（农产品加工及贮藏工程专业论文）龙虾加工废弃物提取蛋白的工艺及其性质的研究.pdf

龙虾加工废弃物提取蛋白的工艺及其性质的研究 摘要 龙虾加工废弃物是指淡水龙虾加工过程中的下脚料虾头与虾壳，含有大量 的蛋白质等营养成分。这些约占虾重8 5 左右的虾头、虾壳大多被废弃，造成了巨 大的资源浪费和环境污染。本文对龙虾加工废弃物进行提取蛋白质的综合利用开 发研究，具有一定的现实意义。 以龙虾加工废弃物为原料，用超声波辅助碱法和酶法两种不同的方法提取龙 虾蛋白，对其工艺进行研究；对两种方法提取的龙虾蛋白相关功能特性进行测定 与研究，并进行比较；以龙虾蛋白为配料进行制作龙虾蛋白果冻的应用研究。 实验结果如下： 通过单因素和正交试验确定超声波辅助碱法提取蛋白的最佳工艺条件为：超声 波处理时间1 5 m i n 、提取温度7 0 、提取时间3 0 m i n 、碱液浓度o 8 、液料比5 ：1 。 此时的蛋白质提取率为7 8 6 。 通过单因素和正交试验确定酶法提取蛋白的最佳工艺条件为：选用碱性蛋白酶， p h 值为8 0 、酶解温度为5 0 c 、加酶量为1 5 、液料比为3 ：1 。此时的蛋白质提取率 为4 5 7 6 。 经测定，用超声波辅助碱法和酶法提取龙虾蛋白的相关功能特性表现为：相同点 为龙虾蛋白存在一个p h 等电点区域，在等电点区域内龙虾蛋白溶解性、持水性、发泡 性、乳化性、吸油性均较低；不同点为酶法蛋白的龙虾蛋白溶解性、持水性、发泡性、 乳化性、吸油性较好，泡沫稳定性较差。 通过单因素和正交试验确定龙虾蛋白营养果冻制作的最佳配料为：卡拉胶添加量 为0 5 、蛋白液添加量为1 5 、白砂糖添加量为5 、食盐添加量为0 5 、柠檬酸添加 量为0 2 5 。 关键词：龙虾龙虾加工废弃物超声波酶解功能特性 s t u d i e so ne x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya n dch a r a c t e ro f p r o t e i nf r o ml o b s t e rp r o c e s s e d 腑i s t e a b s t r a c t l o b s t e rp r o c e s s s dw a s t ei sm a i n l yf r o mt h ef r e s h w a t e rl o b s t e rw h i c hi sp r o c e s s e dt h e r e m a i n d e ro ft h el o b s t e rh e a da n dl o b s t e rs h e l l i tm a i nc o n t a i n sal o to fp r o t e i na n ds oo n t h e s ea c c o u n tf o ra b o u t8 5 o fl o b s t e rw e i g h ta r o u n dl o b s t e rh e a da n dl o b s t e rs h e l l ， m o s t l ya r ea b a n d o n e d ，r e s u l t i n gi n e n o r m o u sw a s t eo fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n i nt h i sp a p e r ，l o b s t e rp r o c e s s e dw a s t ei su t i l i z e df o rp r o t e i ne x t r a c t i o no fr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t ；i th a sac e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w i t ht h el o b s t e rp r o c e s s e dw a s t ea sr a wm a t e r i a l ，u s i n gu l t r a s o u n d a s s i s t e da l k a l ia n d e n z y m a t i ce x t r a c t i o no ft w od i f f e r e n tm e t h o d sl o b s t e rp r o t e i n ，i t sp r o c e s st oc o n d u c tt h e s t u d y ；t w om e t h o d sf o re x t r a c t i o no fl o b s t e rp r o t e i nr e l a t e dp h y s i c a l a n dc h e m i c a l i n d i c a t o r sa n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e