将废弃的海鲜壳转换为含氮丰富的化合物对环境和经济都有好处。每年，全世界都扔掉6万～8万吨螃蟹壳、草虾壳和龙虾壳，其中有1.5万吨扔在了东南亚。金枪鱼重量的75%都可以做成鱼片，但是螃蟹肉只占螃蟹重量的40%。

在发展中国家，废弃的海鲜壳常常倾倒在垃圾场或者海洋里了事。在发达国家，处置这些废弃物可不便宜，以澳大利亚为例，处理一吨壳废物就得花上150美金。

然而，海鲜壳富含有用的化学物质——蛋白质、碳酸钙和壳多糖。壳多糖是一种类似纤维素的聚合物，富含氮元素。没有人注意到这些海鲜壳对于化工产业的潜在价值。为此，科学家需要找出可持续的方法来精炼甲壳动物的贝壳，政府和企业也需要投资这些量大便宜的可再生资源的利用。

每吨风干的草虾壳价值100美元～120美元。草虾壳磨碎后的粉末可用作动物饲料添加剂、诱饵和肥料，或者用来生产壳多糖。甲壳纲动物的壳含有20%～40%的蛋白质，20%～50%的碳酸钙，15%～40%的壳多糖。这些成分可以用来做什么呢？

蛋白质

蛋白质是很好的动物饲料。例如，对虾壳含有全部的必需氨基酸，营养价值可以跟大豆粉媲美。世界银行的数据显示，随着畜牧业快速发展，如果东南亚地区废弃的甲壳纲动物壳能转化为富含蛋白质的动物饲料，每年就能创造1亿美元以上的市场价值。

碳酸钙

碳酸钙广泛应用于制药、农业、建筑和造纸行业。目前它主要来源于大理石、石灰岩等矿物资源，虽然来源丰富但是可能含有难以去除的重金属。海鲜壳中的白垩更适合人类使用，可作为药片成分。

如果东南亚地区的甲壳纲动物海鲜壳能转化为最便宜的粗糙的碳酸钙颗粒，每年的市场价值约有4500万美元。

壳多糖

壳多糖是一种线性聚合物，全球废弃量在天然生物聚合物中仅次于纤维素。它存在于真菌、浮游生物、昆虫和甲壳纲动物的外骨骼中，每年从生物体中产生的量大约有1000亿吨。目前，壳多糖和它的水溶性衍生物壳聚糖，仅仅用于化工行业的小众市场，例如化妆品、纺织品、水处理和生物医学行业。它的潜在市场更大。

不像纤维素这样的生物大分子，壳多糖含有氮元素。含氮化合物广泛应用于制药、二氧化碳固定、纺织行业等等，对现代生活至关重要。例如，含氮的有机物吡嗪对市场上销售量最好的几个药物如佐匹克隆（治疗失眠）、伐尼克兰（治疗尼古丁成瘾）就必不可少。乙醇胺用于发电厂隔绝二氧化碳、亲肤香皂、家庭清洁用品和表面活性剂。含氮化合物拥有巨大的市场，全球每年大约消耗200万吨乙醇胺，年销售额大约35亿美元。

工业上生产含氮化合物需要消耗矿物燃料和大量能源。氮气首先通过哈伯法（Haber process）转换成胺，但反应效率低下为人诟病。仅仅是这一道工序就要消耗全球2%～3%的能源。每消耗1摩尔氮气，需要消耗来自矿物燃料的3摩尔氢气。进一步的处理工艺也很复杂，花钱不少。

以壳多糖为起点来合成乙醇胺可能更合适。该聚合物已经含有碳、氮、氧，仅需要一步反应即可制成乙醇胺。乙醇胺再发生一步反应又可以得到另外五种化合物，反应越多，产物也越多。然而，目前为止，这样的反应仅在实验室内小规模实现。

化学挑战

现有的从废弃的海鲜壳中提取化学物质的工艺方法对环境有害，既费钱又费料。常用的分离方法为分馏法。分离蛋白质的试剂是有刺激性的有毒溶剂。为了制造壳聚糖，需要用40%氢氧化钠处理壳多糖。从虾壳中生产1千克壳聚糖需要用水1吨以上。

结果，尽管原材料很便宜，1千克质量较好的壳聚糖也可以卖到200美金。全球的精制壳多糖用量较少，每年仅1万吨，主要用于制造薄膜、药品、食品和化妆品。壳多糖的生产厂家也很少，中国、日本、泰国和印度尼西亚还有几家。把壳多糖和壳聚糖转化为其他化学品又有其他问题。天然的壳多糖是结晶体，一般试剂很难处理。在苛刻的反应条件下，壳多糖的聚合链也很容易发生副反应，产生无数的复杂化合物，从反应器中提纯产品甭提有多麻烦了。

利用壳废料建立一个利润可观的可持续发展产业需要创造性地采用化学工艺，需要可持续的分瘤法来分离蛋白质、碳酸钙和壳多糖，避免使用腐蚀剂或危险试剂，最大程度减少浪费。

新技术已经萌芽了。新世纪初，墨西哥和英国研究人员提出了生产壳多糖的乳酸发酵工艺，能在单一反应器中转化30千克～50千克壳废料。英国、美国和中国的研究人员则研发出了一种能消耗蛋白质、分解碳酸钙的细菌混合物。蛋白水解物和乳酸钙作为副产品，可用于生产动物饲料和钙补充剂。

科学家还可以设计和使用离子液体。这种液体能溶解碳水化合物聚合物和提取壳多糖。利用这种方式产生的壳多糖聚合物是长链的高分子化合物，可制成伤口敷料或纤维、薄膜。

研究人员还需要探索不用溶剂的物理方法分离动物壳中的化学成分。球磨法能磨细贝壳、破坏晶体。把化学力和机械力结合起来效果可能更好。比如，酸性催化剂加上球磨法即可在无需加热的条件下分解木材。

将壳多糖转变为乙醇胺衍生物或呋喃等含氮化学品的技术尚在早期阶段，但发展迅速，可能至少还要5年才能扩大规模，然后再用10年走上市场。未来还要探索如何把壳多糖转变成其他化学品，想办法提高催化和预处理效率、简化产品分离流程，从而提高产量。

壳废物的生物炼制将为东南亚和其他地区创造新的产业契机。新加坡国立大学化学与生物分子工程系的Ning Yan教授建议开发一套壳废物精炼工艺管线，正如木质生物质能在一套设备中被分离和转化为不同产品。这样的发展需要多学科合作，需要政府和化工燃料产业提供资金支持，需要全世界的科学家在基础研究中攻克技术难关。

(作者：陈晓龙、邱梅)

参考文献：Nature 2015;524:155-157