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鱼鳞胶原蛋白提取工艺的优化


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2006, Vol. 27, No. 07

食品科学

※工艺技术

鱼鳞胶原蛋白提取工艺的优化
钟朝辉 1 ,李春美 1 , * ,梁晋鄂 2 ,顾海峰 1 ,窦宏亮 1 (1.华中农业大学食品科技学院, 湖北 武汉      430070 2.中国食品工业协会, ; 北京  

   100073)
摘  要:采用胃蛋白酶从鱼鳞中提取胶原蛋白,考察了提取介质、前处理、搅拌、提取次数及提取时间等对胶原 蛋白提取的影响。结果表明:鱼鳞胶原蛋白的最佳提取工艺为采用微波处理辅助去杂,以 1 0 % 柠檬酸脱钙后,再 以 1% 柠檬酸作为提取介质,同时加以搅拌,提取 3 次,每次 4 8 h 。纯化后的鱼鳞胶原蛋白通过 S D S - P A G E 凝胶电 泳和傅立叶红外光谱分析,并与标准Ⅰ型胶原蛋白比较,确定所提蛋白为典型的Ⅰ型胶原蛋白且达到了电泳纯。 关键词:鱼鳞;胶原蛋白;工艺;S D S - P A G E 电泳;傅立叶红外光谱

Optimization of  Extracting Technology of  Collagen from Fish Scale
ZHONG Zhao-hui1 ,LI Chun-mei1,*,LIANG Jin-e2,GU Hai-feng1 ,DOU Hong-liang1 (1.College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan      430070, China ; 2.Food Industry Association of China, Beijing       100073, China)
Abstract  Collagens were extracted from fish scale of grass carp with pepsin and the effects of extraction media, pretreating, : stirring, extract times and time on the yield of collagen were studied. The results indicated that the optimum extracted conditions are 1% citric acid as extraction solutions with a magnetic stirrer during the whole process, being extracted three times and 48 hours each time after removing impurity by microwave and decalcifing with 10% citric acid. Purified collagens were analyzed by SDS-PAGE and FT-IR, compared with calf tendon type  Ⅰ collagen. The results confirmed that the extracted collagens are typical typeⅠ collagen and of electrophoretic purity.

Key words :fish scale;collagen;technology;SDS-PAGE;FT-IR
收稿日期 2006-04-19                      *通讯作者 : 作者简介:钟朝辉( 1 9 7 8 - ) ,女,硕士研究生,研究方向为鱼鳞胶原蛋白的研究与开发。
表 5    不同提取方法的比较(x ± SD,n=3) Table 5 The comaprison of different extraction techniques(x ± SD, n=3)                     提取条件 提取剂为 3 0 % 乙醇,浸提时间 2 . 0 h , 温度 7 5 ℃,料液比 1 : 2 0 ,索氏提取。 提取剂为蒸馏水,纤维素酶用量 纤维素酶提取 0.015%,pH  值 4 . 5,温度 50℃, 时间 1.5h,料液比 1:15。 2.886±0.008 提取率(%) 3.502±0.014

参数为:pH 值为 4.5、纤维素酶添加量 0.015%、酶解 温度 50℃、酶解时间 1.5h,料液比 1:15。与常规醇提 法比较,提取率高,同时提取条件也温和,工业生产 易于实现,为元宝枫叶绿原酸提取提供了一种新方法。
参考文献:
[1] [2] 牛春山. 陕西树木志[M]. 北京: 中国林业出版社, 1990. 王兰珍, 马希汉, 王姝清, 等. 元宝枫叶营养成分分析①[J]. 西北林 学院学报, 1997, 12(4): 61-63. [3] [4] [5] [6] 高锦明, 张鞍宁, 张康健, 等. 绿原酸分布, 提取与生物活性研究综 述[J].  西北林学院学报, 1999, 14(2): 73-82. 刘祥义, 付惠. 元宝枫绿原酸的超声提取方法研究[J]. 云南化工, 2003, 30(2): 23-25. 王志华, 王东洁, 赵晋府. 葵花籽绿原酸酶法提取工艺研究[J]. 食品 科学, 2004, 25(1): 97-100. 罗季阳, 田呈瑞, 张晓娟. 酶法提取杜仲叶活性成分的研究[J]. 食品 科学, 2005, 26(1): 164-168.

