CN109354624A - 采用酶处理制备牛皮明胶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及明胶的制备，特别是指采用酶处理制备牛皮明胶的方法。包括原料预处理、酶解反应、酶钝化、提胶、分离浓缩干燥等工艺步骤。本发明解决了现有技术中明胶转化率低、由于污染造成的后处理成本高等技术问题。具有明胶转化率高、方法清洁环保、所制备的明胶各项指标符合国标要求等优点。

Description

采用酶处理制备牛皮明胶的方法

技术领域

本发明涉及明胶的制备，特别是指采用酶处理制备牛皮明胶的方法。

背景技术

明胶(Gelatin)，无固定结构，其分子量在几万到十几万之间。明胶呈白色或淡黄色，多为半透明的薄片或粉粒。通常是由猪、牛等动物的骨、皮、肌腱或膜等结缔组织的胶原蛋白经降解而成。明胶在冷水中会吸水膨胀；它溶于热水，冷却后即凝成胶块；不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂，但溶于乙酸和甘油。干燥情况下能长期储存，受潮后容易因细菌作用而变质。

明胶具有原料广泛，环保可降解等诸多优点，同时还可以与其他材料复合，制成功能更加丰富的明胶。明胶是应用最为广泛的天然生物高分子材料之一，被誉为“工业味精”，在食品加工、保健、医药、化妆品、化工等许多领域都有广泛的应用。目前国内外市场对明胶的需求量逐年增长，呈供不应求的态势，年缺口量在万吨以上。2014年6月1日由国家卫计委发布的《食品添加剂明胶》(GB6783-2013)中对食品添加剂明胶包括感官要求、理化指标、微生物指标在内的技术指标进行了限定。

现有的明胶提取工艺主要包括碱法、酸法、酶法。传统的预处理方法为酸法和碱法。酸法起源于美国，具有耗时短、废水少等优点，适用于交联少的胶原，如皮胶原。处理哺乳动物胶原时，常使用无机酸，如：盐酸、亚硝酸、硫酸、磷酸及它们的混合酸等，而处理鱼皮常采用有机酸，如：醋酸等。碱法指用石灰乳悬浮液或氢氧化钠等碱性溶液水解胶原产生明胶的方法，其中以石灰乳悬浮液水解胶原的碱法又被称为浸灰法。碱法主要用于交联度较高的骨胶原。目前绝大多数明胶是通过碱法制得的。传统的碱法虽然能够得到工艺质量较高的明胶，但是存在周期长、耗水量大、环境污染严重等缺点。其中，浸灰时间长达3-4个月之久。传统的明胶生产工艺在酸、碱对原料处理及明胶的提取和纯化过程中需用到大量的水进行清洗及溶出，然后再将水去除，因此传统上认为明胶生产是耗水与耗能大户。传统骨明胶生产耗水量可达500吨水/吨胶，皮明胶生产传统耗水可达300吨水/吨胶。由于明胶最终产品为干燥固体，故此，水耗高的生产工艺产生的污水也多。

与酸碱法相比，酶法具有周期短、用水少、污染小等优点，因此一直受到人们的关注。酶法即用酶处理使胶原溶解并经过加热变性而成为明胶的方法。酶法又分为两种：一是酶解法，用酶液处理胶原原料，在酸性溶液中搅拌得到胶原溶液，然后通过调节等电点或盐析的方法使胶原纤维沉淀，沉淀的胶原纤维经沸水加热得到明胶。另一种方法为酶代浸灰法，用酶液代替酸法或碱法中的酸或碱溶液处理原料，其他工序与碱法制胶相同。由于酶具有特异性，不同种类的酶其切割位点不同，在酶法制取明胶的过程中，酶的筛选至关重要。