sw e r ed e t e r m i n e d 诵t ht h es t u d ya n dc o m p a r i s o n ；u s i n g l o b s t e rp r o t e i nf o rp r o t e i ni n g r e d i e n t sf o rt h ep r o d u c t i o no fl o b s t e rp r o t e i nj e l l ya p p l i e d r e s e a r c h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt os i n g l ef a c t o r a n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t st o d e t e r m i n et h eb e s t u l t r a s o u n d a s s i s t e da l k a l ip r o c e s sc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：u l t r a s o n i cp r o c e s s i n gt i m ef o r 15 m i n ，a l k a l ic o n c e n t r a t i o no f0 。8 ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r ei s7 0 ，e x t r a c t i o nt i m ei s 3 0 m i n ，t h er a t i oo fs o l u t i o nt om a t e r i a li s5 ：1 a tt h i sp o i n tt h ep r o t e i ne x t r a c t i o nr a t ei s 7 8 6 a c c o r d i n gt os i n g l ef a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t st o d e t e r m i n et h eo p t i m u m c o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h eo p t i m a le n z y m ei st h ea l k a l i n ep r o t e a s e ，h y d r o l y s i s t e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，p hv a l u ei s8 0 ，a d d i t i o no fe n z y m ei s1 5 ，t h er a t i oo fs o l u t i o nt o m a t e r i a li s3 ：1 ，w h e nt h e p r o t e i ne x t r a c t i o nr a t eo f 4 5 7 6 a c c o r d i n g t ot h el o b s t e r p r o t e i n f u n c t i o na n dc h a r a c t e r e x p e r i m e n t o f u l t r a s o u n d - a s s i s t e da l k a l ia n de n z y m a t i ce x t r a c t i o nc a nc o n c l u d et h a t ：t h es a m ep o i n ti st h a t t h e r ei sal o b s t e rp r o t e i ni s o e l e c t r i cp o i n tp hr e g i o n , a tt h ei s o e l e c t r i cp o i n tr e g i o n s o l u b i l i t y ，w a t e rh o l d i n gc a p a c i t y ，f o a m i n ga n de m u l s i f y i n gc h a r a c t e ri sl o w ；t h ed i f f e r e n t p o i n ti st h a te n z y m a t i ce x t r a c t i o ni sh i g h e ri ns o l u b i l i t y , w a t e rh o l d i n gc a p a c i t y , f o a m i n g a n de m u l s i f y i n gc h a r a c t e r ，f o a ms t a b i l i t yi sl o