斑点叉尾鮰鱼骨脱脂及其制备CMC活性钙的工艺优化

邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌伟，林 琳，叶应旺，姜绍通，陆剑锋*

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

斑点叉尾鮰鱼骨脱脂及其制备CMC活性钙的工艺优化

邵明栓，陶 敏，向 蔚，孟昌伟，林 琳，叶应旺，姜绍通，陆剑锋*

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

以斑点叉尾鮰鱼骨为实验材料，对脱脂鮰鱼骨粉制备工艺，脱脂骨粉在不同的温度、时间、柠檬酸和苹果酸的酸比例、酸质量浓度、骨粉粒度条件下转化成活性钙的效果进行研究。结果表明，鮰鱼骨脱脂的最佳工艺方案为5g/100mL NaOH溶液浸泡6h，脱脂后的鱼骨粉总钙含量为30.38%。实验采用柠檬酸和苹果酸活化脱脂鮰鱼骨粉制取CMC活性钙，其最佳工艺条件为柠檬酸和苹果酸的比例1:2、酸质量浓度15g/100mL、骨粉粒度120目、温度100℃、提取时间60min。此时，钙提取率可达87.13%。

鮰鱼骨；CMC活性钙；脱脂骨粉

目前国内外淡水鱼类的深加工利用程度还极为低下，除小部分被加工成鱼糜、鱼丸、即食鱼片等制品外，绝大部分仍以活体形式进行市场鲜销。而在加工过程中，又会产生大量的下脚料(或废弃物)，包括鱼头、鱼皮、鱼排、鱼鳞和内脏等，约占原料鱼的40%～55%[1]。通常大部分鱼类加工下脚料直接被厂家废弃(或仅作为廉价饲料或肥料使用)，因此如何深度开发鱼类加工下脚料，不仅对水产品综合利用和环境保护有重要意义，而且能够支持和促进水产捕捞和养殖业的健康发展[2]。

斑点叉尾鮰(Ictalurus punctatus)是一种原产于北美洲的大型淡水鱼类，拥有广泛的国际市场，其品质和口味尤其适合于北美和欧盟的市场要求[3]。我国于1984年由湖北省水产科学研究所首次从美国引进养殖。斑点叉尾鮰一般加工成鮰鱼片出口，近年来随着出口量的不断攀升，产生的下脚料也逐渐增多，其中鱼骨中的钙含量达20%～30%左右，是一种很好的钙源[4-5]，如何利用废弃鱼骨已成为研究热点之一。钙被认为是仅次于C、H、O、N的第5种重要营养元素，其生理代谢对人体健康起着极为重要的作用[6]。尽管一般认为钙补充剂不能增加骨骼沉积，但是可以提高骨峰值[7]，因此补充钙质仍然是预防和治疗钙缺乏病症的重要方法[8]。鱼骨钙大多是以羟基磷灰石结晶形式存在[9]，羟基磷灰石中的磷酸钙和氢氧化钙(25℃溶解度为0.12)的溶解度低，且骨中羟基磷灰石钙与胶原纤维有机结合，外部还有水合壳的保护，通常溶出量甚微[10]。

目前，国内已经有实验室对鱼骨钙开展了一些研究，如吴燕燕等[11]以罗非鱼骨为原料制取活性钙，并探讨钙的生物利用；王建中等[9]和许顺于[12]分别以青鱼骨和和鲢鱼骨为钙源制取骨粉，并探讨补钙的成效；刘魁等[13]以蛋壳为原料制备活性钙咀嚼片。研究表明，鱼骨钙可用柠檬酸和苹果酸等混合有机酸进行提取，其产物CMC钙(柠檬酸苹果酸钙)具有高活性、高吸收性等特点[11]。本实验以斑点叉尾鮰鱼骨废弃物为原料开发CMC活性钙产品，对鱼骨脱脂和骨粉中钙质提取的最佳工艺进行了深入研究，并采用喷雾干燥法制备出CMC活性钙粉，可为今后进一步加强对鮰鱼骨废弃物的综合开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻斑点叉尾鮰鱼骨(包括鱼头)，由安徽省明光市永言水产(集团)有限公司提供。

