斑點叉尾鮰魚骨脫脂及其制備CMC活性鈣的工藝優化

邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌偉，林 琳，葉應旺，姜紹通，陸劍鋒*

(合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

斑點叉尾鮰魚骨脫脂及其制備CMC活性鈣的工藝優化

邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌偉，林 琳，葉應旺，姜紹通，陸劍鋒*

(合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

以斑點叉尾鮰魚骨為實驗材料，對脫脂鮰魚骨粉制備工藝，脫脂骨粉在不同的溫度、時間、檸檬酸和蘋果酸的酸比例、酸質量濃度、骨粉粒度條件下轉化成活性鈣的效果進行研究。結果表明，鮰魚骨脫脂的最佳工藝方案為5g/100mL NaOH溶液浸泡6h，脫脂后的魚骨粉總鈣含量為30.38%。實驗采用檸檬酸和蘋果酸活化脫脂鮰魚骨粉制取CMC活性鈣，其最佳工藝條件為檸檬酸和蘋果酸的比例1:2、酸質量濃度15g/100mL、骨粉粒度120目、溫度100℃、提取時間60min。此時，鈣提取率可達87.13%。

鮰魚骨；CMC活性鈣；脫脂骨粉

目前國內外淡水魚類的深加工利用程度還極為低下，除小部分被加工成魚糜、魚丸、即食魚片等制品外，絕大部分仍以活體形式進行市場鮮銷。而在加工過程中，又會產生大量的下腳料(或廢棄物)，包括魚頭、魚皮、魚排、魚鱗和內臟等，約占原料魚的40%～55%[1]。通常大部分魚類加工下腳料直接被廠家廢棄(或僅作為廉價飼料或肥料使用)，因此如何深度開發魚類加工下腳料，不僅對水產品綜合利用和環境保護有重要意義，而且能夠支持和促進水產捕撈和養殖業的健康發展[2]。

斑點叉尾鮰(Ictalurus punctatus)是一種原產于北美洲的大型淡水魚類，擁有廣泛的國際市場，其品質和口味尤其適合于北美和歐盟的市場要求[3]。我國于1984年由湖北省水產科學研究所首次從美國引進養殖。斑點叉尾鮰一般加工成鮰魚片出口，近年來隨著出口量的不斷攀升，產生的下腳料也逐漸增多，其中魚骨中的鈣含量達20%～30%左右，是一種很好的鈣源[4-5]，如何利用廢棄魚骨已成為研究熱點之一。鈣被認為是僅次于C、H、O、N的第5種重要營養元素，其生理代謝對人體健康起著極為重要的作用[6]。盡管一般認為鈣補充劑不能增加骨骼沉積，但是可以提高骨峰值[7]，因此補充鈣質仍然是預防和治療鈣缺乏病癥的重要方法[8]。魚骨鈣大多是以羥基磷灰石結晶形式存在[9]，羥基磷灰石中的磷酸鈣和氫氧化鈣(25℃溶解度為0.12)的溶解度低，且骨中羥基磷灰石鈣與膠原纖維有機結合，外部還有水合殼的保護，通常溶出量甚微[10]。

目前，國內已經有實驗室對魚骨鈣開展了一些研究，如吳燕燕等[11]以羅非魚骨為原料制取活性鈣，并探討鈣的生物利用；王建中等[9]和許順于[12]分別以青魚骨和和鰱魚骨為鈣源制取骨粉，并探討補鈣的成效；劉魁等[13]以蛋殼為原料制備活性鈣咀嚼片。研究表明，魚骨鈣可用檸檬酸和蘋果酸等混合有機酸進行提取，其產物CMC鈣(檸檬酸蘋果酸鈣)具有高活性、高吸收性等特點[11]。本實驗以斑點叉尾鮰魚骨廢棄物為原料開發CMC活性鈣產品，對魚骨脫脂和骨粉中鈣質提取的最佳工藝進行了深入研究，并采用噴霧干燥法制備出CMC活性鈣粉，可為今后進一步加強對鮰魚骨廢棄物的綜合開發利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍斑點叉尾鮰魚骨(包括魚頭)，由安徽省明光市永言水產(集團)有限公司提供。

