過氧化氫誘導的羅非魚皮膠原纖維降解過程（Ⅱ）
——降解過程中產物組成與性質的變化

劉小玲，何　虹，姜元欣，江虹銳，李全陽

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；

2.廣西高校特色農產品精深加工與安全控制重點實驗室，廣西南寧530004）

過氧化氫誘導的羅非魚皮膠原纖維降解過程（Ⅱ）
——降解過程中產物組成與性質的變化

劉小玲1，2，何虹1，2，姜元欣1，江虹銳1，2，李全陽1，2

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；

2.廣西高校特色農產品精深加工與安全控制重點實驗室，廣西南寧530004）

研究過氧化氫溶液體系中羅非魚皮膠原纖維熱降解過程，反應體系中降解產物的氨基酸組成、分子質量和性質的變化。結果表明：反應1 h內，釋放到溶液的膠原蛋白降解產物極少，不足以測試樣品的凝膠強度和黏度。反應1～3 h，反應體系中溶液的表觀黏度增加，反應液冷卻后可凝結成凝膠，凝膠強度隨時間的延長逐漸增大，說明釋放到水溶液中膠原分子數量增加，溶質質量濃度提高。反應3～5 h后，反應液表觀黏度隨時間下降，反應液中溶質質量濃度提高，凝膠的凝膠強度下降，說明這個階段以原膠原分子肽鏈的裂解為主體，導致膠原蛋白進一步水解斷裂。電泳結果顯示，反應4 h的樣品，分子質量在130 kD以下的條帶比例增加，說明樣品中α鏈斷裂片段增加。氨基酸組成分析顯示，降解產物與魚皮氨基酸組成略有差異，但不同反應時間點，明膠產物的氨基酸均沒有顯著變化，說明過氧化氫協同熱效應，主要是通過水解肽鍵的方式實現膠原纖維向可溶態明膠的轉變。

羅非魚；膠原纖維；過氧化氫；降解

明膠是一種重要的天然高分子物質，是Ⅰ型膠原熱降解的衍生物，具有水溶性、黏性、膠凝性、表面活性等，是食品工業中一種重要的配料，可作為膠凝劑、穩定劑、黏合劑、黏結劑、發泡劑、增稠劑、乳化劑、澄清劑等使用［1-2］。Ⅰ型膠原主要以膠原纖維的高聚態結構存在于動物的皮膚、骨骼、韌帶、肌腱組織中。膠原纖維向明膠的熱降解轉化過程涉及到了聚集態結構的破壞、多種鍵合方式的解離、共價鍵的斷裂和熱變性等步驟。為了提高明膠的生產效率，很多研究工作持續展開。Eastman Kodak公司的Kenyon［3］論述堿提取法，他們將原料采用氨或脂肪胺進行預處理，在50～65℃提膠，提取液pH值調到9～10，在膠液真空濃縮時，胺快速揮發達到去除的目的。Alexandrescu等［4］采用不同消化劑來加速膠原的水解，在有氯化鈣、尿素或醋酸銨存在下提取明膠，整個提取過程需16～20h，明膠得率提高。用γ射線轟擊膠原原料，可以明顯改善明膠的物理化學性質［5］。Franklin等［6］提出了連續法逆流提取明膠裝置，使提取效率提高。Hill等［7］改進提取裝置，在提取時注入蒸汽來加熱逆流提取液，使之轉變為明膠，該方法由于熱傳遞，縮短了提膠時間。Coudun［8］提出的方法是將預處過的原料加壓擠壓，擠出的黏液經適當加熱得到明膠。

