金文剛,陳德經(jīng),耿敬章,裴金金
1(陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 漢中,723000)2(大連工業(yè)大學(xué) 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心,遼寧 大連, 116034)3(陜西理工大學(xué) 大鯢研究所,陜西 漢中,723000)
大鯢皮明膠提取及其性質(zhì)分析
金文剛1,2,3*,陳德經(jīng)1,3,耿敬章1,裴金金1
1(陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 漢中,723000)2(大連工業(yè)大學(xué) 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心,遼寧 大連, 116034)3(陜西理工大學(xué) 大鯢研究所,陜西 漢中,723000)
為有效利用大鯢加工副產(chǎn)物鯢皮,研究了從鯢皮中提取明膠的工藝條件及其部分性質(zhì)。鯢皮經(jīng)堿酸預(yù)處理后,以提取率為指標(biāo),通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化了明膠提取的工藝參數(shù)。結(jié)果表明:鯢皮明膠最適提取條件為溫度60 ℃,超聲功率400 W、提取時(shí)間7 h,料液比1∶9(g∶mL),明膠提取率可達(dá)13.76%。鯢皮明膠中甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸和丙氨酸含量相對較高,約占總氨基酸的50%,該明膠在234 nm 處有最大紫外吸收,黏度為3.3 mPa·s,凝凍強(qiáng)度Bloom值為216 g。
大鯢;明膠;紫外光譜;凝凍強(qiáng)度; 氨基酸
大鯢俗稱娃娃魚,是世界上現(xiàn)存最大的兩棲動(dòng)物,被列入我國二級(jí)水生野生保護(hù)動(dòng)物名錄[1]。大鯢是一種食用和藥用價(jià)值極高的動(dòng)物,不但肉質(zhì)細(xì)嫩、味道鮮美、營養(yǎng)價(jià)值高,而且肌肉、內(nèi)臟、骨骼、表皮及分泌物均可入藥[2]。近年來大鯢人工養(yǎng)殖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,子二代大鯢數(shù)量和產(chǎn)量在我國貴州、湖北、陜西、湖南、廣西、四川等地形成了一定規(guī)模,在部分地區(qū)已發(fā)展成為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè),在促進(jìn)產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收等方面發(fā)揮了重要作用。2015年6月,農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《養(yǎng)殖大鯢及其標(biāo)識(shí)技術(shù)規(guī)程》正式實(shí)施,標(biāo)志著國家許可養(yǎng)殖大鯢進(jìn)行出售、開發(fā)利用和進(jìn)入市場領(lǐng)域。
隨著大鯢資源深加工及開發(fā)利用日益受到關(guān)注,相關(guān)的研究報(bào)道越來越多。如,王立新等[3]對大鯢肌肉、尾脂常規(guī)營養(yǎng)成分、氨基酸組成和脂肪酸組成進(jìn)行分析,李莉等[4]分析了大鯢肌肉和鯢皮營養(yǎng)成分,研究表明大鯢肉、尾脂和鯢皮具有較高的營養(yǎng)價(jià)值;胡云峰等[5]研究了不同比例氣體成分對氣調(diào)小包裝冷鮮大鯢分割肉品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)10% O2+70% CO2+20% N2比例的氣體成分保鮮效果最好,能有效延緩大鯢肉的色澤下降及汁液流失率與揮發(fā)性鹽基氮含量的升高,抑制微生物的生長繁殖,使大鯢肉保持較好的感官品質(zhì);陳曦等[6]研究了大鯢皮膚黏液藥膏對大鼠皮膚燙傷的治療作用,發(fā)現(xiàn)該藥膏具有促進(jìn)大鼠燙傷創(chuàng)面愈合的效果。王立鋒等[7]從大鯢皮膚分泌物中分離純化到一個(gè)具有較強(qiáng)陽離子特征的堿性肽,對革蘭氏陰性菌、陽性菌和真菌均具有較強(qiáng)的抗菌活性;GUO等[8]和KONG等[9]從大鯢皮膚腺分泌物中分離到了生理活性物質(zhì)(包括活性肽、糖肽等),徐偉良等[10]從大鯢皮膚黏液提取純化了糖蛋白,發(fā)現(xiàn)該糖蛋白對人肺癌細(xì)胞A549具有明顯的抑制作用;鮑九枝和余可鋒以大鯢肉為原料,采用酶法制備了大鯢肉活性肽,并開發(fā)了運(yùn)動(dòng)飲料[11]。