国外酶法制取明胶始于1954年，最早是使用各类酵母制备明胶，到七十至八十年代，大量的可以水解胶原的蛋白酶开始取代酵母。1975年Mishunin等研究了用灰色链霉菌蛋白酶水解骨胶原制取明胶。1977年Hinterwalder通过用胃蛋白酶和链霉蛋白酶配合化学处理的方法，提高了A型明胶的生产效率，缩短了生产周期。1994年Chomarat等比较了从曲霉中分离得到的蛋白酶和胃蛋白酶制备牛皮明胶的效果。1998年，Rowlands等申请了酶法制备骨明胶的专利。国内在20世纪60年代开始有酶法制取明胶的报道，但一直未进入工业化应用。国内报道中采用的酶有2709碱性蛋白酶、1398中性蛋白酶、中性蛋白酶Neutrase，碱性蛋白酶Alkaline protease、胃蛋白酶、胰蛋白酶。虽然对酶法制备明胶的研究进行已久，但由于酶法产率较低、水解反应程度较难控制、依然需要结合化学法进行处理、不能完全清洁化等原因，酶法一直没有得到大规模推广。

近年来随着对明胶的研究不断深入，关于制备明胶的专利也不断增多。西南大学张宇昊通过短时稀酸处理结合热提取生产高品质兔皮明胶，相对于传统的明胶工艺，生产周期短，用酸量少，减少环境污染。江西师范大学涂宗财采用超声波—微波技术从废弃鱼鳞中提取明胶，其优点在于提取率高，蛋白含量和纯度高，同时通过生物改性技术提高了鱼明胶的胶融温度。浙江吉达生物科技有限公司吴家麟以食用猪皮为原料，利用离子交换树脂制备明胶，可以达到干燥速度快，产品粒度均匀的效果。湖南尔康制药股份有限公司帅放文利用酶法制备骨明胶，通过丙酮脱脂可以保留胶原蛋白的氨基酸结构且脱脂更加完全，利用柠檬酸酸化，结合生物组合酶进行作用，从而减小污染，提高明胶品质和得率。

对酶法制备牛皮明胶工艺进行优化的相关专利及文章较少。王润成在《皮料酶法制备食用明胶的工艺方法》中使用碱性蛋白酶和脂肪酶制备明胶，同时加入了酶激活剂、氢键断裂剂、交联断裂剂等多种试剂。这些试剂的化学成分主要为尿素、氯化钙、盐酸等。这些试剂的添加会导致排放的污水中含有大量的生物营养物质，若进入河道海滩，会造成部分生物异常生长，尤其是藻类，产生赤潮等现象，不仅影响水质，而且会使生物链遭到破坏，甚至会进一步危害人类健康。同时，若含有大量氯化物等盐类的污水流入农田，会使土地盐碱化，而使土地恢复需要数十年甚至更长的时间，给农业造成巨大损失。而且，化学试剂的添加会增加后期污水处理的成本。该方法依然不够节能环保。1996年Simenova等研究利用制革行业产生的牛内层皮进行酶法制胶，实验中将牛皮进行水洗，然后分离出油脂，再用热水初步提取水解胶原，剩余的不溶性物质用碱性蛋白酶进行水解提取明胶，最终明胶产率为3-7％。苏铭晖在《明胶的绿色制备》中使用热处理与单一酶相结合的方式制备明胶，减少了化学试剂的使用，降低了水耗能耗，更加绿色环保。但是最终明胶产率较低(16.5％)。

发明内容

本发明的目的在于提供采用酶处理制备牛皮明胶的方法，采用热处理结合复合酶处理制备明胶不仅能够有效提高明胶收率，而且更加清洁环保，所制备的明胶各项技术指标符合现行国标要求。

本发明的整体技术构思是：

采用酶处理制备牛皮明胶的方法，包括如下工艺步骤：

A、原料预处理

取牛皮边角废料，切条后加水清洗去杂；

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为50℃-80℃的条件下水浴10min-2h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮500U-2000U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮10U-200U，酶解反应在pH＝8-10、温度为35℃-45℃条件下反应6h-10h；

步骤B主要采用热处理与酶催化相结合的方式对皮料进行处理，其目的在于提高胶原的解旋效率；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗5min-15min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为70℃-90℃的条件下水浴3min-10min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于60℃-80℃水浴中处理4h-8h；

