǎn)物。

Kaya等[21]在傳統(tǒng)酸堿法的基礎(chǔ)上采用NaClO處理蝦殼,明顯縮短了除去礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)所需的時(shí)間,且獲得的甲殼素性質(zhì)與直接提取的甲殼素物理性質(zhì)基本一致。朱凱等[22]通過在酸堿處理前增加原料粉碎和復(fù)合脫脂劑處理,相比不進(jìn)行處理,酸堿總處理時(shí)間縮短了3倍,總用量減少了8倍,且灰分殘留量更少,既提高了獲得的甲殼素的產(chǎn)品質(zhì)量,也節(jié)約了能源,減少了對環(huán)境的污染。彭元懷等[23]用98%的硫酸對甲殼素生產(chǎn)中的廢鹽酸進(jìn)行再生,鹽酸的再生率可達(dá)91.51%,能重復(fù)利用5次。通過上述以及Knidri等[24]的研究可以發(fā)現(xiàn),粉碎原料、輔助超聲或微波以及化學(xué)試劑的方法改進(jìn)工藝,都能起到減少處理所需的化學(xué)試劑用量并縮短處理時(shí)間的目的。并且針對酸堿污染環(huán)境的問題,工藝優(yōu)化和鹽酸再生都在一定程度上減少了酸的用量,更有利于生產(chǎn)中成本的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)。

1.2.2 酶解法 酶解法就是利用蛋白酶水解下腳料中蛋白質(zhì)從而破壞甲殼素與蛋白質(zhì)的結(jié)合,也是常用的提取甲殼素的方法之一,但是該法作用范圍局限在蛋白質(zhì),為了確保同時(shí)除去下腳料中的蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)以提取甲殼素,常需輔助酸或微波、超聲波等。該法的優(yōu)點(diǎn)在于提取條件溫和、污染小,而不足之處在于使用的蛋白酶價(jià)格較貴且應(yīng)用條件較嚴(yán)苛。Angel等[25]首先以蛋白質(zhì)脫除率為指標(biāo)篩選具有蛋白脫除力最強(qiáng)的酶,實(shí)驗(yàn)表明堿性蛋白酶的蛋白脫除率最高,而后以微波輔助其提取蝦頭中的甲殼素,最終甲殼素產(chǎn)率為22%,其中僅殘留有0.2%的灰分,脫除了61%的蛋白質(zhì),相比酸堿法甲殼素的產(chǎn)率相差不多,但礦物質(zhì)的去除更徹底。Younes等[26]將蝦殼先用鹽酸脫礦物質(zhì)并水洗至中性后用兩種堿性蛋白酶 A21 和S.scrofa來脫除蛋白質(zhì),該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法可以脫除100%的灰分和95%的蛋白質(zhì),并且保留甲殼素99%的乙酰度,提高了甲殼素的純度。這表明將酶法與酸堿法相結(jié)合,比單一的使用酸堿法酸的用量減少,且甲殼素的質(zhì)量更高。

1.2.3 微生物發(fā)酵法 微生物發(fā)酵法本質(zhì)是通過發(fā)酵過程中產(chǎn)生的蛋白酶和有機(jī)酸分別脫除蝦殼中的蛋白質(zhì)和灰分,被認(rèn)為是環(huán)保、安全、技術(shù)靈活和經(jīng)濟(jì)可行的替代酸堿法的方法之一[27],是目前研究制備甲殼素的熱點(diǎn)。乳酸菌是目前較常用的菌,因?yàn)槠洚a(chǎn)生的乳酸能與對蝦下腳料中的碳酸鈣成分發(fā)生反應(yīng)形成乳酸鈣沉淀,再進(jìn)一步通過洗滌就可以去除[28],并且還能降低pH,抑制腐敗菌的生長。劉斯雅等[29]利用植物乳桿菌發(fā)酵蝦頭和蝦殼,蛋白質(zhì)的回收率為98.2%,礦物質(zhì)殘留僅為2.8%,提取的甲殼素可滿足工業(yè)級甲殼素的純度要求。Gamal等[30]用枯草芽孢桿菌在添加5%蔗糖、料液濃度12.5%、接種量10%、發(fā)酵時(shí)間7 d的條件下發(fā)酵蝦殼,甲殼素得率為22%,蛋白質(zhì)脫除率為96.0%,礦物質(zhì)脫除率為82.1%。Xin等[31]采用常壓和室溫等離子體誘變技術(shù)篩選出高效穩(wěn)定的10017號突變株,用其發(fā)酵蝦的加工下腳料,甲殼素得率為70.18%,蛋白質(zhì)脫除率為91.48%,高于原始菌株發(fā)酵所得60.75%的甲殼素得率和79.58%的蛋白質(zhì)脫除率。Khanafari等[32]分別用化學(xué)和微生物法從蝦下腳料中提取甲殼素的實(shí)驗(yàn)也表明微生物法優(yōu)于化學(xué)法。以上實(shí)驗(yàn)可以看出微生物發(fā)酵法能達(dá)到較高的蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的脫除率,且通過優(yōu)化發(fā)酵工藝和菌種選育的方式還可以進(jìn)一步提高甲殼素的得率和純度;與酸堿法相比提取過程較溫和,能獲得分子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的高分子甲殼素,還可以進(jìn)一步回收碳酸鈣和蛋白質(zhì)等成分,也避免了酸堿使用造成的環(huán)境污染。但發(fā)酵法存在耗時(shí)長等不足,目前可通過優(yōu)化發(fā)酵工藝、進(jìn)行菌種選育和員工培訓(xùn)等方法,使其更好應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中[11]。

