酶法制備明膠過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化

宋艾青

（普邦明膠（溫州）有限公司，浙江溫州 325401）

酶法制備明膠過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化

宋艾青

（普邦明膠（溫州）有限公司，浙江溫州 325401）

摘 要：明膠是膠原蛋白部分水解的產(chǎn)物，是從動物的皮、骨等結(jié)締組織中提取而成，廣泛應(yīng)用于感光材料、藥品和食品中。為達(dá)到提高明膠的產(chǎn)率和質(zhì)量的目的，采用酶法制備明膠，對胃蛋白酶酶酶解過程進(jìn)行了研究，并對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最終得出了最佳的工藝參數(shù)為使用胃蛋白酶酶解，酶解的初始pH為2～ 3；間歇攪拌，反應(yīng)時(shí)間為5 h～6 h；酶用量為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的初始pH為5，溶膠溫度為70℃→75℃→85℃；攪拌速度為20 r/min～40 r/min。在此條件下，明膠產(chǎn)率可以達(dá)到20.37%，黏度可達(dá)9.53mPa·s，提高了明膠的產(chǎn)率和質(zhì)量，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：明膠；中性蛋白酶；工藝優(yōu)化

明膠是一種從動物的骨、生皮、肌腱、膜等結(jié)締組織的生膠質(zhì)（又稱膠原）中提取出來的蛋白質(zhì)，其分子量從幾萬到十幾萬不等[1]，具有美容、抗衰老功效，還有止瀉和再生作用等[2]。

傳統(tǒng)的明膠提取方法主要有堿法、酸法、鹽堿法和酸鹽法，但這些方法卻有著生產(chǎn)周期長，污染較大的缺點(diǎn)[3]，因此酶法制備明膠是較為理想的選擇，本研究選用胃蛋白酶對酶法制備明膠的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以期更方便快捷的獲得明膠產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍豬皮（生豬皮）；中性蛋白酶，脂肪酶，胃蛋白酶，氯化鈉（分析純），尿素（分析純），氯化鈣（分析純），無水亞硫酸鈉（分析純），無水碳酸鈉（分析純）。

電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海有限公司）；5800-05 型溶液分析儀：Cole-Parmer instrument Co.；4-018-019型烏氏粘度儀：上海亞太技術(shù)玻璃公司；溫度計(jì)、電動攪拌器：上海梅英浦儀器表制造有限公司；干燥箱：天津天宇機(jī)電有限公司，實(shí)驗(yàn)儀器凍干設(shè)備分公司；TDL-5-A離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器。

1.2 酶法制備工藝

皮料預(yù)處理→酶解→酶鈍化→膠解→溶膠→分離純化→制取成品[4]

1.3 測定方法

1.3.1 明膠產(chǎn)率的測定

1）測定方法：將膠液裝于確定大小的恒重容器中反復(fù)加熱，直至膠液干燥并置于烘箱中烘烤一段時(shí)間，直到前后兩次稱重相差不超過0.003 g為止，即為恒重。

由于明膠，特別是粉末狀態(tài)的明膠，受周圍空氣濕度的影響會很快地改變本身的水分含量，所以對明膠的粉碎或取樣都不宜耽擱過久，空氣也不宜太干太濕，取樣后應(yīng)迅速裝在密封的器皿里，直到稱量時(shí)才能取出，否則，測得的結(jié)果，也就不夠準(zhǔn)確。

2）計(jì)算公式：明膠產(chǎn)率=（明膠干重/生皮質(zhì)量）×100%

1.3.2 明膠黏度的測定方法

使用烏氏黏度計(jì)進(jìn)行測定（烏氏黏度計(jì)算公式：η =Kρt，式中：η 為動力黏度（Pa·s）；K 為黏度常數(shù)（0.040 42 mm2/s2）；ρ為待測明膠在 60℃時(shí)的密度；t為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.67%的明膠溶液（絕對干膠溶液）流過烏氏黏度計(jì)兩條刻度線的時(shí)間間隔。

2 結(jié)果和討論

2.1 溶膠過程中攪拌速度對明膠制備的影響

酶解過程中胃蛋白酶處理的初始pH為3，間斷攪拌，反應(yīng)時(shí)間為6 h，M為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的初始pH為5，溶膠溫度取為70℃→75℃→85℃。在此條件下，改變?nèi)苣z過程中攪拌速度n分別設(shè)定為 0、20、40、60、100 r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 溶膠過程中攪拌速度對明膠制備的影響Fig.1 Effect of stirring speed on gelatin preparation

