基于響應面法的魚皮多肽提取工藝優化研究

摘 要：本文以三文魚魚皮為研究對象，經酸堿處理以提取魚皮中的膠原蛋白，然后加入胰蛋白酶進行酶解，提取魚皮多肽。采用單因素試驗和響應面法優化魚皮多肽提取的最佳工藝參數。結果表明，胰蛋白酶添加量、酶解時間、酶解溫度對魚皮多肽提取率的影響較大，影響順序為胰蛋白酶添加量＞酶解溫度＞酶解時間。三文魚魚皮多肽提取最佳工藝參數為酶解環境pH值7.50、胰蛋白酶添加量1.78%、酶解時間5.20 h，酶解溫度52.20 ℃，該提取條件下，胰蛋白酶的活性最高，多肽的提取率可達到8.98%。本研究為推動魚皮多肽提取工藝的優化和創新提供技術支撐。

關鍵詞：三文魚；魚皮；膠原蛋白；多肽提取率；響應面法

Optimization of Fish Skin Polypeptide Extraction Technology Based on Response Surface Method

ZHANG Chen， XUE Xiaojuan， ZHAO Yajing

（Gansu Forestry Polytechnic， Tianshui 741020， China）

Abstract： This article takes salmon skin as the research object， extracts collagen from fish skin through acid-base treatment， and then adds trypsin for enzymatic hydrolysis to extract fish skin peptides. Optimize the optimal process parameters for fish skin peptide extraction using single factor experiments and response surface methodology. The results showed that the addition of trypsin， hydrolysis time， and hydrolysis temperature had a significant impact on the extraction rate of fish skin peptides， with the order of influence being trypsin addition＞hydrolysis temperature＞hydrolysis time. The optimal process parameters for extracting peptides from salmon skin are enzymatic hydrolysis environment pH value of 7.50， trypsin addition amount of 1.78%， enzymatic hydrolysis time of 5.20 h， and enzymatic hydrolysis temperature of 52.20 ℃. Under these extraction conditions， trypsin activity is the highest and the peptide extraction rate can reach 8.98%. This study provides technical support for promoting the optimization and innovation of fish skin peptide extraction technology.

Keywords： salmon; fish skin; collagen; polypeptide extraction rate; response surface method

在水產品加工流程中，會產生相當數量的副產物。其中，魚皮占較大比例。如果這些副產品未能得到合理處置，將會引發資源浪費和生態環境污染等問題[1]。因此，對魚皮進行深度加工，不僅能提升其資源價值，實現高附加值利用，還能有效減輕環境污染問題，這與可持續發展的原則相契合[2]。

魚皮中含有豐富的蛋白質，通過采用專門的提取技術，能夠從中提取出具有多種生物活性的多肽物質。這些多肽展現出良好的抗氧化、降壓、免疫調節等作用[3]。目前，提取魚皮多肽的主要技術手段包括酶解法、化學處理法和發酵生物技術等[4]。其中，酶促水解因其溫和的反應條件、高度的安全性以及產物結構的穩定性而得到廣泛應用。然而，相對較高的生產成本成了一個制約因素。相比之下，化學法的操作過程更簡便，且成本效益高，但該方法在反應過程中容易引入有害物質，從而降低產品的安全性，并且可能導致部分氨基酸的破壞。發酵法的優勢在于操作流程簡便和成本較低，但該方法的產物收率相對較低，且部分用于產酶的微生物可能具有一定的毒性。因此，如何優化提取工藝，提高多肽的得率和純度，同時降低生產成本和環境污染，是當前魚皮多肽提取工藝研究面臨的重要挑戰。

三文魚因其洄游習性和對冷水環境的適應性，使得其魚皮富含膠原蛋白等有益物質，這些物質在經過適當的加工處理后，可轉化為大量的多肽。基于此，本研究以三文魚魚皮為研究對象，在單因素試驗的基礎上，采用響應面法對魚皮多肽提取工藝進行優化研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胰蛋白酶；三文魚皮；NaOH溶液（濃度為1.0 mmol·L-1，分析純）；HCL水溶液（濃度為0.5%，分析純）。

