基本信息
- 项目名称：
- 湖北省特色资源—小龙虾壳制备甲壳素/壳聚糖的清洁生产工艺
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产物，具有十分重要的利用价值和经济价值。本研究以小龙虾虾壳为原料，通过鼠李糖乳杆菌发酵虾壳脱钙，再以米曲霉固态发酵虾壳脱蛋白，得到甲壳素，最后以脱乙酰酶处理甲壳素，得到壳聚糖。这种以固态发酵工艺替代传统化学工艺实现甲壳素/壳聚糖的清洁生产过程，彻底解决了环境污染问题，为虾壳资源的有效利用提供了新方法。
- 详细介绍：
- 小龙虾是湖北省的特色资源，它的年产量达60万吨，经过加工后剩下的废弃物约占70%，近42万吨。 虾壳由30%—40%的蛋白质、30%—40%的钙盐、5%—7%的脂肪、4%—5%的色素、20%—30%的几丁质组成。要得到壳聚糖需要去色素和脂肪，由于色素易分解，脂肪含量少，本试验不着重研究，而注重于脱蛋白，脱钙盐，脱乙酰基的研究。 甲壳素是一种天然高分子聚合物,属线性多糖类。由于甲壳素及其衍生物具有良好的吸湿性、成膜性、气透性、降解性、生物相容性、无毒副作用等诸多优良性能,在环保、食品、医药、制作功能材料、农林业、轻纺工业等方面被广泛应用，具有十分重要的利用价值和经济价值，被誉为“人类第六生命要素”。可以预计，甲壳素将会成为本世纪具有十分诱人前景的产业。 甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大生物多糖，也是地球上唯一大量存在的天然碱性多糖，它广泛存在于甲壳纲动物虾、蟹的甲壳，昆虫的甲壳，真菌（包括酵母、霉菌等）的细胞壁、藻类及植物的细胞壁中。 壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，一般把脱乙酰度大于55%的甲壳素称为壳聚糖。壳聚糖分子结构中含有氨基、羟基、氧桥以及富含电子的吡喃环等活性基团，能进行多种化学改性反应，使其具有独特的物理、化学性质及生理功能，在医药、食品、功能材料、化妆品、农业、环保及生物技术等领域显示出广阔的应用前景，有望形成甲壳素化学最具活力的新型产业。 本研究测得虾壳的脱钙率为99.6%、脱蛋白率为84%、脱乙酰率为63%。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：本研究以固态发酵工艺实现甲壳素/壳聚糖的清洁生产；提高甲壳素/壳聚糖的品质；替代传统化学工艺彻底解决环境污染问题，为虾壳资源的有效利用提供新方法。 基本思路：以小龙虾虾壳为原料，通过鼠李糖乳杆菌发酵虾壳脱钙，再以米曲霉固态发酵虾壳脱蛋白，得到甲壳素，最后以脱乙酰酶处理甲壳素，得到壳聚糖。 创新点：1. 在国内率先采用固态发酵技术发酵虾壳制备甲壳素的工艺，系统研究了固态发酵过程的工艺方法及参数，实现了虾壳脱钙、脱蛋白制备甲壳素的清洁生产过程；2. 较深入的研究了短柄梨孢帚酶甲壳素脱乙酰酶的酶学特性及对甲壳素脱乙酰基制备壳聚糖的工艺参数，为甲壳素制备壳聚糖的清洁生产过程及提高壳聚糖品质奠定了基础；3. 为以生物工艺替代传统的化学工艺生产甲壳素/壳聚糖，彻底解决环境污染建立了新方法。 技术关键：高效脱钙微生物选育及发酵条件优化；高效脱蛋白微生物选育及发酵条件优化；脱乙酰酶脱乙酰基制壳聚糖的条件优化。 主要技术指标：发酵后测得虾壳的脱钙率为99.6%、脱蛋白率为84%、脱乙酰率为63%。
科学性、先进性
- 先进性：本研究以生物工艺替代传统化学工艺实现甲壳素/壳聚糖的清洁生产过程，彻底解决了环境污染问题，为虾壳资源的有效利用提供了新方法；制备的产品壳聚糖产品的分子量（ 600-1120 kDa）比传统工艺的分子量（ 280-600 kDa）大幅提高，拓宽了壳聚糖的应用范围；还有效回收了虾壳中的蛋白质及碳酸钙，形成了具有广泛用途的复合氨基酸（肽）及L-乳酸钙产品。本技术的脱钙率和脱蛋白率与国内外同类研究对比，均处于领先水平。 