Как извлечь астаксантин из отходов переработки ракообразных?

 Его биологическая активность в основном заключается в профилактике атеросклероза, противораковой активности, укреплении иммунитета, поддержании здоровья центральной нервной системы и т.д. Он может использоваться как высокоуровневый продукт питания и здравоохранения для человека, фармацевтический продукт и кормовая добавка для водных продуктов, скота и птицы, а аквакультура, в частности, всегда была крупнейшим рынком для астаксантина. Астаксантин имеет розовый цвет, нерастворим в воде, липофилен, растворим в органических растворителях, таких как ацетон, хлороформ, петролейный эфир, этанол и т.д. Он широко распространен в живых организмах, особенно в водных животных, таких как креветки, крабы и рыба. Важно изучить экономически целесообразные методы извлечения астаксантина для комплексного использования отходов переработки ракообразных[1-2] .

 

1 Метод экстракции астаксантина

Экстракция и извлечение астаксантина из отходов переработки ракообразных является одним из основных способов производства астаксантина, об этом отечественные и международные имеют долгую историю исследований, в настоящее время используется в астаксантина экстракции основных четырех методов: щелочной экстракции, маслорастворимый метод, органические растворители и сверхкритический метод экстракции CO2 жидкости

 

1.1 Щелочная экстракция

Щелочной метод экстракции в основном основан на принципе депротеинизации щелочью, большая часть астаксантина в отходах переработки ракообразных связана с белками, в виде пигмент-связывающих белков, когда отходы кипятят с горячей щелочью, белки в них растворяются и астаксантин, связанный с белками, также растворяется, таким образом, достигается цель извлечения астаксантина.

Впервые этот метод был описан в патенте Микалсена: панцири креветок помещали в кипящий щелочной раствор для растворения астаксантина, затем астаксантин осаждали кислотой или охлаждали для отделения астаксантина [3]. Аналогичным образом Динг Чунмей и др. сначала вымачивали панцири омаров в 1 ммоль/л HCl в течение 24 ч, затем подвергали их рефлюксу с 2 ммоль/л NaOH в течение 10 ч. После фильтрации фильтрата доводили pH раствора до 2 с помощью кислоты для анализа осадков [4]. Затем осадок отфильтровывали, чтобы получить экстракт, богатый астаксантином [4]. Процесс щелочной экстракции требует большого количества кислоты и щелочи, а загрязнение сточных вод при переработке также является трудноразрешимой проблемой. Поэтому в последние годы было проведено мало исследований по щелочной экстракции.

 

1.2 Маслорастворимый метод

Астаксантин обладает хорошей растворимостью в жирах, что используется в методе солюбилизации масла. Жиры и масла, используемые в этом методе, в основном представляют собой пищевые масла, наиболее распространенным из которых является масло соевых бобов, а также рыбий жир, такой как жир щуки, сельди, печени трески и т.д.

Чен и Майерс и др., извлекавшие астаксантин из раков, пришли к выводу, что не было существенной разницы в эффективности экстракции при соотношении масла и сырья от 1 : 10 до 1 : 1, но эффективность стала снижаться при увеличении соотношения до 1 : 1 [5], тогда как Спинелл и Махнлм, использовавшие масло соевых бобов для обработки панцирей красного краба, пришли к выводу, что соотношение масла и сырья 1 : 9 является оптимальным, а трехступенчатый метод противоточной экстракции более эффективен [6]. Спинелл и Махнлм пришли к выводу, что оптимальным является соотношение масла 1:9, а трехступенчатая противоточная экстракция более эффективна [6].

 

Омара и др. обнаружили, что соевое масло было значительно эффективнее, чем рыбий жир и сельдевый жир в том же процессе [7] Шахиди и др. исследовали масло печени трески в качестве экстрагента и обнаружили, что извлечение астаксантина достигало 74% при экстрагировании при 60C в течение 0,5 ч при соотношении масла и корма 2:1 (В/В) [8].

Температура экстракции масла обычно высокая, обычно в диапазоне 60~90°C. Высокая температура экстракции влияет на стабильность астаксантина.   Более высокие температуры во время экстракции влияют на стабильность астаксантина, а пигментированное масло нелегко концентрировать после экстракции, и концентрация продукта невелика, что ограничивает сферу применения.

