以虾壳为原料提取虾青素和壳聚糖的研究

徐文刚，谷庆舟，陈怀新，2，*（.武汉高源生物科技发展有限公司，湖北武汉430000；2.湖北大学生命科学学院，湖北武汉430030）



以虾壳为原料提取虾青素和壳聚糖的研究

徐文刚1，谷庆舟1，陈怀新1，2，*
（1.武汉高源生物科技发展有限公司，湖北武汉430000；2.湖北大学生命科学学院，湖北武汉430030）

摘要：采用4种不同状态的虾壳为原料，分别为A：新鲜虾壳；B：旧虾壳；C：新鲜虾壳和旧虾壳的混合；D：油焖虾壳，运用酶解法和酸碱法，从中提取虾青素和壳聚糖。分别从虾青素的提取率、颜色和状态方面，壳聚糖的生化指标、颜色、状态和在醋酸中的溶解性方面进行比较研究。结果表明：采用新鲜虾壳为原料，所得虾青素的提取率最高，颜色和状态最好；所得的壳聚糖黏度最低，溶解性最好，透明度最高。采用旧虾壳为原料，壳聚糖的黏度最高，溶解性最差，透明度最低。关键词：不同状态；虾壳；虾青素；壳聚糖

虾青素（astaxanthin）是一种酮式类胡萝卜素，化学名称为3，3’-二羟基-β胡萝卜素-4，4’-酮。它是天然的油溶性色素，易溶于有机溶剂，不溶于水，是一种稳定性好的着色剂，广泛存在于生物界中，特别是水生动物中的虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛[1-2]。虾青素不仅能使鱼、虾、蟹和蛋黄增色，而且具有保健免疫的功能[3]。

壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰化处理后的产物，通常将脱乙酰度55 %以上的甲壳素称作壳聚糖，其学名为聚氨基葡萄糖，化学名（1，4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，广泛存在于虾、蟹等动物的外壳和藻类、真菌的细胞壁中，是迄今为止惟一发现的阳离子动物纤维和碱性多糖[4]。它具有抗微生物活性、激活淋巴细胞、提高免疫力、调节脂肪代谢和降低血脂、胆固醇等多种生理功能，在医药、食品、化妆品、纺织、造纸、农业及环保等许多领域有着极其广泛的用途[5]。

通过综合运用酶解法和酸碱法，虾青素和壳聚糖均能从废虾壳中同时提取获得。湖北省是全国水产养殖大省，鱼、虾、蟹等水产品产量已连续三年位居全国第一。潜江市素有“中国小龙虾之乡”的美誉，每年小龙虾的产量达到4万t，而废弃的虾壳更是不计其数。为了最大限度地提高废物回收利用的价值，本课题组以市场上较常见的几种虾壳为原料，并结合实际情况作适当的调整组合，从中提取出虾青素和壳聚糖。本研究分别从虾青素的提取率、颜色和状态方面，壳聚糖的生化指标、颜色、状态和在醋酸中的溶解性方面进行比较，以从中优化选择出最佳原材料，从而为工业化放大生产提供理论参考。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

1.1.1材料

试验中所用的废虾壳来自汉口江汉区妙墩路菜市场，于2011年5～10月和2012年5～10月收集。为方便试验进行比较，将其分别归类为4组：A：新鲜虾壳6 000 g；B：旧虾壳5 300 g；C：新鲜虾壳1 938 g和旧虾壳2 748 g；D：油焖虾壳2 756 g。其中旧虾壳和油焖虾壳是2011年5月收集的，在冰箱中放置大约1年左右；新鲜虾壳是2012年8月收集，在冰箱中放置1 d～2 d就开始试验。

1.1.2试剂

虾青素标准品：中国药品生物制品检定所；无水乙纯、氢氧化钠、浓盐酸、浓硫酸、次氯酸纳、硫酸铜、硫酸钾、苯胺蓝、甲基橙、甲基红、溴甲酚绿、乙酸、硼酸等，均为国产分析纯；水为双蒸水。

1.2仪器与设备

虾壳破碎机：武汉辉煌设备有限公司；UV-2100型可见分光光度计：上海尤尼柯仪器有限公司；NDJ-1型旋转式黏度计：上海天平仪器厂；AY-120W型电子分析天平：日本岛津公司；SFG-02型电热恒温鼓风干燥箱：黄石恒丰医疗器械厂；SHB-B88型循环水多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；KDF-103F型自动定氮仪：上海纤检仪器有限公司；TDL-5型离心机：上海安亭科学仪器厂；DL-1型万用电炉：北京永光明医疗仪器厂；85-1型恒温磁力搅拌器：常州国华电器有限公司；HH·S11-Ni2型电热恒温水浴锅：北京市长源实验设备厂。

