（水产品加工及贮藏工程专业论文）罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究.pdf

福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 摘要 罗非鱼是近年来国内养殖的主要经济鱼种，2 0 0 4 年我国罗非鱼产量8 9 9 万 吨，其加工也得到了较快的发展，2 0 0 5 年，我国罗非鱼出口达1 0 7 万吨，其下 脚料鱼皮、鱼鳞据测算高达2 万吨左右。这些鱼皮和鱼鳞中含有丰富的胶原蛋 白，是制取优质明胶的一种不可多得的价廉原料。 明胶是胶原蛋白经过适度降解变性而得到的产物，其主要提取工序包括前 处理、漂白及熬胶。本研究以罗非鱼鱼皮和鱼鳞为原料，通过预实验，分别以 目前明胶常用的5 种前处理方法( 碱法，酸法，酸盐法，盐碱法，酶法) 进行 正交试验，通过测定鱼皮、鱼鳞的明胶得率、粘度及凝胶强度，采用正交试验 的直观分析和综合平衡法，分别得出鱼皮、鱼鳞这5 种前处理方法的优化工 艺。然后再通过对5 种前处理方法的提胶优化工艺进行比较，分别得出鱼皮、 鱼鳞最佳的前处理方法。接着，通过对鱼皮进行氧化还原漂白正交试验，得出 鱼皮漂白的优化工艺。最后通过对鱼皮、鱼鳞提胶p h 的单因素试验、温度和 时间组合优化试验，分别得出鱼皮、鱼鳞最佳的熬胶工艺。最终得出鱼皮、鱼 鳞最佳的提取工艺如下： 罗非鱼鱼皮提取明胶的最佳提取工艺：前处理采用酶法，用0 2 的混合酶 溶液，盐酸调p h 值至3 5 ，于4 0 水浴中酶解鱼皮1 h ；漂白工艺采用高锰酸 钾一草酸组合的氧化还原漂白方法，先用6 高锰酸钾溶液进行氧化漂白3 h ， 然后再用1 5 草酸溶液进行还原漂白4 5 r a i n ，之后用清水清洗至p h 5 6 左右； 熬胶的初始p h 值为5 6 ，熬胶分3 次进行，即6 0 、6 5 、7 0 各加热2 h ，过 滤后将3 次胶液合并，浓缩干燥。在此条件下所得明胶得率可达2 2 2 5 ，勃式 粘度为5 1 7m p a s ；凝胶强度为2 7 1b l o o mg ，透明度为1 0 0 r a m 。 罗非鱼鱼鳞提取明胶的最佳提取工艺：前处理采用酶法，用o 2 的混合酶 溶液，盐酸调p h 至3 5 ，于3 5 水浴中酶解鱼鳞1 h ；然后用2 盐酸浸渍约4 h ， 之后用清水清洗至p h 5 6 左右；熬胶的初始p h 值为5 - 6 ，分3 次进行，即6 5 加热3 h ，7 0 、7 5 各加热3 5 h ，过滤后将3 次胶液合并，浓缩干燥。在此条 件下所得明胶得率可达1 3 2 3 ，勃式粘度为8 0 7m p a s 凝胶强度为 3 2 4 5 b l o o mg ，透明度为3 4 5 m m 。 本实验还分别测定了鱼皮胶和鱼鳞胶的理化性质，所测项目均达到国家食 用明胶标准g b6 7 8 3 9 4 。 关键词：鱼皮，鱼鳞，提取，明胶，正交试验 s t u d y o ht h ee x t r a c t i n gc r a f to fg e l a t i nf r o mt i l a p i af i s h s k i na n d f i s hs c a l e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h et i l a p i ai st h em a i ne c o n o m i cf i s hs p e c i e sw h i c hi sc u l t u r e di n c h i n a i n2 0 0 4 ，o u rc o u n t r y , st i l a p i ay i e l d sr e a c h e d8 9 9 ，0 0 0t o n s ，a n di t sp r o c e s sh a s d e v e l o p e dq u i c k l y t h ee x p o r to fo u rc o u n t r y , st i l a p i ar e a c h e d10 7 ，0 0 0t o n si n2 0 0 5 a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o n ，t h ef i s h s k i na n df i s hs c a l er e a c h e da b o u t2 0 ，0 0 0t o n s w h i c ha r ef r o mt h eo f f a l so ft i l a p i a , sp r o c e s s b e c a u s et h e s ef i s h s k i na n df i s hs c a l e c o n t a i na b u n d a n tc o l l a g e n ，t h e ya r eak i n do fl o w p r i c ea n dv a l u a b l em a t e r i a lw h i c h c a nb eu s e dt op r o d u c eh i g h - q u a l i t yg e l a t i n g e l a t i ni st h