虾蟹壳一步转化制备水溶性小分子活性物的方法及其应用与流程

本发明涉及环保加工技术，尤其涉及一种虾蟹壳一步转化制备水溶性小分子活性物的方法及其应用。

背景技术：

许多产业在日常生产会产生大量的有机或无机废弃物，如海洋资源废弃物如虾蟹壳、鱼骨、贝壳、牡蛎壳、马尾藻、浒苔、海带等；种植业废弃物如玉米秸秆、米棒(芯)、小麦秸秆、麦糠、水稻秸秆、稻壳、稻糠、花生壳、果皮、果壳、椰糠；食物材料加工残渣如菇渣、酒渣、醋渣，甘蔗渣及中药渣等；以及微生物发酵副产物。这些有机无机废弃物都具有再加工和再利用价值，其含有的有机或无机基质经提取或分离后用可以用作肥料、饲料、动植物生长调节剂甚至制药的原料。

例如海洋资源废弃物中的虾蟹壳，为自然界独特的富含氨基多糖的有机无机复合基质，其营养丰富，含有20％～40％的蛋白质、20％～50％的碳酸钙和25％～40％的甲壳素。虾蟹壳作为一种富含有机物和无机物的基质，目前主要用于甲壳素提取、壳聚糖及壳寡糖生产以及作为饲料添加剂。

虾蟹壳作为饲料添加剂，由于氨基多糖是动物难于消化吸收的含氮有机物，虽然虾蟹壳中含氮有机质很高，但80％以上是动物不可吸收的氮源，营养价值利用率非常有限，而使其小分子化及水溶化是是虾蟹壳作为饲料添加剂高值化的必选途径。利用虾蟹壳生产甲壳素、壳聚糖及壳寡糖的现有工艺中，因脱蛋白、脱钙、脱乙酰过程需要用大量酸碱，而产生大量有机废水，直接排放对环境污染严重，而进行处理成本又较高，这些因素造成我国高达80％的虾蟹壳资源没有得到开发利用。

综上，寻求一种绿色环保、有效的方法解决环保、成本及生产效率问题，对包含虾蟹壳在内的有机无机废弃物资源循环利用具有非常现实的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种基于以虾蟹壳为代表的有机无机基质材料制备水溶性小分子活性物的方法，提供一种聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系，其具有良好的溶解性，对有机无机混合基质中的纤维素、蛋白质及无机盐等均具有较好溶解性，可一步法溶解虾蟹壳等有机无机基质，得到适合多种用途的产品，具体方案如下：

本发明采用以下技术方案：

一种虾蟹壳一步转化制备得到水溶性小分子活性物的方法，其特征在于，包括：

将虾蟹壳干燥后粉碎至粒度小于20目，用聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系在80℃-95℃搅拌条件下溶解2-4小时；

保温条件下，加入质量体积比浓度为0.1-1％催化剂水溶液催化降解1-3小时，得含可溶性小分子活性物的稳态溶液。

2.优选地，所述催化剂为次碘酸或氢碘酸，或其混合物。

3.优选地，所述聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系是氯化胆碱与聚磷酸以质量比为1:5～10混合，在85℃条件下搅拌0.5-1小时形成。

4.优选地，，所述虾蟹壳、聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系和催化剂水溶液之间的质量比为0.2～1:2:0.7～3；

5.优选地，，虾蟹壳干燥至含水量低于10％。

6.优选地，所述聚磷酸中的磷酸质量分数为105％～118％。

7.优选地，在上述任一方案中，在催化降解反应结束后，冷却至室温，过滤除去不溶物，再进行离心或过滤，取滤液得到稳态水溶性活性物溶液。

8.上述方法制备得到的稳态水溶性活性物溶液，其中含氮有机水溶物＞10％，其中氨糖总量＞5％，氮有机质含量＞2％；水溶性磷脂化的脂肪酸含量大于0.2％；水溶性钙素含量大于8％。可作为氨基寡糖素的母液，原料或原药，也可以作为甲壳生物刺激素的原料，同时可作为植物激素的部分替代物用于调节植物生长。