w e r a c c o r d i n gt os i n g l ef a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fl o b s t e rp r o t e i nj e l l yt o d e t e r m i n et h eo p t i m u mc o n d i t i o n s a r ea sf o l l o w s ：c a r r a g e e n a na d d i t i o ni so 5 ，p r o t e i n s o l u t i o na d d i t i o n15 ，s u g a ra d d i t i o ni s5 ，s a l ta d d i t i o ni so 5 ，a n dc i t r i ca c i di s0 2 5 k e y w o r d s ：l o b s t e r ；l o b s t e rp r o c e s s e dw a s t e ；u l t r a s o n i c ；e n z y m eh y d r o l y z e ；f u n c t i o na n d c h a r a c t e r 表1 - 1 表2 一l 表2 - 2 表2 - 3 表3 - i 表3 - 2 表3 - 3 表5 一l 表5 - 2 表5 - 3 表5 - 4 表格清单 龙虾的营养成分1 正交试验因素水平表1 4 正交试验结果1 4 正交试验方差分析1 5 正交试验因素水平表2 0 正交试验结果2 1 正交试验方差分析2 1 产品感官评分标准3 l 正交试验因素水平表3 5 正交试验结果3 5 正交试验方差分析3 5 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图5 - 1 图 图 图 图 插图清单 考马斯亮蓝标准曲线1 0 碱液浓度对蛋白提取效果的影响1 1 提取温度对蛋白提取效果的影响1 2 提取时间对蛋白提取效果的影响1 2 超声波处理时间对蛋白提取效果的影响1 3 液料比对蛋白提取效果的影响1 3 蛋白酶的筛选1 7 酶解时间对酶解效果的影响1 8 加酶量对酶解效果的影响1 8 p h 值对酶解效果的影响1 9 酶解温度对酶解效果的影响1 9 液料比对酶解效果的影响2 0 龙虾蛋白粉的理化指标测定结果2 5 龙虾蛋白溶解度的测定结果2 6 龙虾蛋白持水性的测定结果2 6 龙虾蛋白乳化性的测定结果2 7 龙虾蛋白吸油性的测定结果2 8 龙虾蛋白起泡性的测定结果2 8 龙虾蛋白泡沫稳定性的测定结果2 9 蛋白液添加量对果冻品味的影响3 2 卡拉胶添加量对果冻品味的影响3 2 白砂糖添加量对果冻品味的影响3 3 食盐添加量对果冻品味的影响。3 3 柠檬酸添加量对果冻品味的影响3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金月巴兰些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者擀刳袤期：驴7 ，年争月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆工些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者弛委霞 导师躲 签字日期： 1 年 争月6 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 两年半的研究生生活，不仅拓展了我的科研思维，巩固了我的专业知识， 而且磨练了我的意志，提升了我的综合素质。在这里我向那些曾经帮助过、鼓 励过、关心过我的老师和同学致以真诚的谢意和崇高的敬意。 本论文是在王泽南教授的精心指导下完成的。在论文的开展中，望老师不 仅对我提出了严格的要求，而且在百忙之中抽出时间专门对我的研究进行认真 细致的知道，给出了许多建设性的意见，对研究的顺利进行起到了关键的作用； 对我的关心和帮助是我有更多的热情和精力投入到实验中去；他孜孜不倦的工 作热情，严谨求实的科研态度，开拓创新的研究精神使我受益终身；在论文的 完成之际，谨向尊敬的导师一王泽南教授致以衷心的感谢和崇高的敬意。 同时感谢陈从贵老师、周先汉老师、余顺火老师、郑志老师、陆剑锋老师 和学院的其他老师们给我的热情帮助和指导。感谢陶学明、卢进锋、王小倩、 刘模、徐胜、刘陈冰、何青云、付敏、张秀喜、贾如、张冰慧、胡艳红、张丽 等，师兄赵平、张全军等，师姐任苏玲，师弟李洪波、王满军、张伟伟，师妹 郭俊珍、范建凤等同学在研究中的帮助。特别感谢感谢师妹李莹和王荣对于实 验内容及其试验中遇到的问题给予的帮助。 最后，我还要感谢我的家人和朋友们对我整个学习过程中的大力支持，在 整个研究生期间的学习和工作中，他们给了我最无私的鼓励和默默的支持，在 次表示衷心的感谢! 作者：姜震 2 0 0 9 年4 月1 日 第一章前言 1 1 龙虾资源及其加工利用概况 龙虾学名克原氏螯虾，也可以叫做红螯虾或者淡水龙虾。