1.3虾壳中虾青素的测定

1.3.1虾青素标准曲线的制备

标准溶液的配制：精密称取虾青素标准品10 mg，用乙醇将其充分溶解，定容于100 mL容量瓶中，摇匀，即该虾青素标准品溶液的质量浓度0.1 mg/mL。

标准曲线的制备：准确吸取0.1 mg/mL虾青素对照品溶液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL，分别置于6只10 mL具塞比色管中，加乙醇稀释至刻度。摇匀静置10 min后，在波长472 nm处进行紫外吸光度的测定，以吸光度（Y）为纵坐标，虾青素含量X/（mg/mL）为横坐标，绘制标准曲线，得回归方程：

Y＝312.68X + 0.002 8，R2＝0.999 7。

结果表明：虾青素对照品质量浓度在0.01 mg/mL～0.05 mg/mL范围内与吸光度呈良好线性关系。

1.3.2虾青素提取的工艺流程

—静置分层—上清液—有机溶剂萃取—分液漏斗分液—有机溶剂提取—真空浓缩—虾青素

沉淀—有机溶剂提取—离心分离—上清液—真空浓缩—虾青素

1.3.3虾青素的测定

取已经浓缩好的虾青素样品10 mg充分溶解，定容至100 mL容量瓶中，从中吸取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL，分别置于5只10 mL具塞比色管中，加乙醇稀释至刻度，摇匀静置10 min后，以乙醇作为对照，在波长472 nm处进行紫外吸光度的测定，用回归方程计算样品溶液中虾青素的质量浓度X/（mg/mL）。

由以下公式计算虾青素的含量：

样品中虾青素的质量浓度/（mg/mL）＝

式中：稀释倍数为10/测样所吸取虾青素稀释液的体积；供试品定容体积100 mL。

1.4虾壳中壳聚糖的测定

1.4.1壳聚糖提取的工艺流程

1.4.2壳聚糖指标的测定

水分的测定参照GB5009.3-2010《食品安全国家标准食品中水分的测定》[6]，灰分的测定参照GB 5009.4-2010《食品安全国家标准食品中灰分的测定》[6]，蛋白质的测定参照GB/T 6432-94《饲料中粗蛋白测定方法》[7]，脱乙酰基度和黏度的测定参照SC/T 3403-2004《甲壳质与壳聚糖》[8]，壳聚糖的提取率按如下公式计算：

1.4.3壳聚糖的外观及在醋酸中的溶解状态

取固体壳聚糖2.5 g溶解在250 mL 1 %的醋酸溶液中，配成1 %的壳聚糖醋酸溶液，观察壳聚糖在醋酸中溶解的快慢，溶液的透明度、黏稠程度、底部杂质等。

2　结果与分析

2.1虾青素的形态及提取率

各组别中虾青素的颜色，形态及提取率的比较见表1。

表1虾青素的颜色，形态及提取率Table 1 The color，state and extraction percentage of the pigment

已有研究表明，虾青素在虾壳中大多以与蛋白质或钙结合的形式存在。而在有机溶剂中则以游离或酯的形式存在，稳定性相对较差，在光照、氧等条件下极易氧化，并且也易异构化从而导致褪色或吸收峰偏移等[9]。表1表明，新鲜虾壳中，虾青素的质量浓度和提取率最高，且远远高于其他3组，其颜色也是鲜红而富有光泽，是流动的，呈虾油的状态。旧虾壳和油焖虾壳的质量浓度和提取率均较低，颜色是暗红的，呈凝固状态。

2.2壳聚糖的生化分析

各组别中壳聚糖的提取率和生化含量的比较见表2。

表2壳聚糖的提取率和生化分析Table 2 The extraction percentage and analysis of biochemistry of the chitosan

4种组别中壳聚糖的水分和灰分指标均达到工业用的壳聚糖的级别，含氮量和脱乙酰基度差别不大。4组在规格上均属于低脱乙酰基度（<75.0 %）。可能是由于虾壳材料的缘故，目前生产上所获得的高脱乙酰基度基本都以阿拉斯加的鳕蟹为原材料提取。表2表明，不同组别所提取的壳聚糖在黏度方面存在的差异较大。其中A组别属于中等黏度，C、D属于高黏度，B组属于超高黏度。

