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论文方法介绍-乙醇溶液对鱼明胶凝胶特性的影响
时间:2021-04-16 13:52:48

  明胶主要是从动物骨骼、结缔组织以及皮肤中的胶原蛋白水解获得,由于其具有独特的功能特效而被广泛的应用于食品与化工领域,是一种非常重要的可用于商业的胶体。目前市场上,明胶的原材料大多为哺乳动物(猪、牛等)的组织或器官。原料来源有限,加工工艺复杂,生产成本较高,无法满足日益庞大的市场需求,并且近年来疯牛病、口蹄病、非洲猪瘟等哺乳动物传染病的流行,使哺乳动物明胶的安全性受到市场广大消费者的质疑。因此,开发可替代哺乳动物明胶的新型明胶刻不容缓。

  鱼明胶由于其物理特性相较于其他生物明胶与哺乳动物明胶更为接近,并且鱼类的养殖更为方便,鱼类的繁殖速度、繁殖能力更快更强,经过养殖的鱼类其安全性也能得到保证,以上这些因素使鱼明胶被公认为可替代哺乳动物明胶的良好新型明胶。并且,地球表面积的71%是海洋,再加上内陆的一些淡水湖泊等水域,使得地球的水产鱼类资源极为丰富。而且,鱼明胶的原材料如鱼皮、鱼鳞和鱼骨等,一般是鱼产品加工后的废物,生产鱼明胶不仅能保护环境,还能增加鱼产品的综合利用率,增大收益,一举两得。但是鱼明胶与哺乳动物明胶相比仍有明显缺陷,主要是凝胶强度和流变学特性较差,如果能对其加以改善,那将大大增强鱼明胶在市场的利用价值和应用范围。

  基于以上思路,本文主要研究了乙醇溶液的浓度对鱼皮明胶的凝胶强度、质构特性、持水力和颜色等的影响。

  1.2明胶的研究进展

  1.2.1明胶的简介

  目前,明胶主要是由哺乳动物的皮肤、骨骼、筋腱等结缔组织内的胶原经熬煮而得的蛋白质。正因为明胶是胶原部分水解得到的一类蛋白质,因此明胶与胶原具有同源性,明胶氨基酸组成与胶原相似,但是因为明胶和胶原在预处理方面存在一定差异,使其组成成分也可能不同。

  根据制备过程中预处理的不同,可以将明胶分为酸法明胶(A型明胶)、碱法明胶(B型明胶)和酶法明胶(E型明胶)[2]。

  1.2.2明胶的性质

  明胶是无色或淡黄色透明或半透明的、一般呈粉状、片状或块状的,易受潮变质。无味无臭,有一定光泽,在冷水中会发生吸水膨胀,但是在热水中会溶解,经过冷冻后会形成凝胶状物。在常温下,明胶溶于甘油、乙酸、尿素、硫氰酸盐和浓度较高的溴化钾等,不溶于乙醇和乙醚。

  明胶是一种重要的天然高分子表面活性剂,具有其他水溶性高分子物质特有的增稠性,可以作为乳化剂和胶体保护剂等使用[3]。并且由于明胶的胶融温度低于人体生理温度,可融于人体口腔,并释放出明胶产品特有的风味和香气。可利用明胶的这些物理和化学性质来生产糖果,药壳等。

  明胶是一种无脂肪,且不含胆固醇的高蛋白,是一种天然的营养食品增稠剂,明胶中含有18种氨基酸,其中有7种是必需氨基酸。明胶成分16%左右是水分和无机盐,剩下的84%左右为蛋白质,明胶的吸水力十分强悍,可吸收相当于其本身质量5~10倍的水。制作明胶的原料对明胶的性质也有一定影响,其中以猪皮明胶的性质较为优异,猪皮明胶的透明度高,可塑性强。

  1.2.3明胶在食品中的应用

  明胶是一种天然高分子物质,含有人体所需的大多数必需氨基酸。明胶在现代市场中有广泛的应用领域。

  1.2.3.1食品可降解包装材料

  石油化工塑料,如聚苯乙烯(PS),聚酰胺(PA),聚乙烯(PE)等广泛用于食品包装,但是由于它们不是可循环的,降解缓慢,经过焚烧产生有毒气体不利于环境保护等原因,饱受诟病。

