微生物法提取甲壳素的研究进展论文

　　摘要：甲壳素作为一种天然生物高分子材料，凭借优良的生物相容性、无毒副作用、抗菌性及生物可降解性，在环保、食品、医药、农林业、轻纺工业及化工等领域得到了广泛应用。文章对甲壳素提取技术的研究进展进行了综述，尤其聚焦于微生物法提取甲壳素的研究现状及发展方向。

 

　　关键词：微生物,提取,甲壳素,研究进展

 

　　甲壳素也被称为几丁质、壳蛋白等，是由葡萄糖的衍生物N-乙酰葡糖胺作为单体聚合而成的长链状聚合物[1]，广泛存在于自然界昆虫和甲壳类外壳、软体动物骨骼及某些藻类、菌类的细胞壁中[2]。这种材料具有无毒无害、可食用、耐热、生物相容、可生物降解等特性，同时具备抗菌、抗氧化和抗癌等功效，故而被广泛应用于工业、医药、食品保鲜、环境保护、农业[3]等领域。

 

 

　　目前，甲壳素的提取方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法包括机械研磨、超声波辅助提取、微波辅助提取、等离子体辅助提取等[4-5]。化学法主要是指通过酸、碱等化学试剂来溶解甲壳中的蛋白质和矿物质，再通过分离、纯化等步骤得到甲壳素。常用的化学法包括酸碱法、EDTA提取法、低共熔溶剂法等[6-7]。生物法则主要借助微生物或酶等生物资源去除甲壳中的蛋白质和矿物质，从而提取出甲壳素。常用的生物法包括微生物发酵法和酶解法[8-10]。

 

 

　　2.1提取技术路线

 

　　微生物发酵法是指利用真菌或细菌等微生物在发酵过程中所产生的有机酸和蛋白酶去除甲壳中的无机盐、蛋白质及脂质，从而提取甲壳素。与传统方法相比，利用微生物发酵法提取甲壳素具有条件温和、能耗低、环境友好等优点，同时可以对发酵液中的蛋白质、钙等营养物质进行回收，而甲壳素在发酵过程中不会被水解。其常用提取技术路线如下。

 

　　一种技术是利用单一菌种进行发酵，菌株借助产品中的蛋白质、矿物质等营养成分生长产酶，从而提取甲壳素。例如，刘杨柳等[8]使用枯草芽孢杆菌脱除蟹壳粉中的蛋白质，经响应面法优化培养基，最终达到70.71%蛋白质脱除率。潘丹阳等[9]利用一株高产甲壳素脱乙酰酶的层生镰孢菌菌株，通过脱去甲壳素分子中的N-乙酰基-D-葡萄糖胺，使其转化成甲壳素。孟欣等[10]从自然发酵的虾皮中筛选出产甲壳素脱乙酰酶的菌株，经优化，该菌株所产的甲壳素脱乙酰粗酶可将胶体甲壳素（脱乙酰度71.75%）脱乙酰化为壳聚糖（脱乙酰度91.30%），对晶体甲壳素的脱乙酰度可达52.62%。

 

　　另一种是利用两种及以上菌种混合发酵，其中一种菌种发酵产品用于脱钙，另一种菌种发酵产品用于脱蛋白，从而提取甲壳素。例如，刘培等[11]建立了利用产蛋白酶微生物与产酸微生物协同发酵虾头进行甲壳素清洁生产的实验室工艺，其脱蛋白率和脱盐率分别达到了88.72%和88.56%，实现了对虾头中蛋白质和矿物质的连续脱除。黄璠等[12]展开了利用鼠李糖乳杆菌和枯草芽孢杆菌发酵虾壳进行脱钙和脱蛋白处理的研究，经优化，脱钙率和脱蛋白率分别达到了88.24%和88.15%。郭依依等[13]将蜡状芽孢杆菌与红球菌混合培养，发现培养基中胶体甲壳素的降解速度明显加快，发酵液的脱乙酰酶活力得到了极大的提高。

 

　　2.2常用菌种

 

　　就目前的研究来看，许多学者利用不同微生物菌种的生物酶系统，如乳杆菌属、芽孢杆菌属、沙雷氏菌属、嗜热链球菌等，对虾蟹中的甲壳素进行了高效提取。

 