過氧化氫通常用作漂白劑和殺菌劑，在明膠生產的后續工段使用[9]，但也有在制膠其他環節上的研究。Aewsiri等[10]用2、5 g/100 mL過氧化氫漂白墨魚皮24、48 h，用5%過氧化氫漂白48 h，在60 ℃熬膠12 h，得到背部和腹部處的最大產率分別為49.65%和72.88%。不僅改善了明膠的顏色而且能夠增加凝凍強度、乳化和發泡性質。Gallo等[11]發現以1.7 mol/L過氧化氫處理活的鯉魚浮鰾，0 ℃時對膠原沒有影響，但37 ℃時膠原完全溶解。Dey等[12]研究過氧化氫對明膠的影響，膠原用高濃度的過氧化氫處理5 d，膠原完全溶解。

在熱提取環節中添加適量的過氧化氫有助于提高膠原的降解速率、縮短明膠提取時間和提高明膠產率。羅非魚皮為原料提取魚皮明膠的最佳提取條件為過氧化氫0.07 mmol/g，53 ℃提取4.6 h，此條件下明膠提取率達到87.71%，黏度為8.9 mPa·s。而再延長時間，盡管提取率還可進一步提高，但明膠的黏度和凝膠性下降，顯示膠原蛋白的肽鍵水解加劇[13]。

為了解過氧化氫協同熱效應對膠原纖維向明膠轉變的進程，本實驗分析不同反應時間點溶解到反應液中的魚皮明膠的組成、結構及其性質，旨在為準確控制過氧化氫法生產高質量明膠提供依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

羅非魚魚皮由百洋水產集團股份有限公司提供。

次高分子質量標準蛋白（43～200kD）、考馬斯亮藍R-250華美生物工程有限公司；L-羥賴氨酸美國Sigma公司；L-羥脯氨酸上海生化試劑公司；丙烯酰胺、N，N’-甲叉雙丙烯酰胺北京索萊寶科技有限公司。

1.2儀器與設備

TA-XT plus物性測試儀英國Stable Micro System公司；FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀美國惠普公司；S-570掃描電子顯微鏡日本日立公司；4153B172X射線衍射儀日本理學公司；奧氏黏度計浙江臺州市椒江玻璃儀器廠；DYCZ-23A型電泳儀北京六一儀器廠；Agilent1100液相色譜儀美國安捷倫公司。

1.3方法

1.3.1過氧化氫誘導的魚皮膠原纖維降解反應

羅非魚皮經飽和石灰水浸灰6d后取出，用流動水清洗，最后用鹽酸中和至中性。取10kg魚皮以完整自然的狀態置于含有過氧化氫0.07mmol/g的水溶液中（料液比1∶6（m/V）），于53℃恒溫攪拌提取明膠，期間每隔一段時間從反應體系中吸取反應液200～1000mL（根據反應體系中明膠的含量確定），經4000r/min離心10min，一部分澄清液用于直接測定反應液凝膠強度。剩余澄清液濃縮、干燥后制得待測產物樣品，用于測定反應產物的黏度、氨基酸組成、分子質量。

1.3.2降解產物表觀黏度測定

準確稱取反應時間點待測樣品，配成質量濃度為6.67g/100mL的明膠溶液，準確量取10mL反應液加入奧氏黏度計內，于60℃水浴平衡10min后，測定溶液流經毛細管的時間，通過下式計算反應液的表觀黏度。

式中：η為反應溶液的表觀黏度/（mPa·s）；η0為純水在標準大氣壓下的黏度/（mPa·s）；ρ為反應溶液的質量濃度/（g/mL）；ρ0為純水在標準大氣壓下的質量濃度/（g/mL）；t為反應溶液流經奧氏黏度計的時間/s；t0為純水流經奧氏黏度計的時間/s。

1.3.3降解產物的凝膠強度測定

移取不同反應時間點離心后的反應液，準確量取150mL反應液注入至直徑為80mm的燒杯中，在4℃條件下凝凍18h備用。取出在20℃室溫內快速采用TA-XT plus物性測試儀測定產物的凝膠強度。測試條件：采用NO-P/0.5探頭，下壓速率1mm/s，下壓高度4mm。凝膠強度表示為凝膠被壓縮變形所需的最大應力（g）。

