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入选中国科技期刊卓越行动计划
摘要
为了揭示不同热压条件对鲟鱼软骨明胶（Gelatin extracted from sturgeon cartilage，SCG）理化性质的影响和风味品质的提升效果，从而延伸其开发应用范围，本文以鲟鱼软骨为原料，分别于115 ℃（0.07 Mpa）和121 ℃（0.12 Mpa）下热压提取20、30、40和50 min制备了SCG。采用色差、傅立叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、紫外可见光吸收光谱（Ultraviolet-visible spectrophotometer，UV-vis）、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）和扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM）对SCG的理化性质进行了表征，并通过感官评价、气相色谱-离子迁移谱联用（Gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）和气相色谱-质谱联用（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析了SCG的风味差异。结果显示：在理化性质方面，随着热压温度的提升和时间的延长，SCG的色泽加深，降解效应增强，具体表现在SCG的L*值从63.15±1.49显著降低至55.91±0.35（P<0.05），a*和b*值显著增高（P<0.05）；SDS-PAGE条带明显变淡，且分子量向<25 kDa的肽段集中；酰胺I带吸收峰位置向短波数方向移动，α-螺旋结构占比由20.22%～23.28%完全转变为无规则卷曲、β-折叠和β-转角；微观形态呈现出更细小且分散的碎片状。这些变化揭示了热压处理在促进SCG结构降解中的关键作用。在风味分析方面，伴随热压条件的加剧，SCG的游离氨基酸总量从0.35±0.04 mg/g上升至0.85±0.06 mg/g，并且鲜味氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）占比从22.02%增加至39.43%，苦味氨基酸（亮氨酸）占比从74.60%下降至57.79%；一些特定的风味物质，如具有水果特征、烘烤和脂肪香气的丙酸甲酯、2-丁酮和香茅醛等的含量增加，且不良风味成分减少。这些变化共同促使SCG的风味品质得到显著提升。此外，采用121 ℃、50 min热压的SCG具有最佳的风味品质，其焦香、脂香和鲜味的感官评分均最高，分别为8.21±0.87、7.87±0.76和4.34±0.36分。综上，适度提高热压温度及延长时间都可以赋予SCG更显著的降解效应，同时在改善其风味品质方面具有积极作用。
随着愈加成熟的养殖技术和不断增长的鱼子酱市场需求，鲟鱼产业广泛分布于全球数十个国家和地区，养殖量呈现稳步增长趋势。中国的鲟鱼产量位列世界第一，2023年养殖量高达149376吨。鲟鱼软骨是在鱼子酱深加工过程中的重要副产物，约占鱼体总量的15%，经分割后往往在仓库中长期储存，直到有合适的订单后再批发销售，绝大多数会用于饲料加工和餐饮烹饪。研究表明，鲟鱼软骨富含II型胶原蛋白、硫酸软骨素和氨基葡萄糖等，是一种作为珍稀鲨鱼软骨和存在人畜共患疾病风险的陆地动物软骨的极佳替代品。其胶原蛋白具有良好的生物相容性，在维护关节健康、促进伤口愈合、调节免疫功能和治疗癌症中发挥着至关重要的作用。然而，缺乏有效的高值化利用严重阻碍了鲟鱼软骨在功能性食品、药品和化妆品中的应用。
