虾蟹废弃物中虾青素的分离纯化研究进展

虾蟹废弃物中虾青素的分离纯化研究进展
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摘要：虾青素应用广泛，但其来源无非化学合成和生物分离两种。

在虾蟹的加工中会产生很多废弃物这其中就含有大量的虾青素。

根据虾青素的结构及废弃物中与之结合的物质的研究，科研人员发现了一些行之有效的分离提纯方法，如碱提法、油溶法、有机溶剂法、负压空化法、超临界CO2萃取法[1]、亚临界流体萃取法[2]、酶法[3]，其中部分已投入到了实际生产当中。

本文将对各种分离纯化方法加以分析论述。

关键词：虾青素、分离纯化、虾蟹废弃物。

中图分类号：文献类型：A
0.前言
虾青素是类胡萝卜素的含氧衍生物，属于酮式类胡萝卜素，全称为3，3’—二羟基—4，4’—二酮基—ββ’—胡萝卜素，化学式为C40H52O4，相对分子质量596.86，其结构式如图1所示，体状虾青素是一种精细深紫褐色粉末，色泽为粉红色，熔点大约为224℃，不溶于水，易溶于二氯甲烷、氯仿、丙酮、苯、二硫化碳等有机溶剂[4]。

在食品、药品、化妆品、保健品、水产养殖等方面应用广泛[5]。

通过虾蟹加工业中废弃物的在加工，分离提取虾青素，不仅可以解决该产业带来的环境压力，还可以降低成本，提高经济效益。

目前虾青素的生产方法多种多样，有从藻类提取的，从甲壳类动物中提取的，有人工合成的等。

本文将对近年来有关虾蟹废弃物中分离提纯虾青素的研究进行论述。

图1. 虾青素结构
1.概述
从虾蟹废弃物中分离提纯虾青素的方法主要有碱提法、油溶法、有机溶剂法、超临界CO2萃取法、负压空化法、亚临界流体萃取法、酶法。

各种不同分离方法是以虾青素的结构所决定的溶解性，通过采取适当的方法将其从废弃物中分离提纯，从而得到所期望的产品——虾青素。

2.方法与机理
2.1碱提法
由于天然虾青素大多与蛋白质结合，以类胡萝卜素蛋白质结合物的形式存在[6]，只有将虾青素与蛋白质分离后才能分离提纯。

在这里采用的方法是先进性酸处
理，出去原料中的碳酸钙，再进行碱处理将蛋白质溶出，从而分离提纯虾青素
[6,9]。

其操作流程如下。

该方法分离提纯看似简单，但会消耗大量的酸和碱，不仅对环境造成污也会对产物造成影响，如上面的流程所示，得到的产物已不是虾青素，而是虾青
素的反应产物虾红素[6]。

2.2油溶法
油溶法是借助于虾青素的脂溶性来实现的。

先将虾青素溶解在油中，使其与使其从虾蟹废弃物中分离出来，再通过适当的方法将其从油中分离开来便可以得到较为纯净的虾青素[6]。

同时，在油中虾青素较为稳定，可保护虾青素不被破坏[7]。

油溶法主要是食用油脂，多采用大豆油，也可用步鱼油、鲱鱼油、鳕鱼肝油等鱼油。

其油的种类、用量及温度等因素的不同分离提纯的效率也是不同的，如相同的工艺条件下大豆油优于步鱼油和鲱鱼油的提取效果明显；以雨生红球藻为来源，以豆油作为溶剂提取，提取率达到（36.36±0.9）%，以橄榄油作为溶剂提取，提取率达到（51.03±1.08）%；利用棕榈油作为溶剂对虾壳进行提取，表明加工过程中应尽量避免温度高于70℃，且应尽量缩短处理时间[6]。

油溶法提取虾青素较为安全，效率较高，但浓度较低，需要通过柱层析方法进一步纯化，与高沸点的油不易分离，造成分离成本较高，应用范围窄[6]。

2.3有机溶剂法
由于虾青素中仅有两个羟基，而疏水基团却很多，这就决定了虾青素的疏水却溶于有机溶剂的性质[6]，故可以依据相似相溶的原理，使用有机溶剂来提取虾青素。

通过将虾蟹废弃物中的虾青素转移到有机溶剂中，之后对溶有虾青素的有机溶剂进行操作，将虾青素分离出来。

分离提纯操作过程中可选用的有机溶剂有很多种，常用的有机溶剂有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷、乙酸乙酯及混合溶剂等，其效率是不同的。

同时若辅以其他的一些操作手段，同种溶剂的分离效率也是不同的。

如以二氯甲烷为萃取剂，辅助微波处理，提取率达到3.92%；以冷冻干燥的南极磷虾废弃物为原料，以丙酮为萃取剂，提取率达到129.5mg/g，这都是超出常规
数值的[6]。

