胡　楊， 朱士臣， 熊善柏， 劉友明， 尤　娟， 尹　濤

(1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心，湖北 武漢 430070；2 水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 常德 415000)

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魚類加工副產(chǎn)物中膠原提取技術(shù)與性質(zhì)分析

胡楊1，2， 朱士臣1， 熊善柏1，2， 劉友明1， 尤娟1，2， 尹濤1

(1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心，湖北 武漢 430070；2 水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 常德 415000)

魚類加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，不可避免地產(chǎn)生大量魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭、魚鰾等不同魚類加工副產(chǎn)物，如何對這些副產(chǎn)物進(jìn)行高值加工利用引起廣泛關(guān)注。目前，魚類加工副產(chǎn)物的利用途徑主要包括制作休閑食品、飼料魚粉、膠原等。其中，因膠原產(chǎn)品的附加值空間大，以魚類加工副產(chǎn)物為原料提取膠原成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。在介紹不同魚類加工副產(chǎn)物組成特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了近年來國內(nèi)外以不同魚類加工副產(chǎn)物為原料提取膠原的研究現(xiàn)狀，總結(jié)分析了從不同魚類加工副產(chǎn)物中提取膠原的提取率、產(chǎn)物純度及性質(zhì)，展望了以魚類加工副產(chǎn)物為原料提取膠原的發(fā)展前景和方向，分析認(rèn)為酸-酶結(jié)合法更適用于魚膠原的提取，并具有廣闊前景。

魚膠原；魚類加工副產(chǎn)物；綜合利用；研究現(xiàn)狀

膠原是細(xì)胞外基質(zhì)的主要組成成分，是動物體內(nèi)含量最多、分布最廣的蛋白質(zhì)。膠原具有良好的生物學(xué)特性和理化性質(zhì)，被廣泛用于生物醫(yī)用材料、化妝品和食品等領(lǐng)域[1-3]。然而，膠原又具有非常明顯的組織特異性，不同物種來源的膠原性質(zhì)不同，同一物種不同組織來源的膠原，其性質(zhì)也有差異。

長期以來，科研和生產(chǎn)上多采用豬、牛和家禽等的組織進(jìn)行膠原提取，但是畜禽來源的膠原存在潛在的口蹄疫、瘋牛病、禽流感等傳染性病源，同時有些國家和地區(qū)由于風(fēng)俗習(xí)慣等問題，對使用畜禽來源的膠原有所顧慮，因此尋找膠原新的來源顯得尤為迫切。

魚類加工過程中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物(魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭、魚鰾等)不僅富含膠原成分，而且在一定程度上規(guī)避了傳染性病源和風(fēng)俗習(xí)慣問題，可以作為潛在的膠原來源。目前這些副產(chǎn)物大多用于生產(chǎn)飼料魚粉、休閑食品，仍然不能很好地體現(xiàn)出其潛在的經(jīng)濟(jì)價值，如果從中提取膠原用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，對于魚類加工副產(chǎn)物的資源化與高值化利用大有裨益[4-7]。

1　膠原在魚類加工副產(chǎn)物中的分布

在魚類消費(fèi)和加工過程中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，根據(jù)組織來源的不同，主要有魚頭、魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭、魚鰾和其他魚內(nèi)臟等，膠原在這些副產(chǎn)物中的含量也不相同，魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭和魚鰾中相對較高。此外，膠原的含量還與魚種、魚齡等有關(guān)[8]。

不同魚類加工副產(chǎn)物中膠原的含量相差較大(表1)，魚皮、魚鰾中膠原含量較高，最高可達(dá)到70 %以上[8-9]，魚鱗、魚骨和魚鰭中也含有一定量的膠原，均可作為不同應(yīng)用領(lǐng)域潛在的膠原來源。

需要指出的是，魚鱗、魚骨、魚鰭等硬組織經(jīng)過鈣化，無機(jī)鹽含量高，從中制備膠原相比從魚皮、魚鰾等軟組織中提取膠原多了脫鈣工序，而魚鰾來源有限，因此，從魚皮中提取膠原具有更為廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

表1　 膠原在不同魚類加工副產(chǎn)物中的分布

注：含量均以干重計。

2　魚類加工副產(chǎn)物中膠原的提取技術(shù)

膠原在不同魚類加工副產(chǎn)物中的分布不同，因此，選擇富含所需膠原類型的原料至關(guān)重要。同時，針對不同原料的成分組成不同，采取相應(yīng)的前處理方法除去原料中的非膠原成分(如脂肪以及各類雜蛋白、鈣質(zhì)等)尤為必要。此外，在動物組織內(nèi)部，膠原常與多糖等結(jié)合在一起以不溶性大分子的形式存在，采用某種提取介質(zhì)使膠原變成可溶性的大分子從組織中溶解出來，并通過一定手段對目標(biāo)膠原進(jìn)行分離、純化是膠原提取的關(guān)鍵所在(圖1)。

