現(xiàn)代加工技術(shù)在明膠制備中的應(yīng)用展望

陳麗清，馬 良,2，張宇昊,2,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400716)

現(xiàn)代加工技術(shù)在明膠制備中的應(yīng)用展望

陳麗清1，馬 良1,2，張宇昊1,2,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400716)

在總結(jié)傳統(tǒng)明膠制備方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)其現(xiàn)存問題，結(jié)合明膠制備機(jī)理對(duì)通過現(xiàn)代加工技術(shù)改進(jìn)明膠傳統(tǒng)制備工藝的可行性進(jìn)行理論分析，并對(duì)現(xiàn)代加工技術(shù)可能對(duì)明膠的性質(zhì)產(chǎn)生的影響進(jìn)行論述，最后對(duì)明膠生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

現(xiàn)代加工技術(shù)；明膠；制備；性質(zhì)

Abstract：Based on traditional preparation methods of gelatin and the existing problems, the theoretical feasibility of using modern processing technology to improve the traditional preparation of gelatin is analyzed in this article. Meanwhile, the effect of modern processing technology on the properties of gelatin is also discussed. Moreover, the future development trends of gelatin preparation are predicted.

Key words：modern processing technology；gelatin；preparation；gelatin property

明膠是一種重要的天然高分子化合物，以其良好的乳化性、持水性、成膜性、膠凝性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。明膠來源于動(dòng)物結(jié)締組織中的膠原蛋白，膠原蛋白屬于不溶性蛋白，其分子單位稱為原膠原，每個(gè)原膠原分子由3條α-肽鏈組成，α-肽鏈自身為α螺旋結(jié)構(gòu)，3條α-肽鏈則以平行、右手螺旋形式纏繞成“草繩狀”3股螺旋結(jié)構(gòu)。如果采用一些物理或化學(xué)方法來破壞穩(wěn)定膠原纖維分子間和分子內(nèi)的共價(jià)交聯(lián)和非共價(jià)鍵，使其釋放出原膠原分子，再通過加熱使膠原螺旋的氫鍵斷裂，三螺旋結(jié)構(gòu)解體，進(jìn)而發(fā)生輕度水解即可制得明膠溶液。本文對(duì)傳統(tǒng)明膠制備方法進(jìn)行總結(jié)，并針對(duì)其現(xiàn)存問題，結(jié)合明膠制備機(jī)理對(duì)通過現(xiàn)代加工技術(shù)改進(jìn)明膠傳統(tǒng)制備工藝的可行性進(jìn)行理論分析，以及對(duì)現(xiàn)代加工技術(shù)可能對(duì)明膠的性質(zhì)產(chǎn)生的影響進(jìn)行論述，以期為明膠生產(chǎn)工藝的發(fā)展提供一定參考。

1 明膠的制備方法

1.1 化學(xué)法

化學(xué)法是傳統(tǒng)的明膠制備方法，主要是通過酸、堿等作用破壞穩(wěn)定膠原纖維分子間和分子內(nèi)的共價(jià)交聯(lián)和非共價(jià)鍵，使膠原分子充分釋放，再通過加熱使維持膠原三螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵也斷裂從而得到明膠溶液，明膠溶液經(jīng)分離純化即可得到明膠產(chǎn)品[1-2]。目前常用的化學(xué)方法主要有酸法、堿法、酸堿法、鹽堿法等。

酸法或堿法是指熱水提膠前采用酸或堿對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，目的是使膠原蛋白分子鏈上的堿性基團(tuán)或酸性基團(tuán)與酸或堿結(jié)合，分子內(nèi)和分子間的離子交聯(lián)和氫鍵交聯(lián)被打開，原膠原分子得以釋放，原料體積膨脹、組織疏松，從而有利于熱水提膠[1,3]。堿液在水解膠原蛋白的同時(shí)，可以皂化脂肪、溶解并除去膠原材料中的可溶性雜蛋白(如彈性蛋白、白蛋白、球蛋白、黏蛋白等)和色素等有機(jī)物，使溶解的非膠原物質(zhì)在清洗時(shí)隨廢液除去，因此，堿法能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的明膠。相對(duì)于堿法，酸法預(yù)處理的時(shí)間縮短，制得明膠的凝膠強(qiáng)度和黏度的比值高，而先后用酸液和堿液浸泡原料的酸堿法可使預(yù)處理時(shí)間進(jìn)一步縮短。如劉麗娜[4]采用酸堿法提取鮰魚皮明膠，分別采用NaOH溶液和H2SO4溶液對(duì)魚皮進(jìn)行預(yù)處理(各120min)，然后熱水抽提6h，得到了品質(zhì)良好的魚皮明膠(明膠得率為65.21%，凝膠強(qiáng)度和黏度分別為672.2g/cm2和9.46mPa·s)。

