劉文倩,王 燕,鄧放明,劉 焱,廖 泉
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410128)
淡水小龍蝦,學(xué)名為克氏原鰲蝦(crayfish),是我國(guó)目前養(yǎng)殖面最廣、產(chǎn)量最大的淡水鰲蝦之一,其低脂、低膽固醇,富含肌球蛋白、礦物質(zhì)和脂溶性維生素等[1]。小龍蝦雖營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,但在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,這些副產(chǎn)物若處理不當(dāng)不僅造成資源浪費(fèi),而且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染,如果進(jìn)行有效處理則可以變廢為寶。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),蝦的副產(chǎn)物相對(duì)于肉質(zhì)來說蛋白質(zhì)和灰分含量更高,同時(shí)脂肪酸組成以高含量的不飽和脂肪酸為主,如二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)和二十二碳六烯酸(docosahexenoic acid,DHA),這些脂肪酸可以降低患心血管疾病,中風(fēng)和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。劉云等[4]還發(fā)現(xiàn)從副產(chǎn)物中提取的蝦油可顯著改善大鼠學(xué)習(xí)記憶能力,且效果優(yōu)于深海魚油。因此開發(fā)淡水小龍蝦副產(chǎn)物,生產(chǎn)具有附加價(jià)值的產(chǎn)品成為近幾年的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。目前,以蝦頭和蝦殼為原料制備的甲殼素、蝦青素、類胡蘿卜素、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工等行業(yè)[5-8],而蝦黃的開發(fā)卻鮮有研究。本研究所選用的原料蝦黃位于蝦頭部,占全身質(zhì)量的5%左右,含有豐富的不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、游離氨基酸和微量元素等[9-10],是開發(fā)天然保健食品的良好來源。
動(dòng)植物油脂提取的方法有有機(jī)溶劑法[11-12]、蛋白酶法[13]、超臨界二氧化碳法[2]等,并有以超聲波作為輔助手段[14-15],本實(shí)驗(yàn)采取超聲輔助蛋白酶法提取蝦黃油脂,旨在可以利用蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)的水解,破壞蛋白與油脂的結(jié)合從而使油脂釋放出來,輔以超聲波以提高提取效率,并對(duì)提取后的蝦黃油脂進(jìn)行脂肪酸組成分析,為蝦黃油脂的利用提供依據(jù)。
蝦黃 (鮮蝦水煮后、去殼、取蝦黃,用塑料袋真空密封后存放于-20 ℃冰箱中) 順祥水產(chǎn)食品有限公司;蛋白酶制劑(中性蛋白酶≥50 U/mg、酸性蛋白酶≥50 U/mg、堿性蛋白酶≥200 U/mg、木瓜蛋白酶≥200 U/mg、復(fù)合蛋白酶≥120 U/mg) 上??笊锛夹g(shù)有限公司;三氯甲烷、無水乙醇、磷酸氫二鉀等為分析純。
TD5A型離心機(jī) 湖南赫西儀器裝備有限公司;KQ-2500E型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;WFJ7200型可見分光光度計(jì) 尤尼柯儀器有限公司;RE52-3旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海滬西分析儀器廠有限公司;KDN-103F自動(dòng)定氮儀 上海仟檢儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋 北京市永生明醫(yī)療儀器廠。GC-2010PLUS氣相色譜儀(配FID檢測(cè)器) 美國(guó)安捷倫公司。
1.3.1 蝦黃油脂的提取工藝
冰凍蝦黃解凍后,準(zhǔn)確稱取10 g勻漿蝦黃至于150 mL錐形瓶中,加入一定量蒸餾水,在電動(dòng)攪拌器上加熱并用磷酸緩沖液調(diào)至相應(yīng)pH值,添加蛋白酶,在已設(shè)置好超聲溫度、時(shí)間和功率的超聲波清洗器中進(jìn)行提取。酶解一段時(shí)間后轉(zhuǎn)移酶解液于離心管中,5 000 r/min離心15 min。離心結(jié)束后,將酶解液至于-20 ℃條件下冷凍過夜,40 ℃解凍離心以破乳[16],將分離得到的油脂恒質(zhì)量。
1.3.2 蝦黃油提取率的計(jì)算
1.3.3 超聲波輔助蛋白酶法提取蝦黃油脂條件優(yōu)化
1.3.3.1 單因素試驗(yàn)
按照1.3.1節(jié)方法提取蝦黃油脂,研究添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蛋白酶(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)、pH值(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)、水料比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1)、超聲酶解溫度(35、40、45、50、55 ℃)、超聲功率(0、50、75、100、125、150、175 W)、超聲時(shí)間(60、90、120、150、180 min)對(duì)蝦黃油脂提取率的影響。
