鄒 燁，蔡盼盼,，王 立,3，王道營,*，周 濤，徐為民

超聲輔助酶法提取中華鱉裙邊膠原蛋白及其熱穩(wěn)定性能

鄒 燁1，蔡盼盼1,2，王 立1,3，王道營1,*，周 濤2，徐為民1

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.南京師范大學(xué)金陵女子學(xué)院，江蘇 南京 210097；3.揚(yáng)州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

以中華鱉裙邊為原料，采用單因素試驗探討加酶量、超聲時間、超聲功率、料液比對膠原蛋白的影響，通過Box-Behnken響應(yīng)面方法建立數(shù)學(xué)模型，求得最佳酶提工藝，比較常規(guī)酶提和超聲輔助酶提膠原蛋白的熱穩(wěn)定性能。結(jié)果表明，在提取溶劑為乙酸（0.5 mol/L）、料液比1∶20（g/mL）的條件下，采用超聲酶提膠原蛋白的最佳工藝參數(shù)為加酶量0.8%、超聲時間43 min、超聲功率176 W，此條件下膠原蛋白得率為74.50%；差示掃描量熱實(shí)驗結(jié)果表明，超聲酶提膠原蛋白的熱穩(wěn)定性顯著優(yōu)于常規(guī)酶提膠原蛋白。該研究可為中華鱉裙邊膠原蛋白的精深加工及其應(yīng)用提供一定科學(xué)依據(jù)。

中華鱉裙邊；超聲輔助酶提優(yōu)化；膠原蛋白；得率；熱穩(wěn)定性

膠原蛋白是動物組織中的一類結(jié)構(gòu)蛋白，約占總蛋白量的三分之一，對動物機(jī)體和臟器有著支撐、保護(hù)、結(jié)合等作用，廣泛分布于動物的皮膚、骨骼、軟骨等[1-2]。膠原蛋白及其水解物具有很好的消化吸收特性，并具備抗氧化功能等作用[3-4]，在食品、醫(yī)學(xué)、材料等方面都已得到廣泛應(yīng)用[5-6]。膠原蛋白主要來源于牛、豬的皮膚、骨頭等結(jié)締組織[7]，而某些地區(qū)由于宗教信仰等原因較排斥牲畜來源的膠原蛋白制品[8-9]，因此，近年來以水產(chǎn)品為原料提取的膠原蛋白，由于安全性較高得到了世界的公認(rèn)。

甲魚（Pelodiscus sinensis）學(xué)名鱉，是一種卵生爬行動物，主要分布在亞洲、非洲、美洲的淡水和湖泊中。中國現(xiàn)有的甲魚品種有中華鱉、山瑞鱉、斑鱉等，其中以中華鱉最為常見[10-11]。中華鱉肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)豐富，屬于典型的低脂高蛋白食品，此外，還含有多種礦物質(zhì)元素和不飽和脂肪酸，能有效抑制腫瘤細(xì)胞生長和肝結(jié)締組織增生，提高血漿蛋白水平[12-13]。中華鱉周圍的結(jié)締軟組織俗稱“裙邊”，它含有豐富的膠原蛋白，目前以水產(chǎn)類為原料制備膠原蛋白的研究多集中在水產(chǎn)副產(chǎn)品上，大部分水產(chǎn)膠原蛋白的亞氨酸含量較低，所以其熱穩(wěn)定性較差，如真鱈魚皮膠原蛋白的熱變性溫度僅為15 ℃[14-17]。近年來，中華鱉裙邊產(chǎn)量逐漸增加，2013年中華鱉裙邊年產(chǎn)量超過30 000 t[18]。

超聲輔助提取法因為高效節(jié)能、綠色、環(huán)保近年來應(yīng)用較多[19]，但鮮見有關(guān)超聲輔助提取甲魚裙邊膠原蛋白的研究報道，研究發(fā)現(xiàn)中華鱉裙邊的膠原蛋白具有較高的熱穩(wěn)定性，有利于在食品加工和生物材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，有必要對中華鱉裙邊的膠原蛋白作進(jìn)一步研究。本實(shí)驗擬用超聲輔助酶法提取膠原蛋白，利用響應(yīng)面分析法確定最佳提取工藝，并對優(yōu)化所得的膠原蛋白進(jìn)行熱穩(wěn)定性研究，為膠原蛋白快速有效提取和精深加工的應(yīng)用提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

