虾蟹壳中的几丁质

一般而言，虾蟹壳主要是由几丁质（chitin） 、蛋白质与矿物质三种成分结合而成，重量大约 各占三分之一，但是随着虾蟹的产地不同或是品种不同，其比例会有所改变，其中矿物质的 主要成分是钙盐（碳酸钙） 。 目前大量生产几丁质（又称甲壳质）的方式，主要是以虾蟹的外壳或乌贼的软骨为原料，首 先经洗净、干燥及粉碎，室温下用 1 当量浓度盐酸处理、离心、水洗后，再用摄氏 100 度 的一当量浓度氢氧化钠水溶液处理，最后再以乙醇加热环流处理。其中使用盐酸是为了去除 钙盐（或其它矿物质） ，使用氢氧化钠是为了去除蛋白质，而使用乙醇是为了去除脂质与色 素。所得到的几丁质为白色粉末状，重量约占干虾蟹壳总重的 30。 何谓几丁质、几丁聚糖何谓几丁质、几丁聚糖一、几丁质、几丁聚糖之命名几丁质及几丁聚糖之英文名分别为 chitin ，chitosan，是源自希腊字语意为铠甲的chiton(发音为)，因而正式之英语发音分别为“一(chitin)” 及“(chitosan)” ；日本人则依来外语发音方式分别称之为“一一(kichin)” ，“一(kitosan)” ；中国则依来自甲壳类动物而将之统称为“甲壳素”或“甲壳质”。至于我国何以会将 chitin 称为“几丁质” ，而将 chitosan 称为“几丁聚醣”实难考究，本人推测可能是不知哪位学术界前辈依照传统(标准)的英语发音方式，将 chitin 发音为“一一” ，因而直接将之译为“几丁” ，至于“质”则可能是采用蛋白质或脂质等化合物皆有质字结尾，因而于“几丁”后面加上“质” 而成了所谓的“几丁质” 。另外有关“几丁聚醣” 的译命方面，何以会于“几丁”后面加上“聚醣” ，推测可能是与此类物质属于多糖类有关。二、几丁质、几丁聚糖之分布几丁质在自然界中分布极为广泛，于植物细胞壁的组成分、动物中的上角皮层组织(epithelium cuticle)、海洋无脊椎动物、昆虫的外壳以及真菌菌体的细胞壁中，都可发现几丁质的存在。表三 所示的乃是一些甲壳类(crustacea)、昆虫(insects)、软体动物(molluscan)的器官以及真菌(fungi)中的几丁质含量，其中以甲壳类虾蟹壳的几丁质含量最高。 表三 含几丁质之部分代表 生物种类几丁质含量（%）生物种类几丁质含量（%）甲壳类甲壳类 鳌蟹 金蟹 蓝蟹 红蟹 小虾 沙虾 龙虾 72.1（器官外壳重） 35（干体重） 14（湿体重） 1.31.8（干体重） 5.8 （干体重） 28（外壳总干重） 69.8（器官外壳重）软体动物类软体动物类 蛤壳 牡蛎壳 乌贼 南极虾 6.1（外壳总干重） 3.6（外壳总干重） 41(软骨总干重） 4052（外壳总干重）昆虫类昆虫类 蟑螂 甲虫 山渣虫 双翅虫 蝴蝶 蜡虫 10（干体重） 515（干体重） 31.3（器官外壳重） 54.8（器官外壳重） 64（器官外壳重） 33.7（器官外壳重）真菌类真菌类 黑麦霉 点青素 奇异青霉 啤酒酵母 蓝42（细胞壁干重） 8.5（细胞壁干重） 20.1(细胞壁干重） 2.9 （细胞壁干重） 19（细胞壁干重） 自从 1980 年代末期几丁质及几丁聚糖被认为是“最后之生质”(the last biomass)以来，此类多醣类资源亦就一直被研究着，其中包括应用研究、免疫反应机制等之基础研究、相关之酵素学研究等。三、几丁质及几丁聚醣之构造几丁质、几丁聚醣、纤维素之构造如图一所示，三者间之构造极为类似。推测全球几丁质之年间生合成量约 1×109 公吨，是为仅次于纤维素(1×1,011 公吨)之最丰富天然有机物，至于几丁质的年产量则仅次于纤维素。纤维素分子全是经由葡萄糖(glucose)以 -1,4的方式键结而成，至于几丁质及几丁聚糖虽亦是为 -1,4 键接结，然而所含的单体却是葡萄糖胺(glucosamine)及 N-乙醯葡萄醣胺(N-acetylglucosamine)。