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酶法从猪皮制备食用明胶工艺的研究

     明胶是一种胶体, 它是从骨、生皮、肌键、膜及其它动物结缔组织的生胶质(又称胶原)中提取出来的蛋白质。它具有许多优良的物理及化学性质, 如亲水性强、具有形成胶冻能力、由它形成的溶胶与凝胶能可逆转化、成膜性能好、侧链基团反应活性很高以及带电性质随介质pH值变化的典型的两性电解质特性等。正因为这些优点, 明胶广泛地被应用于许多科学和工业技术领域, 如生物化学、食品工业、印刷工业、感光化学工业以及制药工业等。

    传统的将胶原转化为明胶的方法有: 热处理法、盐碱法、酸法和碱法。当前国产明胶有80铸以上是用碱法生产的。虽然皮料可用碱法工艺制取明胶, 但我国从皮原料制胶的厂仍以碱法为主。

    采用碱法以皮料生产明胶一般存在下述问题:

    a  生产周期长提胶的前处理常需要15d 左右, 要生产优质明胶则需要更长的时间。

    b  得率低按现行生产工艺, 需4t干皮或8一9t湿皮生产h明胶。

    c  好胶率低在上述生产的h 明胶中, 好胶率仅占70呢左右。

    d  生产工艺复杂现在的工艺流程耗能大, 设备投资大, 占地面积大。

    e  现行的生产过程中还存在环境污染问题, 至今仍无可靠方法来解决。

    f  氨基酸损失大如经长时间碱处理胶原生产的明胶含氮量低于18 %, 而母胶原含有18.6% 。在碱性条件下, 除酞氨基受到损失以外, 还有些精氨酸转化为鸟氨酸。


 

    在以上几种方法中, 将预处理的胶原转化为明胶时, 都采用热水提胶, 提胶温度约从5℃到0 ℃分为6至8个阶梯, 提胶时间共需60h左右。由于长时间的高温熬胶, 使胶原分子受到破坏, 大分子的蛋白质长链被水解为长度不等的大小分子混合体, 因而使明胶性能变差。是最后几次提胶, 温度很高, 使胶原分子破坏更甚, 以至于只能生产出工业用的火柴胶。为了消除传统的明胶生产工艺中的弊端, 既要求缩短前处理时间, 又要求克服长时间高温熬胶这一缺点, 以便不仅使生产周期大幅度缩短, 而且使明胶质量极大提高, 这就导致了人们对酶法制胶工艺的研究。用酶处理使胶原溶解并经热变性而成为明胶的方法称为酶法。

    从含胶原物质制取明胶, 需要在分子水平上完成以下程序:

    a  促使原料中非胶原物质的水解, 从而使之分离。

    b  破坏胶原分子内的末端肤交联, 使胶原大分子聚集体解聚而成为可溶性胶原。

    c  破坏各链间的氢键, 使三股螺旋体解体, 胶原分子的a 链分散开, 成为明胶。由于氢键的力量相对较弱, 所以末端肤的破坏, 实际上就成了不溶性胶原向明胶转化的控制步骤。用生物化学的方法来处理含胶原的原料是美国和日本工作者首先发展起来的。国外较详细的研究酶法制胶始于1962年, 以追求胶原在酶作用下易于溶解且有较高的回收率为目标, 见于专利报道的主要有日本的西原富雄和美国专利和匈牙利的研究的对象主要是牛皮, 且所使用的酶大多是胃蛋白酶、胰蛋白酶、无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶以及通常筛选菌种后培养的对胶原蛋白具有高活力的酸性微生物蛋白酶等等, 而这些条件都是我们目前难以具备的。

