響應(yīng)面法優(yōu)化酶解提取帶魚內(nèi)臟魚油的工藝研究

邱小明，謝建華，2(.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建漳州 363000；2.農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建漳州 363000)

響應(yīng)面法優(yōu)化酶解提取帶魚內(nèi)臟魚油的工藝研究

邱小明1，謝建華1，2
(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建漳州 363000；2.農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建漳州 363000)

采用響應(yīng)面法優(yōu)化酶解提取帶魚內(nèi)臟魚油，在篩選出最優(yōu)酶的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素和響應(yīng)面優(yōu)化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胰蛋白酶酶解帶魚內(nèi)臟提取魚油的效果最好，用胰蛋白酶酶解得到魚油的最佳工藝參數(shù)條件為：加酶量2.08 %，酶解溫度38.34 ℃，pH值8.21，酶解時(shí)間180 min，預(yù)測(cè)魚油提取率為79.0 %。為了方便實(shí)際操作，選取魚油提取率的最佳工藝參數(shù)條件為：加酶量2.0 %，酶解溫度38 ℃、pH值8.20，酶解時(shí)間180 min，得到的實(shí)際魚油提取率78.66 %，這與預(yù)測(cè)值基本相吻合。因此，響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)可靠性較高。

響應(yīng)面法；酶解法；帶魚；魚油

帶魚又稱白帶魚，是我國(guó)四大海洋經(jīng)濟(jì)魚類之一，年捕撈達(dá)量達(dá)400多萬噸，為我國(guó)最重要的海洋魚類資源[1-2]。帶魚的利用主要被加工成魚肉制品，而加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)臟、魚頭、魚骨等下腳料占原料魚的40 %左右[3]，目前主要用于生產(chǎn)飼料。魚油中含有豐富的不飽和脂肪酸，具有降低膽固醇、治療心臟病、抗衰老、抗疲勞、預(yù)防心肌梗塞等多種功效[4-5]。研究表明，帶魚的內(nèi)臟含油量高，維生素A含量豐富[6]。目前，對(duì)于魚油的提取主要采用蒸煮提取、溶劑提取、壓榨、淡堿水解、酶解等方法[7]，溶劑提取、蒸煮提取、壓榨對(duì)魚油的提取率較低，淡堿水解提取不易控制，提取率不穩(wěn)定，而酶解法提油具有提取率高、反應(yīng)條件穩(wěn)定、有效成分損失少等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用酶解法對(duì)帶魚內(nèi)臟中的魚油進(jìn)行提取，研究不同的蛋白酶對(duì)魚油提取的影響，并優(yōu)化蛋白酶對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取的工藝條件，得出最佳的酶解工藝參數(shù)，為帶魚的綜合利用提供參考。

1 材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

帶魚，從漳州水產(chǎn)批發(fā)市場(chǎng)購(gòu)得。

1.2 試劑

胃蛋白酶(3×104U/g)、胰蛋白酶(5×104U/g)、木瓜蛋白酶(2×105U/g)、中性蛋白酶(1×105U/g)、堿性蛋白酶(3×104U/g)均購(gòu)于華順生物技術(shù)有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、石油醚等均為分析純。

1.3 儀器

JA5003型電子分析天平(常州市宏衡電子儀器廠)，RE-6000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠)；DS-1型組織搗碎機(jī)(上海欣茂儀器有限公司)；PHS-3G型pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原料預(yù)處理

將帶魚內(nèi)臟取出，并搗碎成糊狀冷藏備用。

2.2 酶解法提取帶魚內(nèi)臟魚油過程

精確稱取帶魚內(nèi)臟25 g于錐形瓶中，加水調(diào)節(jié)固液比，加氫氧化鈉或鹽酸溶液調(diào)節(jié)酶解pH值，加蛋白酶后搖勻密封，于水浴鍋中加熱到設(shè)定溫度，搖勻后調(diào)節(jié)pH值使蛋白酶失活。酶解完成后，過濾殘?jiān)妹附庖骸?/p>