1.2.4 離子液體法 目前一種新的利用離子液體來提取回收對蝦下腳料中甲殼素的研究方法[33]。離子液體又稱室溫熔鹽,是由有機(jī)陽離子和有機(jī)(或無機(jī))陰離子組成的低溫熔融鹽,具有非揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、能保留高分子量產(chǎn)品的特點(diǎn),能很好溶解甲殼素、纖維素等多糖[34],并且其提取甲殼素的能力與酸堿法相當(dāng),可作為酸堿試劑的良好替代品。Qin等[35]提出1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([C2mim][OAc])能溶解甲殼類動物的殼并回收其中的甲殼素,實(shí)驗(yàn)以每0.4 g樣品加10 g[C2mim][OAc],并微波2 min輔助溶解蝦殼,結(jié)果顯示該法可有效提取蝦殼中94%的甲殼素,且獲得的甲殼素有較高的純度和分子量。但是由于離子液體本身黏度大,會阻礙其與蝦殼之間的傳質(zhì)作用,從而影響甲殼素的提取率。Shamshina等[36]提出可以用酸性和堿性離子制成的低廉離子液體羥基乙酸銨([NH3OH][OAc])代替[C2mim][OAc]進(jìn)行蝦殼中甲殼素的提取,可回收96%的甲殼素(純度為80%),在一定程度上可解決[C2mim][OAc]黏度大的問題且價(jià)格更經(jīng)濟(jì)。但是該提取方法使用了羥胺,而羥胺易分解,劇烈加熱會爆炸,對呼吸系統(tǒng)、皮膚等也有刺激性。因此繼續(xù)尋找其他試劑替代部分離子液體來降低其黏度和生產(chǎn)成本,及注重天然無毒離子液體的合成和離子液體的循環(huán)使用等問題都是未來的研究需要進(jìn)一步關(guān)注的方向[37]。

2 蛋白質(zhì)

2.1 概述

南美白對蝦的加工下腳料中含豐富的蛋白質(zhì),在蝦頭和蝦殼中的含量分別為6.38%和5.22%,且氨基酸種類齊全,其中必需氨基酸在蝦頭和蝦殼中的含量分別可占游離氨基酸總量的41.52%和45.54%[12],與酪蛋白(含46.14%的必需氨基酸)和牛奶蛋白粉(含46.59%的必需氨基酸)中的必需氨基酸含量接近,是優(yōu)良的食物蛋白質(zhì)資源[38]。并且氨基酸的比例和組成符合人體必需氨基酸的要求,與人體肌肉組分相近,因而人體對其吸收利用率較高[39]。李曉等[40]對凡納濱對蝦蝦頭中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行了評分,發(fā)現(xiàn)蝦頭中平均氨基酸評分和平均氨基酸的化學(xué)評分分別為121.21、97.55,均高于蝦肉中兩者評分,更接近于理想全雞蛋的蛋白質(zhì)模型。同時(shí)其含的呈味氨基酸占總氨基酸的比值達(dá)37.44%,各呈味氨基酸的組成也與蝦肉有所差異,因而具有不同于蝦肉的風(fēng)味,可用于制備天然的調(diào)味品。由于對蝦下腳料中含有的豐富游離氨基酸,工廠常將其用作原料生產(chǎn)調(diào)味品、氨基酸肥料以及動物飼料。隨著研究的深入,研究人員發(fā)現(xiàn)很多海洋來源的生物活性肽都具有免疫調(diào)節(jié)、抗癌、抗菌等生物活性[41],因此越來越多的研究通過酶解、微生物發(fā)酵、凝膠過濾等方法提取純化蝦頭及蝦殼中含的生物活性物質(zhì)如抗氧化肽、抗菌肽、ACE抑制肽等,并進(jìn)一步加工應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域。有關(guān)蝦類加工下腳料中蛋白質(zhì)的研究相比蝦肉蛋白和蝦類加工下腳料中甲殼素和蝦青素的研究都較少,而該活性成分的提取生產(chǎn)能在增加下腳料附加值的同時(shí)減少廢水處理的成本,使工廠利益最大化,因此對這方面資源的利用仍需加強(qiáng)。

