鲢鱼(
Hypophthalmichthys molitrix)是我国四大养殖鱼类之一,2022年的淡水养殖产量达到387.9万t,仅次于草鱼
[1]。巨大的养殖量使得鲢鱼成为淡水鱼糜的主要原料来源。然而,在鱼糜生产过程中,大量鲢鱼内脏通常被直接丢弃,这不仅造成了严重的环境污染,也极大浪费了资源。已有研究
[2]表明,鲢鱼内脏中的二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳五烯酸(DHA)等多不饱和脂肪酸含量较高,
n-3族多不饱和脂肪酸总含量达到34.9%。其ω-3与ω-6的比值约为1.7,远高于其他淡水鱼类,且接近海水鱼的水平。因此,从鲢鱼内脏中提取鱼油不仅能显著增加鱼类副产品的经济价值,还有助于提升整个渔业的竞争力,实现资源的高效利用。
近年来,随着人们健康意识的增强,全球对高质量鱼油的需求急剧增加。传统的鱼油提取方法主要包括液压压榨、热萃取和溶剂萃取
[3-5]。这些方法各有不足:液压压榨的效率较低,热萃取因高温操作容易导致鱼油氧化和变质,溶剂萃取则可能使最终产品中含有残余溶剂。为克服这些限制,研究人员已经开发出新的技术如酶解提取
[6]和超临界流体萃取
[4]。尽管超临界流体萃取在提取效率和产品质量方面表现优异,并且环境污染较少,但其较高的成本限制了其在工业上的广泛应用。此外,利用蛋白酶的水解作用破坏脂肪与蛋白质的结合来提取鱼油的方法,因其工艺简单、提取效率高和产品稳定性好,已经获得了广泛的研究关注和应用
[7-9]。
鱼油的生物利用度受到胃部酸性环境的影响,是当前研究的重点
[10],微胶囊技术通过改变芯材的表面性能和提高其稳定性,不仅可以控制活性成分的释放,实现缓释和控释,还能显著提升鱼油的贮藏稳定性。因此,利用微胶囊技术包埋鱼油,以提高其在胃肠道中的稳定性和利用率,有助于解决上述问题并拓宽鱼油在食品领域的应用。
本研究拟采用操作简单且成本效益高的酶解法从鲢鱼内脏中提取鱼油。基于单因素分析,进一步采用Box-Behnken响应面法优化提取工艺,确定鱼油提取的最佳工艺参数;本研究还利用复凝聚微胶囊技术对提取的鱼油进行包埋,评估其在胃肠消化过程中的缓释性和控释性,以及贮藏稳定性,旨在开发一种新的微胶囊技术,以提高鲢鱼油的稳定性和生物利用度。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验在中国农业大学食品科学与营养工程学院水产品加工实验室进行。鲢鱼内脏由湖北井力水产食品有限公司提供。所用蛋白酶为Neutrase®0.8L、Protamex®1.6和Novozym®11039,均购自丹麦诺维信生物技术公司。试验使用的主要化学试剂:三氯甲烷、浓硫酸、盐酸、无水乙醚等由国药集团化学试剂有限公司提供;硼酸、无水碳酸钠、碘化钾、硫代硫酸钠由上海麦克林生化科技有限公司供应;异丙醇、氢氧化钠、碘酸钾标准滴定液、福林酚、冰乙酸、活性炭粉、甲醇及三氯乙酸均购自北京索莱宝科技有限公司。
试验使用的主要仪器:KDY-9820 型凯氏定氮仪,格林凯瑞精密仪器有限公司;DHG-9030 型电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;AY220 型电子分析天平,日本岛津公司;Supermax 3000FA型酶标仪,上海闪谱生物科技有限公司;GL-21M 型冷冻离心机,长沙平凡仪器仪表有限公司;数显恒温磁力搅拌水浴锅,湖南前沿科技有限公司;FE20型pH计,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 鲢鱼内脏的基本成分测定
鲢鱼内脏的粗蛋白含量、粗脂肪含量、水分含量以及灰分含量均参考张慧娟等
[11]的方法进行。
1.2.2 蛋白酶的筛选
蛋白酶提取鱼油的方法参考李文佳等
[12]的方法。精确称取15 g鲢鱼内脏并以1 g∶1 mL的料液比加入蒸馏水混匀。使用浓度为1 mol/L的盐酸或1 mol/L氢氧化钠溶液调整混合液pH至蛋白酶的最适pH(
