CN108456261A - 虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法 - Google Patents

虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法 Download PDF

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Abstract

针对目前虾蟹壳加工提取甲壳素过程中，大量酸碱脱除钙与蛋白的使用会造成严重的环境污染和大量钙质、蛋白质难以高值利用的问题，本发明提供一种虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法。虾蟹壳经有机酸提钙后，再采用不添加无机酸碱的汽爆方法处理，破坏其致密结构，提高后续反应的可及性；汽爆处理后的物料用蛋白酶或产蛋白酶的微生物固态发酵进一步水解蛋白质，从而将虾蟹壳组分完全分离获得有机酸钙、蛋白和甲壳素。本发明采用汽爆处理虾蟹壳，解除其致密结构对生物转化的影响，降低酶或菌种用量，缩短反应时间；实现虾蟹壳中甲壳素与有机钙和蛋白多联产，提高经济利用价值；处理过程避免大量无机酸碱的使用，过程清洁无污染，易于控制，产品稳定，适合工业化生产。

Description

虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法
技术领域
本发明属于水产品加工过程废弃物综合利用领域，特别涉及一种虾蟹壳汽爆清洁炼制的方法。
背景技术
虾蟹壳学名聚乙酰氨基葡萄糖, 是一种天然高分子有机物，同样也是水产工业产生的固体废弃物。随着我国人工养殖虾蟹以及水产加工的发展，这些固体废弃物数量越来越大。据估算每生产1吨的虾仁产生0.5-0.6吨的虾壳等下脚料，目前，我国的水产虾蟹产品产生虾蟹壳等甲壳生物质废弃物500多万吨。由于虾蟹壳富含蛋白质（10-25%），在水分含量较高的情况下，未经处理便会造成环境污染。目前虾蟹壳的加工程度低，主要是用做饲料，只有少部分用于提取甲壳素，且提取纯度低，影响了后续高附加值产品的转化合成。然而作为一类宝贵的生物资源，它含有约50%的无机钙盐、约30%的蛋白质以及20%的甲壳素。这些无机钙盐可以成为补钙保健品或食品添加剂原料；虾蟹壳中的蛋白质是一种优质的动物性蛋白质，其中的氨基酸成分比较平衡，可以用作食品调料，或者水解后制成氨基酸营养液；而虾蟹壳中的甲壳素则是在自然界中仅次于纤维素第二大的生物质资源，其脱乙酰基得到的壳聚糖是天然糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖，具有许多特有的物理化学性质和生理活性功能。但是天然的虾蟹壳是由这几种成分相互结合形成的致密结构，在利用的过程中需要破坏这种致密结构分离出目标成分。目前的方法主要是利用多次的无机酸脱钙盐，碱脱蛋白的方式将甲壳素分离出来。该方法虽然操作简单方便，但是耗费大量能源和资源。另外，利用目前采用无机酸碱脱钙脱蛋白的方法，条件剧烈，容易对甲壳素的结构产生影响，并且获得无机酸钙盐利用价值低，而碱法脱除的蛋白质难以再回收利用，大大降低了虾蟹壳资源的经济价值。因此，目前在虾蟹壳资源化利用方面，大都集中在甲壳素提取和壳聚糖在医药、化妆品、纺织、印染、造纸、膜材料方面的直接应用，而忽略了虾蟹壳内大量钙质和蛋白质有的高值综合利用。
针对目前虾蟹壳加工利用甲壳素过程中，用大量酸碱脱除钙盐与蛋白质，造成环境严重污染和虾蟹壳中大量钙质、蛋白质组分难以高值利用的问题，本发明创造性地将汽爆方法与生物法相耦合，通过反复的实验，构建出虾蟹壳中清洁制备甲壳素多联产有机钙盐和蛋白的工艺路线：先利用有机酸提钙，解除导致虾蟹壳致密结构的钙盐，再采用不添加无机酸碱的汽爆方法处理虾蟹壳，提高后续反应的可及性，汽爆处理后的物料用蛋白酶或产蛋白酶的微生物固态发酵进一步水解蛋白质，从而可将虾蟹壳组分完全分离获得有机酸钙、蛋白和甲壳素。
专利CN101407832、CN104140474A、CN104250311A、CN103755834A、CN101974103A、CN103936884A、CN104557650A、CN104557649A、CN104592418A相比较，它们或是使用无机强酸、强碱，或是使用了机械粉碎，或是加入超声破碎，都可能造成化学污染、提取有效成分不完全以及破坏了其它生物组分的活性。本发明利用有机酸作脱钙剂，与目前利用无机酸脱钙相比，有机酸的酸性比较弱，对甲壳素结构的破坏较小，形成的有机酸钙可作为钙元素补充剂，作为饲料或食品的添加剂。同时本发明将脱钙后虾蟹壳利用汽爆技术进一步破坏其致密结构，从而促进后续生物法脱蛋白效果。汽爆是通过蒸汽加热物料并维持一定压力一段时间后，通过迅速打开卸料阀骤然降压将物料喷放出反应罐的过程。通过汽爆高温高压蒸煮的热化学效应，能够破坏蛋白质与甲壳素连接，使虾蟹壳中蛋白部分降解脱除，且实现进一步软化物料的目的；通过汽爆瞬时泄压产生的物理撕裂作用则破坏虾壳致密结构，使其破碎成泥浆状，从而能够大大提高蛋白水解酶的可及性，进而提高酶解或发酵效率，包括降低蛋白酶用量和缩短酶解发酵时间。由于虾蟹壳结构致密性高，同时大量存在疏水的无机钙盐，因此直接利用汽爆对虾蟹壳进行破碎处理，效果并不明显。然而，利用有机酸脱除虾蟹壳中钙盐后，脱除无机钙盐的虾蟹壳呈多孔状结构，同时剩余富含亲水基团的蛋白质和甲壳素，有利于蒸汽的渗透，保证了汽爆的效率。
本发明利用酶法或发酵法脱蛋白存在条件温和和对甲壳素结构破坏较小的优势，其中，相对于微生物发酵的方式，酶法脱蛋白反应时间较短，效率较高。应用于虾蟹壳脱蛋白酶主要是蛋白水解酶，其原理是利用水解酶将虾蟹壳中蛋白水解成为可溶性多肽或者氨基酸，进而分离出来。获得蛋白水解液可以回收作为营养液，还可用于调料添加剂及饲养添加剂。
发明内容
本发明是针对目前虾蟹壳加工利用甲壳素过程中，用大量酸碱脱除钙盐与蛋白质而造成环境严重污染和虾蟹壳中大量组分难以高值利用的问题，发明一种利用有机酸脱钙后将汽爆和生物法耦合脱蛋白，从虾蟹壳中清洁制备甲壳素并多联产有机钙和蛋白的方法，避免大量无机酸碱的使用对环境污染，并实现虾蟹壳废弃物的高值化综合利用。
