合肥工業(yè)大學(xué)陸劍鋒教授團隊：瞬時彈射蒸汽爆破預(yù)處理結(jié)合超聲輔助有機酸提取實現(xiàn)小龍蝦殼鈣的高效回收

導(dǎo)讀

小龍蝦（Procambarus clarkii）因其獨特風(fēng)味以及高蛋白、低脂肪的營養(yǎng)特性，已成為我國淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖與食品加工領(lǐng)域的重要經(jīng)濟物種。然而，小龍蝦加工過程中會產(chǎn)生大量殼體廢棄物，其質(zhì)量約占原料總量的40%–60%。若處置不當(dāng)，這類廢棄物極易引發(fā)異味擴散、環(huán)境污染及生態(tài)破壞，嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其中，殼體中鈣質(zhì)等資源的綠色、高效回收仍面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

針對傳統(tǒng)強酸脫礦法依賴高濃度無機酸、存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、廢水處理負擔(dān)重且易破壞殼體中幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)等天然大分子結(jié)構(gòu)的問題，合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院陸劍鋒教授團隊從綠色加工與高值化利用的角度出發(fā)，提出一種以瞬時彈射蒸汽爆破（Instant Catapult Steam Explosion，ICSE）為核心的創(chuàng)新型物理預(yù)處理技術(shù)，并與溫和有機酸提取相結(jié)合的鈣回收新策略。近日，該成果已發(fā)表于《Bioresource Technology Reports》（JCR 1區(qū)，IF 2025=4.3）。通過調(diào)控ICSE 預(yù)處理壓力與時間參數(shù)，可有效破壞殼體致密的微觀結(jié)構(gòu)，降低顆粒尺度并改善內(nèi)部傳質(zhì)特性，從而為后續(xù)鈣的溶出與選擇性釋放創(chuàng)造有利條件。

研究表明，適當(dāng)?shù)乃矔r爆破預(yù)處理能夠顯著提高殼體中鈣的可提取性；同時，在提取過程中可在局部形成鈣離子過飽和的液相環(huán)境，動力學(xué)上促進亞穩(wěn)態(tài)、易溶解文石晶型的生成，從而在弱酸體系下實現(xiàn)鈣的高效回收。該研究實現(xiàn)了鈣資源的高效回收與高值化利用，為甲殼類加工廢棄物的資源化利用提供了新的研究思路和技術(shù)路徑，對推動水產(chǎn)副產(chǎn)物的綠色加工與可持續(xù)開發(fā)具重要參考價值。

研究亮點

?開發(fā)了一種從小龍蝦殼中高效提取鈣的工藝。
? 瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）處理使殼體粒徑最大降低56.03%。
? ICSE 預(yù)處理使殼體中鈣的相對含量提高了16.4%。
? ICSE 預(yù)處理實現(xiàn)了小龍蝦殼中超過98%的鈣提取率。

研究結(jié)論

該研究證實，ICSE預(yù)處理可顯著促進小龍蝦殼粉中鈣的高效回收。具體而言，在ICSE處理條件為2.0 MPa、3 min時，高壓蒸汽的瞬時釋放產(chǎn)生了強烈的剪切作用，使殼粉粒徑顯著降低至97.29 μm，比表面積提高至0.22 m2/g，同時熱降解起始溫度降低，鈣的溶解性顯著增強。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲輔助乙酸提取工藝，鈣的提取率最高可達 98.84%。研究結(jié)果表明，適度的 ICSE 預(yù)處理有利于促進蝦殼殼體中鈣的高效釋放。

該研究提出了一種新穎且可行的綠色鈣回收策略，為甲殼類殼體廢棄物的高值化利用提供了良好的應(yīng)用前景。從工業(yè)應(yīng)用角度來看，鈣資源的回收不僅有助于降低廢棄物處理成本和原料消耗，還可將回收的鈣轉(zhuǎn)化為食品級或工業(yè)級產(chǎn)品，從而提升原料利用率和產(chǎn)品附加值，進一步推動殼體副產(chǎn)物的高值化利用及循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

圖表賞析

圖文摘要

表2 NS和IES的粒徑分布

注：NS：未處理小龍蝦殼粉；IES：瞬時彈射蒸汽爆破處理小龍蝦殼粉；SSA：比表面積；D[4,3]：體積加權(quán)平均直徑；D[3,2]：表面積加權(quán)平均直徑；D50：中位粒徑。同一組內(nèi)，不同小寫上標(biāo)字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖1ICSE預(yù)處理對小龍蝦殼顏色特性的影響。A：ICSE 預(yù)處理前后的小龍蝦殼；B：亮度（L*）；C：紅–綠值（a*）；D：黃–藍值（b*）。NS：未處理的小龍蝦殼粉。同一組內(nèi)，不同小寫上標(biāo)字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖2ICSE預(yù)處理對小龍蝦殼表面和切面的微觀結(jié)構(gòu)影響。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 SEM 圖、表面特征及三維表面圖；B：表面粗糙度參數(shù) Ra 和 Rq；C：SEM 橫截面形貌特征；D：橫截面分形維數(shù)。NS：未處理的小龍蝦殼粉；IES-1：0.8 MPa 處理 3 min 的小龍蝦殼粉；IES-2：2.0 MPa 處理 3 min 的小龍蝦殼粉；IES-3：2.0 MPa 處理 7 min 的小龍蝦殼粉。Ra：算術(shù)平均粗糙度；Rq：均方根粗糙度。同一組內(nèi)，不同小寫上標(biāo)字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖3ICSE預(yù)處理對小龍蝦殼FTIR和XRD特性的影響。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 FTIR 光譜（650–4000 cm?1）；B：FTIR 光譜（750–1500 cm?1）；C：樣品的 XRD 圖譜。

圖4瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）預(yù)處理對小龍蝦殼熱穩(wěn)定性的影響。A: 熱重分析（TGA）；B: 微分熱重（DTG）；C: 差示掃描量熱（DSC）。

圖5瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）預(yù)處理聯(lián)合超聲輔助有機酸提取的作用機制

第一作者及團隊簡介

王宏，女，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院2023級食品科學(xué)與工程碩士研究生，主要研究方向為水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的高值化利用。

合肥工業(yè)大學(xué)陸劍鋒教授團隊長期致力于水產(chǎn)動物營養(yǎng)、水產(chǎn)品加工、貯藏保鮮與副產(chǎn)物高值化利用研究。該研究成果主要依托于合肥市農(nóng)業(yè)行業(yè)（小龍蝦加工）首席專家工作室，為我國小龍蝦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要技術(shù)保障，也為甲殼類副產(chǎn)物的綠色高值化利用拓展了新思路。該研究還獲得國家重點研發(fā)計劃（2023YFD2401500）、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（蝦蟹）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-48）以及安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（水產(chǎn)）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（AARS-08）等多個項目資金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biteb.2025.102522