 

1.3 Метод органических растворителей

Органические растворители являются эффективным реагентом для экстракции астаксантина, как правило, после экстракции растворитель может быть испарен, так что концентрация астаксантина, чтобы получить большую концентрацию астаксантина масло, в то время как растворитель также может быть восстановлен для переработки Общие растворители являются ацетон, этанол, этиловый эфир, петролейный эфир, хлороформ, н-гексан и т.д. Различные растворители имеют различные эффекты экстракции в исследовании обнаружили, что ацетон имеет лучший эффект экстракции в то время как этанол является худшим и от поглощения экстракции жидкости Из спектра поглощения экстракта, различные экстрагенты экстрагировали  Органический растворитель экстракции могут быть извлечены путем выщелачивания и рефлюкс экстракции методы, но данные сообщается больше в основном выщелачивания метод.

 

Альварес и др. исследовали экстракцию астаксантина из сублимированных отходов креветочных панцирей ацетоном, выход может достигать 129,5 мг/г панциря [9]; Мики и др. описали экстракцию астаксантина из чешуйчатой креветочной муки гексаном; Мейерс и др. исследовали, что петролейный эфир: ацетон : вода в соотношении 15 : 75 : 10 смешанной экстракции растворителем эффект лучше [6] Однако, такие как ацетон и другие органические растворители, низкая температура кипения, летучие и токсичные, есть проблемы безопасности и здоровья в процессе. Однако, такие органические растворители, как ацетон, низкая температура кипения, легко летучие и имеют определенную степень токсичности, есть проблемы безопасности и здоровья в процессе обработки в практическом применении определенных ограничений.

 

В настоящее время считается, что этанол является безопасным экстрагентом. Дин Чуньмэй и др. описали процесс экстракции астаксантина этанолом: сначала панцири креветок замачивали в соляной кислоте на 24 ч. После фильтрации фильтрат замачивали в 95% этаноле и экстрагированную жидкость перегоняли для получения концентрированного сырого экстракта астаксантина[4] Также Сьонг Хангуо и др. использовали этанол в качестве растворителя, оптимальными условиями экстракции были концентрация этанола 95% и температура 70 °C в течение 0,5 ч. В это время сырой экстракт мог содержать до 4,92% экстрагированного астаксантина[10] . В этом случае содержание астаксантина в сыром экстракте составляло до 4,92%[10] . Селия и др. сообщили об использовании для экстракции астаксантина карбонатных соединений, имеющих структуру R1CO2R2, где R1 - H или алкил, R2 - алкил, а R1, R2 могут быть одинаковыми, и извлекли 392 мг астаксантина из 2,13 кг панцирей креветок с помощью этилацетата[11] .

 

1.4 Метод сверхкритической экстракции CO2

Сверхкритическая флюидная экстракция (СКФЭ) - это разработанная в последние годы технология, которая привлекает все большее внимание благодаря таким преимуществам, как высокая чистота, низкий остаток растворителя, отсутствие побочных токсичных эффектов экстрагированных продуктов и т.д. В патенте Tsunco et al. сообщается, что при использовании сверхкритического CO2 было получено 13,4 г экстракта (концентрация астаксантина 8,331%) из 6 кг панцирей антарктических чешуйчатых креветок [12]; Koichi et al. сообщают аналогичные результаты и получают высокую концентрацию пигментов методом сверхкритического противоточного рефлюкса [13]. Koichi et al. сообщили о схожих результатах и получили высокую концентрацию пигмента методом сверхкритического противоточного рефлюкса [13]. Felix et al. обнаружили, что этанол является хорошим экстрагентом для сверхкритической CO2-экстракции, а оптимальные условия работы составляют 34 МПа и 45 °C с помощью анализа поверхности отклика [14]. Шарест обнаружил, что степень извлечения астаксантина из панцирей омаров достигает 207,6 мг/кг при давлении 31,8 МПа и температуре 60 [15]. Технология сверхкритической экстракции позволяет получать высококачественные продукты, но из-за больших первоначальных инвестиций в оборудование, требований к технологии производства, в настоящее время использование в крупномасштабном промышленном производстве все еще представляет определенные трудности

 

2 Процессы, повышающие эффективность извлечения астаксантина

Сообщается, что астаксантин в креветочных панцирях находится в различных состояниях связи, например, с белками, кальцием, хитином и т.д. Поэтому степень связи влияет на извлечение астаксантина, особенно на пигментацию креветочных панцирей. Было установлено, что даже самые эффективные растворители очень трудно растворяют астаксантин, а также размер частиц креветочных панцирей, окислительно-восстановительная реакция среды и так далее влияют на конечное извлечение астаксантина. Изучение этих условий крайне необходимо.