  多糖、蛋白质及脂质等可作为生物可降解材料原料用来生产食品包装薄膜。蛋白质为原料制作的薄膜相比于多糖有更好的抗氧化性和机械性能。在各类蛋白质,如大豆蛋白、玉米蛋白和麦麸蛋白等中,明胶以其独特的特性,相较于其他蛋白,有更大的商业应用前景。明胶在掺入一些其他东西,如柠檬酸草油时,增加了薄膜的抗菌和抗氧化能力,从而延长了商品的货架期。明胶在薄膜方面有良好的氧阻隔性和热密封性,并且由于制作简单,使用后便于处理,在食品包装薄膜领域拥有巨大的潜力[4]。

  1.2.3.2胶凝剂

  食用明胶可与水形成类似琼脂、果胶,但融点较低的热可逆性凝胶。由于食用明胶更富有弹性和难脱水性,其被广泛的应用于糖果工业中。利用这一特性,食用明胶还被应用于肉类制品中,使菜肴的色、香、味、形俱全。

  1.2.3.3澄清剂

  明胶可以与产品中存在的丹宁质及其类似物发生反应生成絮凝沉淀,静置后可以用过滤出去沉淀物,使果汁、酒、醋等产品澄清[5]。

  1.3鱼皮明胶的研究进展

  1.3.1鱼皮的简介

  鱼皮分为海鱼皮和淡水鱼皮,占鱼体总重的4%~8%左右[6]。鱼皮含有丰富的胶原蛋白和多种微量元素,并且具有一定的抗病功能,可以降低伤口感染率,能如石膏一般起到固定作用,帮助患者伤口快速恢复。

  鱼皮主要由水分和蛋白质组成,例如军曹鱼皮的水分和蛋白质含量分别为65.03%和28.53%,黄鳍金枪鱼皮的水分和蛋白质含量分别为65.01%和33.14%。其中鱼皮蛋白质的组成成分主要是胶原蛋白[7]。

  1.3.2鱼皮明胶的概述

  鱼皮明胶是将鱼皮胶原蛋白在水和热的作用下,使其氢键断裂,螺旋结构解体,进而将明胶释放出来,从而得到稀明胶溶液,再经过一系列工艺,得到成品明胶。鱼明胶用途广泛,在电子业中,鱼明胶可用作感光涂层(光致抗蚀剂)的基剂。在计算机和微型加工装置中,对硅片起固定作用的引线架原材料中就有鱼明胶[8]。

  明胶的传统工业原料是猪牛等哺乳动物的皮与骨骼,但是近年来,疯牛病、非洲猪瘟等传染病在全球肆虐,极大影响了哺乳动物明胶的生产、使用及进口,同时鱼皮明胶拥有无宗教限制、原料丰富等优点。并且鱼皮作为鱼类加工后的废物,开发利用鱼皮作为明胶来源,不仅能够保护环境,还能增加收益[9]。

  1.3.3鱼皮明胶的研究现状

  专家学者通过研究微生物转谷氨酰胺酶对凝胶特性的影响,发现浓度分别为0.005%和0.01%(w/v)的微生物转谷氨酰胺酶可以提高大眼鲷和褐鲷凝胶的凝胶强度。并且通过试验,进一步发现微生物转谷氨酰胺酶可以降低鱼明胶中β-和α-组分的条带强度,增加凝胶的结构紧密程度,从而增强凝胶强度[10]~[11]。

  在研究MTGaseh和果胶对鱼明胶凝胶特性影响时,发现MTGaseh和果胶可以改善鱼明胶的胶凝点、熔点、表观粘度和凝胶性能。研究显示MTGaseh催化可溶性鱼明胶-果胶复合物之间的交联作用,是使鱼明胶凝胶强度和熔融温度升高的原因[12]~[13]。

  在进行明胶磷酸化实验中,发现预处理和提取过程中,通过掺入不同浓度的三聚磷酸钠(STPP),可以使单角革鲀皮的明胶磷酸化。实验结果显示在适当的条件下进行磷酸化可以改善来自单角革鲀皮的明胶的胶凝特性[14]~[15]。

  科研人员成功研制出一种以鱼明胶为基础的猪明胶仿制品(多糖、盐与鱼明胶结合,根据明胶的凝胶强度和熔融温度等性质,制备出猪肉明胶模拟物)[16],中国学者安可婧首次制备出鱼皮明胶/PLLA复合纳米纤维膜,并证明其具有极好的作为引导组织再生的细胞支架的应用前景,为医学领域发明出一种新的医学材料[17]。

