明胶应用领域广泛,需求量逐年递增,传统哺乳动物明胶生产途径已难以满足日益增长的需求量,且为解决哺乳动物明胶的使用受传染病安全风险和宗教禁忌限制并可能有感染传染病的安全风险,缓解需求增长压力,开发更加安全、受宗教饮食禁忌限制小的鱼明胶,并拓宽明胶来源,增加明胶产量,是当前国内外开发明胶制备工业的发展趋势。自本世纪以来,国内外研究员在从鱼类加工的废弃物(鱼骨、鱼鳞、鱼皮等)中制备鱼胶以及鱼胶理化性质和开发应用各方面,开展了广泛的研究。但是因鱼的品种繁多,而从不同鱼种以及不同部位里提取的鱼胶的理化性质可能差异极大,对特定鱼种中鱼胶的制备及其性质研究尚缺乏深入系统研究。罗非鱼产量大,其鱼肉加工业昌盛,罗非鱼皮是制备明胶良好的原材料,探明罗非鱼皮明胶的基本理化性质,是将其作为添加剂,有效地应用于食品、药品和化妆品行业中的理论依据。第一部分:罗非鱼皮明胶的优化制备及其基本理化性质。通过酸碱法制备罗非鱼皮明胶,并对鱼明胶的氨基酸组分、分子量大小分布、光学性质、功能性质等基本理化性质进行了系统的研究。结果表明,罗非鱼皮是制备明胶很好的原材料,经优化乙酸制备鱼胶工艺,明胶得率高达23%。鱼胶的水分含量较低,仅为5.59%,基本不含脂肪和灰分;鱼胶中含有18中氨基酸,其中亚氨基酸占总含量的16.61%,Gly-X-Y三联体含量约占总氨基酸残基的1/3;并多以α和β大分子链形式存在;鱼胶溶液透明澄清,在可见光区基本无吸收(吸光值小于0.1),鱼胶固体薄膜几乎完全透明(L*=41.3,a*=–0.31,b*=0.85),有微弱的淡黄色,显示出极好的光学性质;此外,鱼明胶的起泡性达到135.33%,其泡沫稳定性为0.96%,乳化性为51.62%,乳化稳定性为45.95%,显示出优良的功能性质。第二部分:通过采用测定p H、变剪切速率扫描和小振幅振荡温度扫描实验,着重研究单一的有机酸(柠檬酸、苹果酸)或小分子糖(蔗糖、果糖)对鱼明胶的p H、流变性质及溶胶-凝胶转变过程机理的影响。实验结果表明,不同浓度的鱼胶p H(5.22)基本不变,酸显著降低鱼胶p H,2%的酸可将鱼胶p H降低到2.27~2.97范围;糖并不能明显改变鱼胶的p H。鱼胶经酸、糖处理后其流体类型并没有改变,仍然表现为牛顿流体,但均使鱼胶的黏度(1.6~13.4 m Pa·s)显著提高。酸使鱼胶蛋白质分子链降解,将α、β等大分子链裂解成小分子片段,增加了鱼胶溶胶中的分子浓度来增加其黏度(至多增加约1~2.5 m Pa·s);而糖是通过填充在鱼胶分子间隙中,以氢键相连接,更具有粘性,同时糖分子大大增加了体系的分子浓度,从而显著增加鱼胶的黏度(至多增加约1~11.1 m Pa·s)。酸、糖明显地改变鱼胶凝胶-溶胶过程。酸显著降低鱼胶的Tg、Tm,尤其当鱼胶浓度≤2%时,Tg至少降低10℃,Tm至少降低3℃,甚至使其难以凝胶(1%G);并降低体系的弹性模量和粘性模量。酸强烈地破坏鱼胶分子结构,降低其凝胶能力,导致凝胶热稳定性降低。糖因其可以充填于鱼胶分子间隙中,并与之形成大量的氢键,更易形成更为复杂稳定三维网状结构,凝胶点增大(15%蔗糖最多增加超过1℃,15%果糖至多增加约0.2~0.7℃),同时增加了破坏这些氢键所需的额外的能量,表现为熔化点更大(15%蔗糖最多增加超过1.2℃,15%果糖至多增加约0.6℃);此外,增加了体系的弹性模量和粘性模量。