TWI567089B

TWI567089B - 蝦蟹外殼的預處理方法及製備α－幾丁質的方法

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Publication number: TWI567089B
Application number: TW104128451A
Authority: TW
Inventors: 蔡敏郎; 張富勝
Original assignee: 蔡敏郎
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-01-21
Also published as: TW201708262A; CN106478839A

Description

蝦蟹外殼的預處理方法及製備α-幾丁質的方法

本發明關於一種蝦蟹外殼的預處理方法，特別是關於一種利用膨發方式預處理蝦蟹外殼的方法、以及進一步製備α-幾丁質(α-chitin)的方法。

幾丁質(chitin)在自然界中含量豐富，存在於節肢動物的外骨骼、魷魚軟骨及真菌、酵母菌的細胞壁中。幾丁質是由N-乙醯葡萄胺糖為單體，以β-1,4鍵鍵結所形成之高分子聚合物。幾丁質與其衍生物可應用的範圍十分廣泛，如農業、食品營養、生物醫藥、材料科學、奈米科技、化妝品、廢水處理、製紙、紡織等領域。

蝦蟹外殼的幾丁質、蛋白質、碳酸鈣及磷酸鈣等像夾心派一樣，由外至內緊密的結合，幾丁質層被兩層載體蛋白(carrier protein，CP)層夾住，CP層的外層為礦化基質(mineralization matrix，MM)層，最外層才是磷酸鈣層，MM層是一種與鈣離子親和力很強之酸性多胜肽鍵(acidic polypeptide chain)，CP是一種層狀或片狀且與鈣離子不具親和力之幾丁質- 蛋白質複合物。

詳言之，以蟹殼而言，可分成三層，最外層是上表皮(epicuticle)，為阻隔水分的蠟質層。第二層是密度較大的外表皮(exocuticle)。第三層為密度較低的內表皮(endocuticle)，內表皮的厚度大約為外表皮的三倍，且其體積佔螃蟹外骨骼的90%，外表皮和內表皮質地堅硬粗糙，且皆是由Bouligand structure(或稱旋轉的夾板結構(twisted plywood))所組成，幾丁質-蛋白質複合物(前述的幾丁質與兩層載體蛋白的層狀結構)會以平行旋轉的方式堆疊成Bouligand structure，在Bouligand structure中的空隙，稱作孔道(pore canal)，此空隙形成類似蜂窩狀的扭曲空洞，具傳遞營養物質及離子以合成外骨骼之功能。孔道中有柔軟、彈性的孔道小管(pore canal tubules)緞帶型管子，可增加甲殼的韌性與彈性(參閱Chen et al.,2008；Xu et al.,2013)。

甲殼類外殼主要成分為礦物質、幾丁質與蛋白質，例如蟹殼乾物部份，其一般成分粗蛋白為29.19%、灰分為40.60%、幾丁質為28.86%，與粗脂肪為1.35%(Kim,2003)，所以利用甲殼類外殼為原料製備幾丁質時，必須先將蛋白質及礦物質除去。

蝦蟹外殼的礦物質中碳酸鈣是為主要成份，去除碳酸鈣的方法可分為兩種。一種方法是利用濃度3重量百分比(以下簡稱為「wt%」)至5wt%的稀酸(如鹽酸水溶液或醋酸水溶液)，於室溫下作用6至24小時，使其與碳酸根反應產生二氧化碳，藉此去除碳酸鈣。不使用強酸，以避免幾丁質因反應而降解。而另一種方法是使用乙二胺四醋酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)來螯合金屬，EDTA可在中性條件下去除礦物質，雖然使用EDTA處理時，幾丁質分子鏈較不會降解，可製得較大分子量的幾丁質，但對於礦物質去除能力較差，且作用時間也較長。

去除蛋白質的方法有化學法及生物法，目前多採用化學法。化學法是使用鹼液處理，通常使用3~5wt%的氫氧化鈉水溶液，在80~100℃下反應2~4小時。其方法較為簡便，反應時間短且效果佳，但是會造成幾丁質去乙醯化反應，為了避免此現象，可採二段式鹼液處理，先使用0.5N低濃度的氫氧化鈉水溶液去除殼外部的蛋白質，再使用2~5N高溫高濃度的氫氧化鈉水溶液處理，如此可將蛋白質儘量去除及避免去乙醯化反應的發生，而得到較原始狀態的幾丁質。而生物法即為酵素法，利用蛋白酵素去除蛋白質。其優點為不會對幾丁質造成破壞、處理的溫度較低以及無鹼液汙染。但由於作用時間長且不容易完全去除蛋白質，因此較少被採用。