熱水提膠前采用硫酸鈉和氫氧化鈉的混合液對(duì)原料實(shí)施預(yù)處理制備明膠的方法稱為鹽堿法。該法主要針對(duì)堿法生產(chǎn)中堿液可能會(huì)破壞膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，使膠原纖維由最大膨脹轉(zhuǎn)化為溶化的問題，通過添加硫酸鈉來穩(wěn)定螺旋體，減低堿的膨脹和分散作用，阻止膠原達(dá)到最大膨脹[1]22-28。所以用混合液浸泡，既可使膠原膨脹，又避免溶化，使膠原更充分地釋放，從而利于明膠的制備。位紹紅[5]分別采用了堿法、酸法、鹽堿法和酶法處理原料(羅非魚魚皮)提取明膠，其中鹽堿法制膠預(yù)處理時(shí)間(8h)較短，僅次于酶法(1h)，而堿法和酸法分別需5.5d和12h。鹽堿法制得的明膠的質(zhì)量也高于堿法和酸法，其得率、黏度和凝膠強(qiáng)度分別為18.41%、10.7mPa·s、848.7g/cm2。

明膠的傳統(tǒng)化學(xué)制備法目前應(yīng)用較為廣泛，但是這些方法存在著生產(chǎn)周期長、效率低、水電資源消耗大、酸堿廢液排放量大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。如堿法制備明膠時(shí)雖然制得的明膠質(zhì)量較高，但生產(chǎn)周期長，耗水量大，生產(chǎn)1t明膠至少需要700t水，且需排放大量的堿性廢液，嚴(yán)重污染水資源、土壤及空氣。在提倡節(jié)能減排的21世紀(jì)，這些傳統(tǒng)的制備方法已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前國家環(huán)境保護(hù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，尋找新的清潔環(huán)保的方法，逐漸取代傳統(tǒng)的酸、堿等化學(xué)方法以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)是明膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.2 酶法

酶解制膠無論在工藝上和設(shè)備上均屬于一種新的制膠方法，近年來國內(nèi)外關(guān)于酶法制膠的研究越來越多[6-11]。酶法主要是利用蛋白酶(胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等)對(duì)膠原蛋白進(jìn)行預(yù)處理，使膠原蛋白部分降解。膠原分子的主體受三螺旋構(gòu)型保護(hù)而保持完整，但非螺旋肽區(qū)(末端肽)被蛋白酶部分降解而導(dǎo)致分子內(nèi)和分子間交聯(lián)的減少，從而促進(jìn)膠原的溶出[1]。位紹紅[5]采用不同的預(yù)處理方法處理羅非魚魚皮制取明膠，其中使用酸性蛋白酶和脫脂酶的混合酶(二者質(zhì)量比為4:1，混合酶濃度為0.2%(酶與底物比))法制膠的預(yù)處理時(shí)間最短(1h)，制得的明膠的質(zhì)量較高，黏度(10.5mPa·s)僅次于鹽堿法制得的明膠，得率(18.46%)和凝膠強(qiáng)度(899.3 g/cm2)均高于堿法、酸法和鹽堿法制得的明膠。由此可見，相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)方法，酶法的生產(chǎn)周期縮短數(shù)倍、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)率高，減少了浸酸、浸灰等工序，耗水量和環(huán)境污染都減小，改進(jìn)了傳統(tǒng)工藝的不足。但該工藝中蛋白酶用量較大，生產(chǎn)成本較高，這也是該工藝一直未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的原因所在。

