CN109134703A

CN109134703A - 一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法

Info

Publication number: CN109134703A
Application number: CN201810864620.8A
Authority: CN
Inventors: 田志清; 王士奎; 胡雪芳; 张志民; 梁亮; 裴海生
Original assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Current assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明涉及甲壳素提取，具体涉及一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法。包括：蒸汽爆破：将虾壳和/或蟹壳在水中浸泡后放入蒸汽爆破设备中，在1.4MPa‑2.4MPa的压力下处理60‑600s，然后干燥并粉碎；脱钙：使用脱钙剂在20‑80℃温度下处理虾壳和/或蟹壳粉末60‑300min，过滤，得滤液A，将固体物质水洗后干燥；脱蛋白：使用碱液在60‑100℃温度下处理虾壳和/或蟹壳粉末90‑300min，过滤，得滤液B，将固体物质水洗后干燥；将虾壳和/或蟹壳按照蒸汽爆破、脱钙、脱蛋白的顺序或蒸汽爆破、脱蛋白、脱钙的顺序进行处理，得到甲壳素。该方法提高了甲壳素分离效率，减少了酸碱用量和废物排放。

Description

一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法

技术领域

本发明涉及甲壳素的提取，具体涉及一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法。

背景技术

虾、蟹是世界渔业生产的重要产品，近年来每年虾蟹总产量高达1000万吨以上。然而在生产和消费过程中，剥离可食用部分之后会产生大量的包括头部、壳体和尾部在内的固体废弃物，这些废弃物约占甲壳类动物总重量的75％。据统计，世界每年产生约600-800万吨虾蟹壳，但大部分虾蟹壳废弃物没有被有效地处理和利用，造成了环境污染和资源浪费。虾蟹壳的主要成分为20-40％蛋白质，20-50％碳酸钙以及15-40％甲壳素。如果能够将这些成分合理的提取分离并加以利用，将会具有很大的应用潜力和经济价值。

虾蟹壳是甲壳素生产的主要原料。甲壳素是β-(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖的多聚糖，其脱乙酰化后的物质称为壳聚糖。由于甲壳素、壳聚糖及衍生物具有优异的生物和化学活性，其在农业、食品保健、生物医药、材料科学、纺织、无水处理等许多领域有广泛应用。然而，虾蟹壳中蛋白质、碳酸钙和甲壳素三组分相互紧密结合形成的层状晶体结构，阻碍了一般试剂与其接触，增加了甲壳素提取难度。其中，甲壳素高分子链通过非共价和共价的形式与特定的蛋白质一点或多点键合，形成蛋白聚糖复合物。传统的甲壳素提取方法是利用1.5N的氢氧化钠和1N的盐酸分别去除虾蟹壳中蛋白质和灰分。这种处理方法不但需要使用高浓度、高腐蚀性的强酸强碱，还需要大量的清水清洗。整个生产过程不仅成本高、浪费大，还会产生大量高盐、高氨氮、高COD的废水，其处理难度大、处理费用高，且处理后仍然很难达标排放。生物提取法虽然反应条件温和、污染小，但耗时长、成本高，且不能彻底去除蛋白和钙质，不适于大规模处理。

值得注意的是，作为虾蟹壳中的主要成分，碳酸钙和蛋白质由于回收成本高、产品价值低等特点，一般很少被回收再利用。但是，虾壳蛋白蕴含所有人体必需氨基酸种类，营养价值高，在农业养殖和食品等领域有潜在市场价值。如果蛋白不能及时回收利用，不仅浪费资源，而且腐烂变质迅速，极易造成环境污染。因此，加强蛋白质和碳酸钙的回收利用，也是虾蟹壳处理亟待解决的问题。事实上，氨基酸和钙元素是植物生长必须的营养物质。虽然甲壳素提取后的废液含有大量蛋白和钙质，但不能直接被作为肥料。主要原因有：1.传统废液含有大量钠离子和氯离子。目前我国土壤中NaCl水平严重过量，盐渍化严重。过量的盐分会对植物生长和生理活动造成严重影响。2.传统生产工艺中富含蛋白的碱性废液经中和后，蛋白由于分子量较大，到等电点时会大量沉淀，而无法形成可溶性蛋白或氨基酸溶液，固体蛋白很难被植物吸收利用。因此，需要研发一种绿色环保的虾蟹壳废弃物综合利用方法，既能提高甲壳素的分离效率，降低成本，又能有效利用蛋白和钙质，减少废物、废液的排放。