另外，可使用有機溶劑(如乙醇、丙酮等)，或使用高錳酸鉀及草酸去除脂質及色素。

目前商業生產幾丁質，主要是以酸鹼處理法去除蝦、蟹殼或魷魚軟骨的礦物質和蛋白質。但為了預防攙假，在商業生產上，常需要以大顆粒(片)甚至原料原始尺寸進行反應，以致造成生產時間長，不易純化的困擾。因此，亟需開發一種蝦蟹外殼的預處理方法，俾以縮短反應時間、容易純化，以大量製備α-幾丁質。

有鑑於習知技術的缺陷，本發明提供一種蝦蟹外殼的預處理方法及製備α-幾丁質的方法，係利用爆炸性膨發，大體上維持原料和產品的外形，卻能使材料形成多孔性結構，增加反應表面積，進而可縮短反應時間、解決不易純化的困擾。

於本發明之一面向，於一較佳實施例中，本發明提供一種蝦蟹外殼的預處理方法，其至少包括下列步驟：(a)利用一水溶液調整一蝦蟹外殼之水分至一預定含水量，且該預定含水量，以該蝦蟹外殼之總重量(即，含有該預定含水量的該蝦蟹外殼之總重量)為100wt%計之，係大於或等於10wt%；(b)將該蝦蟹外殼置於一密閉容器中；(c)在該密閉容器中添加一第一體積之去離子水；(d)加熱使該密閉容器中的壓力達一第一壓力值，其中，該第一壓力值為錶壓4~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為150~199℃；以及(e)釋放該密閉容器中的壓力至一第二壓力值，使該蝦蟹外殼中的水分快速蒸發釋出，直接導致該蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構；其中，該第二壓力值係小於或等於該密閉容器所處環境之大氣壓力。

於一較佳實施例中，步驟(a)中，該蝦蟹外殼係顆粒狀、片狀、或完整蟹蝦外殼之至少一者。

於一較佳實施例中，步驟(e)中，相鄰的層膜間的距離為大於或等於8μm。

於一較佳實施例中，步驟(b)~(e)中，該密閉容器係為一壓力容器，且該壓力容器所處環境之大氣壓力係1大氣壓。

於一較佳實施例中，步驟(b)~(e)中，該壓力容器係為一膨發槍。

於一較佳實施例中，步驟(a)中，該蝦蟹外殼之該預定含水量為35~75%。

於一較佳實施例中，步驟(a)中，該水溶液係為一去離子水、純水、RO水或其他液態之水溶液。

於一較佳實施例中，步驟(b)~(e)中，該密閉容器具有一密閉容置空間，用以置放該蝦蟹外殼。

於一較佳實施例中，該密閉容置空間之體積為1.4L，且步驟(c)之該第一體積之去離子水係40mL之去離子水。

於一較佳實施例中，步驟(c)之該去離子水之添加體積，足以使經步驟(d)~(e)處理所得之蝦蟹外殼之含水量大於或等於6wt%，且不會發生褐變之情形。

於一較佳實施例中，步驟(a)之前更包含步驟：(z1)將該蝦蟹外殼浸泡於0.5N氫氧化鈉溶液中，於室溫作用24小時；以及(z2)將該蝦蟹外殼以水進行清洗，使pH值為6.5~7.5。

於一較佳實施例中，該蝦蟹外殼係蝦之外殼或蟹之外殼之至少一者。

於本發明之另一面向，於一較佳實施例中，本發明提供一種製備α-幾丁質的方法，其至少包括下列步驟：(a)利用一水溶液調整一蝦蟹外殼之水分至一預定含水量，且該預定含水量，以該蝦蟹外殼之總重量為100wt%，係大於或等於10wt%； (b)將該蝦蟹外殼置於一密閉容器中；(c)在該密閉容器中添加一第一體積之去離子水；(d)加熱使該密閉容器中的壓力達一第一壓力值，其中，該第一壓力值為錶壓4~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為150~199℃；(e)釋放該密閉容器中的壓力至一第二壓力值，使該蝦蟹外殼中的水分快速蒸發釋出，直接導致該蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構；其中，該第二壓力值係小於或等於該密閉容器所處環境之大氣壓力；(f)將該蝦蟹外殼浸泡於1~4N鹽酸溶液中，於室溫作用1~3小時；(g)將該蝦蟹外殼浸泡於1~4N氫氧化鈉溶液中，於50~100℃作用1~3小時；(h)將該蝦蟹外殼以水進行清洗，使pH值為6.5~7.5；(i)將該蝦蟹外殼浸泡於0.5~2wt%高錳酸鉀溶液中，於20~50℃作用0.5~2小時；以及(j)將該蝦蟹外殼浸泡於0.5~2wt%草酸溶液中，於50~100℃作用0.5~2小時。

