纯碱法制备鸡皮明胶的工艺优化研究

柴梦阳，辛颖，赖少娟，陈复生，*

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001；2.河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001）

明胶是动物的皮肤、骨、肌腱等结缔组织中的胶原蛋白在一定条件下经过水解处理而得到的多肽混合物[1-2]。明胶具有胶凝性、乳化性、发泡性等功能性质，且其水凝胶具有可逆性、熔点接近于人体温度、易溶于水的特点，被广泛应用于各种食品、医药、化妆品等行业[3-5]。市售明胶主要以哺乳动物明胶为主，例如猪皮和猪骨明胶、牛皮和牛骨明胶。然而，由于各种哺乳动物疾病以及宗教的不断壮大，哺乳动物（猪和牛）明胶产业的发展遭受严重打击[6-7]。近年来，鱼明胶受到大部分研究学者的青睐，但是大量的研究证明鱼明胶无法达到哺乳动物明胶的性质[8-10]，于是寻找新的明胶来源成为了现在明胶行业急需解决的问题。鸡肉含有丰富的胶原蛋白及多种人体必需氨基酸，深受人们的喜爱，然而鸡皮却经常被当做废弃物丢掉，造成资源浪费和环境污染。有学者针对鸡皮做了研究发现鸡皮可以作为提取明胶的良好原料，所得鸡皮明胶具有较高的凝胶强度[3]，而凝胶强度是衡量明胶品质的商业指标[11]。因此，采用鸡皮作为明胶原料不仅能提高资源利用率，还能增加企业效益。本研究采用纯碱法提取鸡皮明胶，先通过单因素试验确定鸡皮明胶的基本条件，再通过响应面试验进行优化得到最佳提取条件。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

鸡皮：取自当地市场；乙醚、氢氧化钠：洛阳市化学试剂厂；蒸馏水：河南工业大学粮油食品学院实验室，所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器设备

电热恒温干燥箱（DHG-9246A）：上海精宏实验设备有限公司；冷冻干燥机（LGJ-18）：北京四环科学仪器厂；箱式电阻炉（SX-5-12）：北京中兴伟业仪器有限公司；电子天平（BSA224S-CW）：赛多利斯科学仪器有限公司；电热恒温水浴锅（XMTD-7000）：北京市永光明医疗器械有限公司；循环水式多用真空泵（SHZ-D）：河南省予华仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 鸡皮明胶提取工艺流程和计算公式

新鲜鸡皮→乙醚脱脂→碱液浸泡→水浴提胶→过滤→分液→浓缩→干燥→明胶

鸡皮明胶提取率的计算公式：

式中：G1为脱脂后鸡皮的重量，g；G2为冷冻干燥后得到明胶的重量，g。

1.3.1.1 前处理

新鲜鸡皮进行清洗、分装、-18℃冻藏。

1.3.1.2 脱脂处理

新鲜鸡皮经过冷冻处理后达到一定的硬度，用切片机切成2cm×3cm的片状，然后称取适量置于2000mL的大烧杯中，按1∶2（g/mL）加入乙醚溶液，在4℃下放置24 h，然后在通风厨中进行过滤。

1.3.1.3 碱液浸泡

分别称取30 g脱脂鸡皮置于15个500 mL高型烧杯中，按 1∶6（g/mL）加入 NaOH 溶液 180 mL，每隔6 h～8 h换一次溶液，在一定时间内更换4～5次，以除去矿物质，经处理后的皮料呈现出白色，体积溶胀膨大且弹性很好。最后用自来水清洗至滤液呈中性。

1.3.1.4 水浴提胶

每个烧杯内按料液比1∶2（g/mL）加入蒸馏水60 mL，置于水浴锅中进行水浴提胶。

1.3.1.5 过滤、分液、浓缩、干燥

水浴之后用4层纱布过滤，用分液漏斗对滤液进行分液处理，将明胶粗提液倒入分液漏斗中静置，除去胶液上层的脂肪，下层胶液倒入烧杯中置于恒温水浴锅中，防止室温过低导致凝胶。将提取液放进旋转蒸发器中进行浓缩除去部分水分，再把凝胶后的产品放入真空冷冻干燥机将其含水量降到一定程度，得到成品明胶，按公式（1）计算明胶的提取率。

