CN1277845C - 甲壳素清洁生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种甲壳素清洁生产工艺，以虾蟹壳为原料，先采用较低浓度盐酸喷洒虾、蟹壳，使虾蟹壳软化，然后用A.S 1.398中性蛋白酶水解软化后虾、蟹壳中的蛋白质，滤出蛋白水解液后的固形物用3～5mol/L盐酸于40℃～50℃浸泡1h～2h，彻底脱除钙等矿物质，经自来水清洗、晒干获得甲壳素产品，而滤出蛋白水解液经调pH值、沉淀、离心、干燥、粉碎等工艺过程，获得红色虾蟹蛋白水解精粉产品。本发明工艺无强酸强碱环境污染，节约水资源，生产周期短，生产成本低，且得率高，得到甲壳素产品的同时还获得蛋白水解精粉。

Description

甲壳素清洁生产工艺

(一)技术领域：本发明涉及用生物酶提取甲壳素的清洁生产工艺，该发明工艺还获得蛋白水解精粉。

(二)背景技术：甲壳素(Chitin)是一种从虾蟹等外壳中提取的天然多糖，结构为N-乙酰-D-氨基葡萄糖和少量D-氨基葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接而成的高分子聚合物，甲壳素脱乙酰基后的产物被称为壳聚糖(Chitosan)。甲壳素和壳聚糖作为一类可再生和可生物降解的物质以及它们在食品、化工、医药、农业等领域中的应用。

传统的甲壳素的制备方法有浓盐酸浸泡虾、蟹壳脱钙、磷等矿物质，过滤后壳用水清洗至中性，再用碱煮水解壳中的蛋白质，过滤后用水清洗至中性，晒干，获得甲壳素产品。该工艺中应用了大量的强酸、强碱，排放后产生严重的环境污染；生产1吨甲壳素至少需9吨干原料，其中含有8吨的蛋白质、钙、磷、虾红素等营养物质被排放，造成资源极大浪费；使用过量的浓盐酸和氢氧化钠，增加了生产成本；酸浸、碱浸等每道工序后，均需采用清水清洗至中性，浪费水资源。

中国专利93111716.x提出了一种从蝇蛆壳提取甲壳素的方法，其方案是：将破碎、洗净的蝇蛆壳用8％～20％氢氧化钠溶液浸泡18h以上脱蛋白质，过滤、水洗至中性，用1％～2％高锰酸钾溶液浸泡30min以上进行退色，再用1％～2％草酸或1％～2％亚硫酸氢钠溶液浸泡30min以上进行除锰，再过滤水洗，用浓度为2％～8％的优级纯盐酸溶液浸泡2h～8h以上纯化，用超纯水洗至无氯离子，干燥制成。全过程温度保持在30℃～90℃之间。该工艺生产周期长(全程需20h以上)；强酸强碱用量未减，还增加了高锰酸钾和亚硫酸氢钠退色除锰工序(色素经太阳晒及煮沸可分解)，增加了水洗程序，水资源浪费严重，生产成本高；蛋白质等有用资源没有回收，资源浪费和污染环境等问题没有根本解决。

中国专利02109446.2提出一种饲养苍蝇提取甲壳素和生物蛋白粉的方法，其技术方案是：原料用浓度为2％～3％的NaOH溶液，加温至90℃～100℃，浸泡10h～15h，过滤，得滤出物甲壳素和滤液蛋白液。将滤出物甲壳素水洗至中性、烘干即得甲壳素；将滤液蛋白液中加入浓度为2％～3％的HCl溶液，使其pH值为5～6，蛋白质沉淀，并滤出，然后水洗至中性、烘干得生物蛋白粉。虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的甲壳是由甲壳素(N-乙酰-D-氨基葡萄糖和少量D-氨基葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接而成的高分子聚合物)为骨架，钙、磷等矿物质与蛋白质、色素等物质结合在骨架上，形成坚硬的外壳。所以制备甲壳素不仅要去除蛋白质，而且也要脱除钙、磷等矿物质元素。该工艺只去除了蛋白质，而钙、磷等矿物质元素没有脱除，获得的只是甲壳素半成品。用氢氧化钠水解甲壳蛋白质，会使生成的氨基酸消旋，不利于动物体吸收；同时盐酸中和过量的氢氧化钠，会使产品盐含量增加。因而用氢氧化钠水解制取甲壳生物蛋白粉将导致产品质量和营养价值降低。