2.2 提取方法

目前對于對蝦加工下腳料中的蛋白質(zhì)的回收方法主要有:酶法水解、堿法提取、微生物發(fā)酵等。其中蛋白水解產(chǎn)物可以在生產(chǎn)甲殼素脫蛋白的過程中大量獲得。

2.2.1 堿法 堿法提取的原理就是使蛋白質(zhì)的肽鍵在堿的作用下被破壞。陳博等[42]通過響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助堿法提取對蝦下腳料中的蛋白質(zhì),在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、超聲溫度50 ℃的條件下提取30 min,蛋白質(zhì)的提取率為14.1577%。堿法提取成本低、操作簡便,但是提取率不高、污染較大、蛋白的水解程度難以控制,并且由于反應(yīng)過程較為劇烈,也易使氨基酸受到損傷[43]。

2.2.2 酶法 目前在實(shí)際生產(chǎn)中多數(shù)還是采用酶法或超聲等輔助酶解提取蛋白質(zhì)。酶法水解就是通過蛋白酶切斷蛋白質(zhì)分子的肽鍵,使高分子量的蛋白質(zhì)裂解成低分子量的多肽后從原料中分離出來,從而獲得蛋白質(zhì)。Pattanaik等[44]采用木瓜蛋白酶從斑節(jié)對蝦的蝦殼中回收到9.8 g/100 g的蛋白質(zhì),在對這些蛋白質(zhì)進(jìn)行的自由基清除活性和還原力的測定實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出較好的效果,可作為補(bǔ)充營養(yǎng)成分添加在動物飼料中。Ambigaipalan等[45]利用多種蛋白酶從蝦下腳料中提取蛋白質(zhì)和多肽,經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)所提取的蛋白質(zhì)水解物除具有多種自由基清除活性、亞鐵離子螯合能力和還原力外,還具有ACE抑制活性,經(jīng)過純化后的ACE抑制肽可以用作潛在的血壓控制藥物。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)利用酶在分解蝦殼中的蛋白質(zhì)時(shí)可同步提高下腳料中類胡蘿卜素的回收率,對資源能進(jìn)行更充分的利用。姜震[46]通過比對超聲輔助堿法和酶法提取蛋白質(zhì),發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶的蛋白質(zhì)提取率為45.76%,雖低于超聲輔助堿法78.6%的提取率,但酶法獲得的蛋白質(zhì)溶解性、乳化性等功能特性更好。酶法提取的過程易操控、反應(yīng)條件溫和,且堿性蛋白酶處理對殼聚糖的回收率和質(zhì)量無顯著影響[47];但大批量生產(chǎn)時(shí)成本較高且水解過程易腐敗[11],還存在蛋白質(zhì)酶解液易因操作不當(dāng)產(chǎn)生腥臭味和苦澀味的問題,對此可通過提高相關(guān)從業(yè)人員的操作水平及采取除臭手段來解決,以便更好在食品領(lǐng)域等應(yīng)用。

2.2.3 微生物發(fā)酵法 微生物發(fā)酵法是利用了微生物的代謝作用,不僅能改變蛋白質(zhì)的品質(zhì),還能產(chǎn)生易于消化利用的短肽、氨基酸等物質(zhì),使加工廢棄物轉(zhuǎn)化成高附加值的發(fā)酵產(chǎn)品[48]。Olfa等[49]用銅綠假單胞菌發(fā)酵蝦殼,有90%的蛋白質(zhì)被水解,經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)該蛋白水解產(chǎn)物可清除DPPH自由基。Bhaskar等[50]用乳酸片球菌發(fā)酵蝦的加工下腳料,在5%接種量、pH4.3、添加15%葡萄糖的條件下37 ℃發(fā)酵3 d,蛋白質(zhì)回收率可達(dá)97.9%。段杉等[51]用3株乳酸菌混合成的發(fā)酵劑發(fā)酵蝦頭和蝦殼,在添加20%葡萄糖、1∶2固液比、10%接種量及39 ℃的條件下發(fā)酵5 d,蛋白質(zhì)回收率為94.0%。以上采用不同菌株發(fā)酵回收蛋白質(zhì)的回收率都較高,有很大的實(shí)用價(jià)值,尤其是用乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵,不僅可以防止對蝦下腳料在自溶過程中腐敗現(xiàn)象的發(fā)生,還可以延長自溶時(shí)間,使自溶酶和乳酸桿菌更充分的作用,使蛋白質(zhì)得到更充分的水解;同時(shí)還能減輕或除去產(chǎn)品的腥臭味和苦澀味,解決生產(chǎn)中惡臭的問題;更重要的是發(fā)酵過程中生成的乳酸也能將下腳料中含有的不溶性鈣鹽轉(zhuǎn)化成可溶性乳酸鈣,更方便生產(chǎn)甲殼素[52],進(jìn)行綜合利用。然而微生物發(fā)酵通常周期較長,發(fā)酵過程中也會產(chǎn)生影響目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量和穩(wěn)定性的其他代謝產(chǎn)物,且該代謝產(chǎn)物常難以分離和純化[11],對此可采用優(yōu)化發(fā)酵條件使目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量更高等方法,以便更好應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