中華鱉于2016年9月份采于江蘇宿遷宴王水產(chǎn)食品有限公司，數(shù)量16 只，體質(zhì)量約600～700 g/只，活體解剖后取裙邊部分，絞碎、混勻，真空袋密封后，-40 ℃冷凍備用；乙酸（分析純）、氯化鈉（分析純）、碳酸鈉（分析純）、乙二胺四乙酸二鈉鹽（ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt，EDTA-2Na，分析純）、考馬斯亮藍(lán) 南京建成生物工程研究所；胃蛋白酶（酶活1∶30 000） 上海源葉生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

T25DS25高速粉碎機(jī) 德國IKA公司；78-1磁力加熱攪拌器、HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；M124A電子天平 意大利貝爾儀器有限公司；UnCen MR臺式冷凍離心機(jī) 德國Herolab公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；真空冷凍干燥機(jī) 德國Christ公司；UV-6100型分光光度計上海美普達(dá)儀器有限公司；DGG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

工藝流程：新鮮中華鱉裙邊→切碎→去除非膠原蛋白成分→離心（4 000×g，15 min）→脫水干燥→稱量→超聲輔助酶法提取/常規(guī)酶法提取→離心（5 000×g，15 min）→提取上清液→在上清液中加入0.9 mol/L NaCl溶液→離心（5 000×g，15 min）→收集沉淀溶于0.5 mol/L乙酸溶液中→用0.1 mol/L乙酸溶液透析1 d，用蒸餾水透析2 d→測定羥脯氨酸含量→計算膠原蛋白含量→真空冷凍干燥（-48 ℃，40 h）→膠原蛋白酶溶性粗提物→計算膠原蛋白得率。

操作要點(diǎn)：非膠原蛋白成分的去除：稱取40 g切碎后的中華鱉裙邊，用2.0% NaCl溶液（料液比1∶20（g/mL），下同）于20 ℃條件下連續(xù)磁力攪拌8 h，去除水溶性及鹽溶性雜蛋白，接著用0.5 mol/L Na2CO3溶液20 ℃連續(xù)磁力攪拌8 h，再用0.3 mol/L EDTA-2Na溶液20 ℃ 連續(xù)磁力攪拌8 h，用蒸餾水反復(fù)洗滌，充分瀝干后再加入與NaCl溶液同體積的10%異丙醇溶液20 ℃浸泡24 h，以去除脂肪等雜質(zhì)。超聲輔助酶提：稱取適量除雜后的中華鱉裙邊，加入一定量的0.5 mol/L乙酸溶液和胃蛋白酶，置于超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中提取。常規(guī)酶提?。悍Q取適量除雜后的中華鱉裙邊，加入一定量的0.5 mol/L乙酸溶液和胃蛋白酶，在室溫下，置于磁力攪拌機(jī)上攪拌提取，提取24 h。羥脯氨酸的測定：根據(jù)GB/T 9696.23—2008《動植物油脂 水分和揮發(fā)物含量測定》中的方法測定樣品中羥脯氨酸的含量。膠原蛋白得率的計算：用提取的上清液中羥脯氨酸含量乘以對應(yīng)的膠原蛋白換算系數(shù)[20]得到膠原蛋白的含量，膠原蛋白得率由下式計算：

式中：ma為膠原蛋白質(zhì)量/g；mb為中華鱉裙邊質(zhì)量/g。

1.3.2 單因素試驗

根據(jù)提取膠原蛋白的工藝流程，設(shè)定提取試劑為0.5 mol/L乙酸溶液、加酶量1%、超聲時間40 min、超聲功率200 W、料液比1∶20（g/mL），固定其他條件，分別設(shè)置不同料液比（1∶5、1∶10、1∶30、1∶50、1∶70（g/mL））、超聲功率（50、100、150、200、250、300 W）、超聲時間（10、20、30、40、50 min）、加酶量（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%）條件下膠原蛋白得率，考察其對膠原蛋白得率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果可知，料液比對膠原蛋白得率的影響不顯著，變化趨勢平緩，故選取加酶量、超聲時間、超聲功率為影響超聲輔助酶提中華鱉裙邊膠原蛋白的主要因素，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面試驗，總計進(jìn)行17 次。試驗因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used for Box-Behnken design