在长硬霞等人的研究中发现用乙酸乙酯在pH 4.0、50 ℃条件下提取2.5 h 虾青素的产量为49.1 µg/g原料。

；另外，还应特别注意在分离提取过程中温度、PH、金属离子、紫外线等对虾青素稳定性的影响。

该方法通过选用沸点较低的有机溶剂可高效率的分离出虾青素，但分离过程中需要进行低温干燥，成本是比较高的[6]。

另外，由于有些有机溶剂是有毒性的，用于食品、药品、化妆品和保健品是不可取的，应有选择的使用。

2.4负压空化法
负压空化法是对溶剂提取法的一个改进，是一种破壁方法[4]。

通过采用负压空化法可将细胞壁破碎，降低膜的通透性，虾青素流出，再利用与有机溶剂法几乎类似的方式进行分离提纯，从而可以缩短分离提纯的时间，提高虾青素的产量，从而提高生产效率。

徐竞对应用负压空化法从虾壳中提取虾青素进行了研究，确定提取最佳工艺参数为：溶剂80%的乙醇，提取时间35min，液料比1:20，通气量0.2m3/h，在和常规破壁方法进行比较时发现负压空化法明显优于其它方法[4]。

2.5超临界CO2萃取法
该方法是随着近年来超临界流体萃取的研究而出现的。

超临界流体CO2萃取（SCFE）技术因为CO2无毒无害、溶解能力强、成本低等一系列的优点，成为首选的工业萃取技术[6]。

周湘池等研究了温度、压力、萃取时间、CO2流量等对萃取效果的影响，影响显著性为压力＞时间＞流量＞温度；Andrea等以冻干巴西红斑虾废料（包括虾头、虾尾和虾壳）为原料，最终确定最佳工艺条件为萃取温度43℃，萃取压力37MPa[6]。

周雪晴[8]等研究发现利用超临界
CO2技术从海南对虾壳中提取虾青素，二氯甲烷作为夹带剂的加入可大大改善萃取效果，通过正交试验表明最佳工艺条件为萃取压力35MPa，萃取温度60℃。

超临界CO2萃取法借助于CO2沸点低、无毒、溶解能力强等优点可分离得到品质较高的虾青素，其原理简单，但设备和技术要求较高，目前尚未大规模投入到生产当中。

2.6亚临界流体萃取法
亚临界流体萃取是一种以亚临界流体为溶媒提取目标组分的技术[2]。

其原理是当有机溶剂处于亚临界流体状态时,分子的扩散性能增强,传质速度加快,对弱极性以及非极性物质的渗透性和溶解能力显著提高。

该方法相对于超临界流体萃取来说对压力的要求低；相对于油溶法、有机溶剂法来说,耗时更短,选择性更强[2,10]。

因此，亚临界流体萃取法是一种提取率高、耗时短的天然虾青素提取方法。

由此可见，亚临界流体法是一种比较时刻大规模生产的分离提纯虾蟹废弃物中虾青素的方法，因此成为研究的热点。

刘平怀[2]等人通过单因素及正交实验优化了提取条件，提取工艺为：以二氯甲烷为溶剂, 100℃，9.31~11.72 MPa,静态提取时间15 min，循环2次,提取率为0.037 3%。

与传统的有机溶剂浸提法提取结果比较表明，亚临界流体萃取的提取率高出33.2%，且耗时减少82.8%。

2.7酶法
酶法分离提纯虾青素利用的酶主要有两种。

一是虾头中的内源酶，二是木瓜蛋白酶。

虾头中的内源酶，是虾消化系统中的重要组成成分，能解离虾青素，以蛋白酶、酯酶、几丁质酶和多酚氧化酶为主，种类多达几十种，其中蛋白酶的活
性最高[11]。

该方法最核心的部分就是利用酶将虾青素分离开来便于借助于其他的方法进行进一步的分离提纯以提高效率。

姜淼[11]等人的实验表明酶解最佳工艺条件为pH 4. 0，温度50 ℃，酶解时间1. 5 h 时，虾青素的萃取率最高，可达32. 16 μg/g湿虾壳，比直接超声提取提高28%。

通过空白试验可知，外加脂肪酶对虾青素提取无促进作用，仅利用内源酶即可达到较好的提取效果，且经济节约。

木瓜蛋白酶是最近研究比较多的，具有化学试剂用量少，蛋白质容易回收，且只选择性降解甲壳素的GlcNAc-GleN糖苷键的优势，有利于虾青素的提取[6]。

钱飞等以克氏原螯虾壳为原料，利用木瓜蛋白酶对其水解，每克湿虾壳含总类胡萝卜素的提取率达到115,76μg，比用酸处理法提取提高了13.82%[6]。

赵仪等在虾仁废弃物中加入 1.30%木瓜蛋白酶，湿虾壳总类胡萝卜素释放率为
63.059μg/g，比直接用有机溶剂提取方法释放率提高了19.879%[6]。

3.展望
虾青素优秀的特性决定了在食品、医药、化妆品、保健品、水产养殖方面广泛的应用空间，而这种需求又决定了虾青素生产工业的潜在巨大市场，作为虾青素来源的一个重要方面，从虾蟹废弃物中分离提纯虾青素产业的发展就需要探索更合适的分离提纯方法并将其运用到实际生产中去。

在现已发现的分离提纯方法中负压空化法、超临界CO2萃取法、亚临界流体萃取法、酶法较为不错，怎样才能降低成本，规模化生产将是今后需要解决的问题，对整个社会而言，意义非凡。

参考文献
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