胡 楊,王希搏,熊善柏,*,劉友明,尤 娟,尹 濤

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心,湖北武漢 430070;2.水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南常德 415000)

一種以魚鱗為原料的多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)工藝的建立與優(yōu)化

胡 楊1,2,王希搏1,熊善柏1,2,*,劉友明1,尤 娟1,2,尹 濤1

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心,湖北武漢 430070;2.水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南常德 415000)

魚鱗中含有豐富的膠原和鈣,可以作為生產(chǎn)膠原類產(chǎn)品和補(bǔ)鈣產(chǎn)品的原料。為了提高魚鱗的綜合利用效果,解決魚類加工過程中因副產(chǎn)物污染產(chǎn)生的環(huán)境問題,本研究以魚鱗為原料,研究聯(lián)合生產(chǎn)有機(jī)酸鈣、膠原和膠原蛋白肽的工藝。具體地,魚鱗先經(jīng)過超聲波輔助檸檬酸脫灰制備檸檬酸鈣,再采用超聲波輔助胃蛋白酶提取膠原,最后將提取膠原后的魚鱗殘?jiān)糜谥苽淠z原蛋白肽,并對(duì)所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,魚鱗脫灰制備檸檬酸鈣的條件為:超聲波功率120 W,料液比1∶20 g/mL,檸檬酸濃度6%,處理時(shí)間180 min,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗的脫灰率分別為97.8%、97.6%、98.1%;膠原提取條件為:超聲波功率180 W,料液比1∶20 g/mL,胃蛋白酶用量2000 U/g,處理時(shí)間8 h,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗膠原溶出率分別為40.1%、42.2%、56.2%;膠原蛋白肽制備條件為:底物濃度5%,胃蛋白酶用量280 U/g,初始pH2,處理溫度65 ℃,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗膠原溶出率分別為91.7%、89.3%、88.9%。從魚鱗中連續(xù)提取制備有機(jī)酸鈣、膠原和膠原蛋白肽的工藝具有較好的可靠性和穩(wěn)定性,有望在工業(yè)化生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

魚鱗,有機(jī)酸鈣,膠原,膠原蛋白肽,聯(lián)產(chǎn)

我國是世界水產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)的大國,尤其魚類資源十分豐富。在魚類產(chǎn)品的消費(fèi)和加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,其中就包括3%～5%的魚鱗,目前對(duì)這部分魚鱗尚缺乏有效的處理手段[1-2]。據(jù)報(bào)道[2],魚鱗中含有豐富的蛋白質(zhì)和鈣等,蛋白質(zhì)含量約為50%～70%、鈣含量約為7%～25%,生物學(xué)效價(jià)較高。若能利用規(guī)模優(yōu)勢(shì)對(duì)魚鱗加以利用,不僅可以實(shí)現(xiàn)魚鱗副產(chǎn)物的高價(jià)值,而且可促進(jìn)魚類加工業(yè)的發(fā)展,減少環(huán)境污染。

截至目前,已經(jīng)報(bào)道的國內(nèi)外有關(guān)魚鱗加工利用的文獻(xiàn)較多,主要包括制備膠原、膠原蛋白肽、羥基磷灰石、補(bǔ)鈣劑等[3-9]。然而,針對(duì)不同產(chǎn)品的提取工藝是分離的,對(duì)魚鱗的利用有限,仍然存在資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題。在此背景下,本文擬建立一種以魚鱗為原料的多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)工藝,在保證產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上,提高魚鱗的綜合利用效率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)魚鱗副產(chǎn)物污染的零排放和降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙丁魚鱗 購自福建晉江;草魚鱗、鰱魚鱗 購自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)菜市場(chǎng),魚鱗經(jīng)蒸餾水清洗干凈后,晾干、保存?zhèn)溆?胃蛋白酶(1.8×105U/g) 購自拜爾迪生物技術(shù)有限公司;氫氧化鈉 購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;一水合檸檬酸 購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

818型pH計(jì) ORINO研究公司;SHA-B水浴恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司;KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;FD-1A-50型冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;SD-1500噴霧干燥機(jī) 上海沃迪科技有限公司;KDN-08E凱氏定氮儀 上海精隆科學(xué)儀器有限公司。