龙虾属于节肢动物大家 族，属于甲壳纲动物【l 】。我国龙虾主要分布在江苏、湖北、江西、安徽等长江中下游 地区，生长在江、河、湖泊等水体中，数量在6 万吨以上1 2 j 。 1 1 1 龙虾的营养价值 龙虾虾仁的营养成分如表1 - 1 所示【3 1 。除可食用部分外，龙虾加工废弃物( 包括 虾头与虾壳) 也含有多种营养成分，如甲壳质、蛋白质、高级不饱和脂肪酸、钙、 镁、磷等矿物质盐类，还含有脑磷脂、卵磷脂、类胡萝卜素、碳水化合物等营养成分， 尤其是龙虾头内残留的虾黄，富含蛋白质和不饱和脂肪酸，且具有独特的风味l 4 】。龙 虾的蛋白质含量为1 8 9 ，高于大多数的淡水和海水鱼虾。其氨基酸组成优于肉类， 含有人体所必需的、而体内又不能合成或者合成量不足的8 种必需氨基酸，不但包括 异亮氨酸、色氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸，而且含有脊椎动物体内含 量很少的精氨酸。另外，龙虾富含对儿童生长发育必需的组氨酸【5 6 1 。 表1 1 龙虾虾仁的营养成分 t a b 1 1t h en u t r i t i o nc o m p o n e n t so fl o b s t e r ss h r i m p 1 1 2 龙虾经济 2 0 世纪3 0 年代末，龙虾由日本引入中国。在南京和滁县附近地区生长繁殖，后 沿长江流域自然扩散，现在已经分布于我国是几个省市，在有些地方已成为一些湖泊 和沟渠的优势种群 8 】。龙虾作为一种营养价值高，味道好的食品迅速风靡国内市场。 现今国内市场对龙虾的消费十分火爆，仅江苏省南京一地每年的6 月至9 月，每天消 费的淡水龙虾就达8 0 吨- 9 0 吨，且这种消费正在由南京逐步向无锡、苏州、上海、杭 州等大中城市及其周边省蔓延。 近年来，合肥市不断加大龙虾产业的政策扶持、产业规划等综合发展措施落实的 力度，把龙虾做成了大文章。据统计，目前合肥全市有龙虾养殖户8 0 0 0 多户，近3 万农民从事龙虾养殖、捕捞、收购和运输。龙虾养殖面积已发展到6 2 万亩，养殖产 量突破2 6 万吨，初步形成沿巢湖龙虾养殖产业集群。仅龙虾养殖一项，就使农民户 均增收2 0 0 0 元。合肥已成为全国主要的龙虾人工繁育基地和养殖主产地，是全国名 副其实的“中国淡水龙虾之都”，龙虾美食在合肥也已成为一大特色餐饮。全市经营 龙虾餐饮的大小餐馆已经达到4 0 0 0 多家，从业人员3 5 万人，年消费量8 万- 1 0 万吨。 宁国路、芜湖路、巢湖南路逐渐形成了远近闻名的“龙虾街 ，诞生了“十大虾王 ， 出现了“四大名旦 等优质龙虾菜肴品牌。全市现有较大规模龙虾出口企业1 2 家， 年加工出口能力近3 万吨，创汇4 0 0 0 万美元以上。2 0 0 7 年合肥市龙虾经济总量达到 了2 0 亿元。但是在虾类加工过程中，虾头作为加工废弃物，占虾体重量的3 0 一4 0 ， 若包括废弃的虾壳，则占到虾体重量的7 0 。照此估算，合肥市每年剔除的虾头约3 万吨，其中大部分用于生产饲料，少量用于制备几丁质，大大降低了虾头的利用价值 【9 ，1 0 o 国内外对龙虾的需求很大，因此，必将产生诸多的龙虾废弃物，如果能好好地将 这一种资源加以利用，必将产生巨大的经济效益【l l 1 2 】。就目前而言，对龙虾废弃甲壳 的利用主要是甲壳素【1 3 , 1 4 】，但对龙虾加工废弃物中提取龙虾蛋白质的报道很少。 1 1 3 龙虾加工废弃物的综合利用 龙虾加工后的废弃物主要包括龙虾头和龙虾壳，其中所含的龙虾油、虾青素、甲 壳素及蛋白质可以通过再加工实现龙虾加工废弃物的综合利用 1 5 1 。7 1 。 龙虾油是龙虾加工废弃物中含有的一种天然油脂，其主要成分为不饱和脂肪和脂 肪酸。赵平等【3 】对龙虾头中的虾油进行提取、精练和氧化稳定性进行了研究，测定了 有机溶剂提取粗虾油的最佳工艺条件。虾青素是龙虾加工废弃物中所含有的一种主要 类胡萝卜素【1 8 。2 0 】，虾青素有极强的清除自由基的作用，而自由基在许多疾患中起基本 的病理损害作用 2 1 2 2 】。杨左海等【2 3 】在5 0 。c 下用0 5m o l ln a o h 溶液提取龙虾壳中虾 青素，然后将浸提液p h 调到4 o 或5 0 沉淀虾红色素。甲壳素是龙虾加工废弃物中 所含有的一种高分子化合物【2 4 。2 6 1 。伍军等人【2 7 】利用龙虾虾壳制备甲壳素，获得酸浸脱 盐的最适条件为1 5 盐酸、4 0 、1 o h ；热碱脱脂脱蛋白的最适条件为：8 氢氧化钠、 9 0 c 、5 h 。龙虾加工废弃物中富含多种天然蛋白【2 8 1 ，张爱军【2 9 】等人利用龙虾废弃物碱 法提取龙虾蛋白、制备甲壳素。目前，国内外关于提取龙虾加工废弃物蛋白质的报道 很少。 1 2 蛋白质及其加工 1 2 1 蛋白质的提取方法 蛋白质的提取方法包括碱溶液提取法、酸溶液提取法、盐溶液提取法、水洗提取 法、有机溶剂提取法、超声波辅助碱提法和酶解法等方法，其中超声波辅助碱提法和 酶解法都是提取蛋白质的新兴技术 3 0 - 3 2 。 1 。