柠檬酸、苹果酸、氢氧化钠、EDTA等(分析纯或食品级)。

1.2 脱脂鱼骨粉的制备

1.2.1 工艺流程

原料鱼排、鱼头→解冻→蒸煮3h→洗去肉渣→鱼骨脱脂→清水洗涤、酸调中性→105℃、1h烘干水分→粉碎成骨粉

1.2.2 鱼骨的脱脂工艺条件

在20℃室温条件下，以NaOH质量浓度、浸泡时间两个因素进行优化实验，用索氏抽提法检测脂肪含量，以求得脱脂最佳工艺条件。

1.2.3 鱼骨脱脂前后基本成分测定

水分、蛋白质、脂肪、灰分、钙、磷含量的检测分别采用直接干燥法(参照GB/T5009.3—2003《食品中水分的测定》)、微量凯氏定氮法(参照GB/T5009.5—2003《食品中蛋白质的测定》)、索氏抽提法(参照GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的测定》)、550℃灰化法(参照GB/T5009.4—2003《食品中灰分的测定》)、EDTA络合滴定法(GB/T 5009.92—2003《食品中钙的测定》)、分光光度法(GB/T 5009.87—2003《食品中磷的测定》)。试样均平行检测3次，测定结果表示为“均值±标准差”的形式。

1.3 CMC活性钙的制备

1.3.1 钙提取的单因素试验

0.5～0.6g脱脂鱼骨粉，用50～60mL柠檬酸和苹果酸的混酸作活化剂[14]，即骨粉质量与混酸体积比为1:100(g/mL)。在浸泡温度120℃、酸质量浓度10g/100mL(柠檬酸和苹果酸混合前的质量浓度，下同)、骨粉粒度120目、酸比例3:2(相同质量浓度的柠檬酸和苹果酸体积比，下同)和浸泡时间80min的条件下，进行脱脂鱼骨粉中钙提取的单因素试验，以确定适宜的温度(60、80、100、120℃)、酸质量浓度(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)和浸泡时间(40、60、80、100min) 。

1.3.2 CMC活性钙制备的正交试验

根据单因素试验结果，选择对提取影响较灵敏的因素进行L16(45)正交试验[15]，方案见表1。

表1 鮰鱼骨钙提取率的正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.3.3 喷雾干燥法制备CMC活性钙粉

将在最佳工艺条件制备的CMC活性钙溶液进行离心分离，取上清液，调中性，然后进行喷雾干燥，所得白色粉末状固体即为CMC活性钙粉。

1.4 数据处理

进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，以及最小显著差异法分析(LSD)，统计软件SPSS16.0。

2 结果与分析

2.1 脱脂前的鱼骨粉基本成分含量

表2 鱼骨粉脱脂前的基本成分Table 2 Basic chemical components of Ictalurus punctatus bone

未进行脱脂处理的鱼骨粉基本成分含量如表2所示。由表2可知，鱼骨粉的钙含量达到22.24%，钙和磷的比值为2.19:1，与人体骨骼的钙磷比组成(约2:1)非常接近。脂肪含量也较高，为4.20%。

2.2 NaOH溶液对鱼骨粉脱脂的影响

脂肪的存在影响酸对钙的提取和人体对钙的吸收，需进行脱脂处理[2]。选择质量浓度1、5、10g/100mL NaOH溶液对鱼骨粉进行脱脂处理(图1)，实验观察随时间推延，骨粉脂肪含量逐渐降低。10g/100mL NaOH实验组和5g/100mL NaOH实验组脂肪含量均于6h降至最低点，分别为0.21%(图1a)和0.32%(图1b)，两组脱脂效果相差不显著(P＞0.05)。而1g/100mL NaOH实验组在48h时降到最低，脂肪含量为1.03%(图1c)，对比脱脂效果明显不及前两组。此外，考虑到高质量浓度NaOH溶液不利于鱼骨清洗(或中和)且对环境易造成污染等原因，最终选择5g/100mL NaOH处理6h作为制备脱脂骨粉的工艺条件。

图1 NaOH溶液对骨粉中脂肪含量的影响Fig.1 Effect of NaOH concentration on degreasing of Ictalurus punctatus bone

2.3 脱脂后的鱼骨粉成分含量

如表3所示，脱脂后的钙含量高达30.38%，钙磷的比值为2.13:1，与脱脂前无明显差异。但脱脂后的脂肪含量下降至0.32%，与脱脂前差异显著(P＞0.05)。

表3 鱼骨粉脱脂后的基本成分Table 3 Basic chemical components of degreased Ictalurus punctatus bone

2.4 钙提取率单因素试验结果

图2 温度(a)、酸质量浓度(b)、粒度(c)、酸比例(d)、时间(e)对鱼骨中钙提取率的影响Fig.2 Results of single-factor investigation on the effects of five process conditions on calcium yield

2.4.1 提取温度的影响

随着温度的升高，钙提取率先升高后降低，然后趋于平稳。温度升高有利于混酸对骨粉的溶解，从而有利于钙的提取，温度升高到一定值溶出钙趋于稳定。实验表明，温度在80℃时，钙提取率达到最大值84.73%(图2a)，继续升高温度钙提取率与80℃时的提取率差异不显著(P＞0.05)。

