虾头壳废料综合性精深加工工艺的研究

虾头壳废料综合性精深加工工艺的研究

摘要:探讨了从虾头壳下脚料中提取蛋白质?虾青素?甲壳素以及活性钙等关键技术,对虾头壳下脚料的连续性精深加工进行了研究?

关键词:提取工艺;蛋白质;虾青素;甲壳素;活性钙

The Study on Comprehensive and Further Processing of Shrimp Shell Waste

Abstract: The key technologies of extracting proteins, astaxanthin, chitin and calcium from the waste of shrimp was discussed; and the continuity refinery processing of shrimp waste were studied.

Key words: extraction process; protein; astaxanthin; chitin; active calcium

淡水小龙虾的虾仁?汤料虾是我国加工出口的主要水产品,目前我国绝大多数小龙虾与海水虾的加工出口企业,将鲜虾蒸煮剥取虾仁后产生的大量虾头壳作为废料处理,虾头壳废料中含有20%~30%的动物蛋白质等有机物质,30%~40%的钙等无机物[1],虾壳含有20%~30%的甲壳素与4%~8%的虾青素?我国虾类加工所产生的虾头壳废料占虾类加工原料的80%左右,这些虾类废料如果不精深加工可造成水产资源的浪费,增加水产品的加工成本,并对生态环境造成污染?因此,本文以虾头壳废料为原料进行精深加工,采用虾头壳废料酶水解提取虾蛋白?低浓度有机溶剂提取虾青素?柠檬酸脱钙提取甲壳素等连续综合性的加工工艺的研究,逐步提取虾头壳内的高附加值物质,避免了酸碱提取工艺对生态环境造成的污染,提高了加工产品的安全性?

1材料与方法

1.1材料

虾头壳来源于武汉高龙水产食品有限公司?试剂有木瓜蛋白酶?二氯甲烷?柠檬酸等,购于试剂公司?仪器有LD5-10型离心机?DKB-8A型电热恒温水槽?UV-1800型紫外可见分光光度计?日立L-8800氨基酸分析仪?KDN-04A型定氮仪?节能万用电阻炉等?

1.2方法

1.2.1虾蛋白质的提取方法虾蛋白质提取的原理是采用酶水解法,利用4因素3水平正交试验选择出最佳提取条件,采用酶水解法提取虾头壳蛋白质无酸碱反应的污染,为虾青素以及甲壳素的提取提供了安全保障?

工艺流程:原料洗净用绞肉机绞碎→称重→加适量水→木瓜蛋白酶→调节pH值至5.0→恒温消化→过滤液酶灭活→调节pH值至6.5→滤液离心→沉淀烘干→虾浓缩蛋白质成品?

1.2.2虾青素的提取方法宋光泉等[2]的试验结果表明在室温下,虾青素在有机物内溶解度:二氯甲烷>氯仿>丙酮>乙醇,以二氯甲烷为溶剂在60℃下提取的虾青素结构稳定,作为虾青素的萃取剂最好,因此,本研究采用二氯甲烷在室温下避光浸提24 h,过滤后将滤液倒入二氯甲烷回流装置中于45℃下蒸馏回收二氯甲烷,回收完毕后二氯甲烷回收装置中剩余液体即为虾青素油剂?

1.2.3虾青素油剂浓度测定取1 μL虾青素油剂于1 cm的比色皿中,用二氯甲烷稀释3 000倍(即加入2 999 μL二氯甲烷),混匀,此溶液为待测液?以二氯甲烷为空白对照组,使用1 cm的比色皿,在分光光度计上测定待测液在245 nm处的吸光度?

1.2.4虾青素含量的计算试样中虾青素含量y(%,按质量分数计)按以下公式进行计算?

式中,x为待测液浓度(mg/mL);3 000为样品的稀释倍数;m为样品的总质量(g);V为从原料(重量)中提取出的虾青素油剂体积(mL)?

1.2.5柠檬酸钙的提取方法目前提取柠檬酸钙普遍采用石灰乳中和柠檬酸溶液,经过滤?洗涤?干燥得成晶?也可以蛋壳为原料,经清洗?粉碎?煅烧制成石灰乳,然后用柠檬酸溶液中和,再经过滤?水洗?干燥得成品?本试验直接采用柠檬酸浸提虾壳中的钙,方法简便且无污染?

采用单因素试验寻找柠檬酸钙提取过程中所用柠檬酸溶液的最适质量分数?按料液比1∶5~1∶10的比例分别向等量提取虾青素后经过滤洗净的虾头壳中加入不同质量分数的柠檬酸溶液,搅拌4~8 h,过滤分离液体和脱钙甲壳素,滤液于5 000 r/min离心10 min,分离的固体经过低温干燥后即为柠檬酸钙?

1.2.6甲壳素的提取方法虾?蟹?螺壳中的甲壳素的提取方法一般是先用酸浸渍后再用碱处理除去虾?蟹?螺头壳内含有的蛋白质?钙等杂质,清洗干净后为甲壳素粗制品,粗制品用0.5%的高锰酸钾和双氧水浸泡处理,最后用水洗净?干燥即为白色甲壳素成品[3]?本研究提取甲壳素首先采用酶水解蛋白质,再将虾头壳进行脱钙?脱色,清洗干净,置于65℃条件下干燥,用机械粉碎即为甲壳素成品?

