CN103146308B - 一种鱼类明胶高分子材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，涉及一种明胶高分子材料。提供一种具有良好凝胶性能的鱼类明胶高分子材料的制备方法。1)原料预处理：以鱼皮、鱼鳞为原料，用含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液浸泡，然后漂洗干净，加入纯水，用多元羧酸将溶液的pH调整至5～6，再搅碎成明胶的提取原料；2)明胶的提取：在步骤1)预处理好的原料中加入蛋白酶抑制剂和蛋白热变性保护剂，升温提取明胶溶液；3)干燥：将步骤2)得到的明胶溶液采用过滤去除黑色素等杂质，冷却凝固，低温干燥后粉碎，制备成鱼类明胶高分子材料粉末。工艺简单，提取时间短，有利于鱼类明胶工业化生产的推广。

Description

一种鱼类明胶高分子材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种明胶高分子材料，尤其是涉及利用鱼皮、鱼鳞为原料，通过添加蛋白酶抑制剂、蛋白变性保护剂、控制提取温度和pH防止鱼胶原蛋白的降解和热变性的一种鱼类明胶高分子材料的制备方法。

背景技术

胶原是一种纤维状的蛋白质，是生物科技产业最具关键性的原材料之一，可以广泛应用在医用材料、化妆品、食品工业等领域。而明胶是胶原通过热变性衍生而来的天然高分子化合物，具有良好的凝胶形成能，经常作为添加剂应用于食品生产中增加产品的弹性、粘稠度和稳定性。目前，世界上90%以上的明胶来源于猪、牛的皮和骨，但由于对疯牛病、口蹄疫的恐慌以及宗教信仰等原因，一些国家研究机构近年来开始利用鱼类副产物中的鱼皮、鱼鳞、鱼骨提取明胶。然而，由于鱼类的生存环境温度低于哺乳动物，以鱼皮、鱼鳞为原料制备的明胶其凝胶性能和热稳定性相对较差，而且鱼类胶原蛋白较猪、牛皮胶原蛋白更易降解，因此采用这些方法生产的鱼类明胶包括凝胶性能等性质均不及猪、牛皮明胶，结果导致鱼类明胶产品在实际中推广应用受到限制。

2012年，我国的水产年加工量已经超过2000万吨，在鱼糜加工和冷冻鱼片生产等鱼类加工过程中必然会产生大量的鱼皮、鱼鳞、鱼骨等加工副产物。目前对这些加工副产物的处理除了少量用于生产胶原蛋白以外，主要用来生产低值鱼粉，甚至还有部分被作为废弃物直接丢弃，不仅浪费资源，也会给环境造成污染。因此，利用丰富的鱼类加工副产物资源制备明胶高分子材料替代陆生动物明胶，不仅可以减少水产加工企业废弃物的排放，还可以降低类似毒胶囊事件给明胶产品带来的负面影响。

目前，虽然西南大学报道了一种通过超高压技术辅助处理结合热提取来生产高品质的鱼皮明胶(见中国专利200910251061.4)，以及成都海康生物技术有限公司提供了一种工业化生产鱼皮明胶的工艺(见中国专利201210186309.5)，但应用这些技术仍存在一些问题，比如前处理过程繁琐，生产周期长；提取过程没有注意防止鱼类胶原蛋白在内源酶和热作用下的变性降解，导致制备的鱼类明胶产品性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好凝胶性能的鱼类明胶高分子材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)原料预处理：以鱼皮、鱼鳞为原料，用含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液浸泡，然后漂洗干净，加入纯水，用多元羧酸将溶液的pH调整至5～6，再搅碎成明胶的提取原料；

