胡晓冰

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

甲壳素（chitin）学名为聚（1，4）－2－乙酰氨基－2－脱氧－β－D－葡萄糖，又名甲壳质、壳多糖、几丁质、蟹壳素、明角壳蛋白、虫膜质、不溶性甲壳质、聚乙酰氨基葡萄糖等， 是一种重要的天然高分子化合物，也是多糖化合物中最重要的一种聚氨基葡萄糖。 甲壳素因主要来源于节肢动物（如虾、蟹等的甲壳）而得名。 壳聚糖（Chitosan）学名为聚（1，4）－2－氨基－2－脱氧－β－D－葡萄糖， 是甲壳素脱乙酰化而得到的一种生物高分子，是甲壳素的最重要的衍生物，又称脱乙酰几丁质、聚甲壳糖、甲壳胺、聚氨基葡萄糖、可溶性甲壳素、黏性甲壳素等。 一般而言，甲壳素N－乙酰脱去55%以后（即N－脱乙酰度在55%以上），就可以称之为壳聚糖，50%以下的为甲壳素。

甲壳素与壳聚糖是含氮的多糖类物质，也是自然界中唯一的天然碱性多糖，因此具有许多独特的生物活性，包括组织相容性良好、抗菌抑菌性强、可以生物降解等。 甲壳素与壳聚糖开发应用已涉及工业、农业、国防、化工、环保、食品、医药、保健、美容、纺织等诸多领域，被现代科学称之为继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等五大生命要素之后的第六生命要素。 本文主要探讨使用生物法制备甲壳素与壳聚糖。

1 生物法制备甲壳素与壳聚糖的研究现状

1.1 利用细菌制备甲壳素与壳聚糖

一般来说， 细菌本身不含有甲壳素与壳聚糖，但可以利用细菌发酵来改良传统的化学提取法。 传统的化学提取主要原料是水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳， 其甲壳素与壳聚糖的含量一般在15%～40%，蛋白质含量为20%～40%，碳酸钙含量为20%～50%。所以制备甲壳素与壳聚糖的方法就包括脱盐、脱蛋白、脱色等3 个步骤，即采用稀盐酸浸泡，脱去碳酸钙，用稀氢氧化钠或氢氧化钾溶液进行碱煮，脱去蛋白质和脂类物质，用高锰酸钾或过氧化氢溶液漂白。前两个步骤的顺序可以互换。 该化学法的特点是：（1）操作简单方便、效率高，但能源和资源消耗较大；（2）加工过程产生大量的酸碱废液，对环境污染严重，处理费用高；（3）在长时间酸碱作用下，甲壳素与壳聚糖易发生解聚、异构化、脱乙酰化等现象，导致产品结构不均一。 由于化学法存在以上诸多缺陷，学者们开始尝试使用细菌来改进传统化学提取甲壳素与壳聚糖的方法。 例如，Pacheco 等［1］考察了温度条件对于从废弃虾壳中提取甲壳素与壳聚糖和虾青素的影响；Choorit 等［2］使用响应面法优化了乳酸菌发酵作用对于虾壳脱盐率的影响；Bhaskar 等［3］使用响应面分析方法优化了Pediococcus acidolactici CFR2182 对于虾、蟹壳脱蛋白、脱盐和回收虾青素的条件；周湘池等［4］使用乳酸杆菌发酵虾蟹壳生产甲壳素与壳聚糖；李磊等［5］以共附生乳酸菌发酵虾头、虾壳，在发酵过程中，蛋白质被虾头内源蛋白酶液化，得以回收，大部分矿物质被乳酸溶解脱除。 这些方法都是使用乳酸菌对回收虾、蟹壳中的营养物质进行发酵产酸和产蛋白酶，再利用稀盐酸来溶解碳酸钙及其他不溶盐，利用蛋白酶来溶解蛋白质，最后得到甲壳素与壳聚糖。

1.2 利用真菌来制备甲壳素与壳聚糖

1.2.1 利用真菌菌丝来制备甲壳素与壳聚糖

自然界中，除少数真菌外，其他真菌均含有甲壳素与壳聚糖。 因为甲壳素与壳聚糖是真菌细胞壁的主要组成，特别是在子囊菌纲、担子菌纲、藻类纲及半知菌纲等真菌细胞壁中，其含量是十分可观的（甲壳素／壳聚糖含量为菌体干重的20%～22%）。 例如，曹健等［6］用黑曲霉发酵生产壳聚糖， 获取率为9.72%。 其培养基为含葡萄糖、玉米浆培养液，另加入Mg2＋，得到的壳聚糖相对分子量为8.02×104，水分为8.38%，灰分为9.24%；王云阳等［7～8］分别用蓝色犁头霉和鲁氏毛霉发酵制备甲壳素与壳聚糖， 使用蓝色犁头霉发酵最优条件为：温度25 ℃，发酵周期48 h，发酵液pH 值为6.0，摇瓶装液量75 mL／250 mL，得到甲壳素产量为0.860 g／L， 壳聚糖产量为0.287 g／L；使用鲁氏毛霉发酵，采用培养基组成为：果糖20 g／L， 牛 肉 膏15 g／L，K2HPO40.75 g／L，MgSO41.80 g／L，N－乙酰葡萄糖胺1.54 g／L。发酵条件为：温度28 ℃，周期48 h，pH 值5.0，摇瓶装液200 mL／L。甲壳素产量为1.328 g／L， 壳聚糖产量为0.672 g／L，壳聚糖占菌粉干重的7%。陈世年［9］等选用米根霉作为菌种，在32 ℃、220 rpm 下摇瓶培养72 h，最终壳聚糖获得率为10.1%（占生物量干重）， 脱乙酰度为92%；陈忻等［10］以经过筛选的第三代雅致放射毛霉为原料， 在温度28 ℃、 摇床转速250 rpm、pH 值为7.4～7.6 条件下培养45 h，发酵后菌体经稀碱加热脱蛋白， 再用稀酸处理， 提取壳聚糖， 产品产率达15.68%，脱乙酰度达90%左右。 但是，上述作法都只是以发酵甲壳素与壳聚糖为目的， 使用营养物质生产，其经济性很差。 故现在一些学者将目光又转向了如何利用发酵工业中的废弃菌体进行回收甲壳素与壳聚糖。 例如，娄永江［11］从柠檬酸厂的废黑曲霉菌丝体中制备壳聚糖，得到的干燥壳聚糖产品的脱乙酰度为96.82%，获取率为3.35%。

