一种采用超临界CO2萃取技术进行猪皮脱脂的方法与流程

本发明涉及一种从动物皮中进行脱脂处理的方法，具体地说，涉及一种采用超临界CO₂萃取技术进行猪皮脱脂的方法。

背景技术：

胶原蛋白是一种细胞外基质，属于结构蛋白质，是构成皮肤、韧带、软骨、肌键等结缔组织或器官的主要成分。因具有独特的氨基酸组成和结构，可以预防心血管病、提高免疫机能、抑制癌细胞、活化细胞机能，补充人体钙质，还可增强机体皮组织细胞储水能力、防止皮肤老化，被广泛地应用于医疗、保健、美容及食品等领域。

从动物的皮、骨中提取胶原蛋白，是近年来研究的一个热点，提取所用原料皮多集中于牛皮、猪皮等。我国是世界最大的猪肉生产和消费国，猪肉在生产过程中随之产生大量猪皮，猪皮中胶原蛋白含量丰富，约占总蛋白的80％以上。但这些副产品除部分用于皮革、食品等行业外，大部分猪皮都未能得到很好的利用，导致资源浪费，环境污染。因此，开发利用猪皮中的胶原蛋白是我国利用猪皮下脚料的主要方向之一。猪皮中水分含量为40～42％，脂肪含量为20～35％，蛋白质含量20～35％，猪皮中胶原蛋白含量可高达87.8％，虽然以猪皮为原料提取胶原蛋白的研究较多，但是提取率较低，其中一个主要难点就在于猪皮中脂肪含量高，它们包裹在胶原纤维的周围造成了提取上的困难。因此为了降低提取胶原蛋白时脂肪对提取工艺的影响，首先需对猪皮进行脱脂工艺的研究。

目前所用的脱脂方法主要有压榨法、乳化法、酶法、皂化法、有机溶剂萃取法等，这些方法虽然已经发展成熟，但是存在脱脂率低、处理时间长、成本高、操作繁琐、环境污染、胶原蛋白损失或变性等缺陷。

因此，需要研究一种操作简便、减少胶原蛋白损失且能有效提高脱脂率的猪皮脱脂工艺。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种采用超临界CO₂萃取技术进行猪皮脱脂的方法。

本发明采用超临界流体脱脂方法，可以选择性地提取脂肪而不影响其性质。由于胶原蛋白可能在高温下受到损害，而CO₂作为超临界流体，其提取条件较为温和，除此之外，其成本较低、无毒、无腐蚀性、不易燃，被认为是一种“绿色溶剂”，因此采用超临界CO₂方法最为可取。该方法在气体环境条件下加工，简单便捷，并且还能进行简单的分离。更重要的是，此方法脱脂效率高，较传统方法，能更有效的达到脱脂目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述采用超临界CO₂萃取技术进行猪皮脱脂的方法，包括如下步骤：

1)先将新鲜猪皮进行破碎处理；

2)然后将处理后的猪皮采用超临界萃取技术，以CO₂为超临界流体，在35～45℃、35～45MPa压力下萃取处理。

其中，步骤1)中新鲜猪皮的破碎处理在0～4℃半冻状态下为佳。

新鲜猪皮破碎处理采用破碎机进行，破碎处理至3mm×3mm-5mm×5mm小块。

步骤2)中，萃取装置采用超临界CO₂流体萃取装置。

所述萃取处理时间为90～150min。

优选的萃取条件为：在40℃、45MPa压力下萃取处理120min。

本发明采用超临界CO₂的方法来脱去猪皮中的脂肪，突破了传统方法脱脂的局限性，达到了简单、高效、绿色的提取目的，节约了成本，增大了经济效益。由于超临界CO₂条件的温和性，使得整个过程易于调控，实验项目符合高效脱脂的发展趋势，特色明显，可行性高。

而且为提高胶原蛋白的提取率，利用超临界CO₂萃取技术去除猪皮脂肪，通过对不同超临界CO2提取条件的控制以及脂肪去除率的对比，选择出适合猪皮的最佳工艺参数，获得高脂肪去除率的控制条件，从而提高胶原蛋白的得率，脂肪去除率可达86.32％。

附图说明

图1为本发明采用超临界CO₂萃取技术研究温度对脂肪去除率的影响；

图2为本发明采用超临界CO₂萃取技术研究时间对脂肪去除率的影响；

图3为本发明采用超临界CO₂萃取技术研究压力对脂肪去除率的影响；

图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5、图4-6分别为本发明采用压力、温度、时间三个因素两两交互作用的相应的响应面曲面的影响。

具体实施方式

下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

实验例

1.实验材料与实验方法

1.1材料

新鲜猪皮购自甘肃省兰州市安宁区桃海市场，置于-20℃冰箱冷冻。实验前从冰箱中取出，采用破碎机辅助人工进行破碎处理。

1.2仪器与试剂

1.2.1仪器

超临界CO₂流体萃取装置(HA121-50-01型、江苏南通华安公司)、烘箱、电热恒温干燥箱、干燥器：内附有效干燥剂、定氮蒸馏装置、消化炉、索氏抽提器(冷凝管、抽提管、圆底烧瓶)、铁架台、分析天平(感量0.0001g)、电子天平(上海佑科仪器仪表有限公司)、滤纸、细绳、研钵、培养皿、纱线手套、电热恒温水浴锅(HHS-11-4型)、真空包装机(17Z-260型、上海佳河包装机械有限公司)、紫外分光光度计(UV756CRT型、上海佑科仪器仪表有限公司)、容量瓶、玻璃棒、移液管、烧杯、比色管、比色皿。