表1)。将内脏置于蛋白酶相应最适温度下水浴加热15 min。按照鲢鱼内脏的粗蛋白含量,每1 g 蛋白质中添加10 000 U蛋白酶,并在相同的最适温度下持续酶解2 h。酶解完成后,样品在95 ℃水浴中加热15 min以灭活酶。在4 ℃以10 000
g的离心力离心20 min,取上清液的鱼油并称重。选择提取率最高的蛋白酶进行后续试验。鱼油提取率的计算公式如下:
式中:M1为上清油质量,g;M2为鲢鱼内脏质量,g;C为鲢鱼内脏的粗脂肪含量,%。
1.2.3 单因素试验
1)蛋白酶添加量。按照1.2.2节所筛选的蛋白酶,在其最佳pH和温度条件下,根据描述的鱼油提取工艺进行试验。设定酶解反应时间为2 h,料液比(本研究中料液比指的是内脏质量与水的体积之比,全文同)为1 g∶1 mL,改变蛋白酶添加量,每1 g样品蛋白质中分别添加2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 U蛋白酶,对鲢鱼内脏进行处理,并分别测定鱼油提取率。
2)酶解时间。料液比固定为1 g∶1 mL,依据已确定的蛋白酶添加量,对鲢鱼内脏在不同酶解时间(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)进行处理后计算每个时间点的鱼油提取率。
3)料液比。在设定的酶添加量和酶解时间基础上,调整料液比分别为1 g∶1 mL、1 g∶2 mL、1 g∶3 mL、1 g∶4 mL,以不添加水的内脏组为对照,对鲢鱼内脏进行酶解,并计算在各种料液比条件下的鱼油提取率。
1.2.4 响应面优化设计分析
采用Design-Expert 13软件进行Box-Behnken设计的响应面分析。基于1.2.3节的单因素试验结果,本研究选取蛋白酶添加量(
X1)、酶解时间(
X2)及料液比(
X3)作为自变量,以鱼油提取率(
Y)为响应值,试验因素和水平见
表2。
1.2.5 鱼油精炼
鱼油的精炼工艺(脱胶,脱酸,脱色,脱臭)参考吴永祥
[13],洪鹏志等
[14]的方法。
1.2.6 鱼油酸价测定
酸价测定参照GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定》
[15]。
1.2.7 鱼油过氧化值测定
过氧化值测定参照GB 5009.227—2023《食品中过氧化值的测定》
[16]。
1.2.8 精炼鱼油的微胶囊制备
鱼油微胶囊的制备参考Yang等
[17]的方法。精确称取8 g明胶溶解于100 mL蒸馏水中,在50 ℃的水浴中持续搅拌1 h,确保明胶完全溶解。加入6 g精炼鱼油,并使用均质机在10 000 r/min 的速度下均质5 min,制成鱼油乳液。称取0.53 g六偏磷酸钠溶解于100 mL蒸馏水中,在50 ℃的水浴中持续搅拌5 min。将此溶液与等体积的鱼油乳液混合,在50 ℃的水浴中进一步搅拌1 min。在室温下使用浓度为1 mol/L的磷酸逐渐调节pH至3.6、3.8、4.0、4.2,并持续搅拌10 min。加入50 mL已调至相应pH且质量分数为8%的辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液,室温下继续搅拌30 min。将所得混合物进行冷冻干燥48 h,制得鱼油微胶囊。
1.2.9 精炼鱼油包埋率测定
鱼油微胶囊的包埋率测定参考Yang等
[17]的方法进行。
1)微胶囊表面油含量(m1)。
精确称取1 g微胶囊样品放入烧杯中,加入15 mL正己烷并持续震荡2 min,使用滤纸进行过滤。用10 mL正己烷清洗烧杯,重复过滤3次。使用同样的方法,用10 mL正己烷清洗滤纸表面。将所有收集的正己烷溶液在50 ℃下加热以挥发溶剂,再在105 ℃下烘干至恒重,得到表面油含量m1。
2)总油含量(m2)。
精确称取1 g微胶囊样品置于烧杯中,加入20 mL 浓度为4 mol/L的HCl,在60 ℃的水浴中持续搅拌3 h。加入40 mL正己烷,在室温下持续搅拌2 h。过滤上清液,并向烧杯中加入20 mL正己烷,摇匀后再次过滤(重复此过程3次)。使用20 mL正己烷清洗滤纸表面。收集的正己烷溶液在水浴中加热以挥发溶剂,然后在105 ℃下烘干至恒重,得到总油含量m2。