1.2.7水分含量测定虾头壳?虾蛋白粉?甲壳素等固体的水分含量测定?取固体物质称重→在105℃的干燥箱中干燥2~3 h→称重→再次干燥→称重,直至恒重(两次所得重量相差不超过0.3 mg)?

1.2.8灰分含量测定称取适量的虾头壳?虾蛋白粉?甲壳素样品(0.5~1.0 g)于坩埚内,在电炉上灼烧灰化,至坩埚内无黑烟冒出,再将坩埚转入箱式节能电阻炉中,500℃灼烧6 h,待炉内温度降至200℃以下后将坩埚移入干燥器内,冷却后称重,

重复灼烧2 h,再次称重,重复灼烧直至前后两次称重相差不超过0.3 mg?

1.2.9脂肪含量测定称取适量干燥的虾头壳?虾浓缩蛋白粉?甲壳素样品(1.0~3.0 g)放入滤纸套中,一并放入索氏提取器的提取管内,注意勿使滤纸筒高于虹吸管的虹吸部分,向提取管内加入乙醚,让其虹吸1次,再加乙醚到虹吸管高度的一半处,将温度调节至35℃左右,水浴加热索氏提取器,直至乙醚液体为无色时说明抽提完毕,将脂肪瓶表面用酒精擦拭干净,烘干称重?

1.2.10蛋白质含量测定采用凯氏定氮法[4]测定虾头壳?虾浓缩蛋白粉等样品蛋白质含量?

1.2.11氨基酸含量测定虾头壳?虾浓缩蛋白粉等的氨基酸含量采用日立L-8800氨基酸分析仪测定?

2结果与分析

2.1虾头壳内蛋白质最佳提取条件的选择

虾头壳中蛋白质提取对底物浓度?酶用量?消化温度?消化时间进行正交试验,设计4因素3水平的正交试验表,p 2.2虾青素含量测定

200 g原料中提取出的虾青素油剂为0.18 mL,采用紫外可见分光光度计,以二氯甲烷为溶剂于波长为245 nm处测得待测液的浓度为1.069 mg/mL,计算得虾青素含量为2.886 mg/g?Alvarez等[5]用丙酮从冷冻干燥的南极鳞虾废弃物中提取虾青素,产出率达到129.5 mg/g,所以本研究采用二氯甲烷为浸泡液提取的虾青素产量明显低于Alvarez等用丙酮提取的含量,但是丙酮萃取杂质含量高,需要非极性溶剂进行反萃取,工艺复杂,溶剂回收成本高,且丙酮有一定的毒性,在实际应用中受到一定的限制?而二氯甲烷在低温40℃即可蒸馏回收,对虾青素理化因子的稳定与抗氧化保存极为有利,所以用二氯甲烷是提取虾青素较好的溶剂?

2.3不同质量分数的柠檬酸对虾头壳脱钙试验分析

根据上述设置了5个反应的柠檬酸脱钙质量分数的梯度,从表3的结果可以看出,柠檬酸脱钙率随着柠檬酸的质量分数的增加而增大,但达到一定质量分数后逐渐下降呈先增大后减小的趋势,即在柠檬酸质量分数为15%时脱钙率达到最高,其变化规律为柠檬酸质量分数10%~15%时柠檬酸的脱钙率逐渐上升,而质量分数15%~20%时柠檬酸的脱钙率逐渐下降,上述试验结果表明柠檬酸质量分数15%为最适?

2.4甲壳素含量测定

计算所得甲壳素的含量为3.93%(每100 g虾头壳原料中含3.93 g甲壳素)?

2.5水分含量测定

虾头壳中水分含量的测定采用平行试验,所得结果见表4?从表4可以得出虾头壳中水分平均含量为73.85%,干物质含量为26.15%?

2.6脂肪含量测定

从表5可以看出平均脂肪含量分别为虾头壳6.24%?蛋白粉含量25.00%?甲壳素含量4.99%?

2.7灰分含量测定

由表6计算得出虾头壳?蛋白粉和甲壳素平均灰分含量分别为:34.16%?12.62%?5.16%?

3结论

采用正交试验法对虾头壳蛋白质的提取条件进行筛选,确定最佳提取条件为:底物浓度300 mg/mL,酶用量8 000 U/g,提取温度45℃,提取时间6 h?

本研究本着综合利用虾头壳下脚料进行系列精深加工,取得具有高利用价值的虾青素?甲壳素以及活性钙等产品,增加了虾废料的附加值,减少水产资源浪费和对生态环境的面源污染,对于虾废料来说是一种切实可行的利用途径?

参考文献:

[1] 丁纯梅,陶庭先,吴之传.龙虾虾壳的综合利用(I)—虾壳红色素的提取及其性质研究[J].化学世界,1995,36(8):444-445.

[2] 宋光泉,阎杰, 王荣辉, 等. 天然虾青素的提取纯化及其应用[J] .广东化工,2007,34(11):63-66.

[3] 任慧霞,陆经毅,柳华义.甲壳素的制备及其测定方法[J].山东医药工业,2000,(19)1:39-40.

[4] 施特尔马赫.酶的测定方法[M]. 钱嘉渊,译.北京:中国轻工业出版社,1992.

[5] ALVAREZ G,PEDRO I,CONTRERAS V,et a1.Methods of extraction and identification of pigments from Antarctic krill residues[J]. Contrib Cient Tecnol(Spanish),1990,20(89):5-8.