[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及一种从虾蟹壳提取甲壳素和蛋白质的方法。更具体地说，本发明涉及综合利用乳酸菌发酵法、蛋白酶法、酸碱处理法等方法，从虾蟹壳提取甲壳素，并回收可利用的蛋白质的方法。 

技术背景

甲壳素(Chitin)是自然界中唯一带正电荷的天然高分子聚合物，学名为(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，分子式为：(C₈H₁₃NO₅)n。甲壳素的来源极为广泛，主要存在于甲壳动物外壳、软体动物内骨骼、昆虫表皮、菌类及藻类等微生物的细胞壁中。每年地球上的生物合成量约为100亿吨，是产量仅次于纤维素的第二大可再生资源，也是除蛋白质外数量最大的含氮天然有机高分子。甲壳素及其衍生物属于性能独特、组织相容性良好、可生物降解、符合环保要求的绿色材料，可广泛应用于食品、日化、医药、化工、美容、保健、生物、农业、水处理、纺织等多个领域。目前在日本、欧美等地区，甲壳素及其衍生物在保健食品、生物医药、植物生长促进、日用化妆品等领域已形成稳定的产业，逐步开发出食品级、药品级、试剂级等不同类型的产品，市场前景十分广阔。 

全球行业分析公司(Global Industry Analysts，Inc.)预测，甲壳素的新应用领域将不断开辟，会大力促进甲壳素/壳聚糖的市场需求。预计到2018年，全球甲壳素/壳聚糖市场将达到11.8万吨。其中新增需求主要来自新的应用领域，尤其在亚太地区的新兴市场。除了传统的应用领域，如药品、保健食品、化妆品和水处理等应用以外，亚太地区在农用化学品，如农药、肥料、饲料等领域的应用需求的增加将进一步扩大甲壳素/壳聚糖市场。 

传统上用来生产甲壳素的主要原料是水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳，其甲壳素的含量一般在15％~40％，蛋白质含量为20％~40％，碳酸钙含量为20％~50％。提取甲壳素的步骤一般包括脱碳酸钙、脱蛋白质和脱色等。主要的甲壳素提取方法包括化学法(酸碱法)、蛋白酶法(包括中性蛋白酶和酸性蛋白酶法)和微生物发酵法。 

酸碱法是甲壳素提取的传统工艺，主要包括：使用稀盐酸溶液(1-10％)在室温下脱钙；使用氢氧化钠稀溶液(1-10％)在高温(85-100℃)下去除蛋白质和脂类物质；以及使用次氯酸钠或乙醇溶液脱除色素的过程。酸碱法的工艺操作简单方便、效率高，但能源和资源消耗较大，污染严重。目前我国企业所采用甲壳素提取工艺基本上仍然是传统的酸碱法。每30-35吨虾壳只能提取1吨甲壳素，而每生产1吨甲壳素却会产生400～600吨含有高氯、盐分以及高COD(废蛋白)等的废水。处理这些废液难度大，成本高， 甚至达到甲壳素生产成本的5倍以上。同时，由于工艺过程中含有高浓度氯离子，作为副产品回收的蛋白质营养性差，只能作为废弃物处理，不但造成资源浪费而且也增加了处理成本。 

蛋白酶法提取甲壳素主要采用了Alcalase酶、糜蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胰蛋白酶等商业酶。蛋白酶法处理虽然大大降低了污染物的产生，减少了能耗，但却存在耗时长、效率低、成本高、脱蛋白不充分等不足。 

微生物发酵法是以虾蟹废弃物为底料，利用微生物在生长繁殖过程中产生有机酸去除矿物质，产蛋白酶去除蛋白质，来完成脱钙和脱蛋白的目的。相比传统的酸碱法，微生物发酵法不仅反应条件温和，耗能少，不会产生酸碱废液，对环境友好，同时还可大量降低生产用水，其副产物也能被有效回收利用。微生物发酵产有机酸的速度与总量受到接种量、碳源及其浓度、原料在发酵液中的浓度、原料的外形大小以及发酵温度等多重因素的影响。但是，微生物脱蛋白质的效率比较低，并且耗时长，理想状态下36-144小时的蛋白去除率只能达到40％-88％，在生产上不利于大规模生产。 

随着近年来政府对减排降耗、环境治理等方面所制定的明确任务和要求，中小型甲壳素生产企业面临着巨大的生存压力。生产工艺升级换代，采用清洁生产技术已经迫在眉睫。如何尽可能地减少酸碱用量、提高蛋白质的可回收性，是目前甲壳素生产企业急需解决的共性问题。