a、b、c、d、e、f、g、h、i、j‧‧‧步驟

2‧‧‧旋轉槽

4‧‧‧槽蓋

6‧‧‧壓力感測器

8‧‧‧加熱器

10‧‧‧控制器

圖1：依據本發明之蝦蟹外殼的預處理方法之流程圖。

圖2：膨發槍示意圖。

圖3：依據本發明之製備α-幾丁質的方法之流程圖

圖4A：發生褐變的蟹殼照片。

圖4B：未發生褐變的蟹殼照片。

圖5A：未經處理之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片。

圖5B：經膨發預處理(膨發壓力4kg/cm²)之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片。

圖5C：經膨發預處理(膨發壓力14kg/cm²)之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片。

圖6：蟹殼經不同壓力(4及14kg/cm²)膨發預處理後，再經純化加工所製得的α-幾丁質的FTIR圖譜。

圖7：蟹殼經不同壓力(4及14kg/cm²)膨發後所製得的α-幾丁質之X光繞射圖譜。

有鑑於習知技術的缺陷，本發明提供一種蝦蟹外殼的預處理方法，並提供一種製備α-幾丁質的方法。使用本發明之方法預處理蝦蟹外殼，在後續的幾丁質加工可大幅縮短處理時間，且不會影響產物的去乙醯程度和結晶度。

以下係利用本發明之實施例之詳細說明，並說明本發明之技術、特點。然本實施例並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之各種更動、潤飾，均應包含在本發明之申請專利範圍內。

依據本發明之蝦蟹外殼的預處理方法，請參閱圖1，其顯示依據本發明之蝦蟹外殼的預處理方法之流程圖。如圖1所示，首先進行步驟(a)，利用一水溶液調整蝦蟹外殼之水分至一預定含水量，且此預定含水量，以該蝦蟹外殼(含水)之總重量為100wt%計之，係大於或等於10wt%。於較佳實施例中，步驟(a)係將蝦蟹外殼浸泡於水溶液中，再濾除多餘之溶液，最後於50℃烘箱中調降水分至預定含水量，但不以此步驟及方法為限，亦可以其它步驟、溫度或方法調整蝦蟹外殼之水分至預定含水量。水溶液可為去離子水，但不以此為限，也可以是純水、RO水或其他液態之水溶液。預定含水量係大於或等於10wt%，較佳可為35wt%至75wt%。可使用紅外線水分測定儀(IR-35,Denver Instrument,Germany)量測含水量，但不以此為限。於較佳實施例中，步驟(a)中的該蝦蟹外殼係顆粒狀、片狀、或完整蟹蝦外殼之至少一者。

接著，進行步驟(b)，將蝦蟹外殼置於一密閉容器中。密閉容器具有一密閉容置空間，用以置放蝦蟹外殼。密閉容器可為一壓力容器，例如膨發槍(puffing gun)，可加熱瞬間釋壓，使蝦蟹外殼膨發(puff)，但膨發方法及工具並不以此為限，亦可使用其他具有瞬間釋壓安全防護之壓力容器。圖2顯示膨發槍結構的示意簡圖。膨發槍結構包括一旋轉槽2及其槽蓋4、壓力感測器6、加熱器8、及控制器10。

然後，進行步驟(c)，在密閉容器中添加去離子水。去離子水之添加體積，係足以使經過後續步驟(d)~(e)處理後所得之蝦蟹外殼之含水量大於或等於6wt%，如此可不發生褐變之情形。例如當密閉容器的密閉容置空間體積為1.4L時，去離子水的體積可為例如40mL。

