罗非鱼皮明胶的过氧化氢法提取工艺*

何虹，刘小玲，姜元欣，盛金凤

(广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004)

罗非鱼皮明胶的过氧化氢法提取工艺*

何虹，刘小玲，姜元欣，盛金凤

(广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004)

考察了过氧化氢的添加及其浓度、提取温度、提取时间等因素对罗非鱼皮明胶的提取率和明胶黏度的影响。采用响应面实验设计优化显著影响明胶提取率和明胶黏度的工艺参数，确定最佳提取工艺条件。实验优化结果为过氧化氢浓度0.07 mmol/g、提取温度53℃、提取时间4.6 h，此条件下明胶提取率达87.71%，黏度达8.90(mpa·s)。

罗非鱼皮，明胶，过氧化氢，响应面分析

明胶是指动物结缔组织(如骨、皮、腱等)经热水熬制提取出的一类具有胶凝性的胶原纤维降解产物的总称。明胶可广泛应用于医药、保健、食品加工、化妆品、化工、感光材料等众多领域[1-3］。近年来，随着明胶用途的扩大，明胶需求量日益递增，再加上疯牛病、猪口蹄疫的传染所造成的安全性危机以及宗教习俗等原因[4］，人们开始寻求从水生动物尤其是鱼类组织中提取明胶。

罗非鱼目前是世界渔业养殖的主要鱼种，我国罗非鱼产量居世界第一[5］。罗非鱼片加工中产生大量的鱼皮等下脚料，是提取明胶的良好原料。有效利用这些加工副产物既可提高鱼类的综合利用价值，减少环境污染，又能拓宽明胶的原料来源和增加明胶产品的选择性，具有重要的经济价值。

过氧化氢是一种氧化剂，通常在明胶生产的后续工段做漂白和杀菌剂使用[6］。课题组在前期对鸡骨明胶的研究中发现，在加热熬胶过程中添加适量的过氧化氢能够有效促进胶原降解，缩短明胶提取周期，提高出胶率[7］。然而，由于原料来源的不同或胶原纤维组织来源的差异，胶原的聚集态结构不同，从而明胶制备工艺和条件有较大的差异。基于此，本实验探讨了过氧化氢的添加对罗非鱼皮提取明胶的影响，并采用响应面分析法优化过氧化氢法制备明胶工艺参数，为工业化高效生产鱼皮明胶提供指导和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻罗非鱼皮:百洋水产集团股份有限公司提供;

氢氧化钙、过氧化氢(30%)等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SGJ-A数显恒温磁力搅拌水箱:金坛市水北创兴仪器厂;RE-52AA旋转蒸发器:安徽东南仪诚实验室设备有限公司;101-1AB型电热鼓风干燥箱:中国上海实验仪器厂有限公司;1831奥氏黏度计:上海耶茂仪器仪表有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 明胶的提取工艺流程

冷冻罗非鱼鱼皮→解冻→洗涤脱脂→浸灰→水洗→熬胶→过滤→真空浓缩→干燥→粉碎→罗非鱼皮明胶

1.3.2 单因素试验设计

在罗非鱼皮明胶的制备过程中，分别考察浸灰工序的时间、熬胶工序中的过氧化氢添加量、料液比、提取温度和提取时间对明胶提取率和黏度的影响，并进行方差分析考查以上因素是否对明胶的提取率和粘度有显著性影响。

1.3.3 响应面法试验设计

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，在单因素试验基础上，选择对提取明胶效率质量影响较大的3个因素为自变量，每一自变量分别设置低、中、高试验水平，以明胶提取率和黏度为响应值Y1、Y2设计实验，并用响应面分析自变量与响应值间的变化规律。

1.3.4 指标分析

1.3.4.1 明胶提取率

明胶提取率表达为提取得到的明胶质量与鱼皮原料质量之比(相同干燥条件)，即:

明胶提取率/%=(明胶干重/鱼皮干重)×100

1.3.4.2 黏度测定

参见文献[8］。

1.3.5 数据处理

采用Excel2007和SPSS17.0进行数据处理和单因素方差分析(P＜0.05);Design-Expert 7.0 Trial软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 浸灰工艺对明胶提取的影响

浸灰即在明胶制造上用石灰乳处理骨蛋白质或经过洗涤的皮。由图1可见，随鱼皮浸灰时间的增加，明胶提取率增加，浸灰4d后提取率增加趋于平缓，而浸灰6d时提取的明胶黏度最佳。浸灰能够提高鱼皮原料胶原的纯度，破坏胶原纤维的聚集态结构，有利于胶原纤维加热时明胶的释放。随着浸灰时间的延长，会引起胶原纤维的部分降解，黏度下降。综合考虑选择浸灰6d的鱼皮进行明胶提取。