綜上所述,酶法和微生物發(fā)酵法就未來發(fā)展趨勢而言是替代化學(xué)法的有效途徑,可以對此進(jìn)一步研究,同時(shí)采用輔助微波、超聲波、超濾[53]等其他技術(shù)使對蝦加工下腳料中的蛋白質(zhì)能更好的回收利用。

3 蝦青素

3.1 概述

蝦在加熱烹調(diào)過程中外殼的顏色逐漸變鮮紅,原因即是外殼中含有的蝦青素。蝦青素(Astaxanthin)又名蝦黃質(zhì)、蝦黃素,是一種非維生素A原的類胡蘿卜素,在動物體內(nèi)不可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成維生素A[54]。蝦青素在自然界中主要以游離蝦青素和蝦青素酯的形式存在,在蝦中主要以蝦青素酯的形式存在,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同蝦青素酯還可進(jìn)一步分為蝦青素單酯和蝦青素雙酯[55],南美白對蝦的蝦殼中蝦青素酯的含量可占蝦青素含量的84.62%[56]。通過柱層析法等方法可分離制備不同形態(tài)的蝦青素,這樣依據(jù)蝦青素的構(gòu)效關(guān)系能更好為功能食品開發(fā)提供依據(jù)[57]。郝淑賢的研究顯示凡納濱對蝦的蝦殼中蝦青素含量為5.01%±0.89%[7],是制備蝦青素的較好來源。蝦青素具有的強(qiáng)抗氧化性大約比維生素E的高500倍,因此又被稱為“超級維生素E”,常以抗皺、抗氧化、抗紫外線輻射等作用廣泛應(yīng)用于化妝品中[58],還可以起到預(yù)防心血管疾病、增強(qiáng)免疫、降低動脈粥樣硬化發(fā)生率等作用[54]。除對人體有許多健康作用外,還可被用于飼料添加劑和商用食品添加劑,尤其是對脂類含量較高的食品,能起到著色和保鮮的雙重作用,有良好的應(yīng)用前景[59]。

3.2 提取方法

近年來,蝦青素的功能特性及經(jīng)濟(jì)價(jià)值被人們逐漸發(fā)現(xiàn),其需求量也日益增加。目前可通過化學(xué)合成法和天然提取法來生產(chǎn)蝦青素,其中化學(xué)合成的蝦青素占據(jù)主要市場,其市場占有率約為95%,但實(shí)際上它的應(yīng)用安全性、結(jié)構(gòu)和功能與天然蝦青素均存在差異,相關(guān)實(shí)驗(yàn)也表明其抗氧化活性僅為天然蝦青素的一半[58],穩(wěn)定性、著色性等方面也更差,且價(jià)格高昂,因此,天然蝦青素的高效提取不僅是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的選擇也是未來蝦青素發(fā)展的重點(diǎn)。

3.2.1 堿法 堿提法成本低、時(shí)間短、純度高,但廢液嚴(yán)重污染環(huán)境。為此杜云建等[60]通過稀堿液處理蝦殼來提取蝦青素,在1∶4固液比、50 ℃的條件下用0.5 mol/L NaOH浸提,最終粗蝦青素的得率為9.31%,但提取后的廢液對環(huán)境的危害程度降低,可以與酶一樣用作提取蝦青素的前處理方法。