然後，進行步驟(d)，加熱使該密閉容器中的壓力達一第一壓力值，其中，該第一壓力值為錶壓4~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為150~199℃。較佳者，第一壓力值為錶壓9~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為180~199℃。於加熱過程中，藉由蝦蟹外殼所含的水分及步驟(c)所添加的去離子水蒸發所產生的蒸氣，使密閉容器中的壓力達到第一壓力值，且使密閉容器內具有一對應之溫度。例如，對於水溶液為去離子水、純水、RO水或其他液態之水溶液的情形，當該第一壓力值達到錶壓4kg/cm²時，該對應之溫度為152℃；當該第一壓力值達到錶壓5kg/cm²時，該對應之溫度為159℃；當該第一壓力值達到錶壓6kg/cm²時，該對應之溫度為165℃；當該第一壓力值達到錶壓7kg/cm²時，該對應之溫度為170℃；當該第一壓力值達到錶壓8kg/cm²時，該對應之溫度為175℃；當該第一壓力值達到錶壓9kg/cm²時，該對應之溫度為180℃；當該第一壓力值達到錶壓10kg/cm²時，該對應之溫度為184℃；當該第一壓力值達到錶壓11kg/cm²時，該對應之溫度為188℃；當該第一壓力值達到錶壓12kg/cm²時，該對應之溫度為191℃；當該第一壓力值達到錶壓13kg/cm²時，該對應之溫度為195℃；當該第一壓力值達到錶壓14kg/cm²時，該對應之溫度為198℃。

然後，進行步驟(e)，釋放密閉容器中的壓力至一第二壓力值，使蝦蟹外殼中的水分快速蒸發釋出，由第一壓力值降至第二壓力值的瞬間，直接導致蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構；其中，第二壓力值係小於或等於密閉容器所處環境之大氣壓力。步驟(b)至(c)中，密閉容器可為一壓力容器，且其所處環境之大氣壓力可為例如1大氣壓，則使密閉容器釋壓後達到等於大氣壓力之第二壓力值。而在安全性及設備許可的情況之下，第二壓力值甚至可以小於大氣壓力，例如，將密閉容器置於一負壓或接近真空之環境，使密閉容器釋壓後達到小於大氣壓力之第二壓力值。

經過上述步驟對蝦蟹外殼前處理，可使蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構。相鄰的層膜間的距離可為例如大於或等於8μm。較佳者，相鄰的層膜間的距離可為例如8~14μm。

而在進行步驟(a)之調整蝦蟹外殼水含量之前，可進行步驟(z1)將蝦蟹外殼浸泡於0.5N氫氧化鈉溶液中，於室溫作用24小時，以除去殘留的肉、組織；以及步驟(z2)將蝦蟹外殼以水進行清洗，使大致為中性，例如pH值為約6.5~7.5。

於本發明之另一面向，依據本發明之製備α-幾丁質的方法包括依據本發明之蝦蟹外殼的預處理方法之步驟以及其他步驟。請參閱圖3，其顯示依據本發明之製備α-幾丁質的方法之流程圖。如圖3所示，步驟(a)至(e)對蝦蟹的處理步驟係與上述如圖1所示之步驟(a)至(e)相同，於此處不再贅述。經過步驟(a)至(e)後，獲得膨發的蝦蟹外殼，然後，進行步驟(f)，將該蝦蟹外殼浸泡於1~4N鹽酸溶液中，於室溫作用1~3小時，以去除礦物質。較佳者，將蝦蟹外殼浸泡於2N鹽酸溶液中，於室溫作用2小時，以去除礦物質。

然後進行步驟(g)，將該蝦蟹外殼浸泡於1~4N氫氧化鈉溶液中，於50~100℃作用1~3小時，以去除蛋白質。較佳者，將蝦蟹外殼浸泡於2N氫氧化鈉溶液中，於80℃作用1小時，以去除蛋白質。

然後進行步驟(h)，將蝦蟹外殼以水進行清洗，使pH值為6.5~7.5，大致為中性。

然後進行步驟(i)，將該蝦蟹外殼浸泡於0.5~2wt%高錳酸鉀溶液中，於20~50℃作用0.5~2小時，以去除色素。較佳者，將蝦蟹外殼浸泡於濃度為1wt%高錳酸鉀溶液中，於室溫作用1小時，以去除色素。

然後進行步驟(j)，將該蝦蟹外殼浸泡於0.5~2wt%草酸溶液中，於50~100℃作用0.5~2小時，以還原高錳酸鉀。較佳者，將蝦蟹外殼浸泡於濃度1wt%草酸溶液中，於80℃作用1小時，以還原高錳酸鉀。

