魚鱗有效成分提取技術(shù)的研究進展

吳鎖連 康懷彬 李冬姣

摘要論述了國內(nèi)外關(guān)于魚鱗有效成分的特性及提取技術(shù)的最新研究進展，研究魚鱗膠原蛋白、羥基磷灰石、卵磷脂、鳥嘌呤等提取工藝過程，并分析不同提取方法，為魚鱗有效成分提取技術(shù)的進一步研究和綜合開發(fā)技術(shù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 魚鱗；有效成分；膠原；羥基磷灰石；卵磷脂；鳥嘌呤

中圖分類號 TS201 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）27-0110-03

Abstract The research of the category and extraction methods of effective ingredients of fish scale was reviewed at home and abroad. The extraction process of fish scale was studied， including collagen， hydroxyapatite， lecithin，guanine etc. The different extraction methods were analyzed to provide theory basis for further research and comprehensive developmenting extraction technology of effective ingredients of fish scales.

Key words Fish scale；Effective components；Collagen；Hydroxyapatite；Lecithin；Guanine

我國是世界上水產(chǎn)品產(chǎn)量最高的國家，近幾年我國水產(chǎn)品總量一直在6 700萬t左右。水產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生約占總重30%的下腳料，其中約5%是魚鱗[1]，而大部分的下腳料會被制成飼料的原料——魚粉或者直接丟棄，污染環(huán)境，對其中的有效成分尚未充分利用。為提高低附加值魚的經(jīng)濟效益，從魚鱗中提取有效成分的研究十分必要。

從魚鱗中可以提取膠原蛋白、羥基磷灰石、卵磷脂、鳥嘌呤等生化產(chǎn)品[2]，而且提取的有效成分可以廣泛用于功能性食品、生物醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域，具有良好的市場價值，因此吸引了眾多領(lǐng)域的學者共同參與到對魚鱗有效成分的提取研究中。目前報道的魚鱗有效成分的提取，主要是單一成分，從經(jīng)濟和環(huán)境角度考慮，魚鱗的綜合提取技術(shù)更適合當前工業(yè)化生產(chǎn)研究的需要，筆者主要介紹目前魚鱗有效成分提取的研究進展，為更好地綜合開發(fā)利用魚鱗資源提供理論依據(jù)。

1 魚鱗的組成和結(jié)構(gòu)

魚鱗與骨結(jié)構(gòu)類似，是由魚類真皮層膠原質(zhì)進化后，形成的骨質(zhì)衍生物[3]。魚鱗中含有大量無機和有機的有效成分，其中有機物占40%～55%，主要由大量的膠原蛋白、硬蛋白、卵磷脂、脂肪及多種維生素等組成；無機物占7%～25%，主要由羥基磷灰石和礦物鹽類組成。2003年，Ikoma T等[4]利用TEM、SEM、X射線衍射研究赤立魚鱗結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)魚鱗是由三螺旋結(jié)構(gòu)的 Ⅰ 型膠原和羥基磷灰石共同形成的正交式多層薄片纖維板層結(jié)構(gòu)，其中膠原纖維被磷灰石黏附，因此提取魚鱗膠原蛋白之前，魚鱗必須脫灰脫鈣，除去有機雜質(zhì)及金屬元素，而且脫鈣越徹底，膠原蛋白的質(zhì)量越高。

2 魚鱗有效成分的研究進展

2.1 魚鱗膠原蛋白的提取

膠原蛋白是細胞外基質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)，可作為結(jié)締組織的黏合物質(zhì)，根據(jù)膠原蛋白的生物特性，可通過化學降解或酶降解，將膠原蛋白分離出來。提取過程：先用10%的NaCl溶液浸泡清洗后的魚鱗，除去雜蛋白，再用酸堿或EDTA脫鈣，脫鈣后再用不同的浸提液提取，可得到不同分子量的膠原蛋白，等電點鹽析沉淀、重新溶解后，透析、冷凍干燥，得到純膠原蛋白。明膠的提取則是在提取過程中采用加熱的方式，使 Ⅰ 型膠原的螺旋結(jié)構(gòu)解開，提取液再濃縮、干燥，最后制得明膠。