(三)发明内容：本发明的任务是解决上述存在的生物资源浪费、水资源浪费、强酸强碱污染环境、生产时间长和生产成本高等缺点，提供一种用生物酶提取甲壳素和蛋白水解精粉的清洁生产工艺。

本发明的技术方案：以虾蟹壳为原料，洗净，沥干，用1～3mol/L盐酸喷洒虾、蟹壳，其壳中碳酸钙充分中和酸中氢离子，使虾蟹壳初步软化；用中性蛋白酶水解软化后虾蟹壳中的蛋白质，水解时间3h～4h，温度40℃～45℃；过滤，得滤出固形物和滤出蛋白水解液，将固形物再用3～5mol/L盐酸于40℃～50℃浸泡1h～2h，彻底脱除钙、磷等矿物质；获得的甲壳素用自来水清洗干净，晒干，获得甲壳素产品。

将滤出的蛋白水解液调pH至6.5～7.5，经沉淀、离心、干燥、粉碎，获得红色虾蟹蛋白水解精粉产品。

本发明涉及的中性蛋白酶是A.S 1.398枯草杆菌中性蛋白酶，或是胰蛋白酶，或是米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶，或是胰蛋白酶与米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶组成的复合酶。

本发明采用的A.S1.398枯草杆菌中性蛋白酶是一种来源于枯草杆菌分泌的胞外蛋白水解酶(无锡酶制剂厂，活力50000u/g，最适温度40℃，中性蛋白酶最适pH 7.2)，A.S 1.398中性蛋白酶的商品名为枯草杆菌中性蛋白酶，在全国各大城市厂家均有定点商店出售。

本发明使用的中性蛋白酶的浓度为0.2％～0.4％。

本发明工艺与传统工艺相比，其积极效果在于：

1)减少了盐酸用量40％～50％；

2)减少了一道清洗生产环节，每生产1吨甲壳素节约用水100吨～150吨；

3)删除了NaOH强碱煮沸生产工序；

4)充分回收了有用资源，获得甲壳素产品的同时，还获得了高质量虾蟹蛋白水解精粉，与原来相比可增加40％～60％收入；

5)缩短了生产周期，传统工艺生产周期为12h～14h，本发明工艺为7h～8h；

6)降低了生产成本，综合成本比传统工艺低40％～50％；

7)达到了无强酸、强碱排放，保护了环境。

(四)附图说明：

图1为本发明的工艺流程图

参照工艺流程图说明：

以虾蟹壳为原料，洗净，沥干，用1～3mol/L盐酸喷洒虾、蟹壳，其壳中碳酸钙充分中和酸中氢离子，使用的盐酸量使虾蟹壳得到初步软化，避免后道生物酶水解蛋白质工序中甲壳易脆、易碎，从而解决了清洗难度大和产量降低等问题，同时又使整个反应体系的pH值处在中性条件；用0.2％～0.4％中性蛋白酶水解软化后虾蟹壳中的蛋白质，水解时间3h～4h；中性蛋白酶水解结束后，滤出蛋白水解液，固形物即除去蛋白质后的虾蟹壳，用3～5mol/L盐酸于40℃～50℃浸泡1h～2h，彻底脱除钙、磷等矿物质，再过滤，将获得的甲壳素用自来水清洗干净，晒干，获得甲壳素产品，过滤上清液经处理后达标排放。

