單錢藝,沈岳明,張明興,唐嘉誠,陳彥婕,包建強,4,5,
(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;
2.上海市靜安區(qū)市場監(jiān)督管理局,上海 200072;3.寧波市明鳳漁業(yè)有限公司,浙江寧波 315464;
4.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306;
5.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風險評估實驗室(上海),上海 201306)
中華鱉作為我國最為常見的養(yǎng)殖鱉類,截止至2020年我國鱉類養(yǎng)殖產(chǎn)量已高達33.26萬噸,二十年間其養(yǎng)殖產(chǎn)量增長近十倍[1]。中華鱉油脂對動脈硬化有很好的預防作用,能減輕機體中膽固醇的沉積[2],調(diào)節(jié)胰島素抵抗(IR)[3],也逐步得到中老年消費者認可。
國內(nèi)水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物傳統(tǒng)油脂提取方法有壓榨法、稀堿水解法、超聲波有機溶劑提取法等。傳統(tǒng)物理提油法如壓榨法工藝簡單,但浪費嚴重,提油效率較低;稀堿水解法所得產(chǎn)物過氧化值和酸值過高;超聲波有機溶劑提取法易溶劑殘留、污染環(huán)境等問題。而目前新興的油脂提取方法有亞臨界流體萃取法、超臨界流體萃取法、復合酶水解法等。超臨界流體萃取法提取效率高,但其設(shè)備成本問題應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)仍有局限性。目前復合酶水解法以反應(yīng)溫和、工業(yè)化生產(chǎn)難度低等優(yōu)點在油脂加工中得到普及,Rubio-Rodriguez等[4]發(fā)現(xiàn)酶水解后產(chǎn)生的酶解液含有多種氨基酸還可再利用制作成各類風味調(diào)味品。由于酶價格昂貴,酶解時間長等問題,采用超聲波-復合酶水解法可進一步降低成本、提高提油率。此法已被應(yīng)用于核桃油、木棉籽油、柑橘皮油、米胚油、辣木籽油等植物油脂的提取[5-9],但此法應(yīng)用于提取動物油脂卻鮮有報道。本實驗以中華鱉加工副產(chǎn)物為原料,以超聲波協(xié)同復合酶水解方式,研究料液比、蛋白酶用量、酶比例、酶水解時間、酶水解溫度、超聲功率和超聲時間對中華鱉油提取率的影響,獲得最佳提取工藝條件,同時對其精制對其理化性質(zhì)、脂肪酸組分進行分析。為今后規(guī)?;C合利用中華鱉加工副產(chǎn)物提供理論依據(jù)。
養(yǎng)殖中華鱉加工副產(chǎn)物(包括頭部、頸部、足部)中的淡黃色脂肪塊、鮮活中華鱉(平均每只在1300 g左右) 寧波市明鳳漁業(yè)有限公司;超聲波-復合酶水解法所得中華鱉油 實驗室自制;中性蛋白酶(200000 U/g)、堿性蛋白酶(200000 U/g)、酸性蛋白酶(100000 U/g)、木瓜蛋白酶(180000 U/g)、胃蛋白酶(120000 U/g)、胰蛋白酶(130000 U/g) 四川寶順生物科技有限公司;氯化鈉、氫氧化鉀、冰乙酸、氫氧化鈉、磷酸、石油醚、乙酸乙酯、正已烷、無水乙醇、三氟化硼甲醇溶液(14%)均為化學純,甲醇、正已烷均為色譜級 國藥集團化學試劑有限公司;37種脂肪酸甲酯混標 美國默克公司;食品級白土紅宇漂土科技有限公司。
LXJ-IIB型飛鴿牌低速大容量多管離心機 上海安亭科學儀器廠;HB10型德國艾卡數(shù)顯型加熱鍋德國IKA公司;DHG-9073BS-III型新苗恒溫鼓風干燥機 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;DKS28型精宏恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;JJ-2型組織搗碎勻漿機 武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司;力辰旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海力辰儀器科技有限公司;PB-10型酸度計 德國Sartorius公司;電烘箱上海雋思實驗儀器有限公司;ME204E型梅特勒-托利多電子天平 瑞士Mettler Toledo公司;KQ-300VD型三頻數(shù)控超聲波清洗機 昆山舒美超聲儀器有限公司;UV3000PC型美譜達紫外分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;Nexis GC-2030型島津氣相色譜儀(含氫火焰離子檢測器) 日本島津公司。
