何虹,劉小玲,姜元欣,盛金鳳
(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧,530004)
羅非魚皮明膠的過氧化氫法提取工藝*
何虹,劉小玲,姜元欣,盛金鳳
(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧,530004)
考察了過氧化氫的添加及其濃度、提取溫度、提取時(shí)間等因素對(duì)羅非魚皮明膠的提取率和明膠黏度的影響。采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化顯著影響明膠提取率和明膠黏度的工藝參數(shù),確定最佳提取工藝條件。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果為過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53℃、提取時(shí)間4.6 h,此條件下明膠提取率達(dá)87.71%,黏度達(dá)8.90(mpa·s)。
羅非魚皮,明膠,過氧化氫,響應(yīng)面分析
明膠是指動(dòng)物結(jié)締組織(如骨、皮、腱等)經(jīng)熱水熬制提取出的一類具有膠凝性的膠原纖維降解產(chǎn)物的總稱。明膠可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健、食品加工、化妝品、化工、感光材料等眾多領(lǐng)域[1-3]。近年來,隨著明膠用途的擴(kuò)大,明膠需求量日益遞增,再加上瘋牛病、豬口蹄疫的傳染所造成的安全性危機(jī)以及宗教習(xí)俗等原因[4],人們開始尋求從水生動(dòng)物尤其是魚類組織中提取明膠。
羅非魚目前是世界漁業(yè)養(yǎng)殖的主要魚種,我國羅非魚產(chǎn)量居世界第一[5]。羅非魚片加工中產(chǎn)生大量的魚皮等下腳料,是提取明膠的良好原料。有效利用這些加工副產(chǎn)物既可提高魚類的綜合利用價(jià)值,減少環(huán)境污染,又能拓寬明膠的原料來源和增加明膠產(chǎn)品的選擇性,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
過氧化氫是一種氧化劑,通常在明膠生產(chǎn)的后續(xù)工段做漂白和殺菌劑使用[6]。課題組在前期對(duì)雞骨明膠的研究中發(fā)現(xiàn),在加熱熬膠過程中添加適量的過氧化氫能夠有效促進(jìn)膠原降解,縮短明膠提取周期,提高出膠率[7]。然而,由于原料來源的不同或膠原纖維組織來源的差異,膠原的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不同,從而明膠制備工藝和條件有較大的差異?;诖耍緦?shí)驗(yàn)探討了過氧化氫的添加對(duì)羅非魚皮提取明膠的影響,并采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化過氧化氫法制備明膠工藝參數(shù),為工業(yè)化高效生產(chǎn)魚皮明膠提供指導(dǎo)和依據(jù)。
冷凍羅非魚皮:百洋水產(chǎn)集團(tuán)股份有限公司提供;
氫氧化鈣、過氧化氫(30%)等均為分析純。
SGJ-A數(shù)顯恒溫磁力攪拌水箱:金壇市水北創(chuàng)興儀器廠;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:安徽東南儀誠實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司;101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱:中國上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;1831奧氏黏度計(jì):上海耶茂儀器儀表有限公司。
冷凍羅非魚魚皮→解凍→洗滌脫脂→浸灰→水洗→熬膠→過濾→真空濃縮→干燥→粉碎→羅非魚皮明膠
在羅非魚皮明膠的制備過程中,分別考察浸灰工序的時(shí)間、熬膠工序中的過氧化氫添加量、料液比、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)明膠提取率和黏度的影響,并進(jìn)行方差分析考查以上因素是否對(duì)明膠的提取率和粘度有顯著性影響。
根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇對(duì)提取明膠效率質(zhì)量影響較大的3個(gè)因素為自變量,每一自變量分別設(shè)置低、中、高試驗(yàn)水平,以明膠提取率和黏度為響應(yīng)值Y1、Y2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并用響應(yīng)面分析自變量與響應(yīng)值間的變化規(guī)律。
1.3.4.1 明膠提取率
明膠提取率表達(dá)為提取得到的明膠質(zhì)量與魚皮原料質(zhì)量之比(相同干燥條件),即:
明膠提取率/%=(明膠干重/魚皮干重)×100
1.3.4.2 黏度測定
參見文獻(xiàn)[8]。
采用Excel2007和SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和單因素方差分析(P<0.05);Design-Expert 7.0 Trial軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。