1.3.4降解產物的氨基酸組成測定

準確稱取一定質量的干燥的反應產物置于水解管底部，加入8mL6mol/L的HCl，真空封口，于（110±1）℃條件下水解22～24h。水解物經定容、過濾、離心后，取清液置于樣品瓶中用氨基酸自動分析儀上機測定。空白對照為未經熱提取的魚皮干燥物。

1.3.5降解產物的分子質量及分子質量分布測定

降解產物樣品的分子質量分布采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）測定。以次高分子質量標準蛋白作為參比。選擇8%分離膠，4%濃縮膠，膠厚為1.5mm。80V恒壓電泳至溴酚藍標志到達濃縮膠和分離膠交界處并成一條直線時，再將電壓調至120V進行電泳，直至溴酚藍標志到達凝膠前沿后停止電泳。分別用三氯乙酸固定、考馬斯亮藍R-250染色、冰醋酸脫色。電泳凝膠膠片置于凝膠成像系統下，拍照得電泳圖譜。

1.4數據處理

采用Excel2007和SPSS17.0進行數據處理和單因素方差分析（P＜0.05）。表觀黏度和凝膠強度每個樣品分別測試3個平行樣，結果以平均值表示。

2　結果與分析

2.1降解產物的表觀黏度變化

明膠黏度取決于明膠大分子鏈的旋轉半徑的大小，也與大分子的質量濃度成正比。不同反應時間的明膠表觀黏度結果如圖1所示。

圖1　不同反應時間的明膠表觀黏度Fig.1Viscosity of gelatin at different reaction times

由圖1可知，反應前1h，由于溶液中獲得的降解產物樣品量極少，無法滿足表觀黏度的測試要求。在相同質量濃度（6.67g/100mL）下，隨著反應時間的延長，明膠的黏度先增加后減小。3h達到黏度最大值，4h的樣品黏度開始下降。說明3h之后，釋放到水中的膠原蛋白開始進一步降解成小分子，分子質量的降低導致明膠溶液黏度下降。

2.2降解產物的凝膠強度變化

待測物的凝膠強度取決于明膠的質量濃度，也與明膠的分子大小相關。在一定范圍內，相同質量濃度的凝膠隨明膠分子質量增大而加強；而相同分子質量的明膠則隨其質量濃度的提高，凝膠強度增強。反應體系中的凝膠強度變化如圖2所示。

圖2不同反應時間降解產物明膠的凝膠強度Fig.2Change in gel strength of gelatin at different reaction times

由圖2可知，隨著反應時間的延長，降解產物明膠的凝膠強度增大，反應3h后明膠凝膠強度增加程度有所緩和。反應過程中，魚皮膠原纖維解體，部分原膠原分子不斷釋放到水中，使得反應液中溶質質量濃度提高，溶于水的膠原片段或原膠原分子即為明膠。與此同時，水中的原膠原分子在熱和過氧化氫的協同作用下，溶于水的原膠原或其β、γ、α鏈還可進一步水解，生成胨、肽和氨基酸［14］。因此，與3h樣品相比，反應4h樣品盡管溶質的質量濃度更高，但因分子質量的下降導致其凝膠強度上升減緩。說明反應2～3h，羅非魚粗纖維大部分已經溶化，反應3h后，膠原蛋白的次級水解顯著，為了獲得較好的明膠質量及產率的平衡，反應控制在3～4h較為適宜。

2.3降解產物的氨基酸組成變化

表1　不同反應時間羅非魚皮膠原降解產物氨基酸組成變化Table 1 Amino acid composition of degraded tilapia collagen fibers at different reaction times

