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酶法從豬皮制備食用明膠工藝的研究

     明膠是一種膠體, 它是從骨、生皮、肌鍵、膜及其它動物結締組織的生膠質(又稱膠原)中提取出來的蛋白質。它具有許多優良的物理及化學性質, 如親水性強、具有形成膠凍能力、由它形成的溶膠與凝膠能可逆轉化、成膜性能好、側鏈基團反應活性很高以及帶電性質隨介質pH值變化的典型的兩性電解質特性等。正因為這些優點, 明膠廣泛地被應用于許多科學和工業技術領域, 如生物化學、食品工業、印刷工業、感光化學工業以及制藥工業等。

    傳統的將膠原轉化為明膠的方法有: 熱處理法、鹽堿法、酸法和堿法。當前國產明膠有80鑄以上是用堿法生產的。雖然皮料可用堿法工藝制取明膠, 但我國從皮原料制膠的廠仍以堿法為主。

    采用堿法以皮料生產明膠一般存在下述問題:

    a  生產周期長提膠的前處理常需要15d 左右, 要生產優質明膠則需要更長的時間。

    b  得率低按現行生產工藝, 需4t干皮或8一9t濕皮生產h明膠。

    c  好膠率低在上述生產的h 明膠中, 好膠率僅占70呢左右。

    d  生產工藝復雜現在的工藝流程耗能大, 設備投資大, 占地面積大。

    e  現行的生產過程中還存在環境污染問題, 至今仍無可靠方法來解決。

    f  氨基酸損失大如經長時間堿處理膠原生產的明膠含氮量低于18 %, 而母膠原含有18.6% 。在堿性條件下, 除酞氨基受到損失以外, 還有些精氨酸轉化為鳥氨酸。


 

    在以上幾種方法中, 將預處理的膠原轉化為明膠時, 都采用熱水提膠, 提膠溫度約從5℃到0 ℃分為6至8個階梯, 提膠時間共需60h左右。由于長時間的高溫熬膠, 使膠原分子受到破壞, 大分子的蛋白質長鏈被水解為長度不等的大小分子混合體, 因而使明膠性能變差。是最后幾次提膠, 溫度很高, 使膠原分子破壞更甚, 以至于只能生產出工業用的火柴膠。為了消除傳統的明膠生產工藝中的弊端, 既要求縮短前處理時間, 又要求克服長時間高溫熬膠這一缺點, 以便不僅使生產周期大幅度縮短, 而且使明膠質量極大提高, 這就導致了人們對酶法制膠工藝的研究。用酶處理使膠原溶解并經熱變性而成為明膠的方法稱為酶法。

    從含膠原物質制取明膠, 需要在分子水平上完成以下程序:

    a  促使原料中非膠原物質的水解, 從而使之分離。

    b  破壞膠原分子內的末端膚交聯, 使膠原大分子聚集體解聚而成為可溶性膠原。

    c  破壞各鏈間的氫鍵, 使三股螺旋體解體, 膠原分子的a 鏈分散開, 成為明膠。由于氫鍵的力量相對較弱, 所以末端膚的破壞, 實際上就成了不溶性膠原向明膠轉化的控制步驟。用生物化學的方法來處理含膠原的原料是美國和日本工作者首先發展起來的。國外較詳細的研究酶法制膠始于1962年, 以追求膠原在酶作用下易于溶解且有較高的回收率為目標, 見于專利報道的主要有日本的西原富雄和美國專利和匈牙利的研究的對象主要是牛皮, 且所使用的酶大多是胃蛋白酶、胰蛋白酶、無花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶以及通常篩選菌種后培養的對膠原蛋白具有高活力的酸性微生物蛋白酶等等, 而這些條件都是我們目前難以具備的。