当下更多的鲟鱼软骨将被用于制备胶原蛋白、明胶和肽等物质以顺应国内外供不应求的市场态势。通过热水、碱、酸和盐溶液等从鲟鱼软骨中提取明胶的方式耗时长且容易造成环境污染，而采用微生物发酵或酶促反应等精细加工方法往往伴随着较高的成本和复杂度。由于高温高压可以快速解离胶原蛋白分子间和分子内的氢键和共价交联，并水解部分酰胺键及破坏三股螺旋结构。采用热压处理鲟鱼软骨能够有效促使明胶的迁移和溶出，从而克服传统方法的不足。但不同的热压温度和时间造成鲟鱼软骨明胶（gelatin extracted from sturgeon cartilage，SCG）在品质上的差异关乎其市场表现力，且此方面的研究相对欠缺。深入研究不同热压条件下制备的SCG的理化性质，能够为后续研究的顺利进行及产品产业化奠定坚实基础。同时，通过控制适度的美拉德反应，可以赋予SCG独特的色泽与风味，从而显著提升产品的市场接受度。此外，鉴于前期试验已证实，115 ℃（0.07 MPa）和121 ℃（0.12 MPa）作为食品工业中常用的热处理条件，能够高效制备出具有良好品质的SCG。因此，本文在充分考虑企业实际生产能力和效率的前提下，分别选取115 ℃（0.07 MPa）和121 ℃（0.12 MPa），并结合不同的热压时间（20、30、40和50 min）进行SCG的制备。通过对比分析不同热压条件下SCG在结构特征、理化特性和风味等方面的差异，旨在延伸鲟鱼软骨开发应用范围，提高产业附加值。
结果与分析
2.1 热压对SCG理化性质的影响
2.2.1 色差分析
如图1（a）所示，在不同热压条件下制备的SCG溶液呈现出了鲜明的颜色差异。具体而言，在保持热压时间恒定的条件下，121 ℃下制备的SCG溶液具有更鲜明且深邃的黄色调；当固定热压温度时，随着处理时间延长，溶液颜色经历了从浅黄到深黄的渐变过程。从图1（b）中可以看出，不同热压条件对SCG色差的变化趋势与SCG溶液的呈色相对应。在相同温度下热压时间更长和相同时间下热压温度更高都会使SCG冻干样品的L*值显著降低（P<0.05），在121 ℃、50 min时降至最低（55.91±0.35）。a*和b*值显著增高（P<0.05）并在121 ℃下热压40 min和50 min时最高，说明SCG冻干样品中的红色和黄色成分增加。热压条件的加剧提高了SCG的糖基化程度，使积累的美拉德反应终末产物增多。呈色适当偏深的SCG或有助于提升产品的整体档次和品质感，因为这种自然的色泽可以与其他食材或添加剂更好的融合，使最终产品看起来更加自然、诱人，并增强消费者对产品的信任感和购买意愿。
图 1 不同热压条件制备的SCG及对色差的影响
Figure 1. SCG prepared under different hot-pressing conditions and its influence on chromatic aberration
注：不同字母表示显著性差异（P<0.05）。
2.1.2 FTIR分析
采用FTIR分析经过不同热压条件下处理的SCG的蛋白质二级结构差异结果如图2（a）所示。酰胺A带主要由N-H或O-H的伸缩振动引起的；酰胺I带主要与多肽主链的C=O伸缩振动有关；酰胺II带主要由C-H或N-H振动引起；酰胺III则与胶原蛋白三螺旋结构的完整性相关。八组热压提取的SCG的FTIR谱图较相似。在相同处理时间下，121 ℃相比115 ℃及在相同的温度下增加处理时间，酰胺I带吸收峰位置趋向短波长移动，同时酰胺B带信号强度减弱，反应胶原结构破坏程度加剧，形成了多肽和氨基酸。但八组样品在酰胺I带的吸收峰面积并没有显著差异（P>0.05），这可能是部分亚基仍无法充分释放所致。
图 2 SCG的红外光谱和蛋白质二级结构差异
Figure 2. FTIR spectra and protein secondary structure differences of SCG
通过PeakFit v4.12软件进行处理和分析的结果如图2（b）所示，同样揭示了SCG在更剧烈的热压条件下二级结构向无规则卷曲态变化的总体趋势。其中，α-螺旋是蛋白质二级结构的一种重要形式，其稳定性高度依赖于分子内的氢键网络。由于热能会增加蛋白质分子内原子和基团的振动幅度，更剧烈的热压条件会致使氢键断裂，导致α-螺旋的含量下降。在本研究中，仅115 ℃ 20、30和40 min的SCG具有α-螺旋结构，占比为20.22%～23.28%，而其他条件下的均已解螺旋并转变为无规则卷曲、β-折叠和β-转角。同时，经115 ℃ 50 min及121 ℃各时段热压后，SCG中的各二级结构含量不具有显著性差异（P>0.05），这既可能是热压条件未达到足以引起显著结构变化的阈值，也可能是由于SCG本身具有的热稳定性和结构恢复能力所致。