1.2 儀器與設備

JIDI-20D型離心機；HWS數顯恒溫培養箱；GCM-S-02型卷式膜分離設備；實驗型ZLGJ-10凍干機。

1.3 試驗方法

1.3.1 提取魚皮膠原蛋白

洗凈三文魚魚皮后，將魚皮置于清水中浸泡1 h，再切成1.2 cm的小塊。將魚皮塊置于NaOH溶液中（魚皮和溶液的體積比為1∶10）浸泡2 h后，用清水清洗魚皮塊，直至其pH值達到中性狀態。將魚皮塊置于0.5%的HCL水溶液中（魚皮和溶液的體積比為1∶8）浸泡1 h后，取出魚皮塊并清洗干凈。向已清洗的魚皮中添加純凈水，在恒溫環境中，以7 500 r·min-1的速度離心處理15 min，從上清液中分離出的物質即為膠原蛋白[5]。

1.3.2 制備魚皮膠原蛋白多肽

稱取1.3.1提取的三文魚魚皮膠原蛋白1 g，向其中加入胰蛋白酶復合物，同時調節混合物的pH值。在恒溫培養箱中對混合物進行酶解后，將混合物料投入沸水中，加熱處理10 min，讓其自然冷卻至室溫。再將混合物以7 500 r·min-1的速度離心30 min。離心完成后，提取上清液，經卷式膜分離設備濃縮處理后，進行冷凍干燥，即可得到膠原蛋白肽。

1.3.3 單因素試驗設計

（1）在溫度為55 ℃、胰蛋白酶添加量為1.8%、酶解時間為5 h的條件下，固定1.3.2其他提取條件，分別設置酶解環境pH值為6.5、7.0、7.5、8.0和8.5，考察多肽提取率的變化情況。

（2）在溫度為55 ℃、酶解環境pH值為7.5、酶解時間為5 h的條件下，固定1.3.2其他提取條件，分別設置胰蛋白酶添加量為1.0%、1.4%、1.8%、2.2%和2.6%，考察多肽提取率的變化情況。

（3）在溫度為55 ℃、酶解環境pH值為7.5、胰蛋白酶添加量為1.8%的條件下，固定1.3.2其他提取條件，分別設置酶解時間為3.5、4.0、4.5、5.0 h和5.5 h，考察多肽提取率的變化情況。

（4）在酶解環境pH值為7.5、胰蛋白酶添加量為1.8%、酶解時間為5.0 h的條件下，固定1.3.2其他提取條件，設置酶解溫度為40、45、50、55 ℃和60 ℃，考察多肽提取率的變化情況。

1.3.4 多肽提取率計算

本研究以多肽提取率（η）為分析指標，計算公式為

（1）

式中：N表示酶解液多肽質量濃度，g·L-1；V表示酶解液的體積，mL；M表示酶解液的質量，g；p表示魚皮膠原蛋白的含量，%。

1.3.5 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，選取對魚皮多肽提取率影響較大的3個因素（胰蛋白酶添加量、酶解時間、酶解溫度）進行響應面分析，從而確定最優的魚皮多肽提取工藝參數。響應面試驗因素及水平見表1。

1.4 數據處理

本研究利用統計軟件SPSS對數據進行統計分析；采用Design-Expert軟件構建響應面模型，通過擬合二次多項式方程來描述各因素與響應值之間的關系。同時，進行方差分析以評估模型擬合度和各因素顯著性。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同pH值對魚皮多肽提取率的影響

由圖1可知，隨著酶解環境pH值的增加，多肽提取率呈先升高后降低的趨勢。在pH值為7.5時，多肽提取率最高。這是因為該pH值條件下，胰蛋白酶的活性最高，能夠有效地將魚皮中的膠原蛋白水解為多肽。