1.2.1 樣品前處理 將活中華鱉洗凈急殺,從中華鱉頭部、頸部、足部取出30 g左右淡黃色塊狀脂肪,用蒸餾水洗凈血水并瀝干,將其勻漿呈糜狀,分6份以每份5 g左右進行分裝,為防止其氧化變質(zhì),將脂肪塊抽真空密封,于-18 ℃低溫冰柜存放。實驗前將樣品于0~4 ℃冰箱解凍,備用。
1.2.2 蛋白酶的篩選 依據(jù)實驗選定的六種蛋白酶的不同最適酶解溫度[10-11],按料液比1:1來添加蒸餾水和解凍后的脂肪塊勻漿,不同種蛋白酶均以2%酶用量(占油重,下同),酶解2 h,另不添加蛋白酶作空白樣進行實驗對照。以中華鱉油提取率為參考指標來判斷提取效果,從中選取提取效果較好的兩種蛋白酶,按蛋白酶用量占油重質(zhì)量,以對應(yīng)蛋白酶比例(以下簡稱酶比例,即中性蛋白酶與堿性蛋白酶之比)分別準確稱取中性蛋白酶與堿性蛋白酶并對其混合作為復合蛋白酶,pH控制在7.5~8.5范圍內(nèi)進行酶解。
1.2.3 中華鱉油的提取 中華鱉加工副產(chǎn)物脂肪勻漿于0~4 ℃解凍,將解凍后5 g左右樣品按料液比1:2添加蒸餾水及2%蛋白酶用量(中性蛋白酶與堿性蛋白酶按1:1混合),進行20 min(功率180 W)超聲處理,并在50 ℃恒溫條件下進行2 h酶解反應(yīng),酶解后在在離心機中離心(轉(zhuǎn)速5000 r/min,時間25 min),離心后提取酶解液上層油脂層,稱重并計算得到中華鱉油提取率,平行試驗三次取平均值。中華鱉油提取率(%)=提取后鱉油的質(zhì)量(g)/提取前脂肪塊的總質(zhì)量(g)×100。
1.2.4 單因素實驗設(shè)計
1.2.4.1 料液比對中華鱉油提取率的影響 蛋白酶用量為2%,酶比例為1:1,酶水解時間為2 h,酶水解溫度為55 ℃,超聲功率為180 W,超聲時間為20 min,料液比為 1:0.5、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定料液比。
1.2.4.2 蛋白酶用量對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,酶比例為1:1,酶水解時間為2 h,酶水解溫度為55 ℃,超聲功率為180 W,超聲時間為20 min,蛋白酶用量為0.8%、1.2%、1.6%、2%、2.4%、2.8%進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定蛋白酶用量。
1.2.4.3 酶比例對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,蛋白酶用量為2.4%,酶水解時間為2 h,酶水解溫度為55 ℃,超聲功率為180 W,超聲時間為20 min,酶比例為 2:1、1.5:1、1:1、1:1.5、1:2進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定酶比例。
1.2.4.4 酶水解時間對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,蛋白酶用量為2.4%,酶比例為1:1.5,酶水解溫度為55 ℃,超聲功率為180 W,超聲時間為20 min,酶水解時間為 0.5、1、1.5、2、2.5、3 h進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定酶水解時間。