采用本发明的工艺所获得的甲壳素产品，其灰分、色度等质量指标与现传统生产工艺产品一样，且得率均高于传统生产工艺。

调节滤出蛋白水解液的pH值至6.5～7.5，经沉淀、离心、干燥、粉碎等工艺过程，获得红色虾蟹蛋白水解精粉产品，蛋白含量为69％，测得总氨基酸含量为63.2％，必需氨基酸占总氨基酸42.3％，鲜味氨基酸谷氨酸含量高达12.1％。该产品具有很高的营养价值、而且鲜度好，可用于调味品、保健食品原料，也可用于名贵水产饲料添加剂，如对虾、黄鱼、红鳟鱼等，饲喂后可改善其肉质和色泽，提高商品价值。

过滤后的废液加入CaO中和，产生Ca(OH)₂沉淀(挖起填埋)，上清液达到排放标准。

(五)具体实施方案：

实施例1：

(1)将已清洗、沥干的100kg湿(不滴水)的虾、蟹壳(虾、蟹壳如不及时生产，要及时堆放在5℃以下冰库中)，用1mol/L盐酸喷洒虾、蟹壳，(喷洒设备要求耐酸)，使虾、蟹壳得到初步软化(软化程度为手感软、酶解搅拌不碎即可)，虾、蟹壳中碳酸钙(虾、蟹壳中的无机盐绝大部分为碳酸钙，少量磷盐，还有极少量的镁等无机盐)等充分中和了酸中氢离子，反应体系最终处在中性pH状态；

(2)用0.2％ A.S 1.398枯草杆菌中性蛋白酶(无锡酶制剂厂，活力50000u/g，最适温度40℃，最适pH 7.2)水解上述软化后虾、蟹壳中的蛋白质，水解时间4h；

(3)蛋白酶水解结束后，滤出蛋白水解液，固形物即除去蛋白质后的虾、蟹壳，用3mol/L盐酸于40℃浸泡2h，彻底脱除钙、磷等矿物质，再过滤，将获得的甲壳素用自来水清洗干净，晒干，获得2.77kg甲壳素产品，其主要质量指标如灰分、色度，与现传统生产工艺获得的产品一样，得率高于传统生产工艺0.27％(传统生产工艺可获得2.50kg甲壳素产品，以下同)；

(4)调节上述蛋白水解滤液的pH值至6.5，经静置沉淀，沉淀物进一步离心(4000r/min、5min)、烘干、粉碎(产品细度达到100目)等工艺过程，获得9.8kg红色虾蟹蛋白水解精粉产品，蛋白含量在69％左右，产品具有很高的营养价值、而且鲜度好，可用于调味品、保健食品原料，也可用于名贵水产饲料添加剂，如对虾、黄鱼、红鳟鱼等，饲喂后可改善其肉质和色泽，提高商品价值。

实施例2：

(1)将已清洗、沥干的100kg湿(不滴水)的虾、蟹壳(虾、蟹壳如不及时生产，要及时堆放在5℃以下冰库中)，用3mol/L盐酸喷洒虾、蟹壳，(喷洒设备要求耐酸)，虾、蟹壳中碳酸钙充分中和酸中氢离子，使虾、蟹壳得到初步软化(软化程度为手感软、酶解搅拌不碎即可)；

(2)用胰蛋白酶与米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶复合水解虾蟹壳蛋白质，胰蛋白酶效果好，但价格较贵，从生产成本和水解蛋白效果综合考虑，用0.1％胰蛋白酶(杭州三叶生物化工厂，活力4000u/g，最适温度40℃，最适pH 7.5～8)，配用价格较便宜的米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶，用量0.3％(上海迪发酿造生物制品有限公司，活力5000u/g、最适温度40℃，最适pH 7.5)，二种蛋白酶混合后共同水解上述软化后虾、蟹壳中的蛋白质，水解时间3h；

(3)蛋白酶水解结束后，滤出蛋白水解液，固形物即除去蛋白质后的虾、蟹壳，用5mol/L盐酸于50℃浸泡1h，彻底脱除钙等矿物质，再过滤，将获得的甲壳素用自来水清洗干净，晒干，获得2.95kg甲壳素产品，得率高于传统生产工艺0.45％；