ep r o d u c t i o no fc o l l a g e nb ym o d e r a t ed e g r a d a t i o na n dd e n a t u r a l i z a t i o n t h em a jo r e x t r a c t i n gc r a f ti n c l u d e sp r e c e d i n gp r o c e s s ，b l e a c h i n ga n de x t r a c t i n gt h eg e l a t i nw i t hw a t e r - b a t h t h i sr e s e a r c hs t u d yu s e dt h ef i s h s k i na n df i s hs c a l eo ft i l a p i aa st h er a wm a t e r i a l a f t e rp r e p a r i n ge x p e r i m e n t ，r e s p e c t i v e l yp e r f o r m e do r t h o g o n a lt e s tw i t ha l k a l i n e ，a c i d ，a c i da n ds a l i n e ，s a l i n ea n da l k a l i n e ，e n z y m e b yd i r e c t v i e w i n ga n a l y s i s i n ga n do v e r a l lb a l a n c i n gw i t ho r t h o g o n a lt e s t ，t h eg a i nr a t e ，v i s c o s i t ya n dt h eb l o o mv a l u eo fg e l a t i nw e r em e n s u r a t e dt o r e s p e c t i v e l yo b t a i nf i v eo p t i m a lp r e c e d i n gp r o c e s so ff i s h s k i na n df i s hs c a l e f i v ek i n do fp r e c e d i n gp r o c e s so ff i s h s k i na n df i s hs c a l eu n d e rt h e s i n g l eo p t i m u mc o n d i t i o nw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt oo b t m nt h er e s p e c t i v eo p t i m a lc r a f t t h e n t h eo p t i m a lc r a f to ff i s h s k i nb l e a c h i n gw a so b t a i n e dt h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t f i n a l l y , t h ep hs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，t e m p e r a t u r ea n dt i m ec o m b i n a t i v eo p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n tw e r ep e r f o r m e dt oo b t a i nt h eo p t i m a lc r a f to fe x t r a c t i n g g e l a t i nf r o mf i s h s k i na n df i s hs c a l e t h er e s u l t sa r ea sf 0 1 1 0 w s t h eb e s te x t r a c t i n gc r a f tw i t ht i l a p i af i s h s k i ni sa sf o l l o w i n g ：p r e c e d i n gp r o c e s s f o rf i s h s k i n a d o p t se n z y m e ，c o n c e n t r a t i o no 2 c o m p o u n de n z y m es o l u t i o n ，t h e o r i g i n a lp hv a l u ei s3 5 ，r e a c t i v et e m p e r a t u r e4 0 。