1.2.2试剂

猪皮、CO₂气体(纯度≥99.9％)、无水乙醇(分析纯)、盐酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、无水硫酸钠、硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)、硫酸钾(K₂SO₄)、硫酸(H₂SO₄密度为1.84g/L)、硼酸(H₃BO₃)、甲基红指示剂(C₁₅H₁₅N₃O₂)、溴甲酚绿指示剂(C₂₁H₁₄Br₄O₅S)、亚甲基蓝指示剂(C₁₆H₁₈ClN₃S·3H₂O)、95％乙醇(C₂H₅OH)、石油醚(沸程：30℃～60℃)、硫酸溶液、缓冲溶液(PH＝6.8包括下列组分：a、26.0g一水柠檬酸(C₆H₈O₇·H₂O)；b、14.0g氢氧化钠；c、78.0g无水乙酸钠[Na(CH₃CO₂)]。)、氯胺T溶液、对甲氨基苯甲醛、高氯酸(质量分数为70％)、异丙醇、羟脯氨酸。

1.3实验方法

1.3.1原料预处理

新鲜猪皮3000g，置于-20℃冰箱冷冻。

1.3.2实验步骤

(1)将猪皮从冰箱中取出，在0～4℃半冻状态下为佳，采用破碎机辅助人工进行破碎处理至5mm×5mm小块。

(2)将切碎后的猪皮称取70g装入萃取釜中，设置好萃取温度、时间和压力并暂时打开进气阀门关闭排气阀门，压力升高后打开排气阀排出萃取釜中的氧气，确保猪皮与超临界CO₂充分接触，当萃取釜中充满CO₂时关闭排气阀。待萃取装置中温度、压力达到要求时再关闭进气阀，使萃取过程在恒压恒温条件下进行。保持恒温恒压状态达到灭菌所需时间后关闭高压泵电源，对萃取釜卸压并取出肉样。

(3)将取出后的猪皮根据(GB-T 5009.6)采用索氏抽提法进行猪皮中剩余脂肪的测定。

1.4单因素实验

1.4.1温度对脂肪去除率的影响

选取猪皮分别在温度为30、35、40、45℃的条件下，压力为40MPa，提取时间为120min，按照1.3.2的操作方法，测得脂肪去除率。

1.4.2时间对脂肪去除率的影响

选取猪皮分别在时间为30、60、90、120、150min的条件下，压力为40MPa，提取温度为40℃，按照1.3.2的操作方法，测得脂肪去除率。

1.4.3压力对脂肪去除率的影响

选取猪皮分别在压力为15、20、35、40、45MPa的条件下，时间为120min，提取温度为40℃，按照1.3.2的操作方法，测得脂肪去除率。

1.5提取工艺参数的优化

在单因素实验的基础上，选取提取温度、时间、压力这3个因素作为多因素交叉组合实验的考察因素，以脂肪去除率为响应值，采用响应面中心旋转组合方式对超临界CO₂萃取猪皮中脂肪的工艺参数进行优化，共设计17组实验，每组做三个平行，利用Design-Expert 8.05对实验数据进行处理，以获得最佳参数。实验因素水平编码表见表1。

表1实验因素水平编码表

1.6猪皮处理前后基本指标的测定

1.6.1水分

根据(GB 50093-2003)采用直接干燥法进行水分的测定。

1.6.2脂肪

根据(GB-T 5009.6)食品中脂肪的测定索氏抽提法测定。

1.6.3蛋白质

根据(GB 5009.5-2010)半微量凯式定氮法测定。

1.6.4胶原蛋白

根据(GB/T9695.23-2008)

1.7数据处理

使用Design-Expert 8.05和origin75进行数据处理和分析

2实验结果与数据分析

2.1单因素实验

2.1.1温度对脂肪去除率的影响

由图1可见，萃取温度在35℃的脂肪去除率小于萃取温度在30℃的去除率，但是当萃取温度达到40℃时，脂肪去除率明显增大，萃取温度达到45℃时去除率又开始降低，所以选择萃取温度在35～45℃作为响应面实验范围。

2.1.2时间对脂肪去除率的影响

由图2可见，萃取时间在30～120min之间，脂肪去除率逐渐增大，在萃取时间为120min时脂肪去除率达到最大值，当时间大于120min后，脂肪去除率逐渐减小，所以，选择萃取时间在90～150min作为响应面实验范围。

2.1.3压力对脂肪去除率的影响

由图3可见，萃取压力在15～40MPa之间，脂肪去除率先减小后逐渐增大，在萃取压力为40MPa时，脂肪去除率达到最大值，当萃取压力大于40MPa时，脂肪去除率变化不明显，所以，选择萃取压力在35～45MPa之间作为响应面实验范围。