2.1.3 UV-vis分析
从图3中SCG的紫外光谱扫描结果可以看出，经过不同热压条件处理的SCG差异不显著。样品在250~290 nm范围内无明显吸收峰，是其含有的芳香族氨基酸较少所致。一般而言，明胶在190~230 nm具有明显的吸收峰，这是肽键中酰胺键的特征吸收峰，同时也是明胶中存在的C=O、CONH2、-COOH等发色基团所致。热压提取的SCG在190~230 nm波长范围内没有吸收峰，表现出了类似多肽的紫外吸收光谱结果，进一步说明了高温高压严重破坏了鲟鱼软骨中胶原蛋白的结构。
图 3 SCG的紫外光谱
Figure 3. UV-vis spectra of SCG
2.1.4 SDS-PAGE分析
从图4中SDS-PAGE的结果可以看出SCG已不具有完整的大分子亚基结构，而以多组分的混合物形式呈现，热压破坏了稳定胶原结构的氢键和其他次级键，使三股螺旋结构趋于松散并向无规则线团转变。相较115 ℃，121 ℃条件下多肽链肽键更容易发生断裂，使分子量进一步降低，且在40 min的结果中尤为明显。此外，随着处理时间的延长，SCG的降解程度加剧，形成了更多的小分子片段。这一变化在电泳图谱上直观地表现为SCG条带的显著淡化，原因在于更为剧烈的热压条件促使SCG降解为更多分子量低于检测下限（约为11 kDa）的肽段和氨基酸，因此无法在凝胶上得到有效显现。
图 4 SCG的SDS-PAGE电泳图谱
Figure 4. SDS-PAGE electrophoresis pattern of SCG
2.1.5 SEM分析
从图5可以看出，经过不同热压条件制备的SCG在微观形态均呈现出不规则的片状，在相同的处理时间下，相比115 ℃，采用121 ℃呈现出的碎片状结构更细小且分散。在相同的温度下，随着处理时间的增加，样品的微观形态和结构也呈现类似变化。已有较多的研究表明，动物骨骼等可以在热压条件下实现部分液化，从而提高活性物质的提取效率。但温度和压力过高、时间过长都会影响明胶中α和β链的含量及分布，并破坏明胶排列有序且孔洞较小的结构，从而影响其凝胶强度及品质。因而在后续应用中，特别是对于121 ℃、50 min热压下的具有极碎片化微观形貌的SCG，需要特别注意其对产品性能的影响，并根据具体应用场景进行定制化调整和优化处理。
图 5 不同热压条件对SCG微观结构的影响
Figure 5. Effect of different hot-pressing conditions on microstructure of SCG
注：a：115 ℃ 20 min；b：115 ℃ 30 min；c：115 ℃ 40 min；d：115 ℃ 50 min；e：121 ℃ 20 min；f：121 ℃ 30 min；g：121 ℃ 40 min；h：121 ℃ 50 min。
2.2 热压对SCG风味的影响
2.2.1 感官评价分析
不同SCG的感官属性如图6所示。感官评定结果表明，热压提取的SCG不具有明显的腥味和苦味，并且不同制备条件的在甜味上相对接近。SCG在更剧烈的制备条件下具有更高强度的焦香、脂香和鲜味，并在121 ℃、50 min时强度评分均最高，分别为8.21±0.87、7.87±0.76和4.34±0.36分。
图 6 不同SCG感官属性的平均结果
Figure 6. Average results of different SCG sensory attributes
2.2.2 游离氨基酸分析