  2实验材料与方法

  2.1材料与试剂

  鳙鱼,购于宁波菜市场;戊二醛、盐酸、氢氧化钠、乙醇等试剂,均为国产分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

  2.2主要仪器

  CR-10色差仪日本MINOLTA美能达公司

  CXDC-0510低温恒温槽南京舜马仪器设备有限公司

  TA.XT Plus质构仪英国Stable Micro Systems公司

  Quanta200F环境扫描电子显微镜美国FEI公司

  奥式粘度计上海化科实验器材有限公司

  紫外-可见分光光度仪上海菁华科技仪器有限公司

  J-1500圆二色光谱仪上海岚皓科学仪器有限公司

  简易显微拉曼光谱仪-Inspector深圳市赛普斯科技有限公司

  2.3材料与方法

  2.3.1鱼皮明胶的提取

  参考谢详,王婷婷等的方法并加以修改。将购买得到的鳙鱼清洗干净,刮去鱼鳞,运用一定方法取下鱼皮,再将鱼皮进一步清洗,去除鱼皮残留的杂质,如未刮净的鱼鳞等,然后沥干,再将清洁的鱼皮用剪刀剪碎或用仪器捣碎,将捣碎的鱼皮脱脂处理去除脂肪,用氯化钠溶液处理一段时间后用蒸馏水清洗,再用硫酸溶液处理,洗至中性。经过一系列的处理,可以提取粗明胶,将提取出来的明胶经过离心后取出上清液,上清液冷冻干燥得到成品鱼皮明胶[18]。

  2.3.2乙醇溶液处理鱼皮明胶

  称取适量冻干的鱼皮明胶置于蒸馏水中,在50℃的恒温水浴中加热充分溶解,配置成6.67%(w/v)鱼皮明胶溶液。将得到的明胶溶液分为六组,分别加入等量的浓度为0%(原液)、5%、10%、15%、30%、40%的乙醇溶液溶解,室温下静置备用。

  2.3.3颜色测量

  将制好的鱼皮明胶溶液取120ml,分为6组,每组20ml置于小烧杯中,置于10℃恒温恒湿箱中孵化15h,使其凝固成胶体,再用色差仪测量胶体颜色,每个样品测量三次,取其平均值[19]。

  2.3.4凝胶强度测定

  将制好的鱼皮明胶溶液取120ml,分为6组,每组20ml于小烧杯中,在10℃恒温箱下孵化17h,用TA.XT Plus质构仪测定每组明胶溶液的凝胶强度。探头直径为12.7mm,测试速度为0.5mm/s。凝胶强度用穿透距离到达4mm时的最大力(g)表示[20]。

  2.3.5质构特性测定

  将每组鱼皮明胶溶液分别倒入模具中,在10℃恒温箱中孵化17h,然后将胶体切成底面直径为2.2cm,高1.5cm的圆柱体。将胶体取出用TA.XT Plus质构仪测定。质构仪探头直径为47mm,测试程序:压缩量为40%,速度为1.0mm/s[21]。

  2.3.6持水力测定

  每组分别取一定质量的明胶凝胶,记质量为M1。将其切成大小均一的小颗粒,在室温下,用转速为4000r/min的离心机离心5min,取出凝胶体用滤纸将其表面水分吸干后称量,记质量为M2,凝胶的持水率可用以下方程式计算:

  持水率(%)=M2/M1*100%

  式中M1、M2分别为胶体离心前的质量(g)和离心后的质量(g)

  明胶凝胶的持水力与持水率成正比[22]。

  3讨论与分析

  3.1乙醇溶液浓度对鱼皮明胶凝胶强度的影响

  从图1中可以看出,加入浓度5%、10%、15%、30%为的乙醇溶液时,鱼皮明胶的凝胶强度均大于鱼皮明胶原液,当加入浓度为40%的乙醇溶液时,凝胶强度反而低于原液。并且当乙醇溶液浓度为15%时,鱼皮明胶的凝胶强度最大,为610.87g。由此可推断,适当浓度的乙醇溶液可以加强鱼皮明胶的凝胶结构,使其凝胶强度变大,但过高浓度的乙醇溶液会使凝胶结构破坏,从而降低凝胶强度[23]。