2 。1 1 碱溶液法提取 目前，蛋白质的提取方法主要还是以传统的碱溶液法为主，蛋白质的溶解度大， 氢氧化钠溶液是最常用的溶剂。由于蛋白质是两性化合物【3 3 1 ，蛋白质的溶解度和稳定 性与p h 值关系很大，提取液的p h 值首先要保证在蛋白质稳定的范畴内，通常选择在 等电点的两侧。绝大部分蛋白质易溶于稀碱【3 4 1 ，稀碱溶液可以进入细胞内部，由于蛋 白质是两性化合物，在一定的碱性环境中，蛋白质以定的离子形式溶解于稀碱溶液 2 内，进而提取细胞中的蛋白质。采用1 以下的稀碱液可以破坏细胞的细胞壁和细胞膜 的磷脂双分子层【3 5 1 ，碱性蛋白如细胞色素c 和溶菌酶选在偏酸一侧，酸性蛋白如肌肉 甘油醛3 磷酸脱氢酶应选在偏碱一侧【3 6 1 。 1 2 1 2 酸溶液法提取 少数蛋白质的等电点大于7 ，因此不适合用碱液提取，适合用稀酸提取。用稀酸 提取的原理与稀碱的提取原理相似，都是利用蛋白质的两性性，将蛋白质在一定的p h 下进行溶解，进而获得蛋白提取液【37 | 。 1 2 1 3 盐溶液法提取 稀盐液和缓冲液对蛋白质稳定性好，因此也常作为某些特定蛋白质的溶剂。常用 等渗溶液，尤以0 0 2 - 0 0 5 m o l l 磷酸盐缓冲液或碳酸盐缓冲液、0 1 5 m o l l 氯化钠溶 液应用较多。如酵母脱氢酶以0 6 6 m o l l 磷酸氢二钠溶液提取，6 一磷酸葡萄糖脱氢酶 以0 1 m o l l 碳酸氢钠液提取，脱氧核糖核蛋白在低盐溶液中溶解度小，就要用l m o l l 以上的氯化钠液提取，而某些脂肪酶，用中性的水溶液提取比低盐溶液提取效果更好 3 8 ，3 9 】 o 1 2 1 4 水洗法提取 某些蛋白质分子量较很大，在水溶液中的溶解度比很小，温度和p h 值对其溶解 度的影响较小，通过水洗的方法获得蛋白质，如面筋蛋白的制备。 1 2 1 5 有机溶剂法提取 一些蛋白质和酶不溶于水、稀盐、稀酸或稀碱溶液，常用不同比例的有机溶剂( 乙 醇，丙酮，丁醇) 来提取。如用7 0 一8 0 乙醇提取麸蛋白，用6 0 一7 0 的酸性乙醇提取胰 岛素【4 0 越】，用丁醇提取某些附于微粒体和线粒体的酶，一些与脂质结合牢固的蛋白质 和酶用丁醇提取的效果较好。我国生化工作者曾用此法成功地提取了琥珀酸脱氢酶和 碱性磷酸脂酶。丁醇提取法对p h 及温度的选择范围较广( p h 3 一1 0 ) ，温度由零下2 。c 一4 0 均可f 4 3 】。 1 2 1 6 超声波辅助碱法提取 超声波辅助碱提法是一种新兴的蛋白质提取方法，超声波的主要作用是对细胞进 行物理破碎m 】，破坏细胞壁和细胞膜，增大物质分子的运动频率和速度，加速碱液的 扩散，加速蛋白质在碱液中的溶解速率，提高蛋白质的提取率。此外，超声波的其他 效应如热效应、化学效应、生物效应也同样可以加速蛋白质的溶解。超声波作为一种 物理能量形式，广泛应用于金属探伤、地下定位、环境保护、医学诊断和生物工程等 方面。目前超声波技术已经广泛应用于生物活性物质的提取。 目前，超声波辅助碱提法主要应用于植物性蛋白的提取，王振宇等1 4 5 】等利用超声 波辅助碱法提取黑木耳中的蛋白质，最佳提取工艺为：提取时间2 5 m i n ，料液比 1 ：5 0 ( g ：m l ) ，提取3 次。在此条件下蛋白质的提取得率为2 6 0 ，与传统工艺相比， 提取时间大大减少，提取得率显著提高。超声波辅助碱提法也应用于动物性蛋白的提 取，王全能等 4 6 】利用此法提取福寿螺中的蛋白质，整体上提高了提取率，缩短了提取 时间，降低了提取成本。超声波辅助碱法提取动物类蛋白质的报道不多。 1 2 1 6 酶解法提取 酶解法提取蛋白质是一项新兴的技术，酶解技术的作用原理是：在一定的温度和 一定的p h 条件下，具有一定活性的蛋白酶存在某些特异性的催化位点，这些位点可以 催化原料中蛋白质的肽键发生水解，促使高分子量的蛋白质断裂成低分子量的多肽， 从而降低蛋白质的溶解度，达到提取蛋白质的目的。现阶段一般将原料经过预处理、 酶解、浓缩、干燥等工序而制成的既含有氨基酸、肽合物、有机酸、糖类、核酸相关 物的天然营养成分的蛋白粉【4 7 1 。酶解法提取蛋白质提取条件温和，且提取的蛋白质安 全性和稳定性较好，广泛应用于各种动物、植物和微生物蛋白质的提取研究，但是酶 制剂稳定性不好，保藏过程中容易失活，且价格较高，增加了提取的成本【4 剐。 汤丹剑等 4 9 悃中性蛋白酶水解龙虾头，获得制备调味品的酶解条件为：a s l 3 9 8 中性蛋白酶，加酶量0 0 5 - 0 1 0 ，酶解温度为4 5 ，时间3 小时，加盐量4 ，酶解液 经) j n t 后制成调味品。梁郁强等【5 0 】用酶法水解虾头生产虾调味汁，最佳工艺条件是酶 用量1 4 ，水解时间2 0 小时，水解温度4 0 ，p h 6 8 ，虾头水解率可达3 3 6 ，水解 液具有浓郁的虾风味，可作为色、香、味俱佳和营养的天然保健调味珍品。 1 2 2 蛋白质的功能特性 蛋白质的功能特性是指在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白质在 食品食品性能体系中的那些蛋白质的物理性质和化学性质【5 1 1 。