响应面优化马鲛鱼鱼皮胶原蛋白的提取工艺
朱航
摘 要：以马鲛鱼废弃鱼皮为材料，采用热水浸提法和酸提法进行胶原蛋白提取工艺的研究。热水浸提法以料液比、温度、时间为单因素，酸提法以料液比、酸浓度、时间为单因素，通过单因素试验和响应面分析对马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取进行最佳优化。结果显示，热水浸提法的最优条件为：料液比1∶75、浸提温度55℃、浸提时间6.5h，胶原蛋白提取率达到90.5%;酸提法最优条件为：料液比1∶70、乙酸浓度0.5mol/L、时间13.5h，胶原蛋白提取率达到68.0%。
关鍵词：马鲛鱼鱼皮 ?胶原蛋白 ?提取工艺
马鲛鱼肉质细嫩，营养丰富，含有脂质、蛋白质和矿物质等营养成分，既是宝贵的海洋生物资源，也是一种经济价值较高的海产优质鱼类，其主要分布于我国东海、黄海、渤海等海域[1]。我国作为渔业大国，水产品加工处理所产生的下脚料（鱼皮、鱼骨、鱼内脏等）远远超过原材料的加工部分[2]，而这些下脚料也拥有着丰富的胶原蛋白、钙质、鱼油等资源。如水产品加工处理后的下脚料能够得到充分利用，不仅可以增加鱼类的经济价值，更有利于环境的绿色发展。其中，由于胶原蛋白具有止血增生、生物降解、生物相容、抑制衰老、美容护肤等作用，故深受研究者的青睐[3]。胶原蛋白常用的提取方法有热水抽提法、酸提法、酶提法、盐提法和碱提法等，且不同方法有各自的优缺点[4-5]。本研究拟采用热水浸提法和酸提法，以马鲛鱼下脚料——鱼皮为材料，提取马鲛鱼鱼皮胶原蛋白，以期优化马鲛鱼鱼皮胶原蛋白的提取工艺，为马鲛鱼高值化提供理论依据和技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
材料：福建省崇武县某鱼卷加工企业提供的马鲛鱼新鲜鱼皮，在-20℃以下环境中保存。
试剂：乙酸、L-羟脯氨酸、硫酸、一水柠檬酸、氢氧化钠、无水乙酸钠、氯胺T、对二甲氨基苯甲醛、正丙醇、异丙醇、高氯酸、壳聚糖，均为分析纯。
1.2 仪器与设备
数显恒温水浴锅，HH-4A型，常州国华电器有限公司;
分光光度计，V-1800型，上海美谱达仪器有限公司;
冷冻低俗离心机，L535R型，湘仪离心机有限公司;
IKA手握式组织匀浆机，T10 basic型，艾卡仪器设备有限公司;
多通道智能加热磁力搅拌器，SP200-2T型，杭州米欧仪器有限公司;
电脑恒温层析柜，CXG-1型，上海青浦沪西仪器厂;
1.3 试验方法
1.3.1 鱼皮的预处理
新鲜的马鲛鱼鱼皮中含有大量的鱼肉、鱼刺、脂肪等杂质，通过手工处理和试剂浸泡——经H2O2和NaOH等加工处理进行脱脂肪、脱腥、脱杂蛋白[6-7]，做到无损害处理鱼皮。
1.3.2 热水浸提法[8-9]的单因素试验
通过预实验确定热水浸提法单因素试验的基本条件为：料液比1∶60、浸提温度50℃、浸提时间6h，通过控制变量来分析各单因素对鱼皮胶原蛋白提取率的影响。称取0.5g鱼皮溶胀，在浸提温度50℃、浸提时间6h条件下，料液比分别以1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80、1∶90匀浆提取;在料液比为1∶60、浸提时间为6h条件下，温度分别采用30、40、50、60、70、80℃匀浆提取;在料液比1∶60、浸提温度50℃条件下，浸提时间设置为3、4、5、6、7、8h匀浆提取。然后测定羟脯氨酸浓度，计算胶原蛋白提取率。
1.3.3 酸提法[10-11]的单因素试验
通过预实验确定酸提法单因素试验的基本条件为：料液比1∶70、乙酸浓度0.5mol/L、浸提时间12h，通过控制变量来分析各单因素对鱼皮胶原蛋白提取率的影响。称取0.5g鱼皮溶胀，在乙酸浓度0.5mol/L、浸提时间12h条件下，料液比以1∶50、1∶60、1∶70、1∶80、1∶90、1∶100匀浆提取;在料液比1∶70、浸提时间12h条件下，乙酸浓度采用0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mol/L匀浆浸提;在料液比1∶70、乙酸浓度0.5mol/L条件下，浸提时间设置为3、6、9、12、15、18 h匀浆提取，且提取均处于4℃下磁力搅拌。然后测定羟脯氨酸浓度，计算胶原蛋白提取率。
1.3.4 马鲛鱼胶原蛋白提取率的测定
马鲛鱼鱼皮处理完毕后，在5000r/min冷冻离心20min后取若干体积上清液，采用国标测定羟脯氨酸法[12]绘制羟脯氨酸标准曲线，并进行马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率的测定。（注：羟脯氨酸为胶原蛋白特异性氨基酸，若显色过程出现白色沉淀而未出现正常红色显色反应，需在测定前调整水解液的pH值，避免等电点。）
胶原蛋白提取率（%）=提取液中羟脯氨酸含量×11.1/鱼皮中胶原蛋白理论含量×100（式中：11.1为换算系数[13]）
1.3.5 响应面分析