檸檬酸、蘋果酸、氫氧化鈉、EDTA等(分析純或食品級)。

1.2 脫脂魚骨粉的制備

1.2.1 工藝流程

原料魚排、魚頭→解凍→蒸煮3h→洗去肉渣→魚骨脫脂→清水洗滌、酸調中性→105℃、1h烘干水分→粉碎成骨粉

1.2.2 魚骨的脫脂工藝條件

在20℃室溫條件下，以NaOH質量濃度、浸泡時間兩個因素進行優化實驗，用索氏抽提法檢測脂肪含量，以求得脫脂最佳工藝條件。

1.2.3 魚骨脫脂前后基本成分測定

水分、蛋白質、脂肪、灰分、鈣、磷含量的檢測分別采用直接干燥法(參照GB/T5009.3—2003《食品中水分的測定》)、微量凱氏定氮法(參照GB/T5009.5—2003《食品中蛋白質的測定》)、索氏抽提法(參照GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的測定》)、550℃灰化法(參照GB/T5009.4—2003《食品中灰分的測定》)、EDTA絡合滴定法(GB/T 5009.92—2003《食品中鈣的測定》)、分光光度法(GB/T 5009.87—2003《食品中磷的測定》)。試樣均平行檢測3次，測定結果表示為“均值±標準差”的形式。

1.3 CMC活性鈣的制備

1.3.1 鈣提取的單因素試驗

0.5～0.6g脫脂魚骨粉，用50～60mL檸檬酸和蘋果酸的混酸作活化劑[14]，即骨粉質量與混酸體積比為1:100(g/mL)。在浸泡溫度120℃、酸質量濃度10g/100mL(檸檬酸和蘋果酸混合前的質量濃度，下同)、骨粉粒度120目、酸比例3:2(相同質量濃度的檸檬酸和蘋果酸體積比，下同)和浸泡時間80min的條件下，進行脫脂魚骨粉中鈣提取的單因素試驗，以確定適宜的溫度(60、80、100、120℃)、酸質量濃度(1、5、10、15g/100mL)、骨粉粒度(40、40、80、120、160目)、酸比例(1:1、1:2、2:1、3:2)和浸泡時間(40、60、80、100min) 。

1.3.2 CMC活性鈣制備的正交試驗

根據單因素試驗結果，選擇對提取影響較靈敏的因素進行L16(45)正交試驗[15]，方案見表1。

表1 鮰魚骨鈣提取率的正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.3.3 噴霧干燥法制備CMC活性鈣粉

將在最佳工藝條件制備的CMC活性鈣溶液進行離心分離，取上清液，調中性，然后進行噴霧干燥，所得白色粉末狀固體即為CMC活性鈣粉。

1.4 數據處理

進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，以及最小顯著差異法分析(LSD)，統計軟件SPSS16.0。

2 結果與分析

2.1 脫脂前的魚骨粉基本成分含量

表2 魚骨粉脫脂前的基本成分Table 2 Basic chemical components of Ictalurus punctatus bone

未進行脫脂處理的魚骨粉基本成分含量如表2所示。由表2可知，魚骨粉的鈣含量達到22.24%，鈣和磷的比值為2.19:1，與人體骨骼的鈣磷比組成(約2:1)非常接近。脂肪含量也較高，為4.20%。

2.2 NaOH溶液對魚骨粉脫脂的影響

脂肪的存在影響酸對鈣的提取和人體對鈣的吸收，需進行脫脂處理[2]。選擇質量濃度1、5、10g/100mL NaOH溶液對魚骨粉進行脫脂處理(圖1)，實驗觀察隨時間推延，骨粉脂肪含量逐漸降低。10g/100mL NaOH實驗組和5g/100mL NaOH實驗組脂肪含量均于6h降至最低點，分別為0.21%(圖1a)和0.32%(圖1b)，兩組脫脂效果相差不顯著(P＞0.05)。而1g/100mL NaOH實驗組在48h時降到最低，脂肪含量為1.03%(圖1c)，對比脫脂效果明顯不及前兩組。此外，考慮到高質量濃度NaOH溶液不利于魚骨清洗(或中和)且對環境易造成污染等原因，最終選擇5g/100mL NaOH處理6h作為制備脫脂骨粉的工藝條件。