    国内关于酶解制胶的研究大约从1966年开始, 到目前为止, 虽然在这方面的研究也取得了一些进展, 但仍未实现业化呻〕, 这主要与原料的预处理及生产过程的控制有关。另外, 使用动物性蛋白酶, 使得产品的成本提高也是一大障碍。由于我国的养猪业较为发达, 且猪皮通常作为制革原料, 在制革过程中会产生大量的副产品—猪胶皮, 因此, 本实验即从我国的国情出发, 选用制革厂的副产品— 猪胶皮为原料, 使用国产的蛋白酶—1398、3942、537等作为研究用酶, 在借鉴国内外成功经验的基础上, 从实际出发, 对原料的预处理和采用1398中性蛋白酶酶解制胶的工艺路线及其控制条件进行了较为全面和系统的研究,为我国明胶工业赶上世界先进水平找出一条切实可行的捷径。本实验的主要工作有:

    a  猪胶皮中主要成分分析。

    b  酸处理对猪胶皮的溶胀和对胶原蛋白变性温度的影响。

    C  酶解制胶工艺的研究。

    d  明胶理化性能的检测。

    胶原的碱性基和酸性基被酸和碱结合后,其分子内和分子间的离子键(盐键) 和氢键受到破坏, 将引起吸水而溶胀, 结构的稳定性下降。皮胶原在pH2.5一3.0之间吸水溶胀达到最大值, 而在pH2.5以下时, 吸水溶资胀度一降。这种溶胀常称为酸溶胀。反之,pH 值乡在11一13之间时, 皮胶原的吸水溶胀亦达到最大值, 此时的溶胀常称为碱溶胀。无论是酸溶胀或是碱溶胀, 都使得胶原的形状和物理性质发-生变化。具体表现为长度缩短、直径变粗。胶原发生溶胀并不意味着已经发生了降解, 只是它的外观形状和物理性质(如等电点)皮胶原的体积变化率与pH值的关系发生了变化。这是因为胶原分子的交联键在弱酸、弱碱条件下一般不会断裂, 因而降解的可能性较小。但是长时间强酸和强碱的作用, 使胶原分子主键也遭受到水解, 肤链断开造成胶原的降解。传统的酶法生产明胶所使用的皮块都较大, 这时反应所需要的酶量较大, 耗时较长、但、得率较低, 好胶率不高, 这是因为此反应体系是一非均相体系,酶仅在皮块的表面作用, 难以渗透到内部, 从而造成酶反应的不均匀。本实验改革工艺内容之一就是大大减少皮块粒子的大小, 增加酶与皮料的接触面积, 使反应体系接近均相反应, 便于酶均匀、快速地作用。

    由于猪胶皮具有极大的坚韧性, 因此要将其破碎成细粒子, 有一定的难度。如果将皮料烘干, 用粉碎机将其碾碎, 在破碎时由于摩擦作用使猪胶皮的温度大大升高, 足以使胶原蛋白发生变性作用, 不利于酶解制胶。因此干磨不是一个好方法。而经酸处理后的猪胶皮因其胶原纤维发生了溶胀变得较柔软, 易作磨浆处理。可以看出, 在pH值25一5范围内, 猪胶皮发生了明显的溶胀作用, 且pH值愈低,溶胀作用愈大。

    可以看出, 将猪胶皮的pH值调到2.0用即处理过的猪胶皮胶原蛋白时, 即使将其漂洗回中性, 其起始变性温度少, 仍起始变性温度与pH的关系大大低于未经酸处理过的猪胶皮的T值, 这说明在pH2.0时, 胶原蛋白的溶胀已使其分子结构发生了相当的不可逆变化, 而pH3.5条件下酸溶胀处理的猪胶皮漂洗回中性后其起始变性温度T,仍能回复到未经酸处理的猪胶皮中胶原蛋白的起始变性温度。由此可以认为,用HCI对猪胶皮进行酸溶胀时, pH在3.5 以上, 胶原蛋白的溶胀和分子结构中发生的变化基本上是可逆的。根据以上猪胶皮在不同p H 值下的溶胀情况和胶原蛋白变性温度的变化情况, 可以认为磨浆法对猪胶皮进行预处理是合适的。具体条件是: 用盐酸对猪胶皮进行溶胀, 然后, 在控制温度和p H 值的条件下磨浆以防止胶原蛋白的变性。

    酶解制胶的工艺流程酶解制胶的工艺流程如下。经过前处理的猪胶皮一酸溶胀一磨浆一调节反应体系的固液比一加酶水解,一酸溶胶原, 酶钝化一过滤或离心一胶原纤维再生一水洗一提胶一脱色, 澄清一干燥一成品

    晦解时问和晦量的确定明胶生产工艺的关键是酶处理过程。酶的用量和作用时间是主要的工艺参数。一般而言, 工艺过程中用酶量减少则作用时间需要延长。此外, 还取决于原料的类型。酶解时间的选择, 一方面要考虑充分利用酶的活性, 另一方面, 要控制催化反应在生成蛋白冻前结束。酶量的多少, 不仅影响反应速度, 而且影响酶解效果。酶量少, 反应速度慢; 酶量大, 可适当缩短酶解时间,但由于酶对皮料的表面作用加剧, 造成胶原的局部溶解, 酶解液变粘, 酶的渗透更加困难, 因而效果并不见好。在保证收得率和高质量的前提下应该尽可能用少的酶量.

