秘魯魷魚吸盤環齒脫離工藝條件優化及其結構特性分析

葉 開 陳小娥,* 袁高峰 郭 健 方旭波 池海波 張 華

(1 浙江海洋大學食品與醫藥學院，浙江 舟山 316022；2 舟山市海利遠洋漁業有限公司，浙江 舟山 316000)

秘魯魷魚(Dosidicusgigas)是美洲大赤魷的俗稱，是目前發現的個體最大、資源最豐富的掠食性魷魚種類之一[1]。秘魯魷魚個體大，味道較酸澀，必須通過精深加工才能實現資源增值[2]。目前，國內魷魚深加工主要集中在胴體、須和鰭上，忽視了對加工副產物的利用[3]。魷魚吸盤是秘魯魷魚須的加工副產物，由于魷魚吸盤內含有環齒，且吸盤和環齒咬合程度較高，脫離難度大，導致其難以被有效加工利用，企業只能將它作為魚粉的原料低價出售[4]。但國外專家學者發現秘魯魷魚吸盤環齒具有獨特的功能性質，Miserez等[5]以能量色散X射線光譜等方法對秘魯魷魚吸盤環齒進行研究，發現其不同于其他已發現的生物結構材料，由氫鍵和疏水相互作用保持結構穩定，可應用于生物材料領域；Latza等[6]研究發現秘魯魷魚吸盤環齒具有良好的機械性能；Knowles等[7]從秘魯魷魚吸盤環齒提取的環齒蛋白短肽，可用于制備功能性淀粉樣蛋白基材料，但有關秘魯魷魚吸盤環齒酶法脫離工藝及其結構特性的研究尚鮮有報道。因此，本研究以秘魯魷魚須加工副產物-魷魚吸盤為原料，首次用蛋白酶酶解魷魚吸盤脫環齒的方法，結合單因素試驗，利用響應面法對其酶解脫環齒工藝條件進行優化，并通過紅外光譜分析、掃描電鏡和熱穩定性分析等方法對秘魯魷魚吸盤環齒的結構特性進行深入分析，以期為有效開發利用魷魚吸盤環齒提供理論依據和新的研究方向。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料：冷凍秘魯魷魚吸盤，由舟山海利遠洋漁業有限公司提供。

試劑：標準牛血清蛋白，美國Sigma公司；甲殼素，上海生工生物工程有限公司；木瓜蛋白酶(100 000 U·g-1)、胰酶(4 000 U·g-1)、菠蘿蛋白酶(100 000 U·g-1)、胃蛋白酶(20 000 U·g-1)，南寧龐博生物工程有限公司；氫氧化鈉、鹽酸等其他試劑均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設備

Nicolet 6700紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet公司；HH-4型電熱恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；LGJ-10冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司；DFT-250高速萬能粉碎機，上海楚定分析儀器有限公司；Phenom Pure臺式掃描電子顯微鏡，復納科學儀器上海有限公司； 200 F3型差示熱掃描儀，德國耐馳公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 酶法脫離秘魯魷魚吸盤環齒試驗

1.3.1.1 原料預處理 將冷凍的秘魯魷魚吸盤流水解凍，清洗干凈，備用。

1.3.1.2 酶的篩選 選取木瓜蛋白酶、胰酶、菠蘿蛋白酶和胃蛋白酶4種酶對秘魯魷魚吸盤進行酶法脫離吸盤環齒。酶解條件為：酶添加量1 000 U·g-1、料液比1∶15 g·mL-1，不同蛋白酶各自最適pH值與酶解溫度條件(表1)下酶解30 min，結束后測其脫齒率，平行試驗3次，通過比較魷魚吸盤脫齒率大小，篩選出最適的酶進行下一步試驗。

表1 蛋白酶的最適酶解條件Table 1 Optimal enzymatic hydrolysis conditions of proteases

1.3.1.3 單因素試驗設計 設置料液比1∶15 g·mL-1、酶添加量1 000 U·g-1、酶解溫度40℃、pH值7.0值、酶解時間30 min為初始基礎條件，以脫齒率為指標，進一步考察酶添加量 (500、1 000、1 500、2 000、2 500 U·g-1)、酶解時間(10、20、30、40、50 min)、酶解溫度(30、40、50、60、70℃)對秘魯魷魚吸盤環齒脫離效果的影響。每試驗重復3次。