发明内容

为了综合利用虾蟹壳并减少废物排放，本发明提供一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法，该方法在提高甲壳素分离效率的同时减少了酸碱用量，降低了废液的处理难度，满足绿色清洁的需求。

本发明请求保护的技术方案如下：

一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：

蒸汽爆破：将虾壳和/或蟹壳在水中浸泡后放入蒸汽爆破设备中，在1.4MPa-2.4MPa的压力下处理60-600s，然后干燥并粉碎；

脱钙：使用脱钙剂在20-80℃温度下处理虾壳和/或蟹壳粉末60-300min，过滤，得滤液A，将固体物质水洗后干燥；

脱蛋白：使用碱液在60-100℃温度下处理虾壳和/或蟹壳粉末90-300min，过滤，得滤液B，将固体物质水洗后干燥；

将虾壳和/或蟹壳按照蒸汽爆破、脱钙、脱蛋白的顺序或者蒸汽爆破、脱蛋白、脱钙的顺序进行处理后，得到的固体物质为甲壳素。

优选地，还包括制备有机肥：将滤液A和滤液B混合后过滤，所得滤液即为有机肥。

优选地，所述蒸汽爆破步骤中，将虾壳和/或蟹壳在水中浸泡3-5小时。

优选地，所述蒸汽爆破步骤中，在2.4MPa的压力下处理600s。

优选地，所述脱钙剂是指甲酸、乙酸、柠檬酸和/或酒石酸。

优选地，所述脱钙步骤中，向虾壳和/或蟹壳粉末中加入质量分数为2.5％-25％的甲酸溶液，在25℃温度下搅拌反应90min。

优选地，每50g虾壳和/或蟹壳粉末中加入500ml质量分数为10％的甲酸溶液。

优选地，所述碱液是指氢氧化钾溶液。

优选地，所述脱蛋白步骤中，向虾壳和/或蟹壳粉末中加入质量体积百分浓度为1％-8％的氢氧化钾溶液，在85℃温度下搅拌反应120min。

优选地，每50g虾壳和/或蟹壳粉末中加入500ml质量体积百分浓度为4％的氢氧化钾溶液。

本发明使用蒸汽爆破技术破坏虾蟹壳内部形成的晶体结构，降低蛋白质、碳酸钙和甲壳素这三种组分的结合程度，增加各组分与试剂的反应面积，大大提高了甲壳素的分离效率。当处理压力为2.2MPa时，灰分去除率高达96.4％；当处理压力为2.4MPa时，蛋白质的去除率可达到95.30％。经过脱钙和脱蛋白处理后，甲壳素产率约为20％。如图3所示，采用本发明的方法制备的甲壳素的分子结构与商品甲壳素非常相似。

本发明采用腐蚀性更小、酸强度更小的有机酸作为脱钙试剂，大大减小了清洗所需的水量。所述脱钙剂选自甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸以及其它性质相同或相似的有机酸。所述脱钙剂可以是一种酸，优选质量分数为10％的甲酸溶液，也可以是几种酸组成的混合酸。

本发明大大减少了作为脱蛋白试剂的碱用量。若要达到95％的蛋白去除率，未经蒸汽爆破处理的50g虾壳脱蛋白约需氢氧化钾100g，而本发明的方法只需氢氧化钾10g左右，可节省约90％的碱用量。酸碱用量的减少，可以显著降低甲壳素提取的成本，并大大降低废液的处理难度，同时降低了蛋白和钙质的回收难度。

本发明的方法中，脱蛋白和脱钙处理不分先后。可以先脱钙，再脱蛋白；也可先脱蛋白，再脱钙。分别保留脱钙后的酸性溶液和脱蛋白后的碱性溶液，然后混合酸碱溶液，得到富含钾、钙、甲酸根和氨基酸、多肽等物质的中性溶液，可以作为一种良好的有机肥料。钾元素是植物生长不可或缺的必要元素之一，钾在植物生长发育过程中，参与60种以上酶系统的活化、光合作用、同化产物的运输、碳水化合物的代谢和蛋白质的合成等过程。钙元素也是植物生长发育的重要矿质元素之一。氨基酸及小分子多肽，易于被植物吸收；亦有提高施肥对象抗病性，改善施肥作物品质的功能。甲酸在自然界中广泛存在，如植物的叶和根中，以及水果中。此外，溶液中的甲酸钙成分具有防霉、防腐、抗菌作用，可防止富含氨基酸和多肽的溶液腐败变质。