2.3壳聚糖的外观及在醋酸中的溶解状态

各组别中壳聚糖的外观及在醋酸中的溶解状态比较见表3。

表3表明，A组在醋酸中溶解是最快的，状态澄清，易流动；而B组最慢，浑浊且不易流动。试验表明，各组别中溶解快慢，黏稠度与自身的黏度成正相关。黏度越小，分子量越小，越容易溶解，溶液越澄清；黏度越大，则相反。而实际应用中，不同的黏度规格有不同的作用。D组底部有白色絮状沉淀，杂质较多，可能是油焖大虾在油炸﹑扔弃的过程中，参杂了很多杂质在里面，难以降解所致。

表3壳聚糖的外观及在醋酸中的溶解状态Table 3 The appearance and the dissolved state in acetic acid of the chitosan

3　结论

以4种不同来源虾壳为原料提取虾青素的结果表明，以菜市场新鲜虾壳为原料，虾青素的质量浓度最高，提取率最高，色泽最好；而油焖虾壳和旧虾壳的的质量浓度和提取率均较低。已有研究表明，虾青素是一种非常不稳定的类胡萝卜素，在光照，温度，溶剂等外界条件的影响下极易氧化褪色[10]。旧虾壳可能因在冰箱中储存过久，导致虾青素被氧化褪色；油焖虾壳可能因在油炸高温的过程中，导致虾青素中不耐热部分降解褪色。以4种不同来源虾壳为原料提取壳聚糖的结果表明，4种原料的生化分析中，只有在黏度方面存在差别，可结合实际的需要选择不同黏度的壳聚糖。但在外观、溶解性和透明度方面，新鲜虾壳明显优于其他组别的虾壳。

参考文献：

[1]施安辉,萧海杰.目前国内外虾青素研究的进展[J].生物工程进展,1999,19(1):29-31

[2]胡雅馨,惠伯棣,李阳.食用虾中虾青素类化合物的含量和组成[J].食品科学,2007,28(8):389-392

[3]吴光明,王金茂,吴兵,等.蟹背甲红色素的化学成分及其应用研究[J].添加剂和辅料特辑,1996(3):22-23

[4]李梅,叶小其,张余荣,等.绿色饲料添加剂——壳聚糖[J].饲料营养,2008(4):58

[5]王润连,贾志海,朱晓萍.甲壳素和壳聚糖的营养研究进展[J].动物营养学报,2006,18(4):299-302

[6]杨惠芬,李明元,沈文.食品卫生理化检验标准手册[M].北京:中国标准出版社:39-40,46-47

[7]国家技术监督局.GB/T 6432-94饲料中粗蛋白测定方法[S].北京:中国标准出版社,1994

[8]中华人民共和国农业部. SC/T 3403-2004甲壳质与壳聚糖[S].北京:中国标准出版社,2004

[9]姜启兴,夏文水.龙虾壳中色素的稳定性研究[J].食品科学,2006, 27(6):61-64

[10]姜淼,杨贤庆,李来好,等.高效液相色谱法测定虾壳中的虾青素[J].食品科学,2010,31(20):371-375

The Research of the Pigment and Chitosan Extracted from Shrimp Shells as Raw Materials

XU Wen-gang1，GU Qing-zhou1，CHEN Huai-xin1，2，*
（1. Wuhan Gaoyuan Biotech Technology Development Co.，Ltd.，Wuhan 430000，Hubei，China；2. Hubei University，Life and Science College，Wuhan 430030，Hubei，China）

Abstract：The pigment and the chitosan were extracted from different states of shrimp shells as raw materials，which is respectively A：fresh shrimp shells；B：old shrimp shells；C：the hybrid of fresh and old shrimp shells；D：braised shrimp shells，by the way of enzymatic hydrolysis and acid-base methods. The compared research was analyzed from the color，state and extraction rate of the pigment，as well as the extraction rate and analysis of biochemistry and the solubility in acetic acid of the chitosan. The results of research indicated that the pigment from the fresh shrimp shells as raw materials could get the highest extraction rate，as well as the best color and state. At the same time，the chitosan could get the lowest viscosity，the best solubility and transparency. However，the chitosan from the old shrimp shells could get the highest viscosity，but the worst solubility and transparency.

Key words：different states；shrimp shells；pigment；chitosan

收稿日期：2014-10-11

*通信作者

作者简介：徐文刚（1985—），男（汉），工程师，硕士，主要从事生化加工、天然产物的开发及利用方面的研究。

基金项目：武汉市科技计划项目“生物降解制备甲壳素及其副产品”（200951732547）；武汉市科技计划项目“生物降解制备虾青素”（201220837308）

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.03.016