魚皮膠原蛋白的脫脂除雜工藝研究進展

張廷友，公維潔，鮑海琴，卓先勤

（海南熱帶海洋學(xué)院，海南三亞 572022）

0 引言

膠原蛋白作為一種天然高分子功能性蛋白質(zhì)，在細胞中扮演組合組織的重要角色。它具有其他材料不具備的生物相容性、可降解性和生物活性，它能參與細胞的遷移、分化和繁殖，還可以使骨腱、軟骨及皮膚具有一定的機械強度。因此，作為高檔材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、保健、食品、化妝品及美容產(chǎn)品等領(lǐng)域。傳統(tǒng)上講膠原蛋白主要來自豬、牛等陸生動物的皮和骨。近年來，人們開始探求高質(zhì)量和高安全性的膠原蛋白原料，因此從水產(chǎn)加工過程中的廢棄物魚皮、魚鱗中提取膠原蛋白得到人們的廣泛關(guān)注。研究表明，水產(chǎn)品膠原蛋白在特性、組成、溶解性上都表現(xiàn)出顯著不同，同時在使用安全性方面也顯示出獨特的優(yōu)勢。

我國是水產(chǎn)大國，水產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全球水產(chǎn)總量的1/4。魚類產(chǎn)品在加工過程中，必然會產(chǎn)生大量的下腳料，如魚皮、魚鱗和魚骨等，占魚身總質(zhì)量的40%～55%，這部分廢棄物利用率很低，僅有一小部分被加工成飼料和肥料，大部分被直接丟棄，不僅會造成環(huán)境的污染，而且導(dǎo)致資源浪費。據(jù)報道，魚皮、魚鱗中粗膠原蛋白約占80%，充分合理利用這些廢棄物提取膠原蛋白，不僅可以提高魚產(chǎn)品加工的附加值，而且能變廢為寶，減少環(huán)境污染，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

1 魚皮的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多學(xué)者圍繞魚皮的應(yīng)用開展了相關(guān)研究，主要圍繞魚皮有效成分的提取，包括提取明膠、膠原蛋白和膠原蛋白肽等。

1.1 魚皮提取明膠

明膠，是膠原斷裂后的主要產(chǎn)物，是動物的皮、骨、軟骨、韌帶、肌膜等組織中的膠原蛋白，經(jīng)適當(dāng)?shù)臏囟人馓崛〉玫降母叻肿佣嚯牡母呔刍衔?。一直以來，明膠被廣泛用于食品、材料、醫(yī)藥、攝影等諸多領(lǐng)域。目前，對于魚皮提取明膠的研究主要集中在利用不同的試劑從不同種類魚皮中提取明膠。

Cho S M等人[1]以黃鰭金槍魚背部皮膚為原料，采用響應(yīng)面方法優(yōu)化明膠的提取工藝，最終確定的提取工藝為質(zhì)量分數(shù)為1.89%的NaOH浸泡2.87 d，再用6 mol/L的HCl中和處理，于58.15℃下提取4.72 h，在此工藝下所得明膠的凝膠強度達429.1 g，明膠得率為89.7%（以羥脯氨酸含量計）。Karayannakidis P D等人[2]也對黃鰭金槍魚背部魚皮明膠提取工藝進行了研究，用0.2 mol/L NaOH浸泡魚皮1 h，再用0.1 mol/L乙酸處理1 h，隨后在55℃條件下提取6 h，所得明膠品質(zhì)較優(yōu)，并且明膠提取率顯著提高。Ladislaus等人[3]用響應(yīng)面法優(yōu)化了草魚魚皮提取明膠的工藝，酸法提取后的明膠得率為19.83%。Liu H Y等人[4]用氫氧化鈣溶液處理斑點叉尾魚皮，于43.2℃的熱水浴中浸提，制得具有較大強度的明膠。位紹紅等人[5]通過比較酸、堿、酶不同的前處理，篩選出提取羅非魚魚皮明膠的最佳水解方法為酶法。