鱼油包埋率计算公式为:
1.2.10 鱼油微胶囊的表面形态观察
参考Zhou等
[18]的方法,精确称取10 mg微胶囊,利用双面胶将微胶囊固定在样品板上并真空喷金,在加速电压15 kV下利用扫描电镜观察并捕获微胶囊的表面形态特征。
1.2.11 鱼油微胶囊的体外胃肠模拟消化
体外胃肠模拟消化参考李楠
[19]和白春清等
[20]的方法进行。
准确称取0.015 g CaCl2和0.1 g淀粉酶溶于150 mL蒸馏水中,使用浓度为0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH 调整pH至 7.0。精确称取1 g微胶囊,加入20 mL模拟唾液,在37 ℃、150 r/min 条件下水浴消化2 min。准确称取0.2 g NaCl溶解于90 mL蒸馏水中,用浓度为1 mol/L HCl调节 pH至1.2,加入0.32 g 胃蛋白酶(酶活30 000 U/g),随后用蒸馏水定容至100 mL,得到模拟胃液。使用浓度为1 mol/L HCl将上述模拟口腔后的消化液的pH调至1.2,加入50 mL模拟胃液,在37℃,150 r/min下水浴消化2 h。精确称取0.68 g K2HPO4溶解于90 mL蒸馏水中,用浓度为0.1 mol/L的NaOH调节pH至6.8,加入1 g胰蛋白酶(酶活250 000 U/mg),并用蒸馏水定容至100 mL,即得模拟肠液。利用浓度为1 mol/L NaOH 将上述模拟胃消化液的pH调节至6.8,加入50 mL模拟肠液,在37 ℃,150 r/min下水浴消化2 h。模拟肠期消化结束后,立即将消化产物置于冰浴中10 min以钝化酶活,向消化液加入30 mL正己烷进行震荡,经分液和过滤后,将收集的正己烷溶液水浴加热直至完全挥发,再在105 ℃下烘干至恒重,以确定最终的油释放率。
1.2.12 鱼油微胶囊的贮藏稳定性测定
称取一定量微胶囊放置于30 ℃贮藏,每2天收集1次样品并测试表面油含量,计算鱼油保留率。
1.3 统计分析
所有测试平行进行3次。结果以“平均数±标准差”表示。P<0.05水平差异为显著。使用SPSS 24.0进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 鲢鱼内脏的基本成分组成
鲢鱼内脏的脂肪、粗蛋白、水分、灰分和碳水化合物的质量分数分别为16.79%,5.73%, 67.27%,4.93%,5.28%。由此可知,鲢鱼内脏是制备鱼油的良好来源。
2.2 不同蛋白酶对鱼油提取率的影响
3种蛋白酶的鱼油提取率分析显示,Protamex®1.6的鱼油提取率(74.83%)显著高于Neutrase®0.8L(提取率68.65%)和Novozym®11039(提取率61.19%)。因此,后续鱼油提取试验选用Protamex®1.6作为蛋白酶进行。
2.3 单因素试验分析
蛋白酶添加量、酶解时间和料液比对鱼油提取率的影响见
图1。
2.3.1 蛋白酶添加量对鱼油提取率的影响
当Protamex®1.6的添加量为2 000~6 000 U(每1 g 样品蛋白质加入蛋白酶的量,全文同)时,鱼油的提取率随蛋白酶添加量的增大而增大。然而,当蛋白酶添加量进一步增至8 000 U及10 000 U时,鱼油提取率并未显著性改变(
图1(a))。因此,本研究选定Protamex®1.6的最佳添加量为6 000 U。
2.3.2 酶解时间对鱼油提取率的影响
酶解时间为0.5~1.0 h,鱼油提取率随时间延长而增加。当酶解时间延长至1.5~2.5 h时,与1.0 h相比,鱼油提取率未显示显著性差异(
图1(b))。因此,确定最佳酶解时间为1.0 h。
2.3.3 料液比对鱼油提取率的影响
当料液比≤1 g∶1 mL时,鱼油提取率随料液比的增加而逐步提高;然而,当料液比继续增大至1 g∶2 mL~1 g∶4 mL时,鱼油提取率反而下降(
图1(c))。因此,确定最优料液比为1 g∶1 mL。
