超聲波輔助脫脂鴿骨粉的制備及營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定

高昕悅，力俊琛，王雪，巴吐爾·阿不力克木

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

骨粉是指動(dòng)物去除肉、內(nèi)臟或不宜食用的下腳料，經(jīng)高溫高壓蒸煮、脫脂、冷凍、干燥、粉碎后得到的產(chǎn)品[1]。近年來，骨粉的研究愈加深入[2-3]，對(duì)骨頭進(jìn)行高程度加工利用，可制備骨粉、骨泥、骨蛋白、軟骨素、骨油、骨碳等，不僅可作為食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，減少環(huán)境的污染，又可提高骨資源綜合利用[4-7]。

鴿肉中營(yíng)養(yǎng)成分較為豐富。隨著鴿業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市面上鴿肉產(chǎn)品逐漸增多，肉鴿的副產(chǎn)物鴿骨也隨之增加。相關(guān)研究證明一般鴿骨約占活鴿體重的20%左右，含有大量的鈣、磷和人體所必需的氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分[8-10]，其中鈣含量是磷含量的2倍，其含量比是人體吸收的最佳比例。近些年來，有關(guān)乳鴿的研究逐漸深入，相玉秀等[11]以乳鴿為原料，通過正交試驗(yàn)方法研究陳皮綠豆乳鴿湯制作方法；趙永敢等[12]通過高溫高壓抽提法研究鴿骨中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；姚宏亮等[13]利用不同酶對(duì)乳鴿胸脯肉進(jìn)行酶解，研究水解后鴿肉酶解液的體外抗氧化性。但關(guān)于鴿骨的加工利用文獻(xiàn)較少，因此，本試驗(yàn)選取除頭部、爪部外軀干部位鴿骨作為原料，利用超聲波輔助溶劑法[14-15]，通過響應(yīng)面試驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，制備得到無異味的脫脂鴿骨粉，對(duì)比鴿骨粉脫脂前后營(yíng)養(yǎng)成分的變化，可以將其作為食品營(yíng)養(yǎng)添加劑，增加鴿骨的利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

肉鴿：市售，品種為塔里木肉鴿，經(jīng)水煮去肉選取去除頭部、爪部、外軀干部位鴿骨，冷凍保存待用；石油醚、醋酸乙酯、異丙醇（均為分析純）：天津市鑫鉑特化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-250DE超聲波清洗儀：昆山市超聲儀器有限公司；2XZ-2真空冷凍干燥機(jī)：上海豫明儀器有限公司；FW-10高速粉碎機(jī)：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；DHG-9123A鼓風(fēng)干燥機(jī)：上海一恒科技有限公司；1100型高效液相色譜儀、5900型等離子發(fā)射光譜儀：常州市偉嘉儀器制造公司。

1.3 方法

1.3.1 鴿骨樣品制備

樣品制備工藝：乳鴿預(yù)處理→煮制→脫骨→超聲波輔助溶劑脫脂→一次冷凍（-20℃、24 h）→二次冷凍（-40℃、4 h）→真空冷凍干燥→高速粉碎→成品→低溫貯藏。

操作要點(diǎn)：將白條肉鴿置于高壓鍋中水煮后去肉脫骨，通過超聲波法對(duì)鴿骨進(jìn)行脫脂處理；將脫脂后的鴿骨置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)通風(fēng)干燥3 h；溶劑揮發(fā)后鴿骨置于-20℃下一次冷凍24 h，放入超低溫冰箱二次冷凍4 h；真空冷凍去除水分并利用高速粉碎機(jī)粉碎鴿骨至140目無殘留。

1.3.2 脫脂劑篩選試驗(yàn)

采用秦曉潔等[16]牦牛骨粉制備方法以及許晶冰等[17]脫脂兔骨粉制備方法進(jìn)行鴿骨脫脂并稍作修改。結(jié)合超聲波輔助溶劑脫脂法，對(duì)熱水、醋酸乙酯、異丙醇、無水乙醇4種不同脫脂劑進(jìn)行篩選。前期試驗(yàn)篩選出最佳脫脂溶劑參數(shù)為超聲時(shí)間30 min、超聲功率200 W、液料比為2 mL/g，對(duì)比4種不同溶劑對(duì)鴿骨脫脂率的影響，測(cè)定脫脂前后鴿骨中的脂肪含量，通過計(jì)算脫脂率確定最佳脫脂劑。脫脂率計(jì)算公式如下。