3.2.2 溶劑萃取法 目前,溶劑萃取法仍是蝦青素提取采用最多的方式,其優(yōu)點(diǎn)在于提取溫度較低,利于蝦青素穩(wěn)定,常用的溶劑有乙醇、丙酮、異丙醇及這些溶劑的各種組合等[61],但不同溶劑提取效果不同。Hooshmand等[62]用不同溶劑從蝦下腳料中提取蝦青素,最后采用丙酮作為溶劑提取的類胡蘿卜素產(chǎn)量最高,為61.321 μg/g。Sachindra等[63]用異丙醇與正己烷(50∶50,v/v)混合從蝦下腳料中提取蝦青素,產(chǎn)量為43.9 μg/g,比單獨(dú)用異丙醇(40.8 μg/g)和丙酮(40.6 μg/g)的蝦青素提取率都高。這表明混合溶劑能起到比單一溶劑更好的效果,并且可以彌補(bǔ)單一溶劑提取色素中成分有差異的問題。但溶劑提取法不足之處在于有些溶劑存在毒性,有一定安全隱患。另外,蝦青素具有油溶性質(zhì),也可用食用油來提取,常用的有大豆油、棕櫚油等。Sachindra等[64]比較了不同種類的油對蝦下腳料中蝦青素提取率的影響,取蝦下腳料與油1∶2混合,70 ℃水浴加熱2 h,結(jié)果顯示葵花籽油提取的蝦青素產(chǎn)量為26.3 μg/g,高于花生油、大豆油等其他6種油提取的蝦青素產(chǎn)量。用食用油提取蝦青素時(shí),除油的種類外油用量也會影響蝦青素的提取,并且提取后蝦青素與油的混合物不易濃縮,易使產(chǎn)品的濃度較低,一定程度上會限制其應(yīng)用范圍。

3.2.3 酶法 酶法提取也是一種環(huán)境友好的提取工藝,能防止溶劑造成化學(xué)污染,且能耗小,時(shí)間短,常用作前處理方法以破壞蝦青素與蛋白質(zhì)的結(jié)合,也可與其他方法聯(lián)合同時(shí)提取甲殼素和蝦青素[65]。趙儀等[66]利用木瓜蛋白酶對大明蝦的加工下腳料進(jìn)行蝦青素提取,研究結(jié)果表明在酶添加量1.30%、44.5 ℃、pH5.51的最適條件下酶解92.6 min,得到類胡蘿卜素的產(chǎn)量為63.059 μg/g,比直接用丙酮提取的產(chǎn)量提高了19.879%。該方法不僅提高了類胡蘿卜素的產(chǎn)量,還可以增強(qiáng)加工過程中的安全性,因?yàn)楸獙儆谝兹计非议L期接觸對人健康有害。Auerswald等[65]先在龍蝦加工下腳料中添加0.5%木瓜蛋白酶,控制固液比1∶10,38 ℃下酶解24 h后離心分離,再用甲醇提取,最終可得到54.5 μg/g蝦青素,該法將酶法與甲醇溶劑法結(jié)合,相比單獨(dú)使用某一方法的蝦青素提取率高,而且可節(jié)約單獨(dú)使用酶提取的成本和甲醇的用量。

3.2.4 超臨界CO2萃取法 溶劑萃取法涉及萃取后溶劑分離的問題,而超臨界CO2萃取技術(shù)則避免了這一環(huán)節(jié)。同時(shí)由于其具有低粘度、高擴(kuò)散系數(shù)等優(yōu)異特性,能更好地從固體樣品中進(jìn)行提取,且在較低溫度下進(jìn)行,能有效防止蝦青素的降解損失。Abdelkader等[67]比較了不同壓力和溫度條件下超臨界CO2與正己烷萃取蝦青素得率的差異,實(shí)驗(yàn)表明超臨界CO2萃取蝦青素的最高產(chǎn)量為(86.2±3.1) μg/g,正己烷萃取得到的蝦青素產(chǎn)量為(103.2±1.3) μg/g,雖然超臨界CO2萃取的蝦青素產(chǎn)量略低,但不存在正己烷后續(xù)回收和回收不徹底造成危害的問題,能簡化生產(chǎn)步驟。Charest等[68]發(fā)現(xiàn)以10%添加量的乙醇作助溶劑用超臨界CO2萃取蝦殼中的蝦青素能提高其萃取效率,而CO2和乙醇又具有無毒性和環(huán)境友好的特點(diǎn),符合綠色發(fā)展的趨勢,或可成為未來提取蝦青素的優(yōu)選方法,但超臨界CO2萃取法相比普通的溶劑萃取需要更高端且耐高壓的設(shè)備,投資較大。