2.4 响应面优化试验分析
2.4.1 Box-Behnken响应面模型建立及分析
基于单因素试验结果,选定Protamex®1.6添加量(
X1)、酶解时间(
X2)以及料液比(
X3)为自变量,鱼油提取率(
Y)为响应值。运用Box-Behnken设计原理,对3个因素进行3水平试验设计(
表3),对试验结果拟合后,得到鱼油提取率的多元回归方程为:
Y=71.79+3.85X1+0.8338X2-9.86X3-1.44X1X2-2.36X1X3-3.19X2X3-4.58X12-1.64X22-11.47X32
使用Design-Expert 13软件对回归模型进行方差分析,结果见
表4。模型
P<0.01,表明模型具有极显著性;失拟项
P>0.05,表明失拟不显著;模型决定系数
R2 =0.96,说明模型拟合精度高,能有效预测试验结果。在该模型中,一次项蛋白酶添加量(
X1)和料液比(
X3)对鱼油提取率的影响极显著(
P<0.01)。二次项
X12对鱼油提取率差异显著(
P<0.05),
X32对鱼油提取率差异极显著(
P<0.01)。综合
F分布和
P分析可见,影响鱼油提取率的主要因素顺序为:
X3(料液比)>
X1(蛋白酶添加量)>
X2(酶解时间)。
2.4.2 Box-Behnken响应面设计结果分析
3种因素两两交互作用对鱼油提取率的影响见
图2。
X1和
X3相互作用及
X2和
X3相互作用曲线,比
X1和
X2的相互作用曲线更加陡峭,但差异统计不显著(
P>0.05),表明蛋白酶添加量,酶解时间和料液比两两间交互作用不显著,这与
表4的结果一致。
2.4.3 Box-Behnken响应面最优结果验证
根据Box-Behnken响应面模型的优化预测,得到的最佳鱼油提取条件为:蛋白酶添加量6 942.045 U,酶解时间1.296 h,料液比1 g∶0.440 mL。在此条件下预测鱼油提取率为82.17%。结合实际操作可行性,在蛋白酶添加量7 000 U,酶解时间1.3 h,料液比5 g∶2 mL的试验条件下进行3组平行试验。试验结果显示,鱼油的提取率为(81.09±1.22)%,表明Box-Behnken模型的预测与实际结果相吻合,显著提升了鱼油的提取率,从基线的60%增加到81%。
2.5 鱼油精炼前后的品质分析
精炼对鱼油表观的影响见
图3。利用优化后的条件提取的粗鱼油经过脱胶,脱酸,脱色,脱臭等精炼步骤后,鱼油品质显著改善。精炼后的鱼油色泽由原来的黄棕色和浑浊转变为透亮且清澈。此外,精炼前后的鱼油酸价从18.38 mg/g降至14.16 mg/g,过氧化值从0.41 g/100 g降至0.26 g/100 g。这些变化说明精炼工艺能有效提升鱼油的质量。
2.6 鱼油微胶囊包埋工艺分析
通过复凝聚法制备的鱼油微胶囊在不同pH条件下的包埋率存在显著差异(
图4)。当pH为3.6~4.0时,包埋率逐渐增大,pH4.0时达到最高,为(90.95±1.02)%。然而,当pH进一步增大至4.2时,包埋率显著下降。基于这一结果确定最适pH4.0进行后续的鱼油微胶囊包埋试验。
2.7 鱼油微胶囊的表观形态分析
图5示出鱼油微胶囊的表观形貌和微观形貌,微胶囊外观呈现为均匀的疏松粉末状,色泽浅黄。扫描电镜图像显示,在150,500以及1 000的放大倍数下观察,微胶囊大小相对均匀,形态完整,呈现致密的球形结构。这些结果表明所采用的包埋工艺能有效完整地包裹鱼油,保证了良好的包埋效果。
2.8 鱼油微胶囊体外胃肠模拟消化分析
微胶囊在模拟口腔消化2 min和模拟胃消化2 h后,鱼油释放率仅为10.69%。继续在模拟肠消化2 h后,鱼油总释放率达46.4%。这表明微胶囊能在肠道中实现定向释放,从而提高了鱼油在小肠的吸收率。
2.9 鱼油微胶囊的贮藏稳定性
微胶囊在30 ℃条件下贮藏10 天,鱼油的保留率维持在99%以上(
图6)。这一结果说明,微胶囊技术能有效延长鱼油的贮藏稳定性,保持其品质。
3 讨 论
3.1 鲢鱼内脏鱼油提取工艺的优化分析