1.3.1.4 響應面優化試驗設計 在單因素試驗的基礎上，以脫齒率為響應值，酶添加量(A)、酶解溫度(B)、酶解時間(C)為考察因素，采用軟件Design-Expert V8.0.6對木瓜蛋白酶酶法脫環齒的條件進行優化。響應面試驗設計與因素水平見表2。

1.3.1.5 魷魚吸盤環齒脫齒率的計算 以秘魯魷魚吸盤環齒(sucker ring teeth, SRT)與吸盤肌肉組織完全分離視為已脫齒，反之為未脫齒，按照公式計算脫齒率：

(1)

式中，W1為已脫齒秘魯魷魚吸盤的數目；W為秘魯魷魚吸盤總數。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface experiment

1.3.2 秘魯魷魚吸盤環齒基本成分的測定 按照國標GB 5009.3-2010[8]中直接干燥法測定水分含量；按照國標GB 5009.5-2016[9]中凱氏定氮法測定蛋白質含量；按照國標GB 5009.4-2016[10]中高溫灼燒法測定灰分含量。

1.3.3 秘魯魷魚吸盤環齒的紅外光譜分析 參照官愛艷等[11]的方法。將魷魚吸盤環齒粉碎后取環齒粉末在瑪瑙研缽中進一步研磨，得環齒粉末。環齒粉末與干燥溴化鉀(KBr)粉末按質量比約1∶100在瑪瑙研缽中研磨混勻，將研磨均勻的粉末放于模具中，均勻加壓，得到薄且透明的待測樣片，然后使用紅外光譜儀進行掃描測試，光譜范圍為4 000～400 cm-1。牛血清白蛋白(bovine albumin，BSA)與甲殼素(chitin)樣品按照上述步驟磨成粉末后進行紅外光譜分析。

1.3.4 秘魯魷魚吸盤環齒微觀結構觀察 切取秘魯魷魚吸盤環齒截面，用去離子水浸泡過夜以除去殘留鹽，干燥后按照王紹清等[12]的方法進行掃描電鏡觀察。將樣品黏著于導電膠帶上，噴金處理后，置于電鏡樣品倉中進行形態掃描，并對掃描后的圖片進行成像分析。

1.3.5 秘魯魷魚吸盤環齒的熱穩定性分析 參照高必成等[13]的差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)。將秘魯魷魚吸盤環齒用研缽均勻研磨后取適量吸盤環齒粉末，置于DSC坩堝中，加蓋密封后，以空坩堝作為參比，從30℃升溫至300℃，升溫速率為10℃·min-1，N2為保護氣。

1.3.6 秘魯魷魚吸盤環齒的耐酸堿性測試 參照夏錕峰等[14]的方法。將HCl、NaOH和NaHCO3分別配制為pH值依次為2、4、6、7、8、10、12的溶液，再將待測樣品在60℃真空中干燥至恒重后稱量(M)，分別放入上述已配置好溶液中，浸泡處理2 h后取出用去離子水洗凈，干燥至恒重后稱量(m)，每試驗設3次平行。按照公式計算魷魚吸盤環齒的質量損失率：

(2)。

1.3.7 數據分析 試驗結果以平均值±標準差表示(n=3)，并利用SPSS 19.0進行差異性檢驗和回歸分析，顯著性水平P<0.05。依據試驗數據，采用Origin Pro 8.0軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 不同蛋白酶對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響

酶具有高效、專一性，在很大程度上會影響酶解效果。由圖1可知，木瓜蛋白酶處理的魷魚吸盤脫齒率最高，達78.2%，其次是胰蛋白酶和菠蘿蛋白酶，胃蛋白酶效果最差。因此，選擇木瓜蛋白酶作為最適蛋白酶并應用于下一步試驗。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.圖1 不同蛋白酶對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響Fig.1 Effect of several enzymes on isolation rate of Dosidicus gigas SRT

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 酶添加量對秘魯魷魚吸盤環齒脫離效果的影響 由圖2可知，隨著酶添加量的增加，秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率逐漸升高，這是因為在底物濃度一定時，酶量增加，吸盤肌肉組織蛋白分子與酶的接觸會增多，吸盤肌肉組織蛋白水解更充分，秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率也隨之上升[15]。當加酶量繼續增加至1 500 U·g-1時，酶逐漸達到飽和濃度，繼續增加酶量，魷魚吸盤環齒脫齒率變化不大。因此，選用1 500 U·g-1作為酶的適宜添加量。