2.3 帶魚內(nèi)臟魚油提取工藝

2.3.1 帶魚內(nèi)臟酶解蛋白酶的篩選

對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油分別采用胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶5種蛋白酶進(jìn)行提取，在各自最適的pH值、溫度下，設(shè)置提取條件為酶添加量2.0 %，時(shí)間150 min，篩選出帶魚內(nèi)臟魚油提取率最高的酶。

2.3.2 酶解工藝的研究

2.3.2.1 帶魚內(nèi)臟酶解單因素研究

在上述2.3.1篩選出最優(yōu)酶的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察加酶量、酶解pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間等因素對(duì)帶魚內(nèi)臟酶解的影響，計(jì)算魚油提取率。

(1)加酶量對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。設(shè)定酶解pH值7.5、溫度45 ℃、時(shí)間150 min，探討不同加酶量(0.5 %、1.0 %、1.5 %、2.0 %、2.5 %)對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。

(2)酶解pH值對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。在上述(1)得出的最適加酶量的基礎(chǔ)上，設(shè)定酶解溫度45 ℃、時(shí)間150 min，探討不同酶解pH值(6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。

(3)酶解溫度對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。在上述(1)(2)得出的最適加酶量、酶解pH值的基礎(chǔ)上，設(shè)定酶解時(shí)間150 min，探討不同酶解溫度(35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃)對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。

(4)酶解時(shí)間對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響。在上述(1)(2)(3)得出的最適加酶量、酶解pH值、溫度的基礎(chǔ)上，探討不同酶解時(shí)間(90 min、120 min、150 min、180 min、210 min)對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率影響。

2.3.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述篩選出最優(yōu)酶和單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以魚油提取率作為指標(biāo)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)確定帶魚內(nèi)臟魚油提取的最佳酶解工藝條件。

2.4 魚油提取率計(jì)算

酶解魚油的提取參照吳奎元的方法，采用萃取法，萃取條件為：石油醚75 mL、pH值4.0、溫度40℃、時(shí)間為30 min[8]，并計(jì)算出提取魚油的質(zhì)量。

采用索氏抽提法測(cè)定粗脂肪含量，其操作參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“食品中粗脂肪的測(cè)定”(GB/T 14772-2008)進(jìn)行。經(jīng)測(cè)定，帶魚內(nèi)臟的粗脂肪含量為8.69 %，說明帶魚內(nèi)臟的粗脂肪含量較高。

3 結(jié)果與分析

3.1 帶魚內(nèi)臟酶解蛋白酶的篩選

對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油分別采用胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶5種蛋白酶進(jìn)行提取，在各自最適的pH值、溫度下，提取條件為酶添加量2.0%，時(shí)間150 min，篩選出帶魚內(nèi)臟魚油提取率最高的酶。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同蛋白酶對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

從表1可知，胰蛋白酶酶解帶魚內(nèi)臟魚油提取率最高，達(dá)到了70.15%，其次為堿性蛋白酶，而中性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶的提取效果較差。說明，酶對(duì)蛋白質(zhì)的水解具有專一性，胰蛋白酶對(duì)帶魚內(nèi)臟中蛋白質(zhì)的肽鍵具有較好水解作用，可分離出相結(jié)合的脂肪分子。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇胰蛋白酶進(jìn)行酶解帶魚內(nèi)臟，并進(jìn)一步優(yōu)化提取魚油的條件。

3.2 帶魚內(nèi)臟酶解單因素研究

3.2.1 加酶量對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

用胰蛋白酶進(jìn)行酶解，設(shè)定酶解pH值7.5、溫度45 ℃、時(shí)間150 min，探討不同加酶量對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 加酶量對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

從圖1可知，帶魚內(nèi)臟魚油提取率隨加酶量的增加先升高后降低，在加酶量為2.0 %時(shí)，魚油提取率最高。隨著加酶量的增加，酶解效率提升，但是酶過量時(shí)，可能酶本身也會(huì)產(chǎn)生水解而導(dǎo)致酶活性下降。