E、分离浓缩干燥。

申请人需要说明的是，由于碱性蛋白酶及碱性脂肪酶的品质存在区别，为保证其作用效果，本申请中采用酶活作为其加入量及复配的技术要求。

本发明的具体技术特征还有：

为保证清洗的效果，优选的技术方案是，所述的步骤A是将牛皮边角废料切成1cm×3cm的长条，加入其质量2倍的自来水手工搅拌清洗5min-10min后换水，共清洗3次。

酶解反应结束后，应对酶液进行灭活处理，防止明胶被进一步水解。优选的技术方案是所述的步骤C中的水及蒸馏水的加入量为去除酶解液或清洗水后物料质量的2倍。

分离浓缩干燥优选的技术方案是，所述的步骤E中的分离浓缩干燥是将步骤D中制备的物料用定性滤纸过滤后，真空浓缩后烘干。

更为优选的技术方案是，所述的步骤E中真空浓缩的工艺条件是：采用真空旋转蒸发器进行，温度50℃-80℃，转速80r/min-150r/min，真空度为-0.1MPa；采用烘箱烘干，温度为50℃-100℃。

为验证本发明的技术效果，申请人进行了如下试验：

1、明胶性状的感官评价

性状作为对物品的表观描述最直接的一关，从外观上确定明胶中是否具有明胶应有的感官特性，是否存在不符合明胶特性的理化检测指标外的物质混合或替代。性状可以将检测性能相同、但感官上不同的物品分开，也可以发现因变质或变性带来的外观改变。明胶性状依据GB6783-2013《国家食品安全标准食品添加剂明胶》进行评定。

2、水分含量的测定

GB5009.3直接干燥法。

3、产率的测定

依据GB6783-2013《国家食品安全标准食品添加剂明胶》进行测定。

明胶产率＝(明胶干重/生皮质量)×100％

4、凝冻强度测定

依据GB6783-2013《国家食品安全标准食品添加剂明胶》进行测定。明胶的凝冻强度反映了明胶水溶液在降温凝冻后形成的水凝胶的坚韧程度，是明胶的主要应用指标之一，也是重要的商业评价指标。

5、重金属含量测定

依据GB6783-2013《国家食品安全标准食品添加剂明胶》进行测定。明胶有多种强极性基团，可以与许多金属离子形成螯合物，因此，明胶中金属离子的检测必不可少。各国的检测标准均对明胶中金属离子的含量做了相应规定。

6、微生物测定

依据GB6783-2013《国家食品安全标准食品添加剂明胶》进行测定。明胶作为良好的微生物营养物质，在水分和温度合适的情况下，非常容易滋生细菌。各国标准中均对明胶中的微生物限度进行规定。微生物为明胶的卫生指标。

申请人按照《国家食品安全标准食品添加剂明胶》(GB6783-2013)对本发明制备的明胶进行了全面的分析，结果如表1、表2所示。由表1、2可知，明胶质量合格。

表1所得明胶的感官指标

项目	要求	感官评定结果	判定结果
				色泽	淡黄色至黄色	黄色	合格
状态	固体状(如颗粒、片状、粉末等)	颗粒状	合格
				气味	无不适气味	无不适气味	合格

表2所得明胶的各项指标

采用本发明的方法制备明胶，明胶收率可达20％-23％。

本发明所取得的实质性特点和显著的技术进步在于：

1、本发明的工艺中除调节酶液pH加入少量碱性溶液外，不添加其他化学试剂，其生产过程清洁环保。

2、本发明的方法所制备的明胶经申请人根据国标方法检测，其包括感官指标、理化指标以及微生物指标在内的主要技术指标符合国标要求。

3、采用本发明的工艺制备明胶可将明胶产率提高至20％-23％，明显优于现有方法中的明胶收率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