2)明胶的提取：在步骤1)预处理好的原料中加入蛋白酶抑制剂和蛋白热变性保护剂，升温提取明胶溶液；

3)干燥：将步骤2)得到的明胶溶液采用过滤去除黑色素等杂质，冷却凝固，低温干燥后粉碎，制备成鱼类明胶高分子材料粉末。

在步骤1)中，所述鱼皮、鱼鳞可采用海水鱼、淡水鱼等中的至少一种；所述含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液的质量可为原料的5～10倍；所述含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液中，氢氧化钠的浓度可为0.1%～0.4%(w/v)，表面活性剂的浓度可为0.2%～0.5%(w/v)，氧化剂的浓度可为0.5%～1.0%(w/v)；所述表面活性剂可选自烷基硫酸酯盐、烷基酚聚氧乙烯醚、山梨醇酯、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯等中的至少一种；所述氧化剂可选自次氯酸钠、次氯酸钾、过碳酸钠、过硼酸钠、过硼酸钾等中的至少一种；所述浸泡的时间可为12～24h；所述漂洗可采用清水漂洗；所述纯水的质量可为原料的0.5～3倍；所述多元羧酸可选自丁二酸、己二酸、柠檬酸等中的一种；所述预处理的温度可为4～10℃。

在步骤2)中，所述蛋白酶抑制剂可选自大豆提取物或绿豆提取物等；所述蛋白酶抑制剂的添加量可为30～100mg/L，蛋白酶抑制剂的比活力可为10000U/mg；所述蛋白热变性保护剂可选自甘油、蔗糖、海藻糖等中的至少一种；所述蛋白热变性保护剂的添加量可为0.2%～1.0%(w/v)；所述升温的温度可为60～80℃，所述升温提取的时间可为1～3h。

在步骤3)中，所述过滤的方式可采用板框过滤、离心过滤、转筒真空过滤等中的一种；所述冷却凝固的温度可为4～10℃，低温干燥的温度可为15～25℃。

本发明以鱼皮、鱼鳞为原料，通过添加蛋白酶抑制剂、蛋白变性保护剂、控制提取温度和pH防止鱼胶原蛋白的降解和热变性，达到既可以使鱼皮、鱼鳞中的酶失活，又不会使胶原蛋白发生热变性，提取的明胶溶液经过冷却凝固后，利用低于明胶的变性温度(15～25℃)进行干燥，制备成具有良好凝胶性能的鱼类明胶高分子材料。

由于本发明在原料预处理后添加蛋白酶抑制剂，利用60～80℃、pH5～6对鱼皮、鱼鳞进行热水浸提明胶，可以防止明胶在提取过程中由于内源性蛋白酶的影响发生降解，而且通过添加蛋白变性保护剂又可以防止明胶蛋白在加热溶出过程发生过度变性导致凝胶性能下降。同时，还采用了低于明胶的变性温度进行干燥，可防止明胶的凝胶性能受干燥温度的影响。本发明利用鱼皮鱼鳞中存在基质金属蛋白酶，在偏碱性提取时会使鱼明胶蛋白发生酶解导致性能下降，而且过高温度长时间的提取和干燥也会使明胶的凝胶性能下降。而对于在偏酸性条件下采用适当的温度进行热水提取，再利用蛋白酶抑制剂和蛋白变性保护剂防止提取过程明胶的降解和变性，进而使提取的鱼类明胶具有良好的凝胶性能。而且本发明还采用低温干燥方式防止提取的明胶在干燥过程中凝胶性能下降。故本发明具有以下优点：