圖1 NaOH溶液對骨粉中脂肪含量的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on degreasing of Ictalurus punctatus bone

2.3 脫脂后的魚骨粉成分含量

如表3所示，脫脂后的鈣含量高達30.38%，鈣磷的比值為2.13:1，與脫脂前無明顯差異。但脫脂后的脂肪含量下降至0.32%，與脫脂前差異顯著(P＞0.05)。

表3 魚骨粉脫脂后的基本成分Table 3 Basic chemical components of degreased Ictalurus punctatus bone

2.4 鈣提取率單因素試驗結果

圖2 溫度(a)、酸質量濃度(b)、粒度(c)、酸比例(d)、時間(e)對魚骨中鈣提取率的影響Fig.2 Results of single-factor investigation on the effects of five process conditions on calcium yield

2.4.1 提取溫度的影響

隨著溫度的升高，鈣提取率先升高后降低，然后趨于平穩。溫度升高有利于混酸對骨粉的溶解，從而有利于鈣的提取，溫度升高到一定值溶出鈣趨于穩定。實驗表明，溫度在80℃時，鈣提取率達到最大值84.73%(圖2a)，繼續升高溫度鈣提取率與80℃時的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.2 酸質量濃度的影響

隨著酸質量濃度的增大，鈣提取率呈現上升趨勢，然后趨于平穩。酸質量濃度增大利于魚骨粉的溶解，進而有利于溶出鈣的量增加。實驗表明，酸質量濃度在5g/100mL時，鈣提取率達到最大值83.22%(圖2b)，繼續提高酸質量濃度，鈣提取率與5g/100mL時的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.3 骨粉粒度的影響

骨粉粒度越細，骨粉與混酸的接觸面積越大，越利于鈣的溶出，鈣提取率也越大。實驗表明，隨著骨粉粒度的增大，鈣提取率也顯著升高(P＜0.05)。骨粉粒度為160目時，鈣提取率在數值上達到最大值83.78%(圖2c)，但是與120目的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.4 酸比例的影響

酸比例不同對鈣提取率的影響也不同。酸比例從1:2到3:2鈣提取率顯著升高(P＜0.05)，再到2:1時鈣提取率顯著降低(P＜0.05)。實驗表明，酸比例為3:2的時候鈣提取率達到最大值84.01%(圖2d)。

2.4.5 提取時間的影響

隨著時間的增加，鈣提取率逐漸增大，60min達到最大值，然后趨于平穩。實驗表明，60min時的鈣提取率顯著大于40min時的鈣提取率(P＜0.05)，與80、100min時的鈣提取率差異不顯著(P＞0.05)。鈣提取率在60min達到最大值83.28%(圖2e)。

2.5 鮰魚骨中提取鈣的正交試驗結果

由表4極差分析可知，影響鮰魚骨(脫脂處理)中鈣提取的因素主次順序為：B＞C＞A＞D＞E(即酸質量濃度＞粒度＞提取溫度＞酸比例＞提取時間)。鮰魚骨中鈣提取的最佳工藝條件為A3B4C4D2E2，即將120目的脫脂鮰魚骨粉放在檸檬酸和蘋果酸質量濃度為15g/100mL，酸比例為1:2的混合液中，在100℃的高溫下反應60min。經多次重復試驗進行驗證，最佳條件下的鈣提取率達到87.13%。