综上，本发明采用了十分简约的方法，提高了虾蟹壳中甲壳素的分离效率，大大减少了酸碱用量，通过混合虾蟹壳处理后余下的酸碱废液来制备有机肥，不仅使虾蟹壳得到了充分利用，还最大限度地减少了废物排放量，实现了废液的零排放，保护了生态环境。

附图说明

图1.虾壳中灰分去除率测试结果；其中，横坐标表示蒸汽爆破处理的压力(0-2.4MPa)，蒸汽爆破时间为3min，0MPa表示虾壳未经蒸汽爆破处理，纵坐标表示灰分去除率。

图2.虾壳中脱蛋白率测试结果；其中，横坐标表示蒸汽爆破处理的压力(0-2.4MPa)，蒸汽爆破时间为3min，0MPa表示虾壳未经蒸汽爆破处理，纵坐标表示脱蛋白率。

图3.本发明制备的甲壳素与商品甲壳素的红外光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，需要理解的是，下述实施例仅作为解释和说明，不以任何方式限制本发明的保护范围。

实验材料：从一般市场购买虾和蟹，取下虾壳和蟹壳用于实验。

试剂与仪器

商品甲壳素：购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，产品编号C104157|CAS号1398-61-4。

10％甲酸溶液：质量分数为10％的甲酸水溶液。

4％氢氧化钾溶液：100ml溶液中含有4g氢氧化钾。

浓硫酸：质量分数大于或等于70％的硫酸溶液。

35％的氢氧化钠：100ml溶液中含有35g氢氧化钠。

2％硼酸溶液：100ml溶液中含有2g硼酸。

蒸汽爆破设备：购买自河南鹤壁正道启保有限公司，型号QB-300。

马弗炉：购买自上海博珍公司，型号BZ-12-10D。

自动凯氏定氮仪：购买自山东海能有限公司型号K9840。

红外光谱仪：购买自美国Nicolet公司，型号Nicolet iS10。

本发明未特别说明的实验试剂均为本领域常规试剂，可商购获得或按照本领域常规方法配制而得；未特别说明的实验仪器或耗材均为本领域常规仪器或耗材，可商购获得；未特别说明的实验方法均为本领域常规方法。

实施例1.虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法

1.蒸汽爆破

1kg虾壳或蟹壳在水中浸泡3小时后，将其放入蒸汽爆破设备中，进行爆破处理。设定的处理压力为1.4MPa-2.4MPa，处理时间为60s-600s。处理完成后，使用鼓风干燥箱在50-80℃烘干。

对蒸汽爆破处理后的虾壳进行XRD(X射线衍射)分析，并以未经蒸汽爆破处理的虾壳作为对照。发现蒸汽爆破处理后的虾壳结晶度显著降低，并且随着压力的升高，结晶度继续下降。结果表明，蒸汽爆破技术可以对虾壳内部的晶体结构造成一定程度的破坏，从而降低甲壳素、蛋白、钙三种组分的结合程度，提高甲壳素的分离效率。

2.脱钙处理

将蒸汽爆破后的虾壳或蟹壳进行粉碎，并使用甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸、EDTA等物质，在室温到80℃条件下处理60-300min，提取虾蟹壳中的钙质。

具体案例如下：

向1L三角烧瓶中，加入虾壳粉末(0-2.4MPa，50g)，并加入甲酸溶液(500ml，10％)。在25℃条件下，磁力搅拌反应90min。反应结束后，过滤，保留滤液(酸性溶液)，并使用蒸馏水洗涤固体物质后干燥，得到脱钙后的虾壳。

使用马弗炉测试钙质(灰分)去除率，具体方法如下：将坩埚置于马弗炉中600℃灼烧30min，冷却至200℃左右，放入干燥器中冷却30min，准确称量。准确称取2-3g样品(精确至0.0001g)，加入坩埚后放置于电热板上加热使试样充分炭化至无烟，置于马弗炉中，600℃灼烧4h，冷却至200℃左右，放入干燥器中冷却30min，准确称量，减去坩埚的质量即得到样品中灰分的质量。灰分的质量/样品的质量＝样品中灰分含量。

