当前世界环境

介绍

世界人口的增长不断超过鱼类生产的速度。粮农组织负责任渔业行为守则对鱼类资源过度捕捞的明显迹象表示关切，并建议渔业管理的新办法，其中包括养护、环境、社会和经济方面的考虑。¹⁴加工废物的数量约为20-80%，取决于品种、加工阶段和所使用的技术。^3.2015-16年度，印度海鲜出口为950万吨，主要是甲壳类和软体动物。¹⁹工业废品率约占原材料总重量的75%，这会造成严重的污染和处理问题。⁹海产行业获得的甲壳类废弃物经济价值较低，主要用作动物饲料或有机肥[26]。鱿鱼是另一种未被充分利用的垃圾鱼，估计占印度海洋登陆总量的1.8%，并转化为鱼粉、家禽饲料和粪便。²⁷贝类废弃物中含有8- 10%的甲壳素，30-65%的蛋白质，10- 20%的钙。²³几丁质被认为是自然界中仅次于纤维素的第二丰富的生物聚合物。²²壳聚糖由于其独特的阳离子性质而引起了人们的关注，这种阳离子性质是在甲壳素的N-去乙酰化过程后获得的。²⁸几丁质和壳聚糖因其生理相容性、无毒性、生物可消化性、吸附和螯合能力等优点而具有广泛的商业价值。壳聚糖的这些特性在临床、化妆品、食品、制药、农业、水产养殖、环境工程等生物技术工业领域有着广泛的应用。²⁴从贝壳废弃物中提取甲壳素和壳聚糖时，采用不同浓度的酸和碱，不同来源的甲壳素和壳聚糖的种类和质量不同。¹³阮文涛²⁸以3%盐酸脱矿、4% NaOH脱蛋白酶和50% NaOH脱乙酰为原料制备甲壳素和壳聚糖，得到了高质量的甲壳素和壳聚糖。通过收养阮文涛²⁸本研究采用化学方法对虾、蟹、鱿鱼中甲壳素和壳聚糖的质量进行比较。

材料与方法

材料

新鲜的印度本地白虾(Fenneropenaeus indicus),泥蟹(锯缘青蟹)和松鼠(Squilloides leptosquill)的贝壳是从印度泰米尔纳德邦的普利卡特湖收集的。在湿重的基础上估计了新鲜贝壳的近似成分。贝壳废料清洗后晒干。将干燥后的壳装入密封的聚乙烯袋中，保存在环境温度(28±2℃)下进行实验。

成分分析

根据以下标准方案估计甲壳类废物的大致组成:水分，蛋白质，灰分⁵和脂质。⁷有三个重复的采样程序，适用于分析不同的参数。水分含量的百分比是通过样品脱水来估计的(大约。在105°C的烤箱中加热24小时。在半自动凯氏定氮仪中，用约1g的贝壳废物样品来估计粗蛋白质的含量。粗蛋白质的百分比由总氮按6.25的乘法系数计算。用马弗炉在550℃下燃烧6小时，估算了壳样的灰分含量。用索氏仪对已知数量的干壳废弃物进行丙酮萃取，测定了其粗脂含量。在三个重复中进行分析。

甲壳素和壳聚糖的制备

甲壳素的制备经过2个处理步骤，即脱矿、脱蛋白和脱乙酰化制备壳聚糖。以上加工步骤示意图如下图1所示。

去矿化作用

采用3%盐酸，液固比为5:1 (v/w)，在室温(28±2℃)条件下对贝壳类废弃物进行脱矿处理，处理时间为16小时。²⁸残余的HCl通过便携式水反复洗涤去除，达到中性pH值。

除蛋白

脱矿后，在室温(28±2°C)下，以4% NaOH，液固比为5:1 (v/w)，持续20小时，对壳进行脱蛋白。²⁸通过移动水反复洗涤去除残留的NaOH，达到中性pH值。

将过滤后的几丁质脱水成粉，进行去乙酰化处理。

脱乙酰作用

以50% NaOH为溶剂，料固比为10:1 (v/w)，在65℃温度下对壳类废弃物中甲壳素的乙酰基进行脱除。²⁸将过滤后的壳聚糖在65±50℃的热风炉中脱水4小时，进行表征。