由圖1可知，當(dāng)攪拌速度n為20 r/min時(shí)，產(chǎn)物明膠的黏度最大；當(dāng)攪拌速度n為40 r/min時(shí)，明膠產(chǎn)率最大。這說明，適當(dāng)攪拌有利于溶膠過程：但攪拌速度過大時(shí)，黏度呈下降趨勢，可能因?yàn)檫^大的攪速會在一定程度破壞明膠的結(jié)構(gòu)，使其分子量下降，黏度降低。所以溶膠過程中攪拌速度n應(yīng)取為20r/min～40r/min。

2.2 酶解過程中攪拌速度的影響

設(shè)定在酶解過程的初始pH為3，反應(yīng)時(shí)間為7 h，胃蛋白酶用量M為0.50 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的初始pH為4，溶膠溫度為80℃，攪拌速度分別設(shè)置為 0、間歇攪拌，20、60、100 r/min，結(jié)果如表 1 所示。

由表1可知在進(jìn)行間斷攪拌時(shí)，產(chǎn)率和黏度都較高，這可能是由于間歇攪拌比不攪拌時(shí)讓皮料與酶能夠更好地接觸，但攪拌速度過大時(shí)會造成部分膠原蛋白的損失，使進(jìn)入溶膠的皮料減少，所得明膠產(chǎn)率下降。所以酶解過程應(yīng)采取間歇攪拌。

表1 酶解過程中攪拌速度對明膠制備的影響Table 1 Effect of stirring speed during enzymolysis on gelatin preparation

2.3 溶膠過程初始pH的影響

設(shè)定酶解過程的初始pH為3，間歇攪拌，反應(yīng)時(shí)間為6 h，M用量為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的溫度為80℃，攪拌速度為20 r/min。在此條件下，改變?nèi)苣z過程的初始pH，設(shè)定5個(gè)pH水平，分別為：3、4、5、6、7。所得結(jié)果如下圖 2 所示。

圖2 溶膠過程的初始pH對明膠制備的影響Fig.2 Effect of pH value on gelatin preparation

由圖2可知，當(dāng)初始pH為5時(shí)，所得明膠的產(chǎn)率、黏度值都最大。所以，溶膠過程的初始pH取為5。

2.4 酶解過程胃蛋白酶用量M的影響

酶解過程中胃蛋白酶處理的初始pH為3，間歇攪拌，反應(yīng)時(shí)間為6 h；溶膠過程的初始pH為4，溶膠溫度為80℃，攪拌速度n為20 r/min。在此條件下，設(shè)置不同的胃蛋白酶用量分別為 0.10、0.20、0.25、0.30、0.50 g（以每公斤生皮計(jì)），結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，明膠的產(chǎn)率和黏度在一定時(shí)間內(nèi)隨著用量的增加比較明顯，到0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）附近時(shí)達(dá)到最大，再增加酶用量，明膠產(chǎn)率沒有明顯增加，因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮，當(dāng)酶用量取為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）最為理想。

2.5 酶解過程反應(yīng)時(shí)間的影響

圖3 胃蛋白酶用量M對明膠制備的影響Fig.3 Effect of dosage of pepase on gelatin preparation

酶解過程中胃蛋白酶處理的初始pH為3，間歇攪拌，M為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的初始pH為4，溶膠溫度為80℃，攪拌速度n為20 r/min。在此條件下，酶解過程反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)定為 3、4、5、6、7、9、12 h，得到的結(jié)果如圖 4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對明膠制備的影響Fig.4 Effect of response time on gelatin preparation

由圖4知，當(dāng)酶解時(shí)間（或反應(yīng)時(shí)間）為6 h時(shí)，所得明膠的產(chǎn)率最大。分析原因，當(dāng)酶解時(shí)間較短時(shí)，復(fù)合酶對皮料的降解不完全，使溶膠時(shí)出膠少，明膠產(chǎn)率低；酶解時(shí)間過長時(shí)，膠原蛋白被過度降解，皮料表層蛋白容易脫落，從而造成膠原蛋白的損失，使產(chǎn)率下降。當(dāng)酶解時(shí)間為6 h時(shí)，產(chǎn)物明膠的黏度最大（其原因可能是酶解時(shí)間太短時(shí)，處理效果不好，不能獲得黏度較大、質(zhì)量較好的明膠產(chǎn)物；而酶解時(shí)間過長可能會使膠原蛋白過度降解，所得明膠的黏度和分子量均下降）。所以酶解時(shí)間應(yīng)取為5 h～6 h。

2.6 溶膠過程中溶膠溫度的影響

設(shè)定酶解過程中的胃蛋白酶處理的初始pH為3，間歇攪拌，反應(yīng)時(shí)間為6 h，M為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程初始pH為5，攪拌速度n為20 r/min。在此條件下，改變?nèi)苣z溫度，分別設(shè)為70℃，80℃，70℃→80℃，70℃→75℃→80℃，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，溶膠溫度為70℃→75℃→80℃時(shí)，所得明膠的產(chǎn)率、黏度都最大。這說明分級溶膠（即逐漸提高溫度溶膠）有利于獲得高產(chǎn)率和黏度的明膠。因而溶膠溫度取為70℃→75℃→85℃。