上述各溶液可為水溶液，但不以此為限，或可包括其他適當溶劑的溶液。亦可視需要添加其他物質於溶液中。

然後，可進一步水洗至大致中性，並可進一步乾燥，獲得α-幾丁質。

下述為依據本發明之實例，用以說明本發明，但不以此等特定性質之實例限制本發明。

實例1

收集蟹殼(從台灣新北市萬里地區的餐廳收集蟹殼，所收集的蟹殼為花蟹(Portunus pelagicus)之蟹殼，但本發明並不以此為限)，將其清洗乾淨，除去大部分內臟與雜質後，浸泡於濃度0.5N NaOH水溶液中，在室溫下作用一天，以除去殘留的肉、組織，水洗至中性，於室溫下乾燥後備用。先將蟹殼原料100g浸泡於1000mL的水後1小時，復水後蟹殼含水量約35%(使用紅外線水分分析儀(IR-35,Denver Instrument，德國)及水活性測定儀(AquaLab.,Devices,CX2，美國)測定)，拭去表面多餘水分備用。將50g復水後蟹殼置入膨發槍(PRM-014，王先鋒企業有限公司，臺中，臺灣)的體積為1.4公升的旋轉槽(rotating drum)中，再於該旋轉槽中加入40mL的去離子水，閉鎖槽蓋(lid)，加熱使膨發槍升壓，達到所設定壓力4kg/cm²，之後瞬間打開槽蓋，造成高溫高壓水突然轉變成水蒸氣，導致蟹殼因外加之熱能和強大水蒸氣壓作用，破壞其結構，於內表皮形成大的孔洞，製得一實施例1預處理後的蟹殼。收集預處理後之蟹殼並進行後續純化加工。

將50g之該實施例1預處理後的蟹殼加入500mL 2N HCl水溶液，於室溫作用2小時至無氣泡(例如CO₂)產生，以充分去除礦物質。再以500mL 2N NaOH水溶液於80℃下作用1小時，以去除蟹殼中的蛋白質，水洗至中性，之後以500mL 1wt%高錳酸鉀水溶液在室溫下作用1小時以去除色素，水洗後，再以500mL 1wt%草酸水溶液於80℃下作用1小時，以還原高錳酸鉀，之後水洗至中性，於50℃下乾燥，製得α-幾丁質。

實例2

以與實例1相同之方式進行，但加熱使膨發槍升壓，達到所設定壓力14kg/cm²，而非4kg/cm²，獲得一實施例2預處理後的蟹殼。

比較例1 無添加水組

以與實例1相同之方式進行蟹殼之預處理，但膨發槍的旋轉槽中不添加水(即不添加40mL的去離子水)，獲得一比較例1預處理後的蟹殼。

比較例2 未處理組

收集蟹殼(從台灣新北市萬里地區的餐廳收集蟹殼，所收集的蟹殼為花蟹(Portunus pelagicus)之蟹殼，但本發明並不以此為限)，將其清洗乾淨，除去大部分內臟與雜質後，浸泡於濃度0.5N NaOH水溶液中，在室溫下作用一天，以除去殘留的肉、組織，水洗至中性，於室溫下乾燥，獲得一比較例2未處理組之蟹殼。將50g之該比較例2未處理組之蟹殼加入500mL 2N HCl水溶液處理2小時至無氣泡(例如CO₂)產生，以充分去除礦物質。再以500mL 2N NaOH水溶液於80℃下作用1小時，以去除蝦殼中的蛋白質，水洗至中性，之後以500mL 1wt%高錳酸鉀水溶液在室溫下作用1小時以去除色素，水洗後，再以500mL 1wt%草酸水溶液於80℃下作用1小時，以還原高錳酸鉀，之後水洗至中性，於50℃下乾燥，製得α幾丁質。