　　郭建东等[14]以实验室分离的乳酸杆菌发酵虾壳进行脱钙，虾壳发酵脱钙率可达80.35%。辛荣玉[15]将嗜酸乳杆菌和深海微小杆菌用于微生物法，旨在实现对甲壳素的绿色提取。梁攀[16]利用乳酸菌产蛋白酶发酵法结合酶法提取甲壳素。张建平等[17]采用乳酸菌发酵蟹壳脱钙，脱钙率高达95.5%。翟苗苗[18]通过对乳酸菌发酵虾壳提取甲壳素进行过程分析及工艺改进，对虾壳水解及发酵过程进行物料衡算，为优化微生物法提取甲壳素的工艺提供了参考。姜启兴[19]等对植物乳杆菌L-45发酵南极磷虾壳进行了研究，该方法得到的甲壳素与传统化学法得到的甲壳素性质相近，且环境污染小。

 

　　孟欣等[10]从自然发酵的虾皮中分离得到了一株产甲壳素脱乙酰酶能力较强的细菌，经分子生物学鉴定、形态学观察，鉴定该菌株为赖氨酸芽孢杆菌。张巧等[20]从虾塘沉积物中分离得到一株产蛋白酶的菌株C1，经鉴定为蜡样芽孢杆菌，其对虾壳的脱蛋白能力强于枯草芽孢杆菌。

 

　　段杉[21]等通过分析控制无花果沙雷氏菌发酵生产壳聚糖酶的条件，使菌株发酵产酶的最高酶活达到了5.4 U/mL。张婧[22]利用嗜热链球菌发酵虾头，脱除虾头中的蛋白质和灰分，从发酵后的虾壳中回收得到了虾青素和甲壳素。包雍宏[23]筛选得到了一株可以产甲壳素酶的菌株链霉菌，并筛选出了两条具有重要研究价值的甲壳素酶基因。

 

 

　　综上所述，微生物法提取甲壳素的研究为甲壳素的应用开辟了新途径，这是一个极具潜力的研究方向，对不同的微生物菌种和提取条件进行优化，有利于提高甲壳素的提取效率和纯度，进一步推动甲壳素在各个领域的开发和应用。然而，现有的甲壳素提取技术仍然存在一些问题，如一些方法受限于提取效率和成本，部分方法可能会造成一定的环境污染。因此，未来有必要进一步探索新的甲壳素微生物提取技术。例如，可以利用生物工程技术改造微生物菌种，增强其对甲壳素的降解能力，提高提取效率；或者结合绿色化学技术，开发更环保的提取方法，减轻对环境的影响；另外，还可以研究甲壳素的功能特性，探索其在药物控释、食品保鲜、生物材料等领域的广泛应用[24]。此外，对甲壳素进行进一步改性和应用也是当前的研究热点。甲壳素经过适当改性处理可以被赋予更多功能，如抗氧化、抗菌、吸附等特性，从而拓展其应用领域[25]。例如，利用甲壳素制备纳米甲壳素、合成球霰石等新颖材料，就具有广阔的应用前景[26]。因此，未来的研究可以重点关注提取过程中微生物对甲壳素的作用机制，进一步探索更高效、更节能的提取技术，实现甲壳素的功能性改性和应用拓展，从而推动甲壳素的深入研究和应用。

 

 

　　［1］刘云翠,邵晓宇,朱波涛,等.甲壳素纤维的制备及应用研究进展［J］.纺织工程学报,2024,2(2):1-9.

 

　　［2］马洁茹,糟娅梅,刘硕,等.甲壳素纳米纤维的制备及在生物质材料中的应用研究进展［J］.高分子材料科学与工程,2023,39(12):147-156.

 

　　［3］刘琳,刘紫旭,费守华,等.甲壳素和壳聚糖在污水处理中的应用进展［J］.环境科学与技术,2023,46(201):125-130.

 

　　［4］洪子晨,汤磊,梁梓茵,等.超声辅助法优化经低温连续相变处理的南极磷虾甲壳素制备工艺研究［J］.现代食品,2024,30(6):142-149.