游离氨基酸按照呈味特性主要分为鲜味、甜味和苦味氨基酸。如图7（a）所示，热压条件的加剧使SCG游离氨基酸总量从0.35±0.04 mg/g上升至0.85±0.06 mg/g。结合图7（b）可以进一步得出，不同的热压条件对于游离氨基酸的释放起到了不同作用，总体表现为热压温度越高或时间越长，鲜味氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）占比从22.02%增加至39.43%，苦味氨基酸（亮氨酸）占比从74.60%下降至57.79%，甜味氨基酸（赖氨酸和精氨酸）占比则不具有明显变化（2.84%～3.20%）。此外，鲜味氨基酸占比升高主要与天冬氨酸含量变化有关，天冬氨酸的含量随着热压时间增加或温度升高而显著增加（P<0.05），在121 ℃、50 min时最高（0.89±0.09 mg/g）。这是因为天冬氨酸侧链含有羧基，在热压下可能更容易作为断裂点被释放并检测到含量上升。鲜味氨基酸占比升高或能掩盖SCG的整体苦味，使其更易被消费者接受。
图 7 不同热压条件对SCG游离氨基酸的影响
Figure 7. Effect of different hot-pressing conditions on free amino acid of SCG
2.2.3 GC-IMS分析
以N-酮C4~C9作为外标物对挥发性物质进行定性，结果如表1所示，共鉴定出47种化合物，包括醛类14种，醇类11种，酮类5种，酯类5种，烯烃类3种，吡嗪类3种，芳香烃类2种，醚类1种，烷烃类1种，呋喃类1种以及吡啶类1种。并绘制了风味指纹图谱如图8所示，信号颜色越红所代表的物质含量越高。
表 1 GC-IMS检测不同热压条件SCG挥发性化合物
Table 1. Determination of volatile compounds in SCG of different hot-pressing conditions by GC-IMS
图 8 不同热压条件SCG风味指纹图谱
Figure 8. Flavor fingerprints of SCG prepared under different hot-pressing conditions
随着热压温度升高及时间延长，SCG呈现出水果味和甜香味的挥发性风味物质含量和种类均有增长，主要包括醇类、酯类及酮类等，这些化合物常与花香、果香及甜香等宜人风味相关。特别地，2-丁酮展现的水果香气、异丙醇的花香特性，以及3-甲硫基丙醛所代表的熟土豆风味变化最为突出。此外，一些带有不良风味如蘑菇味、青草味、泥土味及腥味的醛类化合物显著减少乃至消除，并且热压对于削减鱼腥味关键成分丁醛、辛醛及壬醛等的效率尤为显著。上述挥发性物质呈现出的变化趋势与SCG的感官评价结果相对应，更剧烈的制备条件或能促进水蒸气逸出并高效移除不良风味物质，故而使SCG表现出更加浓厚、馥郁且愉悦的香气轮廓，实现风味品质的显著提升。
2.2.4 GC-MS分析
为了更加准确地阐述SCG的风味组成，在GC-IMS分析的基础上进一步通过GC-MS补充。表2是采用GC-MS对不同热压条件制备的SCG分析并经过筛选，去除风味阈值较高的烷烃、烯烃等物质，共测得62种挥发性风味化合物，包括了酯类17种，酮类16种，醇类8种，酸类5种，醛类5种，醚类1种和其他类10种。其中含量较高的为酯类和酮类，分别占挥发性风味物质种类数量的27.42%和25.81%。通过与GC-IMS的检测结果对比发现两种方法对风味化合物检测结果存在明显差异，这与二者在检测物质时的灵敏度不同有关。
表 2 GC-MS检测不同热压条件SCG挥发性化合物
Table 2. Determination of volatile compounds in SCG of different hot-pressing conditions by GC-MS
其中，酯类化合物作为水果风味的主要贡献者，在121 ℃、50 min时表现尤为突出，其总量达到峰值（相对含量为1.22%），还产生了若干新的风味化合物，如甲酸异丁酯与丁酸丁酯，这些特定酯类仅在此条件下检测出或或含量远超其他处理组（P<0.05）。这也说明121 ℃、50 min在促进有益风味酯形成方面展现出优越性。此外，随着热压温度的提高及时间的延长，与不良风味（如霉味、胺臭及腐败气息）相关的挥发性物质，如甲基吡咯烷酮和正戊酸等的含量下降。美拉德反应或是促使具有果香等积极正向气味形成的重要原因，并对异味起到了较好的感官掩蔽作用。绝大多数风味物质的变化趋势与感官评价和GC-IMS的结果相契合，提高热压温度和延长热压时间对于SCG的风味改善具有重要作用。