(4)调节上述蛋白水解滤液的pH值至7.5，其余工艺过程同实施例1，获得7.2kg红色虾蟹蛋白水解精粉产品。

实施例3：

(1)将已清洗、沥干的100kg湿(不滴水)的虾、蟹壳(虾、蟹壳如不及时生产，要及时堆放在5℃以下冰库中)，用4mol/L盐酸于50℃浸泡2h，彻底脱除钙、磷等矿物质，盐酸用量为使浸泡液最终pH达2.0～4.0；

(2)用0.2％ A.S 1.398枯草杆菌酸性蛋白酶(无锡酶制剂厂，活力50000u/g，最适温度40℃，最适pH 3)水解上述彻底脱除钙、磷等矿物质后的虾、蟹壳中的蛋白质，水解时间4h；

(3)蛋白酶水解结束后，滤出蛋白水解液，固形物即彻底脱除钙、磷等矿物质和蛋白质后的虾、蟹壳，用自来水清洗干净、晒干，获得2.96kg甲壳素产品，该产品的灰分、色度等主要质量指标与现传统生产工艺获得的产品相当，得率高于传统生产工艺0.46％；

(4)调节上述蛋白水解滤液的pH值至6.5，其余工艺过程同实施例1，获得9.8kg红色虾蟹蛋白水解精粉产品。

实施例4：

(1)将已清洗、沥干的100kg湿(不滴水)的虾、蟹壳(虾、蟹壳如不及时生产，要及时堆放在5℃以下冰库中)，用6mol/L盐酸于50℃浸泡1h，彻底脱除钙、磷等矿物质，最终pH达2.0～4.0。

(2)用A.S 1.398枯草杆菌酸性蛋白酶与黑曲霉A.S 3.350酸性蛋白酶混合水解虾蟹壳蛋白，用0.1％ A.S 1.398枯草杆菌酸性蛋白酶(无锡酶制剂厂，活力50000u/g，最适温度40℃，最适pH 3)配用价格便宜的0.3％黑曲霉A.S 3.350酸性蛋白酶(上海迪发酿造生物制品有限公司，活力5000u/g、最适温度40℃、最适温度40℃、最适pH 3)混合后共同水解上述彻底脱除钙、磷等矿物质后的虾、蟹壳中的蛋白质，水解时间3h；

(3)蛋白酶水解结束后，滤出蛋白水解液，固形物用自来水清洗干净、晒干，获得2.75kg甲壳素产品，得率高于传统生产工艺0.25％；

(4)调节上述蛋白水解滤液的pH值至7.5，其余工艺过程同实施例1，获得7.5kg红色虾蟹蛋白水解精粉产品。

Claims (5)

1.一种甲壳素清洁生产工艺，以虾、蟹壳为原料，包括如下步骤：

(1)虾、蟹壳软化：用1～3mol/L盐酸喷洒虾、蟹壳；

(2)酶水解除去蛋白质：软化后的虾、蟹壳用中性蛋白酶水解；

(3)除钙、磷矿物质：上述水解液过滤，得滤出固形物和滤液蛋白水解液，将固形物即除去蛋白质后的虾、蟹壳用3～5mol/L盐酸于40℃～50℃浸泡1h～2h；

(4)甲壳素产品：上述浸泡后的虾、蟹壳用自来水清洗干净，晒干，获得甲壳素产品。

2.根据权利要求1所述的甲壳素清洁生产工艺，其特征是所述的中性蛋白酶为A.S 1.398枯草杆菌中性蛋白酶。

3.根据权利要求1所述的甲壳素清洁生产工艺，其特征是所述的中性蛋白酶是胰蛋白酶，或是米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶。

4.根据权利要求1所述的甲壳素清洁生产工艺，其特征是所述的中性蛋白酶是胰蛋白酶与米曲霉沪酿3.042中性蛋白酶的混合酶。

5.根据权利要求1所述的甲壳素清洁生产工艺，其特征是将滤出的蛋白水解滤液调pH至6.5～7.5，经沉淀、离心、干燥、粉碎，获得红色虾蟹蛋白水解精粉产品。