柴夢陽,辛穎,賴少娟,陳復生,*
(1.河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南鄭州450001;2.河南工業(yè)大學生物工程學院,河南鄭州450001)
明膠是動物的皮膚、骨、肌腱等結締組織中的膠原蛋白在一定條件下經(jīng)過水解處理而得到的多肽混合物[1-2]。明膠具有膠凝性、乳化性、發(fā)泡性等功能性質,且其水凝膠具有可逆性、熔點接近于人體溫度、易溶于水的特點,被廣泛應用于各種食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)[3-5]。市售明膠主要以哺乳動物明膠為主,例如豬皮和豬骨明膠、牛皮和牛骨明膠。然而,由于各種哺乳動物疾病以及宗教的不斷壯大,哺乳動物(豬和牛)明膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遭受嚴重打擊[6-7]。近年來,魚明膠受到大部分研究學者的青睞,但是大量的研究證明魚明膠無法達到哺乳動物明膠的性質[8-10],于是尋找新的明膠來源成為了現(xiàn)在明膠行業(yè)急需解決的問題。雞肉含有豐富的膠原蛋白及多種人體必需氨基酸,深受人們的喜愛,然而雞皮卻經(jīng)常被當做廢棄物丟掉,造成資源浪費和環(huán)境污染。有學者針對雞皮做了研究發(fā)現(xiàn)雞皮可以作為提取明膠的良好原料,所得雞皮明膠具有較高的凝膠強度[3],而凝膠強度是衡量明膠品質的商業(yè)指標[11]。因此,采用雞皮作為明膠原料不僅能提高資源利用率,還能增加企業(yè)效益。本研究采用純堿法提取雞皮明膠,先通過單因素試驗確定雞皮明膠的基本條件,再通過響應面試驗進行優(yōu)化得到最佳提取條件。
雞皮:取自當?shù)厥袌?;乙醚、氫氧化鈉:洛陽市化學試劑廠;蒸餾水:河南工業(yè)大學糧油食品學院實驗室,所有試劑均為分析純。
電熱恒溫干燥箱(DHG-9246A):上海精宏實驗設備有限公司;冷凍干燥機(LGJ-18):北京四環(huán)科學儀器廠;箱式電阻爐(SX-5-12):北京中興偉業(yè)儀器有限公司;電子天平(BSA224S-CW):賽多利斯科學儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋(XMTD-7000):北京市永光明醫(yī)療器械有限公司;循環(huán)水式多用真空泵(SHZ-D):河南省予華儀器有限公司。
新鮮雞皮→乙醚脫脂→堿液浸泡→水浴提膠→過濾→分液→濃縮→干燥→明膠
雞皮明膠提取率的計算公式:
式中:G1為脫脂后雞皮的重量,g;G2為冷凍干燥后得到明膠的重量,g。
1.3.1.1 前處理
新鮮雞皮進行清洗、分裝、-18℃凍藏。
1.3.1.2 脫脂處理
新鮮雞皮經(jīng)過冷凍處理后達到一定的硬度,用切片機切成2cm×3cm的片狀,然后稱取適量置于2000mL的大燒杯中,按1∶2(g/mL)加入乙醚溶液,在4℃下放置24 h,然后在通風廚中進行過濾。
1.3.1.3 堿液浸泡
分別稱取30 g脫脂雞皮置于15個500 mL高型燒杯中,按 1∶6(g/mL)加入 NaOH 溶液 180 mL,每隔6 h~8 h換一次溶液,在一定時間內(nèi)更換4~5次,以除去礦物質,經(jīng)處理后的皮料呈現(xiàn)出白色,體積溶脹膨大且彈性很好。最后用自來水清洗至濾液呈中性。
1.3.1.4 水浴提膠
每個燒杯內(nèi)按料液比1∶2(g/mL)加入蒸餾水60 mL,置于水浴鍋中進行水浴提膠。
1.3.1.5 過濾、分液、濃縮、干燥
水浴之后用4層紗布過濾,用分液漏斗對濾液進行分液處理,將明膠粗提液倒入分液漏斗中靜置,除去膠液上層的脂肪,下層膠液倒入燒杯中置于恒溫水浴鍋中,防止室溫過低導致凝膠。將提取液放進旋轉蒸發(fā)器中進行濃縮除去部分水分,再把凝膠后的產(chǎn)品放入真空冷凍干燥機將其含水量降到一定程度,得到成品明膠,按公式(1)計算明膠的提取率。