第三部分:通过采用测定Bloom值和单轴压缩实验,研究单一的有机酸(柠檬酸、苹果酸)或小分子糖(蔗糖、果糖)对鱼明胶的凝胶强度和质构特性的影响。实验结果表明,高浓度的鱼胶凝胶具有较高强度的凝胶属性。不同浓度(1~6.7%)的鱼胶的凝胶强度分别为5~354 g;2.0%~6.7%的鱼胶凝胶的杨氏模量分别为7~43 k Pa,破碎应变分别为1.2~1.7,破碎应力分别为24~138 k Pa。酸显著降低鱼胶的凝胶性质,2.0%柠檬酸和苹果酸可使鱼胶(≥1.5%)的凝胶强度分别降低约84%~18%和76%~12%;使2.0%~6.7%的鱼胶得杨氏模量分别降低到5~37 k Pa和5~39 k Pa,破碎应变均降低到1.1~1.5,破碎应力分别降低到18~73 k Pa和18~75 k Pa。经15%蔗糖或果糖处理后,不同浓度的鱼胶凝胶强度分别为高于其同等浓度鱼胶的42%~7%和14%~5%;2.0%~6.7%的鱼胶凝胶的杨氏模量分别增加到8~48 k Pa和8~47 k Pa,破碎应变分别增加到1.3~2.2和1.3~2.0,破碎应力分别增加到36~173 k Pa,32~165 k Pa。有机酸通过破坏鱼胶蛋白质分子结构,而小分子糖与鱼胶蛋白质形成大量的氢键,均改变了鱼胶形成凝胶的能力和形成凝胶的方式,进而形成具有不同韧性和刚性的凝胶网络结构,表现为不同的凝胶强度、初始杨氏模量、破碎应变和应力,也就是凝胶具有不同弹性、硬度和韧性。由于酸性强弱不同,柠檬酸较苹果酸更能降低鱼胶的凝胶属性;由于e-OH含量不同,蔗糖较果糖更能增强鱼胶的凝胶特性。第四部分:鱼胶-普鲁兰多糖交联复合膜的制备和性能测试及其傅里叶红外(FTIR)图谱表征。以不同浓度配比的鱼胶(G)和普鲁兰多糖(P)制备复合膜(G-P),通过测定G-P的机械性能、阻水性和透光性,以确定最佳膜性能的鱼胶和多糖浓度配比作为最佳浓度配比;再依次G-P复合膜中添加15%甘油+15%山梨糖醇(GS)作为塑化剂,2%的戊二醛(G)或京尼平(P)作为交联剂制备交联复合膜,并测定各种膜的机械性能、阻水性和阻光性以及FTIR图谱。实验结果表明罗非鱼明胶膜的抗张强度达到99.94 MPa,断裂延伸率仅为5%,水分透过率为0.11g mm/h m2 k Pa,透光性0.84 mm-1。鱼胶-普鲁兰多糖-戊二醛交联膜(G-P-GS-GTA)和鱼胶-普鲁兰多糖-京尼平交联膜(G-P-GS-GP),在均保留了鱼胶本身的高抗张强度(TS,67.86、62.24 MPa)和较低的阻光性(OPB,0.85、1.89 mm-1)基础上,鱼胶的延展性(EB,20.80、25.29%)增加了约4、5倍,水蒸气透过率(WVTR,0.055、0.053 g mm/h m2 k Pa)降低了约50%,阻水性增强了近2倍。六种膜的FTIR图谱分析结果与膜性能测试结果相吻合。普鲁兰多糖能够与罗非鱼明胶产生很好的生物相容性;甘油和山梨糖醇可以明显增加膜的延伸性,但却显著较低了膜的抗张强度;戊二醛和京尼平能够与鱼胶蛋白质发生强烈的化学交联反应,产生类似“希夫碱”的结构,极大地增强了蛋白质结构的强度,形成致密的膜结构,从而使膜的抗张强度和阻水性增强。