邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌偉，林 琳，葉應(yīng)旺，姜紹通，陸劍鋒*

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨脫脂及其制備CMC活性鈣的工藝優(yōu)化

邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌偉，林 琳，葉應(yīng)旺，姜紹通，陸劍鋒*

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

以斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)脫脂鮰魚骨粉制備工藝，脫脂骨粉在不同的溫度、時(shí)間、檸檬酸和蘋果酸的酸比例、酸質(zhì)量濃度、骨粉粒度條件下轉(zhuǎn)化成活性鈣的效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明，鮰魚骨脫脂的最佳工藝方案為5g/100mL NaOH溶液浸泡6h，脫脂后的魚骨粉總鈣含量為30.38%。實(shí)驗(yàn)采用檸檬酸和蘋果酸活化脫脂鮰魚骨粉制取CMC活性鈣，其最佳工藝條件為檸檬酸和蘋果酸的比例1:2、酸質(zhì)量濃度15g/100mL、骨粉粒度120目、溫度100℃、提取時(shí)間60min。此時(shí)，鈣提取率可達(dá)87.13%。

鮰魚骨；CMC活性鈣；脫脂骨粉

目前國(guó)內(nèi)外淡水魚類的深加工利用程度還極為低下，除小部分被加工成魚糜、魚丸、即食魚片等制品外，絕大部分仍以活體形式進(jìn)行市場(chǎng)鮮銷。而在加工過程中，又會(huì)產(chǎn)生大量的下腳料(或廢棄物)，包括魚頭、魚皮、魚排、魚鱗和內(nèi)臟等，約占原料魚的40%～55%[1]。通常大部分魚類加工下腳料直接被廠家廢棄(或僅作為廉價(jià)飼料或肥料使用)，因此如何深度開發(fā)魚類加工下腳料，不僅對(duì)水產(chǎn)品綜合利用和環(huán)境保護(hù)有重要意義，而且能夠支持和促進(jìn)水產(chǎn)捕撈和養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2]。

斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictalurus punctatus)是一種原產(chǎn)于北美洲的大型淡水魚類，擁有廣泛的國(guó)際市場(chǎng)，其品質(zhì)和口味尤其適合于北美和歐盟的市場(chǎng)要求[3]。我國(guó)于1984年由湖北省水產(chǎn)科學(xué)研究所首次從美國(guó)引進(jìn)養(yǎng)殖。斑點(diǎn)叉尾鮰一般加工成鮰魚片出口，近年來隨著出口量的不斷攀升，產(chǎn)生的下腳料也逐漸增多，其中魚骨中的鈣含量達(dá)20%～30%左右，是一種很好的鈣源[4-5]，如何利用廢棄?mèng)~骨已成為研究熱點(diǎn)之一。鈣被認(rèn)為是僅次于C、H、O、N的第5種重要營(yíng)養(yǎng)元素，其生理代謝對(duì)人體健康起著極為重要的作用[6]。盡管一般認(rèn)為鈣補(bǔ)充劑不能增加骨骼沉積，但是可以提高骨峰值[7]，因此補(bǔ)充鈣質(zhì)仍然是預(yù)防和治療鈣缺乏病癥的重要方法[8]。魚骨鈣大多是以羥基磷灰石結(jié)晶形式存在[9]，羥基磷灰石中的磷酸鈣和氫氧化鈣(25℃溶解度為0.12)的溶解度低，且骨中羥基磷灰石鈣與膠原纖維有機(jī)結(jié)合，外部還有水合殼的保護(hù)，通常溶出量甚微[10]。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)室對(duì)魚骨鈣開展了一些研究，如吳燕燕等[11]以羅非魚骨為原料制取活性鈣，并探討鈣的生物利用；王建中等[9]和許順于[12]分別以青魚骨和和鰱魚骨為鈣源制取骨粉，并探討補(bǔ)鈣的成效；劉魁等[13]以蛋殼為原料制備活性鈣咀嚼片。研究表明，魚骨鈣可用檸檬酸和蘋果酸等混合有機(jī)酸進(jìn)行提取，其產(chǎn)物CMC鈣(檸檬酸蘋果酸鈣)具有高活性、高吸收性等特點(diǎn)[11]。本實(shí)驗(yàn)以斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨廢棄物為原料開發(fā)CMC活性鈣產(chǎn)品，對(duì)魚骨脫脂和骨粉中鈣質(zhì)提取的最佳工藝進(jìn)行了深入研究，并采用噴霧干燥法制備出CMC活性鈣粉，可為今后進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)鮰魚骨廢棄物的綜合開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨(包括魚頭)，由安徽省明光市永言水產(chǎn)(集團(tuán))有限公司提供。