脫脂率/%=（Wa-Wb）/Wa×100

式中：Wa為脫脂前脂肪含量，%；Wb為脫脂后脂肪含量，%。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在超聲溫度35℃的條件下各因素參數(shù)固定為超聲功率200 W、超聲時(shí)間30 min、液料比3 mL/g。各個(gè)因素梯度設(shè)置為超聲功率 150、175、200、225、250 W，超聲時(shí)間 20、30、40、50、60 min，液料比 2、4、6、8、10 mL/g。以鴿骨脫脂率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各因素試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)定結(jié)果取平均值。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，以超聲時(shí)間（A）、超聲功率（B）、液料比（C）作為自變量，脫脂率（Y1）作為響應(yīng)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.3.5 指標(biāo)測(cè)定

色澤：采用色差計(jì)法測(cè)定脫脂前后鴿骨粉的色澤[18]。

水分含量：參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》中直接干燥法[19]測(cè)定。

脂肪含量：參照GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》[20]中索氏提取法測(cè)定。

氨基酸：參照GB 5009.124—2016[21]《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中氨基酸的測(cè)定》中方法測(cè)定脫脂前后鴿骨粉的氨基酸種類及含量。

Ca、P 含量：參照 GB 5009.92—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鈣的測(cè)定》中鈣測(cè)定方法[22]和GB 5009.87—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中磷的測(cè)定》中磷測(cè)定方法[23]測(cè)定脫脂前后鴿骨粉的鈣、磷含量。

1.4 處理數(shù)據(jù)

采用SPSS和Graphpad方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖，結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鴿骨脫脂溶劑的篩選

選取醋酸乙酯、無水乙醇、異丙醇、熱水作為脫脂溶劑，篩選出脫脂效果最佳的脫脂劑。各脫脂劑的脫脂效果如圖1所示。

圖1 不同脫脂劑對(duì)鴿骨脫脂率的影響Fig.1 Effect of defatting solvents on defatting rate of pigeon bone

由圖1可知，不同脫脂劑對(duì)鴿骨的脫脂效果有所差異，熱水、醋酸乙酯、無水乙醇的脫脂率分別為14.5%、20.65%、17.5%，異丙醇的脫脂率高達(dá)72.9%，說明不同脫脂劑對(duì)鴿骨的脫脂效果差異顯著（P＜0.05），異丙醇的脫脂率是醋酸乙酯組的3.0倍，這是由于異丙醇具有良好的溶解性、揮發(fā)性，且其沸點(diǎn)低、毒性小，是一種易于回收的溶劑。因此，最終選取最佳脫脂劑為異丙醇。

2.2 超聲波處理?xiàng)l件對(duì)鴿骨脫脂率的影響

不同超聲時(shí)間對(duì)鴿骨脫脂率的影響見圖2。

圖2 不同超聲時(shí)間對(duì)鴿骨脫脂率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on defatting rate of pigeon bone

由圖2可知，鴿骨粉的脫脂率受超聲時(shí)間的影響較為明顯，隨超聲時(shí)間不斷延長(zhǎng)，脫脂率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)超聲時(shí)間為40 min時(shí)，脫脂率達(dá)到最大值，為72.84%。這可能是由于超聲波產(chǎn)生的次級(jí)效應(yīng)導(dǎo)致異丙醇發(fā)生乳化現(xiàn)象[24]，并隨著超聲時(shí)間增加而滲透于鴿骨內(nèi)部，加速油脂的溶出，首先溶出的是鴿骨組織間細(xì)胞外的油脂，之后由于超聲波空化作用，油脂細(xì)胞破損，在超聲波輔助溶劑的作用下，組織細(xì)胞內(nèi)的油脂向外部轉(zhuǎn)移到脫脂溶劑中[25]。當(dāng)超聲時(shí)間增加到 50、60 min 時(shí)，脫脂率差異不顯著（P＞0.05），脫脂效果變化緩慢，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于超聲時(shí)間不斷延長(zhǎng)，超聲波產(chǎn)生的超聲效應(yīng)由鴿骨表面至鴿骨內(nèi)，隨著脫脂溶劑不斷深入組織內(nèi)部，超聲波效應(yīng)與脫脂溶劑達(dá)到高度飽和，從而降低提取效率，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間鴿骨脫脂效果無明顯變化。最終確定超聲波處理時(shí)間為40 min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

不同超聲功率對(duì)鴿骨脫脂率的影響見圖3。

圖3 不同超聲功率對(duì)鴿骨脫脂率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on defatting rate of pigeon bone