脱乙酰化程度的测定

采用酸碱滴定法测定脱乙酰度(DD)。¹³将约0.1g壳聚糖溶于30 ml的0.1 M HCl溶液中，加入5-6滴甲基橙指示剂，室温下溶解。用标准化的0.1mol NaOH溶液滴定红色的反应混合物，直至其变为橙色。计算DD%的公式如下

DD % = {(C1V1-C2V2) × 0.016} /{M × 0.0994}

在那里,C₁=标准盐酸溶液的(mol/l)浓度，C₂=标准NaOH溶液的(mol/l)浓度，V₁= (ml)标准盐酸溶液的体积，V₂= (ml)标准NaOH溶液的体积，M= (g)壳聚糖的质量。0.016=氨基的克当量₂在1ml标准的1mol /l HCl酸溶液中，0.0994 =氨基酸(NH)的比例₂)在壳聚糖中的重量组。乙酰化度由100%减去去乙酰化度计算

溶解度

与壳聚糖不同，壳聚糖不溶于有机溶剂，但壳聚糖在pH 6.0以下的酸性条件下可溶。有机酸如乙酸、甲酸和乳酸可以溶解壳聚糖。但最常用的参考溶液是pH值为4.0的1%醋酸溶液。较高浓度的醋酸溶液在极高温下导致壳聚糖的解聚。无机酸溶解壳聚糖的应用十分有限。⁶

粘度

壳聚糖的粘度用粘度计ML-98965-40, Cole - Parmer, Vernon Hills, IL 60061，美国。用1%醋酸在干燥基础上配制1%壳聚糖溶液，测定其粘度。粘度计固定在5号主轴上，在25°C、1%溶液中以50 rpm的转速运行。在三个重复中进行分析。报告的数值以厘泊(cPs)为单位。

结果

表1给出了本实验中使用的各种贝壳废弃物的水分、灰分、粗蛋白质和粗脂肪含量的近似组成值。贝壳废物的产量解释了在海鲜加工过程中甲壳类动物产生的贝壳废物的数量。蟹壳废弃物的产率最高为55.58±0.18%。

表1:贝壳废弃物分析

壳牌浪费	收益率 （%）	参数(%)
		水分	灰	蛋白质	脂肪
虾	45.14±0.15	21.51±0.13	20.45±0.01	32.13±0.08	9.13
蟹	55.58±0.18	20.57±0.08	25.43±0.03	30.41±0.05	10.14
虾蛄	52.26±0.09	22.59±0.19	22.56±0.02	33.18±0.10	9.82

表2说明了从虾、蟹、鱿鱼壳中提取的几丁质的组成。甲壳素产率的测定结果表明，虾渣的甲壳素产率为17.36±0.07%，高于蟹、鱿鱼。所有贝壳废弃物中几丁质的粗脂肪含量均未达到检测水平。

表:2甲壳素分析

几丁质	收益率 （%）	参数(%)
		水分	灰	蛋白质	脂肪
虾	17.36±0.07	8.31±0.11	0.48±0.02	0.80±0.15	ND
蟹	14.52±0.12	9.32±0.13	0.96±0.01	0.82±0.12	ND
虾蛄	13.45±0.21	9.10±0.16	0.76±0.03	0.87±0.09	ND

ND:检测不到

壳聚糖的组成及质量参数见表3。虾壳聚糖的溶解度最高(97.02±0.24%)，是实验所涉及的废弃物中溶解度最高的。壳聚糖的溶解度受脱乙酰度的影响(71.58±0.09%)，其粘度值为5300±32 cps。

表:3壳聚糖分析

壳聚糖	收益率 （%）	参数(%)						粘度(cps)
		水分	灰	脂肪	溶解度	达	DD
虾	15.40 ±0.16	7.56 ±0.07	0.36 ±0.01	ND	97.02 ±0.24	28.52 ±0.07	71.58 ±0.09	5300 ±32
蟹	13.25 ±0.09	7.62 ±0.14	0.76 ±0.02	ND	85.25 ±0.31	36.54 ±0.09	63.53 ±0.10	465 ±15
虾蛄	12.56 ±0.14	7.67 ±0.12	0.58 ±0.1	ND	89.65 ±0.25	34.57 ±0.11	65.54 ±0.06	2600 ±34