浸灰即在明膠制造上用石灰乳處理骨蛋白質(zhì)或經(jīng)過洗滌的皮。由圖1可見,隨魚皮浸灰時(shí)間的增加,明膠提取率增加,浸灰4d后提取率增加趨于平緩,而浸灰6d時(shí)提取的明膠黏度最佳。浸灰能夠提高魚皮原料膠原的純度,破壞膠原纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),有利于膠原纖維加熱時(shí)明膠的釋放。隨著浸灰時(shí)間的延長,會(huì)引起膠原纖維的部分降解,黏度下降。綜合考慮選擇浸灰6d的魚皮進(jìn)行明膠提取。
圖1 浸灰時(shí)間對(duì)明膠提取率和黏度的影響
圖2 過氧化氫濃度對(duì)明膠提取率和黏度的影響
由圖2可見,不添加H2O2時(shí),明膠提取率最低,提取率隨著H2O2濃度增大而增加。黏度則在H2O2濃度為0.05 mmol/g時(shí)最大,此后則隨添加量增加而減小。H2O2是一種氧化劑,可以隨機(jī)破壞膠原的次級(jí)鍵、肽鍵及其易氧化的氨基酸,使膠原纖維的晶體結(jié)構(gòu)破壞,從而加速膠原向明膠轉(zhuǎn)變。因此隨著添加量的增加提取率增加,而進(jìn)一步降解則會(huì)使明膠向小分子肽轉(zhuǎn)變使黏度減小[5]。過氧化氫對(duì)明膠提取率和質(zhì)量有顯著影響(P<0.01),故選取H2O2濃度的優(yōu)化范圍為0.05~0.10 mmol/g。
明膠的提取需要水作為溶劑,水的添加量過低時(shí),無法實(shí)現(xiàn)物料均勻攪拌,過高時(shí)又因濃縮需要脫除水而增加能耗。由圖3可知,提取率在料液比為1∶6時(shí)較大,而在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同料液比對(duì)明膠黏度影響差異不大(P>0.05)。同時(shí)考慮到后續(xù)濃縮效率,選取料液比1∶6制備明膠。
圖3 料液比對(duì)明膠提取率和黏度的影響
明膠提取率和黏度隨提取溫度的變化如圖4所示。
圖4 提取溫度對(duì)明膠提取率和黏度的影響
由圖4可見,低于45℃時(shí),只有相當(dāng)少量的膠原纖維轉(zhuǎn)化成明膠,產(chǎn)率極低。當(dāng)溫度高于45℃以上時(shí),隨著溫度提高,提取率和黏度增大,高于55℃,溫度的增長對(duì)提取率和黏度變化減緩。在膠原纖維的熱收縮溫度以上的水溶液中加熱,可促進(jìn)膠原聚集態(tài)結(jié)構(gòu)破壞,三股螺旋解鏈,使膠原分子的單鏈、雙鏈、及少量聚集體和單鏈斷裂組分進(jìn)入溶液,不溶性膠原纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槊髂z[9]。提取溫度對(duì)明膠質(zhì)量效率有顯著影響(P<0.01),為減少能耗,選擇50~55℃進(jìn)一步優(yōu)化提取溫度。
由圖5可見,明膠提取率隨著提取時(shí)間延長而增加,而粘度隨提取時(shí)間延長而提高,在5.5 h達(dá)到最大值8.36(mPa·s)后開始下降。當(dāng)維持膠原纖維蛋白聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵被破壞時(shí),解聚為膠原α鏈、或其二聚體β和三聚體γ鏈,就變成可溶性的明膠。當(dāng)明膠在熱力和過氧化氫的雙重作用下,解聚的膠原肽鏈被進(jìn)一步水解而形成小分子段的胨、肽甚至氨基酸而黏度下降[10]。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,在反應(yīng)達(dá)到5 h后,后一步的變化開始顯現(xiàn)。提取時(shí)間對(duì)明膠的提取效果有顯著影響(P<0.05),為在保證高黏度的明膠質(zhì)量前提下獲得較高的提取率,進(jìn)一步在3~5 h內(nèi)優(yōu)化提取時(shí)間。
黏度的影響
根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的顯著性分析,對(duì)影響明膠提取率和黏度影響顯著的3個(gè)因素,采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果如表2所示,對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行方差分析見表3。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析
根據(jù)方差結(jié)果分析得到擬合方程為:
Y1(提取率)=83.21+23.81A+0.41B+7.04C+1.28AB-0.57AC+0.81BC-27.84A2+3.00 B2-0.92C2
Y2(黏度)=8.38+0.67 A+0.27 B-0.48C-0.12A B-0.015 AC-1.09BC-2.49 A2-0.63 B2-1.37 C2
從模型方差分析表3可知,提取率和黏度的擬合模型分別為極顯著和顯著水平。經(jīng)Design-Expert 7.0 Trial軟件分析得到,提取率方差分析預(yù)測的R2(0.9837)與校正的R2(0.9627)相差很小,說明數(shù)學(xué)擬合模型與試驗(yàn)實(shí)測值能很好的擬合,黏度方差分析預(yù)測的R2(0.8726)與校正的R2(0.7089)相差不大,說明數(shù)學(xué)擬合模型與試驗(yàn)實(shí)測值能較好的擬合。由F值大小比較可知,影響明膠提取率和黏度的主要因素主次順序都為A>C>B,即浸提溫度影響大于過氧化氫濃度,浸提時(shí)間影響最小。