1.2.4.5 酶水解溫度對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,蛋白酶用量為2.4%,酶比例為1:1.5,酶水解時間為2 h,超聲功率為180 W,超聲時間為20 min,酶水解溫度為 45、50、55、60、65、70 ℃ 進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定酶水解溫度。
1.2.4.6 超聲功率對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,蛋白酶用量為2.4%,酶比例為1:1.5,酶水解時間為2 h,酶水解溫度為65 ℃,超聲時間為20 min,超聲功率為 140、180、220、240、260、300 W進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定超聲功率。
1.2.4.7 超聲時間對中華鱉油提取率的影響 料液比為1:2,蛋白酶用量為2.4%,酶比例為1:1.5,酶水解時間為2 h,酶水解溫度為65 ℃,超聲功率為220 W,超聲時間為 10、15、20、25、30 min,進行酶解反應(yīng),以中華鱉油提取率高低來確定超聲功率。
1.2.5 正交試驗設(shè)計 在單因素實驗的結(jié)果基礎(chǔ)上,進行正交試驗設(shè)計分析。選取料液比(A)、蛋白酶用量(B)、酶比例(C)、酶水解時間(D)、酶水解溫度(E)、超聲功率(F)、超聲時間(G)作為正交試驗因素,以中華鱉油提取率為參考指標,采用正交試驗進行工藝優(yōu)化,以確定中華鱉油最佳提取工藝條件,正交實驗因素水平編碼見表1。
表1 七因素三水平正交試驗因素水平設(shè)計Table 1 Factor level design of seven factors three levels orthogonal experiment
1.2.6 中華鱉油的精制 參考[12-15]對魚油的精制方法,對中華鱉油進行脫膠、脫酸、脫色、脫腥的精制處理。中華鱉油中加入0.75%(占油重,下同)磷酸溶液(濃度為75%),水浴鍋加熱至80 ℃,加熱攪拌5 min,轉(zhuǎn)速5000 r/min離心后取上層油樣。脫膠后中華鱉油加入8%氫氧化鈉溶液(濃度為7.5%),水浴鍋加熱至75 ℃,加熱攪拌15 min,轉(zhuǎn)速5000 r/min離心后取上層油樣。脫酸后中華鱉油加入25%食品級活性白土加熱至55 ℃,加熱攪拌20 min,轉(zhuǎn)速5000 r/min離心后取上層油樣。在真空條件下,加熱至65 ℃,利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對脫色后中華鱉油進行45 min脫腥處理。
1.2.7 中華鱉油理化指標及脂肪酸組成測定 參照GB 5009.236-2016《動植物油脂水分及揮發(fā)物的測定》(第二法)對油脂進行測定;參照GB/T 5532-2008《動植物油脂 碘值的測定》 對碘值進行測定;參照GB/T 15688-2008《動植物油脂 不溶性雜質(zhì)含量的測定》對不溶性雜質(zhì)含量進行測定;參照GB/T 5009.229-2016《食品中酸價的測定》(第一法)對酸值進行測定;參照GB/T 5009.227-2016《食品中過氧化值的測定》(第一法)對過氧化值進行測定;參照GB 5009.168-2016《食品中脂肪酸的測定》(第一法)對脂肪酸進行測定。
本研究實驗數(shù)據(jù)用軟件SPSS 22.0、Excel 2010進行實驗設(shè)計、統(tǒng)計分析及作圖。每組實驗均進行3次重復實驗,所有結(jié)果均以“平均值±標準差”的形式表示。用SPSS 22.0進行差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。
對于添加不同品種的蛋白酶之后,提油實驗呈現(xiàn)效果有不同程度的提升[16-17]。利用蛋白酶分解蛋白質(zhì)與脂肪結(jié)合狀態(tài),使油脂易游離出來。
如圖1結(jié)果所示,提油效果按顯著程度排序:中性蛋白酶>堿性蛋白酶>酸性蛋白酶>木瓜蛋白酶>胃蛋白酶>胰蛋白酶,未加蛋白酶的空白樣呈現(xiàn)中華鱉油提取率最低,僅為22.54%。蛋白酶品種不一,酶切位點也各不相同,針對不同樣品中油脂提取效果也有所差異[18]。較其他蛋白酶相比,中性蛋白酶與堿性蛋白酶在中華鱉油提取率為65%以上,且兩種蛋白酶提取率存在顯著性差異(P<0.05)。