圖2 酶添加量對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on isolation rate of Dosidicus gigas SRT

2.2.2 酶解溫度對秘魯魷魚吸盤環齒脫離效果的影響 由圖3可知，酶解溫度從30℃上升到40℃時，酶活性增加，秘魯魷魚吸盤環齒的脫齒率也逐漸升高。酶解溫度為40℃時，魷魚吸盤環齒的脫齒率最高，達80.2%；當酶解溫度超過40℃后，魷魚吸盤環齒會變得柔韌而難以與吸盤肌肉分離，脫齒率降低；當溫度超過60℃時，蛋白酶會逐漸變性失去活性從而使脫齒率偏低[16]。因此，酶解溫度應在40℃左右為宜。

圖3 酶解溫度對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on isolation rate of Dosidicus gigas SRT

2.2.3 酶解時間對秘魯魷魚吸盤環齒脫離效果的影響 由圖4可知，酶解時間在30 min內時，秘魯魷魚吸盤環齒的脫齒率呈上升趨勢。當酶解時間為30 min時，魷魚吸盤環齒脫齒率達到最大，為81.1%，隨后趨于平緩，這可能是因為酶解反應剛開始時，酶濃度比較高，酶與底物接觸面積較大，酶解速度較快，因此脫齒率增加幅度較大[17]，但隨著酶解反應的進行，酶量減少，酶活力下降，故魷魚吸盤環齒脫齒率的增加趨勢逐漸平緩[18]。因此，酶解時間為30 min左右為宜。

圖4 酶解時間對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis time on isolation rate of Dosidicus gigas SRT

2.3 秘魯魷魚吸盤環齒酶解脫齒工藝條件的優化

以脫齒率(W)為響應值進行響應面優化試驗，響應面的試驗方案設計與結果見表3。

表3 響應面試驗方案設計與結果Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

利用Design-Expert V8.0.6對響應面試驗結果進行分析，擬合得到二次回歸方程為：W=48.08+2.25A+4.21B+3.79C+0.62AB+0.45AC-0.70BC-4.14A2-7.82B2-4.76C2。

對上述二次回歸方程進行方差分析，由表4可知，回歸模型極其顯著(P<0.000 1)，失擬項不顯著(P=0.056 2>0.05)，模型的相關系數R2=0.996 2，說明模型擬合程度良好，因此，可以用此模型對秘魯魷魚吸盤環齒酶法脫離的工藝條件進行分析預測。各項系數P值的分析表明，因素A、B、C、A2、B2、C2、BC均達到極顯著水平(P<0.01)。由F值的大小可以推斷，在所選擇的試驗范圍內，3個考察因素對酶解脫離魷魚吸盤環齒效果的影響順序為：酶解溫度(B)>酶解時間(C)>酶添加量(A)。相應曲面分析、因素之間的交互作用見圖5。由圖5可知，當酶添加量保持不變時，隨著酶解溫度的增加，秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率呈現先升高后下降的拋物線趨勢，存在最大值，即存在最佳的酶解溫度。同樣，隨著酶解時間和酶添加量的變化，秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率也呈相應的拋物線變化趨勢，即這兩者存在最佳值能使脫齒率達到最大。因此，在試驗選定的因素水平區間內有最佳的酶解條件組合，使得秘魯魷魚吸盤的脫齒率達到最大。通過模型和響應面曲線圖，確定秘魯魷魚吸盤酶法脫離環齒較理想的工藝參數為：酶添加量1 703 U·g-1、酶解溫度42.82℃、酶解時間34.39 min，預測模型的脫齒率為96.2%。結合實際操作情況，調整為酶添加量1 700 U·g-1、酶解溫度43℃、酶解時間34 min，在此條件下，進行3次重復性試驗，得到脫齒率為96.2%±1.8%，與預測值96.2%接近，說明該模型擬合數據良好，能較好預測秘魯魷魚吸盤脫齒率。

2.4 秘魯魷魚吸盤環齒的主要成分分析

對秘魯魷魚吸盤環齒的主要成分進行測定，結果表明，秘魯魷魚吸盤環齒主要由蛋白質組成，其蛋白含量高達86.75%。此外，魷魚吸盤環齒的水分含量、灰分含量分別為12.86%、0.37%。