檢測

將實例1預處理後的蟹殼及比較例1預處理後的蟹殼進行褐變分析，亦即，使用肉眼觀察是否發生褐變情形。將實例1預處理後的蟹殼、實例2預處理後的蟹殼、以及比較例2未處理組之蟹殼進行掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察，實驗方法請參見Mi et al.(2002)和Rinki and Dutta(2010)。將實例1預處理後的蟹殼、實例2預處理後的蟹殼、以及比較例2未處理組之蟹殼進行去除鈣(Ca)、鎂(Mg)、蛋白質的反應及鈣、鎂、蛋白質含量之測定，以計算去除鈣、鎂、蛋白質等反應時之反應速率常數。將實例1預處理後的蟹殼、實例2預處理後的蟹殼、以及比較例2未處理組之蟹殼進行傅立葉轉換紅外光譜分析(Fourier transform infrared,FTIR；係使用傅立葉轉換紅外線光譜儀進行分析(Fourier transform infrared spectroscopy，FTS-155，BIO-RAD，加州，美國)，實驗方法請參見Baxter et al.(1992)。將實例1預處理後的蟹殼、實例2預處理後的蟹殼、以及比較例2未處理組之蟹殼進行X光(X-ray)繞射分析(使用Bruker D2 phaser x-ray power diffractometer,Germany)，實驗方法請參見Rinki and Dutta(2010)。

結果

本技術有二個主要的關鍵操作，其一為調整蟹殼的水含量，下列表1顯示於膨發槍中添加去離子水(40mL)對膨發後蟹殼的水含量和褐變發生的影響。由表1可知若沒有在膨發槍中額外添加去離子水，膨發後蟹殼的水含量僅有1.4%~2.7%(請參見表1左欄：比較例1預處理後的蟹殼)，會造成蟹殼發生褐變，如圖4A所示，如此便不能生產白色的幾丁質；而在膨發槍中額外添加40mL去離子水，膨發後蟹殼的水含量為6.0%~6.5%(請參見表1右欄：實例1預處理後的蟹殼)，蟹殼不會發生褐變，如圖4B所示。所以，實例1在旋轉槽(1.4L)中共置入57.5g的水(含原料中的17.5g的水)的實施方式，使系統中的水分充足，維持濕熱狀態，故不致於使系統變成乾熱狀態，造成蟹殼發生褐變的情形。

本技術的第二個關鍵操作為膨發的壓力的控制，我們將第一壓力值的最大壓力定在錶壓14kg/cm²(此時旋轉槽內的溫度為198℃)，主要我們發現當旋轉槽內的溫度大於200℃，蟹殼很容易發生褐變。

以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察蟹殼的內表皮，其照片如圖5A、5B及5C。圖5A是比較例2之未經處理之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片，拍攝倍率為放大4200倍，可觀察到內表皮的旋轉夾板結構，結構緊密，僅在平行旋轉的條帶間有小的空隙(孔道)。圖5B是實例1之經膨發預處理(使用膨發壓力4kg/cm²)之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片，拍攝倍率為放大4200倍，可觀察到相鄰的層膜間的距離(自一層膜的中心至鄰層膜的中心)約為8.64μm，且所形成於兩層之間的孔洞之孔徑約為4.72μm。圖5C是實例2之經膨發預處理(使用膨發壓力14kg/cm²)之蟹殼的內表皮之掃描式電子顯微鏡照片，拍攝倍率為放大4200倍，可觀察到相鄰的層膜間的距離約為13.67μm，且所形成於兩層之間的孔洞之孔徑約為8.90μm。由圖5B及5C可知內表皮結構經4、14kg/cm²爆炸性膨發後，孔洞會隨著膨發壓力上升而變大。孔洞的增大會使其反應總表面積增加，可促使後續純化加工的反應速率加快。

下列表2顯示經不同壓力(4及14kg/cm²)膨發預處後之蟹殼，其製備幾丁質時的去除鈣、鎂、蛋白質反應的反應速率常數(k，單位為min^-1)。k值越大，反應速率越快。由表2可知，實例1及2之經膨發預處後之蟹殼之反應速率常數皆大於比較例2之未處理組(或稱對照組(control))，且反應速率常數會隨著膨發壓力上升而變大，此結果與SEM之結果相符。顯示蟹殼的內表皮經爆炸性膨發預處理後，孔洞會變大而使反應總表面積增加，進而使去除鈣、鎂、蛋白質反應的反應速率常數增大。

其中，實例1膨發預處理後之蟹殼(4kg/cm²)及實例2膨發預處理後之蟹殼(14kg/cm²)，其去除鈣的反應速率常數分別為0.0783min^-1及0.0843min^-1；實例1膨發預處理後之蟹殼(4kg/cm²)及實例2膨發預處理後之蟹殼(14kg/cm²)，其去除鎂的反應速率常數分別為0.0609min^-1及0.0694min^-1；實例1膨發預處理後之蟹殼(4kg/cm²)及實例2膨發預處理後之蟹殼(14kg/cm²)，其去除蛋白質的反應速率常數分別為0.0766min^-1及0.1092min^-1。