    國內關于酶解制膠的研究大約從1966年開始, 到目前為止, 雖然在這方面的研究也取得了一些進展, 但仍未實現業化呻〕, 這主要與原料的預處理及生產過程的控制有關。另外, 使用動物性蛋白酶, 使得產品的成本提高也是一大障礙。由于我國的養豬業較為發達, 且豬皮通常作為制革原料, 在制革過程中會產生大量的副產品—豬膠皮, 因此, 本實驗即從我國的國情出發, 選用制革廠的副產品— 豬膠皮為原料, 使用國產的蛋白酶—1398、3942、537等作為研究用酶, 在借鑒國內外成功經驗的基礎上, 從實際出發, 對原料的預處理和采用1398中性蛋白酶酶解制膠的工藝路線及其控制條件進行了較為全面和系統的研究,為我國明膠工業趕上世界先進水平找出一條切實可行的捷徑。本實驗的主要工作有:

    a  豬膠皮中主要成分分析。

    b  酸處理對豬膠皮的溶脹和對膠原蛋白變性溫度的影響。

    C  酶解制膠工藝的研究。

    d  明膠理化性能的檢測。

    膠原的堿性基和酸性基被酸和堿結合后,其分子內和分子間的離子鍵(鹽鍵) 和氫鍵受到破壞, 將引起吸水而溶脹, 結構的穩定性下降。皮膠原在pH2.5一3.0之間吸水溶脹達到最大值, 而在pH2.5以下時, 吸水溶資脹度一降。這種溶脹常稱為酸溶脹。反之,pH 值鄉在11一13之間時, 皮膠原的吸水溶脹亦達到最大值, 此時的溶脹常稱為堿溶脹。無論是酸溶脹或是堿溶脹, 都使得膠原的形狀和物理性質發-生變化。具體表現為長度縮短、直徑變粗。膠原發生溶脹并不意味著已經發生了降解, 只是它的外觀形狀和物理性質(如等電點)皮膠原的體積變化率與pH值的關系發生了變化。這是因為膠原分子的交聯鍵在弱酸、弱堿條件下一般不會斷裂, 因而降解的可能性較小。但是長時間強酸和強堿的作用, 使膠原分子主鍵也遭受到水解, 膚鏈斷開造成膠原的降解。傳統的酶法生產明膠所使用的皮塊都較大, 這時反應所需要的酶量較大, 耗時較長、但、得率較低, 好膠率不高, 這是因為此反應體系是一非均相體系,酶僅在皮塊的表面作用, 難以滲透到內部, 從而造成酶反應的不均勻。本實驗改革工藝內容之一就是大大減少皮塊粒子的大小, 增加酶與皮料的接觸面積, 使反應體系接近均相反應, 便于酶均勻、快速地作用。

    由于豬膠皮具有極大的堅韌性, 因此要將其破碎成細粒子, 有一定的難度。如果將皮料烘干, 用粉碎機將其碾碎, 在破碎時由于摩擦作用使豬膠皮的溫度大大升高, 足以使膠原蛋白發生變性作用, 不利于酶解制膠。因此干磨不是一個好方法。而經酸處理后的豬膠皮因其膠原纖維發生了溶脹變得較柔軟, 易作磨漿處理。可以看出, 在pH值25一5范圍內, 豬膠皮發生了明顯的溶脹作用, 且pH值愈低,溶脹作用愈大。

    可以看出, 將豬膠皮的pH值調到2.0用即處理過的豬膠皮膠原蛋白時, 即使將其漂洗回中性, 其起始變性溫度少, 仍起始變性溫度與pH的關系大大低于未經酸處理過的豬膠皮的T值, 這說明在pH2.0時, 膠原蛋白的溶脹已使其分子結構發生了相當的不可逆變化, 而pH3.5條件下酸溶脹處理的豬膠皮漂洗回中性后其起始變性溫度T,仍能回復到未經酸處理的豬膠皮中膠原蛋白的起始變性溫度。由此可以認為,用HCI對豬膠皮進行酸溶脹時, pH在3.5 以上, 膠原蛋白的溶脹和分子結構中發生的變化基本上是可逆的。根據以上豬膠皮在不同p H 值下的溶脹情況和膠原蛋白變性溫度的變化情況, 可以認為磨漿法對豬膠皮進行預處理是合適的。具體條件是: 用鹽酸對豬膠皮進行溶脹, 然后, 在控制溫度和p H 值的條件下磨漿以防止膠原蛋白的變性。

    酶解制膠的工藝流程酶解制膠的工藝流程如下。經過前處理的豬膠皮一酸溶脹一磨漿一調節反應體系的固液比一加酶水解,一酸溶膠原, 酶鈍化一過濾或離心一膠原纖維再生一水洗一提膠一脫色, 澄清一干燥一成品

    晦解時問和晦量的確定明膠生產工藝的關鍵是酶處理過程。酶的用量和作用時間是主要的工藝參數。一般而言, 工藝過程中用酶量減少則作用時間需要延長。此外, 還取決于原料的類型。酶解時間的選擇, 一方面要考慮充分利用酶的活性, 另一方面, 要控制催化反應在生成蛋白凍前結束。酶量的多少, 不僅影響反應速度, 而且影響酶解效果。酶量少, 反應速度慢; 酶量大, 可適當縮短酶解時間,但由于酶對皮料的表面作用加劇, 造成膠原的局部溶解, 酶解液變粘, 酶的滲透更加困難, 因而效果并不見好。在保證收得率和高質量的前提下應該盡可能用少的酶量.