 

2.1 Физическая обработка

Панцири креветок часто механически измельчают перед экстракцией, чтобы увеличить площадь контакта между растворителем и панцирями для повышения эффективности экстракции Чэнь и другие технологии работы с панцирями креветок и другими отходами могут не только повысить степень извлечения астаксантина. Было обнаружено, что при изменении размера частиц с 5 мм до 2 мм степень извлечения увеличилась на 40%[5] Распространенными методами измельчения являются тканевое пюре, измельчение, двухшнековая экструзия, ультразвуковые волны и т.д. Поскольку процесс измельчения и экструзии является механическим, легко возникает высокая температура на месте, что очень неблагоприятно для температуры астаксантина, и очень легко вызвать потерю астаксантина при окислении. Поэтому сырье обычно сначала охлаждают или замораживают перед обработкой.

Ультразвук действует в основном за счет образования и разрушения мелких пузырьков в растворителе, генерируя ударные волны, тем самым эффективно разрушая ткани креветочного панциря за короткий промежуток времени для достижения цели эффективного извлечения астаксантина. В целом, интенсивность ультразвука и время его действия прямо пропорциональны эффективности экстракции [16].

 

2.2 Закисление

Некоторые пигменты на панцирях креветок прочно связаны с карбонатом кальция, поэтому извлечь эту часть астаксантина можно только путем удаления кальция и декальцинации панцирей для уменьшения связывания астаксантина с кальцием, что повышает степень извлечения астаксантина. Для удаления накипи можно использовать различные кислоты, но неорганические кислоты очень коррозийны, и если их добавить слишком много, то потом будет трудно их утилизировать. Рекомендуется использовать органические кислоты, такие как муравьиная, уксусная и пропионовая, которые широко применяются. Норвежская рыбная промышленность сообщила о повышении урожайности примерно на 10 % после обработки силоса [2].

 

2.3 Температура экстракции и антиоксиданты

Температура экстракции очень важна для эффективности экстракции, скорость экстракции увеличивается, но в то же время увеличивается скорость окисления астаксантина, что является противоречивым процессом. Это противоречивый процесс. Было установлено, что наиболее быстрая потеря окисления происходит, когда температура достигает около 70℃ или выше, поэтому температуру выше 70℃ следует избегать как можно больше во время процесса, и время обработки должно быть сокращено как можно больше, и добавление антиоксидантов в процессе будет играть очень хорошую роль в защите астаксантина, и обычно используемые антиоксиданты являются BHA, BHT, этоксихин, и VE, и т.д. Чен и др. добавил этоксихин в экстракции астаксантина из горячего масла, и обнаружили, что восстановление астаксантина значительно увеличилось с добавлением этоксихина. Чен добавил этоксихин в экстракцию астаксантина из горячего масла и обнаружил, что восстановление астаксантина значительно увеличилось после добавления этоксихина, причем восстановление увеличивалось с увеличением дозы антиоксиданта в определенном диапазоне [5]. Чанху Сюэ и др. обнаружили, что VE может ингибировать окисление астаксантина в процессе экстракции, причем эффект был еще более выраженным с увеличением температуры экстракции [17].

 

Вакуумирование и промывка азотом могут быть использованы для защиты астаксантина, что может изолировать астаксантин от кислорода и уменьшить окисление, тем самым улучшая скорость восстановления Чен и др. обнаружили, что вакуумирование может немного увеличить скорость восстановления астаксантина, что может быть в основном из-за снижения окисления. Кроме того, астаксантин очень неустойчив на солнечном свете, и процесс должен быть защищен от света, что также было описано в исследовании Чена и др. Кроме того, астаксантин очень нестабилен под воздействием солнечного света, и при обработке его следует защищать от света, что также было описано в исследовании Chen et al.

 

2.4 Прикладная биотехнология

Биотехнология в настоящее время является широко используемой технологией, использование биотехнологии обработки креветочных панцирей и других отходов может не только улучшить скорость восстановления астаксантина, но и восстановление белков, чтобы уменьшить загрязнение, вызванное химической де-протеинизацией, охрана окружающей среды и высокая эффективность.

 

2.4.1 Применение ферментов  

В отношении астаксантина, связанного с белками в отходах креветок и крабов, было проведено множество исследований по использованию протеаз для гидролиза белков креветок, чтобы разрушить связывание пигмента с белками и повысить степень извлечения пигмента.  Обычно используются такие ферменты, как некоторые грибковые протеазы, бактериальные протеазы, папаин и т.д. В патентах Цунео и Коичи протеазы применялись для обработки отходов антарктических чешуйчатых креветок с целью повышения скорости извлечения в последующем процессе сверхкритической экстракции[11-12]. Кано и др. добавили очищенный трипсин трески к отходам креветок при 4℃, 0,5моль/л раствора ЭДТА и рН7,7. Восстановление астаксантина увеличилось с 35% до примерно 75% после 50 ч реакции[18] . Ким и др. обрабатывали отходы антарктической чешуйчатой креветки в аналогичных условиях, и восстановление астаксантина достигло 74%. Ту-Я и др. гидролизовали панцири омаров бычьим трипсином, и гидролизат был высушен в вакууме, чтобы получить порошкообразный продукт с содержанием астаксантина 295 мг/кг[19] . Чен и др. использовали Milezyme 8X для предварительной обработки креветочных отходов и увеличили скорость высвобождения астаксантина на 58 %[4] . Гильдберг и Гарсия и др. исследовали фермент алькалазу отдельно.