9.前述任一方法在处理有机无机质材料中的应用，其特征在于，将虾蟹壳材料替换为有机无机质材料；

所述有机无机质材料指海产废弃物，种植业废弃物或食物材料加工残渣；

所述海产废弃物：鱼骨、贝壳、牡蛎壳、马尾藻、浒苔、海带，或其中任意两种或多种的混合物；

所述种植业废弃物：玉米秸秆、玉米棒、小麦秸秆、麦糠、水稻秸秆、稻壳、稻糠、花生壳、果皮、果壳、椰糠，或其中任意两种或多种的混合物；

所述食物材料加工残渣：菇渣、酒渣、醋渣、甘蔗渣、中药渣，或其中任意两种或多种的混合物。

10.前述应用得到的液体产物。

11.所述的稳态水溶性活性物溶液或所述的液态产物，作为制备氨基寡糖素或甲壳生物刺激素的原料的用途，或者作为调节植物生长的植物激素替代物的用途。

本发明建立了聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系，可高浓度快速溶解以虾蟹壳为代表的有机无机混合基质中的有机物(如水不溶性甲壳素，纤维素、胞壁酸及葡聚糖等以β-1，4糖苷键、β-1，3糖苷键或β-1，6糖苷键为主的有机大分子)，以及以碳酸钙(包括硫酸钙、磷酸钙等)为主的水不溶性无机物，形成稳定的有机无机物混合溶解液；进一步控制水解条件，在100℃以下的条件下，进一步获得水溶性小分子有机无机复合物，达到了基质营养物全转化，过滤所得不溶物质量小于总初始物料质量的10％，即物料转化率大于90％。当所得产物用于植物诱抗剂产品开发时，其中采用的聚磷酸和氯化胆碱无需后续分离回收步骤，本身可作为植物营养成分，连同物料形成小分子物质溶解物形成稳定可溶态活性肥料。

当所述含有机无机基质为虾蟹壳时，经检测，本发明的方法所得稳态水溶性活性物溶液中含氮有机水溶物＞10％(其中氨基葡糖磷酸盐、氨基寡糖、可溶性纳米线氨糖，氨糖总量＞5％，氨基酸、多肽及水溶性蛋白质，蛋白氮有机质含量＞2％)、同时含有水溶性磷脂化的脂肪酸含量大于0.2％；水溶性钙素(氨糖络合钙、氨基酸络合钙、肽络合钙、聚磷酸钙等)，含量大于8％；同时含有锌、铁、镁、钾、碘、硒等可溶性矿物营养素。

综上，本发明的技术优势总结如下：

1.工艺技术绿色环保，安全高效。以虾蟹壳为例，生产效率高：传统技术艺中由虾蟹壳原料生产氨基寡糖素需要三步工艺(虾蟹壳→甲壳素，甲壳素→壳聚糖，壳聚糖→氨基寡糖素)，而本发明技术可将其缩短为从虾蟹壳直接制备氨基寡糖素的一步法转化工艺。

成本低廉：传统工艺生产1吨氨基寡糖约需原料成本10万元，本工艺生产1吨氨基寡糖素原料成本约4万元，可节约成本60％以上；同时无废液废气排放，节约后续废水处理成本，社会及经济效益非常显著。

技术环保：实现了虾蟹壳绿色处理，采用本技术制备氨基寡糖素，可解决传统工艺环境污染严重、生产成本高等制约其在农业种植业推广应用的瓶颈问题。所用原料中含有的甲壳素、蛋白质、碳酸钙等成分，溶剂中所含的磷酸根及氯化胆碱全部转化为植物可吸收利用的小分子水溶物，技术完全达到了环保型工业化生产要求，为植物诱抗剂产业的发展提供可行性技术保障。

2.本发明技术可彻底解决生物质加工后残体(包括微生物残体、秸秆类、海藻类、甲壳类、贝壳类等)绿色无害化高密度液化问题，为快速液化有机无机混合基质奠定了工业产业化基础。

3.本发明的方法无三废(无废气、无废渣、无废水)排放、无污染，与现有常规处理有机无机废弃物工艺如发酵工艺、酶解工艺、定长裂解工艺、羧基化降解工艺等相比，具有成本低廉、环境友好、符合排放标准的优势，适宜大规模产业化。