1.3.2 单因素试验设计

单因素试验的基本条件设定为NaOH浓度0.05 mol/L，浸碱料液比为 1 ∶6（g/mL），浸碱时间为24 h，水提料液比为 1∶2（g/mL），提胶温度为 65 ℃，提胶时间为2 h。将这些条件中的一个变化，保持其它的条件不变以分析碱浓度、浸碱时间、提胶温度、提胶时间对提取率的影响。各因素梯度分别为NaOH浓度：0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 mol/L；浸碱时间：12、18、24、30、36 h；提胶温度：45、55、65、75、85 ℃；提胶时间：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h。每个试验做 3 次，结果取平均值。

1.3.3 明胶提取的响应面试验

采用响应面分析方法对单因素试验进行优化设计。依照单因素试验，本试验采用NaOH浓度、浸碱时间、提胶温度和提胶时间进行四因素三水平试验，以鸡皮明胶提取率为响应值，采用Design Expert 8.05软件的Box-Behnken设计试验方案。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 碱液浓度对鸡皮提取率的影响规律研究

碱液浓度对鸡皮明胶提取率的影响规律如图1所示。

图1 碱液浓度对明胶提取率的影响Fig.1 The influence of alkali concentration on gelatin extraction yield

由图1可以看出随着NaOH溶液浓度的增加，明胶的提取率呈现先增加后降低的趋势。碱能够结合胶原蛋白分子的酸性集团，断裂分子内或分子间的离子键和氢键，释放原胶原分子，使原料体积膨胀，组织松散，以利于热水提交[3，12]。随着NaOH溶液浓度的增加，胶原蛋白分子内和分子间的离子键和氢键断裂，释放越来越多原胶原分子，鸡皮明胶的提取率增大，当NaOH溶液浓度达到0.05 mol/L时，鸡皮明胶提取率达到最大，NaOH溶液浓度再增加，鸡皮明胶的提取率就随之降低，这是因为NaOH溶液浓度过大，导致胶原过度水解，大分子亚基发生次级降解，致使提取率降低。因此，选取0.05 mol/L作为NaOH溶液的最佳浓度。

2.1.2 浸碱时间对鸡皮明提取率的影响规律研究

浸碱时间对鸡皮明胶提取率的影响规律如图2所示。

图2 浸碱时间对明胶提取率的影响Fig.2 The influence of alkali treatment time on gelatin extraction yield

由图2可以看出随着浸碱时间的增加，明胶的凝胶强度呈先上升后降低的趋势，当浸碱时间为24 h时，明胶提取率达到峰值。浸碱时间太短，不能够破坏胶原分子中非共价交联键，进而不能松散胶原的三螺旋结构、破坏非螺旋结晶区，不利于后期热处理过程中胶原大分子亚基的释放，导致明胶的产率较低[13]。增加到24 h时，胶原亚基分子能够最大限度的得到释放，从而使其提取率达到最大值。浸碱时间过长，鸡皮会过度膨胀而融化，降低明胶的提取率[14]。因此，最佳浸碱时间为24 h。

2.1.3 提胶温度对鸡皮明胶提取率的影响规律研究

提胶温度对鸡皮明胶提取率的影响规律如图3所示。

图3 提胶温度对明胶提取率的影响Fig.3 The influence of extraction temperature on gelatin extraction yield

由图3可以看出，在45℃下提胶2 h提取率为3.11%，当温度升至65℃，提取率增加至13.25%，继续升温，提取率持续下降。热处理明胶化的胶原，可以使胶原中部分共价键和氢键断裂，三螺旋结构解体，释放出亚基组分、高分子聚集体及被降解的小分子组合，形成可溶性明胶[15-16]。温度过低，只能破坏部分氢键、分子间静电等作用力，使少数胶原螺旋结构发生解体，明胶大分子亚基组分无法有效溶出，导致提取率过低；适当升温，能使胶原化学键的破坏力度达到最大，不溶性胶原向可溶性明胶转变，释放最多的大分子亚基，特别是α组分，使提取率达到最大；温度过高，导致胶原解体过度，大分子亚基发生次级降解，致使提取率降低[3，17-19]。所以，选取65℃为最佳提胶温度。

2.1.4 提胶时间对鸡皮明胶提取率的影响规律研究

提胶时间对鸡皮明胶提取率的影响规律如图4所示。

图4 提胶时间对明胶提取率的影响Fig.4 The influence of extraction time on gelatin extraction yield