1.2 魚皮提取膠原蛋白

膠原蛋白是一種白色、不透明、無支鏈的纖維性蛋白質(zhì)。它含有大量的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸，所以營養(yǎng)豐富，在動物組織中扮演重要角色。近年來，魚皮提取膠原蛋白已成為關(guān)注的熱點，諸多學(xué)者對膠原蛋白的提取、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)進行了研究。秦玉青等人[6]以鹽法提取膠原蛋白，在0℃下，采用2%的氯化鈉處理魷魚皮制備鹽溶性膠原蛋白，其得率為63.8%（以濕基計）。陳小娥等人[7]以胃蛋白酶處理安康魚皮制備膠原蛋白，通過正交試驗得出最優(yōu)提取條件為胃蛋白酶添加量1%，料液比1∶10，處理時間6 h，溫度5℃，提取率為11.1%，純度為95.5%。林琳等人[8]分別采用檸檬酸、醋酸、乳酸提取草魚魚皮膠原蛋白，試驗證明選用0.5 mol/L的檸檬酸溶脹草魚皮制得膠原蛋白的得率最高，達到92.88%。此外，還進行紫外光譜分析和氨基酸組成分析，結(jié)果表明，制得的膠原蛋白最大吸收峰為230 nm，為典型的膠原蛋白。楊賢慶等人[9]用熱水法提取膠原蛋白，在4℃下用0.213 mol/L鹽酸浸泡羅非魚魚皮21 min，然后用42℃水浴浸提12.6 h，制得羅非魚魚皮膠原蛋白。該膠原蛋白為典型的Ⅰ型膠原蛋白，凝膠強度為682 g，黏度為1.461 dl/g。王林等人[10]以超聲波輔助提取深海紅魚膠原蛋白，得出最佳工藝為提取時間18 h，超聲功率505 W，超聲時間15 min，在此條件下，膠原蛋白的提取率為93.6%，與傳統(tǒng)方法相比提取時間縮短30 h，膠原蛋白主要為Ⅰ型。黃雯等人[11]選淡水魚斑點叉尾鮰和海水魚藍點馬鮫魚皮作為原料，采用改良后的方法提取膠原蛋白。提取方法改良如下：在預(yù)處理階段，魚皮樣品被盡可能切碎且調(diào)節(jié)溶液更換頻率；在提取階段，在鹽析步驟前，添加三羥甲基氨基甲烷粉末將醋酸溶液的酸堿值調(diào)節(jié)至中性。結(jié)果表明，應(yīng)用改良后的方法提取膠原蛋白，提取周期縮短為7 d。王金梅等人[12]利用超聲波輔助提取草魚皮膠原蛋白，通過響應(yīng)面試驗得到最優(yōu)工藝條件為超聲功率310 W，超聲時間10 min，酶解時間29 h，提取率達68.67%。楊奕楷等人[13]以鱈魚加工副產(chǎn)物魚皮為原料，優(yōu)化研究熱水提取膠原蛋白的工藝條件。通過響應(yīng)面試驗得到最佳提取條件為提取溫度80℃，提取時間9h，料液比1∶17（mg∶mL），試驗得率為41.78%。

1.3 魚皮提取膠原蛋白肽

膠原蛋白肽是明膠或膠原蛋白酶解的產(chǎn)物，水解后產(chǎn)物具有更多的親水基團，表現(xiàn)出其與皮膚相容性好。目前，膠原蛋白肽的提取主要分為2個步驟。首先是通過水解、酸解、堿解等方法提取膠原蛋白或明膠，接著將得到的膠原蛋白或明膠通過體外酶水解的方式制得膠原蛋白肽。

劉喚明等人[14]以羅非魚皮為原料，接入枯草芽孢桿菌進行發(fā)酵，制備膠原蛋白肽，魚皮蛋白的酶解度高達36.88%。劉振鋒等人[15]以魷魚皮為原料，采用分步酶解的方法制得膠原蛋白肽，膠原蛋白肽酶解度為24.32%，多肽轉(zhuǎn)化率為58.68%。王國強等人[16]以長鰭金槍魚魚皮為原料，采用復(fù)合酶三步酶解法制備膠原蛋白多肽，得到分子量在3 kD以下的多肽占到85%以上。白晨潔等人[17]發(fā)現(xiàn)了用低共熔溶劑（DESs）高效高純度地從鱈魚皮中提取不同分子量膠原蛋白肽的方法，并對其浸出機理進行了研究。