2.4.2 酸质量浓度的影响

随着酸质量浓度的增大，钙提取率呈现上升趋势，然后趋于平稳。酸质量浓度增大利于鱼骨粉的溶解，进而有利于溶出钙的量增加。实验表明，酸质量浓度在5g/100mL时，钙提取率达到最大值83.22%(图2b)，继续提高酸质量浓度，钙提取率与5g/100mL时的提取率差异不显著(P＞0.05)。

2.4.3 骨粉粒度的影响

骨粉粒度越细，骨粉与混酸的接触面积越大，越利于钙的溶出，钙提取率也越大。实验表明，随着骨粉粒度的增大，钙提取率也显著升高(P＜0.05)。骨粉粒度为160目时，钙提取率在数值上达到最大值83.78%(图2c)，但是与120目的提取率差异不显著(P＞0.05)。

2.4.4 酸比例的影响

酸比例不同对钙提取率的影响也不同。酸比例从1:2到3:2钙提取率显著升高(P＜0.05)，再到2:1时钙提取率显著降低(P＜0.05)。实验表明，酸比例为3:2的时候钙提取率达到最大值84.01%(图2d)。

2.4.5 提取时间的影响

随着时间的增加，钙提取率逐渐增大，60min达到最大值，然后趋于平稳。实验表明，60min时的钙提取率显著大于40min时的钙提取率(P＜0.05)，与80、100min时的钙提取率差异不显著(P＞0.05)。钙提取率在60min达到最大值83.28%(图2e)。

2.5 鮰鱼骨中提取钙的正交试验结果

由表4极差分析可知，影响鮰鱼骨(脱脂处理)中钙提取的因素主次顺序为：B＞C＞A＞D＞E(即酸质量浓度＞粒度＞提取温度＞酸比例＞提取时间)。鮰鱼骨中钙提取的最佳工艺条件为A3B4C4D2E2，即将120目的脱脂鮰鱼骨粉放在柠檬酸和苹果酸质量浓度为15g/100mL，酸比例为1:2的混合液中，在100℃的高温下反应60min。经多次重复试验进行验证，最佳条件下的钙提取率达到87.13%。

2.6 喷雾干燥制得CMC活性钙产品

喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴，并用热空气与雾滴直接接触加热干燥的方式，获得粉体状产品的一种干燥过程。其具有瞬间干燥、受热时间短、成品色泽均匀一致、易溶解、有效成分不易破坏等优点[16]。将按照最佳工艺条件制得的CMC活性钙溶液进行喷雾干燥，工艺条件：进风温度180℃、出风温度80℃、进样量30mL/min，所得成品白色干爽。

表4 鮰鱼骨中钙提取的正交试验结果Table 4 Orthogonal array design layout and experimental results

3 结 论

本研究以斑点叉尾鮰鱼骨废弃物为原料制备CMC活性钙，并且对鱼骨脱脂前后的基本成分和钙磷含量进行测定。对比脱脂前后鱼骨粉的基本成分含量可知，脱脂前后鱼骨粉中的钙磷比均接近2:1，符合人体钙磷比的组成，易于被人体吸收，适合作为钙制剂的提取原料。脱脂处理能够有效地降低鱼骨粉中脂肪含量，减轻或避免了脂肪的存在对酸法钙提取率和人体吸收率的影响。实验确定鮰鱼骨脱脂的最佳工艺方案为5g/100mL NaOH浸泡6h，为降低高强度强碱溶液质量浓度的影响，浸泡后需补充酸调中性、清水洗净和干燥处理步骤，最终所得鱼骨粉总钙含量高达30.38%。采用柠檬酸和苹果酸活化脱脂鮰鱼骨粉制取CMC活性钙实验结果显示：影响鮰鱼骨(脱脂处理)中钙的提取率的最主要因素是酸质量浓度。鮰鱼骨中钙提取的最佳工艺条件是酸质量浓度15g/100mL、酸比例1:2、粒度120目、温度100℃、时间60min。此时钙提取率为87.13%。喷雾干燥法制粉的工艺条件为进风温度180℃、出风温度80℃、进样量30mL/min，所得CMC活性钙粉颜色正常、均匀，未发生黏壁现象。

实验表明利用鮰鱼骨废弃物开发CMC活性钙粉是可行之举，此既可提高鮰鱼加工的附加值，又能减少环境污染，获得良好的经济效益与社会效益。

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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

安徽省重大科技攻关专项(08010301078)；国家星火计划项目(2008GA710021)；

合肥工业大学大学生创业服务中心入驻孵化项目(第六批)

邵明栓(1984—)，男，硕士研究生，主要从事水产品加工与贮藏研究。E-mail：xiaoshuan2004@126.com

*通信作者：陆剑锋(1976—)，男，副研究员，博士，主要从事水生动物资源的保护和综合利用研究。E-mail：lujf@sibs.ac.cn