注:DA -乙酰化度，DD-去乙酰化度

ND:检测不到

讨论

水分含量

三种不同来源的贝壳废弃物、几丁质和壳聚糖的组成见表1、2、3。侯赛因和伊克巴尔¹⁵定量测定了虾壳废弃物的含水率为69.3%。但本研究表明，虾、蟹和鱿鱼的水分含量分别为21.51%、20.57%和22.59%。水分含量的变化可能与季节、气候、天气和原料条件有关;¹⁶原料含水率较低主要是由于收集程序的原因。在这里，收集的原料是在过滤液体后使用的。虾、蟹和鱿鱼的甲壳素水分含量分别为8.3、9.32%和9.10%。这些结果表明，比阿卜杜勒卡里姆获得的甲壳素含水量低等。贻贝中(12.90%);¹原因可能是由于几丁质的干燥条件，其中实验几丁质是在热风炉中干燥的。壳聚糖的吸湿性使其在暴露于外界时能从大气中吸收水分。根据Sukumaran等人的说法，²⁷商业壳聚糖产品的水分含量应低于10%。壳聚糖的最终含水率分别为7.56%、7.62%和7.67%，均在限定范围内。这些研究结果明显证明壳聚糖的含水率在标准范围内。

蛋白质和脂质含量

不，李^20.报道贝类粪便粗蛋白质含量为干物质的7.06% ~ 7.97%。结果表明，所选贝壳废弃物的粗蛋白质含量在湿重30% ~ 33%之间。脱蛋白不能从贝壳废物中去除100%的蛋白质。氨基酸残基可以表达为蛋白质。²⁵蛋白质与几丁质和壳聚糖通过共价键结合形成稳定的络合物。即使在去蛋白化后，几丁质仍有微量的蛋白质(0.8%)。这可能是由于壳聚糖的氨基(-NH2)基团。^20.贝壳废弃物的粗脂含量在10%左右，说明了与贝壳粗蛋白质含量的关系。甲壳素和壳聚糖中均未发现粗脂质。这些结果与Trung和Phuong的虾壳废物中9%的粗脂相当。²⁹布兰和奥斯汀¹⁰还说明了与不完全去除蛋白质有关的低溶解度。Marwa等人。¹⁷结果发现，大鼠的最大脱蛋白率分别为85%和91%P. segnis和P. kerathurus壳,分别。

灰分含量

灰分水平表明脱矿(DM)步骤去除矿物的效率。稻壳初始灰分含量在20%以上。脱矿后分别降至0.48、0.96和0.76。由于壳中几丁质与矿物质的结合较强，壳的结构较硬，其矿物质含量高于其他两种壳。脱矿蟹壳灰分含量高于虾壳和鱿鱼壳。说明对蟹壳废弃物进行脱矿处理的酸浓度和时间不够。因为蟹壳比其他两种壳含有更多的矿物质。灰分小于1%的壳聚糖为优质级。^20.在本研究中，虾壳聚糖的质量分数为0.36%，其次是鱿鱼壳聚糖(0.58%)和蟹壳壳聚糖(0.76%)。No和Meyers报道的蟹壳灰分含量小于1%。^20.残灰含量被认为是影响溶解度的重要参数，从而降低了粘度。¹⁵

去乙酰化程度

No和Meyers[20]表明壳聚糖的脱乙酰度(DD)在56%到99%之间，平均80%被认为是优质壳聚糖。虾壳聚糖的DD值为71.58%，优于鱿鱼壳聚糖(65.54%)和螃蟹壳聚糖(63.53%)。从螃蟹和鱿鱼中得到的壳聚糖较低的DD值与No和Meyers的发现一致^20.和Toan²⁸分别。