2 現(xiàn)代加工技術(shù)在明膠制備中應(yīng)用可行性分析

傳統(tǒng)的明膠制備工藝存在著生產(chǎn)周期長、效率低、水電資源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，而酶法雖具有很好的發(fā)展前景，但目前由于生產(chǎn)成本較高等原因難以投入實(shí)際生產(chǎn)中。由此可見，目前明膠生產(chǎn)工藝中，主要問題集中在預(yù)處理部分，采用酸、堿、酶等處理的主要目的是破壞膠原蛋白中三四級(jí)結(jié)構(gòu)，使其釋放膠原分子，有利于提膠過程中獲得高質(zhì)量明膠。

現(xiàn)代加工技術(shù)是以“高速、高效、精密、微細(xì)、自動(dòng)化、綠色”為特征的加工技術(shù)體系，包括超聲波輔助提取技術(shù)、微波輔助提取技術(shù)和超高壓提取技術(shù)等。研究表明，這些技術(shù)可以對(duì)蛋白質(zhì)三四級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，破壞其非共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。因此，采用現(xiàn)代加工技術(shù)取代或部分取代酸、堿、酶等方法對(duì)提膠原料進(jìn)行預(yù)處理，可能是改進(jìn)明膠傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，建立清潔生產(chǎn)的有效方法。

2.1 超聲波輔助提取技術(shù)

超聲波輔助提取技術(shù)(ultrasound-assisted extraction，UAE)是指以常規(guī)的提取技術(shù)為基礎(chǔ)，利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波作為輔助能量以促進(jìn)目標(biāo)組分的提取率的一種提取分離技術(shù)。超聲波是頻率高于20kHz的聲波，具有機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。超聲波的的空化效應(yīng)可以使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生高溫、高剪切力和高壓力，可以破壞氫鍵和范德華力，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)也因此受到破壞，易于蛋白質(zhì)等細(xì)胞內(nèi)容物的溶出[12]；其熱機(jī)制可以使溶液的溫度升高，有利于擴(kuò)散，使溶出的蛋白質(zhì)增加；而其微機(jī)械振動(dòng)也有助于不同物質(zhì)的分離。該技術(shù)對(duì)物質(zhì)提取、高分子降解和酶解反應(yīng)等都有很好的促進(jìn)作用，若應(yīng)用于明膠的生產(chǎn)，可能有助于膠原物質(zhì)與非膠原物質(zhì)的分離以及膠原蛋白的釋放和降解。Li等[13]的研究證實(shí)了這一點(diǎn)，他們將超聲輻射(40kHz，120W)應(yīng)用于牛肌腱膠原蛋白的酶法提取中，結(jié)果表明溫和的超聲波處理能有效地改善胃蛋白酶提取天然膠原蛋白的效率，與傳統(tǒng)的胃蛋白酶分離方法相比，其提取時(shí)間大大縮短，得率也顯著提高(增加至傳統(tǒng)方法的124%)。孫丹紅[14]的研究也證實(shí)了超聲波可以促使生皮(牛皮、羊皮和豬皮)中可溶性蛋白質(zhì)的溶解，有助于除去生皮中的纖維間質(zhì)，并且可加速豬皮脫脂?？梢姡暡ㄓ休o助蛋白提取的功效，將這一技術(shù)應(yīng)用于明膠生產(chǎn)，可能有助于膠原蛋白的釋放，提高提取率，縮短提取時(shí)間，加之其脫脂功效，在豬皮明膠的制備上具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 微波輔助提取技術(shù)