1.3.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)
綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,用SPSS軟件進(jìn)行方差比較和多重分析,排除沒有顯著性影響的試驗(yàn)因素,利用Design-Expert 7.0軟件按照Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)。
1.3.3.3 蝦黃油的脂肪酸分析
以提取分離的蝦黃油脂為原料,進(jìn)行脂肪酸成分分析,參照GB/T 9695.2—2008《肉與肉制品:脂肪酸測(cè)定》的方法進(jìn)行脂肪酸的甲酯化。
氣相色譜條件:色譜柱:SP-2560(100 m×0.25 mm,0.2 μm);進(jìn)樣口溫度:230 ℃,檢測(cè)器溫度:250 ℃,程序升溫:初始溫度120 ℃保持3 min,以3 ℃/min升至230 ℃保持15 min;以5 ℃/min升至235 ℃保持3 min,分流比為50∶1,進(jìn)樣體積1 μL,柱流量1.0 mL/min。面積歸一法確定脂肪酸的百分含量。
2.1.1 蛋白酶種類對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
圖1 不同種類蛋白酶對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.1 Effect of protease type on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
如圖1所示,蛋白酶水解克氏原螯蝦蝦黃后,油脂提取率由高到低依次為:復(fù)合蛋白酶、酸性蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶。同時(shí),通過方差分析和多重比較結(jié)果顯示,添加蛋白酶的5組試驗(yàn)提取率與空白組都有顯著性差異。這是由于不同蛋白酶作用于蛋白質(zhì)的位點(diǎn)不同,催化活力不同造成的[17-18]。對(duì)于提取蝦黃油脂而言,復(fù)合蛋白酶的效果最好,故試驗(yàn)選擇添加復(fù)合蛋白酶進(jìn)行下一步研究。
2.1.2 復(fù)合蛋白酶添加量對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
如圖2所示,隨著復(fù)合蛋白酶添加量的增加,蝦黃油脂的提取率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),并在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)合蛋白酶時(shí)有最大值。這可能是由于當(dāng)添加量低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%時(shí),隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行,蛋白酶破壞蛋白質(zhì)和油脂結(jié)合的效果也隨之增強(qiáng);而當(dāng)添加量高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的時(shí),底物由大分子球狀集團(tuán)變成小分子鏈狀結(jié)構(gòu),降低了反應(yīng)表面積,同時(shí)酶自身也存在一定的水解,使得蛋白酶活力降低[19-21],因此繼續(xù)增加蛋白酶用量,提取率不會(huì)繼續(xù)增加,反而會(huì)有所降低,故添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)合蛋白酶較為合適。
圖2 復(fù)合酶添加量對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.2 Effect of protamex concentration on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
2.1.3 不同初始pH值對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
圖3 初始pH值對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.3 Effect of initial pH value on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
如圖3所示,通過方差分析和多重比較結(jié)果顯示,在pH值為6.0~8.0的范圍內(nèi),蝦黃油脂的提取率并沒有顯著性差異(P>0.05),說明復(fù)合蛋白酶在pH值在6.0~8.0的范圍內(nèi)均能作用于底物相應(yīng)位點(diǎn)并發(fā)揮催化活性,使油脂分子釋放出來。同時(shí)經(jīng)測(cè)定,原料的pH值為7.0~7.5,綜合考慮,選擇在原料自然初始pH值環(huán)境下進(jìn)行酶解反應(yīng),既可以保證提取效果,也避免了加入緩沖液帶入的雜質(zhì)。