2.5 秘魯魷魚吸盤環齒紅外光譜分析

由圖6可知，秘魯魷魚吸盤環齒譜圖與牛血清蛋白類似，具有蛋白類物質的特征吸收峰(3 421、1 644、1 544、1 116 cm-1)[19]。其中3 421 cm-1附近的強吸收峰為蛋白質類O-H的伸縮振動峰；2 918 cm-1附近的吸收峰是C-H的伸縮振動峰；1 640 cm-1附近的吸收峰是C=O的伸縮振動峰[20]；1 544 cm-1和1 457 cm-1附近的吸收峰分別為酰胺2帶中N-H面內彎曲振動峰及C-N伸縮振動峰；1 230 cm-1和1 116.58 cm-1附近的吸收峰分別為酰胺3帶中N-H面內彎曲振動峰和C-N伸縮振動峰[21]。

圖5 各因素及其交互作用對秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率的影響Fig.5 Effects of interaction between the reaction factors on isolation rate of Dosidicus gigas SRT

與甲殼素的紅外圖譜對比分析發現，秘魯魷魚吸盤環齒樣品中未出現甲殼素的特征峰(2 934.65、2 871.61 cm-1)，表明秘魯魷魚吸盤環齒中不存在甲殼素成分，這與魷魚另一個堅硬組織喙不一樣，魷魚喙中的甲殼素含量達15%～20%，是其主要的組成部分之一[22-23]。

2.6 秘魯魷魚吸盤環齒外觀及微觀結構觀察

由圖7-A可知，秘魯魷魚吸盤環齒呈環狀，由基底環和一系列牙列組成，顏色為黃褐色。由圖7-B、C可知，秘魯魷魚吸盤環齒的微觀結構呈平行管狀構造，該構造會直接影響到環齒的機械性能，由于吸盤環齒分布于魷魚須和觸手位置，該位置被用于捕獲獵物，通常要求能承受很大的機械載荷，而吸盤環齒的平行管狀結構能增強環齒的彎曲剛度，使其能夠承受很大的彎曲力或剪切力[24]。

由圖7-D可知，秘魯魷魚吸盤環齒也具有多孔結構，其孔隙度通常高達80%～90%，相對連續介質材料，它具有相對密度低、重量輕等特點[25]。同時，秘魯魷魚吸盤環齒的孔隙呈梯度分布，這使其具有梯度硬度的特征(即在齒邊緣硬度最高，后朝向環齒基底內部逐漸變軟)[26]。此外，多孔結構還能使秘魯魷魚吸盤環齒在其構成介質之間形成防裂機制，以增強其結構的穩定性[21]。

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Varlance analysis of the regresslon model

注:*表示差異顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01)。

Note:*indicates significant difference at 0.05 level.**indicates extremely significant difference at 0.01 level.

圖6 秘魯魷魚吸盤環齒、甲殼素和牛血清蛋白的紅外光譜分析圖譜Fig.6 Infrared spectra of SRT, chitin and BSA

2.7 秘魯魷魚吸盤環齒熱穩定性分析

差示熱量掃描儀檢測出的曲線圖會在最大遷移點處顯示出樣品的熱變性溫度。由圖8可知，在30～250℃內，氮氣流保護下，魷魚吸盤環齒在69.4℃左右出現一個吸收峰，這是由于環齒中水分蒸發的物理變化引起的，同時吸盤環齒在約36℃處檢測到DSC曲線的斜率出現明顯的降低，也說明其內部水分在蒸發[27]；在118.6℃左右有一個吸熱峰，表明魷魚吸盤環齒在118.6℃以前沒有狀態變化，性質穩定，而隨后由固體變成熔融狀態；在218.4℃之后出現一個很明顯吸熱轉變峰，說明在該溫度下魷魚吸盤環齒中的蛋白二級結構β-折疊受熱被破壞。

圖7 秘魯魷魚吸盤環齒外觀及掃面電子顯微鏡圖Fig.7 Appearance and SEM images of the Dosidicus gigas SRT

2.8 秘魯魷魚吸盤環齒耐酸堿性測試結果

圖8 秘魯魷魚吸盤環齒的差示掃描量熱法分析曲線Fig.8 Differential scanning calorimetry curves of Dosidicus gigas SRT