ca n dt i m el h t h eb l e a c h i n gc r a f t u s e sp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e o x a l i ca c i dc o m b i n a t i o n m e t h o d ，b yo x i d a t i o nb l e a c h i n g c a r r y i n go n3 hw i t h6 p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t es o l u t i o na n dl a t e rd e o x i d i z a t i o n b l e a c h i n gc a r r y i n go n4 5m i n u t e sw i t h1 5 o x a l i ca c i ds o l u t i o n ，a f t e r w a r dc l e a n f i s h s k i nt op h 5 - 6o rs o t h eo r i g i n a lp hv a l u eo fe x t r a c t i n gg e l a t i ni sa b o u t5 - 6 t h ee x t r a c t i n g 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 g e l a t i ni s d i v i d e d3t i m e st oc a r r yo n 。t h et e m p e r a t u r e6 0 一6 5 一7 0 ，e v e r yh e a t i n gt i m e 2 h ，f i l t r a t e ，u n i t ep e r c o l a t e ，c o n c e n t r a t ea n dd r y h at h eo p t i m a lc o n d i t i o nt h eg e l a t i ng a i nr a t ec o u l d r e a c h2 2 2 5 。v i s c o s i t yc o u l dr e a c h5 1 7m p a s ，t h eb l o o mv a l u ec o u l dr e a c h2 7 1b l o o mga n d d i a p h a n e i t yc o u l dr e a c h10 0 m m t h eb e s te x t r a c t i n gc r a f tw i t ht i l a p i af i s hs c a l ei sa sf o l l o w i n g ：p r e c e d i n gp r o c e s sf o rf i s h s c a l ea d o p t se n z y m e c o n c e n t r a t i o no 2 c o m p o u n de n z y m es o l u t i o n ，t h eo r i g i n a lp hv a l u ei s 3 5 ，r e a c t i v et e m p e r a t u r e3 5 a n dt i m elh c l e a nf i s hs c a l et op h 5 - 6o rs oa f t e rs o a k a g i n g4 hw i t h 2 h y d r o c h l o r i ca c i d t h ee x t r a c t i n gg e l a t i ni sd i v i d e d3t i m e st oc a r r yo n ，h e a t3 ha t6 5 c ，h e a t 3 5 ha t7 0 a n dh e a t3 5 ha t7 5 ，f i l t r a t e ，u n i t ep e r c o l a t e ，c o n c e n t r a t ea n dd r y h at h eo p t i m a l c o n d i t i o nt h eg e l a t i ng a i nr a t ec o u l dr e a c h1 3 2 3 ，v i s c o s i t yc o u l dr e a c h8 0 7 m p a s ，t h eb l o o m v a l u ec o u l dr e a c h3 2 4 5 b l o o mga n dd i a p h a n e i t yc o u l dr e a c h3 4 5 m m i na d d i t i o nt h i ss t u d ym e n s u r a t e dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fg e l a t i nf r o m f i s h s k i na n df i s hs c a l e t h ei t e m sa l lr e a c h e dt h es t a n d a r df o rc h i n e s ee d i b l eg e l a t i ng b6 7 8 3 - 9 4 k e yw o r d s ：f i s h s k i n ；f i s hs c a l e ；e x t r a c t ；g e l a t i n ； o r t h o g o n a lt e s t 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立 完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中 已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一 同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被 查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：名- 鲤乏二 日期：h 雷：。