檸檬酸、蘋果酸、氫氧化鈉、EDTA等(分析純或食品級(jí))。

1.2 脫脂魚骨粉的制備

1.2.1 工藝流程

原料魚排、魚頭→解凍→蒸煮3h→洗去肉渣→魚骨脫脂→清水洗滌、酸調(diào)中性→105℃、1h烘干水分→粉碎成骨粉

1.2.2 魚骨的脫脂工藝條件

在20℃室溫條件下，以NaOH質(zhì)量濃度、浸泡時(shí)間兩個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，用索氏抽提法檢測(cè)脂肪含量，以求得脫脂最佳工藝條件。

1.2.3 魚骨脫脂前后基本成分測(cè)定

水分、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、鈣、磷含量的檢測(cè)分別采用直接干燥法(參照GB/T5009.3—2003《食品中水分的測(cè)定》)、微量凱氏定氮法(參照GB/T5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》)、索氏抽提法(參照GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的測(cè)定》)、550℃灰化法(參照GB/T5009.4—2003《食品中灰分的測(cè)定》)、EDTA絡(luò)合滴定法(GB/T 5009.92—2003《食品中鈣的測(cè)定》)、分光光度法(GB/T 5009.87—2003《食品中磷的測(cè)定》)。試樣均平行檢測(cè)3次，測(cè)定結(jié)果表示為“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式。

1.3 CMC活性鈣的制備

1.3.1 鈣提取的單因素試驗(yàn)

0.5～0.6g脫脂魚骨粉，用50～60mL檸檬酸和蘋果酸的混酸作活化劑[14]，即骨粉質(zhì)量與混酸體積比為1:100(g/mL)。在浸泡溫度120℃、酸質(zhì)量濃度10g/100mL(檸檬酸和蘋果酸混合前的質(zhì)量濃度，下同)、骨粉粒度120目、酸比例3:2(相同質(zhì)量濃度的檸檬酸和蘋果酸體積比，下同)和浸泡時(shí)間80min的條件下，進(jìn)行脫脂魚骨粉中鈣提取的單因素試驗(yàn)，以確定適宜的溫度(60、80、100、120℃)、酸質(zhì)量濃度(1、5、10、15g/100mL)、骨粉粒度(40、40、80、120、160目)、酸比例(1:1、1:2、2:1、3:2)和浸泡時(shí)間(40、60、80、100min) 。

1.3.2 CMC活性鈣制備的正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)提取影響較靈敏的因素進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn)[15]，方案見表1。

表1 鮰魚骨鈣提取率的正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.3.3 噴霧干燥法制備CMC活性鈣粉

將在最佳工藝條件制備的CMC活性鈣溶液進(jìn)行離心分離，取上清液，調(diào)中性，然后進(jìn)行噴霧干燥，所得白色粉末狀固體即為CMC活性鈣粉。

1.4 數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，以及最小顯著差異法分析(LSD)，統(tǒng)計(jì)軟件SPSS16.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫脂前的魚骨粉基本成分含量

表2 魚骨粉脫脂前的基本成分Table 2 Basic chemical components of Ictalurus punctatus bone

未進(jìn)行脫脂處理的魚骨粉基本成分含量如表2所示。由表2可知，魚骨粉的鈣含量達(dá)到22.24%，鈣和磷的比值為2.19:1，與人體骨骼的鈣磷比組成(約2:1)非常接近。脂肪含量也較高，為4.20%。

2.2 NaOH溶液對(duì)魚骨粉脫脂的影響

脂肪的存在影響酸對(duì)鈣的提取和人體對(duì)鈣的吸收，需進(jìn)行脫脂處理[2]。選擇質(zhì)量濃度1、5、10g/100mL NaOH溶液對(duì)魚骨粉進(jìn)行脫脂處理(圖1)，實(shí)驗(yàn)觀察隨時(shí)間推延，骨粉脂肪含量逐漸降低。10g/100mL NaOH實(shí)驗(yàn)組和5g/100mL NaOH實(shí)驗(yàn)組脂肪含量均于6h降至最低點(diǎn)，分別為0.21%(圖1a)和0.32%(圖1b)，兩組脫脂效果相差不顯著(P＞0.05)。而1g/100mL NaOH實(shí)驗(yàn)組在48h時(shí)降到最低，脂肪含量為1.03%(圖1c)，對(duì)比脫脂效果明顯不及前兩組。此外，考慮到高質(zhì)量濃度NaOH溶液不利于魚骨清洗(或中和)且對(duì)環(huán)境易造成污染等原因，最終選擇5g/100mL NaOH處理6h作為制備脫脂骨粉的工藝條件。