1.2 聯(lián)產(chǎn)工藝的建立

多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)工藝流程如圖1所示。魚鱗經(jīng)氫氧化鈉脫脂和去除雜蛋白后,首先采用超聲波輔助檸檬酸脫灰,制備目標(biāo)產(chǎn)物檸檬酸鈣,脫灰后的魚鱗再經(jīng)過超聲波輔助胃蛋白酶水解制備目標(biāo)產(chǎn)物膠原,最后將提取膠原后的魚鱗殘?jiān)M(jìn)一步經(jīng)胃蛋白酶高溫水解制備目標(biāo)產(chǎn)物膠原蛋白肽。為了便于聯(lián)產(chǎn)工藝路線的研究,先對(duì)其中檸檬酸鈣、膠原、膠原蛋白肽制備工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 聯(lián)產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 The flow chart of joint production process

1.2.1 超聲波輔助檸檬酸脫灰工藝的優(yōu)化 基于預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將超聲波功率固定為120 W,以沙丁魚鱗為原料,以脫灰率為評(píng)價(jià)指標(biāo),針對(duì)處理時(shí)間、檸檬酸濃度以及料液比設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),各因素水平如表1所示。具體地,準(zhǔn)確稱取一定量的保存?zhèn)溆玫聂~鱗,調(diào)節(jié)料液比1∶15 g/mL,先用0.4%的氫氧化鈉處理12 h,以去除脂肪及非膠原組分的雜蛋白,處理后的魚鱗于表1設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行脫灰處理(注意控制過程溫度在20 ℃以下),之后過濾,濾液經(jīng)堿中和、過濾、干燥得到檸檬酸鈣,濾渣即為脫灰后的魚鱗,用于后續(xù)膠原及膠原蛋白肽的提取。

表1 因素水平表

1.2.2 超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的工藝優(yōu)化 基于預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以膠原溶出率為評(píng)價(jià)指標(biāo),針對(duì)超聲波功率、料液比、胃蛋白酶用量以及處理時(shí)間設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),各因素水平如表2所示。具體地,將脫灰后的魚鱗,按1∶10～1∶20 g/mL料液比加入1.0%的檸檬酸溶液,加入2000～4000 U/g的胃蛋白酶,之后于超聲波功率150～210 W條件下處理8～16 h(注意控制過程溫度在20 ℃以下),最后于低溫條件下4000 r/min離心20 min,上清液經(jīng)超濾膜脫鹽、濃縮、冷凍干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物膠原,殘?jiān)糜诤罄m(xù)膠原蛋白肽的提取。

表2 因素水平表

1.2.3 胃蛋白酶提取魚鱗膠原蛋白肽的工藝優(yōu)化 基于預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以膠原溶出率和產(chǎn)物水解度為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),針對(duì)處理溫度、初始pH、底物濃度以及胃蛋白酶用量設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),各因素水平如表3所示。具體地,將超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的殘?jiān)?用蒸餾水調(diào)節(jié)底物濃度為3%～7%,隨后用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)初始pH至2～4,之后加入140～420 U/g的胃蛋白酶,于55～65 ℃的溫度條件下恒溫水浴振蕩器中水解120 min,隨后沸水浴滅酶處理10 min,于4000 r/min離心20 min,上清液調(diào)節(jié)溶液pH至5～7,經(jīng)濃縮、噴霧干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物膠原蛋白肽。

表3 因素水平表

1.3 聯(lián)產(chǎn)工藝的驗(yàn)證

以3種魚鱗(草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗)為原料,以脫灰工序脫灰率、膠原提取工序和膠原蛋白肽提取工序膠原溶出率為評(píng)價(jià)指標(biāo),按優(yōu)化確定的檸檬酸鈣、膠原以及膠原蛋白肽聯(lián)產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)所得產(chǎn)物的性質(zhì)進(jìn)行分析,以此驗(yàn)證所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝的可靠性和穩(wěn)定性,以為今后的工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 魚鱗基本成分分析 參考文獻(xiàn)方法[10]測(cè)定魚鱗中的膠原含量,GB/T 6436-2002乙二胺四乙酸二鈉絡(luò)合滴定法測(cè)定魚鱗中的鈣含量。

1.4.2 脫灰率的測(cè)定 參考GB 5009.4-2010分別測(cè)定脫灰前后的魚鱗中的灰分總量,按式(1)計(jì)算脫灰率。

脫灰率(%)=脫灰前魚鱗中的灰分總量-脫灰后魚鱗中的灰分總量/脫灰前魚鱗中的灰分總量×100

式(1)