古f 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：雠王， 日期：认刀f 【7 石7 指导教师亲笔签名： 砸丽溉 日期：珧必、j 7 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 第一章文献综述 1 简介 1 1 罗非鱼的养殖及加工现状 罗非鱼又称非洲鲫鱼，为内陆热带鱼类，分类上隶属鲈形目 ( o r e o c h r o m i s ) ，鲡鱼科( p e r c i f o r m e s ) ，罗非鱼属( t i l a p i a ) 。其自然分布遍及 非洲内陆及中东大西洋沿岸淡咸水地区，向北分布至以色列及约旦等地。罗非 鱼约有7 0 0 多个品种，已被养殖的约有1 5 种，目前我国养殖的罗非鱼主要有莫桑 比克罗非鱼、尼罗罗非鱼、奥利亚罗非鱼、福寿鱼、红罗非鱼、奥尼罗非鱼、 吉富罗非鱼等【1 ，2 ，3 1 。 1 1 1 罗非鱼的养殖 罗非鱼普遍具有食性杂、生长快、耐低氧、广盐性、抗病力与抗逆性强、肉 质好、繁殖力强、易养殖、群体产量高等一系列优点，适合在淡水或咸淡水的池 塘、网箱、水槽、流水池、循环池系统等各种水体中生长，也可海水养殖，为繁 殖最快的世界性鱼类之一【2 4 】。有“白色三文鱼”、“2 1 世纪的鱼”之称，f a o 在 1 9 7 6 年向世界推荐其为“最有希望的养殖鱼类”【3 1 。目前全世界有8 0 多个国家和地 区养殖，主要有中国、台湾、哥斯达黎加、印尼、厄瓜多尔、洪都拉斯、越南、 泰国、马来西亚、菲律宾、以色列等国。 目前，罗非鱼不仅已成为世界养殖最广泛的鱼种之一，而且成为继三文鱼 和对虾之后拥有国际性市场的养殖水产品，罗非鱼是联合国粮农组织推荐养殖 的优良品种。其世界年产量从上世纪8 0 年代初的1 2 万吨急增至2 0 0 2 年的1 4 0 万吨 左右，同期我国年产量从约1 万吨增至7 5 万吨左右，占世界总产量的5 3 6 【3 】。 2 0 0 3 年全球罗非鱼养殖的产量达1 5 0 万吨，产值可达2 0 亿美元，加上天然捕捞 的，全球的罗非鱼产量可达2 0 0 万吨【5j 。 中国大陆的罗非鱼养殖起始于上世纪5 0 年代，8 0 年代开始进行大规模养 殖，养殖区域主要集中在广东、广西、福建、海南和山东。我国的罗非鱼产量 已多年居世界第一，是我国最具国际竞争力的品种。2 0 0 3 年，我国罗非鱼产量 达8 0 6 万吨，占世界产量近一半的份额，产值达4 0 亿元【6 1 。2 0 0 4 年中国罗非鱼 产量8 9 9 万吨，已经排名在鲢鱼、草鱼、鲤鱼、鲫鱼之后，成为养殖淡水鱼中 的第五大品种，比更大众化的武昌鱼( 5 1 6 9 万吨) 高出7 3 【7 1 。 1 1 2 罗非鱼的消费 随着世界鳕鱼等资源的锐减，捕捞量大幅下降，造成全球鳕鱼等产品价格 上升。原来以消费鳕鱼为主导的群体，如欧美、日本、韩国等发达国家，为此 积极地寻找白肉鱼的替代品。由于罗非鱼肉白色、刺少、易切片，无鱼腥味、 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 味道纯美等优点，越来越为高值鱼类消费群体所青睐，被赞为可替代优质白肉 鱼类的“2 1 世纪的鱼”。罗非鱼产品越来越被市场看好，全世界罗非鱼消费量逐 年增加，罗非鱼国际消费市场正在迅速崛起p 垲j 。在我国大陆，罗非鱼在丰富我 国人民菜篮子上的作用早已为人们所了解，罗非鱼已成为广大消费者日常消费 的主要鲜活水产品之一。 世界罗非鱼主要进口国为美国、澳大利亚，而欧盟、中东、日本、韩国， 港澳也有一定的需求。美国现为全世界最大的罗非鱼消费国，是传统的消费市 场，增幅惊人，而美国自身生产能力有限，需要大量进口罗非鱼，年进口量占 总消费量的9 0 左右【5 】。中国大陆罗非鱼的出口主要市场是美国、欧洲、日本和 中东，其中以对美国出口量最大，增长速度最快【3 一】。中国出口的罗非鱼7 5 进 入美国市场【7 j 。 1 1 3 国内外罗非鱼的加工及进出口情况 中国大陆与世界主要渔业国家相比，因丰富的淡水和海水养殖资源及低廉 的劳动力资源而具有较强的竞争力，中国大陆发展罗非鱼产业最大的优势也在 于成本较低。除了鲜食外，我国罗非鱼的a n - r - 近年来也得到了较快的发展，罗 非鱼产品出口迅速增长。2 0 0 3 年，美国从中国进口的冷冻罗非鱼片的数量占进 口冷冻鱼片总量的6 8 ，价格远远低于其他国家的价格【6 】。2 0 0 4 年，中国罗非鱼 出口8 5 万吨，比上年增长4 1 7 ，出口数量排在对虾、墨鱼和鱿鱼之后，名列 第三；出口额1 6 亿美元，排名第四。