蛋白质的功能特 性主要包括溶解性、乳化性、持水性、起泡性、泡沫稳定性、吸油性和粘性等峥z 弱j 。 通过不同的提取方法获得的蛋白质由于蛋白分子空间结构的不同，使其功能特性体现 出很大的差异。 1 2 2 1 蛋白质的溶解性 蛋白质在水溶液或盐溶液中溶解的性能称为蛋白质的溶解性。具有良好的溶解性 的蛋白质一般都具有较好的功能特性，比如凝胶性、乳化性、发泡性和脂肪氧化酶活 性均较好，更适合应用于食品【”】。蛋白质的溶解性受到许多方面的因素的影响，其中 结构特性即分子的空间结构与蛋白质溶解度有密切关系。另外，分子链长短，分子表 面亲水基团和疏水基团的比例和分布，也对蛋白质的溶解度有影响。蛋白质的溶解度 在不同的p h 值下变化较大，尤其是在等电点附近溶解度非常小，经过稀酸稀碱提取后， 蛋白质的溶解性变化不明显【5 5 】；谭春兰等研究菜籽蛋白的溶解性发现【5 6 】，经过提取后， 蛋白质水溶性对溶液p h 值的依赖性降低，其溶解度则显著提高。同时，研究也表明， 提取后的蛋白的溶解度也大大提高，这就保证了提取后的蛋白可添加到强化钙的酸性 食品【5 7 - 5 9 1 。 1 2 2 2 蛋白质乳化性 乳化性是蛋白质的一种重要功能性质，它应包括乳化容量和乳化稳定性两种特 性。乳化稳定性是指乳化剂使乳状液在各种条件下保持乳化状态稳定的能力。不同的 提取方法会导致蛋白质在提取的过程中发生变化，多数情况可能是在酸、碱或者酶的 4 作用下发生水解嘲j 。而蛋白的乳化性能随水解度的增大而增大，后随水解度的增大而 降低。其原因可解释为：在发生水解前，蛋白分子聚集在油滴表面，降低了油水界面 的表面张力，并形成一保护层，又通过静电斥力阻止了油滴间聚合，因而起到一定乳 化作用，随着提取的进行，水解作用使巨大的分子断裂成许多肽段，疏水基被暴露， 使大量肽分子进入油水界面，进一步降低了界面张力，它们疏水基向里亲水基向外包 裹在油表面，起到了保护作用，同时由于一c o o 一所带的电荷，通过静电排斥作用阻 止了油滴间聚合，提高了乳化能力。随着水解度的增大，包裹在油滴表面的肚段越来 越小，伎油滴表面的保护层越来越薄，最终导致了乳化性的降低，也导致了乳化稳定 性的降低 6 1 - 6 3 】。 1 2 2 3 蛋白质的起泡性及泡沫稳定性 蛋白质分子包含有疏水基团和亲水基团，因而具有表面活性，能降低水的表面张 力，在剧烈搅拌时可形成泡沫，这就使蛋白质具有起泡特性。影响泡沫形成和稳定性 的因素有：溶解度、p h 值、温度、离子强度、表面活性剂、搅拌时间与强度、蛋白质 浓度和变性程度。提取的蛋白质的过程中，由于蛋白质水解作用的存在，可以提高蛋 白质溶液的起泡能力，这是因为随着提取的进行，许多疏水基被暴露出来，导致了溶 液疏水性增强，表面张力减弱，发泡力增强。从分子角度讲，形成液泡需要蛋白质分 子的肽链展开，在液面上通过各种相互作用形成一种坚韧的液膜，而蛋白质的水解正 好起到这一作用，并且通过提高溶解度，使更多的肽分子参与进液膜的形成，从而提 高了发泡力。但是随着提取的进行，肽链越来越短，使液膜越来越弱，即泡沫稳定性 越来越小，最终导致了发泡能力的减弱。另外。提取刚开始时，蛋白质黏度减小，有 利于泡沫的形成，但当黏度太小时，液膜非常脆弱，无法裹住起泡，泡沫稳定性变得 非常差，而不利于泡沫的形成。从电荷上讲，随着水解的进行，蛋白质分子的电荷增 加，由于静电作用阻止蛋白质分子在气液表面的吸附作用加强，从而降低了发泡稳定 性。此外，蛋白质的起泡性及泡沫稳定性还受到热处理、搅拌时间和强度等因素的影 d 晦 6 4 - 6 6 。 1 2 2 4 蛋白质的粘性 蛋白质的粘性是指液体流动时表现出来的内摩擦，又称流动性。蛋白质溶液的粘 度受蛋白质的分子量、摩擦系数、温度、p h 值、离子强度、处理条件等因素的影响， 这些因素可改变蛋白质分子的形成结构、缔合状态、水合度、膨润度及黏度。蛋白质 中的多个亚基通过二硫键等结合方式形成了一个牢固的网络结构，溶于水后这种结构 有利于蛋白质的膨胀，并使溶液黏度增加。经过提取操作后，这种致密的网络结构被 切开，膨胀性减小，分子长度减少，从而降低了黏度。蛋白产生的多肽，其黏度随浓 度增高时变化不大，不因p h 值变化而急剧变化，这一特性适合于高蛋白液体食品的使 用，即使添加量达至i j 3 0 以上也不腻口 6 7 , 6 8 】。 研究如何保持和改善蛋白的性能，选择蛋白质含量高、且全球产量大的原料开展 研究工作，意义十分明显【6 9 1 。本文选择龙虾加工废弃物作为原料、提取其中蛋白质， 并对其蛋白质的功能特性进行研究，意义重大。 1 2 3 蛋白质食品的开发 蛋白质食品是指富含蛋白质的、符合食品感官品质的、具有一定食用功能的食品 7 0 】。现有的蛋白质食品的来源主要有：畜禽类蛋白食品、植物类蛋白食品、微生物类 蛋白食品和水产类蛋白食品等等。 1 2 3 1 畜禽类蛋白食品的开发 目前，畜禽类蛋白食品的开发来源主要包括畜禽的骨、血液、内脏、皮毛、蹄等。 畜禽副产品可开发利用的种类较多，具有极大的利用价值。