圖1 不同蛋白酶對中華鱉油提取效果Fig.1 Extraction effect of different proteases on Chinese softshell turtle crude oil
參照1.2.2方法,將2%蛋白酶用量(其中中性蛋白酶與堿性蛋白酶按1:1混合),比較單一酶與復合酶對中華鱉油提取率影響,如圖2可以看出,使用復合蛋白酶的油脂提取率高于兩種單一蛋白酶,中性蛋白酶與堿性蛋白酶之間可能存在協(xié)同作用,聯(lián)合使用能提升提油效果,因此選擇中性蛋白酶和堿性蛋白酶作復合酶為后續(xù)試驗研究。
圖2 單一酶與復合酶對中華鱉油提取效果Fig.2 Extraction effect of single enzyme and compound enzyme on Chinese softshelled turtle oil
2.2.1 料液比的選擇 由圖3結(jié)果可知,料液比從1:0.5至1:2,中華鱉油提取率呈上升趨勢。當料液比為1:2時,中華鱉油提取率為71.22%。料液比從1:2至1:3,中華鱉油提取效果反而有所下降。這表明當添加蒸餾水過少時,酶分子不能與底物充分接觸,導致蛋白酶活性無法發(fā)揮,造成油脂提取不完全。而過多添加蒸餾水使酶分子擴散范圍變大,降低蛋白酶與底物接觸效率[19],會影響中華鱉油提取率。因此綜合從效益與成本方面看,料液比定為1:2最為適宜。
圖3 料液比與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.3 Relationship between the ratio of solid to liquid and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.2 蛋白酶用量的選擇 由圖4結(jié)果可知,隨著蛋白酶用量的增加,中華鱉油提取率呈先上升后下降的趨勢。當?shù)鞍酌赣昧繛?.8%時,酶分子控制底物反應(yīng),而隨著酶用量增大,酶分子之間接觸面變大互相影響,降低酶分子對底物反應(yīng)效率,導致中華鱉油提取率降低。王文婷等[20]研究酶水解提取鯽魚下腳料魚油時,酶用量的增加導致提取率呈先升后降的結(jié)果,圖形基本與其實驗結(jié)果相近。因此,蛋白酶用量2.4%最為適宜。
圖4 蛋白酶用量與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.4 Relationship between the amount of protease and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.3 酶比例的選擇 中性蛋白酶用量與堿性蛋白酶用量按不同比例混合,對中華鱉油提取率影響由圖5結(jié)果可知,當中性蛋白酶用量與堿性蛋白酶用量比例為1:1.5時,中華鱉油提取率可達75.15%。而當酶比例為1:2時,中華鱉油提取率開始下降。不同蛋白酶催化分解的基團不同,中性蛋白酶與堿性蛋白酶相比更能催化分解出中華鱉的油脂[21-22],堿性蛋白酶的占比可能增加至一定量時,中性蛋白酶與堿性蛋白酶之間出現(xiàn)了競爭現(xiàn)象,抑制了酶的催化作用,導致中華鱉油提取率下降。
圖5 酶比例與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.5 Relationship between enzyme ratio and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.4 酶水解時間的選擇 由圖6結(jié)果可知,隨著酶解反應(yīng)時間的加長,中華鱉油提取率呈急升緩降的趨勢。這是由于酶解時間過短,僅僅部分酶分子與底物反應(yīng),提取效果不佳。在酶水解時間為2 h時,蛋白酶與底物酶解反應(yīng)充分,中華鱉油提取率達峰值。隨著酶水解時間繼續(xù)延長,因為中華鱉油中富含不飽和脂肪酸被氧化,中華鱉油品質(zhì)會隨之降低。因此,將酶水解時間定為2 h。
