生物法利用虾壳及虾头废弃物的研究进展

李娇，李奇缘，王伟平

(湖北工业大学 生物工程与食品学院，武汉 430068)

克氏原螯虾(Procambarusclarkii)俗称克氏螯虾、淡水龙虾、小龙虾，原产于美国中部和东部、墨西哥以及古巴，是最具食用价值的淡水龙虾品种，年产量占整个淡水龙虾产量的70%～80%。在我国，小龙虾人工养殖和消费的数量很大。目前，在对虾的加工中主要以冻虾仁为主，在加工中产生大量的虾头、虾壳等下脚料，约占虾体质量的30%～40%[1]，如不及时处理，就会造成环境污染。

虾壳虾头中除了含有甲壳素，还残留着蛋白质、多不饱和脂肪酸、虾青素和矿物质等成分，值得利用[2,3]。甲壳素是一种线型的天然高分子中性黏多糖，经脱乙酰化后可制得生物相容性好的壳聚糖，具有消炎、降血脂、降低胆固醇等生物功能活性[4,5]，广泛用于工业、农业、渔业和医疗用品中[6]；虾青素是一种酮式类胡萝卜素，天然油溶性色素，稳定性好，有多种 结构形式，可淬灭单线态氧、清除自由基、防止或终止因单线态氧和自由基引起的链式反应[7-9]；回收虾头、虾壳中的蛋白质，可方便地用于调味品、水解蛋白制品、保健品等各个领域。

目前我国对这部分资源并没有进行有效利用，除一部分用于生产甲壳素和少量通过蛋白酶水解回收蛋白质外，大部分被直接干燥后作为饲料，甚至成为垃圾。传统的提取甲壳素的方法，是利用酸碱法从虾壳中提取，去除甲壳中的色素、蛋白质和碳酸钙等成分后获得。提取甲壳素的方法还有酶解法和微生物发酵法；虾壳蛋白的提取思路为利用蛋白酶水解、纯化得到，此外也有用微生物发酵法来获取蛋白。酸碱法提取虽然成本较低，但会产生大量的酸碱废水，对环境污染严重，且目标物降解比较严重；相对而言，生物法利用虾壳及虾头废弃物条件温和，避免了环境中的酸碱污染，不易导致甲壳素水解，可获得高分子甲壳素，同时可以回收利用蛋白质和碳酸钙等成分。

本文将对酶解法、微生物发酵法利用虾壳及虾头废弃物回收蛋白质、甲壳素、虾青素等成分进行综述。

1 酶法利用虾壳及虾头废弃物

不同研究者以虾壳和虾头为原料，分别利用单一蛋白酶如酸性蛋白酶、碱性蛋白酶和复合蛋白酶来提取虾壳中的甲壳素，同时可以回收得到虾壳蛋白和虾青素，研究结果见表1[10-16]。李婷等和Baron等利用酸性蛋白酶从虾壳废弃物中提取甲壳素；许庆陵等以虾壳为原料，利用碱性蛋白酶Alcalase和柠檬酸分别脱除虾壳中的蛋白质和钙来提取甲壳素；Younes等利用芽孢杆菌粗蛋白酶A21提取虾壳中甲壳素。王燕等利用木瓜蛋白酶与风味蛋白酶按1∶1.5混合作为复合蛋白酶提取虾壳蛋白；Ambigaipalam等和刘洋等利用单一蛋白提取虾壳蛋白，其中刘洋等利用碱性蛋白提取虾壳蛋白的提取率高达62.7%。赵仪等以虾壳为原料，利用木瓜蛋白酶水解提取虾青素，在温度为44.5 ℃，pH 5.51下作用92.6 min，总类胡萝卜素释放率为63.059 μg/g，比直接用有机溶剂高19.879%；孙兆远等利用木瓜蛋白酶提取虾青素，得到的最佳工艺条件为木瓜蛋白酶的添加量为10%，酶解温度45 ℃，pH 5.5下酶解5 h，虾青素的提取量为79.26 μg/g。

综上所述，可以相较传统的酸碱法，酶法反应温和，便于操作且高效，减少了废弃排放，有效减少环境的污染，但是在工厂中大量生产还存在生产成本较高，尽管酶解法可以提取出多种蛋白，但是虾头及虾壳中丰富的蛋白质回收利用率较低，大批量的生产技术流程还不够成熟。同时酶解法得到蛋白质酶解液如果控制不当，会带来腥臭味和苦涩味，限制了其在食品领域的应用。因此，如何利用酶法降解虾壳及虾头废弃物，提高得率，降低生产成本，完善生产工艺是亟待解决的难题，解决该问题对提高虾加工企业的经济效益有重大意义[17]。

表1 酶法利用虾壳及虾头废弃物研究进展

2 细菌发酵利用虾壳及虾头废弃物

近年来，微生物发酵法成为虾壳蛋白、甲壳素和虾青素生产研究的一个热点。使用微生物发酵产酸处理虾壳，使其脱钙，不但能减少环境污染，还能回收许多有价值的虾壳副产物，如蛋白质、虾青素、脂肪酸等，从而提高资源利用。