    在經過大量預備實驗確定的酶量范圍和反應時間范圍的基礎上, 用下列方法可確定最佳酶量和時間。

    樣品的得率為83呱, 粘度為6.58cP, 穿透應力為0.0740N/mmZ ,而堿法牛骨食用明膠的粘度為5.6cP, 穿透應力為0.0522 N/m mZ,由此可見,樣品的質量要好于蘇州化工廠的食用明膠產品。D樣品的反應條件是: 酶量15u干皮, 時間2h。樣品的分子量分布曲線與蘇州化工廠食用明膠的分子量分布曲線分別可以看出, 酶法膠的分子量分布比堿法膠窄, 且最大峰位置比堿法膠提前, 這說明酶法膠的質量比堿法膠好。

    酸溶條件的試驗酶解以后的膠原由于分子中末端膚的破壞, 其大分子聚集體已基本解聚, 分母間氫鍵的結合力不足以抵抗稀酸的侵蝕, 易于酸溶。實驗表明pH值任何酸溶液均有同樣效果, 從經濟效果和來源考慮本實驗選用鹽酸。

    本實驗用調整溶液p H 值方法來沉淀膠原纖維, 這樣耗堿量少, 工藝簡便, 但沉淀顆粒比較細微, 分離時需用較高轉速離心分離。在使用中和法沉淀時, 必須小心緩慢地加入堿液,并且不斷攪拌, 否則有使蛋白質變性的可能, 呈不可逆反應, 給溶膠帶來困難

    明膠的提取將上述再生的膠原纖維加水蒸煮而提出明膠, 在制膠工藝上稱為抽提。抽提操作在明膠生產過程中是最重要的步驟之一。從化學結構上說, 處理過的膠原加熱抽提作用就是破壞膠原分子鏈間的氫鍵, 從而使三股螺旋體解體而成為明膠。膠原纖維在熱水中所引起的熱降解作用能夠損傷凝膠的剛度及膠液的粘度等物理性能, 故在抽提過程中主要控制的參數是溫度、時間和p H 值。

    明膠的顏色和透明度影響明膠的顏色和透明度的原因很多, 首先是原料的顏色和質量。原料本身的色澤和質量好, 只要酶解條件適當, 所得的明膠的顏色和透明度也較好。另外, 由于酶解和酸溶時形成的固體微粒在缺乏有效的分離設備的情況下分離不盡也影響透明度, 殘留的失活酶和非膠原蛋白使得色澤加深。膠體溶液的過濾和澄清在工業生產中屬于最難處理的, 明膠溶液也是如此。目前, 工業上用于明膠溶液的澄清方法大概分為三種:

    a  化學澄清法;

    b  利用分離機作初步澄清處理;

    c  過濾;

    目前, 隨著超過濾技術的日臻完善, 它越來越多地被應用于工業生產上。同樣, 超過濾技術也可以用于明膠工業。選擇合適的超過濾來純化明膠, 可達到與采用離子交換和上述方法相類似的效果, 而且損失小。后處理這部分包括濃縮一滅菌一干燥一產品, 與酸堿法制膠過程一樣。在這一過程中, 必須嚴格控制溫度, 因為溫度過高, 會使明膠發生明顯的降解作用, 影響產品的質量。關于明膠的濃縮工藝, 同樣可試用超過濾法以代替現行的蒸發工藝。

    酶解制膠無論在工藝上和設備上均屬一種新的制膠方法。它與現行各種制膠工藝相比有著截然不同的特點和優點, 如生產周期數倍縮短、產品質量穩定、全部生成好膠、產物分子量分布窄等。’

    從實驗效果看, 基本上可以反映前述有關酶解制膠的理論是正確的, 試驗所選定的工藝過程和控制條件大體上是可行的。酶解膠的質量達到甚至超過國家標準所規定的一級食用明膠的指標。

 

 


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