2.1.4 水料比對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
圖4 水料比對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.4 Effect of water-to-material ratio on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
如圖4所示,在水料比1∶1~3∶1范圍內(nèi),蝦黃油脂提取率迅速上升,這是由于一定量的底物濃度有利于酶解反應(yīng)和油脂分子的釋放,但在3∶1~5∶1范圍內(nèi),提取率沒有顯著性增長(zhǎng)(P>0.05),可能的原因是加水量過多,分子間距增大,底物濃度降低,影響酶解反應(yīng)的進(jìn)行,因此蝦黃油釋放量有所降低。故從實(shí)際生產(chǎn)成本考慮,在后續(xù)的試驗(yàn)中,固定水料比為3∶1較為合適。
2.1.5 超聲酶解溫度對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
圖5 超聲酶解溫度對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.5 Effect of hydrolysis temperature on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
由圖5可知,復(fù)合蛋白酶的最適溫度為50~55 ℃,且在50 ℃和55 ℃條件下處理,蝦黃油脂提取率差異不顯著(P>0.05)。這與復(fù)合蛋白酶自身的最適酶解溫度有關(guān),當(dāng)溫度低于50 ℃時(shí),隨著溫度的升高,蛋白酶分子活動(dòng)逐漸活躍,加速了酶促反應(yīng)的進(jìn)行,從而促進(jìn)了蛋白質(zhì)和油脂的分離。繼續(xù)升高溫度會(huì)影響蛋白酶的活性,因而影響提取效果。故50 ℃為復(fù)合蛋白酶作用于蝦黃的最適溫度。
2.1.6 超聲功率對(duì)蝦黃油脂提取率的影響
圖6 超聲酶解功率對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic power on the extraction yied of lipids from cray fish yolk
如圖6所示,通過方差分析和多重比較顯示,輔以超聲波提取的試驗(yàn)組,其蝦黃油脂的提取率均高于對(duì)照組(58.6%),50 W和75 W處理差異不顯著,同時(shí)在125 W以后提取率基本趨于平衡不再增加。這是由于超聲波的強(qiáng)烈振動(dòng)可以加速分子運(yùn)動(dòng),破換細(xì)胞壁,使底物與蛋白酶的作用更加強(qiáng)烈從而進(jìn)行有效提取。該試驗(yàn)證實(shí)超聲波在蝦黃油脂的提取過程中具有實(shí)際效果和可行性。故選擇150 W為最適超聲波功率。
2.1.7 超聲酶解時(shí)間對(duì)蝦黃油提取率的影響
圖7 超聲酶解時(shí)間對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.7 Effect of ultrasonic-assisted hydrolysis time on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
圖7表明,在60~120 min內(nèi),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),提取率增加較快,這是由于水解率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,使得油脂的溶出率也逐漸增加。在120 min后,再延長(zhǎng)時(shí)間,提取率沒有顯著性增大(P>0.05),這可能是由于蛋白酶自身的水解造成分子質(zhì)量濃度增大,不利于酶促反應(yīng)的進(jìn)行,因此120 min為最適酶解時(shí)間。
2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表1 超聲酶解條件響應(yīng)面試驗(yàn)及結(jié)果Table 1 Experimental design and results for response surface analysis
根據(jù)表1建立數(shù)學(xué)回歸模型,得到蝦黃油脂提取率(Y)的多元二次方程模型為:
表2 回歸方程的方差分析Table 2 Analysis of variance for the fitted regression model
由表2可知,模型P<0.000 1,此回歸模型是顯著地,提取率P失擬=0.89>0.05,表明失擬不顯著,模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果R2=0.931 8,變異系數(shù)為0.068 2,說明該模型能解釋93.18%的響應(yīng)值的變化,擬合度較好,試驗(yàn)誤差小。本實(shí)驗(yàn)所建模型中各單因素的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、交互項(xiàng)中C、CD達(dá)到顯著水平(P<0.05),AD、A2、C2、D2達(dá)到極顯著水平(P<0.01),同時(shí)超聲酶解功率與蛋白酶添加量以及超聲酶解時(shí)間還存在交互作用并且交互作用也顯著。