实施例1

采用酶处理制备牛皮明胶的方法，包括如下工艺步骤：

A、原料预处理

取牛皮边角废料，切条后加水清洗去杂；

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为50℃的条件下水浴2h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮500U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮10U，酶解反应在pH＝8-10、温度为35℃条件下反应10h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗5min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为70℃的条件下水浴10min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于60℃水浴中处理8h；

E、分离浓缩干燥。

所述的步骤A是将牛皮边角废料切成1cm×3cm的长条，加入其质量2倍的自来水手工搅拌清洗5min-10min后换水，共清洗3次。

所述的步骤C中的水及蒸馏水的加入量为去除酶解液或清洗水后物料质量的2倍。

所述的步骤E中的分离浓缩干燥是将步骤D中制备的物料用定性滤纸过滤后，真空浓缩后烘干。步骤E中真空浓缩的工艺条件是：采用真空旋转蒸发器进行，温度50℃-80℃，转速80r/min-150r/min，真空度为-0.1MPa；烘干采用烘箱烘干，温度为50℃-100℃。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为80℃的条件下水浴10min；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮2000U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮200U，酶解反应在pH＝8-10、温度为45℃条件下反应6h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗15min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为90℃的条件下水浴3min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于60℃水浴中处理8h；

其余内容与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为70℃的条件下水浴1h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮1500U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮100U，酶解反应在pH＝8-10、温度为40℃条件下反应8h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗10min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为80℃的条件下水浴7min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于70℃水浴中处理6h；

其余内容与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为60℃的条件下水浴1.5h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮800U-2000U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮80U，酶解反应在pH＝8-10、温度为38℃条件下反应8.5h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗7min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为75℃的条件下水浴5min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于65℃水浴中处理6.5h；

其余内容与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入蒸馏水，在温度为75℃的条件下水浴0.5h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮1800U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮180U，酶解反应在pH＝8-10、温度为42℃条件下反应7h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗12min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为85℃的条件下水浴5min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于75℃水浴中处理5h；

其余内容与实施例1相同。

Claims (5)

1.采用酶处理制备牛皮明胶的方法，其特征在于包括如下工艺步骤：

A、原料预处理

取牛皮边角废料，切条后加水清洗去杂；

B、酶解反应

将步骤A制备的清洗后的皮料加入无菌去离子水，在温度为50℃-80℃的条件下水浴10min-2h；在处理好的皮料中添加由碱性蛋白酶及碱性脂肪酶组成的复合酶，其中碱性蛋白酶的加酶量为每克生皮500U-2000U，碱性脂肪酶的加酶量为每克生皮10U-200U，酶解反应在pH＝8-10、温度为35℃-45℃条件下反应6h-10h；

C、酶钝化

酶解反应结束后，排出酶解液，加水搅拌清洗5min-15min，去除清洗水，重新加入蒸馏水，在温度为70℃-90℃的条件下水浴3min-10min；

D、提胶

将步骤C中制备的物料置于60℃-80℃水浴中处理4h-8h；

E、分离浓缩干燥。

2.根据权利要求1所述的采用酶处理制备牛皮明胶的方法，其特征在于所述的步骤A是将牛皮边角废料切成1cm×3cm的长条，加入其质量2倍的自来水手工搅拌清洗5min-10min后换水，共清洗3次。

3.根据权利要求1所述的采用酶处理制备牛皮明胶的方法，其特征在于所述的步骤C中的水及蒸馏水的加入量为去除酶解液或清洗水后物料质量的2倍。

4.根据权利要求1所述的采用酶处理制备牛皮明胶的方法，其特征在于所述的步骤E中的分离浓缩干燥是将步骤D中制备的物料用定性滤纸过滤后，真空浓缩后烘干。

5.根据权利要求1所述的采用酶处理制备牛皮明胶的方法，其特征在于所述的步骤E中真空浓缩的工艺条件是：采用真空旋转蒸发器进行，温度50℃-80℃，转速80r/min-150r/min，真空度为-0.1MPa；烘干采用烘箱烘干，温度为50℃-100℃。