1、本发明利用丰富的鱼类加工副产物为主要原料，既可以降低明胶的生产成本，又可以减少水产加工废弃物的排放。

2、本发明通过添加蛋白酶抑制剂、控制提取温度和pH，可以防止鱼类明胶在提取过程发生降解。

3、本发明通过添加蛋白热变性保护剂，可以防止鱼类明胶在提取过程发生蛋白变性。

4、与明胶的喷雾干燥、高温干燥和冷冻干燥相比，本发明利用15～25℃的低温干燥不仅可以防止鱼类明胶在高温干燥过程发生蛋白变性，而且起到节能环保的作用。

5、本发明制备的鱼类明胶高分子材料冻力值可达300g以上，可替代陆生动物明胶应用于食品工业、化妆品、医用材料等领域。

6、本发明提取工艺简单，提取时间短，有利于鱼类明胶工业化生产的推广。

附图说明

图1为浸提pH对罗非鱼鱼鳞明胶组分的影响(60℃，1h，实施例1)；

图2为添加蛋白酶抑制剂对罗非鱼鱼鳞明胶组分的影响(60℃，pH9，实施例2)；

具体实施方式

下面结合附图、附表以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

在1kg罗非鱼鱼鳞中加入5L的含有0.2%十二烷基硫酸钠(SDS)和0.5%过碳酸钠的0.1%NaOH溶液，在4℃下浸泡24h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入1L的纯水，用柠檬酸或氢氧化钠调整鱼鳞水溶液的pH至一定值后，迅速升温至60℃，加热保温提取1h，用滤纸过滤，冷却凝固后进行冷冻干燥，获得罗非鱼鱼鳞明胶。罗非鱼鱼鳞明胶组分利用SDS-PAGE进行测定(图1)，明胶的凝胶形成能采用BLOOM测定方法(表1)。

表1  浸提pH对罗非鱼鱼鳞明胶的凝胶冻力值的影响

实施例2

在1kg罗非鱼鱼鳞中加入5L的含有0.2%SDS和0.5%过碳酸钠的0.1%NaOH溶液，在4℃下浸泡24h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入1L的纯水总重量达到2kg左右，加入60mg大豆提取物(抑制剂的比活力为10000U/mg)，用氢氧化钠调整溶液的pH至9后，迅速升温至60℃，加热保温提取一定时间，用滤纸过滤，冷却凝固后进行冷冻干燥，获得罗非鱼鱼鳞明胶。同时利用未添加大豆提取物制备的明胶作为对照组。明胶组分的SDS-PAGE测定结果如图2所示。

实施例3

在1kg鳕鱼鱼皮中加入10L的含有0.5%烷基酚聚氧乙烯醚和1.0%次氯酸钠的0.4%NaOH溶液，在4℃下浸泡12h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入0.5L的纯水总重量达到2kg左右，加入100mg大豆提取物(抑制剂的比活力为10000U/mg)和海藻糖4g，用己二酸调整鱼皮水溶液的pH至5，搅碎后迅速升温至70℃，加热保温1h，获得的明胶溶液用滤布过滤，冷却凝固后，切成细条在15℃下进行鼓风干燥，获得鳕鱼鱼皮明胶。对获得的明胶凝胶性能测定结果如表2所示。

实施例4

在1kg鲨鱼鱼皮中加入7.5L的含有0.3%脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和0.8%次氯酸钾的0.3%NaOH溶液，在4℃下浸泡16h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入2L的纯水总重量达到4kg左右，加入200mg大豆提取物(抑制剂的比活力为10000U/mg)和蔗糖40g，用己二酸调整鱼皮水溶液的pH至5.5，搅碎后迅速升温至80℃，加热保温2h，获得的明胶溶液用滤布过滤，冷却凝固后，切成细条在20℃下进行鼓风干燥，获得鲨鱼鱼皮明胶。对获得的明胶凝胶性能测定结果如表2所示。

实施例5

在1kg罗非鱼鱼皮中加入7.5L的含有0.3%脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和0.8%次氯酸钾的0.3%NaOH溶液，在4℃下浸泡16h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入2L的纯水总重量达到4kg左右，加入200mg绿豆提取物(抑制剂的比活力为10000U/mg)和蔗糖40g，用己二酸调整鱼皮水溶液的pH至5.5，搅碎后迅速升温至60℃，加热保温2h，获得的明胶溶液用滤布过滤，冷却凝固后，切成细条在25℃下进行鼓风干燥，获得罗非鱼鱼皮明胶。对获得的明胶凝胶性能测定结果如表2所示。

实施例6

在1kg大黄鱼鱼鳞中加入10L的含有0.2%SDS和0.5%过碳酸钠的0.1%NaOH溶液，在4℃下浸泡24h，利用自来水漂洗干净、沥干后，加入2L的纯水总重量达到3kg左右，加入180mg绿豆提取物(抑制剂的比活力为10000U/mg)和甘油15g，用丁二酸调整鱼鳞水溶液的pH至6.0，搅碎后迅速升温至80℃，加热保温2h，获得的明胶溶液用滤布过滤，冷却凝固后，切成细条在25℃下进行鼓风干燥，获得大黄鱼鱼鳞明胶。对获得的明胶凝胶性能测定结果如表2所示。