圖6 酶水解時間與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.6 Relationship between the enzymatic hydrolysis time and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.5 酶水解溫度的選擇 由圖7結(jié)果可知,隨著酶水解溫度的穩(wěn)步升高至65 ℃,中華鱉油提取率高達78.6%。這是由于溫度的升高會促使酶分子加速運動,從而激發(fā)蛋白酶活性,與底物接觸頻率增多,提高酶促反應(yīng)速度。而溫度繼續(xù)升高,導致酶分子活性鈍化,待溫度達到一定限制時,可直接導致蛋白酶直接失活,酶分子將停止與底物發(fā)生反應(yīng)。因此選擇酶水解溫度為65 ℃最理想。
圖7 酶水解溫度與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.7 Relationship between the enzymatic hydrolysis temperature and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.6 超聲功率的選擇 由圖8結(jié)果可知,當超聲功率增強至220 W,中華鱉油提取率最大值達到81.18%。超聲波具有空化效應(yīng),利用超聲波輔助蛋白酶,可改變酶的構(gòu)象,從而改變酶分子與底物的結(jié)合程度,催化酶分子活性[23]。超聲波對底物均質(zhì)作用越明顯,伴隨振動產(chǎn)生的能量加快了酶分子運動,增加了酶與底物的接觸概率。在超聲功率140~220 W范圍內(nèi),鱉油提取率呈上升趨勢,超聲功率220~300 W,鱉油提取率反而下降。由于超聲功率過大,超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的微泡生成自由基,使部分酶分子被降解,說明超聲功率針對不同蛋白酶只有在一定范圍內(nèi)有促進作用[24]。因此,超聲功率選擇為220 W最適宜。
圖8 超聲功率與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.8 Relationship between ultrasonic power and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
2.2.7 超聲時間的選擇 由圖9結(jié)果可知,隨著超聲時間的延長,超聲時間25 min,中華鱉油提取率達最大值81.08%。說明隨著超聲時間延長,酶分子運動加快,酶與底物充分接觸,促進了酶解反應(yīng)的進行。超聲空化作用還可以改變蛋白質(zhì)的次生結(jié)構(gòu)和亞基組成,從而提高蛋白質(zhì)的酶解敏感性[25]。而當超聲時間延長至30 min時,中華鱉油提取率明顯降低。有研究表明超聲處理40 min內(nèi)不僅不會導致酶失活,反而有一定的激活作用,即使超聲時間達100 min,酶活僅損失5%[26-27]。長時間的超聲處理使體系內(nèi)熱能增加,空化效應(yīng)增強,液體介質(zhì)中微泡的形成,氣泡中生成的自由基可能會破壞酶分子構(gòu)象,導致后續(xù)酶解過程中與底物結(jié)合的酶變少,鱉油得率降低。因此,超聲時間選擇為25 min最理想。
圖9 超聲時間與中華鱉油提取率關(guān)系Fig.9 Relationship between ultrasonic time and the extraction rate of Chinese softshell turtle crude oil
基于單因素實驗結(jié)果,選擇以料液比(A)、蛋白酶用量(B)、酶比例(C)、酶水解時間(D)、酶水解溫度(E)、超聲功率(F)、超聲時間(G)作為正交試驗因素,以中華鱉油提取率為參考指標,再利用七因素三水平正交試驗設(shè)計進行分析,正交試驗結(jié)果見表2。