2 0 0 5 年，中国罗非鱼出口1 0 7 万吨，比 2 0 0 4 年增长2 5 9 ，比2 0 0 3 年增长7 8 3 。2 0 0 5 年1 7 月中国出口到美国的整 条罗非鱼1 3 8 万吨，占美国市场份额的4 7 2 ，罗非鱼片2 0 9 万吨，占 7 4 6 ，几乎成为垄断1 7 。 目前保鲜罗非鱼片和冻罗非鱼片为市场的主要畅销品，而冻整条罗非鱼的 价格最低。目前中国大陆出口的产品以冻整条罗非鱼为主，而冻整条罗非鱼在 整个产品链的最低端，处于产品链最高端的是保鲜罗非鱼片，美国的新鲜罗非 鱼片主要是从厄瓜多尔、哥斯达黎加和洪都拉斯三国进口( 2 0 0 3 年) 。由于距离 美国较远，中国大陆加工的保鲜罗非鱼片相对于中美洲国家运输成本较高， 因 此目前出口产品以冻罗非鱼片为主要加工方向，而且近年来美国市场对冻罗非 鱼片的需求增加幅度最大【6 1 。 美国市场罗非鱼进口量占其全球罗非鱼贸易的9 0 以上，美国市场罗非鱼 加工产品主要是全鱼( 包括鲜活、保鲜、冷冻三种产品) 和鱼片( 包括保鲜和冷冻 产品) 。中国大陆出口到美国市场的罗非鱼产品以冻整条罗非鱼和冻罗非鱼片为 主，欧洲罗非鱼市场的消费类型主要有三种形式：即生鲜冷藏切片、低温切片 2 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 与冷冻切片。在欧洲市场中，法国人接受各种类型的罗非鱼切片，德国、荷 兰、比利时、意大利和西班牙等国则接受生鲜冷藏的罗非鱼切片。此外，日 本、韩国罗非鱼产品市场也在迅速扩大，近几年，日本消费者喜欢用红罗非鱼 替代真鲷和笛鲷来烹制日本传统清汤和烤鱼片p j ，高品质的罗非鱼还用来制作 日本生鱼片。随着罗非鱼日益被全球消费市场所接受，加上它的价格竞争优 势，罗非鱼的身价己由原来低值的“穷人的鱼”，提升为国际市场畅销的“白肉三 文鱼”。 由于中国大陆廉价的人工成本及广阔的可用于罗非鱼生产的地域优势，目 前中国大陆已成为美国罗非鱼市场的主要出口商，占据美国市场的半壁江山。 中国( 大陆及台湾) 是销往美国市场的单冻罗非鱼的最大出口国。事实上，两岸几 乎占据了美国市场上单冻罗非鱼产品的所有进口量。2 0 0 3 年，中国大陆占据美 国单冻罗非鱼的所有供应量的5 2 9 j 。 1 2 罗非鱼加工产品下脚料的利用 目前罗非鱼产品主要是冻鱼片和冻全鱼，中国大陆出口的罗非鱼产品多处 于产品价值链的低端，初加工的冻整条罗非鱼所占的比例较高。一方面这些产 品的加工水平较低，品种单一，附加值不高；另一方面在生产过程中产生了大 量的下脚料。加工罗非鱼片出肉率一般为3 2 3 5 ，在加工过程中产生的大量 的下脚料( 如鱼鳞、鱼皮、鱼头、带肉鱼骨等) ，其重量约占原料鱼的4 0 5 5 1 6 , 7 , 1 0 , 1 1 】。这些下脚料并未充分利用，多用于当饲料或肥料，如果不进行有效 处理，不仅会浪费大量的资源，而且对环境造成污染。为此，对其下脚料进行高效 综合利用，可提高罗非鱼加工的附加值，获得良好的经济和社会效益。 目前对下脚料中鱼碎肉、鱼骨、内脏的加工已有报道，例如( 1 ) 可利用鱼 碎肉加工模拟蟹肉、鱼松、鱼丸、烤鱼片、调味油炸鱼饼和鱼罐头等产品； ( 2 ) 罗非鱼内脏占整鱼的8 5 8 ，其中的脂肪含量约占2 0 左右，特别是脂肪 中的不饱和脂肪酸含量比一般陆生动物高，且必需脂肪酸含量较丰富。因此， 以罗非鱼内脏为原料，可以生产出具有较高营养保健价值的鱼油产品；( 3 ) 罗 非鱼鱼骨是一种良好的钙源，其中的钙含量达到2 4 3 1 。有人研究了以冷冻罗 非鱼片加工下脚料鱼排为原料，制备活性钙的工艺，所得的活性钙产品为白色 粉末、无异昧，纯度为6 8 1 0 。 罗非鱼下脚料含有的粗蛋白含量为1 3 5 2 ，营养成分比较高、风味突出， 而且原料丰富、价格低廉，是一种不可多得的优质蛋白质资源【1 2 1 。其中鱼皮和 鱼鳞中含有较高的粗蛋白，说明其胶原蛋白的含量较高。鱼鳞是鱼皮真皮层的 变形物，营养学家近年来发现，鱼鳞含有丰富的蛋白质和多种矿物质，其中有 机物占4 1 5 5 ，磷酸钙占3 8 - 4 6 ，还含少量碳酸钙、磷酸镁、磷酸钠等无 3 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 机盐。鱼鳞中还含有丰富的卵磷脂，卵磷脂内含有较多的胆碱，对增强记忆 力、控制脑细胞的退化有明显的促进作用【l 引。海水鱼鳞中含有较为丰富的磷 脂，占7 左右，具有提高机体免疫力、延缓衰老、增强骨细胞和神经细胞功能 的作用，还与机体的生殖生理和激素的代谢密切相关【l4 1 。但是在生产过程中， 鱼皮和鱼鳞仅加工成低廉的饲料，或者直接视为垃圾处理掉。如果能对罗非鱼 鱼皮和鱼鳞加以利用，则既可解决环境污染问题，又可促进水产品加工废弃物， 的综合利用，并带来丰厚的经济效益。 2 明胶的结构及性质 胶原是动物组织器官中存在的一类蛋白质，在提取、分离时，随着方法和 条件不同，可以产生胶原、明胶和胶原蛋白三种产物。 明胶是胶原经过温和的降解作用转化生成的一种亲水性的凝胶物质，是天 然高分子化合物，与胶原一样由1 8 种氨基酸组成，但己失去了生物活性。