現代加工技術在明膠制備中的應用展望

陳麗清，馬 良,2，張宇昊,2,*

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400716)

現代加工技術在明膠制備中的應用展望

陳麗清1，馬 良1,2，張宇昊1,2,*

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400716；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400716)

在總結傳統明膠制備方法的基礎上，針對其現存問題，結合明膠制備機理對通過現代加工技術改進明膠傳統制備工藝的可行性進行理論分析，并對現代加工技術可能對明膠的性質產生的影響進行論述，最后對明膠生產工藝的發展趨勢進行展望。

現代加工技術；明膠；制備；性質

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、膠凝性等特點而廣泛應用于食品、醫藥等領域。明膠來源于動物結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，每個原膠原分子由3條α-肽鏈組成，α-肽鏈自身為α螺旋結構，3條α-肽鏈則以平行、右手螺旋形式纏繞成“草繩狀”3股螺旋結構。如果采用一些物理或化學方法來破壞穩定膠原纖維分子間和分子內的共價交聯和非共價鍵，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，三螺旋結構解體，進而發生輕度水解即可制得明膠溶液。本文對傳統明膠制備方法進行總結，并針對其現存問題，結合明膠制備機理對通過現代加工技術改進明膠傳統制備工藝的可行性進行理論分析，以及對現代加工技術可能對明膠的性質產生的影響進行論述，以期為明膠生產工藝的發展提供一定參考。

1 明膠的制備方法

1.1 化學法

化學法是傳統的明膠制備方法，主要是通過酸、堿等作用破壞穩定膠原纖維分子間和分子內的共價交聯和非共價鍵，使膠原分子充分釋放，再通過加熱使維持膠原三螺旋結構的氫鍵也斷裂從而得到明膠溶液，明膠溶液經分離純化即可得到明膠產品[1-2]。目前常用的化學方法主要有酸法、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原料進行預處理，目的是使膠原蛋白分子鏈上的堿性基團或酸性基團與酸或堿結合，分子內和分子間的離子交聯和氫鍵交聯被打開，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，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)和色素等有機物，使溶解的非膠原物質在清洗時隨廢液除去，因此，堿法能夠生產出高質量的明膠。相對于堿法，酸法預處理的時間縮短，制得明膠的凝膠強度和黏度的比值高，而先后用酸液和堿液浸泡原料的酸堿法可使預處理時間進一步縮短。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溶液對魚皮進行預處理(各120min)，然后熱水抽提6h，得到了品質良好的魚皮明膠(明膠得率為65.21%，凝膠強度和黏度分別為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原料實施預處理制備明膠的方法稱為鹽堿法。該法主要針對堿法生產中堿液可能會破壞膠原蛋白的三螺旋結構，使膠原纖維由最大膨脹轉化為溶化的問題，通過添加硫酸鈉來穩定螺旋體，減低堿的膨脹和分散作用，阻止膠原達到最大膨脹[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，其中鹽堿法制膠預處理時間(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量也高于堿法和酸法，其得率、黏度和凝膠強度分別為18.41%、10.7mPa·s、848.7g/cm2。

明膠的傳統化學制備法目前應用較為廣泛，但是這些方法存在著生產周期長、效率低、水電資源消耗大、酸堿廢液排放量大、環境污染嚴重等缺點。如堿法制備明膠時雖然制得的明膠質量較高，但生產周期長，耗水量大，生產1t明膠至少需要700t水，且需排放大量的堿性廢液，嚴重污染水資源、土壤及空氣。在提倡節能減排的21世紀，這些傳統的制備方法已經遠不能適應當前國家環境保護的高標準要求，因此，尋找新的清潔環保的方法，逐漸取代傳統的酸、堿等化學方法以實現清潔生產是明膠產業發展的必然趨勢。

1.2 酶法

酶解制膠無論在工藝上和設備上均屬于一種新的制膠方法，近年來國內外關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)對膠原蛋白進行預處理，使膠原蛋白部分降解。膠原分子的主體受三螺旋構型保護而保持完整，但非螺旋肽區(末端肽)被蛋白酶部分降解而導致分子內和分子間交聯的減少，從而促進膠原的溶出[1]。位紹紅[5]采用不同的預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(二者質量比為4:1，混合酶濃度為0.2%(酶與底物比))法制膠的預處理時間最短(1h)，制得的明膠的質量較高，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，相對于傳統的化學方法，酶法的生產周期縮短數倍、產品質量穩定、產率高，減少了浸酸、浸灰等工序，耗水量和環境污染都減小，改進了傳統工藝的不足。但該工藝中蛋白酶用量較大，生產成本較高，這也是該工藝一直未能實現產業化的原因所在。

