羅非魚皮明膠的過氧化氫法提取工藝*

何虹，劉小玲，姜元欣，盛金鳳

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧，530004)

羅非魚皮明膠的過氧化氫法提取工藝*

何虹，劉小玲，姜元欣，盛金鳳

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧，530004)

考察了過氧化氫的添加及其濃度、提取溫度、提取時(shí)間等因素對(duì)羅非魚皮明膠的提取率和明膠黏度的影響。采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化顯著影響明膠提取率和明膠黏度的工藝參數(shù)，確定最佳提取工藝條件。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果為過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53℃、提取時(shí)間4.6 h，此條件下明膠提取率達(dá)87.71%，黏度達(dá)8.90(mpa·s)。

羅非魚皮，明膠，過氧化氫，響應(yīng)面分析

明膠是指動(dòng)物結(jié)締組織(如骨、皮、腱等)經(jīng)熱水熬制提取出的一類具有膠凝性的膠原纖維降解產(chǎn)物的總稱。明膠可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健、食品加工、化妝品、化工、感光材料等眾多領(lǐng)域[1-3］。近年來，隨著明膠用途的擴(kuò)大，明膠需求量日益遞增，再加上瘋牛病、豬口蹄疫的傳染所造成的安全性危機(jī)以及宗教習(xí)俗等原因[4］，人們開始尋求從水生動(dòng)物尤其是魚類組織中提取明膠。

羅非魚目前是世界漁業(yè)養(yǎng)殖的主要魚種，我國羅非魚產(chǎn)量居世界第一[5］。羅非魚片加工中產(chǎn)生大量的魚皮等下腳料，是提取明膠的良好原料。有效利用這些加工副產(chǎn)物既可提高魚類的綜合利用價(jià)值，減少環(huán)境污染，又能拓寬明膠的原料來源和增加明膠產(chǎn)品的選擇性，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

過氧化氫是一種氧化劑，通常在明膠生產(chǎn)的后續(xù)工段做漂白和殺菌劑使用[6］。課題組在前期對(duì)雞骨明膠的研究中發(fā)現(xiàn)，在加熱熬膠過程中添加適量的過氧化氫能夠有效促進(jìn)膠原降解，縮短明膠提取周期，提高出膠率[7］。然而，由于原料來源的不同或膠原纖維組織來源的差異，膠原的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不同，從而明膠制備工藝和條件有較大的差異?；诖耍緦?shí)驗(yàn)探討了過氧化氫的添加對(duì)羅非魚皮提取明膠的影響，并采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化過氧化氫法制備明膠工藝參數(shù)，為工業(yè)化高效生產(chǎn)魚皮明膠提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍羅非魚皮:百洋水產(chǎn)集團(tuán)股份有限公司提供;

氫氧化鈣、過氧化氫(30%)等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SGJ-A數(shù)顯恒溫磁力攪拌水箱:金壇市水北創(chuàng)興儀器廠;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:安徽東南儀誠實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司;101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱:中國上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;1831奧氏黏度計(jì):上海耶茂儀器儀表有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 明膠的提取工藝流程

冷凍羅非魚魚皮→解凍→洗滌脫脂→浸灰→水洗→熬膠→過濾→真空濃縮→干燥→粉碎→羅非魚皮明膠

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在羅非魚皮明膠的制備過程中，分別考察浸灰工序的時(shí)間、熬膠工序中的過氧化氫添加量、料液比、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)明膠提取率和黏度的影響，并進(jìn)行方差分析考查以上因素是否對(duì)明膠的提取率和粘度有顯著性影響。

1.3.3 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇對(duì)提取明膠效率質(zhì)量影響較大的3個(gè)因素為自變量，每一自變量分別設(shè)置低、中、高試驗(yàn)水平，以明膠提取率和黏度為響應(yīng)值Y1、Y2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并用響應(yīng)面分析自變量與響應(yīng)值間的變化規(guī)律。

1.3.4 指標(biāo)分析

1.3.4.1 明膠提取率

明膠提取率表達(dá)為提取得到的明膠質(zhì)量與魚皮原料質(zhì)量之比(相同干燥條件)，即:

明膠提取率/%=(明膠干重/魚皮干重)×100

1.3.4.2 黏度測定

參見文獻(xiàn)[8］。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和單因素方差分析(P＜0.05);Design-Expert 7.0 Trial軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸灰工藝對(duì)明膠提取的影響

浸灰即在明膠制造上用石灰乳處理骨蛋白質(zhì)或經(jīng)過洗滌的皮。由圖1可見，隨魚皮浸灰時(shí)間的增加，明膠提取率增加，浸灰4d后提取率增加趨于平緩，而浸灰6d時(shí)提取的明膠黏度最佳。浸灰能夠提高魚皮原料膠原的純度，破壞膠原纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于膠原纖維加熱時(shí)明膠的釋放。隨著浸灰時(shí)間的延長，會(huì)引起膠原纖維的部分降解，黏度下降。綜合考慮選擇浸灰6d的魚皮進(jìn)行明膠提取。