灰分去除率计算公式如下：

DM(％)＝[(W₀×M₀)-(W₁×M₁)]×100％/W₀×M₀，式中，

DM：灰分的去除率，％

W₀：去除灰分前虾壳中灰分含量，％

M₀：去除灰分前虾壳的质量，g

W₁：去除灰分后虾壳中灰分含量，％

M₁：去除灰分后虾壳的质量，g

灰分去除率测试表明蒸汽爆破处理可以显著提高钙质的去除率，并随压力的增大而表现出增高的趋势。如图1所示，未经蒸汽爆破处理的虾壳(0MPa)，其灰分去除率为85.5％；而在2.2MPa和2.4MPa压力下进行蒸汽爆破处理3min的虾壳，其灰分去除率可分别达到96.4％和95.91％。

3.脱蛋白处理

使用氢氧化钾、氢氧化钠等物质，在60-100℃条件下处理90-300min，提取虾蟹壳中的蛋白质。

具体案例如下：

向1L三角烧瓶中，加入虾壳粉末(0-2.4MPa，50g)，并加入氢氧化钾溶液(500ml，4％)。在85℃条件下，磁力搅拌反应120min。反应结束后，过滤，保留滤液(碱性溶液)，并使用蒸馏水洗涤固体物质后干燥，得到脱蛋白后的虾壳。

使用自动凯氏定氮仪测试蛋白去除率，具体测试方法如下：

准确称取0.5g样品(精确到0.0001g)放入消化管中，加入4g混合催化剂(硫酸铜和硫酸钾以1:10的质量比混合研磨)，加入10mL浓硫酸，混匀后在消化管管口盖上小漏斗，把装有试样的消化管放在消化炉支架上，设定消化炉温度，先调240℃加热1h，再调420℃加热2h，直至消化管中的液体变成浅绿色或者澄清透明，关闭消化炉，自然冷却0.5h之后取下消化管，冷却至室温。溶液冷却后，启动凯氏定氮仪进行蛋白质含量的测定：加入一定量35％的氢氧化钠至消化管内液体颜色变棕褐色为止，开始加热蒸馏，蒸馏产生的氨气被混有甲基红―溴甲酚绿指示剂的2％硼酸溶液吸收，用0.1mol/L的盐酸标准溶液进行滴定，记录下盐酸消耗的体积，进行蛋白质含量的换算。空白对照用完全干净的消化管在不加样品的情况下进行如上操作。

蛋白质含量的计算公式如下：

蛋白质含量(％)＝(V₁-V₀)×0.1×14×6.25/m×100％，式中，

V₁：样品消耗盐酸标准溶液的体积，mL

V₀：空白消耗盐酸标准溶液的体积，mL

m：试样的质量，g

0.1：盐酸标准溶液的浓度，mol/L

14：氮的分子质量

6.25：氮换算成蛋白质的转换系数。

虾壳中蛋白质去除率的计算公式如下：

DP(％)＝[(P₀×M₀)-(P₁×M₁)]×100％/P₀×M₀，式中，

DP：蛋白质的去除率，％

P₀：去除蛋白质前虾壳中蛋白质的含量，％

M₀：去除蛋白质前虾壳的质量，g

P₁：去除蛋白质后虾壳中蛋白质的含量，％

M₁：去除蛋白质后虾壳的质量，g

蛋白去除率测试表明蒸汽爆破处理可以显著提高蛋白质的去除率，并随压力的增大而表现出增高的趋势。如图2所示，未经蒸汽爆破处理的虾壳(0MPa)，其蛋白质的去除率为78.97％；而在2.4MPa压力下进行蒸汽爆破处理3min的虾壳，其蛋白质的去除率可达到95.30％。

若需达到同等的蛋白去除率(95％)，未经蒸汽爆破处理的虾壳(50g)脱蛋白约需KOH100g，而本方法只需KOH 10g左右，因此可节省约90％的碱用量，大大节省了甲壳素提取成本，并降低了后续处理难度。

