猪皮胶原蛋白明胶化过程中的微观结构变化研究及明胶提取率预测模型的构建

【摘要】针对传统明胶化方法存在生产周期长、酸碱污染严重,胶原明胶化过程中的结构变化尚不明确等现状,本实验分别采用传统酸法及新型超高压法诱导猪皮胶原明胶化,并结合明胶提取率从热力学和微观层面研究明胶化前后的胶原结构,以进一步明确胶原明胶化过程的微观结构变化和超高压作用机理,最后建立明胶提取率预测模型,以期为新型明胶生产技术的建立及明胶产业化生产提供理论依据和数据参考。试验首先对猪皮胶原蛋白的提取工艺进行优化,胃蛋白酶法制备猪皮胶原蛋白的最优工艺组合为：溶液pH2.2、酶解时间18h、酶用量1%,此条件下胶原蛋白提取率可达(84.35±0.33)%；纯化冻干后的胶原蛋白纯度为(82.5±1.6)%。DSC、FTIR、CD和SDS-PAGE电泳的检测结果均显示,最优工艺下提取的胶原蛋白具有较为完整的天然三螺旋结构。以传统酸法诱导猪皮胶原蛋白明胶化,综合分析明胶提取率和明胶化胶原的DSC、FTIR、CD、SDS-PAGE电泳检测结果得出,酸处理1h和4h,胶原微观结构被轻度降解；处理8h,胶原降解较为适度；处理12和24h,胶原过度降解。在明胶化过程中首先以胶原高级网络结构的松散为主,随后则以高分子亚基的降解为主。以水、NaOH、HCl为传压介质协同超高压诱导胶原蛋白明胶化,综合明胶提取率及明胶化胶原的DSC、FTIR、CD、SDS-PAGE电泳、SEM检测结果分析得到,①水为传压介质时,以超高压对三螺旋间氢键等非共价键的破坏为主,胶原中的共价键并未受影响,三螺旋结构保存相对完整。因此水/UHP处理减少了明胶损失,所得明胶中高分子亚基组分含量较高,分子间排列较为规则；但其对明胶提取率的贡献最小,T1与未处理组相比只提高了约5%。②以NaOH为传压介质,能使胶原纤维分子间和分子内的共价、非共价交联快速碱解,某些特定区域(富吡咯烷区)过度松散和解体,胶原在碱中的溶解度增大,胶原大量溶失,T1降低,T2与T1差值达最大；而碱对其它区域的降解程度相对较弱,这部分胶原的螺旋结构仍保存较为完整。NaOH/UHP组明胶的高分子质量亚基组分含量最少,以此推测其明胶的凝胶性较差,因此以碱为传压介质不利于获得高得率、高品质明胶。③以HCl为传压介质,可以有效断裂胶原三螺旋间共价键交联、破坏非螺旋结晶区,促进螺旋单体解旋,实现胶原快速明胶化；此外,超高压在破坏胶原立体结构的同时,又能促进分子的聚合,在一定程度上阻碍了酸对a-肽链间氢键和共价键(尤其是肽键)的过度降解。因此,胶原螺旋单体的三条肽链虽已解旋但仍由少量氢键将其联结在一起,明胶损失显著降低、得率提高,T2与T1的差距缩小。产物明胶的高分子质量亚基组分含量与水/UHP组较为接近,推测其具有较好的凝胶性。可见,以酸协同超高压替代传统酸法既能有效松散胶原三螺旋结构又可保持亚基的完整性,有利于制备出高得率、高品质明胶。对比分析U1-U6的T1和微观结构变化可知,1%HCl协同300MPa压力作用15min,胶原蛋白的明胶化程度和明胶得率最高。酸处理组胶原的Tm、酰胺1带吸收峰面积均与T1呈二次相关,而HCl/UHP组胶原的Tm、酰胺Ⅰ带吸收峰面积则与T1呈线性负相关；此外,T1最高的U3组的Tm、酰胺Ⅰ带吸收峰面积以及明胶损失率均低于酸处理8h组,表明超高压对亚基具有保护作用,这使得HCl/UHP处理在充分解旋三螺旋肽链的同时较好地保存了亚基结构的完整性,胶原溶失量明显减少,明胶损失率随之降低。酸处理组Tm与T1间建立的回归模型为：Y=8.564X-0.07X2-185.951(R2=0.899),此回归模型经过校正后预测的U1-U6明胶提取率值与其实际值间的差值均在5%以内,二者呈线性正相关,采用此预测模型及校正方法对明胶提取率进行预测是可行的。由于不同处理方法所造成的明胶损失是不同的,因此本试验建立的明胶提取率预测模型主要适用于传统酸法、超高压结合酸法以及明胶损失率与之接近的其它胶原明胶化方法。
【作者】周梦柔；
【导师】张宇昊；
【作者基本信息】西南大学，食品科学，2014，硕士
【关键词】猪皮胶原；明胶；明胶化；超高压；

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