單因素試驗的基本條件設定為NaOH濃度0.05 mol/L,浸堿料液比為 1 ∶6(g/mL),浸堿時間為24 h,水提料液比為 1∶2(g/mL),提膠溫度為 65 ℃,提膠時間為2 h。將這些條件中的一個變化,保持其它的條件不變以分析堿濃度、浸堿時間、提膠溫度、提膠時間對提取率的影響。各因素梯度分別為NaOH濃度:0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 mol/L;浸堿時間:12、18、24、30、36 h;提膠溫度:45、55、65、75、85 ℃;提膠時間:1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h。每個試驗做 3 次,結果取平均值。
采用響應面分析方法對單因素試驗進行優(yōu)化設計。依照單因素試驗,本試驗采用NaOH濃度、浸堿時間、提膠溫度和提膠時間進行四因素三水平試驗,以雞皮明膠提取率為響應值,采用Design Expert 8.05軟件的Box-Behnken設計試驗方案。
堿液濃度對雞皮明膠提取率的影響規(guī)律如圖1所示。
圖1 堿液濃度對明膠提取率的影響Fig.1 The influence of alkali concentration on gelatin extraction yield
由圖1可以看出隨著NaOH溶液濃度的增加,明膠的提取率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。堿能夠結合膠原蛋白分子的酸性集團,斷裂分子內(nèi)或分子間的離子鍵和氫鍵,釋放原膠原分子,使原料體積膨脹,組織松散,以利于熱水提交[3,12]。隨著NaOH溶液濃度的增加,膠原蛋白分子內(nèi)和分子間的離子鍵和氫鍵斷裂,釋放越來越多原膠原分子,雞皮明膠的提取率增大,當NaOH溶液濃度達到0.05 mol/L時,雞皮明膠提取率達到最大,NaOH溶液濃度再增加,雞皮明膠的提取率就隨之降低,這是因為NaOH溶液濃度過大,導致膠原過度水解,大分子亞基發(fā)生次級降解,致使提取率降低。因此,選取0.05 mol/L作為NaOH溶液的最佳濃度。
浸堿時間對雞皮明膠提取率的影響規(guī)律如圖2所示。
圖2 浸堿時間對明膠提取率的影響Fig.2 The influence of alkali treatment time on gelatin extraction yield
由圖2可以看出隨著浸堿時間的增加,明膠的凝膠強度呈先上升后降低的趨勢,當浸堿時間為24 h時,明膠提取率達到峰值。浸堿時間太短,不能夠破壞膠原分子中非共價交聯(lián)鍵,進而不能松散膠原的三螺旋結構、破壞非螺旋結晶區(qū),不利于后期熱處理過程中膠原大分子亞基的釋放,導致明膠的產(chǎn)率較低[13]。增加到24 h時,膠原亞基分子能夠最大限度的得到釋放,從而使其提取率達到最大值。浸堿時間過長,雞皮會過度膨脹而融化,降低明膠的提取率[14]。因此,最佳浸堿時間為24 h。
提膠溫度對雞皮明膠提取率的影響規(guī)律如圖3所示。
圖3 提膠溫度對明膠提取率的影響Fig.3 The influence of extraction temperature on gelatin extraction yield
由圖3可以看出,在45℃下提膠2 h提取率為3.11%,當溫度升至65℃,提取率增加至13.25%,繼續(xù)升溫,提取率持續(xù)下降。熱處理明膠化的膠原,可以使膠原中部分共價鍵和氫鍵斷裂,三螺旋結構解體,釋放出亞基組分、高分子聚集體及被降解的小分子組合,形成可溶性明膠[15-16]。溫度過低,只能破壞部分氫鍵、分子間靜電等作用力,使少數(shù)膠原螺旋結構發(fā)生解體,明膠大分子亞基組分無法有效溶出,導致提取率過低;適當升溫,能使膠原化學鍵的破壞力度達到最大,不溶性膠原向可溶性明膠轉變,釋放最多的大分子亞基,特別是α組分,使提取率達到最大;溫度過高,導致膠原解體過度,大分子亞基發(fā)生次級降解,致使提取率降低[3,17-19]。所以,選取65℃為最佳提膠溫度。
提膠時間對雞皮明膠提取率的影響規(guī)律如圖4所示。
圖4 提膠時間對明膠提取率的影響Fig.4 The influence of extraction time on gelatin extraction yield
由圖4可知,在65℃下,當提取時間由1 h增加到2 h,提取率由8.20%提高到13.25%,時間再延長,提取率反而下降。在熱處理過程中,膠原蛋白的氫鍵和部分共價鍵斷裂,三螺旋結構轉變成無規(guī)則線團,膠原蛋白轉變成明膠[20]。在提膠初始階段,膠原螺旋解體,溶液中的膠原分子增加,提取率提高,水解時間過長,膠原結構遭受過度破壞,膠原分子水解為小分子片段,提取率降低。故選取2 h為最佳提膠時間。