2 現代加工技術在明膠制備中應用可行性分析

傳統的明膠制備工藝存在著生產周期長、效率低、水電資源消耗大、環境污染嚴重等缺點，而酶法雖具有很好的發展前景，但目前由于生產成本較高等原因難以投入實際生產中。由此可見，目前明膠生產工藝中，主要問題集中在預處理部分，采用酸、堿、酶等處理的主要目的是破壞膠原蛋白中三四級結構，使其釋放膠原分子，有利于提膠過程中獲得高質量明膠。

現代加工技術是以“高速、高效、精密、微細、自動化、綠色”為特征的加工技術體系，包括超聲波輔助提取技術、微波輔助提取技術和超高壓提取技術等。研究表明，這些技術可以對蛋白質三四級結構產生影響，破壞其非共價鍵結構。因此，采用現代加工技術取代或部分取代酸、堿、酶等方法對提膠原料進行預處理，可能是改進明膠傳統生產工藝，建立清潔生產的有效方法。

2.1 超聲波輔助提取技術

超聲波輔助提取技術(ultrasound-assisted extraction，UAE)是指以常規的提取技術為基礎，利用超聲波發生器產生的超聲波作為輔助能量以促進目標組分的提取率的一種提取分離技術。超聲波是頻率高于20kHz的聲波，具有機械效應、熱效應和空化效應。超聲波的的空化效應可以使介質內部產生高溫、高剪切力和高壓力，可以破壞氫鍵和范德華力，導致蛋白質變性，細胞膜結構也因此受到破壞，易于蛋白質等細胞內容物的溶出[12]；其熱機制可以使溶液的溫度升高，有利于擴散，使溶出的蛋白質增加；而其微機械振動也有助于不同物質的分離。該技術對物質提取、高分子降解和酶解反應等都有很好的促進作用，若應用于明膠的生產，可能有助于膠原物質與非膠原物質的分離以及膠原蛋白的釋放和降解。Li等[13]的研究證實了這一點，他們將超聲輻射(40kHz，120W)應用于牛肌腱膠原蛋白的酶法提取中，結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，與傳統的胃蛋白酶分離方法相比，其提取時間大大縮短，得率也顯著提高(增加至傳統方法的124%)。孫丹紅[14]的研究也證實了超聲波可以促使生皮(牛皮、羊皮和豬皮)中可溶性蛋白質的溶解，有助于除去生皮中的纖維間質，并且可加速豬皮脫脂。可見，超聲波有輔助蛋白提取的功效，將這一技術應用于明膠生產，可能有助于膠原蛋白的釋放，提高提取率，縮短提取時間，加之其脫脂功效，在豬皮明膠的制備上具有良好的應用前景。

2.2 微波輔助提取技術

微波輔助提取技術(microwave-assisted extraction，MAE)是利用微波能的特性來對物料中的目標成分進行選擇性萃取從而使試樣中的某些有機成分達到與基體物質有效分離的目的[15]。微波能是一種能量形式，它在傳輸過程中可對許多由極性分子組成的物質產生作用，使其中的極性分子產生瞬時極化，并迅速生成大量的熱能，導致細胞破裂，內容物釋放。微波能夠對氫鍵、疏水作用和范德華力產生作用，使其重新分配，從而使蛋白質結構變松散，有利于降解。因此，微波輔助提取技術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]將微波技術用于輔助蛋白質(以香腸和新鮮的填滿肉類填料的意大利面為樣品)的水解，并與傳統的水解方法相對比，兩種方法所得的4-羥脯氨酸含量的RSD為0～6.4%，相對誤差為1.4%～10.0%，但水解時間卻由傳統方法的24h縮短至20min。陳海華等[17]對酸法雞皮明膠提取工藝進行改進，采用微波技術加熱提膠，并采用超聲波處理膠液。在實驗所得的最優工藝(微波處理時間11min、微波功率560W、超聲波處理時間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，提膠時間至少縮短了20h[17-18]。可見，微波對蛋白降解有輔助功效，將這一技術應用于明膠的制備中，可能有助于提高明膠的得率，縮短提膠時間，提高生產效率，而與超聲波技術聯合使用可能會使效果更佳。