明膠是一種通過膠原蛋白熱變性、部分水解獲得的高分子質(zhì)量水溶性蛋白,被廣泛應(yīng)用于改善食品結(jié)構(gòu)、提高食品保水性和穩(wěn)定性[12]。明膠作為膠原的衍生產(chǎn)物,主要從動(dòng)物的結(jié)締組織或表皮組織中的膠原經(jīng)變性轉(zhuǎn)化,再經(jīng)適當(dāng)溫度提取出來的水溶性物質(zhì),它的主要結(jié)構(gòu)與膠原相近。通常人們都是使用豬、牛、的皮和骨提取膠原蛋白和明膠。但隨著瘋牛病、口蹄疫和禽流感等畜禽疾病的爆發(fā),人們對陸生動(dòng)物膠原制品的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。另外,由于宗教和習(xí)俗等原因,有些人群對畜禽膠原蛋白制品存在禁忌[13],水產(chǎn)動(dòng)物源明膠制品被認(rèn)為是較為安全的來源之一。
大鯢皮膚厚實(shí),膠質(zhì)含量豐富,是膠原蛋白及明膠的理想來源。李莉等[14]通過響應(yīng)面優(yōu)化了酶法提取大鯢皮膠原蛋白的工藝條件;顧賽麒等[15]分別提取了大鯢皮酸溶性膠原蛋白和酶溶性膠原蛋白,并對其各項(xiàng)理化性質(zhì)進(jìn)行了研究,得出大鯢皮膠原蛋白為I型膠原蛋白;李林格等[16]以木瓜蛋白酶水解大鯢皮酶溶性膠原蛋白,制備了大鯢皮膠原蛋白肽,發(fā)現(xiàn)該肽具有保護(hù)乙醇誘導(dǎo)小鼠肝損傷的作用。然而從大鯢皮中提取明膠的研究尚未見報(bào)道。為此,本文以養(yǎng)殖大鯢加工副產(chǎn)物鯢皮為原料,經(jīng)預(yù)處理后利用超聲波輔助熱水浸提明膠,以提取率為評價(jià)指標(biāo),在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)優(yōu)化明膠提取工藝參數(shù),并分析鯢皮明膠的部分理化性質(zhì),為其后續(xù)應(yīng)用研究提供依據(jù)。
1.1 原料與試劑
試驗(yàn)原料:養(yǎng)殖大鯢,購自漢中市龍頭山水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)有限公司養(yǎng)殖基地。大鯢宰殺后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,剝下鯢皮,去除皮上的殘肉,沖洗干凈,剪成0.5 cm×0.5 cm小片,瀝干,置于聚乙烯袋后于-18 ℃冰箱中備用。
主要試劑:無水乙酸,NaOH,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2 儀器與設(shè)備
KQ-500DE型臺(tái)式數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;LGJ-10B型冷凍干燥機(jī),北京四環(huán)儀器有限公司;pHS-3C型精密pH計(jì),上海雷磁儀器廠;LD4-2A型離心機(jī),北京雷勃爾離心機(jī)有限公司;HWS-12型電熱恒溫水浴鍋,上海一恒科學(xué)儀器有限公司; L-8900氨基酸自動(dòng)分析儀,日立公司;紫外可見分光光度計(jì),美國Thermo公司;SNB-2型數(shù)字式黏度計(jì),上海精科天美儀器有限公司;CT3質(zhì)構(gòu)儀,美國Brookfield公司。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1 鯢皮預(yù)處理
[17]中魚皮預(yù)處理方法,略做調(diào)整。準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量鯢皮,按照1∶10 (g∶mL)浸泡于0.05 mol/L NaOH溶液中,連續(xù)攪拌6 h,每隔2 h更換堿液,去除雜蛋白和色素,之后用流水洗至中性。然后將經(jīng)堿處理過的鯢皮按照1∶10 (g∶mL)浸泡于0.1 mol/L乙酸,于4 ℃連續(xù)攪拌24 h,每隔12 h更換一次酸液,使鯢皮充分溶脹,酸處理后鯢皮在流水下洗至中性,用于明膠提取。
1.3.2 明膠提取
工藝流程:一定質(zhì)量的預(yù)處理鯢皮,加去離子水于燒杯中,置于超聲波清洗器熱水浴中,提取一定的時(shí)間,過濾,收集濾液,4 000 r/min離心10 min,減壓濃縮后冷凍干燥,得到白色物質(zhì),研磨后即得鯢皮明膠。
明膠提取率參照文獻(xiàn)[18]進(jìn)行計(jì)算:
(1)
1.3.3 單因素試驗(yàn)
準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量預(yù)處理后的鯢皮,分別考察提取溫度(40、50、60、70、80 ℃)、超聲功率(100、200、300、400、 500 W)、時(shí)間(2、4、6、8、10 h)和料液比(1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12)對明膠提取率的影響。
1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,以明膠提取率為指標(biāo),對提取溫度、超聲功率、提取時(shí)間和料液比4個(gè)因素設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn),各因素及水平見表1。
表1 正交試驗(yàn)因素水平表
1.3.5 鯢皮明膠紫外光譜