由图4可知，在65℃下，当提取时间由1 h增加到2 h，提取率由8.20%提高到13.25%，时间再延长，提取率反而下降。在热处理过程中，胶原蛋白的氢键和部分共价键断裂，三螺旋结构转变成无规则线团，胶原蛋白转变成明胶[20]。在提胶初始阶段，胶原螺旋解体，溶液中的胶原分子增加，提取率提高，水解时间过长，胶原结构遭受过度破坏，胶原分子水解为小分子片段，提取率降低。故选取2 h为最佳提胶时间。

2.2 鸡皮明胶凝胶强度最佳提取工艺条件的研究

根据单因素试验结果和Box-Behnken的中心组合设计原理，以A碱浓度、B浸碱时间、C提胶温度和D提胶时间为自变量，以所得明胶的提取率为响应值（Y）设计三因素三水平的响应面分析试验，因素及水平表见表1，试验设计和结果见表2。

对鸡皮明胶凝胶强度的最佳提取工艺进行响应面优化，具体试验方案及试验结果如表2所示，运用Design Expert 8.05数据统计分析软件对表2试验数据进行二次多元回归拟合，回归模型系数显著性检验见表3。

表1 响应面试验因素及水平Table 1 The response surface test factors and levels

表2 响应面试验设计及结果Table 2 The response surface experimental design and result

经过二次多元回归拟合得到碱液浓度、浸碱时间、提胶温度和提胶时间对明胶提取率的二次多项回归模型如下：

表3 回归模型方差分析及显著性检验Table 3 Variance analysis and significance test of regression model

对此模型进行方差分析，结果见表3。该模型方程极显著（P 值＜0.0001），校正决定系数 R2=0.957 6，失拟项P值为0.308 9＞0.05，说明该回归方程与真实情况相似度较高，能较好地反映出明胶提取率与碱液浓度、浸碱时间、提胶温度、提胶时间之间的关系。因此，利用该模型分析和预测在这4种条件下对明胶提取率的影响是可行的。由F值检验可知各因素对明胶提取率的影响大小顺序为：C>D>B>A，即为提胶温度＞提胶时间＞浸碱时间＞碱液浓度。显著性分析表明，碱液浓度对明胶提取率的影响不显著（P＞0.05），浸碱时间和提胶时间对明胶提取率的影响显著（P＜0.05），提胶温度对明胶提取率的影响极其显著（P＜0.01）。各交互作用及各平方项对明胶提取率均不显著（P＞0.05）。由此可以看出各具体试验因素是简单线性影响的响应值。去掉不显著项得到优化后的模型如下：

2.3 响应曲面分析

鸡皮明胶纯碱法提取工艺中碱液浓度、浸碱时间、提胶温度和提胶时间4个因素之间交互作用对明胶提取率的影响如图5所示。

图5 各因素对明胶提取率影响的响应面图Fig.5 Response surface and contour of various factors

由图 5 中 a、b、c、d、e 和 f的等高线可以看出，每两个因素的等高线均趋向圆形，表明4个因素间交互作用影响不显著，这与表3中回归模型系数显著性检验结果一致。由图5a、5b和5c可知，随着碱液浓度，明胶提取率先减小后增加；由图5a、5d和5e可知，随着浸碱时间的增加，明胶的提取率增加；由图5b、5d和5f看出，随着提胶温度的升高，明胶提取率先增加后减小；由图5c、5e和5f可得，随着提胶时间的延长，明胶提取率先上升后下降。其中浸碱时间、提胶温度和提胶时间对明胶提取率的影响均比较显著，与方差分析的结果一致。

2.4 最优值的确定和回归模型的验证

通过Design Expert 8.05软件对试验结果进行预测分析，得出鸡皮明胶的最佳提取工艺为：NaOH浓度0.07 mol/L，浸碱时间30.00 h，提胶温度65.00℃，提胶时间为2.00 h。在此试验条件下预测所得明胶提取率的最大理论值为12.03%。在上述最优条件下进行了3次平行验证试验，试验结果显示鸡皮明胶的提取率为（12.03±0.47）%，实际值与预测值差异性不显著，证明该模型得到的工艺参数可行。

3 结论

1）本研究采用纯碱法通过单因素试验和Box-Behnken中心组合试验对鸡皮明胶的提取条件进行优化，得到鸡皮明胶的最佳提取工艺条件为NaOH浓度0.07 mol/L，浸碱时间30.00 h，提胶温度65.00℃，提胶时间为2.00 h，得到明胶的最大提取率为12.03%。

2）纯碱法提取鸡皮明胶是一种新的方法，所得明胶的性质还需进一步深入探索，为获得优质鸡皮明胶的提取方法提供理论依据。

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