《Collagen and Leather》：Efficient and eco-friendly method of gelatin production from bovine hide by acid-thermal treatment and protease-aided process: one-pot biocatalysis approaches
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为了同时实现从牛皮中提取明胶的高产率和凝胶强度，本研究调查了一种酶法制备工艺。该工艺基于对选定蛋白酶在酸热变性皮胶原上的水解性能进行评估和优化而开发。随后，通过优化所选酸性蛋白酶的水解条件，开发了一种一锅法明胶制备技术，将传统的酸洗、脱酸、明胶提取和脱盐工艺整
为了同时实现从牛皮中提取明胶的高产率和凝胶强度，本研究调查了一种酶法制备工艺。该工艺基于对选定蛋白酶在酸热变性皮胶原上的水解性能进行评估和优化而开发。随后，通过优化所选酸性蛋白酶的水解条件，开发了一种一锅法明胶制备技术，将传统的酸洗、脱酸、明胶提取和脱盐工艺整合为单一操作。结果表明，合理选择酸性蛋白酶可同时提高明胶产率和凝胶强度。在最佳条件（40°C、pH 4.0、酸性蛋白酶用量350 U/g、恒温搅拌6小时）下，明胶产率提高至92.7%，凝胶强度达到210.0 Bloom g，所得产品的其他理化性质满足工业明胶标准（QB/T 1995–2024）。此外，总用水量、废水排放、酸用量和能耗分别降低约78.9%、100.0%、90.0%和28.6%，明胶干燥过程中的能耗降低了63.5%。本研究为动物皮资源的有效利用和绿色发展提供了技术支持。
**论文解读：基于酸热预处理与蛋白酶辅助的一锅法高效环保明胶制备技术**
**研究背景与问题**
明胶是一种从动物皮、骨等结缔组织中提取的胶原衍生生物聚合物，广泛应用于食品、医药、化妆品等领域。全球明胶年消费量已超过40万吨且持续增长，提高牛皮在明胶生产中的转化效率对推动碳减排、促进畜牧业可持续发展和满足市场需求至关重要。传统明胶提取方法包括热水、酸法、碱法和酶法，但均存在局限性：热水法需高温长时间煮沸，能耗高；酸法和碱法虽可生产高品质明胶，但处理周期长、产率低、水耗高、盐产生量大；酶法虽反应条件温和、环境友好，但蛋白酶通常只能作用于胶原非螺旋末端区域，导致产率低（最高仅23.5%）、凝胶强度不足，且多数研究停留在基础探索阶段，缺乏工程放大验证。此外，现有技术如欧姆加热、超声、高压微波等虽能提高提取效率，但设备昂贵、能耗高或性能不稳定，难以大规模应用。因此，如何同时实现高提取率和高凝胶强度，并简化工艺、降低能耗和污染，是明胶生产领域的关键挑战。
**研究目的**
本研究旨在通过热变性破坏胶原天然结构，暴露更多酶切位点，并选择具有适当特异性的蛋白酶，开发一种集酸洗、脱酸、提取和脱盐于一体的“一锅法”酶解技术，以解决传统方法中产率与凝胶强度难以兼顾的瓶颈，并评估其节能减排潜力。
**主要技术方法**
研究人员从牛皮（来源：中国成都当地屠宰场）经脱灰、脱脂、冻干、粉碎后获得皮粉。首先对皮粉进行沸水热变性（95°C，5 min）以破坏胶原三螺旋结构，然后筛选13种商业蛋白酶（7种酸性、3种中性、3种碱性蛋白酶）的水解性能，通过单因素实验优化pH、温度、时间、酶用量等参数。最终选用酸性蛋白酶P-acid-2，在最佳条件（pH 4.0、40°C、350 U/g、6 h）下进行5批放大实验（每批200 g皮粉），通过SDS-PAGE、凝胶强度、粘度、乳化性、起泡性等指标表征明胶质量，并对比传统工艺计算节水和减排效果。