根據(jù)單因素試驗結果和Box-Behnken的中心組合設計原理,以A堿濃度、B浸堿時間、C提膠溫度和D提膠時間為自變量,以所得明膠的提取率為響應值(Y)設計三因素三水平的響應面分析試驗,因素及水平表見表1,試驗設計和結果見表2。
對雞皮明膠凝膠強度的最佳提取工藝進行響應面優(yōu)化,具體試驗方案及試驗結果如表2所示,運用Design Expert 8.05數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對表2試驗數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合,回歸模型系數(shù)顯著性檢驗見表3。
表1 響應面試驗因素及水平Table 1 The response surface test factors and levels
表2 響應面試驗設計及結果Table 2 The response surface experimental design and result
經(jīng)過二次多元回歸擬合得到堿液濃度、浸堿時間、提膠溫度和提膠時間對明膠提取率的二次多項回歸模型如下:
表3 回歸模型方差分析及顯著性檢驗Table 3 Variance analysis and significance test of regression model
對此模型進行方差分析,結果見表3。該模型方程極顯著(P 值<0.0001),校正決定系數(shù) R2=0.957 6,失擬項P值為0.308 9>0.05,說明該回歸方程與真實情況相似度較高,能較好地反映出明膠提取率與堿液濃度、浸堿時間、提膠溫度、提膠時間之間的關系。因此,利用該模型分析和預測在這4種條件下對明膠提取率的影響是可行的。由F值檢驗可知各因素對明膠提取率的影響大小順序為:C>D>B>A,即為提膠溫度>提膠時間>浸堿時間>堿液濃度。顯著性分析表明,堿液濃度對明膠提取率的影響不顯著(P>0.05),浸堿時間和提膠時間對明膠提取率的影響顯著(P<0.05),提膠溫度對明膠提取率的影響極其顯著(P<0.01)。各交互作用及各平方項對明膠提取率均不顯著(P>0.05)。由此可以看出各具體試驗因素是簡單線性影響的響應值。去掉不顯著項得到優(yōu)化后的模型如下:
雞皮明膠純堿法提取工藝中堿液濃度、浸堿時間、提膠溫度和提膠時間4個因素之間交互作用對明膠提取率的影響如圖5所示。
圖5 各因素對明膠提取率影響的響應面圖Fig.5 Response surface and contour of various factors
由圖 5 中 a、b、c、d、e 和 f的等高線可以看出,每兩個因素的等高線均趨向圓形,表明4個因素間交互作用影響不顯著,這與表3中回歸模型系數(shù)顯著性檢驗結果一致。由圖5a、5b和5c可知,隨著堿液濃度,明膠提取率先減小后增加;由圖5a、5d和5e可知,隨著浸堿時間的增加,明膠的提取率增加;由圖5b、5d和5f看出,隨著提膠溫度的升高,明膠提取率先增加后減??;由圖5c、5e和5f可得,隨著提膠時間的延長,明膠提取率先上升后下降。其中浸堿時間、提膠溫度和提膠時間對明膠提取率的影響均比較顯著,與方差分析的結果一致。
通過Design Expert 8.05軟件對試驗結果進行預測分析,得出雞皮明膠的最佳提取工藝為:NaOH濃度0.07 mol/L,浸堿時間30.00 h,提膠溫度65.00℃,提膠時間為2.00 h。在此試驗條件下預測所得明膠提取率的最大理論值為12.03%。在上述最優(yōu)條件下進行了3次平行驗證試驗,試驗結果顯示雞皮明膠的提取率為(12.03±0.47)%,實際值與預測值差異性不顯著,證明該模型得到的工藝參數(shù)可行。
1)本研究采用純堿法通過單因素試驗和Box-Behnken中心組合試驗對雞皮明膠的提取條件進行優(yōu)化,得到雞皮明膠的最佳提取工藝條件為NaOH濃度0.07 mol/L,浸堿時間30.00 h,提膠溫度65.00℃,提膠時間為2.00 h,得到明膠的最大提取率為12.03%。
2)純堿法提取雞皮明膠是一種新的方法,所得明膠的性質還需進一步深入探索,為獲得優(yōu)質雞皮明膠的提取方法提供理論依據(jù)。
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