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

(廣西大學輕工與食品工程學院，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

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧，530004)

考察了過氧化氫的添加及其濃度、提取溫度、提取時間等因素對羅非魚皮明膠的提取率和明膠黏度的影響。采用響應面實驗設計優化顯著影響明膠提取率和明膠黏度的工藝參數，確定最佳提取工藝條件。實驗優化結果為過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53℃、提取時間4.6 h，此條件下明膠提取率達87.71%，黏度達8.90(mpa·s)。

羅非魚皮，明膠，過氧化氫，響應面分析

明膠是指動物結締組織(如骨、皮、腱等)經熱水熬制提取出的一類具有膠凝性的膠原纖維降解產物的總稱。明膠可廣泛應用于醫藥、保健、食品加工、化妝品、化工、感光材料等眾多領域[1-3］。近年來，隨著明膠用途的擴大，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以及宗教習俗等原因[4］，人們開始尋求從水生動物尤其是魚類組織中提取明膠。

羅非魚目前是世界漁業養殖的主要魚種，我國羅非魚產量居世界第一[5］。羅非魚片加工中產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物既可提高魚類的綜合利用價值，減少環境污染，又能拓寬明膠的原料來源和增加明膠產品的選擇性，具有重要的經濟價值。

過氧化氫是一種氧化劑，通常在明膠生產的后續工段做漂白和殺菌劑使用[6］。課題組在前期對雞骨明膠的研究中發現，在加熱熬膠過程中添加適量的過氧化氫能夠有效促進膠原降解，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，膠原的聚集態結構不同，從而明膠制備工藝和條件有較大的差異。基于此，本實驗探討了過氧化氫的添加對羅非魚皮提取明膠的影響，并采用響應面分析法優化過氧化氫法制備明膠工藝參數，為工業化高效生產魚皮明膠提供指導和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍羅非魚皮:百洋水產集團股份有限公司提供;

氫氧化鈣、過氧化氫(30%)等均為分析純。

1.2 儀器與設備

SGJ-A數顯恒溫磁力攪拌水箱:金壇市水北創興儀器廠;RE-52AA旋轉蒸發器:安徽東南儀誠實驗室設備有限公司;101-1AB型電熱鼓風干燥箱:中國上海實驗儀器廠有限公司;1831奧氏黏度計:上海耶茂儀器儀表有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 明膠的提取工藝流程

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

1.3.2 單因素試驗設計

在羅非魚皮明膠的制備過程中，分別考察浸灰工序的時間、熬膠工序中的過氧化氫添加量、料液比、提取溫度和提取時間對明膠提取率和黏度的影響，并進行方差分析考查以上因素是否對明膠的提取率和粘度有顯著性影響。

1.3.3 響應面法試驗設計

根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，在單因素試驗基礎上，選擇對提取明膠效率質量影響較大的3個因素為自變量，每一自變量分別設置低、中、高試驗水平，以明膠提取率和黏度為響應值Y1、Y2設計實驗，并用響應面分析自變量與響應值間的變化規律。

1.3.4 指標分析

1.3.4.1 明膠提取率

明膠提取率表達為提取得到的明膠質量與魚皮原料質量之比(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[8］。

1.3.5 數據處理

采用Excel2007和SPSS17.0進行數據處理和單因素方差分析(P＜0.05);Design-Expert 7.0 Trial軟件進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 浸灰工藝對明膠提取的影響

浸灰即在明膠制造上用石灰乳處理骨蛋白質或經過洗滌的皮。由圖1可見，隨魚皮浸灰時間的增加，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結構，有利于膠原纖維加熱時明膠的釋放。隨著浸灰時間的延長，會引起膠原纖維的部分降解，黏度下降。綜合考慮選擇浸灰6d的魚皮進行明膠提取。

圖1 浸灰時間對明膠提取率和黏度的影響

圖2 過氧化氫濃度對明膠提取率和黏度的影響

2.2 過氧化氫對明膠提取效果的影響

由圖2可見，不添加H2O2時，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，可以隨機破壞膠原的次級鍵、肽鍵及其易氧化的氨基酸，使膠原纖維的晶體結構破壞，從而加速膠原向明膠轉變。因此隨著添加量的增加提取率增加，而進一步降解則會使明膠向小分子肽轉變使黏度減小[5］。過氧化氫對明膠提取率和質量有顯著影響(P＜0.01)，故選取H2O2濃度的優化范圍為0.05～0.10 mmol/g。