1.2.2 利用可食用真菌子实体来制备甲壳素与壳聚糖

有学者发现， 不仅利用真菌菌丝体可以得到甲壳素与壳聚糖， 还可以通过子实体的提取方法来得到。 可食用真菌是真菌家族的重要组成部分，品种繁多，可大规模商业栽培的多达20 余种。 但可食用真菌并不是所有部分都适宜食用， 例如香菇,在加工过程中,约占子实体25%的香菇梗被切除， 得不到利用。 据报道, 香菇梗中含蛋白质15.28%， 脂肪1.40%， 膳食纤维48.3%， 矿物质4.27%，据微生物学分析，膳食纤维中含大量的甲壳素与壳聚糖。 为开发香菇梗这一资源，江龙法［12］探讨了用香菇梗制备甲壳素与壳聚糖方法。 他利用香菇梗结合简单的提取甲壳素与壳聚糖工艺流程，得到了脱乙酰度达78%的壳聚糖产品。 不仅可以通过液态发酵方法来生成壳聚糖， 用固态发酵方法同样可以得到壳聚糖产品。 陈凡等［13］利用对糙皮侧耳固体发酵菌丝的断裂繁殖， 定量测定了其细胞结构特征物——壳聚糖在断裂繁殖过程中的变化情况。 根据实验结果可得了两个结论：（1）固体发酵菌丝断裂繁殖可促使菌丝生长量显著增加；（2）断裂繁殖对菌丝生长的促进效果不能无限制地延续， 这可能与培养基中某种营养成分的耗尽有关。

2 生物法制备甲壳素与壳聚糖的特点

2.1 特点

生物法与化学法制备甲壳素与壳聚糖特点比较结果如表1 所示：

表1 生产甲壳素/壳聚糖的方法比较Table 1 Comparison of chitin and chitosan production methods

从表1 可以看出， 生物法制备甲壳素与壳聚糖的主要特点就是：（1）生产原料来源广泛，真菌法可以利用许多工业、农业的下脚料，比如麸皮、秸秆、废糖蜜、玉米饼等等；（2）生产成本低，特别是细菌法，不需要大量的化学试剂， 真菌法也不再使用去除不溶盐的试剂；（3）不污染环境。

2.2 生物法制备甲壳素与壳聚糖推广应用时的问题及对策

利用生物技术制备甲壳素与壳聚糖目前还处于研究阶段，并没有大规模的工业应用或生产，其主要原因是：（1）生物法制备比化学法周期要长，需要增加一些设备， 因而直接或间接地提高了生产成本；（2）生物法制备所需要的菌种目前还不完善，真菌中甲壳素与壳聚糖的理论最大含量45%～55%很难达到；（3）没有专门的高产甲壳素与壳聚糖的廉价培养基，所得产品的分子量低，获取率低。 这些都是限制生物技术制备甲壳素与壳聚糖的问题。 想要解决以上问题，需要采取以下措施：（1）在生产甲壳素与壳聚糖时，对原料进行综合利用，不浪费有效资源（例如，在使用乳酸菌发酵制备甲壳素与壳聚糖的时候，注意回收蛋白质、有机钙和虾青素等）；使用真菌制备甲壳素与壳聚糖的时候，注意蛋白质、微生物油脂以及其他有用的发酵产物综合回收。（2）对现有以甲壳素与壳聚糖为单一产物的菌种， 进行基因工程改造或者诱变处理， 使经过处理的菌种的甲壳素与壳聚糖含量更高，并在此基础上研究菌种的发酵特性，以期得到其他有效的发酵产物， 使其可以更好地被综合利用。 （3）优化现有培养基配方，或者利用新的原料来进行甲壳素与壳聚糖的发酵，提高产率。

3 结语

综上所述， 用生物法生产甲壳素与壳聚糖污染较小，原料易得，一般不受季节、地理位置等因素的影响。随着生产甲壳素与壳聚糖技术的不断完善，相信不久之后，生物法将打破目前这种被动局面，取代传统的化学方法， 成为生产甲壳素与壳聚糖的主流方法。

［1］ Pacheco N，Garnica －González M，Ramírez －Hernández JY，et al. Effect of temperature on chitin and astaxanthin recoveries from shrimp waste using lactic acid bacteria ［J］.Bioresour Technol，2009（100）：2849－2854.

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［3］ Bhaskar N，Suresh P V，Sakhare PZ，et al.Shrimp biowaste fermentation with Pediococcus acidolactici CFR2182：Optimization of fermentation conditions by response surface methodology and effect of optimized conditions on deproteination／demineralization and carotenoid recovery ［J］.Enzyme Microb Technol，2007（40）：1427－1434.

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