圖1 NaOH溶液對(duì)骨粉中脂肪含量的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on degreasing of Ictalurus punctatus bone

2.3 脫脂后的魚骨粉成分含量

如表3所示，脫脂后的鈣含量高達(dá)30.38%，鈣磷的比值為2.13:1，與脫脂前無明顯差異。但脫脂后的脂肪含量下降至0.32%，與脫脂前差異顯著(P＞0.05)。

表3 魚骨粉脫脂后的基本成分Table 3 Basic chemical components of degreased Ictalurus punctatus bone

2.4 鈣提取率單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖2 溫度(a)、酸質(zhì)量濃度(b)、粒度(c)、酸比例(d)、時(shí)間(e)對(duì)魚骨中鈣提取率的影響Fig.2 Results of single-factor investigation on the effects of five process conditions on calcium yield

2.4.1 提取溫度的影響

隨著溫度的升高，鈣提取率先升高后降低，然后趨于平穩(wěn)。溫度升高有利于混酸對(duì)骨粉的溶解，從而有利于鈣的提取，溫度升高到一定值溶出鈣趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，溫度在80℃時(shí)，鈣提取率達(dá)到最大值84.73%(圖2a)，繼續(xù)升高溫度鈣提取率與80℃時(shí)的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.2 酸質(zhì)量濃度的影響

隨著酸質(zhì)量濃度的增大，鈣提取率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，然后趨于平穩(wěn)。酸質(zhì)量濃度增大利于魚骨粉的溶解，進(jìn)而有利于溶出鈣的量增加。實(shí)驗(yàn)表明，酸質(zhì)量濃度在5g/100mL時(shí)，鈣提取率達(dá)到最大值83.22%(圖2b)，繼續(xù)提高酸質(zhì)量濃度，鈣提取率與5g/100mL時(shí)的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.3 骨粉粒度的影響

骨粉粒度越細(xì)，骨粉與混酸的接觸面積越大，越利于鈣的溶出，鈣提取率也越大。實(shí)驗(yàn)表明，隨著骨粉粒度的增大，鈣提取率也顯著升高(P＜0.05)。骨粉粒度為160目時(shí)，鈣提取率在數(shù)值上達(dá)到最大值83.78%(圖2c)，但是與120目的提取率差異不顯著(P＞0.05)。

2.4.4 酸比例的影響

酸比例不同對(duì)鈣提取率的影響也不同。酸比例從1:2到3:2鈣提取率顯著升高(P＜0.05)，再到2:1時(shí)鈣提取率顯著降低(P＜0.05)。實(shí)驗(yàn)表明，酸比例為3:2的時(shí)候鈣提取率達(dá)到最大值84.01%(圖2d)。

2.4.5 提取時(shí)間的影響

隨著時(shí)間的增加，鈣提取率逐漸增大，60min達(dá)到最大值，然后趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)表明，60min時(shí)的鈣提取率顯著大于40min時(shí)的鈣提取率(P＜0.05)，與80、100min時(shí)的鈣提取率差異不顯著(P＞0.05)。鈣提取率在60min達(dá)到最大值83.28%(圖2e)。

2.5 鮰魚骨中提取鈣的正交試驗(yàn)結(jié)果

由表4極差分析可知，影響鮰魚骨(脫脂處理)中鈣提取的因素主次順序?yàn)椋築＞C＞A＞D＞E(即酸質(zhì)量濃度＞粒度＞提取溫度＞酸比例＞提取時(shí)間)。鮰魚骨中鈣提取的最佳工藝條件為A3B4C4D2E2，即將120目的脫脂鮰魚骨粉放在檸檬酸和蘋果酸質(zhì)量濃度為15g/100mL，酸比例為1:2的混合液中，在100℃的高溫下反應(yīng)60min。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最佳條件下的鈣提取率達(dá)到87.13%。