附图说明

图1.本发明实施例1所得小分子水溶物对花生幼苗生长促进作用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

实验试剂：

多聚磷酸(磷酸含量105％-118％)：cas号:8017-16-1商购

氯化胆碱：cas号:67-48-1，商购；

次碘酸：商购

本申请中采用的测定方法和操作步骤，如无特别说明，均表示采用现有技术的公知公用的方法、步骤和试剂。

实施例1：虾蟹壳制备含氨基寡糖素水溶性小分子活性物方法1

取磷酸含量为105％的聚磷酸10kg，氯化胆碱1kg充分混合均匀后加入到50l反应釜中，在85℃条件下搅拌加热1小时形成聚磷酸-氯化胆碱低共熔溶剂复合体系，；

将虾蟹壳干燥至含水量低于10％，粉碎取5kg加入到上述反应体系中，在90℃条件下搅拌溶解2小时，形成聚磷脂化溶解液；

保温条件下加入催化剂水溶液1.0％次碘酸水溶液10kg催化降解2小时，50目纱网过滤除去不溶物后，形成稳态水溶性活性物溶液；其中过滤所得不溶物重量为0.39kg。

产物检测：

1.氨基寡糖素含量测定，采用ny/t2889.1-2016中记载4.3的步骤进行测定，结果显示：所得氨基寡糖素质量分数为为6.7％；

2.采用凯氏定氮法测定含氮有机水溶物质量分数为3.5％；

3.edta法测定水溶性钙素质量分数为9.0％。

实施例2：虾蟹壳制备含氨基寡糖素水溶性小分子活性物方法2

取磷酸含量为105％的聚磷酸400kg，氯化胆碱10kg充分混合均匀后加入到2吨反应釜中，在85℃条件下搅拌加热0.5小时形成聚磷酸-氯化胆碱复合体系；

将虾蟹壳干燥粉碎取200kg加入到上述反应体系中，升温到85℃搅拌溶解4小时，形成聚磷脂化溶解液；

保温条件下加入催化剂水溶液0.5％次碘酸水溶液150kg催化降解3小时，50目纱网过滤除去不溶物后，形成稳态水溶性活性物溶液。其中过滤所得不溶物重量为9.2kg。

产物测定，采用实施例1中记载的测定方法

产物中氨基寡糖素含量为6.1％；含氮有机水溶物含量为4.6％，水溶性钙素含量9.8％；脂肪酸含量为0.26％。

实施例3：浒苔制备水溶性小分子活性物方法

取磷酸含量为115％的聚磷酸9kg，氯化胆碱2kg充分混合均匀后加入到50l反应釜中，在85℃条件下搅拌加热1小时形成聚磷酸-氯化胆碱复合体系；

将浒苔干燥粉碎取4kg加入到上述反应体系中，升温到85℃搅拌溶解2小时，形成聚磷脂化溶解液；

保温条件下加入催化剂水溶液0.2％次碘酸水溶液5kg催化降解2小时，50目纱网过滤形成稳态水溶性活性物溶液，其中过滤所得不溶物重量为0.15kg。

产物测定：

蒽酮法测定可溶性总糖含量为9.6％；

凯氏定氮法测定含氮有机水溶物含量为1.9％。

实施例4：柠檬酸发酵废菌体制备水溶性小分子活性物方法

取磷酸含量为118％的聚磷酸8kg，氯化胆碱2kg充分混合均匀后加入到50l反应釜中，在85℃条件下搅拌加热1小时形成聚磷酸-氯化胆碱复合体系；

将废菌体干燥粉碎取5kg加入到上述反应体系中，升温到90℃搅拌溶解2小时，形成聚磷脂化溶解液；

保温条件下加入催化剂水溶液0.2％次碘酸水溶液4kg催化降解2小时，50目纱网过滤除去不溶物后，形成稳态水溶性活性物溶液，其中过滤所得不溶物重量为0.31kg。

产物测定

通过蒽酮法测定可溶性总糖含量为6.8％，凯氏定氮法测定含氮有机水溶物含量为4.4％，气相色谱法测定脂肪酸含量为0.4％。

实施例5：甘蔗渣制备水溶性小分子活性物方法

取磷酸含量为110％的聚磷酸10kg，氯化胆碱1.5kg充分混合均匀后加入到50l反应釜中，在85℃条件下搅拌加热1小时形成聚磷酸-氯化胆碱复合体系，将甘蔗渣干燥粉碎取4.5kg加入到上述反应体系中，升温到95℃搅拌溶解3小时，形成聚磷脂化溶解液，保温条件下加入1％次碘酸水溶液5kg催化剂水溶液催化降解3小时，纱网过滤除去不溶物后形成稳态水溶性活性物溶液，其中过滤所得不溶物重量为0.40kg。