材料的耐酸堿性很大程度上決定了材料的耐用性。秘魯魷魚吸盤環齒的主要組成為蛋白質，容易在酸堿條件出現水解。由圖9可知，酸性條件下魷魚吸盤環齒的質量損失較高，隨著pH值的降低，其質量損失率增加；而堿性條件下，魷魚吸盤環齒的穩定性相對較好，與酸性條件相比，其質量損失率較小，且質量損失率隨著pH值增加而增加。綜上表明，秘魯魷魚吸盤環齒在弱酸和弱堿中均具有一定的耐酸堿性，但長時間置于強酸強堿環境中會對其質構等造成較大的損害。

圖9 在不同pH值溶液處理2 h時秘魯魷魚吸盤環齒的質量損失率Fig.9 The rate of mass loss of SRT at 2 hours at different pH values

3 討論

秘魯魷魚吸盤環齒和吸盤咬合緊密，脫離難度大，目前只有手工剝離的方法，但手工剝離速度慢，效率低，且人工成本很高，導致其難以被大規模產業化加工利用。鑒于此，本研究以脫齒率為指標，首次在篩選出適合秘魯魷魚吸盤酶法脫離環齒蛋白酶的基礎上，利用單因素和響應面法對其酶解脫環齒工藝條件進行優化，優化后的工藝條件下，秘魯魷魚吸盤的脫齒率達96.2%，且環齒形狀保持完整，吸盤肉殘留少，與人工剝離相比，酶法脫離速度更快，效率更高。因此，本試驗優化后的酶解工藝不僅可以較好地脫去秘魯魷魚吸盤環齒，還能在一定程度上保持環齒完整性，可在工業化生產中推廣應用。

天然生物材料在形成過程中，經過長期的自然選擇和進化，會形成與環境相適應的獨特的結構和組成[28-29]。本研究對秘魯魷魚吸盤環齒的主要成分進行測定，發現其主要成分為蛋白質，蛋白含量高達86.75%，同時采用紅外光譜對其進行分析，分析結果顯示魷魚吸盤環齒具有蛋白質的吸收峰，但不具有甲殼素的吸收峰，與基本成分測定的結果相吻合。秘魯魷魚吸盤環齒的微觀結構觀察顯示其具有多孔結構，這與很多天然材料如木材、珊瑚和植物莖的結構相一致，其密集的孔隙會使吸盤環齒形成特定的高彎曲剛度[30]，同時多孔結構會降低吸盤環齒的密度，增強其結構穩定性。

目前，很多天然材料的應用范圍已擴散至熱塑性高分子領域，但大多天然材料本身熱塑性較差，需要經過與增塑劑混合或進行化學改性，才能具有熱塑性[31-32]。張魯燕等[33]報道了熱塑性接枝改性羽毛角蛋白膜材的制備，天然羽毛角蛋白未出現熔融峰，熱塑性較差，經過接枝改性后出現了熔融峰，熔點為130℃。本研究采用差示熱量掃描法對秘魯魷魚吸盤環齒的熱穩定性進行分析，發現魷魚吸盤環齒在118.6℃時出現熔融峰，說明其具有良好的熱塑性，熔點為118.6℃。與張魯燕等[33]的結果比較，秘魯魷魚吸盤環齒的熔點較改性羽毛角蛋白低，其熱塑性更加突出。綜合上述分析的結構特點認為，秘魯魷魚吸盤環齒可作為一種天然生物材料，具有良好的潛在開發應用前景。

4 結論

本研究首次采用酶解法對秘魯魷魚吸盤環齒進行脫環齒試驗，確定木瓜蛋白酶為最優蛋白酶，并利用響應面法優化得到最佳酶解脫齒工藝條件：酶添加量 1 700 U·g-1、酶解溫度43℃、酶解時間34 min，此條件下得到的秘魯魷魚吸盤環齒脫齒率為96.2%。將得到的魷魚吸盤環齒進行組成結構及特性分析，結果表明，秘魯魷魚吸盤環齒主要成分為蛋白質，不含有甲殼素，其微觀結構為平行管狀模塊構成的多孔結構，具有一定的熱塑性和耐酸堿性。本研究結果為秘魯魷魚吸盤環齒酶法脫離工藝提供了理論依據，對魷魚吸盤環齒的綜合利用有一定的積極意義。