2.6 噴霧干燥制得CMC活性鈣產(chǎn)品

噴霧干燥是將原料液用霧化器分散成霧滴，并用熱空氣與霧滴直接接觸加熱干燥的方式，獲得粉體狀產(chǎn)品的一種干燥過程。其具有瞬間干燥、受熱時(shí)間短、成品色澤均勻一致、易溶解、有效成分不易破壞等優(yōu)點(diǎn)[16]。將按照最佳工藝條件制得的CMC活性鈣溶液進(jìn)行噴霧干燥，工藝條件：進(jìn)風(fēng)溫度180℃、出風(fēng)溫度80℃、進(jìn)樣量30mL/min，所得成品白色干爽。

表4 鮰魚骨中鈣提取的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal array design layout and experimental results

3 結(jié) 論

本研究以斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨廢棄物為原料制備CMC活性鈣，并且對(duì)魚骨脫脂前后的基本成分和鈣磷含量進(jìn)行測(cè)定。對(duì)比脫脂前后魚骨粉的基本成分含量可知，脫脂前后魚骨粉中的鈣磷比均接近2:1，符合人體鈣磷比的組成，易于被人體吸收，適合作為鈣制劑的提取原料。脫脂處理能夠有效地降低魚骨粉中脂肪含量，減輕或避免了脂肪的存在對(duì)酸法鈣提取率和人體吸收率的影響。實(shí)驗(yàn)確定鮰魚骨脫脂的最佳工藝方案為5g/100mL NaOH浸泡6h，為降低高強(qiáng)度強(qiáng)堿溶液質(zhì)量濃度的影響，浸泡后需補(bǔ)充酸調(diào)中性、清水洗凈和干燥處理步驟，最終所得魚骨粉總鈣含量高達(dá)30.38%。采用檸檬酸和蘋果酸活化脫脂鮰魚骨粉制取CMC活性鈣實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：影響鮰魚骨(脫脂處理)中鈣的提取率的最主要因素是酸質(zhì)量濃度。鮰魚骨中鈣提取的最佳工藝條件是酸質(zhì)量濃度15g/100mL、酸比例1:2、粒度120目、溫度100℃、時(shí)間60min。此時(shí)鈣提取率為87.13%。噴霧干燥法制粉的工藝條件為進(jìn)風(fēng)溫度180℃、出風(fēng)溫度80℃、進(jìn)樣量30mL/min，所得CMC活性鈣粉顏色正常、均勻，未發(fā)生黏壁現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)表明利用鮰魚骨廢棄物開發(fā)CMC活性鈣粉是可行之舉，此既可提高鮰魚加工的附加值，又能減少環(huán)境污染，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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Optimization of the Preparation of CMC Active Calcium from DegreasedIctalurus punctatusBone

SHAO Ming-shuan，TAO Min，XIANG Wei，MENG Chang-wei，LIN Lin，YE Ying-wang，JIANG Shao-tong， LU Jian-feng*
(College of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The degreasing ofIctalurus punctatusbone and the preparation of CMC active calcium from degreased fish bone through thermal soaking in a mixed acid made up of citric acid and malic acid were studied in this work. The effects of soaking temperature and time, mixing ratio for malic acid and citric acid, total acid amount and fish bone granular size on calcium yield were examined. The optimal procedure for degreasingIctalurus punctatusbone was soaking in 5% aqueous NaOH solution for 6 h,and the total calcium content after the degreasing was 30.38%. The optimal conditions for the preparation of CMC active calcium were determined to be: mixing ratio for malic acid and citric acid, 1:2; total acid amount, 15 g/100 mL; material granular size, 120 mesh; soaking temperature, 100 ℃; and soaking duration, 60 min. A calcium yield of 87.13% was obtained under such conditions.

Ictalurus punctatusbone；CMC active calcium；degreased bone meal

TS254.9；TQ462.26

A

1002-6630(2010)20-0111-05

2010-06-30

安徽省重大科技攻關(guān)專項(xiàng)(08010301078)；國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2008GA710021)；

合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心入駐孵化項(xiàng)目(第六批)

邵明栓(1984—)，男，碩士研究生，主要從事水產(chǎn)品加工與貯藏研究。E-mail：xiaoshuan2004@126.com

*通信作者：陸劍鋒(1976—)，男，副研究員，博士，主要從事水生動(dòng)物資源的保護(hù)和綜合利用研究。E-mail：lujf@sibs.ac.cn