2.3 料液比對明膠提取效果的影響

明膠的提取需要水作為溶劑，水的添加量過低時，無法實現物料均勻攪拌，過高時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時較大，而在實驗范圍內不同料液比對明膠黏度影響差異不大(P＞0.05)。同時考慮到后續濃縮效率，選取料液比1∶6制備明膠。

圖3 料液比對明膠提取率和黏度的影響

2.4 提取溫度對明膠提取效果的影響

明膠提取率和黏度隨提取溫度的變化如圖4所示。

圖4 提取溫度對明膠提取率和黏度的影響

由圖4可見，低于45℃時，只有相當少量的膠原纖維轉化成明膠，產率極低。當溫度高于45℃以上時，隨著溫度提高，提取率和黏度增大，高于55℃，溫度的增長對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，可促進膠原聚集態結構破壞，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入溶液，不溶性膠原纖維轉變為明膠[9］。提取溫度對明膠質量效率有顯著影響(P＜0.01)，為減少能耗，選擇50～55℃進一步優化提取溫度。

2.5 提取時間對明膠提取效果的影響

由圖5可見，明膠提取率隨著提取時間延長而增加，而粘度隨提取時間延長而提高，在5.5 h達到最大值8.36(mPa·s)后開始下降。當維持膠原纖維蛋白聚集態結構的次級鍵被破壞時，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］。由實驗數據可見，在反應達到5 h后，后一步的變化開始顯現。提取時間對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量前提下獲得較高的提取率，進一步在3～5 h內優化提取時間。

黏度的影響

2.6 明膠提取工藝的優化

根據單因素實驗的顯著性分析，對影響明膠提取率和黏度影響顯著的3個因素，采用響應面實驗方案進行優化，結果如表2所示，對表2結果進行方差分析見表3。

表2 響應面試驗設計與結果

表3 響應面試驗結果的方差分析

根據方差結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Design-Expert 7.0 Trial軟件分析得到，提取率方差分析預測的R2(0.9837)與校正的R2(0.9627)相差很小，說明數學擬合模型與試驗實測值能很好的擬合，黏度方差分析預測的R2(0.8726)與校正的R2(0.7089)相差不大，說明數學擬合模型與試驗實測值能較好的擬合。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關系如圖6響應面所示。由圖6可見，當過氧化氫濃度保持0水平時，提取溫度對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，過氧化氫濃度和時間二因素對黏度還有一定的交互作用，而過氧化氫濃度和溫度對黏度基本無交互作用。

圖6 羅非魚皮明膠提取優化的響應面分析圖

對提取率和黏度均取最大值，由軟件自動分析得到的優化提取條件為:過氧化氫濃度0.07 mmol/g、提取溫度53.16℃、浸提時間4.63 h，此條件下明膠提取率和黏度的理論值分別達到87.5%和8.48(mPa·s)。為方便實際操作，選取提取溫度53℃、浸提時間4.6 h、過氧化氫濃度為0.07 mmol/g，在此條件下進行驗證實驗，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，說明采用該數學模型的優化參數可高效制備優質明膠。

Cheow[11］采用黃花魚及和長身圓鲹制取明膠的產率分別為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率不超過17%。謝詳等[15］優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3h提取率達50%，黏度4.43(mPa·s)。由此可見，本實驗采取的明膠制備方法與這些報道的方法相比，不僅提取條件溫和(溫度較低，提取時間短)，而且明膠的提取產率高，明膠的黏度指標值也明顯勝出。

3 結論

羅非魚皮是一種具有重要開發價值的淡水水產加工副產物，本課題組采用優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，提取時間短，明膠提取率高，產品黏度高。與已有的讞相比，魚明膠的提取效率和明膠重要性能指標——黏度有顯著提高。可見，過氧化氫法提取明膠具有適用性，但不同原料來源、工藝條件和參數有一定差異，通過響應面試驗將其提取工藝優化到較好的水平。

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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)。

*國家自然科學基金(AE120009);廣西科技攻關項目(桂科攻11107005-2)

2012-01-05，改回日期:2012-03-27