微波輔助提取技術(shù)(microwave-assisted extraction，MAE)是利用微波能的特性來對(duì)物料中的目標(biāo)成分進(jìn)行選擇性萃取從而使試樣中的某些有機(jī)成分達(dá)到與基體物質(zhì)有效分離的目的[15]。微波能是一種能量形式，它在傳輸過程中可對(duì)許多由極性分子組成的物質(zhì)產(chǎn)生作用，使其中的極性分子產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并迅速生成大量的熱能，導(dǎo)致細(xì)胞破裂，內(nèi)容物釋放。微波能夠?qū)滏I、疏水作用和范德華力產(chǎn)生作用，使其重新分配，從而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變松散，有利于降解。因此，微波輔助提取技術(shù)不僅可能有利于膠原蛋白的溶出，還可能有利于降解提膠。Messia等[16]將微波技術(shù)用于輔助蛋白質(zhì)(以香腸和新鮮的填滿肉類填料的意大利面為樣品)的水解，并與傳統(tǒng)的水解方法相對(duì)比，兩種方法所得的4-羥脯氨酸含量的RSD為0～6.4%，相對(duì)誤差為1.4%～10.0%，但水解時(shí)間卻由傳統(tǒng)方法的24h縮短至20min。陳海華等[17]對(duì)酸法雞皮明膠提取工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用微波技術(shù)加熱提膠，并采用超聲波處理膠液。在實(shí)驗(yàn)所得的最優(yōu)工藝(微波處理時(shí)間11min、微波功率560W、超聲波處理時(shí)間8min)條件下，明膠得率由9.47%提高至12.5%，而且減少了水浴提膠工序，提膠時(shí)間至少縮短了20h[17-18]?？梢?，微波對(duì)蛋白降解有輔助功效，將這一技術(shù)應(yīng)用于明膠的制備中，可能有助于提高明膠的得率，縮短提膠時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，而與超聲波技術(shù)聯(lián)合使用可能會(huì)使效果更佳。

2.3 超高壓提取技術(shù)

超高壓提取技術(shù)(ultra-high pressure extraction，UHPE)是指在常溫或較低溫度(通常低于100℃)的條件下，對(duì)原料液施加100MPa以上的流體靜壓力，保壓一定時(shí)間后迅速卸壓，進(jìn)而完成提取過程的技術(shù)。超高壓會(huì)使聚合物的疏水作用、氫鍵和靜電作用發(fā)生變化，而對(duì)共價(jià)鍵的作用很小[19]。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)主要由氫鍵、疏水作用、靜電作用、范德華力等弱相互作用來維系的，壓力對(duì)蛋白質(zhì)的這些弱相互作用產(chǎn)生影響，使得蛋白質(zhì)的非共價(jià)鍵平衡受到破壞，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)性質(zhì)改變，當(dāng)壓力足夠高時(shí)，蛋白質(zhì)將完全展開或部分降解[19-21]。Gomez-Guillen等[22]應(yīng)用超高壓技術(shù)改進(jìn)以多佛箬鰨魚(Dover sole)魚皮為原料的明膠的常規(guī)酸法制備工藝，他們將超高壓應(yīng)用在以下兩個(gè)階段：于10℃在酸中進(jìn)行預(yù)處理的階段，以促進(jìn)酸易變交聯(lián)的斷裂；于45℃溫水中進(jìn)行提膠的階段，以加速膠原的水解。研究表明，應(yīng)用超高壓技術(shù)改進(jìn)常規(guī)工藝提取魚皮明膠，可以大大縮短預(yù)處理和提膠兩個(gè)工藝中耗時(shí)最長的階段(預(yù)處理和提膠時(shí)間由常規(guī)工藝中的3h和16～18h縮短至10min或20min)，從而使在幾分鐘內(nèi)制備出高質(zhì)量的明膠成為可能。可見，超高壓對(duì)明膠的制備有輔助作用，加之高壓是清潔和天然的(不同于輻射加工)，這一技術(shù)在明膠制備中有很大的應(yīng)用前景。

綜上所述，采用超聲波、微波、超高壓等現(xiàn)代加工技術(shù)取代或部分取代傳統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)明膠制備工藝是可行的。將這些技術(shù)應(yīng)用于明膠的化學(xué)法制備中，可能大大縮短生產(chǎn)周期、減少酸堿用量，從而提高生產(chǎn)效率、減少環(huán)境污染。而把這些新技術(shù)與明膠酶法制備相結(jié)合，有望克服酶法制備明膠的瓶頸，在保證產(chǎn)品得率和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大大降低蛋白酶的用量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)明膠的清潔生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3 現(xiàn)代加工技術(shù)對(duì)明膠性質(zhì)的影響