由表1可知，反應后得到的降解產物（1～4h）與未水解前魚皮纖維（0h）的氨基酸組成略有一定差別。魚皮纖維的氨基酸組成中甘氨酸超過總氨基酸物質的量的1/3（356個/1000個氨基酸殘基）。絲氨酸、精氨酸、蛋氨酸、亮氨酸未水解的數量比反應后的降解產物多，而羥脯氨酸未水解數量低于反應后的降解產物。Ⅰ型膠原具有典型（Gly-X-Y）n的氨基酸組成特征，其中羥脯氨酸是膠原的特有氨基酸，在膠原蛋白中的含量相對比較穩定。由此可見，魚皮纖維的氨基酸組成中顯示其含有部分非膠原的蛋白質組分，說明魚皮在前處理中并未能將非膠原雜蛋白去除凈。

不同反應時間下羅非魚皮膠原降解產物的氨基酸組成非常接近，某些氨基酸含量存在微小差異。不同時間的降解產物與符合膠原蛋白的氨基酸組成特征：甘氨酸約占總氨基酸物質的量的33%，蛋氨酸、組氨酸和酪氨酸含量少，胱氨酸都沒有被檢測出，亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）約為190個/1000個氨基酸殘基，約占總氨基酸物質的量的1/5，羥脯氨酸和羥賴氨酸，兩者分別占總氨基酸殘基比例約為60、4個/1000個氨基酸殘基。相比較浸灰后魚皮纖維的氨基酸組成，甘氨酸殘基所占比例略有下降，羥脯氨酸殘基所占比例卻增加1倍。羥脯氨酸是膠原蛋白的特征性氨基酸。

與冷水魚明膠相比較［15］，羅非魚皮明膠在氨基酸組成上比較類似，但是絲氨酸、羥賴氨酸殘基比例有所降低，而羅非魚皮明膠的羥脯氨酸比商業冷水魚明膠殘基占總氨基酸比例有所增加，比豬皮明膠有所降低。因為羥基的氫鍵作用，羥脯氨酸被認為在膠原三股螺旋的穩定性中起著關鍵作用［16］，羥脯氨酸占氨基酸比例越高，明膠的凝膠強度越大。由表1可知，隨著反應時間的延長，所得明膠的羥脯氨酸殘基所占總氨基酸物質的量逐漸降低，特別是反應4h，羥脯氨酸所占比例降低速率更快了。故在制備魚皮明膠的過程中，應權衡提取率的同時控制反應時間的長短，防止明膠凝膠強度下降，質量等級降低。

由氨基酸數據變化可知，同種原料在其他條件相同的情況下，反應不同時間得到的明膠的氨基酸組成除羥脯氨酸逐漸減少外，其他氨基酸沒有發生太大變化。所以過氧化氫制備魚皮明膠工藝中，明膠的氨基酸組成比較穩定。綜合其他檢測指標可知，魚皮纖維反應3h左右能夠得到理想的產率，而繼續加熱反應會導致次級水解產生對指標明膠不利的影響。

2.4降解產物的分子質量及分子質量分布

不同反應時間得到的降解產物配制成5mg/mL的明膠溶液，上樣量為10μL，電泳測定其蛋白質分子質量分布，結果如圖3所示。

圖3不同反應時間下明膠分子質量分布Fig.3SDS-PAGE patterns of fish skin gelatins at different reaction times

膠原的降解組成存在有3種組分：γ組分分子質量在240～370kD，β組分分子質量為160～250kD，α組分分子質量為80～125kD［10］。由圖3可知，反應產物在130kD附近有集中的2條染色帶，在200kD以上分子質量也有較為明顯的2條帶，其他部分還有分散的染色區域。說明降解產物以α組分和β組分為主，同時也存在不同水解程度的分子片段。隨著降解時間的延長，反應4h時，電泳譜帶下移，分子質量在66.2kD以下的小分子顯現，分子質量分布分散，說明膠原纖維降解加劇，有小分子質量的膠原肽降解片段產生。在反應4h內，γ、β、α1鏈的譜帶強度隨反應時間增加沒有顯著差異，與Kittiphattanabawon等［17］研究不同溫度、時間下點紋斑竹鯊和黑鰭鯊皮的明膠的分子質量譜帶相比，其譜帶分布更集中在較大分子質量位置。與Duan等［18］研究的在60℃提取的鯉魚皮明膠分子質量分布類似。說明制備羅非魚皮明膠時的反應條件溫和，分子質量降解較為緩和。明膠組分分布與明膠凝膠強度之間存在著明顯的相關性，α組分含量高，其凝膠強度也高，α組分含量少，其凝膠強度也低［19］。反應4h的明膠含有較多α鏈斷裂片段，使得其中小分子質量組分增加，故明膠的凝膠強度較之前有所降低。羅非魚皮膠原纖維制備明膠的反應過程中，在獲得高產率的提取時間下，分子質量分布說明了纖維降解維持在一個集中的范圍而不分散，不至于使產品明膠的黏度和膠凍強度惡化。

