甲壳素废水中虾青素制备关键技术研究与示范.docx

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甲壳素废水中虾青素制备关键技术研究与示范

甲壳素废水中虾青素制备关键技术研究与示范

项目可行性研究报告

项目名称：

甲壳素废水中虾青素制备关键技术

研究与示范

承担单位：

浙江新复大医药化工有限公司

负责人：

郏晨光

起止年限：

2014年01月-2015年12月

目录

一、立项的背景和意义3

二、相关研究现状和发展趋势4

1、虾青素概述4

2、虾青素的生理功能4

3、虾青素的提取技术研究进展6

三、研究开发内容和技术关键9

1、研究开发内容9

2、研究技术关键与创新点9

四、预期目标（主要技术经济指标、应用或产业化前景）10

1、主要技术与经济指标10

2、应用与产业化前景10

五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解11

1、项目实施方案11

2、项目技术路线13

3、组织方式与课题分解13

六、计划进度安排14

七、现有工作基础和条件14

1、项目申报单位14

2、项目合作单位16

八、经费预算（总经费、自筹、申请资助额及开支预算）17

一、立项的背景和意义

虾青素（Astaxanthin）是一种非维生素A源的酮类胡萝卜素，它具有极强的抗氧化性，比维生素E的抗氧化性能高100多倍。

此外，虾青素还具有抑制肿瘤发生、增强免疫功能等多方面的生物学性能。

市场上的商品虾青素主要以化学合成品为主，而天然提取虾青素产品较少且价格较高，即使工业用虾青素产品的价格已达每公斤2500美元。

生物活性较高的天然虾青素产品的获得主要是从血球藻、甲壳类水产品加工副产品中提取和红酵母发酵生产。

目前，市场销量最大的类胡萝卜素主要即为虾青素和胡萝卜素，各占类胡萝卜素总销量的28％，其中虾青素产品的销售额已达数亿美元，市场发展前景十分广阔。

中国虾类资源丰富,每年产量大约在几十万吨,近年随着中国速冻虾仁加工产业的发展,大约有40~50%的加工下脚料产生,这些下脚料中含有大量的虾青素,但对其回收利用较少,不仅浪费资源还会带来严重的环境污染问题。

从虾皮壳或甲壳素（壳聚糖）生产废水中提取虾青素的方法很多,如碱提法、油提取、有机溶剂法、超临界CO2萃取法等。

碱提取法需消耗大量的酸碱，其废水对环境污染严重，且虾青素易被氧化；油提取法获得产品安全，提取效率高，而其缺点是提取物不易与高沸点油分离，需要进一步分离纯化，如分子蒸馏、层析技术等；超临界CO2萃取效果好，但设备投资大且运行成本高。

因此，从虾类加工废料综合利用角度出发，探讨一套切实可行的虾青素提取新工艺，既可为企业提高经济效益，又可解决加工后甲壳废料对环境的污染，经济和环保效益显著。

虾青素大量分布于水生动物体内及软体动物壳内,从中提取虾青素报道较多,但因大多数虾、副产物中色素含量较低、且提取费用较高，所以此类方法尚无大规模化生产。

近年来，随着国内外水产养殖事业的发展，虾青素需求量越来越大，对产生的大量甲壳素废弃物的综合利用日也益受到重视，因此探索经济可行的回收虾青素的方法，充分回收甲壳素废水中虾青素并进行产业化生产示范，对于甲壳类加工下脚料的综合利用、水产品精深产品的开发、环境具有重要的意义。

二、相关研究现状和发展趋势

1、虾青素概述

虾青素属于类胡萝卜素，为一种天然油溶性色素，易溶于有机溶剂，不溶于水，是一种稳定性好的着色剂和食品添加剂。

在自然界中，广泛存在于虾、蟹、鱼、某些藻类及真菌中。

大多数情况下，虾青素呈鲜艳的红色或橙色，但在一些甲壳类动物中，虾青素由于与蛋白质的结合而变成了深蓝或绿色，在加工过程中由于加热破坏了虾青素与蛋白质的结合而恢复了虾青素本来的颜色。

虾青素的色泽为粉红色，易溶于大部分有机溶剂，在酸、氧、高温及紫外光条件下均不稳定，易氧化降解。

由于在两个白芷酮环上有一个羟基和一个酮基，虾青素比较易酯化。

虾青素具有亲脂性，易溶于丙酮、氯仿、石油醚、乙醇等有机溶剂。

我国沿海水产资源丰富，甲壳类加工尤其是虾仁加工企业的下脚料中含有大量虾青素，但回收利用较少，通常被白白浪费掉，因此探索经济可行的回收虾青素的方法，对甲壳类加工下脚料的综合利用具有重要的意义。