1.4.3 膠原溶出率的測(cè)定 參考GB/T 9695.23-2008分別測(cè)定水解上清液和水解操作前原料中的羥脯氨酸總量,按式(2)計(jì)算膠原和膠原蛋白肽提取工序的膠原溶出率。

膠原溶出率(%)=水解上清液中的羥脯氨酸總量/水解操作前原料中的羥脯氨酸總量×100

式(2)

1.4.4 水解度的測(cè)定 采用甲醛滴定法和凱氏定氮法分別測(cè)定水解上清液中的氨基氮和水解操作前原料中的總氮,按式(3)計(jì)算水解度[11-13]。

水解度(%)=水解上清液中的氨基氮/水解操作前原料中的總氮×100

式(3)

1.4.5 圓二色譜(CD)分析 參考文獻(xiàn)方法[14]對(duì)膠原和膠原蛋白肽的圓二色譜特征進(jìn)行分析。

1.4.6 聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分析 參考文獻(xiàn)方法[14]采用SDS-PAGE對(duì)膠原和膠原蛋白肽的相對(duì)分子質(zhì)量及分布進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次以上,采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚鱗基本成分分析

通常魚鱗主要由蛋白質(zhì)和灰分組成,其他還含有少量脂肪、色素和黏液質(zhì)等,而蛋白質(zhì)和灰分的主要成分為膠原和鈣,其他雜蛋白(如魚鱗硬蛋白、角質(zhì)蛋白等)和礦物質(zhì)的含量很少。如表4所示,給出了3種魚鱗中的膠原和鈣含量測(cè)定結(jié)果。由表4可知,魚鱗中含有豐富的膠原,根據(jù)魚鱗來源的不同,魚鱗中膠原的含量高達(dá)39.1%～63.1%。此外,魚鱗中還含有一定量的鈣。魚鱗中膠原和鈣的總含量高達(dá)55.6%～71.7%,膠原和鈣占到了魚鱗總質(zhì)量的一半及以上,說明魚鱗是一種制備有機(jī)酸鈣、膠原或膠原蛋白肽的理想原料。

表4 魚鱗基本組成成分

注:結(jié)果以干重計(jì)。

2.2 超聲波輔助檸檬酸脫灰工藝的優(yōu)化

如表5所示,為超聲波輔助檸檬酸脫灰的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表5可知,在超聲波功率為120 W的條件下,料液比的極差值最大,說明其對(duì)超聲波輔助檸檬酸脫灰的影響程度最大,其次為檸檬酸濃度,處理時(shí)間的影響程度最小。隨料液比的增大,魚鱗與檸檬酸的接觸面積增大,有利于脫灰反應(yīng)的進(jìn)行。檸檬酸濃度的增大,同樣可增大魚鱗與檸檬酸的接觸,加快脫灰反應(yīng)的進(jìn)行。處理時(shí)間的延長,為魚鱗與檸檬酸的接觸提供了更多機(jī)會(huì),魚鱗的脫灰效果更加理想。單以脫灰率看,超聲波輔助檸檬酸脫灰的最佳條件為:A3B3C3,即料液比1∶20 g/mL,檸檬酸濃度6.5%,處理時(shí)間210 min。然而,在A2B2C3,即料液比1∶20 g/mL,檸檬酸濃度6%,處理時(shí)間180 min的條件下,魚鱗的脫灰率已高達(dá)99.8%,脫灰后的魚鱗中的灰分含量為0.13%,低于企業(yè)提取魚鱗膠原時(shí)對(duì)原料灰分含量1.0%的上限要求。因此,結(jié)合企業(yè)提取魚鱗膠原時(shí)對(duì)原料灰分含量的具體控制,綜合企業(yè)生產(chǎn)成本(檸檬酸用量減小,處理時(shí)間縮短),理想的魚鱗脫灰條件為A2B2C3,即料液比1∶20 g/mL,檸檬酸濃度6%,處理時(shí)間180 min。曾芳[15]研究了磁力攪拌輔助檸檬酸脫灰,其在檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.8%,料液比1∶23 g/mL的條件下,脫灰率為93.4%,該結(jié)果進(jìn)一步證明了超聲波對(duì)檸檬酸脫灰具有明顯的促進(jìn)作用,超聲波輔助檸檬酸脫灰不但減少了原料的使用量,同時(shí)還提高了檸檬酸的脫灰效果。