酶解提取鱼油的原理是利用蛋白酶促进内脏中蛋白质的水解,从而释放出被蛋白质包裹的脂肪,达到鱼油提取的目的
[12]。不同蛋白酶由于对肽键的特异性不同,水解效果有所区别,蒋璇靓等
[21]对沙丁鱼内脏鱼油以及王正云等
[22]对草鱼内脏鱼油的研究证实了这一点。本试验中,蛋白酶Protamex®1.6因其对鲢鱼内脏蛋白质具有更高的水解特异性,显示出较高的鱼油提取率。
在酶法提取鱼油过程中,蛋白酶的添加量、酶解时间以及料液比对鱼油的提取率及生产成本均有显著影响。当蛋白酶的初始浓度较低时,增加蛋白酶的添加量可以提高鱼油提取率,这是由于底物蛋白质的浓度较蛋白酶为高。然而,蛋白酶添加过量时,过高的水解度会促进乳状液的形成,这不利于脂肪的释放并可能降低蛋白酶的活性,王正云等
[23]对青鱼内脏鱼油及张喆等
[24]对大黄鱼内脏鱼油的研究支持了这一观点。酶解时间同样是一个关键变量,适当延长酶解时间可以增强蛋白酶与内脏蛋白质的相互作用,从而更有效地破坏蛋白质与脂肪的结合,提高鱼油提取率
[25]。料液比也是一个重要的试验参数,适当的水添加量有利于底物与酶的充分接触,促进脂肪分子的释放。然而,水添加量过高则会导致酶浓度的降低,减少其与底物蛋白的有效接触,从而降低提取率,这一点在沙丁鱼
[21]和大黄鱼内脏鱼油的提取
[24]的研究中也得到了体现。
3.2 鲢鱼内脏鱼油微胶囊制备及性质分析
pH是鱼油-明胶-六偏磷酸钠复凝聚微胶囊形成的关键因素,具体来说,只有在特定的pH范围内,六偏磷酸钠与明胶之间静电相互作用才能有效发生
[26]。在酸性环境中,六偏磷酸钠始终保持负电荷,其电荷量与pH变化无关。相对地,明胶在酸性条件下带正电荷,其电荷强度会随着pH的上升而减弱
[17]。本研究发现,当溶液体系的pH控制在3.6~4.0时,随着pH的升高,明胶的正电荷增加;在pH达到4.0之前,过高的正电荷可能导致形成的复合物之间出现较大的静电排斥作用,进而降低包埋率
[27]。当pH超过4.0后,明胶的正电荷减少,与六偏磷酸钠的静电相互作用减弱,也会导致包埋率的降低。因此,当pH恰好达到4.0时,明胶与六偏磷酸钠之间的相互作用最强烈,实现最大鱼油包埋率。
鱼油微胶囊的消化特性和贮藏稳定性是其在食品工业中潜在应用的重要指标。在本研究中,鱼油在肠的释放率显著高于胃。胃液消化过程中,由于明胶在低pH环境下易发生水解,微胶囊表面的电荷减少,无法维持足够的静电排斥力,导致微胶囊颗粒出现絮凝或聚结,在模拟胃液中的释放率降低
[28]。进入肠后,系统的pH由酸性转变为近中性,明胶由正电荷转变为负电荷,与六偏磷酸钠的负电荷相斥,导致复凝聚体系被破坏,从而促进鱼油的释放。同时,胰蛋白酶的活性也促进了明胶的进一步水解,提高了鱼油的释放率。本研究在30 ℃的条件下贮藏的鱼油微胶囊展现出良好的稳定性,10天内鱼油保留率始终维持在99%以上。这表明微胶囊技术通过形成保护层,在显著减少氧气和光的接触的同时,延长了产品的货架期。这些研究结果表明,开发的鱼油微胶囊具备在食品工业中进行定向和缓慢释放的潜力,预示着其广泛应用的可能性。
4 结 论
本研究通过Box-Behnken响应面分析优化了鲢鱼内脏鱼油提取工艺,并探究明胶-六偏磷酸钠复凝聚微胶囊的制备及模拟消化对其影响,主要结论如下:通过优化酶法提取条件显著提升了鲢鱼内脏鱼油的提取率,在最佳条件下:Protamex®1.6添加量为7 000 U(每1 g样品蛋白质中蛋白酶的添加量),酶解时间1.3 h,以及料液比5 g∶2 mL,鱼油的提取率达到81.09%。进一步研究显示,在pH 4.0时,明胶与六偏磷酸钠的复凝聚体系能最大化鱼油的包埋率,达到90.95%。此外,体外胃肠模拟消化和贮藏稳定性试验均显示明胶-六偏磷酸钠微胶囊有效地保护了鱼油,并实现了其缓释和控释,这对于提高鱼油产品的稳定性和消费者接受度具有重要意义。因此,建议食品工业采用此微胶囊技术,以优化鱼油产品的市场表现。尽管这些发现具有有效性,但目前仅限于实验室层面,未来研究应探索其在工业规模应用的可行性及面临的挑战。
国家重点研发计划(2022YFD2100905)
现代农业产业技术体系专项基金(CARS-45)