虾青素分子结构中的碳骨架由中央多聚烯链和位于两侧的芳香环组成，并在每个芳香环上各有一个羟基及一个酮基，因而能与羧基结合生成稳定的虾青素酯，其天然产物多数以酯的形式存在，有的是一元酯，有的则是二元酯，存在于自然界中的大部分虾青素及其酯为全反式异构体。

虾青素在3和3′位置有两个不对称碳原子，能有四种构象存在，包括均一对映体和内消旋形式。

虾壳中的虾青素主要是以各种结合态存在的，如与蛋白质、钙、甲壳素等结合。

因此其结合程度必将会影响虾青素的提取，尤其是虾壳上的色素，研究发现即使是最有效的溶剂也是很难将其溶出的。

另外，如虾壳的颗粒大小、环境的氧化还原反应等均会影响最终虾青素的回收率，对这些条件进行研究是非常必要的。

因此，虾壳在提取之前往往进行机械破碎、酸化处理及蛋白酶并水解，以增大溶剂与壳的接触面积，脱除部分与色素结合紧密的碳酸钙，断裂色素与蛋白的结合，从而提高提取效率。

2、虾青素的生理功能

虾青素具有很多优异的生物活性，众所周知，β-胡萝卜素经加水分解反应可得到两个维生素A，虽然虾青素分解产物不是维生素A，但其仍具有与维生素A近似的特性。

因此，以其强劲的抗氧化性为特征，虾青素应当兼具很强的β-胡萝卜素、维生素E和维生素A的某些生物学功能。

一些研究者的研究证明了虾青素所具有的优异的生物学功能，诸如抑制多元不饱和脂肪酸的氧化、抵御紫外线的作用、代维生素A活性、改善视力、免疫力、色素形成和神经连通以及改善生育等等。

（1）抗氧化性能：

虾青素的重要性质在于它的抗氧化性，它是一种优良的抗氧化剂，在猝灭自由基方面起着重要的作用。

在虾青素分子中，有很长的共轭双键、羟基和在共轭双键链末端的不饱和的酮基，其中羟基和酮基又构成α-羟基酮。

这些结构都具有比较活泼的电子效应，能向自由基提供电子或吸引自由基的未配对电子。

虾青素的结构特点使其极易与自由基反应而清除自由基，起到抗氧化作用。

虾青素清除自由基和猝灭活性氧的活性比维生素E强百倍以上。

同时，虾青素具有抑制脂过氧化的作用。

Emiko等发现虾青素是对糖尿病肾病的小鼠模型的II型糖尿病具有强效的保护作用。

在这项研究中，虾青素可以防止进展糖尿病肾病的主要是通过在线粒体的系膜细胞清除活性氧的作用，预计对预防糖尿病肾病将非常有用。

因此，虾青素的抗氧化性强劲，兼具很强的β-胡萝卜素、维生素E和维生素A的某些生物学功能。

（2）增强免疫和抗癌作用：

科学家研究了虾青素和β-胡萝卜素对小鼠淋巴细胞体外组织培养系统的免疫调节效应，结果表明免疫调节作用与有无维生素A活性无关，虾青素表现出更强的免疫调节作用。

甚至可以调节部分基因的活性，抑制恶性肿瘤的转移，所以可以有效的预防或者减缓癌症。

由于虾青素是活性很强的抗氧化剂，可以有效地清除体内的自由基，抑制肿瘤的生长，所以可以有效的预防或者减缓癌症。

Nashino研究了各种类胡萝卜素的抗癌作用，发现虾青素具有极强的抗癌作用。

Tanaka等通过动物实验观察到虾青素对口腔癌和膀胱癌有预防作用。

研究小组发现饮水中加入虾青素的小鼠膀胱癌发生率显著降低。

Gradelet等研究虾青素等类胡萝卜素对小鼠肝癌的影响，研究结果表明虾青素和β-胡萝卜素在抑制肝癌方面有显著效果。

Savoure等通过裸鼠表皮试验证明了虾青素抑制肿瘤发生的效应在于对肿瘤增殖的抑制。

（3）显著的着色作用：

虾青素的结晶或溶液在可见光下具有十分绚丽的紫红色，与其它类胡萝卜素一样，在饲料中作为着色物质存在。

虾青素是类胡萝卜素合成的终点，它进入动物体后可以不经修饰或生化转化而直接贮存在组织中，使一些水生动物的皮肤和肌肉出现健康而鲜艳的颜色，使禽蛋及禽的羽毛、皮肤、脚、项均呈现健康的金黄色或红色。