由圖3可知，隨超聲功率不斷增加，脫脂率先升高后降低。當(dāng)超聲功率為225 W時(shí)，脫脂率達(dá)到最大值，為67.91%，可能是由于超聲波具有一定能量性和波動(dòng)性，可以促進(jìn)分子的擴(kuò)散速率，同時(shí)超聲波輔助脫脂溶劑可以加大鴿骨油脂溶出的速度。當(dāng)超聲功率為175、200 W時(shí)，脫脂率分別為35.81%、40.75%，差異不顯著（P＞0.05），其原因可能是超聲功率強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致脫脂溶劑滲透到鴿骨組織內(nèi)部速率緩慢，但當(dāng)超聲功率提高至250 W時(shí)脫脂率急劇下降，這與陳麗清等[26]研究結(jié)果相一致，可能存在過高的超聲波次級(jí)效應(yīng)使脫脂溶劑產(chǎn)生自由基，局部溫度瞬時(shí)升高，導(dǎo)致鴿骨中油脂組織被破壞，脫脂速率急劇下降。最終試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲功率為225 W可達(dá)到較好的脫脂效果。

不同液料比對(duì)鴿骨脫脂率的影響見圖4。

圖4 不同液料比對(duì)鴿骨脫脂率的影響Fig.4 Effect of liquid-to-solid ratio on defatting rate of pigeon bone

由圖4可知，在超聲溫度固定為35℃條件下，液料比的添加量與鴿骨脫脂率呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，當(dāng)液料比為10 mL/g時(shí)，脫脂率為72.84%，達(dá)到最大值，但當(dāng)液料比為8 mL/g時(shí)，脫脂率為70.37%，兩者相差為2.47%，差異不顯著（P＞0.05）。其原因可能是對(duì)于一定質(zhì)量的鴿骨，異丙醇的用量與溶劑中油脂濃度呈相反的作用，增加鴿骨與脫脂溶劑接觸表面的濃度差，能夠促使傳質(zhì)推動(dòng)力的增加，當(dāng)液料比增加到一定程度時(shí)，脫脂溶劑會(huì)不斷滲透到鴿骨內(nèi)部使得油脂浸出，最終達(dá)到一定飽和程度時(shí)，油脂溶出速率漸緩[27-30]。因此從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的角度考慮，最終選取液料比為8 mL/g。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 回歸模型建立與方差分析

脫脂鴿骨粉制備的響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface methodology results

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到脫脂率對(duì)自變量的二次多元回歸方程Y1=69.39+1.58A+1.53B+0.562 5C-0.9450AB-1.85AC+0.012 5BC-5.98A2-7.29B2-4.76C2。

根據(jù)以上回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 方差結(jié)果分析Table 3 Analysis of variance results

由表3可知，脫脂率的回歸模型F值為40.25，P＜0.000 1，極顯著。失擬項(xiàng)P＞0.05，不顯著。模型的決定系數(shù)（R2=0.981 0）與校正系數(shù)（RAdj2=0.956 7）有著高度擬合性，模型一次項(xiàng)A對(duì)脫脂率的影響極顯著，二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)脫脂率的影響均極顯著。最終，由F值可知3個(gè)因素對(duì)脫脂鴿骨粉脫脂率的影響大小依次為A＞B＞C。

2.3.2 響應(yīng)面與等高線分析

各因素之間的交互作用對(duì)脫脂率影響的響應(yīng)面與等高線圖見圖5～圖7。

圖5 超聲功率與超聲時(shí)間交互作用的響應(yīng)面與等高線分析Fig.5 Response surface and contour analysis of the interaction between ultrasonic power and ultrasonic time

圖6 液料比與超聲時(shí)間交互作用的響應(yīng)面與等高線分析Fig.6 Response surface and contour analysis of the interaction between liquid-to-solid ratio and ultrasonic time

圖7 液料比與超聲功率交互作用的響應(yīng)面與等高線分析Fig.7 Response surface and contour analysis of the interaction between liquid-to-solid ratio and ultrasonic power

從圖5～圖7中可以看出，每個(gè)因素之間的顯著性可以直觀地表現(xiàn)在響應(yīng)面圖中。橢圓形等高線表示各因素之間存在顯著交互作用，而圓形等高線表示相互作用不顯著。從響應(yīng)面圖可以得出，超聲時(shí)間、超聲功率、液料比對(duì)鴿骨粉的脫脂率存在影響，影響大小為超聲功率（A）＞超聲時(shí)間（B）＞液料比（C），此結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