有关几丁质及几丁聚醣两者之间的区分，实际上尚无一定之标准。有报告指出，几丁质之 N-乙醯葡萄醣与葡萄糖胺的比例约为 5：1(亦即去乙酸度约为 16.7)；而几丁聚醣则是几丁质之去乙醯化物的总称。几丁质经由 X 射线之研究，依其双股螺旋以及对称轴分子的排列方向，可分为 、以及 三种类型： 型的几丁质为斜方晶纟(rhombic)，其二股双螺旋呈反向平行(antiparallel)排列，其构形最细密，质地较为坚硬，在自然界中，此类型的几丁质属最普遍的构形，大部分的昆虫或甲壳类(虾、蟹)的几丁质即属此类。 型几丁质为一单斜晶系(monoclinic)，其两股双螺旋呈平行(parallel)排列，此类几丁质的组织较为松散，易被几丁质酶(Chitinase)所分解。加为贼中的软骨(squid pen)即属此类，此型几丁质经 6N 盐酸处理可转变为 型。最后 型则为 型和 型的混合体，如藻类和真菌所含的几丁质即属此类。几丁质、几丁聚醣之生产几丁质、几丁聚醣之生产水产废弃物之化学组成，依原料种类及取得部位之不同而会有所差异。例如就原料种类而言，虾壳所含几丁质之比例就较蟹壳的高(蟹壳含钙量较高)，若依部位而言，脚壳部位所含几丁质量最高，腹侧所含蛋白质量最高，壳及螯钳所含钙量最高。现今被用来作为几丁质及几丁聚醣生产原料的主要是以蟹壳为主，含有 2535%之几丁质、2030%之蛋白质、以及 4050%以碳酸钙为主之无机盐类。虾蟹壳所含几丁质由于是与蛋白质、碳酸钙、磷酸钙、少许碳酸镁、及还原型之虾红素紧密地结合者之故，于用制造几丁质或几丁质聚醣之际，必须进行运动去矿物质(demineralization)及脉动去蛋白质(deproteinization)之处理，则可得到适于生物转换(bioconversion)及其衍生物因用途广泛且具有种种生物活性(biological activity)以及农化用途(agrochemical application)所以其显得更有经济价值。图二所示的是为由蟹壳制造几丁质、几丁聚醣之流程图 1。海洋生物每年合成之几丁质量高达十亿公吨之多。估计全球每年所生产之几丁质产品量的十五万公吨之多，其中以市极虾(5.6 万公吨)、虾蟹甲壳类(3.9 万公吨)、及真菌类(3.2万公吨)为其主要来源(表四)。 表四 全球潜在几丁质资源所能回收之几丁质估计量 （x1,000 公吨/年） 含几丁质废弃物 几丁质源收获量湿重量干重量几丁质潜在量虾蟹1,70046815439南极虾18,2003,64080156蚌殻/牡蛎1,39052148222乌贼66099211真菌79079018232昆虫微量-总计22,7405,1181,640150、几丁质之制备几丁质于诸如虾蟹等甲壳类动物的壳里，是与蛋白质及矿物质(例如碳酸钙、磷酸钙)以紧密结合之方式存在着，因而于几丁质之制备方面，必须进行蛋白质及矿物质之去除。从甲壳类的壳制取几丁质，可用化学法及生物法。目前工业上虽然都是采用化学法(利用酸碱处理虾蟹壳)来进行几丁质之生产，然而却有酸硷容易造成产品分子链降解(depolymerization)之类的变性问题，以及容易造成诸如酸硷中和(neutralization)及去毒(detoxification)之类的废水处理负担，而且所得含蛋白质之废液将因氢氧化钠之存在而减低其利用价值。一般而言，所用酸硷浓度过高且处理时间过长，则易造成几丁质之裂解，因而诸如醋酸或亚硫酸之类的弱酸亦被用来进行去矿物质之处理，以期能够减低几丁质之裂解，然而矿物质之去除率却相对减低。至于虾蟹壳之去蛋白质方面，酵素或微生物亦有被尝试用来改进硷处理之缺点，此类方法之优点除了较化学法(硷处理法)温和之外，水解液中若含蛋白质之降解产物(例如胺基酸)，则废液尚可回收利用(例如可作为其它生产有用物质的微生物之培养液)，亦可减轻废水处理成本。