一种虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种虾蟹壳水热‑二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，所述方法为将虾蟹壳除杂后，进行粉碎处理，加入有机酸进行脱钙处理后，滤渣置于水热反应器中通入反应介质进行水热处理，快速卸去反应器内压力，收集得到水热处理后物料，固液分离后，向固体物料中加入蛋白酶进行酶解脱蛋白处理，分离后获得固体残渣干燥后得到甲壳素，再向甲壳素中加入甲壳素脱乙酰酶酶处理制取壳聚糖，有机酸脱钙液和蛋白酶解液处理后获得有机钙和蛋白肽。本方法采用水热法改性脱钙后虾蟹壳，破解其致密结构，促进后续蛋白酶和脱乙酰酶可及性，提高酶解效率，实现有机酸钙、蛋白肽、甲壳素和壳聚糖的多联产，生产过程快速稳定、无污染，易于实现规模化工业应用。

A Hydrothermal-Two-Step Enzymatic Coupling Method for Preparing Chitin and Chitosan from Shrimp and Crab Shell and Its Application

【技术实现步骤摘要】
一种虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法和应用
本专利技术属于水产品加工废弃物综合利用
，尤其是一种虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法和应用。
技术介绍
虾蟹壳是水产养殖业加工过程中产生的固体废弃物，属于初级农产品加工过程剩余物。随着我国人工养殖虾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每年估计有1500万吨(干重)，产生虾蟹壳等甲壳生物质废弃物500多万吨，可形成2500亿元以上的产业化规模。由于虾蟹壳富含蛋白质(10～25％)，在水分含量较高的情况下，如果不经处理，堆放两至三天便会发臭，造成环境污染。目前虾蟹壳的加工技术落后，加工程度普遍较低，主要是用于饲料，只有少部分用于提取甲壳素且提取纯度低，影响后续高附加值产品转化。虾蟹壳是一类宝贵的农业生物资源，含有约50％无机钙盐，约30％蛋白质以及20％甲壳素。虾蟹壳中的甲壳素是自然界中仅次于纤维素的第二丰富的自然生物高聚物，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。目前，这种聚合物及其水溶性衍生物(壳聚糖)仅被少量用于工业化学领域，例如医药、化妆品、纺织、印染、造纸、膜材料等方面，但已展现出巨大的应用潜能。虾蟹壳中的钙含量较高，是一种良好的钙源原料，可溶于有机酸中，作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，其氨基酸成分比较平衡，营养价值可与大豆蛋白相媲美，可用作食品调料或水解后制成氨基酸营养液，具有较好的应用和开发前景。尽管虾蟹壳中这三种主要成分都具有较好的开发和应用前景，但天然虾蟹壳是由这几种成分相互交织叠积形成的致密结构，最外层覆盖着很薄的蜡质层，对环境隔离起到保护作用，外壳成分主要是甲壳素及各种蛋白质通过螺旋夹板叠积而成的壳质-蛋白有机基质，无机成分是由以方解石型存在的碳酸钙及少量磷酸钙构成，具有显著的机械性能。虾蟹壳结构致密且三种组分交织叠积结合，一旦利用必然涉及到打破这种致密结构，对其进行有效的结构拆分，进而从三种组分中分离出目标组分。目前由虾蟹壳制备甲壳素和壳聚糖的传统方法为酸碱法，可以概括为“三脱”法，即使用强酸，一般为盐酸溶液，浸泡虾蟹壳脱除碳酸钙，再使用强碱脱除蛋白质，得到甲壳素，然后在热碱的条件下对甲壳素脱除乙酰基，得到壳聚糖。该方法虽然操作简单方便，但是耗费大量能源和资源，提取1吨甲壳素需要消耗0.5吨片碱，7吨浓盐酸，200～250吨淡水和1.5吨煤炭。剧烈的反应条件下，容易破坏甲壳素的主链结构，从而导致制备的甲壳素和进一步得到的壳聚糖的生理特性不一致，产品不稳定。通过这种加工方式产生的无机酸钙价值低，且加工过程对蛋白质产生破坏，导致其无法被利用。此外，加工过程中产生大量酸、碱废液，处理费用高，对环境造成严重污染。因此不少学者探索了较为清洁的甲壳素和壳聚糖生物转化法生产工艺。首先，利用微生物(如乳酸菌、假单胞菌等)发酵有机酸的方式进行虾蟹壳脱盐，条件较为温和，且对甲壳素破坏较小，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；但是流程时间长、生产效率低，同时存在脱除不干净的问题。其次，利用酶法脱蛋白制备甲壳素，或者采用混合酶法同时达到脱蛋白和脱乙酰基制备壳聚糖的目的。这种酶解法具有条件温和、对甲壳素结构破坏较小的优势，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。此外，酶法脱蛋白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。应用于虾蟹壳脱蛋白反应过程的主要是蛋白水解酶，其原理是利用水解酶将虾蟹壳中蛋白水解成可溶性多肽或者氨基酸，进而分离出来。还有学者研究从微生物发酵液中简单分离获得的混合粗酶液水解虾壳中蛋白分离甲壳素，进一步制备壳聚糖。虽然该方法进一步降低了酶解脱蛋白工艺的成本，但是采用酶解法普遍存在酶解时间长、酶解不充分，进而导致酶解效率低等问题。上述主要原因是虾蟹壳预处理不充分导致脱蛋白过程蛋白酶的可及性较低所致。如前所述，虾蟹壳是由三种组分相互交织叠积形成的一种致密生物结构，目前对其蛋白酶解的前期预处理一般只是将清洗的虾蟹壳进行粗粉，未能充分破除这种复杂结构对酶解效率的影响，从而难以提高其酶解转化效率。因此，对于利用酶解处理虾蟹壳分离蛋白和甲壳素的方法，需要选择有效的预处理手段，打破其致密结构，增加蛋白酶的可及性，进而提高其酶解效率。通过检索，发现如下三篇与本专利技术专利申请相关的专利公开文献：1、一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺(CN109053930A)，主要是将虾、蟹壳原料进行粉碎后，依次通过有机酸脱钙、酶法脱蛋白以及无机酸脱钙后，进行固液分离，得到甲壳素以及有机钙肥。本专利技术得到的甲壳素灰分低、更容易制备壳聚糖及壳寡糖；而且可以同时得到富含有机酸钙、钾、蛋白质、氨态氮等成分的液体肥料，工艺简单易实施、无废水产生，同时过程副产物得到充分利用，避免了二次污染，环保意义重大，经济效益显著，具有工业化应用价值。2、利用生物法与化学法相结合的从虾蟹壳提取甲壳素和蛋白质的方法(CN104250311A)，具体工艺包括：在发酵池中按照比例和次序添加培养基、无机酸(或有机酸)、虾蟹壳原料、蛋白酶、微生物菌种发酵液。其中无机酸用量不超过虾蟹壳中碳酸钙总当量的15％。在控温、鼓气或搅拌的条件下，发酵10-30小时。经压榨分离，回收蛋白质和有机钙。粗品甲壳素中残余的碳酸钙经有机酸或者无机酸继续脱钙，压榨分离处理，得到脱钙率达95％以上的甲壳素成品。两次压榨分离所产生的弱酸性废水经处理后排放。该专利技术所公布的方法兼顾了可行性和经济性，整个工艺易于产业化推广。3、虾蟹壳汽爆清洁炼制多联产的方法(CN108456261A)，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。本专利技术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。通过对比，本专利技术专利申请与上述专利公开文献存在本质不同。与CN109053930A和CN104250311A相比，本专利技术专利提出一种虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，是将有机酸脱钙后虾蟹壳进行水热改性处理后，再利用蛋白酶和甲壳素脱乙酰酶二步酶解法分离制得甲壳素和壳聚糖。创新性地对脱钙后虾蟹壳采用水热改性处理，打破其蛋白和甲壳素联结致密结构，同时具有部分脱除蛋白质并促进甲壳素脱乙酰基的优势，能够提高后续二步酶的可及性，降低酶用量，缩短酶解时间。与CN108456261A区别的是，本专利技术专利提出采用水热法处理虾蟹壳，与汽爆法有反应介质、原理和设备上的明显不同，所涉及包括高温液态水和亚临界水等在内的反应介质均可对虾蟹壳进行有效改性处理。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对我国沿海地区大量虾蟹壳加工技术落后，造成资源低值化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虾蟹壳水热‑二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，其特征在于：所述方法为将虾蟹壳除杂后，进行粉碎处理，加入有机酸进行脱钙处理后，滤渣置于水热反应器中通入反应介质进行水热处理，快速卸去反应器内压力，收集得到水热处理后物料，固液分离后，向固体物料中加入蛋白酶进行酶解脱蛋白处理，分离后获得固体残渣干燥后得到甲壳素，再向甲壳素中加入甲壳素脱乙酰酶酶处理制取壳聚糖，有机酸脱钙液和蛋白酶解液处理后获得有机钙和蛋白肽。