3.2.2 酶解pH值對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

用胰蛋白酶進(jìn)行酶解，在上述3.2.1得出的最適加酶量的基礎(chǔ)上，設(shè)定酶解溫度45 ℃、時(shí)間150 min，探討不同酶解pH值對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響(圖2)。

圖2 不同酶解pH值下對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油的提取率

由圖2可以看出，帶魚內(nèi)臟魚油的提取率隨酶解pH值的升高先增加后降低，用胰蛋白酶進(jìn)行酶解，在pH值為8時(shí)，魚油提取率最高。酶解pH值過高或過低都會(huì)影響到酶的活性以及底物與酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

3.2.3 酶解溫度對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

用胰蛋白酶進(jìn)行酶解，在上述3.2.1、3.2.2得出的最適加酶量、酶解pH值的基礎(chǔ)上，設(shè)定酶解時(shí)間150 min，探討不同酶解溫度對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 酶解溫度對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

從圖3可知，帶魚內(nèi)臟魚油提取率隨酶解溫度的升高先增加后降低，在溫度為35 ℃和40 ℃時(shí)，魚油提取有較好效果，其中40 ℃時(shí)魚油提取率稍高于35 ℃。酶解溫度過高或過低都會(huì)影響到酶的活性，影響酶對(duì)底物的作用效果，此外酶解溫度過高也會(huì)引起魚油發(fā)生氧化作用。

3.2.4 酶解時(shí)間對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

用胰蛋白酶進(jìn)行酶解，在上述3.2.1、3.2.2、3.2.3得出的最適加酶量、酶解pH值、溫度的基礎(chǔ)上，探討不同酶解時(shí)間對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)帶魚內(nèi)臟魚油提取率的影響

從圖4可知，帶魚內(nèi)臟魚油提取率隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，在酶解時(shí)間達(dá)到180 min后，魚油提取率趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)?，帶魚內(nèi)臟中蛋白質(zhì)逐漸被胰蛋白酶水解，分離出相結(jié)合的脂肪分子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)臟中蛋白質(zhì)逐漸減少，在反應(yīng)180 min后，蛋白質(zhì)大部分被水解，脂肪分子也基本被釋放出，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，魚油提取率升高也不明顯。

3.3 響應(yīng)面優(yōu)化酶解帶魚內(nèi)臟內(nèi)臟魚油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案

從上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，加酶量、酶解溫度、pH值對(duì)魚油提取率的影響顯著。因此，依據(jù)Design Expert(version 8.0.3)軟件的Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以魚油提取率為響應(yīng)值，以加酶量、酶解溫度、pH值為考察指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)三因素三水平，對(duì)提取條件開展響應(yīng)面分析，各因素水平見表2。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素水平表

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以Y(%)魚油提取率為響應(yīng)值，A(加酶量)、B(酶解溫度)、C(pH值)三因素為自變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

利用Design Expert軟件，建立魚油提取率Y與影響因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為：Y=-74.36500+1.51348A+8.59080B+0.84930C-0.05200AB-0.003AC-0.015BC-0.00781A2-5.042B2-0.02255C2。

其中，Y為魚油提取率(%)，A為加酶量(%)，B為酶解溫度(℃)，C為pH值。

表4 回歸模型方差分析

通過表4的回歸模型方差分析可知，P值小于0.001，R2=0.9863，模型具有極顯著性，說明該數(shù)學(xué)模型能很好地解釋98.63 %的魚油提取率的變化。從表4可知，A、B、C三因素對(duì)魚油提取率Y影響均極顯著(P<0.01)，且酶解溫度和pH值的影響程度高于加酶量。BC對(duì)魚油提取率Y的影響也顯著(P<0.05)。而回歸模型的失擬相不顯著(P=0.2034>0.05)，說明該數(shù)學(xué)模型與真實(shí)響應(yīng)面的擬合度較高。

3.3.4 響應(yīng)面分析

圖5 加酶量與酶解溫度對(duì)魚油提取率的響應(yīng)面圖及等高線圖

從圖5可知，響應(yīng)面的坡度比較陡，不同水平的酶解溫度和加酶量對(duì)魚油提取率的影響顯著，與加酶量相比，不同酶解溫度水平對(duì)響應(yīng)曲線最高值影響較為顯著。從等高線圖可知，整個(gè)圖形呈橢圓形，說明加酶量與酶解溫度的交互作用比較明顯。