圖1 浸灰時(shí)間對(duì)明膠提取率和黏度的影響

圖2 過氧化氫濃度對(duì)明膠提取率和黏度的影響

2.2 過氧化氫對(duì)明膠提取效果的影響

由圖2可見，不添加H2O2時(shí)，明膠提取率最低，提取率隨著H2O2濃度增大而增加。黏度則在H2O2濃度為0.05 mmol/g時(shí)最大，此后則隨添加量增加而減小。H2O2是一種氧化劑，可以隨機(jī)破壞膠原的次級(jí)鍵、肽鍵及其易氧化的氨基酸，使膠原纖維的晶體結(jié)構(gòu)破壞，從而加速膠原向明膠轉(zhuǎn)變。因此隨著添加量的增加提取率增加，而進(jìn)一步降解則會(huì)使明膠向小分子肽轉(zhuǎn)變使黏度減小[5］。過氧化氫對(duì)明膠提取率和質(zhì)量有顯著影響(P＜0.01)，故選取H2O2濃度的優(yōu)化范圍為0.05～0.10 mmol/g。

2.3 料液比對(duì)明膠提取效果的影響

明膠的提取需要水作為溶劑，水的添加量過低時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)物料均勻攪拌，過高時(shí)又因濃縮需要脫除水而增加能耗。由圖3可知，提取率在料液比為1∶6時(shí)較大，而在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同料液比對(duì)明膠黏度影響差異不大(P＞0.05)。同時(shí)考慮到后續(xù)濃縮效率，選取料液比1∶6制備明膠。

圖3 料液比對(duì)明膠提取率和黏度的影響

2.4 提取溫度對(duì)明膠提取效果的影響

明膠提取率和黏度隨提取溫度的變化如圖4所示。

圖4 提取溫度對(duì)明膠提取率和黏度的影響

由圖4可見，低于45℃時(shí)，只有相當(dāng)少量的膠原纖維轉(zhuǎn)化成明膠，產(chǎn)率極低。當(dāng)溫度高于45℃以上時(shí)，隨著溫度提高，提取率和黏度增大，高于55℃，溫度的增長對(duì)提取率和黏度變化減緩。在膠原纖維的熱收縮溫度以上的水溶液中加熱，可促進(jìn)膠原聚集態(tài)結(jié)構(gòu)破壞，三股螺旋解鏈，使膠原分子的單鏈、雙鏈、及少量聚集體和單鏈斷裂組分進(jìn)入溶液，不溶性膠原纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槊髂z[9］。提取溫度對(duì)明膠質(zhì)量效率有顯著影響(P＜0.01)，為減少能耗，選擇50～55℃進(jìn)一步優(yōu)化提取溫度。

2.5 提取時(shí)間對(duì)明膠提取效果的影響

由圖5可見，明膠提取率隨著提取時(shí)間延長而增加，而粘度隨提取時(shí)間延長而提高，在5.5 h達(dá)到最大值8.36(mPa·s)后開始下降。當(dāng)維持膠原纖維蛋白聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵被破壞時(shí)，解聚為膠原α鏈、或其二聚體β和三聚體γ鏈，就變成可溶性的明膠。當(dāng)明膠在熱力和過氧化氫的雙重作用下，解聚的膠原肽鏈被進(jìn)一步水解而形成小分子段的胨、肽甚至氨基酸而黏度下降[10］。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在反應(yīng)達(dá)到5 h后，后一步的變化開始顯現(xiàn)。提取時(shí)間對(duì)明膠的提取效果有顯著影響(P＜0.05)，為在保證高黏度的明膠質(zhì)量前提下獲得較高的提取率，進(jìn)一步在3～5 h內(nèi)優(yōu)化提取時(shí)間。

黏度的影響

2.6 明膠提取工藝的優(yōu)化

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的顯著性分析，對(duì)影響明膠提取率和黏度影響顯著的3個(gè)因素，采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示，對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行方差分析見表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

根據(jù)方差結(jié)果分析得到擬合方程為:

Y1(提取率)=83.21+23.81A+0.41B+7.04C+1.28AB-0.57AC+0.81BC-27.84A2+3.00 B2-0.92C2

Y2(黏度)=8.38+0.67 A+0.27 B-0.48C-0.12A B-0.015 AC-1.09BC-2.49 A2-0.63 B2-1.37 C2

從模型方差分析表3可知，提取率和黏度的擬合模型分別為極顯著和顯著水平。經(jīng)Design-Expert 7.0 Trial軟件分析得到，提取率方差分析預(yù)測的R2(0.9837)與校正的R2(0.9627)相差很小，說明數(shù)學(xué)擬合模型與試驗(yàn)實(shí)測值能很好的擬合，黏度方差分析預(yù)測的R2(0.8726)與校正的R2(0.7089)相差不大，說明數(shù)學(xué)擬合模型與試驗(yàn)實(shí)測值能較好的擬合。由F值大小比較可知，影響明膠提取率和黏度的主要因素主次順序都為A＞C＞B，即浸提溫度影響大于過氧化氫濃度，浸提時(shí)間影響最小。