表5 超聲波輔助檸檬酸脫灰正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的工藝優(yōu)化

表6 超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表6所示,為超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表6可知,超聲波功率的極差值最大,其次為料液比,胃蛋白酶用量和處理時(shí)間的極差值較小,說明超聲波功率的影響程度最大。超聲波功率對(duì)胃蛋白酶提取膠原的影響是雙向的,適度增大超聲波功率可為魚鱗和胃蛋白酶提供更多接觸機(jī)會(huì),加快酶解反應(yīng)的進(jìn)行,繼續(xù)增大超聲波功率可對(duì)胃蛋白酶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使胃蛋白酶變性從而影響其活力。隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)液的黏度會(huì)逐步增加,因此,在料液比較小的情況下,酶作用的傳遞也急劇減慢,從而影響酶解反應(yīng)的進(jìn)行,該現(xiàn)象與已有文獻(xiàn)[16]的報(bào)道一致。胃蛋白酶用量和處理時(shí)間的極差值較小,說明其對(duì)魚鱗膠原溶出率的影響程度較小。單以膠原溶出率來看,超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的最佳條件為:A2B3C3D3,即超聲波功率180 W,料液比1∶20 g/mL,胃蛋白酶用量4000 U/g,處理時(shí)間16 h。然而,一個(gè)工藝能否得到工業(yè)化應(yīng)用,除與生產(chǎn)工藝過程和特點(diǎn)有關(guān)外,同時(shí)還要結(jié)合生產(chǎn)成本。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,胃蛋白酶用量和處理時(shí)間對(duì)膠原溶出率的影響程度較小,隨胃蛋白酶用量的增大和處理時(shí)間的延長,魚鱗膠原溶出率的增幅不大,但生產(chǎn)成本增加(胃蛋白酶用量增大、處理時(shí)間延長)。因此,綜合魚鱗膠原溶出率和企業(yè)生產(chǎn)成本,超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的理想條件為:A2B3C1D1,即超聲波功率180 W,料液比1∶20 g/mL,胃蛋白酶用量2000 U/g,處理時(shí)間8 h。在此條件下,膠原溶出率達(dá)到45.8%,高于常規(guī)機(jī)械作用下膠原溶出率[17],說明超聲波對(duì)胃蛋白酶提取魚鱗膠原具有一定的促進(jìn)作用,可提高魚鱗膠原的提取效果。

2.4 胃蛋白酶提取魚鱗膠原蛋白肽的工藝優(yōu)化

由2.3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在優(yōu)化確定的超聲波輔助胃蛋白酶提取魚鱗膠原的實(shí)驗(yàn)條件下,魚鱗膠原溶出率為45.8%,說明魚鱗中的膠原并未完全溶解出來,仍有54.2%的膠原在殘?jiān)?未得到利用。為了最大程度提高魚鱗的利用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)對(duì)魚鱗中膠原的回收再利用,將提取膠原后的殘?jiān)M(jìn)一步經(jīng)胃蛋白酶高溫水解制備膠原蛋白肽。

表7 胃蛋白酶提取魚鱗膠原蛋白肽正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表7所示,為胃蛋白酶提取魚鱗膠原蛋白肽的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以膠原溶出率為評(píng)價(jià)指標(biāo),底物濃度的影響程度最大,其次為胃蛋白酶用量,初始pH和處理溫度的影響程度最小,最優(yōu)的水解條件為:A3B1C1D3,即底物濃度3%,胃蛋白酶用量420 U/g,初始pH2,處理溫度65 ℃。然而,以產(chǎn)物水解度為評(píng)價(jià)指標(biāo),最優(yōu)的水解條件為:A2B1C2D2,即底物濃度5%,胃蛋白酶用量280 U/g,初始pH2,處理溫度60 ℃。膠原溶出率和產(chǎn)物水解度之間并不存在一定的相關(guān)性,該結(jié)果與已有文獻(xiàn)[18]的報(bào)道一致。由于本實(shí)驗(yàn)以膠原溶出率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)考慮產(chǎn)物水解度以及企業(yè)生產(chǎn)成本(水用量和胃蛋白酶用量減小),胃蛋白酶提取魚鱗膠原蛋白肽的理想水解條件為:A3B1C2D2,即底物濃度5%,胃蛋白酶用量280 U/g,初始pH2,處理溫度65 ℃。在此條件下,魚鱗膠原溶出率為86.0%。