提取方法 乙醇提取

3.1

由于组成植物细胞壁的架构物质主要为纤维素、

角质等,特别是纤维素对细胞外壁起到支撑和保护作 用,果胶酶不能破坏细胞壁,因此提取效果不明显, 而纤维素酶在提取介质中可使纤维素降解,从而破坏植物 细胞壁,有利于提取成分的溶出。因此纤维素酶可有 效地提高元宝枫绿原酸的提取率。 3.2 试验确定的纤维素酶提取元宝枫绿原酸的最佳工艺

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中图分类号 S912                                    文献标识码 A                             文章编号 1002-6630(2006)07-0162-05 : : :

胶原蛋白是结缔组织中极其重要的一种结构蛋白, 它广泛存在于动物的骨、腱、肌鞘、韧带、肌膜、 软骨和皮肤中。其提取制品已广泛应用于医药、保健、 食品加工、化妆品等众多领域。鱼鳞含有丰富的蛋白 质和钙、磷等矿物质,主要由蛋白质和羟基磷灰石组 成,其中蛋白质占鱼鳞总重的 5 0 % ~7 0 % ,主要为胶原 蛋白和角蛋白,可见鱼鳞是非常好的胶原蛋白生产原 料。目前国外对从海洋鱼类鱼鳞中提取胶原蛋白的工艺 已较成熟, 其胶原蛋白的提取率达到了 25%~55%,并已 运用于工业化生产。而国内有关鱼鳞中提取胶原蛋白的 研究还处于起始阶段,仅有刘庆慧等[ 1 ] 对鱼鳞中提取胶 原蛋白进行了初步的研究。而对淡水鱼鱼鳞胶原蛋白的 研究, 仅有Kimura, S.[2]对鲤鱼鱼鳞的提取及肽链组成进 行了研究报道,且仍为采用传统的乙酸作提取剂,提 取率不高。我国淡水鱼产量丰富,2 0 0 2 年淡水养殖鱼 的产量已达 1 6 9 4 万吨,其中鱼鳞废弃物约占 1 % ~5 % 。 为了更有效的促进淡水鱼加工废弃物的综合利用、降低 淡水鱼加工的成本,开发新型胶原蛋白资源。本文考 察了提取介质、前处理、搅拌、提取次数及提取时间 等因素对草鱼鱼鳞胶原蛋白提取的影响,优化了淡水鱼 鱼鳞胶原蛋白的提取工艺,并在此基础上确定了草鱼鱼 鳞胶原蛋白类型进行。 1 1.1 材料与方法 材料与试剂 1.2.2 前处理对胶原蛋白提取的影响 杂蛋白的去除和钙质的脱除直接影响着胶原蛋白的 提取效果。准确称取 6 份 1 0 . 0 0 g 的鱼鳞,分别采用如 下六种不同的前处理后,在 1% 柠檬酸溶液  (含 1% 胃蛋 白酶(W/V)) 中提取 (所有提取过程均为提取 2 次,每次 48h)。 工艺一:鱼鳞→ 10% NaCl 浸泡 48h →蒸馏水洗至 中性→ 0.6mol/L HCl 浸泡 24h → 蒸馏水洗至中性; 工艺二:鱼鳞→微波中火处理 2 m i n →磁力搅拌 30min →蒸馏水洗至无悬浮杂质→ 10% 柠檬酸浸泡 24h → 蒸馏水洗至中性; 工艺三:鱼鳞→微波中火处理 2 m i n →磁力搅拌 30min →蒸馏水洗至无悬浮杂质; 工艺四:鱼鳞→ 0.1mol/L NaOH 浸泡 48h →蒸馏水 洗至中性→ 1 0 % 柠檬酸浸泡 2 4 h →蒸馏水洗至中性; 工艺五:鱼鳞→ 0.1mol/L NaOH 浸泡 48h →蒸馏水 洗至中性; 工艺六:鱼鳞→ 0.1mol/L NaOH 浸泡 24h →蒸馏水 洗至中性→ 0.6mol/L HCl 浸泡 24h →蒸馏水洗至中性。 1.2.3 搅拌对胶原蛋白提取的影响 称取 10.00g 干鱼鳞 3 份,在以上确定的最佳工艺条 件下对提取过程分别采用不搅拌、间断搅拌、连续搅 拌,以此确定搅拌对提取效果的影响( 所有提取过程仍 为提取 2 次,每次 4 8 h ) 。 1.2.4 提取次数和提取时间的选择 准确称取 10.00g 鱼鳞,共 3 份,根据以上确定的 最佳提取液、前处理和搅拌条件,实验选定了一次提