3.2.5 離子液體-鹽雙水相萃取 雙水相萃取是通過雙水相的成相現(xiàn)象及物質(zhì)在兩相間的分配系數(shù)不同而進(jìn)行的分離技術(shù)。傳統(tǒng)的雙水相萃取存在高粘度阻礙傳質(zhì)、極性范圍窄、選擇性受限等問題,而離子液體雙水相體系能彌補(bǔ)上述一些不足。Gao等[69]對比了6種不同離子液體與磷酸鉀組成的離子液體-鹽雙水相體系的提取效果。按5∶3∶12的離子液體:磷酸鉀:水的比例制成三元體系后與蝦下腳料以20∶1 (mL/g)進(jìn)行混合攪拌,再于35 ℃平衡12 h后取含蝦青素的離子液體層加入超純水沉淀蝦青素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示辛基三丁基溴化膦([P4448]Br)與磷酸鉀的組合提取產(chǎn)量最高,為30.51 μg/g。這說明離子液體的結(jié)構(gòu)會影響蝦青素的提取效率,因?yàn)?[P4448]Br)有最小的水合度和最低的氫鍵接受強(qiáng)度,所以對磷酸鉀雙水相的耐受性最強(qiáng);其次[P4448]Br改善了水溶液的親脂性,而蝦青素是親脂性化合物,故可增加蝦青素的溶解度;而溫度的升高會使離子液體的粘度降低因此也能提高蝦青素提取率。將該實(shí)驗(yàn)提取的蝦青素與丙酮提取的蝦青素經(jīng)掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)前者損傷更小,表明前者提取的蝦青素質(zhì)量更高。因此該法或可成為替代有機(jī)溶劑萃取的方法之一,其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保、能耗較低且對設(shè)備要求不高,提取條件也較溫和,利于蝦青素的穩(wěn)定。目前,用該法從蝦下腳料中提取蝦青素的研究較少,還存在許多問題需要進(jìn)一步探究,如蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)對離子液體中蝦青素提取的影響、使用過的離子液體如何除雜以延長使用期限等。

在蝦的下腳料中蝦青素常與蛋白質(zhì)結(jié)合,進(jìn)行甲殼素提取脫蛋白時(shí),蝦青素也會隨之溶出,可同時(shí)進(jìn)行提取利用。雖然水產(chǎn)品副產(chǎn)物中蝦青素含量較低不能滿足大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)需求且提取費(fèi)用相對較高,但廢棄資源再利用可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、減輕環(huán)境負(fù)擔(dān),因此仍保持從水產(chǎn)品下腳料中提取天然蝦青素用于生產(chǎn)的方式[70]。可以通過超臨界CO2、酶和溶劑等復(fù)合工藝以及對原料進(jìn)行酸或酶解等預(yù)處理來達(dá)到提高產(chǎn)量、降低成本的目的,使得蝦青素得以更好的開發(fā)和利用[61]。

4 脂肪

4.1 概述

近年來,人們由于攝入過多脂類而引起的高血脂、高膽固醇、肥胖等疾病已屢見不鮮。為此,人們致力于開發(fā)新型保健型油脂,其中多不飽和脂肪酸在其中發(fā)揮主要功效作用。而蝦頭中含有一定的脂質(zhì),可以從中提取蝦油。對蝦加工下腳料中脂肪酸組成的研究表明,其富含的有益健康的單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸可占總脂肪酸的34%[6]。李曉等[40]對凡納濱對蝦的蝦頭和蝦肉進(jìn)行的脂肪酸分析結(jié)果顯示,蝦頭中含有38.12%的飽和脂肪酸、24.99%的單不飽和脂肪酸和36.61%的多不飽和脂肪酸,其中n-6:n-3 多不飽和脂肪酸的比值為0.79,低于蝦肉中1.56的比值。事實(shí)上,人們在日常飲食中攝入的n-3多不飽和脂肪酸通常不足而n-6多不飽和脂肪酸通卻較多,因此n-6:n-3多不飽和脂肪酸的比例失衡問題也越來越受到人們的關(guān)注[71]。尤其是n-3系列中被稱為“腦黃金”的DHA(二十二碳六烯酸)和“血管清道夫”EPA(二十碳五烯酸),由于可以起到健腦、降低血脂、預(yù)防心血管疾病等作用受到人們青睞,而這兩種多不飽和脂肪酸在凡納濱對蝦的蝦頭中分別含10.54%和6.47%,均高于蝦肉中對應(yīng)的含量。因此可以從對蝦的蝦頭及其它下腳料中提取和生產(chǎn)蝦油,以此來改善人們的飲食結(jié)構(gòu),這符合人們健康的發(fā)展觀念,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4.2 提取方法