【技术特征摘要】
1.一种虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，其特征在于：所述方法为将虾蟹壳除杂后，进行粉碎处理，加入有机酸进行脱钙处理后，滤渣置于水热反应器中通入反应介质进行水热处理，快速卸去反应器内压力，收集得到水热处理后物料，固液分离后，向固体物料中加入蛋白酶进行酶解脱蛋白处理，分离后获得固体残渣干燥后得到甲壳素，再向甲壳素中加入甲壳素脱乙酰酶酶处理制取壳聚糖，有机酸脱钙液和蛋白酶解液处理后获得有机钙和蛋白肽。2.根据权利要求1所述的虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，其特征在于：所述有机酸包括柠檬酸、乳酸、醋酸、葡萄糖酸、苹果酸、山梨酸中的一种或两种以上的组合物，酸解时间为6～24小时，固液比为1：8～1:12，壳酸质量比为1:1～1:1.5。3.根据权利要求1所述的虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，其特征在于：所述水热反应器中通入的反应介质包括饱和水蒸气、高温液态水和亚临界水，反应温度180℃～370℃，反应压力1.0MPa～22MPa，反应时间为5分钟～60分钟。4.根据权利要求1所述的虾蟹壳水热-二步酶法耦合制备甲壳素和壳聚糖的方法，其特征在于：所述蛋白酶包括碱性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶中的一种或两种以上的组合物，酶解温度30℃～60℃，pH值3～11，酶解时间为3h～12h，酶解后煮沸灭酶3～8分钟。5.根据权利要求1所述的虾...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋文杰，王钊颖，田枭，赵江，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12