 

　　［5］丁子骏,李金林,符颖菲,等.等离子体协同超声波辅助弱酸弱碱法提取小龙虾虾壳中甲壳素［J］.食品与机械,2023,39(8):18-24.

 

　　［6］何晓希,杨荣玲,朱千林,等.响应面法优化三元低共熔溶剂提取克氏原螯虾中的甲壳素［J］.化学试剂,2024,46(4):50-58.

 

　　［7］郁宇,褚德育,赵秒,等.基于低共熔溶剂的甲壳素提取及纳米甲壳素制备研究进展［J］.广东化工,2024,51(1):59-61.

 

　　［8］刘杨柳,魏东东,刘燕,等.枯草芽孢杆菌发酵蟹壳粉产蛋白酶的研究［J］.食品研究与开发,2017,38(24):174-180,224.

 

　　［9］潘丹阳,刘帅,万芳芳,等.层生镰孢菌产甲壳素脱乙酰酶发酵动力学［J］.菌物学报,2018,37(9):1207-1214.

 

　　［10］孟欣,艾国峰,姜国涛,等.产甲壳素脱乙酰酶赖氨酸芽孢杆菌的筛选及产酶初探［J］.食品工业科技,2022,43(24):139-144.

 

　　［11］刘培,刘闪闪,郭娜,等.Bacillus licheniformis OPL-007和Gluconobacter oxydans DSM-2003协同发酵虾头生产甲壳素的研究［C］.青岛：中国海洋大学食品科学与工程学院,2013:1.

 

　　［12］黄璠,张为巍,周铭锋,等.鼠李糖乳杆菌CLRI发酵虾壳脱钙的条件及培养基优化［J］.贵州农业科学,2011,39(9):190-193.

 

　　［13］郭依依,吴峥,马天颖,等.蜡状芽胞杆菌促进红球菌发酵产甲壳素脱乙酰酶［J］.食品与发酵工业,2021,47(23):158-163.

 

　　［14］郭建东,沈奕,于会国,等.乳酸杆菌发酵虾壳脱钙影响因素研究［J］.现代食品,2020,(22):130-132.

 

　　［15］辛荣玉.基于微生物法建立虾壳中甲壳素绿色制备技术研究［D］.青岛:青岛科技大学,2020.

 

　　［16］梁攀.响应面法优化河蟹壳制备甲壳素的工艺研究［J］.中国食品添加剂,2021,32(2):58-64.

 

　　［17］张建平,曹海龙,赵勇,等.乳酸菌发酵蟹壳脱钙的菌株筛选及条件优化［J］.中国酿造,2013,32(6):31-34.

 

　　［18］翟苗苗.乳酸菌发酵虾壳提取甲壳素的过程分析及工艺改进［D］.广州:华南农业大学,2020.

 

　　［19］姜启兴,陈雪姣,许兆滨,等.植物乳杆菌L-45发酵南极磷虾壳的影响因素研究［J］.食品工业科技,2015,36(14):212-215.

 

　　［20］张巧,黄兴,李永成.产蛋白酶菌株的鉴定及其对虾壳的脱蛋白研究［J］.中国酿造,2020,39(9):131-135.

 

　　［21］段杉,彭喜春,彭志英.无花果沙雷氏菌(Serratia ficaria)CH-0203产壳聚糖酶发酵条件的研究［J］.食品工业科技,2003(6):20-22.

 

　　［22］张婧.利用嗜热链球菌发酵虾头回收虾青素等营养物质的研究［D］.青岛:中国海洋大学,2013.

 

　　［23］包雍宏.链霉菌甲壳素酶发酵工艺及酶学性质研究［D］.淄博:山东理工大学,2022.

 

　　［24］况杰.高强度甲壳素/壳聚糖多孔气凝胶的制备及吸附性能研究［D］.南昌:南昌大学,2023.

 

　　［25］刘星麟.基于NaOH/尿素溶剂再生甲壳素材料的制备及其性能研究［D］.武汉:武汉纺织大学,2023.

 

　　［26］张璐婷,李晓芳,王星星,等.从蟹壳提取甲壳素及利用提取废液合成球霰石的研究［J］.矿物学报,2022,42(5):675-682.