1.3.4 氨基酸組成分析

釆用高效液相色譜進(jìn)行膠原蛋白氨基酸組成測定，樣品處理方法如下：稱取一定量的膠原蛋白于水解管中，加入6.0 mol/L HCl溶液，密封水解管后，110 ℃水解24～36 h，在338 nm檢測波長下測定膠原蛋白的氨基酸組成。

1.3.5 熱穩(wěn)定性分析

將膠原蛋白用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）進(jìn)行掃描[21]，樣品質(zhì)量為4～5 mg，所有的測定都要在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行；程序升溫：掃描溫度為室溫至20 ℃，掃描速率為5 ℃/min。最大變性溫度（Tmax）用Ver 2.0N軟件分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、Origin 8.0、Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖，結(jié)果以 ±s表示，用SPSS 18.0進(jìn)行不同處理組間顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 料液比對膠原蛋白得率的影響

圖1 料液比對膠原蛋白得率的影響Fig. 1 Effect of solid-to-solvent ratio on the yield of collagen

由圖1可知，膠原蛋白得率隨提取液用量的增加而逐漸升高，當(dāng)料液比為1∶20（g/mL）時增加趨勢變緩，基本保持不變。這是因為溶劑劑量小時，溶液過分黏稠，且在超聲過程中易形成泡沫，造成擴(kuò)散速度較慢，不能保證裙邊中的膠原蛋白全部轉(zhuǎn)移到提取液中；而隨著提取液用量的逐漸增大，中華鱉裙邊中的酶溶性膠原蛋白得率逐漸增加直至基本提取完全，故膠原蛋白得率先增加后保持平穩(wěn)不變，這與王珮等[22]結(jié)果相似。所以，選取料液比1∶20（g/mL）作為提取最適料液比。

2.1.2 超聲功率對膠原蛋白得率的影響

圖2 超聲功率對膠原蛋白得率的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic power on the yield of collagen

超聲波可使細(xì)胞破碎，并且加快提取物的運(yùn)動，促進(jìn)有效成分的溶出，一般來說，加大超聲功率會進(jìn)一步加強(qiáng)這些效果。從圖2可以看出，超聲功率在50～150 W的范圍內(nèi)，膠原蛋白得率隨著功率的增加而增大，在150 W處達(dá)到最大，表明超聲的空化效應(yīng)使得膠原蛋白更好的溶解于溶劑中[23]。而超過150 W后，膠原蛋白得率緩慢下降。這可能是因為超聲功率增大會使得溫度有一定的升高，加快了膠原蛋白的提取；而當(dāng)溫度過高時，高溫使酶失活，降低了提取效率，而且超聲功率過大會破壞膠原蛋白分子的結(jié)構(gòu)，造成膠原蛋白分子的降解，因此選定150 W為最適超聲功率。

2.1.3 超聲時間對膠原蛋白得率的影響

圖3 超聲時間對膠原蛋白得率的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic time on the yield of collagen

根據(jù)圖3可知，膠原蛋白得率隨提取時間的延長而增加，到40 min時達(dá)到最大。而當(dāng)時間繼續(xù)延長，膠原蛋白得率反而開始下降。這可能是因為適當(dāng)延長時間可給予酶與底物充分反應(yīng)的機(jī)會，使得膠原蛋白充分溶解在提取液中；而當(dāng)超過一定時間后，超聲可能會使提取溶液的溫度升高，造成酶失活，并且部分膠原蛋白分子也可能發(fā)生熱降解或者破壞膠原蛋白的分子結(jié)構(gòu)，致使膠原蛋白得率下降，所以提取最適超聲時間可選為40 min。

2.1.4 加酶量對膠原蛋白得率的影響

圖4 加酶量對膠原蛋白得率的影響Fig. 4 Effect of enzyme dosage on the yield of collagen

由圖4可以看出，膠原蛋白得率隨加酶量的增加而增大，加酶量為0.75%時達(dá)到最高值，這是因為加酶量增加使得底物與酶充分反應(yīng)增加膠原蛋白得率。然而隨著加酶量的繼續(xù)增加，膠原蛋白得率開始下降。這可能是由于加酶量過大，底物已經(jīng)反應(yīng)完全，而且當(dāng)酶過量時底物會完全與酶結(jié)合，加快膠原蛋白降解，該加酶量與鮟鱇魚皮膠原蛋白的提取相差較大，可能是底物種類的不同，或者酶活力不一樣[22]，因此選取最適加酶量為0.75%。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性分析