2.6 噴霧干燥制得CMC活性鈣產品

噴霧干燥是將原料液用霧化器分散成霧滴，并用熱空氣與霧滴直接接觸加熱干燥的方式，獲得粉體狀產品的一種干燥過程。其具有瞬間干燥、受熱時間短、成品色澤均勻一致、易溶解、有效成分不易破壞等優點[16]。將按照最佳工藝條件制得的CMC活性鈣溶液進行噴霧干燥，工藝條件：進風溫度180℃、出風溫度80℃、進樣量30mL/min，所得成品白色干爽。

表4 鮰魚骨中鈣提取的正交試驗結果Table 4 Orthogonal array design layout and experimental results

3 結 論

本研究以斑點叉尾鮰魚骨廢棄物為原料制備CMC活性鈣，并且對魚骨脫脂前后的基本成分和鈣磷含量進行測定。對比脫脂前后魚骨粉的基本成分含量可知，脫脂前后魚骨粉中的鈣磷比均接近2:1，符合人體鈣磷比的組成，易于被人體吸收，適合作為鈣制劑的提取原料。脫脂處理能夠有效地降低魚骨粉中脂肪含量，減輕或避免了脂肪的存在對酸法鈣提取率和人體吸收率的影響。實驗確定鮰魚骨脫脂的最佳工藝方案為5g/100mL NaOH浸泡6h，為降低高強度強堿溶液質量濃度的影響，浸泡后需補充酸調中性、清水洗凈和干燥處理步驟，最終所得魚骨粉總鈣含量高達30.38%。采用檸檬酸和蘋果酸活化脫脂鮰魚骨粉制取CMC活性鈣實驗結果顯示：影響鮰魚骨(脫脂處理)中鈣的提取率的最主要因素是酸質量濃度。鮰魚骨中鈣提取的最佳工藝條件是酸質量濃度15g/100mL、酸比例1:2、粒度120目、溫度100℃、時間60min。此時鈣提取率為87.13%。噴霧干燥法制粉的工藝條件為進風溫度180℃、出風溫度80℃、進樣量30mL/min，所得CMC活性鈣粉顏色正常、均勻，未發生黏壁現象。

實驗表明利用鮰魚骨廢棄物開發CMC活性鈣粉是可行之舉，此既可提高鮰魚加工的附加值，又能減少環境污染，獲得良好的經濟效益與社會效益。

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Optimization of the Preparation of CMC Active Calcium from DegreasedIctalurus punctatusBone

SHAO Ming-shuan，TAO Min，XIANG Wei，MENG Chang-wei，LIN Lin，YE Ying-wang，JIANG Shao-tong， LU Jian-feng*
(College of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The degreasing ofIctalurus punctatusbone and the preparation of CMC active calcium from degreased fish bone through thermal soaking in a mixed acid made up of citric acid and malic acid were studied in this work. The effects of soaking temperature and time, mixing ratio for malic acid and citric acid, total acid amount and fish bone granular size on calcium yield were examined. The optimal procedure for degreasingIctalurus punctatusbone was soaking in 5% aqueous NaOH solution for 6 h,and the total calcium content after the degreasing was 30.38%. The optimal conditions for the preparation of CMC active calcium were determined to be: mixing ratio for malic acid and citric acid, 1:2; total acid amount, 15 g/100 mL; material granular size, 120 mesh; soaking temperature, 100 ℃; and soaking duration, 60 min. A calcium yield of 87.13% was obtained under such conditions.

Ictalurus punctatusbone；CMC active calcium；degreased bone meal

TS254.9；TQ462.26

A

1002-6630(2010)20-0111-05

2010-06-30

安徽省重大科技攻關專項(08010301078)；國家星火計劃項目(2008GA710021)；

合肥工業大學大學生創業服務中心入駐孵化項目(第六批)

邵明栓(1984—)，男，碩士研究生，主要從事水產品加工與貯藏研究。E-mail：xiaoshuan2004@126.com

*通信作者：陸劍鋒(1976—)，男，副研究員，博士，主要從事水生動物資源的保護和綜合利用研究。E-mail：lujf@sibs.ac.cn