2.2.2 因素間的交互作用對(duì)蝦黃油提取率的影響
圖8中等高線排列均勻且呈橢圓形,表示超聲功率和蛋白酶添加量、超聲酶解時(shí)間的交互作用顯著[22]。同時(shí),在所選范圍內(nèi)響應(yīng)面存在最高點(diǎn),即等高線圖中最小橢圓的中心點(diǎn)(圖中5點(diǎn))。
圖8 因素間交互作用對(duì)蝦黃油脂提取率的影響Fig.8 Response surface and contour plots showing the effects of reaction conditions on the extraction yield of lipids from cray fish yolk
由圖8a可知,在蛋白酶添加量一定時(shí),油脂提取率隨超聲功率增大持續(xù)升高,這是由于超聲波的強(qiáng)烈震動(dòng)可以加速分子運(yùn)動(dòng),具有穿透效應(yīng),因而功率越高,提取率越高。而在超聲功率一定的情況下,蝦黃油提取率隨蛋白酶添加量的增加出現(xiàn)先增大后降低的現(xiàn)象,并在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)合蛋白酶時(shí)有最大值。
由圖8b可知,超聲功率一定時(shí),隨著超聲酶解時(shí)間的延長(zhǎng),蝦黃油提取率先增大后減小,并在120~125 min范圍內(nèi)有最大值。同樣,超聲酶解時(shí)間不變,隨超聲功率的增大,提油率也出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),最優(yōu)范圍出現(xiàn)在150 W左右。這是由于酶解時(shí)間和功率間存在交互作用,功率較低時(shí),需要充足的時(shí)間使油脂釋放,相反若功率增大,分子運(yùn)動(dòng)劇烈,則相對(duì)縮短時(shí)間可以達(dá)到較好效果。
2.2.3 最佳工藝參數(shù)的確定及模型驗(yàn)證
利用Design-Expert 7.0軟件優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù)為水料比3∶1、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)合蛋白酶、超聲酶解時(shí)間124.94 min、超聲酶解溫度51.97 ℃、超聲功率152.23 W。在此條件下,蝦黃油脂的提取率為77.60%??紤]到實(shí)際操作的可行性,將提取工藝條件修正為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的復(fù)合蛋白酶、在超聲酶解時(shí)間125 min、超聲酶解溫度52 ℃、超聲功率150 W、通過3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到提取率平均值為77.86%,是優(yōu)化前蝦黃油脂提取率的1.43 倍,因此該響應(yīng)面模型可信度高,具有實(shí)用價(jià)值。
表3 蝦黃油脂肪酸甲酯的組成及相對(duì)含量Table 3 Composition and relative contents of fatty acid methylesters from cray fish yolk oil
經(jīng)GC分析,蝦黃油脂肪酸組成如表3所示,從提取的蝦黃油中共檢測(cè)出26 種脂肪酸,分布范圍從C14~C24,飽和脂肪酸共有10 種,相對(duì)含量為40.67%,不飽和脂肪酸共有16 種,相對(duì)含量為59.40%,其中多不飽和脂肪酸有9 種,占總量的27.92%,棕櫚油酸(14.88%)、油酸(16.42%)、亞油酸(15.76%)、α-亞麻酸(6.68%)、EPA(2.63%)含量較高。含α-亞麻酸、EPA和DHA 3 種ω-3脂肪酸,含亞油酸、γ-亞麻酸和花生四烯酸3 種ω-6脂肪酸,其脂肪酸組成與魚油類似,同時(shí)EPA含量與淡水魚類脂肪中的EPA含量相差不多[23-24]。
采用超聲輔助蛋白酶法提取蝦黃中的油脂,通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析優(yōu)化,得到提取的最佳工藝條件為水料比3∶1、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)合蛋白酶、在52 ℃條件下、用150 W的超聲波處理125 min,蝦黃油脂的提取率可以達(dá)到77.86%,是優(yōu)化前的1.43 倍。超聲輔助酶法提取蝦黃油脂是一種經(jīng)濟(jì)、安全、有效的方法。
對(duì)提取后的蝦黃油脂進(jìn)行脂肪酸組成和含量分析,發(fā)現(xiàn)其不飽和脂肪酸,尤其是多不飽和脂肪酸種類多,含量高,具有較高的利用價(jià)值??蔀殚L(zhǎng)江中下游地區(qū)克氏原鰲蝦副產(chǎn)物的深加工,以及創(chuàng)造具有高附加價(jià)值的產(chǎn)品提供理論參考。
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