田而利用蛋白质酶的这种“酵素法” ，以及利用蛋白质酶生产菌的这种“微生物法” ，亦就备受瞩目起来(表五)。 表五 生物性几丁质制备法 所用酵素/微生物几丁质原料微生物法微生物法 Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas aeruginosa Bacillus subtilis Bacillus subtilis Lactobacillus plantarum Pseudomonas maltophilia Pseudomonas maltophilia虾蟹壳粉 虾头、虾壳 虾蟹殻粉 虾头、虾壳 虾头、虾壳 虾蟹殻粉 虾头、虾壳 虾头 脱灰处理过之虾壳 脱灰处理过之蟹壳 酵素法酵素法 木瓜酶 凤梨酶 木瓜酶 木瓜酶 胰凝乳酶 胰蛋白酶 木瓜酶 市售蛋白质酶 市售蛋白质酶 鲔鱼内脏蛋白质酶 乳酸菌蛋白酶 虾蟹殻粉 虾蟹殻粉 脱灰处理过之虾殻 脱灰处理过之虾殻 脱灰处理过之虾殻 脱灰处理过之虾殻 脱灰处理过之蟹殻 脱灰处理过之蟹殻 脱灰处理过之蟹殻 脱灰处理过之蟹殻 脱灰处理过之虾头综合言之。酵素法及微生物法之优点，包括(1)不会造成几丁质分子链之降解、(2)室温 之下即能进行、(3)不会有硷废液处理之问题等。至于缺点则有(1)酵素作用较慢(时间长)、 (2)蛋白质去除率较低。于化学法制备几丁质方面，除了去矿物质及去蛋白质之外，亦有更 进而进行脂质及色素之去除者。此法乃是利用有机溶剂(例如乙醇、乙醚)去除脂质；利用强 氧化剂(例如高锰酸钾)去除色素，然后再以草酸之类的还原剂除去残留之氧化剂。 二、几丁聚醣之制备几丁质经由去乙醯化处理即能制得几丁聚醣。去乙醯法(1)热硷法(heatalkali)、酵 素法(利用几丁质去乙醯酶(chitin deacetylase)、(3)微生物法(例如利用 Aeromonas sp.之 类的几丁质去乙醯酶产菌)。其中热硷法因所得几丁聚醣去乙醯度(degree of deacetylation；DD)较高而较常被采用。几丁质由于相邻链间有许多氢键结合而结构紧密 之故，需以高浓度之硷液进行处理始能得到较高之去乙醯率(通常是在 40%60%)，至于所使用之硷液量，则为几丁质干重之 510 倍以上 (去乙醯效果才会均匀)。然而此法之缺点是为所得之缺点是为所得几丁聚 醣之乙醯度及聚合度(degree of polymerization; DP)容易受到硷液之 浓度、用量比例、作用时间及温度等因素所影响。至于酵素法及微生物法， 虽然不会有几丁聚醣分子链降解及废硷液处理之问题，然而却有时间长且 去乙醯度不高之缺点。于以几丁质制备几丁聚醣之际，所使用的若系未去除矿物质之几丁质， 则所得几丁聚醣产品与去除矿物质几丁质所得 之几丁聚醣产品，在分子 量方面虽然差异不大，然因所存在之矿物质会与用来溶解几丁聚醣之有机 酸(例如醋酸)反应成不溶物(例如醋酸钙)之故，将会导致几丁聚醣溶液酸硷值的升高及黏度 之下降。此外，几丁质困难溶解而无法以溶液的方式来使用，为了弥补此缺点，研究人员积极的 开发出能溶于水或有机溶剂之几丁质及几丁聚醣衍生物，此类衍生物包括乙二醇几丁质、羧 甲基几丁质、硫酸化几丁质以及磷酸化几丁质等。此外，近年来几丁质寡醣(chitin oligosaccharides)及几丁聚寡醣(chitosan oligosaccharides)之机能效果(例如抗菌、增 强免疫以及治疗关节痛等效果)亦陆续被发现，因而有关利用酵素或微生物，由几丁质及几 丁聚醣生产此类寡醣之相关研究亦就随之盛行起来。 几丁质、几丁聚醣于农业之应用几丁质、几丁聚醣于农业之应用几丁质、几丁聚醣及其寡醣因能诱导微生物生产几丁酶，而广被用于植物病害之防治， 例如直接喷洒几丁质酶生产菌(作为生物制剂)于植株表面或根圈附近即属之。此外，亦有应 用生物技术(例如基因选殖)，将选殖