图1 浸灰时间对明胶提取率和黏度的影响

图2 过氧化氢浓度对明胶提取率和黏度的影响

2.2 过氧化氢对明胶提取效果的影响

由图2可见，不添加H2O2时，明胶提取率最低，提取率随着H2O2浓度增大而增加。黏度则在H2O2浓度为0.05 mmol/g时最大，此后则随添加量增加而减小。H2O2是一种氧化剂，可以随机破坏胶原的次级键、肽键及其易氧化的氨基酸，使胶原纤维的晶体结构破坏，从而加速胶原向明胶转变。因此随着添加量的增加提取率增加，而进一步降解则会使明胶向小分子肽转变使黏度减小[5］。过氧化氢对明胶提取率和质量有显著影响(P＜0.01)，故选取H2O2浓度的优化范围为0.05～0.10 mmol/g。

2.3 料液比对明胶提取效果的影响

明胶的提取需要水作为溶剂，水的添加量过低时，无法实现物料均匀搅拌，过高时又因浓缩需要脱除水而增加能耗。由图3可知，提取率在料液比为1∶6时较大，而在实验范围内不同料液比对明胶黏度影响差异不大(P＞0.05)。同时考虑到后续浓缩效率，选取料液比1∶6制备明胶。

图3 料液比对明胶提取率和黏度的影响

2.4 提取温度对明胶提取效果的影响

明胶提取率和黏度随提取温度的变化如图4所示。

图4 提取温度对明胶提取率和黏度的影响

由图4可见，低于45℃时，只有相当少量的胶原纤维转化成明胶，产率极低。当温度高于45℃以上时，随着温度提高，提取率和黏度增大，高于55℃，温度的增长对提取率和黏度变化减缓。在胶原纤维的热收缩温度以上的水溶液中加热，可促进胶原聚集态结构破坏，三股螺旋解链，使胶原分子的单链、双链、及少量聚集体和单链断裂组分进入溶液，不溶性胶原纤维转变为明胶[9］。提取温度对明胶质量效率有显著影响(P＜0.01)，为减少能耗，选择50～55℃进一步优化提取温度。

2.5 提取时间对明胶提取效果的影响

由图5可见，明胶提取率随着提取时间延长而增加，而粘度随提取时间延长而提高，在5.5 h达到最大值8.36(mPa·s)后开始下降。当维持胶原纤维蛋白聚集态结构的次级键被破坏时，解聚为胶原α链、或其二聚体β和三聚体γ链，就变成可溶性的明胶。当明胶在热力和过氧化氢的双重作用下，解聚的胶原肽链被进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］。由实验数据可见，在反应达到5 h后，后一步的变化开始显现。提取时间对明胶的提取效果有显著影响(P＜0.05)，为在保证高黏度的明胶质量前提下获得较高的提取率，进一步在3～5 h内优化提取时间。

黏度的影响

2.6 明胶提取工艺的优化

根据单因素实验的显著性分析，对影响明胶提取率和黏度影响显著的3个因素，采用响应面实验方案进行优化，结果如表2所示，对表2结果进行方差分析见表3。

表2 响应面试验设计与结果

表3 响应面试验结果的方差分析

根据方差结果分析得到拟合方程为:

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

从模型方差分析表3可知，提取率和黏度的拟合模型分别为极显著和显著水平。经Design-Expert 7.0 Trial软件分析得到，提取率方差分析预测的R2(0.9837)与校正的R2(0.9627)相差很小，说明数学拟合模型与试验实测值能很好的拟合，黏度方差分析预测的R2(0.8726)与校正的R2(0.7089)相差不大，说明数学拟合模型与试验实测值能较好的拟合。由F值大小比较可知，影响明胶提取率和黏度的主要因素主次顺序都为A＞C＞B，即浸提温度影响大于过氧化氢浓度，浸提时间影响最小。

双因素的交互作用与明胶提取率和黏度的效应关系如图6响应面所示。由图6可见，当过氧化氢浓度保持0水平时，提取温度对罗非鱼明胶提取率和黏度的影响都很大，随着温度升高，明胶提取率和黏度都呈现先上升后下降的趋势。此外，黏度受过氧化氢变化影响也较为敏感。从曲面可知，过氧化氢浓度和时间二因素对黏度还有一定的交互作用，而过氧化氢浓度和温度对黏度基本无交互作用。

图6 罗非鱼皮明胶提取优化的响应面分析图

对提取率和黏度均取最大值，由软件自动分析得到的优化提取条件为:过氧化氢浓度0.07 mmol/g、提取温度53.16℃、浸提时间4.63 h，此条件下明胶提取率和黏度的理论值分别达到87.5%和8.48(mPa·s)。为方便实际操作，选取提取温度53℃、浸提时间4.6 h、过氧化氢浓度为0.07 mmol/g，在此条件下进行验证实验，明胶提取率和黏度的分别为87.71%和8.90(mPa·s)，与理论值87.53%和8.48(mPa·s)接近，说明采用该数学模型的优化参数可高效制备优质明胶。