2.1.2 不同胰蛋白酶添加量對魚皮多肽提取率的影響

由圖2可知，隨著胰蛋白酶添加量的增加，多肽提取率呈現先升高后降低的趨勢。在胰蛋白酶添加量為1.8%時，酶活性最高，能夠有效地將魚皮中的膠原蛋白水解為多肽，因此多肽提取率最高。

2.1.3 不同酶解時間對魚皮多肽提取率的影響

由圖3可知，隨著酶解時間的延長，多肽提取率呈現先升高后降低的趨勢。在酶解時間為5.0 h時，多肽提取率最高。此時，胰蛋白酶能夠將魚皮中的膠原蛋白充分水解。

2.1.4 不同酶解溫度對魚皮多肽提取率的影響

由圖4可知，酶解溫度為40～50 ℃時，多肽提取率迅速上升，當繼續升高溫度，提取率則呈現下降趨勢。在酶解溫度為50 ℃時，胰蛋白酶的活性最高，能夠最有效地將魚皮中的膠原蛋白水解為多肽。

2.2 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面法優化提取工藝參數

在單因素試驗的基礎上，以胰蛋白酶添加量（A）、酶解時間（B）、酶解溫度（C）為考察因素，以多肽提取率為響應值（η），優化魚皮提取工藝，響應面優化試驗結果見表2[6]。使用Design-Expert 軟件對表2中的數據進行線性回歸分析，得回歸方程為η=10.42+0.78A+0.35B+0.51C-0.78AB+0.09AC-0.64BC-0.93A2-1.42B2-2.51C2。

2.2.2 響應面試驗方差分析

由表3可知，經回歸分析發現，回歸模型P＜0.001，失擬項P＞0.05，表明該模型擬合度較好。各因素對響應值的影響大小依次為胰蛋白酶添加量（A）＞酶解溫度（C）＞酶解時間（B）。一次項A和C，交互項AB、BC，以及二次項A2、B2、C2對魚皮多肽提取率的影響顯著。

2.2.3 不同因素交互作用響應面分析

為了進一步分析胰蛋白酶添加量（A）、酶解溫度（C）、酶解時間（B）之間的交互作用對魚皮多肽提取率的影響，本實驗繪制了三維曲面圖。由圖5（a）可知，酶解時間與胰蛋白酶添加量之間存在明顯的協同作用，在最優范圍內，二者的配合可以有效提升多酚提取率。由圖5（b）可知，酶解時間與酶解溫度的最佳匹配有助于提高多酚提取率，且在最佳點附近形成相對平滑的高值區域。由圖5（c）可知，酶解溫度與胰蛋白酶添加量之間的相互配合也會顯著影響多酚的提取效率，在最佳組合點形成較為集中且穩定的提取率高值區域。

2.3 驗證試驗

通過Design-Expert軟件分析預測，得到三文魚魚皮多肽提取最佳工藝參數為胰蛋白酶添加量為1.78%、酶解時間為5.20 h，酶解溫度為52.20 ℃。在此條件下進行驗證性試驗，得到的多肽提取率為8.98%，表明響應面法優化得到的工藝參數具有較高的可靠性。

3 結論

本研究以三文魚魚皮為實驗原料，采用酸堿處理結合胰蛋白酶酶解的方法提取魚皮多肽。通過單因素實驗和響應面法優化魚皮多肽提取工藝參數，確定了最佳工藝條件為胰蛋白酶添加量1.78%、酶解時間5.20 h、酶解溫度52.20 ℃。在此條件下提取三文魚魚皮多肽，酶活性最高，能夠有效地將魚皮中的膠原蛋白水解為多肽，提取率可達到8.98%。本研究通過優化提取工藝，不僅提高了多肽提取率，實現了魚皮資源的高附加值利用，還推動了相關產業的發展和創新。

參考文獻

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作者簡介：張晨（1985—），男，甘肅天水人，本科，講師。研究方向：環境微生物檢測。