2.2响应面分析法对提取工艺参数的优化

2.2.1响应面实验数据

对提取温度(℃)、时间(min)、压力(MPa)进行了3因素3水平响应面分析，超临界CO₂去除猪皮脂肪的三因素二次回归旋转组合实验设计方案及结果见表2。

表2响应面分析实验设计方案及结果

2.2.2猪皮处理前后的基本指标

对猪皮萃取前后的基本指标进行对比，见表3。

表3萃取前后的基本指标

2.2.3方差分析

使用Design-Expert 8.05对试验结果进行回归分析，得到回归模型方程为脂肪去除率＝-170.69000+6.10725温度+1.16858时间+2.68225压力－3.55000E－003温度时间+0.045800温度压力－3.38333E－0.03时间压力－0.091600温度²－3.70278E－003时间²－0.047000压力²。

由表4可知，该模型在α＝0.05的水平上高度显著，压力、温度的二次项、时间的二次项对脂肪去除率的影响显著，说明模型的拟合度好，脂肪去除率的实际值与预测值之间具有较好的拟合相关性。方差分析表明，参试因子对脂肪去除率的影响大小顺序为：压力＞温度＞时间。

表4中心组合实验回归模型方差分析

注：Prob<0.01，影响极显著，Prob<0.05，影响显著。

2.2.4响应面分析及最佳工艺参数的确定

对提取压力、温度、时间三个因素两两交互作用进行分析，做出相应的响应面曲面，如图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5、图4-6所示。响应面能够直观地反映各试验因子对响应值影响的大小，并通过等高线图得最优条件下各试验因子的取值。响应曲面坡度陡峭表明脂肪去除率对试验因子的改变敏感；反之，则表明脂肪去除率受试验因子的影响小。等高线越密集且越趋向椭圆形表示两因素交互作用显著，反之则表明交互作用不显著。

由图可见，压力与温度的响应曲面坡度陡峭并且等高线扁而密集，说明脂肪去除率受压力与温度两因素间的交互作用趋势比较明显；温度与时间及压力与时间交互作用的等高线则相对较圆，说明温度与时间及压力与时间之间的交互作用不显著，该结果与方差分析结果一致。

通过对回归模型进行数学分析，得出在温度为42.29℃，压力为44.94MPa，时间为117.14分钟的条件下对猪皮中的脂肪进行提取，所得脂肪去除率为87.07％。

2.3验证实验

为进一步验证该模型可靠性，在温度为40℃，压力为45MPa，时间为120min的条件下对猪皮中的脂肪进行提取，所得脂肪去除率为86.32％，与理论值相比相对误差为0.91％。因此，该模型设计合理且结果有效，得到的最佳提取工艺参数准确可靠，可以运用于实际生产。

3结论

通过响应面试验结果，各提取因素对脂肪去除率影响的大小顺序依次为压力＞温度＞时间。响应面分析法得到的最优工艺参数为：温度42.29℃，压力44.94MPa，时间117.14min，该条件下脂肪去除率为87.07％。在提取温度40℃，压力45MPa，时间120min，该条件下测得脂肪去除率为86.32％，与理论预测值接近，说明本发明建立的模型与实际情况吻合，可作为进一步探索超临界CO₂进行猪皮脱脂工艺研究的基础资料。

对比例1

现有报道中，用0.03％NaOH皂化，猪皮的脱脂率可达55.2％。

将碱性脂肪酶Greasex 50L加入小块盐湿猪皮的脱灰工序中处理1h，脱脂率可达60％。

对绞碎的猪皮采用有机溶剂进行脱脂处理时，在无水乙醇、异丙醇、乙二醇、乙醚和丙酮等有机溶剂中以异丙醇的脱脂率最高，达到64.50％。

非离子型脱脂剂(AXAUT-50)的脱脂率高达67％。

用乙醚：石油醚为脱脂剂时，脱脂效果达到84％。

如前所述，本发明采用超临界CO₂对猪皮的脂肪的提取率可高达86.32％，与传统的现有方法相比不仅提取率提高了2.32％，而且在萃取过程中没有有机溶剂的参与，所以萃取物绝无残留的有机溶剂，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染。

对比例2

在研究过程中发现，采用超声波乳化脱脂时，虽然脂肪去除率为68.67％，但是胶原蛋白也有损失，且损失率达到10.01％。

而采用本发明超临界CO₂萃取分离过程属于纯物理过程，是利用超临界CO₂对某些天然产物具有特殊的溶解作用，利用压力和温度对超临界CO₂溶解能力的影响，在超临界状态下，将超临界CO₂与待分离的物质接触，使其有选择性地吧极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。所以采用超临界CO₂大大提高了脂肪的去除率，除了不破坏被萃取物的分子结构，而且还能保持色、香、味不变质。由于超临界CO₂萃取过程是在CO₂气体笼罩的情况下进行提取，有效的防止了热敏性物质的氧化和逸散，因此，对萃取物中的对其他基本指标几乎没有影响。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。