表2 攪拌溫度對明膠制備的影響Table 2 Effect of stirring temperature on gelatin preparation

2.7 胃蛋白酶處理的初始pH對明膠制備的影響

固定酶解過程的其他條件：酶解反應(yīng)時(shí)間定為6h，不攪拌，胃蛋白酶的用量為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）：溶膠過程的初始pH為4，攪拌速度為20 r/min，溶膠溫度為80℃，。在此條件下，設(shè)置了4個(gè)pH水平分別為1、2、3、4。結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 胃蛋白酶處理的的初始pH對明膠制備的影響Fig.5 Effect of the initial pH value of enzymolysis on gelatin preparation

黏度是衡量明膠性能的重要指標(biāo)，通常黏度越大，明膠的質(zhì)量越好。由圖5可知，當(dāng)初始pH為3時(shí)，產(chǎn)物明膠的黏度最大；當(dāng)初始pH為2時(shí)產(chǎn)率最大。綜合可知，pH應(yīng)取2～3。

3 結(jié)論

提膠的主要影響因素有溫度、時(shí)間與pH。如果明膠水溶液長時(shí)間地加熱，還會進(jìn)一步水解（降解）[5-6]。因此，要制取高檔明膠，必須控制水解。本研究對酶法制膠工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：酶解過程胃蛋白酶處理的初始pH為2～3，間歇攪拌，反應(yīng)時(shí)間為5 h～6 h，胃蛋白酶的用量為0.28 g（以每公斤生皮計(jì)）；溶膠過程的初始pH為5，溶膠溫度為70℃→75℃→85℃，攪拌速度n應(yīng)取為20 r/min～40 r/min。在此條件下，明膠產(chǎn)率可以達(dá)到20.37%，黏度可達(dá)9.53 mPa·s。并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重現(xiàn)性較好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

隨著明膠在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，明膠的需求量將日益增多且價(jià)格也與日俱增，因此更快捷有效地生產(chǎn)酶制劑的方法更顯的很有必要。酶法制備明膠比傳統(tǒng)方法具有周期短，污染少的優(yōu)點(diǎn)，對酶法制明膠工藝參數(shù)的優(yōu)化，提高了明膠的產(chǎn)率。同時(shí)，本研究也將明膠黏度作為一項(xiàng)考察指標(biāo)，因此也提高了明膠的質(zhì)量，為明膠的提取技術(shù)提供了理論依據(jù)。

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[1]郭燕峰．膠原明膠相關(guān)的新技術(shù)進(jìn)展[J]．明膠科學(xué)與技術(shù),2006,26(2):97－98

[2]楊和超.北鎮(zhèn)五香豬蹄-老年人的保健佳品[J].肉類研究,1993(4):51

[3]杜敏,南慶賢.豬皮膠原蛋白的制備及其在食品中應(yīng)用[J].食品科學(xué),1994(7):36

[4]張鋒,施輝陽,張鵬.酶法制備明膠的新工藝研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,30(1):9-12

[5]陳其康.骨明膠生產(chǎn)工藝[J].明膠科學(xué)與技術(shù),2000,20(4):180-187

[6]鄧文.明膠生產(chǎn)工藝的要點(diǎn)[J].明膠科學(xué)與技術(shù),1998,18(3):138-140

Process Optimization of Gelatin Preparation with Enzyme

SONG Ai-qing
（PB Gelatins/PB Leiner Wenzhou Company，Wenzhou 325401，Zhejiang，China）

Abstract：Gelatin is a production of collagen by moderate decomposition and denaturalization， which was extracted from the skins of animals.It is widely used in sensitive materials， medicine，food and other industry.The process for preparation of gelatin with pepsase was studied，and parameters of the process were optimized.The enzymolysis were conducted at pH of 2 to 3 with batch-type stirring for 5 hours to 6 hours and the dosage of pepase was 0.28 g/（kg peltry）.The initial pH for dissolution was 5 and the temperature was altered from 70 ℃ to 75℃ and finally 85℃ with stirring speed at 20 r/min to 40 r/min.Under this condition，the yield of gelatin reached 20.37%with the viscosity of 9.53 mPa·s， which indicated the method practical and effective.

Key words：gelatin；neutral protease；process optimization

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2013.13.020

宋艾青（1968—），男（漢），工程師，碩士，研究方向：軟飲料（山楂紅色素的分析和利用）。

2013-04-23