胶原 变成明胶有三种可能性：三股螺旋体完全松开，成为三条互不联结的盘曲的 肽链，它们的组成和相对分子质量各不相同( 8 0 0 0 0 1 2 5 0 0 0 ) ；一条肽链完全 松开，而另外两条肽链之间的共价键全部断开，但仍由氢键联结，相对分子质 量1 6 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 ；三条肽链松开后仍有少量氢键联结在一起，相对分子质量 2 4 0 0 0 0 3 7 5 0 0 0 。 从胶原到明胶，除了相对分子质量的降低及分子量变宽以外，氨基酸成分 也有一些变化：胶原中的酰胺侧基逐渐被水解，导致明胶中酰氨基含量降 低，同时侧链羧基的数目增加，但酸法制明胶无此现象；胶原肽链中精氨酸 残基的胍基会逐渐转化成为氨基，使精氨酸残基转变成为鸟氨酸残基，但是这 个反应可能比酰氨基的水解缓慢。 明胶中除1 6 以下的水分和无机盐外，蛋白质的含量占8 2 以上，蛋白质中 含有1 8 种人体所需的氨基酸，有7 种为人体所必需，仅缺乏色氨酸。其中甘氨酸 约占1 3 ，脯氨酸与羟基脯氮酸约占1 3 ，其它占1 3 ，是一种无脂肪的高蛋白， 低热量，且不含胆固醇的高营养价值的理想蛋白源【1 5 , 1 6 j 。 明胶成品为无色或淡黄色、透明或半透明而坚硬的非晶体物质， 颜色越白 质量越好。明胶不溶于冷水，但可以缓慢吸水膨胀软化，明胶可吸收相当于重 量5 1 0 倍的水。明胶能溶于甘油、醋酸、水杨酸和苯二甲酸等有机酸，不溶于 乙醇和乙醚，在明胶的水溶液中加入乙醇，明胶呈白色沉淀析出。明胶呈细棒 或纤维结构，由重复的肽键c 叫h 一缠绕成的网状组织。具有瞒基酸和 蛋白质的一般物理与化学性质。温水是明胶最普遍的溶剂，明胶可溶于热水， 形成热可逆性凝胶，明胶溶液的温度在4 0 ( 熔点) 以上时其分子呈无规线团 4 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 构象。当温度降至凝固点( 约3 5 ) 以下时，明胶分子的某些链段复旋为左手 螺旋。相邻的三条左手螺旋链段间产生氢键交联，复性为类似胶原的右手超螺 旋结构，形成一个交联点。当一个交联点形成，其它交联点在其附近发展，由 此形成聚肽分子的三维网状体。由于这些交联点是由次级力( 主要是氢键) 维 持的，所以加热可使凝胶融化。明胶具有极其优良的物理性质( 如胶冻力、亲 和力、高度分散性、低粘度特性、分散稳定性、持水性、被覆性、韧性及可逆 性) ，因此明胶是一种重要的食品添加剂，如作为食品的胶冻剂、稳定剂、增稠 剂、发泡剂、乳化剂、分散剂、澄清剂等【”。1 引。 3 明胶制胶原理及制备工艺 3 1 制胶原理 在动物的皮、骨等结缔组织中含有丰富的生胶质，生胶质是由多种蛋白质 组成的，其中的胶原蛋白是制胶的主要成分，它不溶于水，也不溶于酸、碱和 盐的稀溶液。但是，在热水中于一定的p h 条件下，胶原发生一定程度的水解， 使原来的高聚物变成低分子量、能溶于热水的具有一定粘度的胶液，这就是制 胶的原理。因此，制作优质明胶和胶原蛋白的过程就是通过适当的处理方法来 破坏稳定胶原纤维分子间和分子内的共价交联和非共价键，释放出原胶原分 子，然后通过加热使稳定胶原螺旋的氢键也断裂从而释放出明胶。所以明胶生 产过程中的两个关键步骤就是原料的前期处理和提取的工艺条件。 3 2 明胶的生产方法 目前国内外生产明胶的方法主要有碱法、酸法、酶法、酸盐法和盐碱法。 3 2 1 碱法 目前国产明胶8 0 以上是用碱法生产的，世界各国也都普遍采用碱法生产 明胶【l9 1 。以石灰乳浸泡原料的碱处理过程称为“浸灰”。浸灰是碱法制胶极为重 要的一环，原料在碱的作用下，不仅能疏松原料的组织，而且能够溶解并除去 那些影响明胶质量的有机物，如可溶性蛋白、色素等。经过浸灰处理的原料胶 原纤维吸水膨胀、疏松、张开，内部结合力减弱，容易切断，有利于胶原蛋白 的溶出。 由于c a ( o h ) 2 在水中的溶解度主要受温度影响，相同的温度下，增加 c a ( o h ) 2 在水中的浓度不改变它的溶解度和溶液的p h 值，对明胶提取率和明 胶性质没有明显的影响。因此浸灰时间和浸灰温度对明胶提取率和明胶性质的 影响显著，而浓度对提取率及明胶性能影响不显著。温度越低，溶解度越大， p h 增大，引起胶原纤维共价交联的碱解越大，因而提取率较大。在热水提胶过 程中，小分子的杂蛋白也极易溶出，增加浸灰时间，原料中的杂蛋白基本不 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 变，但胶原蛋白会在碱液中进一步降解，纤维膨胀，明胶的表观提取率提高但 其品质变劣。因而控制适当的浸灰时间是制取高品质明胶的一个关键因素【2 0 1 。 浸灰对螺旋结构有一定的松散和解体，但这种松散和解体程度必须适中，过 度和不足都能影响胶原分子结构的分解， 的浸灰周期比较长，化学反应也比较慢， 从而影响明胶的产量和质量。而该阶段 并且还需要有大量的厂房及浸灰池等的 设备，因此寻求快速浸灰用来缩短浸灰周期很有必要。例如，加入促进剂( 如氢氧 化钠，烧碱) 可以缩短浸灰时间，减少废液排放量，降低生产成本【2 1 ，2 2 1 。 3 2 2 酸法 在现有明胶厂中，酸法工艺只占约1 0 ，但酸法制胶周期短，产率大，酸 法制得的明胶，其凝胶强度和粘度的比值高，平均链分子量为7 5 万，若能控 制好制胶条件，可广泛应用于明胶工业【2 3 1 。 