2.5 聯(lián)產(chǎn)工藝的驗(yàn)證

為進(jìn)一步考察所得聯(lián)產(chǎn)工藝的可靠性和穩(wěn)定性,以不同魚鱗為原料,對(duì)所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝及條件進(jìn)行驗(yàn)證。如圖2所示,為聯(lián)產(chǎn)工藝各工序過程參數(shù)?？梢钥吹?在優(yōu)化確定的脫灰工藝條件下,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗的脫灰率分別為97.8%、97.6%、98.1%,說明魚鱗中的鈣已基本完全溶解出來;經(jīng)提取膠原處理,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗膠原溶出率分別為40.1%、42.2%、56.2%,說明魚鱗中的膠原并未完全溶解出來,仍有一半的膠原在殘?jiān)?未得到利用;進(jìn)一步對(duì)提取膠原后的魚鱗殘?jiān)魈崛∧z原蛋白肽處理,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗膠原溶出率分別達(dá)到了91.7%、89.3%、88.9%,魚鱗中的膠原已基本完全以膠原或膠原蛋白肽形式溶解出來。以上數(shù)據(jù)說明所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝是有效的,基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚鱗中鈣和膠原的回收再利用。不同魚鱗膠原溶出率差異明顯,主要在于不同魚鱗的形狀、結(jié)構(gòu)等存在差異[1,19]。

圖2 聯(lián)產(chǎn)工藝驗(yàn)證及各工序過程參數(shù)Fig.2 The joint production process validation

如圖3(A)所示,為膠原和膠原蛋白肽的圓二色譜圖。圓二色譜主要用來測(cè)定蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu),具體到膠原,圓二色譜可用來表征其三股螺旋結(jié)構(gòu)的完整性。通常來講,具有完整三股螺旋結(jié)構(gòu)的膠原,其圓二色譜特征是在198 nm左右有一個(gè)負(fù)吸收峰,在221 nm左右有一個(gè)弱的正吸收峰[14]。當(dāng)膠原的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞,三股螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌時(shí),在198 nm左右波長處的負(fù)吸收峰會(huì)向低波長處發(fā)生略微移動(dòng),而在221 nm左右波長處的正吸收峰會(huì)根據(jù)三股螺旋結(jié)構(gòu)被破壞的程度呈現(xiàn)不同程度的削弱甚至消失[20]。從圖3可以看到,膠原的圓二色譜圖在198 nm左右波長處有負(fù)吸收峰,在221 nm左右波長處有弱的正吸收峰,屬于典型的三股螺旋構(gòu)象特征。而膠原蛋白肽在整個(gè)波長范圍內(nèi)均沒有明顯的負(fù)吸收峰和弱的正吸收峰,說明膠原蛋白肽中已不存在完整的三股螺旋結(jié)構(gòu)。

圖3 膠原和膠原蛋白肽的圓二色譜和SDS-PAGE圖譜Fig.3 CD and SDS-PAGE analysis of collagen and collagen peptide

如圖3(B)所示,為膠原和膠原蛋白肽的SDS-PAGE電泳圖譜。SDS-PAGE可用于測(cè)定膠原的相對(duì)分子質(zhì)量大小。從圖3(B)可以看到,膠原的電泳圖譜主要有4條譜帶,在116～130 ku附近出現(xiàn)的2條譜帶分別是膠原分子的α1鏈和α2鏈,在205 ku附近出現(xiàn)的1條譜帶是膠原分子的β鏈,另外也觀察到了在300 ku附近出現(xiàn)的1條譜帶是膠原分子特有的γ鏈,而膠原蛋白肽的電泳圖譜為一個(gè)連續(xù)帶,無典型的膠原譜帶出現(xiàn)。導(dǎo)致膠原、膠原蛋白肽相對(duì)分子質(zhì)量差異的主要原因是制備工藝的不同,膠原是在低溫條件下用胃蛋白酶提取得到的,在較低溫度下該酶僅作用于膠原的端肽,不作用于膠原分子的三股螺旋結(jié)構(gòu)。膠原蛋白肽是在高溫條件下用胃蛋白酶水解得到的,受高溫和酶的雙重作用,魚鱗中的膠原發(fā)生變性,三股螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,因此膠原蛋白肽的相對(duì)分子質(zhì)量變小,且分布變寬。此外,由于在較高溫度條件下,酶對(duì)膠原蛋白肽鍵的水解是隨機(jī)的,得到的水解產(chǎn)物組成較復(fù)雜,因此其電泳圖譜為一個(gè)連續(xù)帶。