  3.2乙醇溶液浓度对鱼皮明胶的质构特性的影响

  由图1可知,乙醇浓度对鱼皮明胶凝胶的粘聚性和弹性影响不是很显著,但也能看出过高浓度的乙醇溶液会降低凝胶的弹性和粘聚性。并且能看出乙醇浓度对鱼皮明胶凝胶的硬度、耐嚼性、粘附性、胶着性有显著影响。其中硬度、耐嚼性、胶着性均在乙醇浓度在15%时达到最大,当浓度大于15%时大幅度降低,比凝胶原液还要低。值得注意的是,当浓度在5%时,鱼皮明胶凝胶的硬度降低,可能是实验操作失误造成的数据错误。就胶粘性来说,以实验的乙醇浓度,都能使其增大,当浓度为30%时,粘附性最大,40%时粘附性略微降低。其次观察凝胶的还原能力时发现,当乙醇浓度小于等于15%时,还原能力变大不明显,只能微微提高其还原能力,但当浓度大于30%时,乙醇对凝胶还原能力的影响就较为明显,并且是降低其还原能力。据此猜测,适当浓度的乙醇溶液可能可以促进明胶的凝胶网络形成,增多氢键的形成,减小明胶粒子间的距离,从而使鱼皮明胶凝胶的质构特性得以改善增强[24]。

  3.3乙醇溶液浓度对鱼明胶胶体持水率的影响

  从图2中可以看出,当乙醇浓度在15%以下包括15%时,鱼明胶胶体的持水力略微增强,可达到87.87%。但当浓度继续增大时,持水率会大幅度降低,在浓度30%时降至81.49%,比原液的85.76%还要低4%,当浓度到40%时,持水率以降至71.72%,比原液低14%。结合表1和表2,当乙醇溶液浓度为15%时,鱼明胶凝胶胶凝强度最大,凝胶网络越致密,水分子与凝胶结合越紧密,但当乙醇浓度过大时,乙醇的挥发作用大于其对凝胶网络的增强,使胶体持水力下降[25]。

  3.4乙醇溶液浓度对鱼明胶胶体颜色的影响

  由图2可知,随着乙醇浓度的增大,L值逐渐增大;b值总体呈减低趋势;a值总体呈先增大后减小趋势,在浓度为15%时达到顶峰。可能由于乙醇溶液中溶液离子带负电,鱼明胶胶体离子带正电,两种离子互相吸引,使乙醇溶液很容易就渗透进胶体中,并且乙醇可以影响明胶胶体内某些表达明胶颜色的物质,改变明胶胶体的颜色,进而对鱼明胶的色泽造成影响。

  表1不同的乙醇浓度溶液对鱼明胶凝胶强度和质构特性的影响.

  原样5%10%15%30%40%

  Gel strength 511.05±10.43 517.95±16.03 573.99±8.84 610.87±36.04 524.64±7.49 426.01±22.72胶凝强度

  Hardness 1085.605±123.71 1047.32±87.75 1167.51±177.51 1300.11±96.51 964.14±111.71 1010.97±197.96硬度

  Chewiness 1013.10±183.67 1053.67±93.91 1127.02±136.52 1179.43±109.33 868.30±118.34 836.24±129.74耐嚼性

  Adhesiveness-75.41±26.34-52.28±23.68-39.52±23.39-45.28±28.13-33.37±22.60-35.78±29.91胶粘性

  Springiness 0.96±0.02 0.95±0.04 0.96±0.05 0.94±0.07 0.95±0.04 0.90±0.02弹性

  Cohesiveness 0.96±0.01 0.95±0.01 0.95±0.01 0.94±0.02 0.94±0.01 0.91±0.02粘聚性

  Gumminess 1037.60±103.37 1000.11±86.47 1093.11±148.99 1229.44±84.18 908.87±104.22 922.50±193.32胶着性

  Resilience 0.73±0.03 0.72±0.02 0.75±0.03 0.76±0.05 0.68±0.03 0.63±0.04还原力

  表2不同的乙醇浓度溶液对鱼明胶胶体持水力和颜色的影响

  原样5%10%15%30%40%

  WHC 85.76±1.24 85.87±2.81 86.13±1.14 87.87±1.36 81.49±2.77 71.72±2.83

  L*28.48±0.30 30.54±0.18 30.99±0.83 35.37±0.22 77.88±0.28 82.16±0.90

  a*1.18±0.03 1.05±0.06 1.26±0.22 1.59±0.22-2.47±0.10-1.74±0.02

  b*1.66±0.41 1.49±0.16 1.24±0.68-1.65±0.39-1.83±0.22-1.66±0.30