通过酸浸使胶原水解而制取明胶的方法称为酸法。浸酸过程实际上是一个 扩散过程，浸酸用浓度不大于5 、p h 3 5 4 5 的稀淡无机酸溶液。可用的无机 酸有盐酸、亚硫酸、硫酸和磷酸，也常用其混合酸液。酸处理的温度为1 5 2 0 ，处理时间根据原料性质、温度、酸浓度等确定，直到原料充分酸化即达 到最大膨胀。浸酸结束后倒去酸液，将原料清洗至p h 4 以上，再进行提胶，酸 法制得的明胶，其凝胶强度和粘度的比值高，平均链分子量为7 5 万。 工业生产中严格控制浸酸的平稳期是工艺控制的关键。例如在用牲骨生产 骨明胶时，浸酸采用逆流法即新骨吃尾骨，这样有利于避免牲骨中的有机质遭 到破坏。牲骨在浸酸过程中，酸液一边向牲骨深层渗透，一边与矿物质发生化 学反应。若不采用逆流循环方式，则易造成因新酸与新骨反应过剧，使胶朊受 到破坏，骨素表面易毛烂。而旧酸则难于将骨素中残留的矿物质全部溶出，导 致骨素脱矿不完全的弊病。为了使骨粒中无机物杂质能得到彻底地消除，并避 免骨胶原在浸酸期间发生大量水解，广东省开平明胶工业公司生产中严格控制 浸酸浓度( 4 5 ) 、温度( 1 5 4 - 2 ) 和时间( 4 5 d ) ，并经实践证明，浸酸平稳期( 酸 浓度达到平稳不变的时间) 要控制在4 0 h 4 8 h 效果更佳。这不但保证把骨素中的 杂质彻底除去，还为缩短浸灰期，提高产品质量奠定了基础【2 4 乃j 。 3 2 3 酶处理 用酶处理使胶原溶解并经热变性而成为明胶的方法称为酶法。酶法制取明 胶周期短，污染也小，是明胶制取工业的一个发展方向。 用生物化学的方法来处理含胶原的原料是美国和日本工作者首先发展起来 的。国外较详细的研究酶法制胶始于1 9 6 2 年，以追求胶原在酶作用下易于溶解 且有较高的回收率为目标1 2 6 。n c h o m a r a t 等人比较了几种蛋白酶对皮胶原蛋白 6 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 的处理效果【27 1 ，a n n eg r o w l a n d s 等人研究了酶法处理动物骨料并制备照相明胶 的方法【2 距9 l 。而见于专利报道的主要有日本的西原富雄和t f u j i i ，美国专利和 匈牙s f j d u s c h a n c k 等人。他们研究的对象主要是牛皮，且所使用的酶大多是胃蛋 白酶、胰蛋白酶、无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶以及通常筛选菌种后培养的对胶 原蛋白具有高活力的酸性微生物蛋白酶等等【2 引。国内在1 9 6 6 年有了酶解制胶的 报道，早在1 9 9 0 年有了相关的专利p 0 1 。陈丽娟等人研究了胰蛋白酶对骨胶原的降 解情况1 3 。张锋等人研究了用中性蛋白酶和脂肪酶组成的复合酶处理皮料，然 后提胶、纯化并制得明胶【3 2 】。四川大学的刘白玲研究了用枯草杆菌a s l 3 9 8 中性 蛋白酶作用皮得到的明胶分子量要低于传统碱法得到的明胶，而用胰酶作用皮 得到的明胶虽然分子量大，但是得率却很低。 酶法制备明胶，可以分为三步。第一步是原料的预处理，并选择适当的脱 脂酶脱去脂类物质，使胶原物质与非胶原物质分离。第二步是用蛋白酶切除胶 原的末端肽，使之成为可溶性胶原。第三步是溶胶，即用热水破坏胶原肽链间 的氢键，提取明胶。接着用活性炭吸附胶液中的悬浮物和浑浊物，除去气味及 脱色，离心、浓缩、干燥，得到明胶。 酶法制取明胶工艺的关键是酶处理过程，酶的用量和作用时间是主要的工 艺参数。一般而言，工艺过程中用酶量减少则作用时间需要延长。此外，还取 决于原料的类型。酶解时间的选择，一方面要考虑充分利用酶的活性，另一方 面，要控制催化反应在生成蛋白冻前结束。加酶量的多少，不仅影响反应速 度，而且影响酶解效果。酶量少，反应速度慢；酶量大，可适当缩短酶解时 间，但由于酶对原料的表面作用加剧，造成胶原的局部溶解，酶解液变粘，酶 的渗透更加困难，因而效果并不见好。在保证得率和高质量的前提下应该尽可 能减少酶用量口6 1 。酶的种类对酶解的效果也有很大的影响，不同酶的酶解效果 也不同，例如与胰蛋白酶相比，胃蛋白酶的酶解反应温和，易于控制，但是产 率较低，因此要根据不同的原料种类来选择不同的酶类【3 3 1 。 酶解制胶无论在工艺上和设备上均属一种新的制胶方法。它与现行各种制 胶工艺相比有着截然不同的特点和优点，如生产周期数倍缩短、产品质量稳 定、全部生成好胶、产物分子量分布窄等。在目前明胶生产工艺的改革中，酶 法工艺因其能大大改进传统工艺的不足而受到越来越广泛的重视和研究。但由 于对酶法制胶理论的研究工作开展得较少，许多理论问题如酶对胶原分子的作 用位点和酶解终点的控制等仍不清楚，从而限制了酶法工艺的研究进展及其应 用【3 4 】。 3 2 4 盐碱法 用硫酸钠和氢氧化钠的混合液代替石灰乳浸泡原料而生产明胶的方法称为 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 盐碱法。其工艺过程是用2 6 的氢氧化钠和1o 1 4 的硫酸钠的混合溶液来 浸泡原料，浸泡完后洗去盐和碱，再用微酸性溶液( 1 1 5 的蚁酸或醋酸溶 液) 浸泡中和，使原料的p h 降到5 0 5 5 。