根据单因素试验结果，结合Design Expert8.0软件选取合适的参数进行响应面分析，对马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率进行二次多项回归拟合[14-15]，得出最优的马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取工艺。
2 结果与分析
2.1 羟脯氨酸标准曲线的测定
羟脯氨酸的标准线性回归方程为：Y=0.22X+0.0062，相关系数R2=0.999，说明该线性回归方程具有意义，试验所得吸光度可以换算成羟脯氨酸含量。
2.2 料液比、浸提时间、浸提温度对马鲛鱼鱼皮胶原蛋白热水浸提法的影响
由图2可知，在浸提温度50℃、浸提时间6h条件下，当料液比较低时，鱼皮匀浆不能充分地分散于体系之中，导致胶原蛋白提取率偏低;随着料液比增加，提取率开始逐步增大;当料液比为1∶70时提取率最高，其后提取率出现轻微波动，其可能是匀浆过程不彻底或测定处理的操作不当等原因导致。在料液比1∶60，浸提时间6h条件下，提取率随温度的升高迅速提高，在50℃时出现峰值;而后开始逐渐降低，这可能由于浸提温度过高，鱼皮的胶原纤维组织发生收缩现象，使胶原蛋白被束缚在鱼皮组织之中无法溶出。在料液比为1∶60、浸提温度为50℃条件下，提取率先快速上升而后趋近平缓或轻微降低，在6h左右提取率达到最大;之后，随着浸提时间增加，鱼皮匀浆液出现的悬浮物质开始增多，可能导致在后续分离处理中提取率下降。故选取1∶60、1∶70、1∶80，40℃、50℃、60℃，5h、6h、7h为响应面试验的因素水平。
2.3 料液比、浸提时间、乙酸浓度对马鲛鱼鱼皮胶原蛋白酸提法的影响
由图3可知，在乙酸浓度0.5mol/L、浸提时间12h条件下，当料液比较低时，鱼皮样品不能完全浸泡在乙酸溶液中，胶原蛋白提取率不充分;随着料液比增加，提取率开始逐步增大，当料液比为1∶70时提取率最高;其后提取率出现轻微波动，胶原蛋白含量基本没有增加。在料液比1∶70、浸提时间12h条件下，较低浓度的乙酸溶液有着可观的提取率;隨着乙酸浓度逐渐增加，提取率先快速上升而后开始逐渐降低，在乙酸溶液为0.5mol/L时提取率最高;出现此现象可能由于胶原蛋白在较低pH值的环境下会发生变形，不利于溶出。在料液比1∶70、乙酸浓度0.5mol/L条件下，提取率随时间的延长迅速提高，在12h时提取率最大，而后开始缓慢降低，这可能由于随着浸提时间增加，鱼皮肌原纤维结构在酸性溶液中逐渐溶胀，促进胶原蛋白溶出，但是时间过长会导致鱼肉组织悬浮物增多，影响后续的分离，使胶原蛋白造成浪费。故选取1∶60、1∶70、1∶80，0.4mol/L、0.5mol/L、0.6moL/L，9h、12h、15h为响应面试验的因素水平。
2.4 马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取条件响应面优化
2.4.1 热水浸提法
试验设计与结果分别见表1、图4。以料液比（A）、温度（B）、时间（C）作为响应因子，马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率作为指标，软件分析得出二次回归方程：马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率（%）=+87.36+4.75A+4.98B+3.68C+4.17AB+4.08AC+1.78BC-8.47A2-9.22B2-6.77C2，此法胶原蛋白提取率模型p0.05不显著，说明此模型回归方程拟合度较高。
2.4.2 酸提法
试验设计与结果分别见表2、图5。以料液比（A）、乙酸浓度（B）、时间（C）作为响应因子，马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率作为指标，得出二次回归方程：马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取率（%）=+67.6+0.51A+0.56B+1.33C+0.52AB+0.25AC+0.25BC-1.76A2-1.76B2-1.54C2，此法胶原蛋白提取率模型p0.05不显著，说明此模型回归方程拟合度较高。
3 结论
胶原蛋白的提取可以采用不同方法，而不同的方法又各有优缺点，因此不能仅将提取率这一项指标作为判断依据，还需进一步研究对鱼皮胶原蛋白提取方法加以说明。本文采用热水浸提法和酸提法提取马鲛鱼鱼皮胶原蛋白，结合单因素和响应面分析对提取工艺进行优化，结合实际情况得出热水浸提法的最佳提取条件为：料液比1∶75、浸提温度55℃、浸提时间6.5h，胶原蛋白提取率达到90.5%;酸提法最佳提取条件为：料液比1∶70、乙酸浓度0.5mol/L、时间13.5h，胶原蛋白提取率达到68.0%。在此基础上进行平行实验加以验证发现误差较小，说明模型拟合度高，可以较好地体现两种方法对马鲛鱼鱼皮胶原蛋白提取的情况。
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