2.1.1 魚鱗脫鈣。

魚鱗的脫鈣方法，主要采用酸法脫鈣、EDTA脫鈣和其他物理輔助脫鈣法（如超聲波、微波）。酸法脫鈣中常用鹽酸、檸檬酸、乳酸等，其中酸和底物濃度、脫鈣溫度和脫鈣時間都會對魚鱗脫鈣率產(chǎn)生影響。黃煜等[5]利用鹽酸對羅非魚魚鱗脫鈣，工藝優(yōu)化后，脫鈣率為99.55%，說明魚鱗中的有機物雜質(zhì)及金屬元素可被鹽酸脫除，但是也發(fā)現(xiàn)鹽酸脫鈣易造成羥脯氨酸溶出，影響膠原蛋白質(zhì)量。涂宗財?shù)萚6]以浸提液中羥脯氨酸和鈣離子的含量作為評價指標，試驗顯示高濃度鹽酸會減少羥脯氨酸的溶出量，因此脫鈣液需要保持一定濃度的鹽酸。彭元懷等[7]利用檸檬酸對羅非魚魚鱗脫鈣，脫鈣率達96.13%。EDTA脫鈣是利用螯合劑進行脫鈣，Pati F等[8]利用EDTA法對魚鱗脫鈣48 h后，達到最大脫鈣率。Ilona K等[9]比較酸法和EDTA法脫鈣，發(fā)現(xiàn)酸法脫鈣更加快速有效，但是膠原蛋白的流失量也更大，而且利用酸法或EDTA法脫鈣，還會造成脫鈣時間長或酸用量多，不利于魚鱗工業(yè)化生產(chǎn)。有學者利用微波、超聲波等輔助法脫鈣，則提供了更安全高效的脫鈣法。張穎潔等[10] 采用微波輔助EDTA法脫鈣，不僅提高了脫鈣速率，而且對膠原蛋白的特性影響小。

2.1.2 魚鱗膠原蛋白及明膠的提取。

酸法、堿法及酶法等是幾種常見的膠原提取方法，其中以水解度、提取率以及膠原蛋白的功能特性作為提取工藝的指標。魚鱗膠原分為酸溶膠原蛋白（ASC）和酶溶膠原蛋白（PSC），兩者提取方法、感官性狀和熱穩(wěn)定性不同，但其結(jié)構(gòu)相似。

2.1.2.1 酸法提取。

酸法是在酸性環(huán)境下，破壞膠原蛋白分子的離子鍵和Schiff鍵，使膠原纖維膨脹、溶解，常見的酸有乙酸、檸檬酸、乳酸等。盧昭等[11]利用乙酸提取草魚魚鱗的ASC，試驗顯示，1 mol/L的乙酸，提取溫度28 ℃，提取時間25 h，提取率為15.33%。曾少葵等[12]利用檸檬酸提取羅非魚魚鱗明膠，優(yōu)化條件：提取溫度65 ℃，提取時間3.6 h，提取率為28.4%。從經(jīng)濟的角度考慮，挑選出膠原蛋白提取率更高的酸十分有必要，王信蘇等[13]分別利用乙酸、檸檬酸、乳酸法提取草魚魚鱗的ASC，工藝優(yōu)化后，提取率分別為45.82%、74.34%、49.31%，結(jié)果顯示檸檬酸的提取率最高，而且檸檬酸無色無味，乙酸、乳酸味道較重，因此采用檸檬酸提取效果更佳。

采用酸法提取魚鱗膠原蛋白，水解徹底，但色氨酸等氨基酸會被破壞，而且前處理還不能采用酸法脫鈣，否則會引起部分雜蛋白殘留，膠原蛋白中粗蛋白含量降低，后續(xù)純化繁瑣，并且酸液腐蝕設(shè)備，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，可以考慮采用酸酶結(jié)合、超聲波或微波輔助等方法優(yōu)化。胡建平[14]利用醋酸、鹽酸、檸檬酸脫鈣，以胃蛋白酶提取膠原蛋白，提取率大小依次為醋酸、檸檬酸、鹽酸，提取率73.32%。袁園等[15]采用微波結(jié)合醋酸工藝，提取魚鱗膠原蛋白，功率400 W、提取時間5 min，提取率為41.37%，比單純用醋酸提取時間更短、提取率更高。

2.1.2.2 堿法提取。

堿法是根據(jù)膠原蛋白中含有的酸性及堿性基團，在堿性條件下，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，引起膠原蛋白肽鏈斷裂，膠原堿溶降解。堿法迅速且徹底，在交聯(lián)程度比較高的骨膠原中運用較多，但是堿法生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)率低，蛋白質(zhì)易變性，有消旋現(xiàn)象，肽鏈易水解，等電點降低，因此堿法提取較少使用。堿法提取常用的提取劑有CaO、Ca（OH）2、Na2CO3等，其中堿液處理的時間、堿的濃度對堿法提取產(chǎn)生影響。顧楊娟[16]通過酸法、堿法、酶法提膠比較得出，采用堿法處理的魚鱗凍，提取率低、凍力小，不建議采用堿法提取魚鱗膠原。