將提取到的明膠樣品溶解于0.5 mol/L乙酸溶液中,配制成1 mg/mL的明膠溶液,用紫外分光光度計(jì)在200~400 nm 近紫外光區(qū)以120 nm/min的速度進(jìn)行掃描。
1.3.6 鯢皮明膠氨基酸組成
準(zhǔn)確稱取一定量的明膠,置于水解管底部,緩慢加入5 mL的6 mol/L鹽酸,抽真空,維持20 min后,在酒精噴燈上封口,110 ℃水解 24 h 后,蒸干鹽酸,用去離子水稀釋,定容到10 mL容量瓶中得水解液,采用氨基酸自動(dòng)分析儀測定。
1.3.7 鯢皮明膠凝凍強(qiáng)度測定
按照AOAC明膠強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法,配制66.7 g/L的明膠溶液,65 ℃水浴加熱20 min攪拌使之充分溶解,然后將樣品轉(zhuǎn)入凍力瓶中,室溫冷卻15 min,10 ℃冷卻16 h,CT3質(zhì)構(gòu)儀測定其凝凍強(qiáng)度。質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置如下:測試類型選擇壓縮,負(fù)載單元選擇1 000 g,測試速度0.50 mm/s,返回速度0.50 mm/s,壓縮距離4 mm,觸發(fā)力4.5 g,探頭選擇TA10(圓柱形,直徑12.7 mm,長35 mm),探頭下壓后最大負(fù)載即為凝凍強(qiáng)度Bloom值。
1.3.8 明膠的黏度
配制66.7 g/L的明膠,60 ℃水浴加熱使之充分溶解,置于SNB-2型數(shù)字式黏度計(jì)轉(zhuǎn)盤之下,采用1號(hào)轉(zhuǎn)子,調(diào)轉(zhuǎn)速為30 r/min,開動(dòng)電機(jī),待旋轉(zhuǎn)平衡,讀數(shù)顯示穩(wěn)定后讀取黏度值。
2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果
2.1.1 提取溫度對明膠提取率的影響
固定超聲功率300 W, 料液比1∶10和提取時(shí)間6 h,考察不同提取溫度對明膠提取率的影響,結(jié)果見圖1。
圖1 提取溫度對明膠提取率的影響Fig.1 Effect of temperature on yield of extracted gelatin
當(dāng)鯢皮充分溶脹后,升高溫度可以有效斷裂膠原蛋白分子三螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域的次級(jí)鍵,膠原蛋白發(fā)生一定程度的降解后,才能以明膠的形式溶于水中。升高溫度可以加速膠原蛋白的降解,從而促進(jìn)明膠的溶出。但是提取溫度過高可引起明膠的次級(jí)水解,使明膠的黏度和凝膠強(qiáng)度下降[19]。由圖1可看出,在40~60 ℃內(nèi),隨著溫度升高,明膠提取率逐漸增加,60 ℃明膠提取率最大,而60 ℃以后,明膠提取率趨于穩(wěn)定。因此,選擇60 ℃做為后續(xù)明膠提取溫度。
2.1.2 超聲功率對明膠提取率的影響
固定提取溫度60 ℃, 料液比1∶10和提取時(shí)間6 h,考察不同超聲功率對明膠提取率的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 超聲功率對明膠提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on yield of extracted gelatin
超聲波具有機(jī)械和空化效應(yīng),有利于提取液中溶質(zhì)的溶出。由圖2可看出,在100~300 W內(nèi),隨著超聲功率的增加,明膠提取率逐漸增大,超聲功率為300 W時(shí)提取率最大,可能由于超聲波的機(jī)械和空化效應(yīng)促使鯢皮中明膠更多的溶出;而超聲功率為300 W以后,明膠提取率趨于穩(wěn)定并略有下降。因此,選擇300 W做為后續(xù)明膠提取的超聲功率。
2.1.3 提取時(shí)間對明膠提取率的影響
固定超聲功率300 W,提取溫度60 ℃和料液比1∶10,考察不同提取時(shí)間對明膠提取率的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 提取時(shí)間對明膠提取率的影響Fig.3 Effect of time on yield of extracted gelatin
由圖3可看出,在2~8 h內(nèi),隨著提取時(shí)間的延長,明膠提取率逐漸增大。提取8 h時(shí),明膠提取率最大,而8 h以后,明膠提取率略有下降,這與王珊珊等人在提取真鱈魚骨明膠過程中,提取時(shí)間8 h前后的變化趨勢一致[19]。本研究提取4 h后,盡管明膠提取率變化趨勢較平緩,但是8 h時(shí)提取率最大,之后提取率略有下降。綜合考慮,選擇8 h做為后續(xù)明膠的提取時(shí)間。
2.1.4 料液比對明膠提取率的影響
固定提取時(shí)間8 h,超聲功率300 W和提取溫度60 ℃,考察不同料液比對明膠提取率的影響,結(jié)果見圖4。
圖4 料液比對明膠提取率的影響Fig.4 Effect of skin water ratio on yield of extracted gelatin