粘度

不同研究者报道的黏度范围为60 ~ 5110 cPs，这取决于壳聚糖的来源。^2、4、8Cho等人也支持这些粘度范围。¹¹用五种市售壳聚糖。Bough等人。⁸报道虾壳聚糖和磷虾壳聚糖的粘度分别为5110 cPs和5074 cPs。实验虾壳聚糖为5300 cPs，与实验结果一致。虾壳聚糖的粘度优于鱿鱼壳聚糖(2600 cPs)，其次是螃蟹壳聚糖(465 cPs)。残余灰分的存在和壳聚糖分子量的降低降低了壳聚糖的粘度。²¹有时，用浓氢氧化钠(50%)在100°C下进行30分钟的去乙酰化过程是一种苛刻的处理。它可以恢复壳聚糖生产过程中的脱矿(DM)和脱蛋白(DP)过程。²⁸浓度、分子量、脱乙酰度、温度、pH、离子强度等参数影响壳聚糖的粘度。⁸Moorjani等人。¹⁸说明频繁的漂白步骤会显著降低壳聚糖的粘度，因此不建议对最终产品进行漂白。

溶解度

残余灰分的存在降低了壳聚糖的溶解度;随后影响粘度。¹⁵壳聚糖在1%醋酸中的溶解度为97%，粘度为5300cPs。壳聚糖的溶解度仅为89%，粘度为2600cps。蟹壳聚糖的溶解度和粘度差与灰分含量高有关。结果得到了Toan的同意²⁸虾壳聚糖的实验研究。

收益率

以湿重为基准，虾、蟹、鱿鱼的甲壳素产率分别为17%、14.5%和13%。这些结果与Trung和Phuong估计的虾壳甲壳素一致。²⁹经脱乙酰化处理，甲壳素得率降低2%，壳聚糖得率达到15.40%，效果较好。虾壳产生的壳聚糖明显更多。大卫等人。¹²说明了实验工艺和工业生产工艺制备几丁质和壳聚糖的经济性比较。结果表明，这两种工艺的收率相同。

图1:的示意图流程图 甲壳素和壳聚糖的生产 点击此处查看图

结论

用Toan处理虾、蟹和鱿鱼壳废弃物²⁸化学提取工艺制备甲壳素和壳聚糖。根据本研究的研究成果，从虾壳废料中得到的壳聚糖脱乙酰度、溶解度、粘度和产率最高。由此可见，虾壳聚糖的质量优于蟹壳聚糖和鱿鱼壳聚糖。利用虾壳废弃物生产几丁质和壳聚糖，在减少环境污染的同时具有更大的经济和生物价值。