2.1.2.3 酶法提取。

酶法提取僅展開而不改變膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)，從而提高溶解度。酶法提取反應(yīng)條件溫和、速率高、時間短、無消旋現(xiàn)象。常見的酶主要有木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶、胃蛋白酶等，而酶的用量、種類、料液比、提取時間、溫度等因素會影響到膠原蛋白的提取，而且采用的輔助工藝也會影響其提取。酶解工藝分為單酶和多酶水解法。王春等[17]利用木瓜蛋白酶水解羅非魚魚鱗，在酶濃度2.5%、溫度50 ℃、酶解5 h的最優(yōu)條件下，膠原蛋白提取率最高，而且持水性和泡沫穩(wěn)定性較高。唐旭等[18]采用從微生物中提取的堿性蛋白酶水解魚鱗，在溫度60 ℃，酶解1.5 h，酶量3%，底物10%條件下，水解度為32.38%，酶解物分子量主要集中在1～6 ku，分子量較小，可應(yīng)用于化妝品中。Ikoma T等[19]利用EDTA法脫鈣，胃蛋白酶水解魚鱗，提取到超過33.6%的含氨基乙酸的膠原蛋白。為了獲得最高的提取率，許多學者對若干種酶的酶解效價做對比，以便選擇出最佳的酶，胡建平等[20]利用多種酶分別水解白鰱魚鱗，提取率大小依次為胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶。

采用多酶水解，其酶解產(chǎn)物多肽和混合氨基酸分子量相對較小，活性高，提取率增加，但是水解產(chǎn)物苦味較強。陳露[21]通過研究分步酶解試驗，確定最佳組合為依次加入胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶提取膠原蛋白，水解度為55.74%，多肽含量為164.67 mg/g。王彥蓉等[22]將2種酶（mAlcalase∶mPTN=1∶2）混合使用時，酶解率最高，水解度為13.24%，蛋白回收率為96.37%，肽得率為83.13%。采用微波或超聲波、微細粉碎等輔助方法提取膠原蛋白，也可以有效地提高膠原蛋白的提取率，胡建平[23]利用超聲波與胃蛋白酶結(jié)合的方法提取膠原蛋白，超聲時間230 min，酶量350 mg/g，料液比1∶45（g/mL）時，提取率為28.53%。胡方園[24]利用Alcalase酶解鳙魚魚鱗，分別采用超聲波、微波、微細粉碎預處理，微細粉碎處理的樣品酶解效果最好，水解度24.22%、蛋白回收率95.76%。

2.2 羥基磷灰石

魚鱗中無機物成分主要為羥基磷灰石（HAP）和磷酸鈣。HAP擁有良好的生物相容性和活性，可用于修復和替換生物硬組織；它還可以吸附重金屬，可應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域。

羥基磷灰石的制備。

從魚鱗中提取HAP的報道不多，目前主要采用高溫煅燒法、堿溶法、酸溶加堿合成法。高溫煅燒法是利用高溫煅燒已經(jīng)去除膠原的魚鱗，制成亞微米級的HAP。高溫煅燒制備HAP時，需要嚴格控制煅燒溫度，當溫度偏高，HAP易轉(zhuǎn)變成缺氧HAP，雖然仍保持HAP的晶體結(jié)構(gòu)，但生物活性會降低。Sawa等[25]將清洗干凈的魚鱗，用熱KOH溶液處理，干燥，900 ℃煅燒1 h，冷卻后獲得羥基磷灰石。不同種類的魚鱗高溫煅燒產(chǎn)生的HAP，鈣磷摩爾比不同，Huang等[26]依次用蛋白酶和風味酶酶解后，在800 ℃下煅燒4 h，提取HAP的鈣磷比為1.76，且多孔性和表面粗糙度增加。

2.3 卵磷脂

卵磷脂是一種不溶于丙酮，溶于乙醇的磷脂混合物，可以有效地改善神經(jīng)功能、防止心血管疾病和抗衰老等。提取工藝：先用丙酮萃取魚鱗，再用乙醇對丙酮濾餅進行溶解，回收濾液，再用大量丙酮將卵磷脂沉淀出來，獲得卵磷脂粗品。吳繼魁等[27]在25 ℃下攪拌萃取1 h，料液比1∶20（g/mL），乙醇濃度85%，獲得最高提取率。采用微波等輔助方法，提高卵磷脂提取率，高夢祥等[28]利用微波輔助萃取白鰱魚鱗中卵磷脂，95%乙醇用量50 mL/g、提取時間4 min、功率240 W，卵磷脂的提取量為23.87 mg/g。國外也有學者采用新的提取方法，美國圣地亞哥研究中心采用鈦-氪針以振動20 000次/s的速度刺破鯉魚魚鱗細胞，打斷磷脂分子結(jié)構(gòu)，提取卵鱗脂。