較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除鈣的反應速率常數大於0.07min^-1；較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除鈣的反應速率常數大於0.08min^-1。較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除鎂的反應速率常數大於0.05min^-1；較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除鎂的反應速率常數大於0.06min^-1。較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除蛋白質的反應速率常數大於0.06min^-1；較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除蛋白質的反應速率常數大於0.07min^-1；較佳者，經本發明膨發預處理之蟹殼，其去除蛋白質的反應速率常數大於0.1min^-1。

圖6為蟹殼經不同壓力(4及14kg/cm²)膨發預處理後，再經純化加工所製得的α-幾丁質的FTIR圖譜。由圖譜數據計算未處理組(比較例2)或經膨發預處理組(實例1及2)蟹殼所製成的α-幾丁質的去乙醯程度後發現，其去乙醯程度皆為約25%。另外，由圖譜可知所製得的α-幾丁質之官能基主要波峰包括3450cm^-1(OH基拉伸(stretching))、2870-2880cm^-1(C-H拉伸)、1650-1655cm^-1(醯胺(amide)I)、1550-1555cm^-1(醯胺II)、1315-1320 cm^-1(醯胺III)皆無明顯差異，表示膨發預處理不會使蟹殼中幾丁質之官能基受到影響。

圖7為蟹殼經不同壓力(4及14kg/cm²)膨發預處理後(實例1及2)、以及未處理(比較例2)所製得的α-幾丁質之X光繞射圖譜。由圖譜可知，不論蟹殼是否經膨發預處理，純化後所得之α-幾丁質皆在約9.6°、19.6°、21.1°、23.7°產生明顯波峰，強度也類似，顯示其幾丁質結晶特性無明顯差異。

下列表3係利用表2反應速率常數計算純化α-幾丁質反應所需的反應時間(分鐘)、以及所減少之反應時間的百分比之結果。計算後發現，由未膨發蟹殼純化α-幾丁質時(比較例2)，去除鈣、鎂與蛋白質所需之時間分別為126.31、125.56、42.25分鐘，將此等反應終點設為標準終點，以計算經膨發處理之蟹殼所減少之純化反應時間百分比。以經過不同壓力膨發處理之蟹殼計算所需反應時間後發現，4kg/cm²組(實例1)之去除鈣、鎂與蛋白質之反應時間分別約需98.08、99.58與29.84分鐘，減少之反應時間百分比分別為22.34%、20.68%與29.37%。14kg/cm²組(實例2)之反應時間分別為91.10、87.39與20.93分鐘，減少反應時間分別約27.87%、30.40%與50.45%。由以上可知，蟹殼經爆炸性膨發反應預處理後，有明顯加速α-幾丁質之純化反應時間之效果，且膨發壓力越高，節省之純化反應時間愈多。

上述表2、表3為同一個實驗所得之數據，表2係在不同時間點取樣測量鈣、鎂、蛋白質含量，進而計算出反應速率常數。表3係利用反應速率常數回推出鈣、鎂、蛋白質何時會被完全反應，進而得知總反應時間及減少的反應時間百分比。

本發明之技術有二個主要的關鍵操作，一為調整蝦蟹外殼的水含量，二為控制爆炸性膨發的壓力。適當地控制變因進行這二個操作，可以使蝦蟹外殼形成多孔性結構，提升反應速率，縮短加工時間，並且可避免蝦蟹外殼褐變、製得劣質產品。蝦蟹外殼經過如本發明之方法預處理，可使得在後續的幾丁質純化製造程序中，酸處理去除礦物質步驟可節省20%-30%的反應時間，鹼處理去除蛋白質步驟可節省30%-50%的反應時間。而且最終所製得的幾丁質，由FTIR和X光繞射圖譜得知，產物的官能基、去乙醯程度和結晶度均與未處理組無明顯差異。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利範圍，因此凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之各種更動或潤飾等，均應包含於本案之申請專利範圍內。