    在经过大量预备实验确定的酶量范围和反应时间范围的基础上, 用下列方法可确定最佳酶量和时间。

    样品的得率为83呱, 粘度为6.58cP, 穿透应力为0.0740N/mmZ ,而碱法牛骨食用明胶的粘度为5.6cP, 穿透应力为0.0522 N/m mZ,由此可见,样品的质量要好于苏州化工厂的食用明胶产品。D样品的反应条件是: 酶量15u干皮, 时间2h。样品的分子量分布曲线与苏州化工厂食用明胶的分子量分布曲线分别可以看出, 酶法胶的分子量分布比碱法胶窄, 且最大峰位置比碱法胶提前, 这说明酶法胶的质量比碱法胶好。

    酸溶条件的试验酶解以后的胶原由于分子中末端肤的破坏, 其大分子聚集体已基本解聚, 分母间氢键的结合力不足以抵抗稀酸的侵蚀, 易于酸溶。实验表明pH值任何酸溶液均有同样效果, 从经济效果和来源考虑本实验选用盐酸。

    本实验用调整溶液p H 值方法来沉淀胶原纤维, 这样耗碱量少, 工艺简便, 但沉淀颗粒比较细微, 分离时需用较高转速离心分离。在使用中和法沉淀时, 必须小心缓慢地加入碱液,并且不断搅拌, 否则有使蛋白质变性的可能, 呈不可逆反应, 给溶胶带来困难

    明胶的提取将上述再生的胶原纤维加水蒸煮而提出明胶, 在制胶工艺上称为抽提。抽提操作在明胶生产过程中是最重要的步骤之一。从化学结构上说, 处理过的胶原加热抽提作用就是破坏胶原分子链间的氢键, 从而使三股螺旋体解体而成为明胶。胶原纤维在热水中所引起的热降解作用能够损伤凝胶的刚度及胶液的粘度等物理性能, 故在抽提过程中主要控制的参数是温度、时间和p H 值。

    明胶的颜色和透明度影响明胶的颜色和透明度的原因很多, 首先是原料的颜色和质量。原料本身的色泽和质量好, 只要酶解条件适当, 所得的明胶的颜色和透明度也较好。另外, 由于酶解和酸溶时形成的固体微粒在缺乏有效的分离设备的情况下分离不尽也影响透明度, 残留的失活酶和非胶原蛋白使得色泽加深。胶体溶液的过滤和澄清在工业生产中属于最难处理的, 明胶溶液也是如此。目前, 工业上用于明胶溶液的澄清方法大概分为三种:

    a  化学澄清法;

    b  利用分离机作初步澄清处理;

    c  过滤;

    目前, 随着超过滤技术的日臻完善, 它越来越多地被应用于工业生产上。同样, 超过滤技术也可以用于明胶工业。选择合适的超过滤来纯化明胶, 可达到与采用离子交换和上述方法相类似的效果, 而且损失小。后处理这部分包括浓缩一灭菌一干燥一产品, 与酸碱法制胶过程一样。在这一过程中, 必须严格控制温度, 因为温度过高, 会使明胶发生明显的降解作用, 影响产品的质量。关于明胶的浓缩工艺, 同样可试用超过滤法以代替现行的蒸发工艺。

    酶解制胶无论在工艺上和设备上均属一种新的制胶方法。它与现行各种制胶工艺相比有着截然不同的特点和优点, 如生产周期数倍缩短、产品质量稳定、全部生成好胶、产物分子量分布窄等。’

    从实验效果看, 基本上可以反映前述有关酶解制胶的理论是正确的, 试验所选定的工艺过程和控制条件大体上是可行的。酶解胶的质量达到甚至超过国家标准所规定的一级食用明胶的指标。

 

 


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