鱼鳞    草鱼鱼鳞,清水洗净,40℃烘干备用;胃 蛋白酶(比活为1:3000)    中国医药集团上海化学试剂公 司 甲叉双丙烯酰胺    Fluka分装 Ⅰ型胶原蛋白    Sigma ; ; 分装;考马斯亮兰 R-250    Sigma 分装; 次高分子量蛋 白质标准品    上海伯奥生物科技有限公司 其他试剂均 ; 为国药集团分析纯。 1.2 方法 实验所有提取条件的选择都以等量鱼鳞提取得到胶 原蛋白的质量作为指标。所有提取过程中所用酶量均为 1%(W/V)胃蛋白酶。由于胶原蛋白容易变性,实验操作 都在 1 0 ℃左右进行。 1.2.1 提取介质的选择 实验所选酶为胃蛋白酶,它的最适 pH 为 2~3,所 以需要酸性环境下进行提取。依照这一特点,实验分 别采用 0.01mol/L 盐酸,0.5mol/L 乙酸和 1% 柠檬酸作提 取介质,比较提取效果。准确称取干燥鱼鳞 10.00g,共 4 份,分别采用如下处理( 所有提取过程均为提取 2 次, 每次 48h) 。

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表 2    前处理对胶原蛋白提取的影响

取 2 4 h,共提取 3 次;一次提取 4 8 h,共提取 2 次;一 次提取 4 8 h,共提取 3 次等三种提取方式,来确定较佳 的提取次数和提取时间。 1.3 胶原蛋白的纯化 溶出物经纱布过滤后以 4500r/min 离心 20min,倾
Table 2

Effect of pretreating on the yield of collagen 工艺一 工艺二 0.444 工艺三 工艺四 无 0.407 工艺五 无 工艺六 0.405

胶原蛋白量(g)

0.370

出上清液,3 次上清液合并,加氯化钠至其最终浓度为 0.9mol/L,盐析过夜,4500r/min 离心 20min,沉淀用 0.5mol/L 乙酸溶解,重复盐析和溶解操作 1 次[3][6],得到 蛋白液移入透析袋,用蒸馏水透析 3 d ,每天更换透析 水 2 ~3 次。冷冻干燥后备用。 1.4 1.4.1 胶原蛋白类型鉴定 SDS-PAGE 凝胶电泳 采用 SDS-PAGE 垂直电泳。7.5% 的分离胶;5% 的

由表 2 可知,采用工艺二所提胶原蛋白量,高于其 他几种前处理方式,从而可以确定微波处理后用 10% 柠 檬酸脱钙的前处理对胶原蛋白的提取效果最佳。工艺 三、五没有经过 1 0 % 柠檬酸脱钙,其提取后的上清液 用 0.9mol/L 氯化钠盐析,无任何白色沉淀产生,而经过 脱钙后提取的上清液加入0.9mol/L氯化钠时有大量白色沉 淀析出,由此表明脱钙对胶原蛋白的提取至关重要。 2.3 搅拌对胶原蛋白提取的影响