4.2.1 溶劑萃取法 溶劑萃取法是目前工業(yè)生產(chǎn)中較為常用的方法,其提取油脂成本較低、操作簡便,常用乙醇、丙酮等作為萃取溶劑。唐紅楓等[72]從4種溶劑中篩選出提取蝦油產(chǎn)率較高的異丙醇為提取劑,控制料液比1∶7于70 ℃提取110 min,從南美白對蝦蝦頭中提取的蝦油得率為7.89%。在提取過程中蝦頭的含水量、蛋白質(zhì)等都會影響蝦油的提取,可通過對蝦頭進(jìn)行干燥和脫蛋白處理來提高提取率,因?yàn)楹拷档涂梢詼p少水與油脂分子的結(jié)合,使蝦油更易提取,而蛋白質(zhì)是通過疏水作用與脂質(zhì)非極性部位結(jié)合,除去蛋白使脂質(zhì)更好被釋放出來。徐洋等[73]用不同原料處理方式探究對蝦油提取率的影響,結(jié)果表明以冷凍干燥并粉碎的方式來提取蝦油的提取率最高。在1∶9料液比、50 ℃、30 min的條件下用95%的乙醇提取,蝦油得率最高,為12.64%±0.02%,高于從全蝦中蝦油的一次提取率(11.61%)[74]。原料粉碎后的蝦油得率較高主要是由于粉碎能使接觸面積更大,而干燥使原料水分含量降低從而能減少提取溶劑的用量,利于節(jié)約成本。作為萃取劑,乙醇本身與蝦油分離簡單,蝦油提取液經(jīng)濃縮分離后的乙醇回收率可達(dá)73%,能重復(fù)利用[74]。但有機(jī)溶劑提取的蝦油中可能含有機(jī)殘留,具有一定的毒性,還會對其他營養(yǎng)成分造成破壞。

4.2.2 酶輔助法 酶預(yù)處理作為一種新的、有效的提高油脂產(chǎn)量的方法,通過采用蛋白酶使肽鍵斷裂,破壞蛋白質(zhì)與油脂的結(jié)合,從而使油脂更好被釋放出來。徐曉斌等[75]在中性環(huán)境下加入0.13%的復(fù)合蛋白酶,43.8 ℃酶解4.9 h,再用乙醇和石油醚提取,磷蝦油的提取率為96.06%,高于曹文靜等[76]用無水乙醇-正己烷(1∶10,v/v)混合溶劑萃取的89.1%的磷蝦油提取率,且所得的磷蝦油脂肪酸組成中,EPA和DHA的含量分別占16.90%和8.99%。Chen等[77]采用4種蛋白酶對蝦下腳料進(jìn)行水解,發(fā)現(xiàn)風(fēng)味蛋白酶是該實(shí)驗(yàn)中的最佳水解酶。在酶添加量2.0%(w/w)、液固比9∶1 (mL/g)、水解時(shí)間2.6 h、溫度50 ℃的條件下,蝦油得率為88.9%。在對所得蝦油進(jìn)行的氣相色譜分析發(fā)現(xiàn)該蝦油含有11種脂肪酸,其中EPA和DHA的含量分別為7.81%和9.26%,與磷蝦油中的脂肪酸組成有所差異,但多不飽和脂肪酸的含量也較高,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。該法優(yōu)點(diǎn)是操作條件溫和、得到的產(chǎn)品品質(zhì)較高;可適用于含水量高的原料,節(jié)省干燥成本;酶解后的下腳料如蛋白質(zhì)也可以進(jìn)一步利用[75],但與傳統(tǒng)方法相比額外增加了酶用量的成本。

4.2.3 超臨界CO2萃取法 無溶劑殘留、無污染的超臨界CO2萃取技術(shù)彌補(bǔ)了溶劑萃取法存在的溶劑毒性危害和回收繁瑣及不徹底的缺點(diǎn)。梁銳[78]用不同溶劑提取南美白對蝦下腳料中的蝦油,發(fā)現(xiàn)溶劑提取的蝦油大多色澤較差且有腥味,選用綜合表現(xiàn)較好的正己烷為萃取劑與超臨界CO2萃取進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方法提取的蝦油在外觀上有明顯區(qū)別,前者蝦油呈深褐色,后者蝦油呈金黃色,且后者過氧化值、酸值都更低,表明后者提取的蝦油品質(zhì)更高;兩者在脂肪酸含量上沒有明顯差異,但在脂肪酸組成上有差異,主要表現(xiàn)在正己烷提取的蝦油EPA含量(14.065%)明顯高于超臨界CO2萃取蝦油的EPA含量(8.664%),這可能與EPA在正己烷中溶解度較高以及對色譜圖積分時(shí)峰未分開和扣除無效雜峰面積有關(guān)。由該實(shí)驗(yàn)可以看出超臨界CO2萃取法相比正己烷提取法提取蝦油有更好的應(yīng)用價(jià)值。由于磷脂在超臨界CO2中溶解度很小,常需輔助極性溶劑(如5%～20%乙醇[79])為夾帶劑進(jìn)行提取[80]。楊霞[81]從南美白對蝦的蝦頭中提取蝦油的實(shí)驗(yàn)顯示蝦油提取率受CO2流量、溫度和壓力的影響較小,但在加入用量8%的乙醇后,蝦油提取率為80.9%,比不加乙醇得率提高了5%,說明乙醇作為夾帶劑對蝦油提取率的影響較大。這主要是因?yàn)樘崛∥镔|(zhì)極性較大時(shí)CO2作為非極性物質(zhì)溶解力有限,因此以乙醇為夾帶劑可以提高提取率。在選擇夾帶劑用量時(shí)需進(jìn)行對比,加大其用量可加強(qiáng)夾帶劑和溶劑間的作用力,但添加量太多反而會造成其與超臨界流體難以混合的情況,也會影響流體的超臨界狀態(tài)。雖然超臨界CO2萃取技術(shù)溶劑使用量小,較環(huán)保且產(chǎn)品品質(zhì)較高,但乙醇在室溫下呈液態(tài),使得在脫溶劑方面依舊有所欠缺,且設(shè)備較為昂貴、投入成本高,因此在目前要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)存在一定困難[82]。