本发明提供的虾蟹壳汽爆清洁炼制的方法，包括如下步骤：
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料，加入1-6 M有机酸溶液，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:5-1:20，浸泡一定时间6-24 h后进行固液分离，所得的液体为有机酸钙，所得的固体为脱钙后虾蟹壳，将其用水洗至接近中性pH4-7；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在0.8-1.5 MPa压力下维压5-30 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料用蛋白水解酶酶解或用能产蛋白水解酶的菌株发酵，将物料完全脱蛋白转化为甲壳素，其中酶解脱蛋白的条件为：蛋白酶用量20-60 U/g，固液比（w/w）1:5-1:15，酶解温度为10-85 oC，酶解时间0.5 h-12 h，pH为1.5-11；发酵条件为：固液比（w/w）为1:2-1:10，发酵温度20-40 oC，发酵时间2-6 d，氮源为麸皮、硝酸铵、硫酸铵或尿素，碳氮比为20:1-40:1；虾蟹壳原料经上述生物法处理后，经固液分离，固体为甲壳素，液体为蛋白液。
本发明的有益效果为：①本发明采用有机酸脱钙后汽爆和生物法耦合脱蛋白制备甲壳素并联产有机酸钙和蛋白的方法，与目前化学法相比，整个过程清洁无污染，避免了大量无机酸碱的使用；②在酶解脱蛋白之前，采用汽爆处理脱钙后虾蟹壳，能够有效破坏虾蟹壳的致密结构，并使部分与甲壳素联结的蛋白质降解脱出，从而大大增加蛋白水解酶的可及性，提高酶解或发酵效率，包括降低蛋白酶用量和缩短酶解发酵时间；③与目前化学法处理仅以甲壳素为目标产物收率低且无法实现大量钙盐和蛋白地回收利用，本发明提供的方法可同时获得甲壳素、有机钙盐和蛋白三种产品，大大提高虾蟹壳废弃物的经济价值；④本发明工艺易于控制，产品稳定，适合工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料100 g，加入，1 M乳酸，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:10，浸泡一定时间12 h后进行固液分离，获得脱钙后虾蟹壳，将其用水洗至pH 6.56；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在0.8MPa压力下维压15 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料用蛋白水解酶将物料完全脱蛋白转化为甲壳素，其中酶解脱蛋白的条件为：中性蛋白酶用量25 U/g，固液比（w/w）1:10，酶解温度为45 oC，酶解时间2 h，pH为7；虾蟹壳原料经上述有机酸脱钙、汽爆和生物法处理后，获得有机酸钙94.27 g、蛋白粉17.32 g和甲壳素19.65 g。
实施例2
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料100 g，加入，1M 柠檬酸溶液，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:5，浸泡一定时间24 h后进行固液分离，获得脱钙后虾蟹壳，将其用水洗至pH 5.98；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在1.2 MPa压力下维压20 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料用蛋白水解酶将物料完全脱蛋白转化为甲壳素，其中酶解脱蛋白的条件为：木瓜蛋白酶用量40 U/g，固液比（w/w）1:10，酶解温度为60 oC，酶解时间1 h，pH为5.5；虾蟹壳原料经上述有机酸脱钙、汽爆和生物法处理后，获得有机酸钙215.32 g、蛋白粉19.95 g和甲壳素19.22 g。
实施例3
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料，加入6 M葡萄糖酸溶液，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:20，浸泡一定时间6 h后进行固液分离，获得脱钙后虾蟹壳，将其用水洗至接近中性pH6.65；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在1.5 MPa压力下维压30 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料能产蛋白水解酶的菌株黑曲霉发酵，将物料完全脱蛋白转化为甲壳素，其中发酵条件为：固液比（w/w）为1:8，发酵温度37 oC，发酵时间4 d，虾蟹壳原料经上述有机酸脱钙、汽爆和生物法处理后，获得有机酸钙193.7 g、蛋白粉13.21 g和甲壳素16.43 g。
实施例4
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料，加入3 M葡萄糖酸溶液，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:20，浸泡一定时间6 h后进行固液分离，获得脱钙后虾蟹壳，将其用水洗至接近中性pH6.65；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在1.5 MPa压力下维压30 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料能产蛋白水解酶的菌株黑曲霉发酵，将物料完全脱蛋白转化为甲壳素，其中发酵条件为：固液比（w/w）为1:8，发酵温度37 oC，发酵时间4 d，虾蟹壳原料经上述有机酸脱钙、汽爆和生物法处理后，获得有机酸钙216.4 g、蛋白粉15.23 g和甲壳素14.52 g。