浓缩胶;电泳缓冲液为 Tris- 甘氨酸缓冲液(pH8.3,含 0.1% SDS); 样品缓冲液为0.05mol/L pH8.0 Tris-HCl缓冲 液(含 2% SDS、5% β-ME、10% 甘油和 0.02% 溴酚兰); 0.25% 考马斯亮兰 R-250 甲醇水染色液;酸甲醇水脱色液 (7.5% 的甲醇、5% 的冰醋酸) [ 7 ~9 ] 。 取冷冻干燥后样品 0.5mg 溶于 1ml 样品缓冲液,于 100℃中加热 5min,10000r/min 离心 20min 后上样。采 用直流恒压电源:浓缩胶电压为 1 0 0 V ,分离胶电压加 大到 1 6 0 V ,电泳时间 3 ~4 h 。 1.4.2 傅立叶红外分析 将一定量干燥后的 KBr 和冷冻干燥后的胶原蛋白样 品置于玛瑙研钵中,研磨均匀,尽量成粉末状,装样, 手动压片,取出样品小心轻放入样品室。采用 Nicolet- SX-170 傅立叶变换红外光谱仪对样品在 400~4000cm-1 扫 描,扫描信号累加 3 2 次,分辨率为 8 c m - 1 。 2 2.1 结果与分析 提取介质的选择 由图 1 可知,在提取过程连续搅拌效果最佳,间 断磁力搅拌次之,不搅拌效果最差,可见搅拌有利于 促进胶原蛋白的溶出。 2.4 提取次数及时间对胶原蛋白提取的影响

传统的胶原蛋白提取介质为0.01mol/L盐酸或0.5mol/L 乙酸,实验选用了柠檬酸与之进行比较,由表 1 可见, 1%柠檬酸的提取效果要优于0.01mol/L盐酸或0.5mol/L乙 酸,从而确定 1 % 柠檬酸为提取介质。
表 1    提取介质的选择 Table 1 The choice of extraction medium 1 % 柠檬酸 0.5mol/L乙酸  0.370 0.031 1 % 柠檬酸 0.444                            处理方式一                          处理方式二 0.01mol/L盐酸 胶原蛋白量(g) 0.310

图 2 表明,采用一次提取 48h ,共提取 3 次的提取 效果较佳,其提取量较前两种分别提高了 138% 和 35%, 由此可见提取时间的长短对胶原蛋白的溶出影响很大。 2.5 2.5.1 胶原蛋白类型鉴定 鱼鳞胶原蛋白的电泳分析 胶原蛋白至少存在两条α链(α1 和α2),一般为两 条α1 链和一条α2 链,有关鱼鳞胶原蛋白中α3 链的存在

2.2

前处理对胶原蛋白提取的影响 鱼鳞中含有丰富的蛋白质和各种矿物质,其中有机 物占 4 1 % ~5 5 % ,钙盐为 3 8 % ~4 6 % 。蛋白质主要为胶 原蛋白和角蛋白。这样的组成使得提取胶原蛋白前需要 进行去除部分杂蛋白和钙质。

只在少数文献中有报道[2][10,11]。鱼鳞胶原的 SDS-PAGE 凝 胶电泳图谱(图 3)可以清晰地看到 3 条电泳带,从上到下

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以次为β链( 分子量为 211.1kD)、α1(α3)(分子量为 117.9kD)、α2 (分子量为 107.2kD),其中α3 链在本实 验电泳条件下没有能很好的与α1 链分开。并且由图 3 可 见,鱼鳞胶原蛋白样品与小牛腱Ⅰ型胶原蛋白的电泳谱 带基本一致,可以确定所提蛋白为 I 型胶原蛋白。由于 胶原蛋白标准品和样品的原料来源的差异,其分子量大 小存在一定的差异。图谱上无其他杂带,可见所提胶 原蛋白纯度较高。

在 1203cm -1 和 874cm -1 被表征出来。由图 4 可见,鱼鳞 胶原蛋白和小牛腱Ⅰ型胶原蛋白的红外图谱基本一致, 由此可以进一步确定所提胶鱼鳞胶原蛋白为Ⅰ型胶原蛋 白 。 3 讨  论