a、b、c、d、e‧‧‧步驟

Claims

一種蝦蟹外殼的預處理方法，其至少包括下列步驟：(a)利用一水溶液調整一蝦蟹外殼之水分至一預定含水量，且該預定含水量，以該蝦蟹外殼之總重量為100重量百分比計之，係大於或等於10重量百分比；(b)將該蝦蟹外殼置於一密閉容器中；(c)在該密閉容器中添加一第一體積之去離子水；(d)加熱使該密閉容器中的壓力達一第一壓力值，其中，該第一壓力值為錶壓4~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為150~199℃；以及(e)釋放該密閉容器中的壓力至一第二壓力值，使該蝦蟹外殼中的水分快速蒸發釋出，直接導致該蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構；其中，該第二壓力值係小於或等於該密閉容器所處環境之大氣壓力。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(a)中，該蝦蟹外殼係顆粒狀、片狀、或完整蟹蝦外殼之至少一者。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(e)中，相鄰的層膜間的距離為大於或等於8μm。
如申請專利範圍第3項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(e)中，相鄰的層膜間的距離為8~14μm。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(b)~(e) 中，該密閉容器係為一壓力容器，且該壓力容器所處環境之大氣壓力係1大氣壓。
如申請專利範圍第5項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(b)~(e)中，該壓力容器係為一膨發槍。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(a)中，該蝦蟹外殼之該預定含水量為35wt%~75wt%。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(a)中，該水溶液係為一去離子水、純水、RO水或其他液態之水溶液。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(b)~(e)中，該密閉容器具有一密閉容置空間，用以置放該蝦蟹外殼。
如申請專利範圍第9項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，該密閉容置空間之體積為1.4L，且步驟(c)之該第一體積之去離子水係40mL之去離子水。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(c)之該去離子水之添加體積，足以使經步驟(d)~(e)處理所得之蝦蟹外殼之含水量大於或等於6重量百分比，且不會發生褐變之情形。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，於步驟(a)之前，更包含步驟：(z1)將該蝦蟹外殼浸泡於0.5N氫氧化鈉溶液中，於室溫作用24小時；以及(z2)將該蝦蟹外殼以水進行清洗，使pH值為6.5~7.5。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，該蝦蟹外殼係蝦之外殼或蟹之外殼之至少一者。
如申請專利範圍第1項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(d)中，該第一壓力值為錶壓9~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為180~199℃。
一種製備α-幾丁質的方法，其至少包括下列步驟：(a)利用一水溶液調整一蝦蟹外殼之水分至一預定含水量，且該預定含水量，以該蝦蟹外殼之總重量為100重量百分比計之，係大於或等於10重量百分比；(b)將該蝦蟹外殼置於一密閉容器中；(c)在該密閉容器中添加一第一體積之去離子水；(d)加熱使該密閉容器中的壓力達一第一壓力值，其中，該第一壓力值為錶壓4~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為150~199℃；(e)釋放該密閉容器中的壓力至一第二壓力值，使該蝦蟹外殼中的水分快速蒸發釋出，直接導致該蝦蟹外殼的內表皮層結構破壞而產生複數個層膜，且層膜間更形成多孔隙結構；其中，該第二壓力值係小於或等於該密閉容器所處環境之大氣壓力；(f)將該蝦蟹外殼浸泡於2N鹽酸溶液中，於室溫作用2小時；(g)將該蝦蟹外殼浸泡於2N氫氧化鈉溶液中，於80℃作用1小時；(h)將該蝦蟹外殼以水進行清洗，使pH值為6.5~7.5；(i)將該蝦蟹外殼浸泡於濃度1wt%高錳酸鉀溶液中，於室溫作用1小時；以及 (j)將該蝦蟹外殼浸泡於濃度1wt%草酸溶液中，於80℃作用1小時。
如申請專利範圍第15項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(a)中，該蝦蟹外殼係顆粒狀、片狀、或完整蟹蝦外殼之至少一者。
如申請專利範圍第15項所述之製備α-幾丁質的方法，其中，步驟(e)中，相鄰的層膜間的距離為大於或等於8μm。
如申請專利範圍第17項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(e)中，相鄰的層膜間的距離為8~14μm。
如申請專利範圍第15項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(d)中，該第一壓力值為錶壓9~14kg/cm²，且當該密閉容器中的壓力達第一壓力值時，該密閉容器內的溫度為180~199℃。
如申請專利範圍第15項所述之蝦蟹外殼的預處理方法，其中，步驟(c)之該去離子水之添加體積，足以使經步驟(d)~(e)處理所得之蝦蟹外殼之含水量大於或等於6重量百分比，且不會發生褐變之情形。