1.4 魚皮提取其他有效成分

一些學(xué)者還做了其他方面的研究，張虹等人[18]采用復(fù)合酶解法提取鮟鱇魚皮中硫酸皮膚素，最佳提取工藝為復(fù)合酶（木瓜蛋白酶∶胰酶=1∶2，m∶m）2.5%，按料液比（g∶mL）1∶26加入蒸餾水，在76℃下提取19 h，3倍體積乙醇沉淀，冷凍干燥后得到硫酸皮膚素粗品。孫萍等人[19]以鱈魚皮為原料，采用木瓜蛋白酶和胰酶混合酶法提取硫酸皮膚素。最佳工藝為料液比1∶25（mg∶mL），酶添加量0.5%，pH值8.5，提取時間22 h，提取溫度50℃，并通過乙醇沉淀得到最終產(chǎn)品，提取率達到4.409%。張蓮姬等人[20]采用化學(xué)法從粉碎的干泥鰍魚皮中提取黑色素，確定最佳提取工藝為鹽酸濃度5 mol/L，料液比1∶30，提取溫度70℃，酶解時間2 h。張金玲等人[21]以三文魚皮為原料分別從脫脂液和脫脂魚皮中提取蝦青素。結(jié)果表明，脫脂液中加入1∶1二氯甲烷蝦青素提取率最高，脫脂魚皮中蝦青素提取的最佳條件為NaOH濃度0.3 mol/L，加堿量（原料∶NaOH，m∶V） 1∶10，提取時間18 h，中性蛋白酶加酶量350 U/g，提取溫度40℃，酶解時間7 h。

2 魚皮中的雜質(zhì)

魚皮中除富含膠原蛋白（約占魚皮總量的25%）外，還含有約2%的雜蛋白，為了使膠原蛋白能滿足不同領(lǐng)域的要求，在魚皮膠原蛋白提取前需對原料魚皮進行除雜處理。此外魚皮中脂肪含量較高，且大多數(shù)為不飽和脂肪酸，在加工和貯藏過程中容易氧化變質(zhì)，因此在其加工利用前脫脂也成為一道必不可少的工序。

3 魚皮脫脂除雜處理方法

3.1 魚皮脫脂的方法

脫脂方法主要有蒸煮法、溶劑萃取法、乳化法、堿皂化法和酶法。

蒸煮法利用底物受熱變性特點，高溫使部分脂肪溶出來降低脂肪含量，這種方法使得部分脂肪溶解，但仍然有部分留存，因此脫脂率較低。

溶劑萃取法是以有機溶劑來溶解魚皮中的脂類物質(zhì)，根據(jù)2種不相溶的液相中各組分溶解度的不同達到分離的目的。常用的溶劑有甲醇、乙醇、乙醚、異丙醇、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、正己烷、石油醚等。此法有機溶劑價格昂貴、成本較高、有毒且易燃、設(shè)備投資高、操作工藝繁瑣，還會污染環(huán)境。黃愛妮等人[22]分別采用正丁醇、無水乙醚、正丁醇與無水乙醚聯(lián)用對鰱魚魚皮進行脫脂處理。篩選出無水乙醚為最佳脫脂試劑，在料液比1∶80（g∶mL）下處理16 h除去脂肪最佳。冷云等人[23]用乙醚以1∶3（W∶V） 的比例浸泡脫72h，乙醚溶劑換液2次后，脂肪殘留率為0.12%。分別研究正丁醇、正己烷、無水乙醚、異丙醇4種脫脂劑處理草魚魚皮的脂肪脫除率，最終得出草魚皮脫脂預(yù)處理的最佳條件為以10%正丁醇為脫脂劑，料液比1∶20，脫脂24 h，魚皮脫脂率達84%。夏珊珊等人[24]在用10%異丙醇溶液，料液比為1∶15，處理時間為20 h條件下脫脂。史劉輝[25]用正己烷4℃靜態(tài)浸泡8 h脫脂，脫脂率達到91.18%。Nagai T等人[26]采用正丁醇浸泡方法對魚皮進行脫脂，耗時48 h左右，期間需要多次更換浸泡液。張強等人[27]使用正己烷對鰱魚魚皮進行脫脂，耗時6 h，需2次更換浸泡液，脂肪溶出率為74.86%，而膠原蛋白溶出率為4.3%。

乳化法是利用乳化劑將互不相容的兩相形成乳狀液。乳化劑可以改善脂肪與水之間的表面張力，使脂肪分子易溶解于水。李曄等人[28]分別以3‰NaOH溶液、3‰Na2CO3溶液、1%NP-10溶液、10%十二烷基苯磺酸鈉（SDBS） 溶液、1%AEO-9溶液及蒸餾水為脫脂劑，對巴沙魚皮進行脫脂，最終篩選出NP-10為最優(yōu)脫脂劑。最佳脫脂條件為超聲功率密度2.22×104W/m3，NP-10體積分數(shù)1%，料液比1∶5.5，超聲時間3 h，脫脂率達到82.59%。

堿皂化法是在堿性條件下，使脂肪發(fā)生水解反應(yīng)。常用到的試劑有碳酸鈉、碳酸氫鈉和氫氧化鈉。脫脂的過程中可以使用單鹽，也可用復(fù)合鹽，該方法在實際應(yīng)用中最多。