對表2中響應(yīng)值與各個元素進(jìn)行回歸擬合，該模型對應(yīng)的回歸方程為Y/%=72.98＋3.25X1＋3.06X2＋

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件處理，采用二次型進(jìn)行方差分析，二次回歸方程的顯著性分析見表3。從表3可以看出，模型的P值小于0.000 1，表明回歸模型極顯著，失擬誤差P值為0.113 1大于0.05，不顯著，說明該模型可用來進(jìn)行響應(yīng)值的預(yù)測。試驗設(shè)計通過軟件分析得到的二次回歸方程的擬合系數(shù)R2值為0.998 9大于0.9，說明回歸模型與試驗結(jié)果的擬合度高[21]。模型調(diào)整確定系數(shù)為0.997 5，說明該模型能夠解釋99.75%的響應(yīng)值變化。一次項系數(shù)均表現(xiàn)為極顯著，表明這些因素對膠原蛋白得率的影響極顯著。而F值表示的是加酶量、超聲時間、超聲功率這3 個因素對膠原蛋白得率的影響程度，F(xiàn)值越大，說明影響越大[24]。由3 個影響因素的F值大小可以推斷出，3 個因素對膠原蛋白得率影響主次順序為加酶量＞超聲時間＞超聲功率。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Box-Behnken design matrix with experimental results

表3 回歸統(tǒng)計分析結(jié)果Table 3 Statistical analysis of the developed response surface regression model

2.2.2 因素間交互作用影響結(jié)果

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件處理，得到加酶量（X1）、超聲時間（X2）、超聲功率（X3）交互作用的響應(yīng)面和等高線圖。一般來說，等高線圖呈橢圓狀時表示兩因素交互作用顯著，圓形則相反[22]。如圖5所示，超聲功率和加酶量（X1X3）、超聲功率和超聲時間（X2X3）對膠原蛋白得率的影響極顯著，加酶量和超聲時間（X1X2）交互作用顯著，與顯著性分析結(jié)果相符。

根據(jù)所得到的響應(yīng)面模型，經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件處理得到最優(yōu)工藝為加酶量0.8%、超聲時間43.31 min、超聲功率176.71 W，在此條件下膠原蛋白得率為74.45%?？紤]到實(shí)際可操作性，調(diào)整工藝參數(shù)為加酶量0.8%、超聲時間43 min、超聲功率176 W，在此條件下進(jìn)行3 組驗證實(shí)驗，膠原蛋白得率為74.35%、74.47%、74.68%，取平均值為74.50%，與理論值較為接近，表明響應(yīng)面模型對優(yōu)化膠原蛋白的提取工藝可行，所得的膠原蛋白仍保持三螺旋結(jié)構(gòu)，屬于膠原蛋白-Ⅰ型[25]。

圖5 各因素交互作用對膠原蛋白得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig. 5 Response surface and contour plots showing the interactive effect of extraction parameters on the yield of collagen

2.3 熱穩(wěn)定性分析

圖6 膠原蛋白的DSC分析Fig. 6 DSC curves of pepsin-soluble collagen from turtle calipash extracted by different methods

DSC廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)熱變性的研究[26]。在DSC圖譜中，最大峰對應(yīng)的溫度代表蛋白質(zhì)變性時的轉(zhuǎn)化溫度，變性溫度能反映蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性及蛋白質(zhì)分子的聚集程度。由圖6可知，與常規(guī)酶提的相比，超聲輔助酶提膠原蛋白的變性溫度發(fā)生了變化，經(jīng)過超聲輔助酶提膠原蛋白的變性溫度由33.4 ℃升高到36.5 ℃，這與張俊杰等[27]的研究結(jié)論一致，表明經(jīng)過超聲輔助酶提的膠原蛋白的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，分子結(jié)構(gòu)趨于松散。以上結(jié)果表明，超聲輔助酶提的中華鱉裙邊膠原蛋白在食品和生物材料領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用前景。