2.3 超高壓提取技術

超高壓提取技術(ultra-high pressure extraction，UHPE)是指在常溫或較低溫度(通常低于100℃)的條件下，對原料液施加100MPa以上的流體靜壓力，保壓一定時間后迅速卸壓，進而完成提取過程的技術。超高壓會使聚合物的疏水作用、氫鍵和靜電作用發生變化，而對共價鍵的作用很小[19]。蛋白質的空間結構主要由氫鍵、疏水作用、靜電作用、范德華力等弱相互作用來維系的，壓力對蛋白質的這些弱相互作用產生影響，使得蛋白質的非共價鍵平衡受到破壞，從而導致蛋白質性質改變，當壓力足夠高時，蛋白質將完全展開或部分降解[19-21]。Gomez-Guillen等[22]應用超高壓技術改進以多佛箬鰨魚(Dover sole)魚皮為原料的明膠的常規酸法制備工藝，他們將超高壓應用在以下兩個階段：于10℃在酸中進行預處理的階段，以促進酸易變交聯的斷裂；于45℃溫水中進行提膠的階段，以加速膠原的水解。研究表明，應用超高壓技術改進常規工藝提取魚皮明膠，可以大大縮短預處理和提膠兩個工藝中耗時最長的階段(預處理和提膠時間由常規工藝中的3h和16～18h縮短至10min或20min)，從而使在幾分鐘內制備出高質量的明膠成為可能。可見，超高壓對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)，這一技術在明膠制備中有很大的應用前景。

綜上所述，采用超聲波、微波、超高壓等現代加工技術取代或部分取代傳統技術改進明膠制備工藝是可行的。將這些技術應用于明膠的化學法制備中，可能大大縮短生產周期、減少酸堿用量，從而提高生產效率、減少環境污染。而把這些新技術與明膠酶法制備相結合，有望克服酶法制備明膠的瓶頸，在保證產品得率和質量的基礎上，大大降低蛋白酶的用量，進而降低生產成本，為實現高品質明膠的清潔生產奠定基礎。

3 現代加工技術對明膠性質的影響

采用現代加工技術不僅可改進明膠的制備工藝，對明膠的性質也可能產生一些正面影響。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]。高分子質量組分則是提供高凝膠強度、黏彈性能和熔融/凝凍溫度的關鍵因素[22,24-25]。Gomez-Guillen等[22]采用超高壓制備魚皮明膠，實驗表明壓力的大小和時間會對明膠的得率和結構產生明顯影響，他們認為高壓可誘導蛋白聚合度增加，增加明膠中高分子質量組分，進而影響明膠的黏彈性和熔融/凝凍溫度等性質。本實驗室曾采用超高壓技術輔助提取巴沙魚皮明膠，在實驗所得的較優工藝條件(作用壓力300MPa、超高壓時間10min、提取溫度50～60℃、提取時間4h)下制得的明膠的凝膠強度可達274g/cm2，得率可達75.03%，而常規法制得的明膠的凝膠強度和得率分別為234g/cm2和66.13%[26]。可見，適宜的超高壓作用可以顯著提高魚皮明膠的凝膠強度和得率。

輻照也會影響明膠性質，Bessho等[27]曾指出明膠凝膠在大于8kGy劑量的γ-射線的輻射下發生交聯，導致不溶性，而烴基(如側鏈的烷基或苯基)是其交聯位點。Bhat等[28]指出紫外線照射可以增加交聯從而改善魚明膠的凝膠強度，他們將魚明膠樣品暴露于紫外線照射下30min和60min，凝膠強度由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，但從微波能誘導蛋白結構的重排，對蛋白質的聚集有一定的效果等相關研究報道[29-30]可以推斷微波可能會影響甚至是改善明膠的性能。

4 展 望

現有的明膠制備方法多種多樣，傳統的化學法雖然應用廣泛，但由于存在著生產周期長、效率低、水電資源消耗大、酸堿廢液排放量大以及環境污染嚴重等缺點，其應用將逐漸減少甚至被淘汰。而酶法因生產成本較高，一直難于實現產業化。因此亟待尋找新的技術改進化學法和酶法的不足，以實現清潔生產。超聲波、微波和超高壓等現代加工技術改進明膠的現有制備工藝具有可行性，并且這些技術的應用還有望提高明膠的性能，但尚需進一步深入研究。結合新技術，開發明膠的制備工藝，以提高生產效率，實現清潔生產是明膠行業的發展趨勢。

[1] 沃德A G, 考茨A. 明膠的科學與工藝學[M]. 李文淵, 譯. 北京: 中國輕工業出版社, 1982: 22-28; 148-187; 319-385.

[2] 徐潤, 梁慶華. 明膠的生產及應用技術[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 1988: 15-85.

[3] 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.

[4] 劉麗娜. 鮰魚皮明膠的制備及其功能性質研究[D]. 無錫: 江南大學,2008.

[5] 位紹紅. 羅非魚魚皮、魚鱗提取明膠的工藝研究[D]. 福州: 福建農林大學, 2008.