科学性：本试验通过高产L-乳酸菌株筛选、高产蛋白酶菌株筛选、高产甲壳素脱乙酰酶菌株筛选，再经过发酵条件优化、发酵培养基优化、分阶段微生物发酵、混合微生物发酵等研究后选取最适条件，用鼠李糖乳杆菌和米曲霉进行固态发酵对虾壳脱钙盐、脱蛋白，得到甲壳素，再以脱乙酰酶处理甲壳素，得到壳聚糖。本研究实验数据检测都采用标准测试方法，可靠性高；所得产品经红外光谱初步验证检测结构与商品用甲壳素/壳聚糖一致。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品属于《构巢曲霉甲壳素脱乙酰酶酶学特性动力学研究》的后期研究，该研究已经于2009年12月在湖北省科学技术厅取得了结题表，网上编号为YSZS000692，后期主要工作集中在以虾壳为原料得到甲壳素/壳聚糖的清洁生产工艺的研究。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 利用生物工程技术清洁生产甲壳素/壳聚糖，整个生产过程中不使用酸碱等化学试剂，环境友好，拓宽了产品的使用面。副产物中主要为氨基酸，多肽，蛋白质和有机酸的钙盐等，可一起回收作为高档和特种饲料添加剂，也可单独回收各种有用组分，其中的钙盐也可用于人类的补钙产品。洗产品的废水可以进入下一轮发酵，故无生产废水产生，少量的场地冲洗废水，可进入沼气或化粪池。为甲壳素/壳聚糖生产的可持续发展和促进社会，经济，环境三大效益的协调发挥重要作用。 甲壳素/壳聚糖在环保、食品、医药、制作功能材料、农林业、轻纺工业等方面被广泛应用，具有十分重要的利用价值和经济价值。我国主要是作为甲壳素、壳聚糖等初级产品的供应国，国内外对其需求量较大，而且本研究降低了甲壳素/壳聚糖的生产成本，制备的壳聚糖品质更好。可以预计，甲壳素/壳聚糖产业将会获得良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 由于利用虾蟹壳制备甲壳素/壳聚糖的化学生产方法成本高，而且会造成严重的环境污染，微生物发酵法具有反应条件温和、可控制性强、而且环境污染小等优点，因此许多同类研究以微生物发酵法替代传统的化学生产方法。 1、生物法处理虾壳脱钙的研究现状 传统的甲壳素制备过程中需使用大量的强酸来处理虾壳脱钙，但使用强酸产生的废液很难处理，给环境造成了很大的破坏。目前，研究微生物发酵虾壳脱钙制备甲壳素已有一些相关报道，如：Sorokulova（2009）， Xu（2008），Bhaskar （2007），Sini（2007），Rao（2005）等分别使用了菌株E. acetylicum 3、B. cereus 8-1、乳酸菌（Lactobacillus casei MRS1）、球菌（Pediococcus acidolactici CFR2182）、芽孢杆菌（Bacillus subtilis ACC No.*121）、乳酸菌（Lactobacillus plantarum 541）进行发酵虾壳脱钙，脱钙率为63%-99%。 2、生物法处理虾壳脱蛋白的研究现状 目前研究利用微生物来脱虾壳中的蛋白质制备甲壳素已经很多例子。如Jen-Kuo Yang（1998），San-Lang Wang（1997），Theruvathil K.Sini（2007）等分别选育了一株枯草杆菌(Bacillus subtilis Y-108)、Bacillussubtilis CCRC 10029、Pseudomonasmaltophilia CCRC 10737、Pseudomonas aeruginosa K-187、B.subtilis进行发酵虾壳脱蛋白，脱蛋白率为48%-88%。 3、生物法脱乙酰基的研究现状 Vadake从城市下水道的污泥中分离得到了一株具有产甲壳素脱乙酰酶活力的细菌；蔡俊等人采用固体平板培养和液体发酵筛选产生甲壳素脱乙酰酶的真菌，确定了构巢曲霉和蓝色犁头霉两株产酶活较高的菌株；Cai 等人从甲壳素生产厂家周围的泥土和虾、蟹养殖基地的污泥中分离得到了17株菌株具有产甲壳素脱乙酰酶的能力，筛选之后得到了一株产酶能力最高的菌株，经鉴定，该菌株为Scopulariopsis brevicaulis（短柄梨孢帚霉）。