3 結(jié)論

魚鱗中含有豐富的膠原和鈣,可以作為生產(chǎn)魚鱗有機(jī)酸鈣、膠原和膠原蛋白肽的理想原料。為了提高魚鱗的綜合利用效果,本文在優(yōu)化研究魚鱗脫灰、膠原和膠原蛋白肽提取工藝條件的基礎(chǔ)上,建立了魚鱗有機(jī)酸鈣、膠原和膠原蛋白肽聯(lián)產(chǎn)工藝。具體地,魚鱗先經(jīng)過氫氧化鈉脫脂和去除雜蛋白處理;隨后,在超聲波功率120 W,料液比1∶20 g/mL,檸檬酸濃度6%的條件下處理180 min,制備目標(biāo)產(chǎn)物檸檬酸鈣;脫灰處理后的魚鱗進(jìn)一步在超聲波功率180 W,料液比1∶20 g/mL,胃蛋白酶用量2000 U/g的條件下處理8 h,制備目標(biāo)產(chǎn)物魚鱗膠原;最后,再將提取膠原后的魚鱗殘?jiān)诘孜餄舛?%,胃蛋白酶用量280 U/g,初始pH2,處理溫度65 ℃的條件下制備膠原蛋白肽。經(jīng)驗(yàn)證,所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝具有較好的可靠性和穩(wěn)定性,草魚鱗、鰱魚鱗、沙丁魚鱗的脫灰率分別達(dá)到了97.8%、97.6%、98.1%,總膠原溶出率分別達(dá)到了91.7%、89.3%和88.9%。盡管已經(jīng)取得的研究結(jié)果表明,所建立的聯(lián)產(chǎn)工藝是有效的,然而有關(guān)聯(lián)產(chǎn)工藝所得產(chǎn)品的品質(zhì)有待研究。下一步的工作重點(diǎn)是對(duì)聯(lián)產(chǎn)工藝所得產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行分析,并與傳統(tǒng)法所得產(chǎn)品的品質(zhì)及得率進(jìn)行對(duì)比,以為聯(lián)產(chǎn)工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

[1]夏文水,羅永康,熊善柏,等. 大宗淡水魚貯運(yùn)保鮮與加工技術(shù)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2014.

[2]陳日春. 鰱魚魚鱗膠原蛋白肽的制備及其抗氧化活性的研究[D]. 福州:福建農(nóng)林大學(xué),2013.

[3]Sionkowska A,Kozlowska J. Fish scales as a biocomposite of collagen and calcium salts[J]. Key Engineering Materials,2013,587:185-190.

[4]Huang C Y,Kuo J M,Wu S J,et al. Isolation and characterization of fish scale collagen from tilapia(Oreochromis sp.)by a novel extrusion-hydro-extraction process[J]. Food Chemistry,2016,190:997-1006.

[5]Zeng J N,Jiang B Q,Xiao Z Q,et al. Extraction of collagen from fish scales with papain under ultrasonic pretreatment[J]. Advanced Materials Research,2011,366:421-424.

[6]Huang Y C,Hsiao P C,Chai H J. Hydroxyapatite extracted from fish scale:effects on MG63 osteoblast-like cells[J]. Ceramics International,2011,37(6):1825-1831.

[7]Sudip M,Shrabani M,Sanjit K,et al. Processing of natural resourced hydroxyapatite ceramics from fish scale[J]. Advanced in Applied Ceramics,2013,109(109):234-239.

[8]Huang C Y,Wu C H,Yang J L,et al. Evaluation of iron-binding activity of collagen peptides prepared from the scales of four cultivated fishes in Taiwan[J]. Journal of Food and Drug

Analysis,2015,11(4):671-678.

[9]Hemanth-Kumar M,Spandana V,Poonam T. Extraction and determination of collagen peptide and its clinical importance from tilapia fish scales(Oreochromis niloticus)[J]. International Research Journal of Pharmacy,2011,2(10):97-99.