圖6 pH值與酶解溫度對(duì)魚油提取率的響應(yīng)面圖及等高線圖

如圖6所示，響應(yīng)面的坡度比較陡，說明不同水平的酶解溫度和pH值對(duì)魚油提取率的影響顯著。從pH值與酶解溫度的等高線圖可知，整個(gè)圖形呈橢圓形，說明pH值與酶解溫度的交互作用對(duì)魚油提取率的影響較小。

圖7 加酶量與pH值對(duì)魚油提取率的響應(yīng)面圖及等高線圖

如圖7所示，不同水平的加酶量對(duì)pH值的響應(yīng)曲線最高值影響相對(duì)較小，而不同pH值對(duì)加酶量的響應(yīng)曲線最高值影響比較高。從等高線圖可知，整個(gè)圖形呈近橢圓形，兩者之間的交互作用顯著。

3.4 最佳提取方案驗(yàn)證

從上述的方差分析和響應(yīng)面分析可知，加酶量、酶解溫度、pH值三因素對(duì)魚油提取率的影響均極顯著，且從這三個(gè)因素間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖可知，魚油提取率存在最高值。因此，對(duì)魚油提取率與影響因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最高魚油提取率的最佳工藝參數(shù)條件為：加酶量2.08 %、酶解溫度38.34 ℃、pH值8.21、酶解時(shí)間180 min，預(yù)測(cè)魚油提取率為79.0 %。為了方便實(shí)際操作，選取魚油提取率的最佳工藝參數(shù)條件為：加酶量2.0 %、酶解溫度38 ℃、pH值8.20、酶解時(shí)間180 min，得到的實(shí)際魚油提取率78.66 %，這與預(yù)測(cè)值基本相吻合。因此，響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)可靠性較高。

4 結(jié)論

帶魚內(nèi)臟中含油量較高，酶解法提油具有提取率高、反應(yīng)條件穩(wěn)定、有效成分損失少等優(yōu)點(diǎn)。本文采用響應(yīng)面法優(yōu)化酶解提取帶魚內(nèi)臟魚油，在篩選出最優(yōu)酶的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素和響應(yīng)面優(yōu)化分析，胰蛋白酶酶解帶魚內(nèi)臟提取魚油的效果最好，響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)可靠性較高。

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Optimization of Enzyme Hydrolysis of Oil From Hairtail Viscera by Response Surface Method

QIU Xiao-ming1，XIE Jian-hua1,2

(1.Foods and Biology Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou Fujian 363000,China；2.The Applied Technical Engineering Center of Further Processing and Safety of Agricultural Products，Higher Education Institutions in Fujian Province， Zhangzhou Fujian 363000,China)

To optimize the extraction technique for oil from hairtail viscera by enzyme hydrolysis,based on the optimal enzyme, single factor and response surface method were used to optimize the enzymolysis conditions in the extraction process. The result showed that trypsin enzyme has the best effect on the extraction of hairtail viscera oil，and the optimal enzymolysis conditions was the amount of enzyme 2.08 %, enzymolysis temperature 38.34 ℃, the pH value 8.21, and the enzymolysis time 180 min. In actual operation, the optimal process conditions of hairtail viscera oil instead: the amount of enzyme 2.0 %, enzymolysis temperature 38 ℃, the pH value 8.20，the enzymolysis time 180 min，the oil extraction rate is 78.66 %, was consistent with the theoretical value. This suggested that the optimal enzymolysis conditions has high reliability.

response surface method; enzymolysis; hairtail; fish oil

2016-12-25

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“葡甘聚糖仿生膜的構(gòu)建及性能研究”(2014J01378)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目“采用魚加工下腳料為原料制備高純度魚膠原蛋白的研究”(JAT160870)。

邱小明(1979- )，男，講師，碩士，從事食品生物技術(shù)與生物化工研究。

Q503

A

2095-7602(2017)06-0070-07