為判定響應(yīng)面優(yōu)化后得到的方程是否具有實(shí)踐指導(dǎo)意義，需進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。利用Design-Expert軟件預(yù)測(cè)得到最佳工藝參數(shù)：超聲時(shí)間為41.19 min、超聲功率為227.43 W、液料比為8.04 mL/g，在此條件下的脫脂率為69.59%。結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)，調(diào)整最佳參數(shù)為超聲時(shí)間40 min、超聲功率225 W、液料比8 mL/g。為了確定最終模型的可靠性，以調(diào)整最佳參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，脫脂率為70.63%，與預(yù)測(cè)值相差1.04%。因此通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)的脫脂鴿骨粉工藝參數(shù)準(zhǔn)確可行，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2.4 脫脂前后鴿骨粉色澤及營(yíng)養(yǎng)成分變化

脫脂前后鴿骨粉色澤及營(yíng)養(yǎng)成分變化見表4。

表4 脫脂前后色澤及營(yíng)養(yǎng)成分變化Table 4 Changes in color and nutritional composition before and after defatting

由表4可知，脫脂后的L*值增加，a*值和b*值降低。脫脂后鴿骨粉顏色由棕褐色變?yōu)榛野咨?，顏色變淺，說明脫脂處理對(duì)骨粉色澤影響較大。鴿骨粉脫脂前脂肪含量高達(dá)13%，脫脂后骨粉脂肪含量顯著降低，未脫脂的骨粉不僅不利于鴿骨的粉碎，而且還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品極易氧化酸敗[31]，嚴(yán)重影響鴿骨粉品質(zhì)，所以脫脂處理是研制骨粉的關(guān)鍵步驟之一。骨粉中鈣、磷含量較為豐富，脫脂前后鈣含量是磷含量的近2倍，是人體吸收鈣、磷的最佳比例，可以作為食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑添加。脫脂前后的骨粉均采用真空冷凍干燥除去水分，但最終水分含量存在一定變化，這可能是由于未脫脂的骨粉存在較多的油脂，油脂會(huì)包裹在鴿骨表面，影響水分的蒸發(fā)[32]。相反，脫脂后的骨粉，由于脂肪含量較低，通過真空冷凍干燥可以有效降低其內(nèi)部水分。

脫脂前后鴿骨粉氨基酸種類及含量見表5。

表5 脫脂前后鴿骨粉氨基酸種類及含量Table 5 Amino acid types and content of pigeon bone meal before and after defatting %

由表5可知，脫脂前后鴿骨粉的氨基酸含量發(fā)生了變化，但種類不變。通過顯著性分析得出，脫脂處理對(duì)氨基酸的含量均存在顯著性影響，脯氨酸在脫脂后呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這可能是由于骨粉中的脂質(zhì)被大部分脫除，脯氨酸含量增加，這也進(jìn)一步提高了鴿骨粉的蛋白質(zhì)品質(zhì)[33]。脫脂前后鴿骨粉氨基酸共有16種，其中人體必需氨基酸有9種，分別是Lys、His、Phe、Met、Thr、Ile、Leu、Val、Arg；非必需氨基酸有 7 種，分別是 Glu、Ala、Gly、Asp、Pro、Ser和 Tyr。鴿骨粉脫脂前后必需氨基酸中苯丙氨酸含量最高，苯丙氨酸可以添加到焙烤食品中，有增強(qiáng)苯丙氨酸營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的作用，并且可以與糖類發(fā)生氨基-羧化反應(yīng)，具有提高風(fēng)味的作用。非必需氨基酸中甘氨酸和脯氨酸含量較高，在很多動(dòng)物性食品中，甘氨酸作為添加劑、防腐劑使用[34-35]，脯氨酸具有分解蛋白質(zhì)的重要作用，可幫助人體形成新的細(xì)胞，并且脯氨酸和賴氨酸都是生產(chǎn)羥脯氨酸和羥賴氨酸所需要的，可構(gòu)建膠原蛋白。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用超聲波輔助溶劑法對(duì)鴿骨進(jìn)行脫脂處理，選取最佳脫脂溶劑后分別研究超聲時(shí)間、超聲功率、液料比對(duì)鴿骨脫脂率的影響，以單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：最優(yōu)脫脂劑為異丙醇，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得最佳條件為超聲時(shí)間40 min，超聲功率225 W，液料比為8 mL/g，此時(shí)，脫脂率為69.39%，脫脂后的營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生變化，色澤發(fā)生明顯改善，鈣、磷含量有所增加，氨基酸含量降低但種類不變。