Claims (4)

1.虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法，包括如下步骤：
（1）有机酸脱钙：将新鲜或干燥储存的虾蟹壳原料，加入1-6 M有机酸溶液，在室温下浸泡处理，固液比（w/w）为1:5-1:20，浸泡一定时间6-24 h后进行固液分离，其中液体为有机酸钙，固体用水洗至接近中性pH 4-7得到脱钙后虾蟹壳；
（2）汽爆处理：将洗至接近中性的脱钙后虾蟹壳，在0.8-1.5 MPa压力下维压5-30 min进行汽爆处理；
（3）生物法脱蛋白：汽爆处理后的虾蟹壳物料用蛋白水解酶酶解或用能产蛋白水解酶的菌株发酵，酶解或发酵结束后进行固液分离，液体为蛋白液，固体为甲壳素。
2.根据权利要求1所述的方法，所使用的有机酸包括甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、葡萄糖酸、枸橼酸。
3.根据权利要求1所述的方法，汽爆处理后的虾蟹壳物料用蛋白水解酶酶解条件为：蛋白酶用量20-60 U/g，固液比（w/w）1:5-1:15，酶解温度为10-85 oC，酶解时间0.5 h-12 h，pH为1.5-11。
4.根据权利要求1所述的方法，汽爆处理后的虾蟹壳物料用能产蛋白水酶的菌种发酵条件为：固液比（w/w）为1:2-1:10，发酵温度20-40 oC，发酵时间2-6 d，氮源为麸皮、硝酸铵、硫酸铵或尿素，碳氮比为20:1-40:1。
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