采用現(xiàn)代加工技術(shù)不僅可改進(jìn)明膠的制備工藝，對(duì)明膠的性質(zhì)也可能產(chǎn)生一些正面影響。如超高壓處理可促使膠原蛋白分子聚合，而以經(jīng)超高壓處理的膠原蛋白為原料，更有利于制得含有大量高分子聚合體的明膠[23]。高分子質(zhì)量組分則是提供高凝膠強(qiáng)度、黏彈性能和熔融/凝凍溫度的關(guān)鍵因素[22,24-25]。Gomez-Guillen等[22]采用超高壓制備魚皮明膠，實(shí)驗(yàn)表明壓力的大小和時(shí)間會(huì)對(duì)明膠的得率和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響，他們認(rèn)為高壓可誘導(dǎo)蛋白聚合度增加，增加明膠中高分子質(zhì)量組分，進(jìn)而影響明膠的黏彈性和熔融/凝凍溫度等性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)室曾采用超高壓技術(shù)輔助提取巴沙魚皮明膠，在實(shí)驗(yàn)所得的較優(yōu)工藝條件(作用壓力300MPa、超高壓時(shí)間10min、提取溫度50～60℃、提取時(shí)間4h)下制得的明膠的凝膠強(qiáng)度可達(dá)274g/cm2，得率可達(dá)75.03%，而常規(guī)法制得的明膠的凝膠強(qiáng)度和得率分別為234g/cm2和66.13%[26]?？梢?，適宜的超高壓作用可以顯著提高魚皮明膠的凝膠強(qiáng)度和得率。

輻照也會(huì)影響明膠性質(zhì)，Bessho等[27]曾指出明膠凝膠在大于8kGy劑量的γ-射線的輻射下發(fā)生交聯(lián)，導(dǎo)致不溶性，而烴基(如側(cè)鏈的烷基或苯基)是其交聯(lián)位點(diǎn)。Bhat等[28]指出紫外線照射可以增加交聯(lián)從而改善魚明膠的凝膠強(qiáng)度，他們將魚明膠樣品暴露于紫外線照射下30min和60min，凝膠強(qiáng)度由177.8g/cm2分別增加至198.1g/cm2和234.0g/cm2。微波作為一種電磁波可能也具有改善明膠性能的作用，雖然目前這方面的研究很少，但從微波能誘導(dǎo)蛋白結(jié)構(gòu)的重排，對(duì)蛋白質(zhì)的聚集有一定的效果等相關(guān)研究報(bào)道[29-30]可以推斷微波可能會(huì)影響甚至是改善明膠的性能。

4 展 望

現(xiàn)有的明膠制備方法多種多樣，傳統(tǒng)的化學(xué)法雖然應(yīng)用廣泛，但由于存在著生產(chǎn)周期長、效率低、水電資源消耗大、酸堿廢液排放量大以及環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，其應(yīng)用將逐漸減少甚至被淘汰。而酶法因生產(chǎn)成本較高，一直難于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此亟待尋找新的技術(shù)改進(jìn)化學(xué)法和酶法的不足，以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。超聲波、微波和超高壓等現(xiàn)代加工技術(shù)改進(jìn)明膠的現(xiàn)有制備工藝具有可行性，并且這些技術(shù)的應(yīng)用還有望提高明膠的性能，但尚需進(jìn)一步深入研究。結(jié)合新技術(shù)，開發(fā)明膠的制備工藝，以提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)是明膠行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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Prospects for the Application of Modern Processing Technology in Gelatin Preparation

CHEN Li-qing1，MA Liang1,2，ZHANG Yu-hao1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China；2. Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center, Chongqing 400716, China)

TS201.7

A

1002-6630(2010)19-0418-04

2010-07-06

重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009AC5182)；西南大學(xué)博士基金項(xiàng)目(SWUB2007045)

陳麗清(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營養(yǎng)學(xué)。E-mail：snowchli7@163.com

*通信作者：張宇昊(1978—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)榈鞍缀蜕锘钚噪?。E-mail：Zhy1203@tom.com