因此，虾青素是鱼类饲料中的首选色素。

鸡蛋黄中的虾青素可加深蛋黄的颜色。

Braeunlieh指出二羟基和二酮基类胡萝卜素比单羟基、单酮基或环氧类胡萝卜素的蛋黄着色功能强。

对于蛋黄着色，只有具有含氧功能基的氧化类胡萝卜素（即叶黄素），才有此功能。

虾青素的着色效果不仅表现在家禽的养殖上，更引人注目的是它对水产动物的着色。

虾青素在大马哈鱼和鲑鱼中的存在可使其肉具有鲜艳靓丽的色泽，是养殖大马哈鱼和鲑鱼饵料中的首选色素。

（4）促进生长繁殖的作用：

水生动物的卵子中虾青素的含量很高，这种高含量的虾青素可削弱鱼对光的敏感度，促进鱼类的生长繁殖，它作为激素能促进鱼卵受精，减少胚胎发育的死亡率，加快个体生长，增加成熟速度和生殖力。

研究表明，在独角虾饲料中添加50mg/kg的虾青素，可明显提高虾的存活率、增重和饲料转化率。

虾青素还能提高家禽的产蛋率。

Christiansen进行的一项实验表明，只有当饲料中虾青素含量达到一定范围时大西洋鲑鱼才能正常生长，否则就停止生长；浓度过低时鱼苗死亡率达到50%。

Torrissen发现，成年鲑、鳟鱼类之所以在某些特定水域中不能繁衍后代，就是因为他们产的卵子中以及鱼苗体内缺乏虾青素。

虾青素及其它类胡萝卜素之所以可以提高未成年鲑、鳟鱼类的存活率，是因为它们可以提高动物的免疫力。

（5）虾青素的其他保护作用：

除了上述医药保健作用外，大量的研究表明，虾青素还具有抗炎症、解毒、促进肝脏功能、保护细胞中的线粒体、保护眼睛、保护皮肤以及提高细胞健康等作用，许多组织器官由于其生理功能经常暴露在自由基的环境中或者在代谢过程中产生大量的自由基，因此受到自由基的侵害。

因为虾青素是一种非常强的抗氧化剂，并且容易穿过血液屏障到达各个组织器官，而抗氧化剂必须与被保护的组织器官密切接触，才能达到其保护作用。

3、虾青素的提取技术研究进展

天然虾青素一般有如下来源：

从水产品加工废弃物中提取虾青素、利用藻类如雨生红球藻等生产虾青素、利用细菌如乳酸分支杆菌生产虾青素、利用法夫酵母发酵生产虾青素等。

以甲壳加工的下脚料为原料提取虾青素是生产的主要途径之一，国内外在这方面均有大量的研究，且主要采用以下几种提取方法：

碱提法、油溶法、有机溶剂萃取法和超临界CO2萃取法。

（1）碱提取法：

碱提法主要是应用了碱液脱蛋白的原理，甲壳加工下脚料中的虾青素大多与蛋白质结合，以色素结合蛋白的形式存在，当用热碱液煮下脚料时，其中的蛋白质溶出，而与蛋白质结合的虾青素也随之溶出，从而达到提取虾青素的目的。

当用酸溶解甲壳上的CaCO3后，再用碱法（NaOH＋Na2CO3）煮下脚料时，其中的蛋白质溶出，而与蛋白质结合的虾青素也随之溶出，从而达到提取虾青素的目的。

Mikalsen的专利中最早报道了这种方法：

将虾壳等置于沸碱液中使虾青素溶出，然后加酸沉淀或冷却将虾青素分离出来。

丁纯梅等先将龙虾壳用1mol/LHCl浸泡24h，然后用2mol/LNaOH回流10h，过滤后滤液用酸调pH至2，析出沉淀，然后再过滤，沉淀物即为富含虾青素的提取物。

值得提及的是，碱提的过程需消耗大量的酸、碱，其废水对环境污染严重，而且虾青素通过在碱性环境下的高温处理，虾青素已被氧化成为鲜红色的虾红素。

笔者的研究表明，碱提法所得到的不是虾青素而是虾红素或为虾青素的降解产物。

（2）油溶提取法：

虾青素具有良好的脂溶性，油溶法正是利用这一特性进行的。

该方法所用的油脂主要为可食用油脂类，最常见的是大豆油，也有用鱼油如步鱼油、鲱鱼油、鳕鱼肝油等。

Chen和Meyers等采用豆油从小龙虾中提取虾青素，结果显示油与原料比在1：

10～1：

1之间时提取效率无显著差别。

而Spinell和Mahnlm试验却表明，油料比1：

9最佳。

Shadihi等则用鳕鱼肝油作为提取剂，在油料比2：

1（V/W），60℃条件下提取0.5h，虾青素回收率达74%。

Omara-Alwwala等研究发现，在相同工艺下大豆油的提取效果明显高于步鱼油和鲱鱼油。

研究证实，提取时油温最好控制在80℃以下，油温较高也会影响虾青素的稳定性。

油提取温度一般均较高，常见的在60-90℃，其