酶法脫脂是依據(jù)脂肪酶特異性作用于脂類物質(zhì)的酯鍵，生成脂肪酸和甘油，脂肪酸在堿性環(huán)境下，與堿性物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng)生成皂鹽類物質(zhì)，漂洗去除，進而達到脫脂的目的。酶法具有專一性，脫脂過程中只酶解脂肪的酯鍵，不會影響產(chǎn)品的主要物性。此外，酶是天然產(chǎn)物，具有用量少、降解快的特點，對制品不會產(chǎn)生負效應(yīng)；酶反應(yīng)條件溫和、易控制，具有安全性和特異性等特點；操作簡單，調(diào)節(jié)單因素即可調(diào)節(jié)脫脂效果，因此堿性脂肪酶等堿性蛋白酶對魚皮進行脫脂具有較好的安全效益和健康效益，應(yīng)用也較廣泛。李佳等人[29]以脂肪酶對羅非魚皮進行脫脂處理，經(jīng)過單因素試驗和正交試驗得出脫脂最佳工藝為酶添加量2%，pH值9，脫脂3 h，料液比1∶4，溫度40℃，脫脂率達67.5%。梁鵬等人[30]用堿性脂肪酶對鯰魚皮脫脂工藝進行優(yōu)化，最佳的脫脂工藝為堿性脂肪酶添加量0.5%，pH值9，脫脂60 min，脫脂率高達65.31%。以羅非魚皮為原料，用響應(yīng)面分析法優(yōu)化脂肪酶脫脂工藝，最優(yōu)條件為加酶量0.5%，pH值9，溫度39℃，脫脂56 min，魚皮脫脂率為63.71%。

3.2 除雜蛋白的方法

除雜方法主要有攪拌浸泡處理法、超聲波輔助分離法和浸灰法。

攪拌浸泡處理法是長時間攪拌浸泡處理，這不僅耗時、耗能、耗溶劑、生產(chǎn)成本高、除雜不完全，且產(chǎn)生大量的廢水，造成資源的浪費及環(huán)境的污染，且長時間的浸泡處理會造成膠原蛋白的變性，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性變差，致使膠原蛋白的失活，限制膠原蛋白的應(yīng)用。

超聲波輔助分離法目前已經(jīng)廣泛運用到許多領(lǐng)域上。魚皮中雜蛋白主要存在于魚皮的表面上，在低溫下超聲波輔助堿液分離方法能促進魚皮表面上的雜蛋白快速有效地分離，達到魚皮除雜的效果。超聲波輔助分離不僅能縮短魚皮除雜分離的時間、減少溶劑的使用量、提高分離效率，且低溫短時間的超聲分離并不會對后續(xù)膠原蛋白的熱穩(wěn)定性、物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，膠原蛋白的生物活性保持不變。原料在一定溫度條件下用石灰乳進行一系列的處理，這一過程叫做浸灰。

浸灰法與其他制取膠原的方法相比耗時較長，但此種方法可以最大限度地去除魚皮中的脂肪和雜蛋白。黃愛妮等人[22]分別采用NaOH，NaCl，Na2CO3，NaCl與NaOH聯(lián)用，NaCl與Na2CO3聯(lián)用對鰱魚魚皮進行脫雜蛋白處理，得到最優(yōu)工藝為雜蛋白脫除試劑Na2CO3溶液，濃度0.6 mol/L，25℃下處理2次，每次6 h，脫雜蛋白效果最好。冷云等人[23]分別采用0.15 mol/LNaCl，0.25 mol/LNaHCO3，0.25 mol/LNaOH和0.5 mol/L Na2CO3溶液，對金槍魚皮進行脫雜蛋白處理，得出用0.25 mol/L NaOH，以料液比1∶30，4℃脫雜3 h，膠原蛋白的純度較好。

4 結(jié)語

我國水產(chǎn)資源豐富，越來越多的水產(chǎn)動物成為獲取膠原蛋白的重要來源，相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用正在逐漸得到推廣，并且已有部分產(chǎn)品投放市場，如有公司將魚皮中提取的膠原蛋白制成止血海綿，還有各種膠原蛋白粉及膠原蛋白口服液。隨著對膠原蛋白微觀結(jié)構(gòu)研究的深入，科學(xué)家們正在將膠原蛋白應(yīng)用到生物材料中。但是，鑒于目前市場上膠原蛋白及相關(guān)制品的價格昂貴。如何提高水產(chǎn)品膠原蛋白的提取率和純度是亟需解決的問題。此外，如何利用水產(chǎn)膠原蛋白的理化性質(zhì)和生物學(xué)性能使其在進一步加工利用中發(fā)揮更大的作用，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值，也需要深度研究。