[10]劉艷,劉章武,唐婧苗,等. 酶法提取4種淡水魚魚鱗膠原蛋白的研究[J]. 水產(chǎn)科學(xué),2010,29(4):221-224.

[11]Hu Y,Liu L,Dan W H. Protective effect of calcium hydroxide in hair-saving unhairing process[J]. Journal of the Society of Leather Technologists and Chemists,2013,97(5):200-206.

[12]厲望,靳挺,武玉學(xué). 帶魚蛋白酶解條件優(yōu)化及酶解物抗氧化性能[J]. 食品科學(xué),2013,34(9):234-239.

[13]宋茹,馮婷立,謝超. 海產(chǎn)小雜魚抗氧化肽制備工藝[J]. 食品科學(xué),2011,32(12):29-33.

[14]Hu Y,Liu L,Dan W H,et al. Evaluation of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate-based ionic liquid systems as a suitable solvent for collagen[J]. Journal of Applied Polymer Science,2013,130:2245-2256.

[15]曾芳. 魚鱗膠原蛋白、明膠和羥基磷灰石綜合提取研究[D]. 南昌:南昌大學(xué),2013.

[16]胡楊,蔣遠(yuǎn)干,但衛(wèi)華,等. 胃蛋白酶提取豬皮膠原的研究[J]. 中國皮革,2010,39(23):11-16.

[17]王吰,劉劍虹,李可偉. 胃蛋白酶法提取草魚鱗膠原蛋白的工藝研究[J]. 食品研究與開發(fā),2007,28(4):134-136.

[18]林琳. 魚皮膠原蛋白的制備及膠原蛋白多肽活性的研究[D]. 青島:中國海洋大學(xué),2006.

[19]Ibanez A L. Fish traceability:guessing the origin of fish from a seafood market using fish scale shape[J]. Fisheries Research,2015,170:82-88.

[20]Hu Y,Liu L,Gu Z P,et al. Modification of collagen with a natural derived cross-linker,alginate dialdehyde[J]. Carbohydrate Polymer,2014,102:324-332.

Study on the joint production technology of multi-products from fish scale

HU Yang1,2,WANG Xi-bo1,XIONG Shan-bai1,2,*,LIU You-ming1,YOU Juan1,2,YIN Tao1

(1.The Sub Center of National Technology and R&D of Staple Freshwater Fish Processing,College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 2.Collaborative Innovation Center for Efficient and Health Production of Fisheries in Hunan Province,Changde 415000,China)

Fish scale,rich in collagen and calcium,can be used as the raw material of producing collagen products and calcium supplements. In order to improve the comprehensive utilization and eliminate the pollution to environment from fish scale,the joint production technology of calcium citrate,collagen and collagen peptide was studied. The optimized de-ashing process parameters were ultrasonic power 120 W,ratio of material to water 1∶20 g/mL,citric acid mass fraction 6%,processing time 180 min,as the de-ashing rate of grass carp scale,silver carp scale and sardine scale could reach 97.8%,97.6% and 98.1%,respectively. After de-ashing,pepsin hydrolysis assisted by ultrasonic was used to extract collagen from fish scale,the optimum extraction conditions were as follows:ultrasonic power 180 W,ratio of material to water 1∶20 g/mL,enzyme dosage 2000 U/g,extraction time 8 h. Under this condition,the collagen extraction rate of grass carp scale,silver carp scale and sardine scale was 40.1%,42.2% and 56.2%. Scale residue after extracting collagen was directly used for collagen peptide preparation,the optimum conditions were as follows:substrate mass fraction 5%,enzyme dosage 280 U/g,the pH value of 2,processing temperature 65 ℃. Under this condition,the collagen extraction rate of grass carp scale,silver carp scale and sardine scale reached 91.7%,89.3% and 88.9%. Eventually,the joint production technology was verified and the result showed that the established joint production technology was stable and reliable,and may pave the way for industrial production.

fish scale;calcium citrate;collagen;collagen peptide;joint production

2016-06-13

胡楊(1987-)，男，博士，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏，E-mail：huyang@mail.hzau.edu.cn。

*通訊作者:熊善柏(1963-)，男，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏，E-mail：xiongsb@mail.hzau.edu.cn。

湖北省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(2015CFB391)；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金(2662015QC014)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(21506070)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-46-23)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000