由表2~表3結(jié)果所示,在使用超聲波-復合酶水解法提取中華鱉加工副產(chǎn)物中鱉油的過程,七個變量因素對中華鱉油提取率影響程度大小依次為:酶水解溫度>酶比例>蛋白酶用量>超聲時間>料液比>酶水解時間>超聲功率,其中酶比例和酶水解溫度對中華鱉油提取率影響顯著(0.01<P<0.05)。得到超聲波-復合酶水解法提取中華鱉油的最佳工藝條件為A1B2C2D2E2F1G3,即料液比為1:1.5、蛋白酶用量為2.4%、酶比例為1:1.5(中性蛋白酶與堿性蛋白酶用量之比)、酶水解時間2 h、酶水解溫度65 ℃、超聲功率180 W、超聲時間30 min。在最優(yōu)水平條件下進行驗證試驗[28-29],對此進行三次平行試驗,得到中華鱉油提取率為81.65%±0.62%,與正交試驗結(jié)果基本相近,進一步證明最佳工藝的可行性。
表2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of orthogonal experiment
表3 正交試驗方差分析Table 3 Orthogonal test analysis of variance
通過超聲波-復合酶水解法所得中華鱉油部分理化指標不能滿足國家水產(chǎn)行業(yè)(SC/T 3502-2016)中粗魚油的一級標準,因此需對中華鱉油進行進一步處理。由于中華鱉油中含有黏液質(zhì)、部分蛋白質(zhì)、色素、水分等雜質(zhì),通過參照1.2.7方法進行精制處理。由表4結(jié)果可知,經(jīng)過精制中華鱉油外觀澄清,微黃色,腥臭味不明顯,無酸敗味。從各項理化指標對比來看,均優(yōu)于中華鱉油品質(zhì),且均符合國家水產(chǎn)行業(yè)標準(SC/T 3502-2016)精制魚油一級標準。
表4 中華鱉油與精制中華鱉油理化指標對比Table 4 Comparison of physical and chemical indexes between Chinese softshell turtle crude oil and refined Chinese softshell turtle oil
運用氣相色譜分析精制中華鱉油的脂肪酸組成及含量,結(jié)果見表5。由表5結(jié)果可知,通過氣相色譜儀測定所得精制中華鱉油含有脂肪酸共計28種。這與其它魚油研究相比,脂肪酸組成略有差異,可能是由于實驗對象品種、季節(jié)氣候條件等差異引起的[30-31]。其中油酸、棕櫚酸、亞油酸所占比例較高,飽和脂肪酸占總量23.81 %,單不飽和脂肪酸占總量46.94 %,多不飽和脂肪酸占總量26.38 %。精制中華鱉油中含有ω-3脂肪酸占總量11.83 %,ω-6脂肪酸占總量15.51 %。ω-3脂肪酸、ω-6脂肪酸作為人體體內(nèi)無法自身合成的“好脂肪”[32],能有效降血壓、降血液黏稠度、軟化血管作用。有研究表明,體內(nèi)ω-3脂肪酸含量高的人群,心源性猝死的發(fā)病率比ω-3低的人群低81 %[33]。此外,中華鱉油中含有DHA與EPA含量占總量10.05 %。DHA和EPA具有促進腦部發(fā)育、促進視網(wǎng)膜光感細胞的成熟、治療自身免疫缺陷等作用。作為功能性食品、母嬰食品的寵兒,深受嬰幼兒和中老年人青睞。
表5 精制中華鱉油脂肪酸組成Table 5 Refined oil composition of fatty acids
基于單因素結(jié)合正交試驗進行工藝優(yōu)化,得到影響超聲波-復合酶水解法中華鱉油提取率最佳工藝條件:料液比為1:1.5、蛋白酶用量為2.4 %、酶比例為1:1.5(中性蛋白酶:堿性蛋白酶用量)、酶水解時間2 h、酶水解溫度65 ℃、超聲功率180 W、超聲時間30 min,中華鱉油提取率為81.65%±0.62%。此法所得中華鱉油精制后,各項理化指標均符合國家水產(chǎn)行業(yè)標準(SC/T 3502-2016)精制魚油一級標準。通過氣相色譜儀測定所得精制中華鱉油含有脂肪酸共計28種。由此可見,通過超聲波-復合酶水解法可以提高中華鱉油提取效果且品質(zhì)較優(yōu),后續(xù)需要進一步探究此法對不同品種鱉油提取的影響,為規(guī)?;C合利用鱉種加工副產(chǎn)物提供理論參考。