雙因素的交互作用與明膠提取率和黏度的效應(yīng)關(guān)系如圖6響應(yīng)面所示。由圖6可見，當(dāng)過氧化氫濃度保持0水平時(shí)，提取溫度對(duì)羅非魚明膠提取率和黏度的影響都很大，隨著溫度升高，明膠提取率和黏度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。此外，黏度受過氧化氫變化影響也較為敏感。從曲面可知，過氧化氫濃度和時(shí)間二因素對(duì)黏度還有一定的交互作用，而過氧化氫濃度和溫度對(duì)黏度基本無交互作用。

圖6 羅非魚皮明膠提取優(yōu)化的響應(yīng)面分析圖

對(duì)提取率和黏度均取最大值，由軟件自動(dòng)分析得到的優(yōu)化提取條件為:過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53.16℃、浸提時(shí)間4.63 h，此條件下明膠提取率和黏度的理論值分別達(dá)到87.5%和8.48(mPa·s)。為方便實(shí)際操作，選取提取溫度53℃、浸提時(shí)間4.6 h、過氧化氫濃度為0.07 mmol/g，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，明膠提取率和黏度的分別為87.71%和8.90(mPa·s)，與理論值87.53%和8.48(mPa·s)接近，說明采用該數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化參數(shù)可高效制備優(yōu)質(zhì)明膠。

Cheow[11］采用黃花魚及和長身圓鲹制取明膠的產(chǎn)率分別為14.3%和7.25%。Jamilah[12］分別以紅、黑羅非魚皮制備明膠的產(chǎn)率分別為7.81% 和5.39%。Jamilah等[13］用3種魚皮在48℃過夜制備明膠，得到最高產(chǎn)率和黏度分別為39.97%和8.21(mPa·s)。Soung-Hun Cho 等[14］用斑鰩魚皮在不同條件下制備明膠產(chǎn)率不超過17%。謝詳?shù)萚15］優(yōu)化巴沙魚皮制膠工藝在50℃提取4h得到明膠得率為75.15%，明膠黏度為3.166(mPa·s);于洋等[16］用羅非魚皮在80℃提取8 h的明膠產(chǎn)率和黏度分別為47.54%和6.14(mPa·s);劉小玲等[7］從雞骨骨素骨提取明膠，在70℃下反應(yīng)3h提取率達(dá)50%，黏度4.43(mPa·s)。由此可見，本實(shí)驗(yàn)采取的明膠制備方法與這些報(bào)道的方法相比，不僅提取條件溫和(溫度較低，提取時(shí)間短)，而且明膠的提取產(chǎn)率高，明膠的黏度指標(biāo)值也明顯勝出。

3 結(jié)論

羅非魚皮是一種具有重要開發(fā)價(jià)值的淡水水產(chǎn)加工副產(chǎn)物，本課題組采用優(yōu)化的過氧化氫法提取條件制備的羅非魚皮明膠，提取溫度溫和，提取時(shí)間短，明膠提取率高，產(chǎn)品黏度高。與已有的讞相比，魚明膠的提取效率和明膠重要性能指標(biāo)——黏度有顯著提高?？梢?，過氧化氫法提取明膠具有適用性，但不同原料來源、工藝條件和參數(shù)有一定差異，通過響應(yīng)面試驗(yàn)將其提取工藝優(yōu)化到較好的水平。

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ABSTRACTThe effect of H2O2concentration，extraction temperature，extraction time on the yield and viscosity of tilapia skin gelatin extraction were studied by one-factor-at-a-time experiment and Response Surface Methodology(RSM).Results showed that the optimum conditions were:H2O2concentration 0.07mmol/g，extraction temperature 53℃ and extraction time 4.6 hour.Under these conditions，the gelatin yield and gelatin viscosity were 87.71%and 8.90(mPa·s)，respectively.

Key wordstilapia fish skin，gelatin，hydrogen peroxide，response surface methodology

Research on Gelatin Extraction from Tilapia Skin with Hydrogen Peroxide

He Hong，Liu Xiao-ling，Jiang Yuan-xin，Sheng Jin-feng
(College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

碩士研究生(劉小玲教授為通訊作者)。

*國家自然科學(xué)基金(AE120009);廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻11107005-2)

2012-01-05，改回日期:2012-03-27