在用盐和碱的混合溶液浸泡过程 中，氢氧化钠可以使胶原纤维充分膨胀，以利于加快出胶速度，但是由于氢氧 化钠碱性很强，浓度过大会使胶原纤维由最大膨胀转化为溶化，导致原料腐 烂；而硫酸钠对于蛋白质却有脱水盐析的作用，使胶原纤维收缩，阻止它达到 最大膨胀。盐碱法适用于皮明胶的生产，对于用石灰难以处理的干皮尤为有 效。采用盐碱法浸泡湿牛皮、干猪皮、干牛皮，不仅可以提高明胶的得率，而 且明胶的粘度和冻力等主要质量指标也会有所提高。 盐碱法生产明胶产生的大量高浓度的强碱溶液，极容易污染环境，应该加 以回收利用或用废酸中和。 3 2 5 酸盐法 酸盐法制取明胶是与盐碱法制胶相对应的一种制胶方法。在酸中加入盐类 做长时间的预处理的试验，k u n t z e l 以及a m e s 都曾经做过，但是由于难以控制 而无法实现工业化生产。德国明胶厂也曾提出用硫酸和硫酸钠浸泡原料来生产 明胶，但是它的热预处理也难以应用于工业化生产。目前与之相关的文献报道 还很少。 酸盐法制取明胶的工艺过程就是采用盐( 如硫酸钠、氯化钠等) 和酸( 如 盐酸、硫酸、磷酸等) 的混合溶液来浸泡原料。在用酸溶液浸泡处理原料的过 程中，酸浓度过大会使胶原分子的主链极易断裂而溶解。在酸溶液中加入盐， 可以起到稳定胶原分子的螺旋结构的作用，从而可以防止原料的过分膨胀，减 少胶原的过多溶解而造成的损失。曾国爱以猪三清和毛边皮为原料，在不同的 季节分别采用酸盐法和酸法来制取明胶，然后对两种方法制取的明胶进行比 较，结果表明酸盐法较之酸法制胶的得率、粘度和冻力都要甜3 5 】。 3 3 漂白 罗非鱼鱼皮和鱼鳞上具有黑色鱼纹，若不除去将会影响明胶的色泽跟透明 度，因此必须通过漂白退色除去其杂色，使鱼皮和鱼鳞变得纯白而透明。 鱼皮和鱼鳞中含有大量的黑色素细胞，黑色素是一种非结构型蛋白质，它 是在黑色素细胞内合成的，并且较深入的分布于真皮中，形成鱼皮特有的天然 色素花纹。黑色素是酪氨酸的氧化物，在酪氨酸酶的影响下，酪氨酸氧化会形 成醌型的有色化合物，并进一步转化而形成黑色素。漂白的基本原理就是破坏 黑色素中的醌结构，消除发色集团。酪氨酸在氧和酪氨酸酶的参与下，经过一 系列反应转变成黑色素，也就是说只要将黑色素显色的醌型吲哚结构予以破 坏，那么就可以达到漂白和褪色的目的i 3 6 1 。 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 鱼皮漂白常用氧化法或还原法。氧化法中又有过氧化氢法、高锰酸钾法、 亚氯酸钠法。还原法常用材料有保险粉( 连二亚硫酸钠) 、大苏打、亚硫酸钠、 亚硫酸氢钠等。 用上述任何一种氧化材料单独处理鱼皮，都不能将色素完全褪掉，而还原 材料中只有保险粉可以单独用来褪色，但也只能使颜色变浅变淡，同样不能将 颜色全部褪掉。比较好的方法是氧化剂与还原剂配套使用，鱼皮先用氧化剂 ( 如高锰酸钾、亚氯酸钠) 处理，破坏黑色素蛋白的辅基一吲哚一5 ，b 醌， 颜色变为黄色或黄棕色，然后再用还原剂( 如亚硫酸氢钠、大苏打) 处理，使 黄色或黄棕色变为白色。有两个组合方案：高锰酸钾与亚硫酸氢钠；亚氯酸钠 与大苏打或亚硫酸氢钠，只要掌握得当，每个组合漂白褪色效果都不错。前者 比较适合碱性或略呈碱性条件下使用，后者适合酸性条件下使用【3 。王学川等 采用过氧化氢法对草鱼皮进行漂白，漂白过程中将漂白浴的p h 值调至8 - 9 ，并 加入一定量的焦磷酸钠作为稳定剂，取得较好的效果，并缩短了漂白时间【3 引。 影响漂白效果除了漂白剂用量外，还与温度、液比、p h 以及原料的状态有 关。原料经预处理后，纤维松散，暴露了色素活性基团，因此，漂白液容易和 色素作用从而有利于漂白反应，因此，一般漂白在常温下进行。 3 4 提胶工艺 提胶俗称熬胶，是热水解过程，是把经前处理的胶原蛋白转变为明胶的重 要过程。胶原蛋白在水和热的作用下，其氢键断裂，三元螺旋结构解体，并进 而发生轻度水解而得到5 一6 的稀明胶溶液。在提胶过程中，如何控制明胶分 子量高且分布比较集中，防止明胶的继续水解是提胶质量的关键【2 4 5 1 。 提胶的主要影响因素有温度、时间与p h 。如果明胶水溶液长时间地加热， 还会进一步水解( 降解) 。因此，要制取高档明胶，必须控制水解。提胶时，由 于温度的作用，削弱了胶朊间的交联键，使胶朊转变成明胶。一般随着提取温 度的升高，明胶的提取率逐步提高，但温度如果过高会降低其粘度和凝胶强 度。明胶的提取一般需要在高于胶原纤维的收缩温度之上进行，较低温度提取 可以获得性质良好的明胶，但产率低、提取时间长。提高温度可以加速胶原转 化为明胶，但如果温度过高、时间过长，就会使明胶进一步水解( 二次降解) ，主 肽链发生断裂而大大破坏了明胶的冻力与粘度等重要性能指标，使明胶的性质 受到一定影响。所以，控制适当的温度和时间是提胶的主要因素【2 呻4 1 。 提胶p h 是影响明胶质量的另一个重要因素。酸性对胶原纤维结构的稳定作 用比碱性更强，因此酸性时，明胶的提取率相对更高。在热水提取的过程中， 非胶原蛋白也随之溶解出来。由于许多非胶原蛋白的等电点在p h 4 附近，因而在 9 福建农林大学硕士学位论文罗非鱼鱼皮、鱼鳞提取明胶的工艺研究 偏离等电点的碱性p h - k 更易溶出，小分子非胶原蛋白组分的存在，降低了明胶 的粘性和胶凝性，因此在弱碱性下提取的明胶，其粘度和凝胶强度不如在弱酸 性条件下提取的明胶【2 0 】。 不同的原料，不同的方法可采取不同的提取条件，一