合肥工业大学陆剑锋教授团队：瞬时弹射蒸汽爆破预处理结合超声辅助有机酸提取实现小龙虾壳钙的高效回收
导读
小龙虾（Procambarus clarkii）因其独特风味以及高蛋白、低脂肪的营养特性，已成为我国淡水水产养殖与食品加工领域的重要经济物种。然而，小龙虾加工过程中会产生大量壳体废弃物，其质量约占原料总量的40%–60%。若处置不当，这类废弃物极易引发异味扩散、环境污染及生态破坏，严重制约产业的可持续发展。其中，壳体中钙质等资源的绿色、高效回收仍面临关键技术瓶颈。
针对传统强酸脱矿法依赖高浓度无机酸、存在设备腐蚀严重、废水处理负担重且易破坏壳体中几丁质、蛋白质等天然大分子结构的问题，合肥工业大学食品与生物工程学院陆剑锋教授团队从绿色加工与高值化利用的角度出发，提出一种以瞬时弹射蒸汽爆破（Instant Catapult Steam Explosion，ICSE）为核心的创新型物理预处理技术，并与温和有机酸提取相结合的钙回收新策略。近日，该成果已发表于《Bioresource Technology Reports》（JCR 1区，IF 2025=4.3）。通过调控ICSE 预处理压力与时间参数，可有效破坏壳体致密的微观结构，降低颗粒尺度并改善内部传质特性，从而为后续钙的溶出与选择性释放创造有利条件。
研究表明，适当的瞬时爆破预处理能够显著提高壳体中钙的可提取性；同时，在提取过程中可在局部形成钙离子过饱和的液相环境，动力学上促进亚稳态、易溶解文石晶型的生成，从而在弱酸体系下实现钙的高效回收。该研究实现了钙资源的高效回收与高值化利用，为甲壳类加工废弃物的资源化利用提供了新的研究思路和技术路径，对推动水产副产物的绿色加工与可持续开发具重要参考价值。
研究亮点
•开发了一种从小龙虾壳中高效提取钙的工艺。
• 瞬时弹射蒸汽爆破（ICSE）处理使壳体粒径最大降低56.03%。
• ICSE 预处理使壳体中钙的相对含量提高了16.4%。
• ICSE 预处理实现了小龙虾壳中超过98%的钙提取率。
研究结论
该研究证实，ICSE预处理可显著促进小龙虾壳粉中钙的高效回收。具体而言，在ICSE处理条件为2.0 MPa、3 min时，高压蒸汽的瞬时释放产生了强烈的剪切作用，使壳粉粒径显著降低至97.29 μm，比表面积提高至0.22 m²/g，同时热降解起始温度降低，钙的溶解性显著增强。在此基础上，结合超声辅助乙酸提取工艺，钙的提取率最高可达 98.84%。研究结果表明，适度的 ICSE 预处理有利于促进虾壳壳体中钙的高效释放。
该研究提出了一种新颖且可行的绿色钙回收策略，为甲壳类壳体废弃物的高值化利用提供了良好的应用前景。从工业应用角度来看，钙资源的回收不仅有助于降低废弃物处理成本和原料消耗，还可将回收的钙转化为食品级或工业级产品，从而提升原料利用率和产品附加值，进一步推动壳体副产物的高值化利用及循环经济的发展。
图表赏析
图文摘要
表2 NS和IES的粒径分布
注：NS：未处理小龙虾壳粉；IES：瞬时弹射蒸汽爆破处理小龙虾壳粉；SSA：比表面积；D[4,3]：体积加权平均直径；D[3,2]：表面积加权平均直径；D50：中位粒径。同一组内，不同小写上标字母表示差异显著（P < 0.05）。
图1ICSE预处理对小龙虾壳颜色特性的影响。A：ICSE 预处理前后的小龙虾壳；B：亮度（L*）；C：红–绿值（a*）；D：黄–蓝值（b*）。NS：未处理的小龙虾壳粉。同一组内，不同小写上标字母表示差异显著（P < 0.05）。
图2ICSE预处理对小龙虾壳表面和切面的微观结构影响。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 SEM 图、表面特征及三维表面图；B：表面粗糙度参数 Ra 和 Rq；C：SEM 横截面形貌特征；D：横截面分形维数。NS：未处理的小龙虾壳粉；IES-1：0.8 MPa 处理 3 min 的小龙虾壳粉；IES-2：2.0 MPa 处理 3 min 的小龙虾壳粉；IES-3：2.0 MPa 处理 7 min 的小龙虾壳粉。Ra：算术平均粗糙度；Rq：均方根粗糙度。同一组内，不同小写上标字母表示差异显著（P < 0.05）。
图3ICSE预处理对小龙虾壳FTIR和XRD特性的影响。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 FTIR 光谱（650–4000 cm⁻¹）；B：FTIR 光谱（750–1500 cm⁻¹）；C：样品的 XRD 图谱。
图4瞬时弹射蒸汽爆破（ICSE）预处理对小龙虾壳热稳定性的影响。A: 热重分析（TGA）；B: 微分热重（DTG）；C: 差示扫描量热（DSC）。
图5瞬时弹射蒸汽爆破（ICSE）预处理联合超声辅助有机酸提取的作用机制
第一作者及团队简介
王宏，女，现为合肥工业大学食品与生物工程学院2023级食品科学与工程硕士研究生，主要研究方向为水产品加工副产物的高值化利用。
合肥工业大学陆剑锋教授团队长期致力于水产动物营养、水产品加工、贮藏保鲜与副产物高值化利用研究。该研究成果主要依托于合肥市农业行业（小龙虾加工）首席专家工作室，为我国小龙虾产业的可持续发展提供了重要技术保障，也为甲壳类副产物的绿色高值化利用拓展了新思路。该研究还获得国家重点研发计划（2023YFD2401500）、国家现代农业（虾蟹）产业技术体系（CARS-48）以及安徽省现代农业（水产）产业技术体系（AARS-08）等多个项目资金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biteb.2025.102522
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