畜禽的骨占动物体重的 2 0 - - 3 0 ，它含有丰富的蛋白质、脂肪、无机盐等。如猪骨中含蛋白质3 2 4 【70 1 。畜禽 动物骨可制成骨脂、骨胶、明胶、骨泥、骨汤浓缩品、骨糊肉、骨松、磷酸氢钙片、 维丁钙片、骨宁注射液及多种氨基酸等产品。畜禽的血液中含有2 0 左右的蛋白质， 且是优质蛋白质。畜禽的血液在日本被加工生产成血香肠、血饼干、血罐头等休闲保 健食品：法国贝, w j n 用动物血液制成新的食品微量元素添加剂【_ 7 1 1 。近年来我国相继开发 出血红素、营养补剂、超氧化品歧化酶、营养强化剂和肉品发色剂等高附加值的产品 7 2 】。畜禽的内脏包括心、肝、胰、脾、胆、胃、肠等，它们可以直接烹调食用，也可 以加工成各种营养丰富的特色食品。畜禽的皮中含9 0 以上的胶原蛋白，是世界上资源 量最大的可再生资源，可利用其生产胶原蛋白。 1 2 3 2 植物类蛋白食品的开发 目前，植物类蛋白食品的开发来源主要包括植物的果实、种子、花及花粉、茎和 叶等，开发的来源也十分广泛。植物茎叶富含蛋白质、糖类、维生素、矿物质和生理 活性物质。植物茎叶种类繁多，如树叶、水生植物、经济作物、豆科作物、蔬菜废弃 物，甚至蚕沙等，可利用的植物种类和数量十分庞大，资源非常丰富，是目前广泛开发 和利用的自然资源之【7 3 】。常见的如芦荟、竹笋、蕨菜、茶叶、银杏叶、杜仲叶、 金花茶【7 4 1 、狭叶荨麻【7 5 】、鹿耳型7 翻、马齿苋、蒲公英、绞股蓝等，都有食用和保健 作用。如中华猕猴桃、沙棘、刺梨、黄刺玫、沙枣、黑加仑子、越橘、山杏、橡子、 榛子、余甘子【7 7 ，7 8 1 、山梨等。许多植物的花富含蛋白质、糖类、脂肪酸、维生素、 矿物质。目前开发利用的有鸡冠花 7 9 1 、核桃花 8 0 】、鸡蛋花【8 l 】、金银花、茉莉花等。 植物块根、块茎中通常含有大量淀粉、维生素、矿物质，可制成各种普通食品、保健 食品和食品添加剂等，在医药和食品工业中有着广泛的应用前景。 1 2 3 3 微生物类蛋白食品的开发 微生物类蛋白食品包括单细胞蛋白和食用菌等，具有十分广泛的来源。细菌、酵 母之类的微生物通过培养可制成含蛋白质高达7 0 以上的单细胞蛋白( s c p ) 。单细胞 蛋白的氨基酸种类齐全、生物效价高，含有丰富的维生素。单细胞蛋白的生长繁殖速 度快，且不受地区、气候条件影响，可以利用多种资源特别是非食用和废弃资源如石油 化工产品、工业废水等再生资源作为培养基。食用菌指可供人类食用的大型真菌。全 世界估计有1 0 万种真菌，但目前人工栽培的还不过3 0 多种，广泛栽培的也只有l o 多种。 6 食用菌的营养价值极高，干品含蛋白质1 3 一3 5 、矿物质、维生素及多种生理活性物质。 食用菌生产设备、条件简单，农林工业的废料，如干草、秸秆、果壳、木屑、废糟渣等 均可作培养基原料。 1 2 3 4 水产类蛋白食品的开发 水产类蛋白食品大致可以分为海洋类和淡水类蛋白食品，是来源最广泛的蛋白类 食品，对水产类蛋白食品的开发研究具有极其重大的意义。海洋生物具有多种营养成 分及保健功能。科学家预言，人类将来蛋白质的来源，8 0 以上有赖于海洋资源，而目 前每年全球海产品的开发量仅l 亿多吨，海洋捕捞仅60 0 0 多万吨，不及世界海域可捕捞 范围的i 1 0 ，可见海洋资源开发的潜力还相当广阔。海洋动物是指鱼类、虾类、蟹类、 贝类、蛇类、蛙类和兽类，其中鱼类是最重要的海洋食品资源。海洋鱼类可制成食用 鲜鱼浆，再被精制加工成风昧独特的鱼丸等水产方便食品和海鲜即食方便食品。还可 将鱼的内脏、水产品加工剩下的鳞等下脚料进行特殊加工，制成各种保健食品或保健 水产品。鱼类及其下脚料，如大麻哈鱼、小龙虾、鳗鱼下脚料等。“大日本制药 公 司1 9 9 5 年上市的“海鲜鲑昧”调味料，是以大麻哈鱼为原料，经酶分解制成的肽类调 味料，色泽很浅，无鱼臭，低聚肽存在7 0 以上，营养非常丰富。另外，该公司还将 开发肉类抽提物、水产抽提物的酶分解型产品 8 2 - 8 4 】。1 9 9 5 年b e a k 和c a d w a l l a d e r 曾用 1 0 种商品酶对龙虾加工过程中的副产物进行水解、制各香味自然的调味品。经鱼头中 富含蛋白质等营养成分，极具开发利用价值【8 5 趔7 1 。 1 2 3 5 休闲类蛋白食品一果冻 果冻亦称嗜喱，因外观晶莹，色泽鲜艳，口感软滑，清甜滋润而深受妇女儿童的 喜爱。果冻不但外观可爱，同时也是一种低热能高膳食纤维的健康食品瞵引。近年来， 市场出现一些各式各样的果冻，增加了牛奶、鸡蛋等 8 9 , 9 0 1 。据调查显示，我国不少城 市居民饮食中肉类、蛋白质摄入量远超过全国平均水平，接近发达国家水平，这种“高 蛋白、高脂肪 饮食结构易引致心脑血管病、肥胖症等，丽果冻中丰富的膳食纤维对 预防以上“现代文明病 有积极意义 9 1 】。不同花色品种的果冻富含钙、蛋白质、膳食 纤维、维生素a 、d 等，不同营养素对人体健康各有其特殊的生理作用【9 2 9 3 | 。 1 3 立题依据及研究内容 1 3 1 立题依据 一方面，随着淡水龙虾业飞速发展，各种龙虾的加工产品也不断扩大，会有大量 的龙虾2 r i m 废弃物被丢掉，这样既浪费宝贵资源，又对环境造成极大的污染，各国都 对水产品的加工废弃物的综合利用进行研究。