2.4 鳥嘌呤

鳥嘌呤存在于魚鱗的細胞原生質(zhì)中，可以合成抗惡性腫瘤藥物6-TG。首先將魚鱗放入耐酸反應(yīng)罐中，加入HCl、表面活性劑T后，加熱水解，然后過濾、靜置結(jié)晶，最后脫色提純可得硫鳥嘌呤，其中鹽酸濃度、表面活性劑量、提取溫度、時間會影響到鳥嘌呤的提取率。曾曉丹等[29]從草魚魚鱗中提取鳥嘌呤，鹽酸5.0 mol/L，提取溫度98 ℃，提取2 h，提取率為0.39%。

2.5 硬蛋白

提取膠原蛋白后的魚鱗，還含有一定量的不溶于水、鹽、稀酸或稀堿的魚鱗硬蛋白，在動物體內(nèi)作為結(jié)締組織的重要組分而存在。硬蛋白缺少個別必需氨基酸，營養(yǎng)價值相對較低，而且分子量大，難以被動物直接吸收?？刹捎肗a2S或NaHS和酸處理，制得可溶性硬蛋白，提取率與魚鱗的種類和粉碎程度相關(guān)。也可采用生物活性比較強的胰蛋白酶或木瓜酶，將硬蛋白酶解成可吸收的小分子蛋白肽，真空噴霧干燥，制成飼料蛋白粉。陳麗娟等[30]將鯉魚魚鱗的硬蛋白酶解后，添加色氨酸，制成具有良好營養(yǎng)價值的多量蛋白。

2.6 其他提取物

糖綴合物具有還原性和抗脂質(zhì)過氧化性，主要從海洋動物中提取，淡水魚類多糖的研究較少，曹東旭等[31]利用堿法提取鯉魚魚鱗中的糖綴合物，0.3 mol/L NaOH溶液、料液比為1∶5、室溫提取18 h，獲得最高提取率，提取糖綴合物后的魚鱗還可以繼續(xù)脫鈣，提取膠原蛋白，有利于魚鱗的綜合利用。魚鱗表面有金屬光澤的純銀白色物質(zhì)——魚銀，可運用于生化制劑和油漆行業(yè)，并且提取魚銀后的魚鱗還可繼續(xù)加工成魚粉，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

3 魚鱗綜合提取

魚鱗的綜合提取作為新的研究方向，我國在此方面做出了相應(yīng)的探索，曾芳[32]研究了魚鱗明膠與羥基磷灰石的聯(lián)產(chǎn)工藝，為魚鱗綜合提取研究邁出重要的一步。王希搏[33]建立了檸檬酸鈣、膠原蛋白聯(lián)產(chǎn)工藝，并設(shè)計了工廠生產(chǎn)流程及關(guān)鍵控制點，為魚類工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

在魚鱗有效成分的提取過程中，會產(chǎn)生大量的含有營養(yǎng)物質(zhì)和功能性成分的副產(chǎn)物，例如魚鱗提取膠原蛋白以后，產(chǎn)生40%左右的殘渣可以制成羥基磷灰石或可溶性硬蛋白；魚鱗脫鈣后，產(chǎn)生大量的含有磷酸氫鈣廢液制成飼料添加劑。王南平等[34]在脫鈣后的廢酸液中加入NaOH，提取磷酸氫鈣，磷酸氫鈣的磷含量為14.98%，鈣含量為22.62%，鈣磷比1.51。這些副產(chǎn)物的綜合利用，既可以有效節(jié)約資源保護環(huán)境，也提高魚鱗經(jīng)濟價值。

4 魚鱗應(yīng)用前景

目前魚鱗的提取技術(shù)也有很大的發(fā)展，但是提取工藝還存在許多需要改進的地方，如酸法提取步驟過于繁瑣，且提取物偏酸性，不利于在醫(yī)藥食品、化妝品等工業(yè)的運用。酶法提取雖然操作簡單，但水解產(chǎn)物中含有苦味肽，后續(xù)加工中需去除苦味，不利于食品工業(yè)的加工利用，而且酶解時的酸性條件，可能會影響膠原蛋白的特性。分子量在2 ku以下的膠原蛋白才可以被皮膚吸收，但是膠原蛋白很少達到如此小的分子量水平，不利于膠原蛋白在化妝品業(yè)的使用。魚鱗會富集重金屬，在提取此類產(chǎn)品時，要注意魚類的產(chǎn)地、生長環(huán)境等外在因素。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，探尋新的、更加快捷的提取方法，加大魚鱗有效成分的提取研究，對提高我國水產(chǎn)品附加值、促進魚鱗膠原蛋白、羥基鱗灰石等的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟意義。以上所述的有效成分的提取技術(shù)可作為魚鱗開發(fā)利用的理論依據(jù)，同時也為漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

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