[6] 程波, 吳潔, 張玉蓉, 等. 酶法提取人工養殖鱘魚皮中膠原蛋白的工藝研究[J]. 食品研究與開發, 2009, 30(3): 1-4.

[7] 張峰. 酶法制備明膠的研究[D]. 北京: 北京化工大學, 2002.

[8] ROWLANDS A G, BURROWS D J. Enzyme method of manufacturing gelatin: US, 006100381A[P]. 2000-08-08.

[9] 中國科學院理化技術研究所. 酶降解骨膠原制備明膠的方法: 中國,02125447.8[P]. 2004-02-11.

[10] 中國科學院理化技術研究所. 酶法制備明膠的設備及其自動化制備方法: 中國, 02149349.9[P]. 2004-05-26.

[11] 中國科學院西北高原生物研究所. 組合酶制備食用明膠的方法: 中國, 200710018541.79[P]. 2008-01-23.

[12] TIAN Zhongmin, WAN Mingxin, WANG Supin, et al. Effects of ultrasound and additives on the function and structure of trypsin[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2004, 11(6): 399-404.

[13] LI Defu, MU Changdao, CAI Sumei, et al. Ultrasonic irradiation in the enzymatic extraction of collagen[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2009,16(5): 605-609.

[14] 孫丹紅. 超聲波對制革過程的影響及含鉻廢革屑的氧化脫鉻[D]. 成都: 四川大學, 2003.

[15] 但德忠. 分析測試中的現代微波制樣技術[M]. 成都: 四川大學出版社, 2003: 66-77.

[16] MESSIA M C, FALCO T D, PANFILI G, et al. Rapid determination of collagen in meat-based foods by microwave hydrolysis of proteins and HPAEC-PAD analysis of 4-hydroxyproline[J]. Meat Science, 2008, 80(2): 401-409.

[17] 陳海華, 李海萍. 微波輔助提取雞皮明膠的工藝改進[J]. 食品工業科技, 2009, 30(6): 282-284.

[18] 魯軍, 陳海華. 雞皮明膠的提取工藝研究[J]. 糧油加工, 2009(4): 130-133.

[19] 馬成林, 左春檉. 高壓食品加工技術[M]. 長春: 吉林科學技術出版社, 2000: 1-6.

[20] 黃卓烈, 朱利泉. 生物化學[M]. 北京: 中國農業出版社, 2004: 58-73.

[21] SUZUKI Y, SAZAKI G, MIYASHITA S, et al. Protein crystallization under high pressure[J]. Protein Structure and Molecular Enzymology,2002, 1595(1/2): 345-356.

[22] GOMEZ-GUILLEN M C, GIMENEZ B, MONTERO P. Extraction of gelatin from fish skins by high pressure treatment[J]. Food Hydrocolloids,2005, 19(5): 923-928.

[23] KWIATKOWSKA A, JANKOWSKA B, KORZENIOWSKI W. Changes in solubility of the bovine semitendinosus muscle collagen under the influence of high pressure[J]. Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, 2001, 51(4): 35-39.

[24] CHO S H, JAHNCKE M L, CHIN K B, et al. The effect of processing conditions on the properties of gelatin from skate (Raja kenojei) skins[J].Food Hydrocolloids, 2006, 20(6): 810-816.

[25] 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.

[26] 張宇昊, 馬良, 謝祥. 巴沙魚皮明膠提取工藝及性質研究[J]. 食品科學, 2009, 30(24): 88-92.

[27] BESSHO M, KOJIMA T, OKUDA S, et al. Radiation-induced crosslinking of gelatin by using γ-rays: insoluble gelatin hydrogel formation[J]. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2007, 80(5): 979-985.

[28] BHAT R, KARIM A A. Ultraviolet irradiation improves gel strength of fish gelatin[J]. Food Chemistry, 2009, 113: 1160-1164.

[29] PORCELLI M, CACCIAPUOTI G, FUSCO S, et al. Non-thermal effects of microwaves on proteins: thermophilic enzymes as model system[J]. Federation of European Biochemical Societies, 1997, 402(2/3): 102-106.

[30] de POMERAI I D, SMITH B, DAWE A, et al. Microwave radiation can alter protein conformation without bulk heating[J]. FEBS Letters, 2003,543(1/3): 93-97.

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

重慶市科學技術委員會科技攻關項目(2009AC5182)；西南大學博士基金項目(SWUB2007045)

陳麗清(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：snowchli7@163.com

*通信作者：張宇昊(1978—)，男，副教授，博士，研究方向為蛋白和生物活性肽。E-mail：Zhy1203@tom.com