目前主要采用乳酸菌发酵来降解虾壳及虾头废弃物，见表2。例如，段杉等利用乳酸菌发酵协同自溶作用，回收虾壳及虾头中的蛋白质；林瑞军等研究利用嗜酸乳杆菌发酵虾壳及虾头，与虾头、虾壳的自溶作用相结合，回收蛋白质和甲壳素；刘斯雅等[18]研究利用植物乳杆菌的乳酸发酵作用，并结合虾头内源酶的自溶作用，回收利用虾头、虾壳中的蛋白质和甲壳素。乳酸菌发酵与虾头、虾壳的自溶作用相结合具有独特的优势，乳酸菌发酵可以防止虾头、虾壳在自溶过程中发生腐败，延长自溶时间，也有利于产品的后续处理和保藏；在自溶酶和乳酸杆菌的同时作用下，可以保证虾壳中蛋白质的充分水解和高利用率，无需再外加蛋白酶；可以消除产品的苦涩味和腥臭味；产生的乳酸可以将虾壳、虾头中的不溶性钙盐转化为可溶性乳酸钙，剩余的发酵残渣即为粗甲壳素，脱钙后的虾头、虾壳更方便用于甲壳素的生产[19]。

除了乳酸发酵虾壳及虾头废弃物，回收利用虾头、虾壳中的蛋白质和甲壳素，研究者纷纷利用细菌发酵虾壳、虾头来制备各种蛋白酶。付博等[20]利用纳豆菌来水解虾壳、虾头中的蛋白质，其研究了发酵过程中不同条件下纳豆菌所产蛋白酶的活力；Yen等[21]研究以蟹虾壳粉作为碳源，利用铜绿假单胞菌M-1001进行发酵产生一种抗真菌的蛋白酶；Wang等[22]利用枯草芽孢杆菌发酵虾壳产生一种碱性蛋白酶。

利用各类发酵菌种以虾壳为碳源、氮源来生产各类蛋白质和甲壳素取得了一系列成果[23-25]，但是发酵法生产虾壳蛋白、甲壳素等还存在一定的问题，利用细菌发酵过程中会产生影响目的产物稳定性、浓度的代谢产物，且代谢产物一般难以分离、纯化，发酵周期过长，生产成本较高。

表2 细菌发酵法利用虾壳及虾头废弃物研究进展

3 真菌发酵虾壳及虾头

利用虾壳、虾头进行真菌发酵，既可充分利用虾壳、虾头中丰富的蛋白质等成分培养真菌获得大量菌体，以降低发酵成本，又可以虾壳、虾头为底物，通过真菌诱导产生各种酶系。

利用真菌发酵生产甲壳素或虾壳蛋白等方面的文献报道较少，目前主要利用淡紫拟青霉(Paecilomyceslilacinus)、蓝色犁头霉(Absidiacoerulea)和红曲霉(Monascus)等真菌利用虾壳及虾头进行发酵研究。为开辟新的真菌农药的培养基基质，肖顺等[26]研究了添加虾壳的培养基培养食线虫真菌淡紫拟青霉。肖丽凤等[27]利用蓝色犁头霉发酵虾壳得到甲壳素脱乙酰酶来进行甲壳素脱乙酰工艺的优化。以红曲菌为代表的真菌发酵虾壳最具优势，它极大地降低了发酵成本；发酵副产物较为单一，易于分离；发酵产物中有抑菌作用，降血糖、血脂、胆固醇作用，可以极大地丰富发酵产物，同时甲壳素和蛋白质等营养物的提取技术也变得更加安全，更加环保。Liang等[28]以虾壳粉为发酵基质，研究了红曲霉发酵上清液中的胞外蛋白酶的纯化及表征，得到了分子量为40000 Da，最佳pH值为7.9，最佳温度为40 ℃，pH稳定性为5.9，热稳定性为40 ℃的蛋白酶。Wang等[29]利用蟹虾壳粉为碳源进行红曲霉发酵产生一种抗菌化合物。

相对于细菌发酵，真菌发酵过程更为复杂，发酵影响因素更多，同时发酵过程在物质的联级利用上也更完善，所以利用真菌发酵虾壳以及虾头是当今科研的创新，也是重点方向。

4 结论及展望

综上所述，对虾壳的利用技术正在逐步优化、改良和发展。传统的酸碱法可以有效地提取出虾壳的甲壳素，但存在诸多弊端，酶法的优点是条件温和，避免污染，工艺简单，且酶解液中的钙和蛋白质等成分可回收利用，由于有机酸的酸性较低，不易导致甲壳素水解，与发酵法一样，可获得高分子甲壳素，但是其制约因素为生产成本过高和资源综合率不高；微生物发酵法的优点是反应条件温和，对环境友好，可以得到较高分子量的甲壳素，且蛋白质、虾青素等成分也能回收利用，同时可以发酵得到碱性蛋白酶、甲壳素脱乙酰酶和抗菌化合物等高附加值的产物。