Cheow[11］采用黄花鱼及和长身圆鲹制取明胶的产率分别为14.3%和7.25%。Jamilah[12］分别以红、黑罗非鱼皮制备明胶的产率分别为7.81% 和5.39%。Jamilah等[13］用3种鱼皮在48℃过夜制备明胶，得到最高产率和黏度分别为39.97%和8.21(mPa·s)。Soung-Hun Cho 等[14］用斑鳐鱼皮在不同条件下制备明胶产率不超过17%。谢详等[15］优化巴沙鱼皮制胶工艺在50℃提取4h得到明胶得率为75.15%，明胶黏度为3.166(mPa·s);于洋等[16］用罗非鱼皮在80℃提取8 h的明胶产率和黏度分别为47.54%和6.14(mPa·s);刘小玲等[7］从鸡骨骨素骨提取明胶，在70℃下反应3h提取率达50%，黏度4.43(mPa·s)。由此可见，本实验采取的明胶制备方法与这些报道的方法相比，不仅提取条件温和(温度较低，提取时间短)，而且明胶的提取产率高，明胶的黏度指标值也明显胜出。

3 结论

罗非鱼皮是一种具有重要开发价值的淡水水产加工副产物，本课题组采用优化的过氧化氢法提取条件制备的罗非鱼皮明胶，提取温度温和，提取时间短，明胶提取率高，产品黏度高。与已有的谳相比，鱼明胶的提取效率和明胶重要性能指标——黏度有显著提高。可见，过氧化氢法提取明胶具有适用性，但不同原料来源、工艺条件和参数有一定差异，通过响应面试验将其提取工艺优化到较好的水平。

[1]姚龙坤，顾平远.明胶在食品工业中的应用简述[J］.明胶科学与技术，2009，29(1):24-25.

[2]帅兴华，王少强.明胶应用性能的研究[J］.皮革化工，2007，24(3):20-25.

[3］ 徐润，梁庆华.明胶的生产及应用技术(第三版)[M］.北京:中国轻工业出版社，2000:232-267.

[4]Karim A A，Bhat R.Fish gelatin:properties，challenges，and prospects as an alternative to mammalian gelatins[J］.Food Hydrocolloids，2009，23(3):563-576.

[5]王慧芝，车斌.中国罗非鱼出口现状及应对措施[J］.山西农业大学，2010，38(8):81-83.

[6］ 沃德 A G，考茨 A.明胶的科学与工艺学[M］.北京:轻工业出版社，1982:181.

[7]刘小玲，许时婴.H2O2在鸡骨明胶提取中的应用[J］.食品与发酵工业，2005，31(4):64-68.

[8]刘小玲，许时婴.从鸡骨中制取明胶的加工工艺[J］.食品与发酵工业，2004，30(9):48-53.

[9]Shu X H，Lai H L.The characteristics of gelatin extracted from sturgeon(Acipenser baeri)skin using various pretreatments[J］.Food Chemistry，2009，115(1):124-128.

[10]徐绪国，阎天堂.胶原和明胶肤链的构象[J］.明胶科学与技术，1991(2):87-89.

[11]Cheow C S，Norizah M S，Kyaw Z Y.Preparation and characterisation of gelatins from the skins of sin croaker(Johnius dussumieri)and shortfin scad(Decapterus macrosoma)[J］.Food Chemistry，2007，101:386-391.

[12]Jamilah B，Harvinder K G.Properties of gelatins from skins of fish—black tilapia(Oreochromis mossambicus)and red tilapia(Oreochromis nilotica)[J］.Food Chemistry，2002，77(1):81-84.

[13]Jamilah B，Tan K W，Umi Hartina M R，et al.Gelatins from three cultured freshwater fish skins obtained by liming process[J］.Food Hydrocolloids，2011，25(5):1256-1260.

[14]Soung-Hun Cho，Michael L，Jahncke.The effect of processing conditions on the properties of gelatin from skate(Raja Kenojei)skins[J］.Food Hydrocolloids ，2006，20:810-816.

[15]谢祥，王婷婷.巴沙鱼皮明胶提取工艺研究[J］.西南师范大学学报，2010，35(2):185-189.

[16]于洋，方旭波.罗非鱼皮明胶的制备及性质研究[J］.中国食品与营养，2009(1):26-29.

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)

硕士研究生(刘小玲教授为通讯作者)。

*国家自然科学基金(AE120009);广西科技攻关项目(桂科攻11107005-2)

2012-01-05，改回日期:2012-03-27