传统鱼鳞胶原蛋白的提取采用氢氧化钠和盐酸或氯 化钠和盐酸前处理方式去杂去钙,盐酸或乙酸提取,其 前处理周期长且大量的腐蚀性物质被介入,丰富的钙质 没有得到有效的利用。本实验在传统的提取工艺上加以 改进,运用微波辅助去杂,其处理时间短,且对胶原 2.5.2 鱼鳞胶原蛋白的傅立叶红外分析 蛋白的破坏作用小,这一点胶原蛋白的红外光谱分析比 较得到了验证。采用柠檬酸脱钙,脱钙效果好,且其 脱钙液还可以作为钙补充液加以回收利用,提高了资源 的利用率;柠檬酸提取、氯化钠盐析和乙酸溶解、蒸 馏水透析至冷冻干燥,整个提取过程都没有毒害或腐蚀 性物质的涉入,这使得所提胶原蛋白具有更高的安全 性。微波处理后柠檬酸去杂的前处理过程基本可在 1d 内 完成,较传统 3 d 以上的处理时间大大减少,提高了提 取效率。 4 4.1 结  论 采用胃蛋白酶从鱼鳞中提取胶原蛋白,前处理

小牛腱Ⅰ型胶原蛋白和实验自提鱼鳞胶原蛋白的 FT-IR 谱图见图 4。根据 Doyle [12] 的描述:N-H 伸缩振动 的吸收峰出现在 3400~3440cm -1 ,但它以氢键形成缔合 体后,其峰将向低波数发生位移。由图 4 可见,草鱼 鱼鳞胶原蛋白的酰胺 A 出现在 3323cm -1 ,表明其 N-H 伸 缩与氢键形成了缔合体。3084cm - 1 的弱吸收为酰胺 B 的 C -N 伸缩引起的特征吸收峰。酰胺Ⅰ带的特征吸收频率 为 1 6 0 0~1 7 0 0 c m - 1 ,是由蛋白多肽骨架的 C = O 伸缩引 起,其吸收最强,常被用于蛋白质的二级结构分析。 鱼鳞胶原蛋白的酰胺Ⅰ带出现在 1658cm -1 ,较其他来源 的胶原蛋白 1650~1655cm -1 高,这可能与胶原蛋白分子 的有序程度有关 。1480~1600cm 为酰胺Ⅱ带的特征 吸收频率,主要为胶原蛋白的 C-N 伸缩与 N-H 弯曲的反 映,鱼鳞胶原蛋白酰胺Ⅱ带的特征吸收为 1552cm -1 处的
[13] -1

采用微波辅助去杂后,以 1 0 % 柠檬酸脱钙效果最佳, 以 1% 柠檬酸作为提取介质效果优于 0.01mol/L 盐酸和 0.5mol/L 乙酸,提取次数为 3 次,每次 48h,提取过程 中进行连续搅拌有利于胶原蛋白的溶出。 4.2 通过 SDS-PAGE 凝胶电泳和 FT-IR 分析,与牛腱Ⅰ 型胶原蛋白标准对照,确定所提鱼鳞胶原蛋白为典型的 Ⅰ型胶原蛋白且达到了电泳纯。
参考文献:
[1] 刘庆慧,  王彩理,  刘丛力.  鱼鳞胶原蛋白研究[J].  海洋水产研究, 2000, 21(3): 57-61.

强吸收。由于胶原蛋白的甘氨酸和特征氨基酸羟脯氨酸 和脯氨酸含量高,且形成独特的(Gly-Pro-Hyp)n 序列, 这使得胶原蛋白在1200~1400cm-1光谱范围内具有其他蛋 白质所没有的红外光谱特征。1200~1360cm -1 谱带归属 于酰胺Ⅲ,是由 C - N 伸缩和 N - H 弯曲引起的,归属于 Gly 骨架和 Pro 侧链的 CH2 摇摆振动峰也在此区域得到体 现[14] 。1238cm -1 为鱼鳞胶原蛋白 N-H 弯曲引起的酰胺Ⅲ 带的特征频率。胶原蛋白的特征氨基酸 Hyp 的特征吸收