由圖4可看出,隨著料液比的增加,明膠提取率呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)料液比為1∶8時(shí),明膠提取率最大,表明提取溶劑的量增加可以提高提取液中明膠的濃度,有利于鯢皮中明膠的溶出,但是使用過多的提取溶劑會(huì)造成后續(xù)濃縮干燥過程中能耗的增加,不利于實(shí)際生產(chǎn)[20]。因此,選擇1∶8做為后續(xù)明膠提取的適宜料液比。
2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以明膠提取率為指標(biāo),對提取溫度、超聲功率、提取時(shí)間和料液比4個(gè)因素設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn),結(jié)果見表2。
由表2正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可知,影響大鯢皮明膠提取率的各因素主次關(guān)系為超聲功率B>提取溫度A>料液比D>提取時(shí)間C。超聲功率對明膠得率影響最顯著,提取時(shí)間對明膠得率影響相對最小。從各因素各水平下,提取率的均值K可獲知,鯢皮明膠提取的最佳組合為A2B3C1D3,即提取溫度60 ℃,超聲功率400W,提取時(shí)間7h,料液比1∶9。在此優(yōu)化工藝條件下提取明膠,最終提取率為13.76%。KTARI等[18]提取的斑馬鯰魚皮明膠,提取率為14.8%,較本文提取的鯢皮明膠提取率高一些,可能是原料特性或者預(yù)處理?xiàng)l件造成的,今后可通過其他手段如酶法進(jìn)一步提高明膠得率。
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表
2.3 鯢皮明膠的紫外吸收光譜
通常蛋白質(zhì)在280 nm 處有較強(qiáng)的紫外吸收,因?yàn)榈鞍追肿又泻心芪找欢ㄗ贤獠ㄩL光的紫外生色基團(tuán),例如苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸。由圖5 可見,本研究提取的鯢皮明膠,最大吸收波長為234 nm,符合明膠的特征吸收波長范圍,主要是電子的N→л*和N→σ*躍遷所產(chǎn)生[19]。
圖5 鯢皮明膠的紫外吸收光譜Fig.5 UV spectrophotometry of skin gelatin
大鯢皮明膠在280 nm 處吸收較少,說明樣品只含有少量芳香族氨基酸,可以初步判斷所提取的明膠具有較高的純度。顧賽麒等[15]分別提取了大鯢皮酶溶性膠原蛋白和酸溶性膠原蛋白,得到的最大紫外吸收波長分別為232 nm和233 nm。另外,李林格和曲敏[15]的研究結(jié)果表明,大鯢皮膠原蛋白和膠原蛋白肽均在234 nm存在紫外特征吸收峰。由于明膠是一種通過膠原蛋白熱變性、部分水解獲得的高分子質(zhì)量水溶性蛋白,因此上述鯢皮膠原蛋白和膠原肽的紫外光譜研究結(jié)果與本研究鯢皮明膠的紫外吸收特性較為接近。
2.4 明膠的氨基酸組成
明膠的氨基酸組成是其重要的營養(yǎng)指標(biāo),很多研究對明膠的氨基酸組成進(jìn)行了測定。表3顯示了鯢皮明膠的氨基酸組成。
表3 大鯢皮明膠氨基酸組成分析
從表3中可看出,甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸和丙氨酸是鯢皮明膠的主要氨基酸,含量分別為20.17%,12.09%, 8.79%和8.54%,約占到總氨基酸的50%,而鯢皮明膠中胱氨酸和蛋氨酸含量相對較少。顧賽麒等[15]分析了鯢皮膠原蛋白氨基酸組成特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)酸溶性膠原蛋白和酶溶性膠原蛋白中甘氨酸含量最高,其次是谷氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸,這與本研究鯢皮明膠氨基酸組成結(jié)果較為類似。一般來講,多數(shù)明膠中甘氨酸是其主要氨基酸,脯氨酸和羥脯氨酸作為膠原的特征氨基酸在明膠中含量也較高[18],盡管本研究未檢測鯢皮明膠羥脯氨酸含量,但是甘氨酸和脯氨酸含量已經(jīng)占到總氨酸的32.26%。
2.5 明膠黏度和凝凍強(qiáng)度
明膠的黏度和凝膠強(qiáng)度是反映明膠品質(zhì)的重要特性指標(biāo)。食品工業(yè)中使用明膠通常都要求其具有一定的黏度和凝凍強(qiáng)度,用途不同,對其要求會(huì)有所差別。本文對提取的鯢皮明膠的黏度和凝凍強(qiáng)度也進(jìn)行了測定,并和國家標(biāo)準(zhǔn)GB6783—2014《食品添加劑 明膠》凝凍強(qiáng)度值進(jìn)行了對比,結(jié)果如表4所示。
表4 大鯢皮明膠的黏度和凝凍強(qiáng)度