另一方面，龙虾作为一种富含动物性蛋 白质的食品，受到了越来越多的人的亲睐，并且随着社会的不断进步和人们生活水平 的不断提高，人们对食品的要求也越来越高，食品除了要具有丰富的营养之外，还要 讲求色、香、味和天然性。龙虾除具有丰富的营养之外，还具有四十多种生香成份， 因此亦是一种天然的、具有保健作用的珍品。 利用龙虾加工废弃物提取龙虾蛋白，不仅能充分利用资源、减少环境污染，还能 用来开发新型食品，创造出巨大的经济效益，带动整个产业向前发展，延伸龙虾产业 链，实现龙虾经济的可持续发展。论文选题源于安徽省合肥市重点科研项目“利用龙 虾废弃物为原料的系列调味品开发与产业化”，以龙虾加工废弃物为对象，以龙虾蛋 白的提取及蛋白功能特性为研究目的，为解决龙虾加工后的废弃物的综合利用提供出 路和切实可行的方法，同时能够做到变废为宝，对增加龙虾加工废弃物的附加值具有 积极的意义，可以产生良好的经济效益和社会效益。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 研究超声波辅助碱法提取蛋白质影响因素，以蛋白质提取率作为评价指标， 分别做单因素试验及正交试验，进一步确定最佳超声波辅助碱法提取工艺。 ( 2 ) 研究酶法提取蛋白质的影响因素，以蛋白质提取率为评价指标，选出最优酶， 对此酶进行单因素试验及正交试验，进一步确定最佳酶法提取工艺。 ( 3 ) 研究两种方法制取的龙虾蛋白功能特性的异同。首先测定龙虾蛋白的理化 性质；其次，采用不同方法对龙虾蛋白进行功能性测定和比较：在各个p h 值下测定 和比较两种龙虾蛋白的溶解性、持水性、乳化性、起泡性和泡沫稳定性，在各个温度 下测定和比较两种龙虾蛋白的吸油性。 ( 4 ) 研究龙虾营养果冻的配方，在单因素实验的基础上进行正交实验，通过对 产品的感官评定和正交实验结果分析，得出最佳龙虾营养果冻的配方。 8 第二章龙虾加工废弃物超声波辅助碱法提取蛋白的工艺研究 2 1 材料与仪器 2 1 1 材料与试剂 实验原料：龙虾加工废弃物 主要试剂： 甲基红( 分析纯) 溴甲酚绿( 分析纯) 硼酸( 分析纯) 氢氧化钠( 分析纯) 硫酸( 分析纯) 磷酸( 分析纯) 盐酸( 分析纯) 硫酸钾( 分析纯) 硫酸铜( 分析纯) 碳酸钠( 分析纯) 考马斯亮蓝g - 2 5 0 ( 分析纯) 牛血清蛋白( 分析纯) 2 1 2 仪器与设备 7 2 1 型分光光度计 j l - 1 8 超声波清洗机 j y 6 0 1 电子天平 x t l 型酸度计 j j l 增力电动搅拌器 d g z 2 0 4 - 1 型真空干燥箱 s h z - d ( ) 型真空旋转蒸发仪 t d l - 4 0 b 型高速离心分离机 j y l - 3 5 0 粉碎机 d h g 一9 0 7 0 a 型电热恒温鼓风干燥箱 安徽省合肥市宁国路菜场 天津光复精细化工研究所 上海三爱思试剂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 贵州化学试剂有限公司 津博迪化工厂有限公司 上海精化科技研究所 天津市博迪化工有限公司 国药集团化学试剂有限公司 上海蓝季科技发展有限公司 上海分析仪器厂 上海杰里科技有限公司 上海民桥精密科学仪器有限公司 美国贝克曼仪器公司 江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂 南京实验仪器厂 巩义英峪予华仪器厂 上海安亭科学仪器厂 山东九阳小家电有限公司 上海跃进医疗仪器厂 2 2 试验方法 2 2 1 工艺流程 无水乙醇氢氧化钠溶液 ii 龙虾2 a - r _ 废弃物一烘干一粉碎一脱脂一超声波辅助碱提一蛋白液 9 2 2 2 试验方法设计 采用已广泛用于植物性蛋白和动物性蛋白提取的超声波辅助碱提法。以蛋白质提 取率为评价指标，首先对碱液浓度、提取温度、提取时间、超声波处理时间、液料比 5 个因素进行单因素试验，在单因素试验的基础上再进行正交试验，以获取最佳提取 蛋白质工艺参数。 单因素试验中，碱液浓度5 水平：0 6 、0 8 、1 0 、l - 2 、1 4 ；提取温度5 水 平：5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 ；提取时间5 水平：4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 m i n ；超声波 处理时间5 水平：0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 m i n ；液料比( m l ：g ) 4 水平：3 ：l ，5 ：l ，7 ：l ， 9 ：1 。初始实验条件为：取5 o g 干燥后的龙虾加工废弃物粉末，提取温度8 0 。c 、提取 时间9 0 m i n 、超声波处理时间5m i n 、液料比5 ：l ，每单因素实验得到的最佳条件相继 带入下因