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辐射加工技术在食品生产中的应用研究
朱  军,杨宗渠,宋卫东,赵惠东,周  杰,王  允,赵梅红,全彦君 (河南省科学院同位素研究所, 河南 郑州      450052)
摘   要:本文以大豆蛋白系列产品为例,研究了辐射加工技术在食品生产中的具体应用。研究结果表明,大豆 蛋白系列产品经辐射加工技术处理后,产品不仅保持了原有的各项理化指标、良好的功能性,而且产品卫生学质 量得到大幅度提高,各项指标均符合企业产品质量标准。该项技术的开发应用,解决了长期困扰我国大豆蛋白企 业产品微生物超标的问题,实现了大豆蛋白工业化生产。 关 键 词:辐射加工技术;大豆蛋白;理化指标;功能性

Study on Application of  Radiation Processing Technology on Food Production
ZHU Jun,YANG Zong-qu,SONG Wei-dong,ZHAO Hui-dong,ZHOU Jie,WANG Yun, ZHAO Mei-hong,QUAN Yan-jun (Isotope Institute, Henan Academy of Sciences, Zhengzhou          450052, China)
Abstract  Application of radiation processing technology on food production was studied with a series of soybean protein : products. It showed that physical and chemical indices and functional indices of soybean protein products are all improved after treatment of radiation processing technology. Furthermore, radiation processing technology raises hygienic quality of products significantly. The quality indices of irradiated products conform to the Enterprise Standards of Product Quality. The develop- ment and application of radiation processing technology have solved a problem of microbe contamination that has perplexed soybean protein production over a long period of time, so radiation processing ensures safety for industrialization of soybean protein production. Key words: radiation processing technology soybean protein physical and chemical indices functional indices ; ; ; 中图分类号 TS205.9                                  文献标识码 A                             文章编号 1002-6630(2006)07-0166-04 : : : 收稿日期:2005-08-16 作者简介:朱军( 1 9 7 1 - ) ,男,副研究员,研究方向为同位素应用。
[2] [3] Kimura S, Zhu X, Matsui R, et al. Characterisation of fish muscle type I collagen[J]. Journal of Food Science, 1988, 23: 1315-1316. Ogawa M, Portier R J, Moody M W, et al. Biochemical properties of bone and scale collagens isolated from the subtropical fish black drum (Pogonia cromis) and sheepshead seabream (Archosargus probatocephalus) [J]. Food Chemistry, 2004, 88: 495-501. Nagai T, Suzuki N. Preparation and characterization of several fish bone collagen[J]. Journal of Food Biochemistry, 2000a, 24: 427-436. Nagai T, Suzuki N. Isolation of collagen from fish waste material-skin, bone and fins[J]. Food Chemistry, 2000b, 68, 277-281. Nomura Y, Sakai H, Ishii Y, et al. Preparation and some properties of type I collagen from fish scales[J]. Bioscience Biotechnology and Biochemistry, 1996, 60: 2092-2094. 郭尧君. 蛋白质电泳实验技术[M]. 北京: 科学出版社, 1999. 汪家政, 范明. 蛋白质技术手册[M]. 北京: 科学出版社, 2000. [9] [10] 何忠效, 张树政. 电泳[M]. 北京: 科学出版社, 1990. Saito M, Takenouchi Y, Kunisaki Y, et al. Complete primary structure of rainbow trout type I collagen consisting of alpha1 (I)alpha2(I) alpha3(I) heterotrimers[J]. European Journal of Biochemistry, 2001, 268: 2817-2827. Yoshida C, Fujisawa S, Mizuta S, et al. Identification and characterisation of molecular species of collagen in fish[J]. Journal of Food Science, 2001, 66: 247-251. Doyle B B. Infrared spectroscopy of collagen and collagne-like polypeptides [J]. Biopolymers, 1975, 245: 11741-11745. Myung Chul Chang, Junzo Tanaka. FT-IR study for hydroxyapatite/ collagen nanocomposite cross-linked by glutaraldehyde[J]. Biomaterials, 2002, 23: 4811-4818. He Li, Hua Lin Chen, Rong Luo, et al. The interaction between collagen and an aluminum  tanning agent[J]. Macromol Bioscience, 2003, (3): 344-346.

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