 

Помимо протеаз, другие ферменты также эффективны при экстракции астаксантина, а Нильсен и др. в своих патентах сообщили, что липазы (например, липаза и фосфолипаза) могут способствовать экстракции астаксантина[20]. Некоторые исследователи считают, что α-амилаза и целлюлаза могут разъединить связывание хитина и астаксантина, что может быть полезно для экстракции пигмента, но результаты Чена и др. противоречат результатам их исследований, что может быть связано с реакцией α-амилазы при высокой температуре 70%, что приводит к окислению астаксантина[4]. Однако Чен и др. показали противоположный результат, который может быть связан с окислением астаксантина α-амилазой при высокой температуре 70°C.[4] Различные ферменты часто синергичны друг с другом, и выбор подходящих ферментов может быть синергичным в определенной степени.     Армента и др. сравнили эффект смеси ферментов с эффектом одного фермента и обнаружили, что извлечение астаксантина из смеси четырех коммерчески доступных ферментов было значительно выше, чем из одного фермента[21] .

 

2.4.2 Микробная ферментация  

Отходы ракообразных богаты белком и могут быть использованы в качестве питательной среды для микроорганизмов. Зарубежные исследования показали, что использование ферментации молочнокислых бактерий для предварительной обработки сырья будет играть хорошую роль в стабилизации астаксантина Armenta et al. обнаружили, что скорость восстановления астаксантина была увеличена примерно на 30% в креветочных отходах, ферментированных в полутвердой среде, по сравнению с неферментированной средой. Эффект ферментации молочнокислых бактерий может быть в основном в трех аспектах: (1) производство молочной кислоты приводит к увеличению ионов водорода в системе, что усиливает восстановительные свойства системы и препятствует окислению астаксантина; (2) декальцинация кислоты облегчает окисление астаксантина с помощью кислоты; (3) декальцинация кислоты облегчает окисление астаксантина с помощью кислоты. (1) производство молочной кислоты увеличивает количество ионов водорода в системе, что повышает восстанавливаемость системы и препятствует окислению астаксантина; (2) декальцинация кислоты способствует диссоциации астаксантина от кальция; (3) производство различных ферментов (в основном протеаз) лактобациллами в процессе ферментации способствует гидролизу белков и, таким образом, улучшает скорость извлечения астаксантина [21-22]. Из вышеизложенного видно, что молочнокислое брожение на самом деле является идеальным сочетанием различных методов для улучшения извлечения астаксантина с различных точек зрения, но, судя по имеющимся данным, обычно наблюдается длительное время брожения и медленное производство кислоты, а исследования все еще находятся на экспериментальной стадии, и все еще существует необходимость в дальнейших исследованиях микробного брожения для достижения реальной промышленной реализации.

 

3 Перспектива

С развитием китайской аквакультуры в последние годы, китайская индустрия переработки аквакультуры также быстро растет, масштаб переработки ракообразных становится все больше и больше, так что отходы переработки являются относительно концентрированными и свежесть сырья становится все выше и выше, так что комплексное использование отходов возможно В настоящее время, мы в основном используем эти отходы для производства хитина, а белки сбрасываются в виде сточных вод после щелочной обработки, что приводит к загрязнению окружающей среды и потери белка и астаксантина и других важных ресурсов. Поэтому, сочетая вышеуказанные характеристики различных процессов извлечения астаксантина, исследования по производству хитина, а также восстановление белков и астаксантина и подходит для промышленного производства комплексного использования технологических маршрутов, то есть производство богатых астаксантином креветочных белковых экстрактов, что позволит улучшить комплексное использование технического уровня и экономической выгоды, будет иметь широкую перспективу.

 

Ссылки.