图1显示了浸提pH对罗非鱼鱼鳞明胶组分的影响。由图可知，随着明胶浸提溶液pH的上升，制备的明胶中分子量大于β肽链的高分子成分逐渐减少，160kDa和80kDa左右的蛋白条带的含量逐渐增加，表明经过前处理后鱼鳞粗胶原蛋白中可能残留一些蛋白酶，导致明胶蛋白在浸提过程中发生降解，宏观上表现为明胶的凝胶形成能也逐渐下降(表1)。然而，在pH3和4条件下提取的明胶高分子组分虽然没有被降解，但是提取的明胶的冻力值却较低，这主要是酸性条件下提取的鱼鳞明胶中矿物质含量较高(数据未显示)，阻碍了明胶蛋白之间的相互作用。图1和表1的结果表明了pH5～6最适合用于提取鱼类明胶高分子材料。图2显示了添加蛋白酶抑制剂对罗非鱼鱼鳞明胶组分的影响，结果表明，大豆提取物可以明显抑制鱼鳞中内源性蛋白酶的活性，而且浸提3h内的抑制效果较好。

表2  鱼类明胶和猪皮明胶的凝胶冻力值

根据以上结果，鱼皮、鱼鳞经去除非胶原蛋白、脂肪、腥臭味等前处理后，用多元羧酸将溶液的pH调整至5～6，除了添加蛋白酶抑制剂以外，还添加了蛋白热变性保护剂，60～80℃下经过1～3h热水浸提，提取的明胶溶液经冷却凝固后放在15～25℃下进行干燥，结果发现，提取的鳕鱼鱼皮明胶、鲨鱼鱼皮明胶、罗非鱼鱼皮明胶以及大黄鱼鱼鳞明胶的冻力值都超过了300g，大于猪皮来源的明胶(表2)，因此可以替代陆生动物明胶应用于食品工业、化妆品、医用材料等领域。

Claims (10)

1.一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)原料预处理：以鱼皮、鱼鳞为原料，用含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液浸泡，然后漂洗干净，加入纯水，用多元羧酸将溶液的pH调整至5～6，再搅碎成明胶的提取原料；

2)明胶的提取：在步骤1)预处理好的原料中加入蛋白酶抑制剂和蛋白热变性保护剂，升温提取明胶溶液；

3)干燥：将步骤2)得到的明胶溶液采用过滤去除黑色素，冷却凝固，低温干燥后粉碎，制备成鱼类明胶高分子材料粉末。

2.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述鱼皮、鱼鳞采用海水鱼、淡水鱼中的至少一种。

3.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液的质量为原料的5～10倍；所述含有表面活性剂和氧化剂的氢氧化钠溶液中，氢氧化钠的浓度为0.1％～0.4％，表面活性剂的浓度为0.2％～0.5％，氧化剂的浓度为0.5％～1.0％，所述浓度以w/v计量。

4.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述表面活性剂选自烷基硫酸酯盐、烷基酚聚氧乙烯醚、山梨醇酯、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯中的至少一种；所述氧化剂选自次氯酸钠、次氯酸钾、过碳酸钠、过硼酸钠、过硼酸钾中的至少一种。

5.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述浸泡的时间为12～24h；所述漂洗采用清水漂洗；所述纯水的质量为原料的0.5～3倍。

6.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述多元羧酸选自丁二酸、己二酸、柠檬酸中的一种；所述预处理的温度为4～10℃。

7.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述蛋白酶抑制剂选自大豆提取物或绿豆提取物；所述蛋白酶抑制剂的添加量为30～100mg/L，蛋白酶抑制剂的比活力为10000U/mg。

8.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述蛋白热变性保护剂选自甘油、蔗糖、海藻糖中的至少一种；所述蛋白热变性保护剂的添加量为0.2％～1.0％，以w/v计量。

9.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述升温的温度为60～80℃，所述升温提取的时间为1～3h。

10.如权利要求1所述一种鱼类明胶高分子材料的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述过滤的方式采用板框过滤、离心过滤、转筒真空过滤中的一种；所述冷却凝固的温度为4～10℃，低温干燥的温度为15～25℃。