3　　討論

制備明膠過程中，原膠原從膠原纖維束和微纖維中解離，釋放到溶劑中，使溶劑中大分子溶質的質量數增加，反應溶液具備膠凝性，且凝膠強度隨反應時間延長而增大。反應產物的表觀黏度在前期隨反應時間延長而增加，3h達到最大值。隨著反應時間的延長，釋放到溶劑中的原膠原大分子發生肽鍵水解或共價鍵斷裂，使原膠原分子肽鏈降解為更小片段，從而因溶質的分子質量減小導致相同質量濃度下反應產物明膠的黏度降低。明膠制備過程中產物的氨基酸組成與魚皮均沒有顯著變化，說明過氧化氫協同熱效應，通過水解肽鍵的方式，實現膠原纖維向可溶態明膠的轉變。電泳圖譜亦顯示，反應4h的樣品，130kD以下的分子質量組分增加。結合制備明膠過程中底物的變化規律，說明為了獲得高質量的明膠，膠原的熱降解應控制在原膠原充分解離，但還未發生肽鍵水解的階段終止反應，此時得到的產物的分子質量較大，產品黏度和凝膠強度較高。

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Hydrogen Peroxide-Induced Degradation of TypeⅠCollagen Fibers of Tilapia Skin（Ⅱ）：Changes in Composition and Properties of Degraded Products

LIU Xiaoling1，2，HE Hong1，2，JIANG Yuanxin1，JIANG Hongrui1，2，LI Quanyang1，2
（1.Institute of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning530004，China；2.Guangxi Universities Key Laboratory of Local Farming Products Processing and Food Safety Control，Nanning530004，China）

The amino acid composition，molecular weights and properties of degraded collagen fibers of tilapia skin induced by heat and hydrogen peroxide were studied.Experimental results showed that collagen fibers degradation could be divided into three stages.At the first stage，collagen fibers contracted when heated and no significant change was observed in the reaction solution.At the second stage，collagen fibers and microfibers were disrupted and procollagen was released into the solution，leading to an increase in the apparent viscosity of the reaction solution and the occurrence of gelation when cooled，with a time-dependent increase in gel strength.At the third stage，the peptide bonds of procollagen were broken，releasing smaller peptide chains after3h and causing a decrease in apparent viscosity and gel strength.The amino acid composition of the degraded products was slightly different from that of the original collagen fibers and there was no significant change during different reaction periods.It was proved that collagen fibers can be transformed into gelatin by hydrolysis of peptide bonds or crosslinking oxidation when heated in combination with hydrogen peroxide treatment.

tilapia；collagen fibre；hydrogen peroxide；degradation

TS201.3

A

1002-6630（2015）05-0013-05

10.7506/spkx1002-6630-201505003

2013-09-26

國家自然科學基金地區科學基金項目（31060234）；廣西科技攻關計劃項目（桂科重14121004-3）；廣西自然科學基金項目（2011GXNSFC018010）；茂名科技計劃項目（2012A01005）

劉小玲（1972—），女，教授，博士，研究方向為生物大分子結構與性質。E-mail：13877173857@163.com