雙因素的交互作用與明膠提取率和黏度的效應(yīng)關(guān)系如圖6響應(yīng)面所示。由圖6可見,當(dāng)過氧化氫濃度保持0水平時(shí),提取溫度對(duì)羅非魚明膠提取率和黏度的影響都很大,隨著溫度升高,明膠提取率和黏度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。此外,黏度受過氧化氫變化影響也較為敏感。從曲面可知,過氧化氫濃度和時(shí)間二因素對(duì)黏度還有一定的交互作用,而過氧化氫濃度和溫度對(duì)黏度基本無交互作用。
圖6 羅非魚皮明膠提取優(yōu)化的響應(yīng)面分析圖
對(duì)提取率和黏度均取最大值,由軟件自動(dòng)分析得到的優(yōu)化提取條件為:過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53.16℃、浸提時(shí)間4.63 h,此條件下明膠提取率和黏度的理論值分別達(dá)到87.5%和8.48(mPa·s)。為方便實(shí)際操作,選取提取溫度53℃、浸提時(shí)間4.6 h、過氧化氫濃度為0.07 mmol/g,在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),明膠提取率和黏度的分別為87.71%和8.90(mPa·s),與理論值87.53%和8.48(mPa·s)接近,說明采用該數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化參數(shù)可高效制備優(yōu)質(zhì)明膠。
Cheow[11]采用黃花魚及和長身圓鲹制取明膠的產(chǎn)率分別為14.3%和7.25%。Jamilah[12]分別以紅、黑羅非魚皮制備明膠的產(chǎn)率分別為7.81% 和5.39%。Jamilah等[13]用3種魚皮在48℃過夜制備明膠,得到最高產(chǎn)率和黏度分別為39.97%和8.21(mPa·s)。Soung-Hun Cho 等[14]用斑鰩魚皮在不同條件下制備明膠產(chǎn)率不超過17%。謝詳?shù)萚15]優(yōu)化巴沙魚皮制膠工藝在50℃提取4h得到明膠得率為75.15%,明膠黏度為3.166(mPa·s);于洋等[16]用羅非魚皮在80℃提取8 h的明膠產(chǎn)率和黏度分別為47.54%和6.14(mPa·s);劉小玲等[7]從雞骨骨素骨提取明膠,在70℃下反應(yīng)3h提取率達(dá)50%,黏度4.43(mPa·s)。由此可見,本實(shí)驗(yàn)采取的明膠制備方法與這些報(bào)道的方法相比,不僅提取條件溫和(溫度較低,提取時(shí)間短),而且明膠的提取產(chǎn)率高,明膠的黏度指標(biāo)值也明顯勝出。
羅非魚皮是一種具有重要開發(fā)價(jià)值的淡水水產(chǎn)加工副產(chǎn)物,本課題組采用優(yōu)化的過氧化氫法提取條件制備的羅非魚皮明膠,提取溫度溫和,提取時(shí)間短,明膠提取率高,產(chǎn)品黏度高。與已有的讞相比,魚明膠的提取效率和明膠重要性能指標(biāo)——黏度有顯著提高??梢?,過氧化氫法提取明膠具有適用性,但不同原料來源、工藝條件和參數(shù)有一定差異,通過響應(yīng)面試驗(yàn)將其提取工藝優(yōu)化到較好的水平。
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ABSTRACTThe effect of H2O2concentration,extraction temperature,extraction time on the yield and viscosity of tilapia skin gelatin extraction were studied by one-factor-at-a-time experiment and Response Surface Methodology(RSM).Results showed that the optimum conditions were:H2O2concentration 0.07mmol/g,extraction temperature 53℃ and extraction time 4.6 hour.Under these conditions,the gelatin yield and gelatin viscosity were 87.71%and 8.90(mPa·s),respectively.
Key wordstilapia fish skin,gelatin,hydrogen peroxide,response surface methodology
Research on Gelatin Extraction from Tilapia Skin with Hydrogen Peroxide
He Hong,Liu Xiao-ling,Jiang Yuan-xin,Sheng Jin-feng
(College of Light Industry and Food Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)
碩士研究生(劉小玲教授為通訊作者)。
*國家自然科學(xué)基金(AE120009);廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻11107005-2)
2012-01-05,改回日期:2012-03-27