2.4 氨基酸組成分析

為了更加深入地探討超聲波輔助酶提對膠原蛋白熱穩(wěn)定性質(zhì)的影響機(jī)理，分別對膠原蛋白進(jìn)行氨基酸組成分析，其結(jié)果見表4。從表4可以看出，與常規(guī)酶提相比，經(jīng)超聲酶提后，膠原蛋白的氨基酸組成發(fā)生了明顯變化，超聲輔助提取產(chǎn)物的疏水性氨基酸和支鏈氨基酸的含量增多，膠原蛋白中亞氨酸比常規(guī)酶提法提高了9.8%。其中，中華鱉裙邊膠原蛋白的亞氨酸（脯氨酸和羥脯氨酸）含量均較高，接近豬皮和牛皮中的膠原蛋白含量[28]，這2 種氨基酸由吡咯環(huán)形成的非共價鍵在穩(wěn)定膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著非常重要的作用[29]。一般來說，膠原蛋白中亞氨酸的含量比較高，其熱穩(wěn)定性也比較好。水產(chǎn)膠原蛋白的熱穩(wěn)定性還與水產(chǎn)動物的生活環(huán)境有關(guān)。真鱈魚由于生活在較低的溫度下，所以表現(xiàn)出較低的熱變性溫度。而中華鱉喜歡生活在水溫偏高的環(huán)境中[30]，所以其亞氨酸含量偏高，因此表現(xiàn)出較高的熱變性溫度。

表4 膠原蛋白的氨基酸組成分析Table 4 Amino acid composition of pepsin-soluble collagen from turtle calipash extracted by different methods

3 結(jié) 論

本實(shí)驗對超聲輔助酶提中華鱉裙邊膠原蛋白的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示，影響膠原蛋白得率的主次順序依次為加酶量＞超聲時間＞超聲功率。在優(yōu)化后的工藝參數(shù)下膠原蛋白得率為74.50%。此方法高效方便，提取時間較常規(guī)酶提法大幅度的縮小，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。并且所得膠原蛋白的熱穩(wěn)定性較好，不僅為中華鱉裙邊的精深加工提供理論基礎(chǔ)，還為中華鱉裙邊膠原蛋白在食品加工和生物材料領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一定科學(xué)依據(jù)。

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Ultrasonic-Assisted Enzymatic Extraction and Thermal Stability of Collagen from Soft-Shelled Turtle Calipash

ZOU Ye1, CAI Panpan1,2, WANG Li1,3, WANG Daoying1,*, ZHOU Tao2, XU Weimin1
(1. Institute of Agricultural Products Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;2. Ginling College, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China;3. College of Food Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In the current study we optimized the ultrasonic-assisted enzymatic extraction of collagen from soft-shelled turtle calipash. One-factor-at-a-time method was used to investigate four factors affecting the extraction efficiency including enzyme dosage, ultrasonic time, ultrasonic power and solid-to-solvent ratio. Subsequently, a mathematical model with enzyme dosage, ultrasonic time and ultrasonic power as independent variables was established by Box-Behnken design.Meanwhile, we compared the thermostability of collagen extracted by routine enzymatic extraction and ultrasoundassisted enzymatic extraction. The optimal extraction conditions that provided the maximum collagen yield (74.50%) were determined as follows: 0.5 mol/L acetic acid as the extraction solvent, solid-to-liquid ratio 1:20 (g/mL), enzyme dosage 0.8%, ultrasonic time 43 min, and ultrasonic power 176 W. The results of differential scanning calorimetry showed that the thermostability of collagen extracted by the modified method was better than that of collagen prepared by conventional enzymatic extraction. The results of this study can provide a basis for intensitive processing and application of collagen from soft-shelled turtle calipash.

soft-shelled turtle calipash; optimization of ultrasonic-assisted enzymatic extraction; collagen; yield; thermal stability

10.7506/spkx1002-6630-201802040

TS254.9

A

1002-6630（2018）02-0254-06

鄒燁, 蔡盼盼, 王立, 等. 超聲輔助酶法提取中華鱉裙邊膠原蛋白及其熱穩(wěn)定性能[J]. 食品科學(xué), 2018, 39(2): 254-259.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802040. http://www.spkx.net.cn

ZOU Ye, CAI Panpan, WANG Li, et al. Ultrasonic-assisted enzymatic extraction and thermal stability of collagen from softshelled turtle calipash[J]. Food Science, 2018, 39(2): 254-259. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201802040. http://www.spkx.net.cn

2017-03-21

江蘇省蘇北科技專項（BN2015148）；江蘇省博士后科研資助計劃項目（1601131C）

鄒燁（1986—），女，助理研究員，博士，研究方向為肉品加工與質(zhì)量控制。E-mail：zouye@jaas.ac.cn

*通信作者簡介：王道營（1979—），男，副研究員，博士，研究方向為肉品加工與質(zhì)量控制。E-mail：wdy0373@aliyun.com