图9是采用ward.D2聚类方法将不同热压条件制备的SCG的挥发性成分含量按行标准化后绘制得到的聚类热图。所有样品被分为两组，一组由115 ℃ 20 min和121 ℃ 20 min组成，另一组为其他热压条件，进一步细分又可以分为115 ℃ 50 min和121 ℃ 50 min一组，115 ℃ 40 min和121 ℃ 40 min一组以及115 ℃ 30 min和121 ℃ 30 min一组。在各组中的两种热压条件下制备的SCG发性成分种类和含量较相似，各组之间则存在明显差异。此结果能够说明热压时间对SCG挥发性成分含量变化的影响更大。
图 9 不同热压条件SCG挥发性化合物的聚类热图
Figure 9. Cluster heat map of volatile compounds in SCG prepared under different hot-pressing conditions
本研究结果表明，在115 ℃（0.07 MPa）和121 ℃（0.12 MPa）下热压20、30、40和50 min都可以有效破坏鲟鱼软骨的胶原结构以制备SCG，且通过改变热压温度和时间能够调控SCG的风味品质，其中121 ℃、50 min风味改善最佳。这一发现不仅丰富了鲟鱼软骨资源高值化利用的理论体系，也为SCG在食品添加剂、营养补充剂及功能食品等领域的广泛应用开辟了新途径。未来，基于本研究的成果，可进一步探索SCG在健康食品开发、风味增强剂及生物材料制备等方面的应用潜力，推动其科学意义与学术价值的深化，以及商业应用前景的拓展。本研究不仅为热压制备SCG提供了详尽的工艺参数与理论依据，还揭示了热压在优化SCG风味品质中的关键作用。
Citation: CHEN Zefan, LU Xiangzhi, WANG Jinlin, et al. Effect of Hot-pressing Conditions on the Physicochemical Properties and Flavor of Gelatin Extracted from Sturgeon Cartilage (SCG)[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(14): 115−126. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024050438.
基金项目：海南省重点研发计划（ZDYF2022XDNY191）；山东省重点研发计划（2021SFGC0701）；海南省科技计划（2021CXLH0006）；中央高校基本科研业务费专项（202461053）。
通信作者简介
赵元晖，男，博士，教授，副院长，研究生导师。美国康奈尔大学访问学者，山东省食品科学技术学会常务理事，山东省生物发酵产业协会和山东省特殊医学用途配方食品产业技术创新战略联盟理事，山东省学校食品安全工作专家委员会专家。主要研究方向为水产资源的精深加工与综合应用开发。近五年作为主要完成人先后承担30余项国家、省市级科研项目和横向课题。以通讯作者发表SCI论文50余篇，以主要发明人授权发明专利20余项。主编《走进鲟鱼》、《神奇的牡蛎》，参编《Marine Proteins and Peptides》等专著，参与制定团体标准2项。入选2021年连云港市“花果山英才计划”、2023年“江苏省双创人才”、2023年“杭州市钱江特聘专家”，获2021年中国商业联合会全国科学技术奖特等奖（第一完成人）等省部级奖项7项。
（以上信息来自中国海洋大学食品科学与工程学院官网）
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