鸣谢

作者衷心感谢印度泰米尔纳德邦的泰米尔纳德邦渔业大学为开展这项实验提供的慷慨财政支持。

参考文献

1. Abdulkarim, A.， Isa, m.t.， Abdulsalam, S.， Muhammad, A.， J.和Ameh, A. O.，蚌壳中甲壳素和壳聚糖的提取和表征，土木与环境研究，3，108 - 114 (2013)
2. Alimuniar, A, Zainuddin, R.一种经济生产壳聚糖的技术。几丁质和壳聚糖的研究进展，C.J. Brine, P.A. Sanford和J.P. Zikakis(主编)，第627页。爱思唯尔应用科学，埃塞克斯，英国(1992)
3. 阿美科。大西洋海产品加工作业的废物管理。AMEC地球环境有限公司，达特茅斯，加拿大新斯科舍省(2003)
4. Anderson, c.g.， De Pablo, N.和Romo, C.R.南极磷虾(Euphausia superba)作为几丁质和壳聚糖的来源。《第一届几丁质/壳聚糖国际会议纪要》，r.a.a Muzarrelli, E.R. Pariser(主编)，p.54。麻省理工学院海洋资助项目，剑桥，马萨诸塞州(1978年)
5. 美国官方分析化学家协会。官方分析方法，官方分析化学家协会。第1版。盖瑟斯堡，美国:AOAC出版社(1990)
6. 巴蒂斯塔，I.和罗伯茨，G.A.F.。一种新颖、简便的甲壳素去乙酰化技术。马克罗摩尔化学。191: 429-434 (1990)
7. Bligh与染料，Bligh-Dye法提取中性脂质;可以。生物化学生理学杂志， 922 (1959)
8. 鲍夫、索尔特、吴敬明、帕金斯、B.E.。生产工艺对壳聚糖产品特性和有效性的影响。1.壳聚糖产品的化学组成、粘度和分子量分布。Biotechnol。Bioeng。20.p.1931(1978)
9. Bozzano A.和Sarda, F.地中海西北部渔业废弃物消耗率和清除活动。海洋科学进展，29 (5):393 - 398 (2002)
10. 几丁质在物种和制备方法上的变异。《生物化学》。物理学报。1981a - 69B: 283-286 (1981)
11. Cho, Y.I, No, h.k.， Meyers, s.p.，各种商业甲壳素和壳聚糖产品的物理化学特性和功能特性。农业与食品化学杂志。1998。46(9)。P. 3839-3843 (1998)
12. 陈建军，陈建军，陈建军，壳聚糖预处理技术的研究进展。食品与生物制品加工杂志(103) 49-57 (2017)
13. 多玛德A，罗伯茨G.A.F，瓦鲁姆K.M.。壳聚糖的生产路线及其对产品结构和性能的影响。法国里昂;Jacquers Andre出版社(1997)
14. 粮农组织。负责任渔业行为守则，联合国粮食及农业组织，罗马(1995年)
15. Hossain, M. S.和Iqbal A.虾渣壳聚糖的制备和表征;J.孟加拉国。大学。12(1): 153-160 (2014)
16. Islama, m.m.， Shah, m.d.， Masumb, M.， Mahbubur R.， Ashraful Islam Mollab m.d.， Shaikhc, a.a.和Roya, S.K. 2011，虾壳壳聚糖的制备及其性能研究。国际基础与应用科学杂志。11(1) 77 - 80
17. Marwa H.， Amal H.， Sawssen H.， Mourad J.， Moncef N.， Rim N.，用消化碱性蛋白酶提取蓝蟹和对虾壳中的几丁质。国际生物大分子杂志(101) 455 - 463 (2017)
18. Moorjani, M.N, Achutha, V.和Khasim, D.I.影响虾废壳聚糖粘度的参数。J.食品科学。抛光工艺。12.p.187 - 189 (1975)
19. MPEDA, 2016, www.mpeda.gov.in
20. 不，h。k。李。m。y。从蟹壳废料中分离甲壳素。韩文Soc期刊。食品营养学24(1).第105-113页(1995)
21. 不，是h。k。Cho。y。i，Kim, H.R., and Meyers, S.P. Effective Deacetylation of Chitin under Conditions of 15 psi/121ºC.农业与食品化学杂志，48(6). p.2625-2627 (2000)
22. No, H.K.， Meyers, S.P.。小龙虾壳聚糖作为混凝剂在海产品加工溪流中有机化合物回收中的应用。j·阿格利司。食品化学。37(3): 580-583 (1989)
23. 饶明生，于平，Stevens W.F, Chandrkrachang S.， Kungsuwan A.， Hall G.M.第二届亚太地区几丁质和壳聚糖研讨会论文集;1996年11月;泰国曼谷(1996年)
24. 小龙虾甲壳素和壳聚糖的理化、功能和光谱分析。美国路易斯安那州立大学农机学院研究生院毕业论文(2001)
25. 卢瑟福，f.a.和奥斯汀，P.R.海洋几丁质的性质和溶剂。第一届几丁质/壳聚糖国际会议论文集Muzzarrelli, r.a.a.， Austin, p.r.， Eds;麻省理工学院海洋资助计划，剑桥，马萨诸塞州。p.182 - 192 (1978)
26. 苏志华，陈建军，陈建军，陈建军。第五届亚太地区几丁质与壳聚糖学术研讨会暨展览会。泰国曼谷(2002年)
27. 卡纳塔克邦的鱿鱼(螳螂虾)渔业。海洋渔业资源管理研发系列，18。第1-3页(1987)
28. 部分自溶虾壳材料制备几丁质和壳聚糖的研究开放生物材料杂志，11， 21-24 (2009)
29. Trung, T.S.和Phuong p.t.d。越南虾加工副产物的生物活性化合物研究食品与药物分析杂志，20.，增刊1,2012，页194-197 (2012)