圖1　魚膠原制備流程

2.1原料前處理

在對原料前處理的過程中，脂肪、雜蛋白以及鈣質(zhì)的脫除直接影響著后期膠原的提取效果和產(chǎn)物特性。由于魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭和魚鰾等在基本組成方面有所不同，前處理過程應(yīng)根據(jù)原料的不同而有所側(cè)重，具體體現(xiàn)在脫脂、脫鈣及除雜蛋白的工藝上。脂肪的脫除效果直接影響膠原的分離、純化，并對膠原的感官性能有所影響。魚皮脂肪含量高，因此，在前處理中應(yīng)嚴(yán)格控制脫脂過程。而魚鱗、魚骨和魚鰭的灰分含量比魚皮高，因此，在前處理中應(yīng)重視對鈣質(zhì)的脫除，否則會使最終得到的膠原因含有過量的金屬離子而影響其使用。

目前，脫脂工序主要采用異丙醇、表面活性劑、丁醇或氫氧化鈉進(jìn)行處理，通常采用10 %的丁醇；脫鈣工序主要采用鹽酸、乙酸、檸檬酸、乳酸或乙二胺四乙酸(EDTA)進(jìn)行處理，多使用0.5 mol/L的EDTA；除雜蛋白工序主要采用氯化鈉或氫氧化鈉處理，通常采用0.1 mol/L的氫氧化鈉。

普遍采用的前處理工藝如下[8]：

魚皮/魚鰾：魚皮/魚鰾→氫氧化鈉脫除雜蛋白或色素→丁醇(異丙醇)脫脂→洗凈、備用。

魚鱗：魚鱗→碳酸鈉疏松魚鱗結(jié)構(gòu)→氫氧化鈉脫脂和除雜蛋白→EDTA(鹽酸)脫鈣→洗凈、備用。

魚骨/魚鰭：魚骨/魚鰭→粉碎→氫氧化鈉(氯化鈉)脫除雜蛋白→EDTA脫鈣→丁醇(異丙醇)脫脂→洗凈、備用。

2.2膠原提取

膠原提取的基本原理是利用不同介質(zhì)溶液中離子向膠原分子結(jié)構(gòu)中內(nèi)滲，使得膠原分子結(jié)構(gòu)內(nèi)外存在一定滲透壓差，并得到進(jìn)一步溶脹或溶解，再用鹽溶液(氯化鈉或硫酸銨)對其進(jìn)行鹽析、沉淀、透析純化，進(jìn)而達(dá)到分離的目的[17]。

從魚類加工副產(chǎn)物中提取膠原的技術(shù)發(fā)展很快，包括酸法、堿法、酶法和結(jié)合法。酸法一般采用0.05～0.5 mol/L的乙酸溶液或0.15 mol/L的檸檬酸溶液，將膠原溶解出來[4]。用酸法提取的膠原，膠原分子的端肽成分得到了較好保留，但提取時間較長，且存在溶劑殘留，因此不利于提取物的加工利用。堿法因為容易造成膠原水解為小分子片段，破壞了膠原的螺旋結(jié)構(gòu)，因此在提取具有較高螺旋完整度的膠原產(chǎn)物時不推薦使用。酶法采用的蛋白酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶等，通常是0.5%～2.0 %的胃蛋白酶。酶法的提取效果較酸法好，主要在于其可以限制性的切除膠原分子的端肽，而對膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)沒有影響，并且酶法操作簡單，耗時較短，已被普遍采用。

表2是對已報道的魚膠原提取方法的簡要?dú)w納。盡管方法思路一致，但效果不同，在實(shí)際應(yīng)用過程中，不同的提取方法往往是相互結(jié)合的。除此之外，為了最大程度保證膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)不被破壞，整個提取過程的溫度多控制在4 ℃左右。同時，提取時間對膠原的提取效果也有一定影響。

表2　魚膠原提取方法

3　魚類加工副產(chǎn)物中膠原的提取效果

盡管魚皮、魚鱗、魚骨、魚鰭、魚鰾等不同魚類加工副產(chǎn)物均可作為膠原提取的原料，但提取效果存在較大差異。對魚膠原的提取工藝研究多是以提取率為評價指標(biāo)，部分還考察了膠原的純度。提取率是指提取到的產(chǎn)物中膠原占原料中膠原的百分比；純度多表示提取到的產(chǎn)物中膠原占產(chǎn)物的百分比。

表3為已報道的從不同魚類加工副產(chǎn)物中提取膠原的提取條件及效果?？梢钥闯?，魚皮和魚

鰾膠原的提取率較高，魚鱗、魚骨和魚鰭的較低。相比魚皮和魚鰾，魚鱗、魚骨和魚鰭中的膠原較難溶出，這與它們的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在提取時可加大原料的粉碎處理，以此增大溶劑與原料的接觸面積，提高膠原提取率。此外，從魚皮和魚鰾中提取到的膠原，其純度顯著高于從魚鱗、魚骨和魚鰭中提取到的膠原，主要在于后者中含有更多的灰分、雜蛋白等非膠原成分，因此在制備膠原時，必須重視對后者的前處理，以最大程度去除原料中的非膠原成分。通過紫外光譜分析也得出了相一致的結(jié)論[18]。