**研究结果**
**3.1 典型蛋白酶对热变性皮粉的水解性能**
通过比较不同蛋白酶对热变性皮胶原的水解效果发现：中性及碱性蛋白酶虽能提高产率（>52.5%），但水解产物无法形成凝胶（粘度仅2.3–4.9 mPa·s），归因于其特异性弱、过度水解；酸性蛋白酶中，P-acid-1（胃蛋白酶）特异性强，产率仅9.7%但凝胶强度高（278.7 Bloom g），而P-acid-4至P-acid-7特异性弱，产率升至64.5%–96.4%但无法凝胶化；P-acid-2和P-acid-3表现出适中特异性，产率51.9%–59.6%，凝胶强度215.4–324.6 Bloom g，粘度6.5–6.6 mPa·s，满足工业明胶标准（QB/T 1995–2024）。因此，选用P-acid-2进行后续优化。
**3.2 酶法制备明胶技术的开发**
**3.2.1 pH对酶解效果的影响**：在35°C、300 U/g、6 h条件下，pH 3.5–4.0时皮粉溶解率达56.8%–58.4%，凝胶强度203.9–304.5 Bloom g，粘度6.3–7.3 mPa·s。pH升高导致酶活性下降，产率和凝胶强度降低。
**3.2.2 温度对酶解效果的影响**：pH 4.0下，温度升至45°C时皮粉溶解率稳定在94.0%–95.7%，但可溶蛋白浓度在40°C达峰值后下降；凝胶强度和粘度在35–40°C时较高（>200.0 Bloom g，6.0–6.5 mPa·s），温度过高导致过度降解。
**3.2.3 水解时间对酶解效果的影响**：随着时间延长，皮粉溶解率逐渐增加，但凝胶强度和粘度在8 h后加速下降，表明酶与可溶性明胶继续作用产生低分子量肽段。最佳时间控制在6–8 h。
**3.2.4 酶用量对酶解效果的影响**：酶用量从100 U/g增至500 U/g，皮粉溶解率提高至60.2%（非酶对照的4.6倍），但凝胶强度在500 U/g时降至168.6 Bloom g，不达标；当酶用量≤450 U/g时，凝胶强度保持>264.6 Bloom g，粘度>6.0 mPa·s。最终优化条件：pH 4.0、40°C、6–8 h、300–400 U/g，产率>60%，凝胶强度>200.0 Bloom g。
**3.3 酶法制备技术的可接受性评估**
**3.3.1 放大验证**：在200 g皮粉、350 U/g、pH 4.0、40°C、6 h条件下，5批放大实验平均产率92.7%，凝胶强度210.0±6.1 Bloom g，粘度6.9±0.3 mPa·s，灰分2.1%±0.3%，水不溶物0.15%±0.03%，水分12.3%±0.8%，pH 6.4±0.2，均满足工业明胶标准；SDS-PAGE显示各批次条带一致，表明分子量分布均一；乳化性（EAI 8.9 m
2/g）、乳化稳定性（ESI 30.5 min）、起泡性（FC 53.1%）和泡沫稳定性（FS 79.6%）与文献报道相当。
**3.3.2 节能减排潜力评估**：相比传统酸法，新开发的“一锅法”技术将酸洗、脱酸、提取整合为一步，省去多次提取、过滤、浓缩、脱盐等步骤。总用水量减少78.9%，废水排放减少100.0%，酸用量减少90.0%，提取过程能耗降低28.6%，干燥过程能耗降低63.5%，生产周期缩短3–6天。
**讨论与结论**
本研究通过热变性破坏胶原结构，使蛋白酶能够进行“内切式”水解，并通过筛选具有适中特异性的酸性蛋白酶，实现了高提取率（92.7%）和高凝胶强度（210.0 Bloom g）的同步提升。该“一锅法”技术显著简化了工艺，降低了水、酸、能耗和废水排放，具备良好的技术稳定性和放大可行性。结论部分指出：该研究为明胶生产中牛皮资源的高效利用和绿色发展提供了技术支持，推动了动物皮资源利用行业的可持续发展。