通过蒽酮法测定可溶性总糖含量为8.1％，凯氏定氮法测定含氮有机水溶物含量为1.5％。应用案例1：虾蟹壳制备含氨基寡糖素诱抗剂小分子可溶物对番茄幼苗生长促进作用(叶面喷施法)

用容器为口径10cm，深10cm的花盆，每盆装入等量灭菌营养土。将材料种子置于55℃清水中浸泡5h，然后放于培养皿中催芽至露白，种植于花盆中，置于光照培养箱中培养，光周期为白天、黑夜各12h。白天光强为100μmolm-2s-1。温度为25℃(昼)/20℃(夜)。

设置清水为对照(ck)，分别取实施案例1中所制备稳态水溶性活性物溶液5g稀释至500、1000、2000、3000倍四个浓度梯度。

待幼苗长至三叶一心时，对幼苗进行喷施叶面处理，每次喷施间隔5天，每个浓度设置3次重复，期间记录幼苗期表型变化，在第45天对其生物量及生化指标进行测定。

结果表明，与对照组相比，所得水溶性小分子活性物产物稀释2000倍处理组苗高、茎粗和叶片数均达到峰值，分别比对照高出3.50cm、1.12mm、5.33个，显著促进了番茄幼苗的生长。

应用案例2：虾蟹壳制备含氨基寡糖素诱抗剂小分子可溶物对番茄叶片中pod酶活性和mda含量的影响

pod是植株细胞内重要的活性氧清除剂，与植物抗病性有着密切关系，pod的活性上升是植物抗病性增强的重要表现，其与植物的抗病性有正相相关。丙二醛含量(mda)在体外影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶活性。mda作为膜脂过氧化作用的最终产物，其含量可作为衡量膜脂过氧化程度的一个重要指标，且与细胞膜的损害程度直接相关。mda含量降低说明细胞抗氧化能力增强，与pod活性呈负相关关系。本发明选取pod活性和mda含量两项指标做为植物抗病性的检测标准，从植物生理生化角度，验证诱抗剂对提高植物抗病性和生物活性的作用。

实验材料：选取应用案例一中的番茄幼苗，采用分光光度法对番茄幼苗叶片中过氧化物酶(pod)和丙二醛(mda)含量进行测定。

结果表明：

pod酶活性在稀释2000倍液下达到6547.21ug/鲜重，比对照组高出5685.44ug/鲜重；叶片中丙二醛(mda)含量恰好呈相反趋势，其中2000倍液mda含量最低，为43.12nmol/g鲜重，比对照组低19.87nmol/g。

即所得富含氨基寡糖素诱抗剂的稳态水溶性活性物溶液能够诱导番茄幼苗释放出更多的pod酶，有效降低mda含量。

应用案例3：虾蟹壳制备含氨基寡糖素诱抗剂小分子可溶物对花生幼苗生长促进作用

供试药剂：分别取实施例1所得产物3.5g稀释为500、1000、2000、3000倍四个浓度梯度，备用，并设置清水为对照(ck)。

挑选大小一致，籽粒饱满的花生种子在30℃湿润条件下催芽2d，然后挑选发芽势较好的花生种子播种于花盆中，每盆播种3颗，在出苗期每盆分别浇灌以500、1000、2000、3000倍实施例1制备的稳态水溶性活性物溶液，放入光照培养箱培养25天，观察花生幼苗生长情况，如图1所示，结果表明与清水对照相比，虾蟹壳制备所得小分子可溶物产物(氨基寡糖素诱抗剂)1000-2000倍液可显著促进花生幼苗生长。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。