4.2.4 亞臨界萃取法 亞臨界萃取主要依據(jù)相似相容原理,以亞臨界流體為萃取劑將萃取物中的脂溶性成分轉(zhuǎn)移到萃取劑中,再通過減壓蒸發(fā)使目的產(chǎn)物與萃取劑分離最終獲得目的產(chǎn)物。許洋等[83]采用丙烷作為溶劑,控制壓力和溫度分別在0.3～0.8 MPa和30～35 ℃進(jìn)行萃取,將得到的浸提液于0.01～0.03 Mpa和不同溫度下分別減壓蒸發(fā)水分和有機(jī)溶劑,即可得到精制蝦油,該蝦油中磷脂、EPA和DHA的含量分別為38.5%、21.8%和13.6%。用亞臨界萃取法提取蝦下腳料中的蝦油,所得蝦油中不飽和脂肪酸含量較高,因?yàn)閬喤R界狀態(tài)下的丙烷分子擴(kuò)散性能較強(qiáng),使得其對物質(zhì)的溶解能力增強(qiáng),并且與超臨界CO2萃取相比,無需另外添加夾帶劑,技術(shù)設(shè)備投入也較低,更適合工業(yè)生產(chǎn)。然而目前以此法提取蝦油的研究較少,有待更進(jìn)一步的探究。

目前,對于這部分資源的利用和研究相對較少,其中大部分針對蝦油的研究都來自磷蝦,原因在于磷蝦油相比于其他的海洋油脂更易被人所吸收[73]。在對蝦下腳料進(jìn)行提取蝦油的過程中仍有一些問題亟待研究解決,如不當(dāng)?shù)脑辖鈨龇绞胶蜅l件會導(dǎo)致蝦油酸價(jià)、脂肪酸含量、感官等品質(zhì)下降[84];蝦油酸價(jià)、過氧化值等偏高時(shí)需在保證功能活性物質(zhì)完好的前提下確定合適的精煉方法[78]等。

5 結(jié)語

對蝦的加工下腳料是廉價(jià)的可再利用資源,具有較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著對下腳料中蝦青素、蛋白質(zhì)、甲殼素和脂肪酸等成分的不斷認(rèn)識,越來越多的生產(chǎn)企業(yè)日益注重對這些下腳料資源的開發(fā)利用。但目前企業(yè)對于這些資源的提取多數(shù)仍以傳統(tǒng)的酸堿法或溶劑法為主,使用的化學(xué)試劑大大增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)。隨著提取、分離等技術(shù)的逐步優(yōu)化、改良和發(fā)展,提取這些物質(zhì)的方式將趨向于更環(huán)保、更方便、更高效的方向轉(zhuǎn)變,如文中提到的微生物發(fā)酵、離子液體、高效無毒的超臨界CO2法、離子液體-鹽雙水相萃取等。然而,就目前現(xiàn)狀來看,對這些營養(yǎng)成分提取工藝的研究開發(fā)相對獨(dú)立且大多停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模階段,與投入實(shí)際生產(chǎn)還有一定距離。由于實(shí)際生產(chǎn)更傾向于綜合利用,對此可將對蝦的下腳料進(jìn)行分開處理,蝦頭由于脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量較高可主要用于蝦油的生產(chǎn)和蛋白質(zhì)的提取,而蝦青素作為脂溶性化合物,在處理過程中也會溶于油脂使提取的蝦油含部分蝦青素,增加了蝦油的活性成分;蝦殼則可主要用于蝦青素和甲殼素的生產(chǎn),在生產(chǎn)甲殼素脫蛋白時(shí)蝦青素也會溶出,可同時(shí)進(jìn)行蝦青素的提取和蛋白質(zhì)的回收,還可通過脫鈣回收碳酸鈣沉淀。對于較成熟的方法還應(yīng)進(jìn)行中試試驗(yàn)等并制定相關(guān)的監(jiān)測指標(biāo),進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室的工藝參數(shù),以便更好的在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。在將來,進(jìn)一步尋找和優(yōu)化更合適而高效的工業(yè)化綜合利用對蝦加工下腳料的方法仍是研究的重點(diǎn)方向。