表3　不同魚類加工副產(chǎn)物中膠原的提取條件及效果

(續(xù)表)

注：*表示提取率(以濕重計)；+表示純度；#表示提取率(以干重計)。

4　膠原性質(zhì)分析

膠原作為脊椎動物體內(nèi)最豐富的蛋白質(zhì)，除了具有一般蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)外，還因其特有的三股螺旋結(jié)構(gòu)而被賦予特殊的性質(zhì)[30-32]。魚膠原具有其他來源膠原相似的沉淀性、膠體性、易變性和凝固性等特性。然而，魚類屬于變溫動物，膠原性質(zhì)上具有若干特異性：即使在低溫下膠原也易溶于稀酸；魚膠原的熱穩(wěn)定性較低，并呈現(xiàn)魚種和組織特異性。

表4簡要描述了從不同魚類加工副產(chǎn)物中提取到的膠原的性質(zhì)異同?？梢园l(fā)現(xiàn)，從不同魚類加工副產(chǎn)物中提取得到的膠原均為I型膠原，其相對分子質(zhì)量、紫外吸收特性和紅外光譜分析結(jié)果與I型膠原一致。但是，不同來源魚膠原的性質(zhì)也有些差異，主要表現(xiàn)在氨基酸組成和熱穩(wěn)定性方面，如來源于體內(nèi)組織(魚骨、魚鰾)膠原的亞氨基酸含量和熱穩(wěn)定性高于體表組織(魚皮、魚鱗、魚鰭)的膠原。有關(guān)文獻(xiàn)[4,33-34]表明，亞氨基酸在維持膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用，這是由于亞氨基酸中的吡咯環(huán)有助于形成使三股螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的非共價鍵，這可能也是不同來源魚膠原物化性能(如熱穩(wěn)定性)存在差異的原因所在。對此，可根據(jù)膠原產(chǎn)品的使用要求選擇從不同魚類加工副產(chǎn)物中進(jìn)行提取。

表4　不同來源魚膠原性質(zhì)分析

5　展望

我國魚類加工市場潛力巨大，已形成較為龐大的以冷凍冷藏品為主，魚糜制品、腌制品、干制品、熏制品、罐頭制品、調(diào)味品、調(diào)味休閑食品等多個門類為輔的較為完善的加工體系，這為我國魚類加工副產(chǎn)物的綜合利用提供了質(zhì)優(yōu)價廉、源源不斷的原料。然而，我國對于魚類加工副產(chǎn)物的綜合利用目前仍處于起步階段，尚缺乏有效的處理手段。加強(qiáng)對魚類加工副產(chǎn)物的深度開發(fā)，尤其是開發(fā)高科技含量、高附加值的膠原產(chǎn)品，不僅對于魚類加工產(chǎn)業(yè)的升級和環(huán)境保護(hù)具有重要意義，而且也能支持和促進(jìn)相關(guān)捕撈和養(yǎng)殖生產(chǎn)的發(fā)展。同時，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，超聲波、微波、超高壓等輔助技術(shù)逐步應(yīng)用到魚膠原的提取過程之中。隨著人們對于食品安全性的日益重視，魚膠原將逐步替代畜禽膠原，并將在某些領(lǐng)域得到快速發(fā)展，從魚類加工副產(chǎn)物中提取膠原將具有十分廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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Extraction and characterization of collagen from different fish processing by-products

HU Yang1，2, ZHU Shichen1, XIONG Shanbai1，2, LIU Youming1, YOU Juan1，2, YIN Tao1

(1TheSubCenterofNationalTechnologyandR&DofStapleFreshwaterFishProcessing,CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China;2CollaborativeInnovationCenterforEfficientandHealthProductionofFisheriesinHunanProvince,Changde415000,China)

A large amount of fish processing by-products such as fish skins, fish scales, fish bones, fins and swim bladders are generated along with the development of fish processing industry, and high value utilization of these kinds of by-products has attracted the attention of scientists. Currently, these fish processing by-products are usually made into snack foods, fish meals or collagen products, and due to the higher added-value of collagen products, the extraction of collagen has become a research hotspot. Based on the above background, this work firstly introduced the distribution of collagen in different fish processing by-products, and reviewed the latest developments on the main extraction methods. Furthermore, the extraction rate, purity and physicochemical properties of collagen from different fish processing by-products were also compared and analyzed in this work. Finally, it looked into the prospects and development trends of collagen production using fish by-products as raw materials, proposed that acid swelling-pepsin digestion method was more suitable for fish collagen extraction and had promising prospects especially for fish skin collagen extraction.

fish collagen; fish processing by-products; utilization; research situation

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.009

2016-05-05

2016-07-29

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金(2662015QC014)；湖北省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(2015CFB391)；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)新進(jìn)博士科研啟動專項(2662014BQ053)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(21506070)

胡楊(1987—)，男，講師，博士，研究方向：水產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：huyang@mail.hzau.edu.cn

熊善柏(1963—)，男，教授，博士，研究方向：水產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：xiongsb@mail.hzau.edu.cn

TS254.9

A

1007-9580(2016)04-044-07