[1] Вэй Дун, Янь Сяоцзюнь - Супер антиоксидантная активность натурального астаксантина и его применение [J] - Китайские морские препараты, 2001(4): 45-50

[2] Shi Anhui, Xiao Haijie - Современный прогресс исследований астаксантина в стране и за рубежом[J]. Прогресс в биоинженерии, 1999, 19(1): 29-31

[3] Микалсен. Процедура получения астаксантина и родственных каротиноидов, эфиров астаксантина, хитина, белков и мяса из растений, водорослей, бактерий, криля, креветок и других раков и ракообразных [П]. Способ получения астаксантина и родственных каротиноидов, эфиров астаксантина, хитина, белков и мяса из растений, водорослей, бактерий, криля, креветок и других раков и ракообразных[P].  PCT-International-Patent-Application, WO90/05765AL, NO885150, 1988-11-18

[4] DING Chunmei, TAO Tingxian, WU Zhichuan - Комплексное использование панцирей омаров (I) Извлечение красного пигмента из панцирей креветок и его свойства[J] - Chemistry World, 1995(8): 444-445 434

[5] Chen Huei-mei , Meyers S P. Извлечение пигмента астаксантина из отходов раков с использованием процесса получения соевого масла[J]. J Food Sci, 1982, 47:892-897

[6] Zhu Yifeng.  Технология извлечения каротиноидов из ракообразных в качестве красителей для рыбных кормов[J].  Вестник морских озер и болот, 2000(2): 21-27

[7] Omara-Alwala T R , Chen Hui-mei Yoshihito Ito , et al. Carotenoid pigment and fatty acid analyses of crawfish oil extracts [J]. J Agric Food Chem, 1985, 33:260-263

[8] ShadihiF, Synowiecki J. Isolation and characterization of nutrients and value-added products from snow crab (Chinoecetes opilip) and shrimp ( Pandalus borealis) при переработке отходов[J].   J Agric Food Chem, 1991, 39:1527-1532

[9] Alvarez G, Pedro I, Contreras V, et al. Методы извлечения и идентификации пигментов из остатков антарктического криля [J].  Contrib Cient Tecnol (Spanish), 1990, 20(89): 5-8

[10] Xiong H G, Tan J, Zhang X B. Рециклинг пигментов и белков в производстве хитина [J].   Переработка пигментов и белков в производстве хитина [J].  Загрязнение окружающей среды и профилактика, 2002 , 24(1) : 59-61

[11] Селия Джованни. Экстракция астаксантина [П].  Eur Pat Appl, EP: 77583 A2, 1983-04-27

[12] Tsuneo T, Yoko S, Koichi T, et al. Извлечение красителя из криля [P]. Jpn Kokai Tokkyo Koho JP: 04057853 A2, 1992-02-25

[13] Koichi T, Kayoko M, Toshifumi T, et al. Экстракция и разделение красителей астаксантина из панциря криля [P]. Jpn Kokai Tokkyo Koho JP: 06200179 A2, 1994-06-19

[14] Felix V L, Higuera C I, Goycoolea V F. Сверхкритическая экстракция CO2/этанолом астаксантина из отходов панциря синего краба (Callinectes sapidus)[J].  J Food Process Eng, 2001, 24(2):101-112

[15] Charest D J, Balaban M O, Marshall M R, et al. Экстракция астаксантина из раковых панцирей сверхкритическим CO2 с этанолом в качестве растворителя[J].   J Aquatic Food Product Tech, 2001, 10(3):79-93

[16] Huang Jian , Liu Jianguo . Анализ и определение каротиноидов[J].   Журнал Циндаоского института химического машиностроения, 2001, 22(3): 223-227

[17] Xue Changhu, Li Samarium, Xu Damei, et al.  Исследование экстракции астаксантина из головы креветки[J].  Chinese Marine Drugs, 1993 4: 39-42, 25

[18] Cano-lopez A, Simpson B K, Haard N F. Экстракция хрящевого белка из отходов креветочного производства с помощью трипсина из атлантической трески [J].  J Food Sci, 1987, 52(2):503-504, 506

[19] Tu Y, Simpson B K, Ramaswamy H. Carotenoproteins from lobster waste as a potential feed supplement for cultured salmonids [J].Food Biotech, 1991, 5( 2):87-93

[20] Нильсен Пер Мунк. Методы обработки материала ракообразных [П].  PCT Int Appl: WO 2002000908 A2, 2002-01-03

[21] Armenta L R, Guerrero L I, Huerta S. Извлечение астаксантина из отходов креветок путем молочной ферментации и ферментативного гидролиза каротинопротеинового комплекса[J]. J Food Chem, 2002, 67(3):1002-1006

[22] Cremades O, Ponce E, Corpas R, et al. Переработка раков (Procambarus clarkia) для получения каротинопротеинов и хитина[J].  J Agric Food Chem, 2001, 49: 5468-5472