上述方法中，脱蛋白和脱钙处理不分先后。可以先脱钙，再脱蛋白；也可先脱蛋白，再脱钙。

结果表明，经过脱钙和脱蛋白处理后所提取的甲壳素产率约为20％(从100克虾壳中可以提取出20克甲壳素)。

按照如下方法对甲壳素进行红外测试：使用溴化碘为基质，将溴化碘粉末与甲壳素按照100：1的质量比混合研磨压片。检测波数范围400-4000cm^-1，分辨率为4cm^-1，扫描次数为32次。结果如图3所示，红外测试发现，本方法制备的甲壳素出峰位置与商品甲壳素完全相同，并未发现有新的峰出现，因此制备的甲壳素的分子结构与商品甲壳素非常相似。

4.制备植物肥料

实验步骤：将脱蛋白后的碱性溶液与脱钙后的酸性溶液混合，搅拌均匀后，生成少许沉淀。使用滤纸过滤沉淀，所得滤液即可作为植物肥料。干燥所得沉淀，并称量。使用凯氏定氮仪测试滤液中粗蛋白总含量，使用原子吸收光谱(美国Agilent ICPOES730光谱仪，测试步骤参见厂家说明书)测试滤液中钙含量和钾含量。以2.4MPa处理10g虾壳为例，并以0MPa(未经蒸汽爆破处理)10g虾壳为对照组，其他处理条件一致。

测试结果如表1所示，蒸汽爆破处理后的虾壳，与对照组相比，蛋白沉淀量显著降低，而溶液中钙含量和粗蛋白总含量显著升高。这说明在等量酸、碱的条件下，蒸汽爆破后的虾壳有更多的钙质和蛋白被分离至溶液中。并且由于蒸汽爆破的作用，更多的蛋白被降解为小分子的多肽和氨基酸的可溶状态，产生更少的固体废弃物。由于甲酸钙的抗菌功能，所得溶液室温保存2个月不变质。

表1

实施例2.植物肥料对小麦生长的促进作用

将实施例1制备的液态植物肥料分别稀释300，400，500，600倍，并以蒸馏水作为对照(ck)，研究上述植物肥料对小麦种子发芽和生长的影响。使用的小麦种子为京冬22，已知品种，来自北京小汤山国家精准农业示范基地。

具体步骤为：

用0.3％的高锰酸钾溶液浸泡小麦种子5min，取出后用蒸馏水冲洗直到无色，分为5组，每组100粒小麦种子。5组小麦种子分别在上述不同浓度的溶液中浸泡12h，让种子充分吸胀。之后将种子分别种植在灭菌土壤中，放入人工气候箱中培养，培养条件为：温度25℃，光周期昼夜各12h，相对湿度70％。每两天分别向各组土壤中加入5ml各稀释倍数的溶液。第七天统计发芽率，发芽率的计算公式如下：

发芽率＝(总发芽数/种植种子总数)×100％。

第14天使用剪刀分离幼苗根部和茎部，测量幼苗的苗高和鲜重。将幼苗烘干后，测量其干重。其发芽率、平均苗高和干鲜重统计于表2。研究表明，虾壳处理后的溶液对小麦生长不但没有负面影响，反而有一定的促进作用，在600稀释倍数时，其促进作用最大。

表2

Claims

1.一种虾蟹壳废弃物清洁化综合利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括制备有机肥：将滤液A和滤液B混合后过滤，所得滤液即为有机肥。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽爆破步骤中，将虾壳和/或蟹壳在水中浸泡3-5小时。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述蒸汽爆破步骤中，在2.4MPa的压力下处理600s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱钙剂是指甲酸、乙酸、柠檬酸和/或酒石酸。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱钙步骤中，向虾壳和/或蟹壳粉末中加入质量分数为2.5％-25％的甲酸溶液，在25℃温度下搅拌反应90min。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，每50g虾壳和/或蟹壳粉末中加入500ml质量分数为10％的甲酸溶液。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱液是指氢氧化钾溶液。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱蛋白步骤中，向虾壳和/或蟹壳粉末中加入质量体积百分浓度为1％-8％的氢氧化钾溶液，在85℃温度下搅拌反应120min。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每50g虾壳和/或蟹壳粉末中加入500ml质量体积百分浓度为4％的氢氧化钾溶液。