研究表明,不同來源明膠的凝凍強(qiáng)度會(huì)有一定差異,總體可分為低Bloom值(<150)、中等Bloom值(150~220)和高Bloom值(>220),造成明膠黏度和凝凍強(qiáng)度差異的原因,除取決于原料及處理方式外,更多的受到提取條件的影響[18, 21]。本研究中大鯢皮明膠黏度值為3.3 mPa·s,大于魚糜加工副產(chǎn)物提取的明膠黏度值(1.9 mPa·s)[21]和非洲胡子鯰魚皮明膠黏度值(2.05~2.85 mPa·s)[22],但是低于斑馬鯰魚皮明膠黏度值(4.8 mPa·s)[18];大鯢皮明膠凝凍強(qiáng)度Bloom值為216 g,大于魚糜加工副產(chǎn)物明膠的Bloom值(62.9 g)[21]和斑馬鯰魚皮明膠Bloom值(170 g)[18],但是小于非洲胡子鯰魚皮明膠Bloom值(234 g)[22]。本研究提取的鯢皮明膠,其黏度和凝凍強(qiáng)度介于中等范圍,今后可通過適當(dāng)改性、修飾和復(fù)配來改善明膠性能,以滿足不同的工業(yè)需要。
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)確定了大鯢皮提取明膠的最佳工藝條件:提取溫度60 ℃,超聲功率400 W,提取時(shí)間7 h,料液比1∶9,明膠提取率可達(dá)13.76%。經(jīng)紫外光譜掃描,該明膠在234 nm 處有最大吸收,明膠中甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸和丙氨酸含量相對較高。鯢皮明膠黏度值為3.3 mPa·s,凝凍強(qiáng)度Bloom值為216 g,達(dá)到食用明膠的基本要求。
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Study on extraction and property of skin gelatin from giant salamander
JIN Wen-gang1,2,3*, CHEN De-jing1,3, GENG Jing-zhang1, PEI Jin-jin1
1(Key Laboratory of Bio-resources of Shaanxi Province, School of Bioscience and Engineering,Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000,China)2(National Engineering Research Center of Seafood, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034,China)3(Institute of Giant Salamander, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000,China)
In order to utilize the by-products skin of giant salamander during processing, the skin gelatin extraction process and its properties were investigated. Skin was first treated by alkaline-acid pre-treatment, then using yield as the index, extraction process parameters were optimized by single-factor experiment and orthogonal experiment. Results showed that the optimum conditions for gelatin from the skin were as follows: the extraction temperature 70 ℃, ultrasonic power 400 W, extraction time 7 h, and the ratio of skin to water 1∶9, with a maximum gelain yield of 13.76%. The skin gelatin of giant salamander contained relatively high content of glycine, proline, glutamic acid and alanine, which are about 50% of the total amino acids. The skin gelatin exhibited the maximum UV absorbance at 234 nm, viscosity of 3.3 mPa·s and gel strength bloom value of 216 g.
giant salamander; gelatin; ultraviolet spectrum; gel strength; amino acid
10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201702029
博士,講師(本文通訊作者,E-mail:jinwengang@nwafu.edu.cn)。
陜西省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15JS020);陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室后補(bǔ)助項(xiàng)目(2015SZS-15-01)
2016-06-12,改回日期:2016-07-18