制备明胶的方法 本发明涉及从含胶原的原料制备明胶的方法。
明胶是一种天然产品，主要用于食品工业，但也用于药品、摄影、纺织以及造纸工业。
明胶是从胶原获得的一种蛋白质，胶原存在于动物，尤其是哺乳动物和鱼的皮肤、结缔组织、骨及其它部位。在骨质中，胶原是以纤维基架的形式存在，周围是无机质。在显微镜下观察适当染色的骨质，可见骨质是由密集的胶原纤维束交联而成的。在电镜下，可见这些纤维是由直径约为400—1200A的原纤维组成的。原纤维具有与结缔组织类似的横格条纹结构。通常，按干重计算，胶原几乎占骨质的三分之一。无机质是由细小而密集的晶体(50×600)组成的，这些晶体具有与羟基磷灰石，3·Ca3(PO4)2·Ca(OH)2，类似的X—射线衍射图谱。
胶原原纤维是由长为300nm、厚为1.5nm的棒状胶原分子(原胶原)组成的。原胶原是由三条被称为a—链的多肽链组成的，呈三股螺旋状。在原纤维中，原胶原被主要位于分子末端的共价键交联起来，称之为端肽。自然存在的原胶原对碱、酸和酶地水解高度稳定，这是由于它具有密集的螺旋结构。但是，端肽不具备这样高度的稳定性，因为它们不被整合到螺旋结构中，而会被认作是无规则区或球形区。
将胶原分子加热变性，则三螺旋解旋而成游离多肽链，即，得到了明胶。当胶原分子存在于骨这样的组织中时，情况会复杂一些。为了将原胶原分子溶解并加热变性成为明胶，必须破坏分子间的共价交联。这可通过例如高温加热(压热处理)进行。但是，这样的加热不仅破坏了交联，而且引起了原胶原中键的随机水解，至使明胶质量降低。最常用的方法是在低温(15—25℃)下水解端肽，因此破坏了交联，使三螺旋不受影响，提炼可提取的原胶原。
在从骨制备明胶的常规技术中，先用酸将全骨或切成碎片的骨在低温下处理数日完全脱去矿质，从而使胶原基架暴露出来得到了生胶质。脱去矿质是在分离步骤中进行的，在pH＜2时进行处理，其中消耗了大量的酸。在当今基于骨原料的明胶制备中，分离和完全脱去矿质是非常重要的部分。脱去矿质的目的是溶解骨中的钙盐，从而暴露胶原基架。钙是以羟基磷灰石的形式存在，它可通过稀盐酸处理溶解。除去矿质后，将生胶原用碱(如石灰或石灰乳)在低温下“处理”(condition)1—6个月。这种处理破坏了分子间的键，中和溶液，在较高温度下(50—95℃)提取胶原。将胶原变性，则得到了明胶。
目前，明胶制备方法的区别在于所用原料是骨还是生皮(碎皮、表皮)以及其它结缔组织材料。
生皮和结缔组织中不合矿物质，不必进行脱去矿质处理，但其它方面与骨原料的处理相同。
另一方面，“处理”还可包括酸处理，这是指洗涤并任选地切成碎片后，将原料在低温下放置于酸浴中处理1—4天。也是在pH＜2时进行酸处理。所用的预处理类型主要决定于原料的来源。生胶质、小牛和成牛的生皮主要按碱法处理，而干肉的表皮(bacon rind)特别适于酸法处理，这是由于其脂肪含量高。另外，老化的生皮需要按碱法处理，这是由于发现这种材料中交联多。而对于幼嫩的生皮则最好用酸法处理。
碱处理中，将生胶质和/或生皮材料用石灰或石灰乳(pH约为11—12)长时间处理(多至6个月)，需要相当大量的工业用水和试剂，因为必须多次换水。这样，生产1kg明胶可能需要多至1000升的水。另外，用石灰处理后还要脱石灰，这也是个复杂的步骤。
尽管酸处理不如碱处理消耗的时间长，但也需要至少一或几天以使大部分胶原暴露。
另外，常规技术中需要多个提取步骤(多至6或7个)以得到可接受的结果。所得明胶的质量不均一，但通常是随提取步骤的次数而降低。仅在第一步骤中得到高质量明胶。
这样，常规方法的缺点主要在于处理时间长以及需要的工业用水和试剂的量太大，从而引起大量的浪费和相关的环境问题。另一个缺点是不同的原料需要不同的处理。当然，漫长的处理时间对所得明胶的质量及明胶的产率有反作用。
德国专利说明书2747798公开了一种从肌腱和生皮提取胶原然后加工胶原生成明胶的方法。在该方法中将碱处理与不同的洗涤步骤相交替，从所用原料中回收胶原。该方法在处理中需供给并排出大量的工业用水，如前面已指出的，导致了大量的浪费和相关的环境问题。另外，该德国方法仅适用于肌腱和生皮。
EP—B1—0323790阐述了一种从骨粉制备明胶的方法。象其它现有技术方法一样，本方法包括不同的洗涤步骤，但是它们与酸处理相交替。因此，该方法也会产生大量的工业用水并引起环境问题。
根据应用领域的不同，对明胶有不同的质量要求。胶凝性能和凝胶强度是明胶的两个重要性质。通常，用Bloom值表示凝胶的强度。Bloom值约大于240表示高质量凝胶，Bloom值约为120—240表示中等质量凝胶，Bloom值约小于120表示低质量凝胶。
因此，迫切需要成本低并且不污染环境地生产高质量的明胶，这将包括缩短停滞时间、减少工业用水和试剂，从而减少浪费。
本发明的一个目的是提供一种成本低并且不污染环境的生产高质量明胶的方法。
本发明的另一个目的是提供一种可用不同种类含胶原的原料以及这些原料的混合物生产明胶的方法。
根据本发明，可通过下面的方法从含胶原的原料中生产明胶从而达到上述目的，该方法包括下列步骤：
a)研磨原料使粒度不超过1mm，
b)将研磨后的原料与水混合形成稀浆，
c)按照任选的次序，将步骤b)中的稀浆调节pH至2—5，调节温度至60—130℃，时间为1秒钟至1小时，
d)再一次调节稀浆的温度，
e)将稀浆分离成含有明胶的液体部分和固体残渣部分，
f)在分离前或分离后分别调节稀浆或液体部分的pH，以及
g)从过滤步骤和/或其它清洗步骤的液体部分中回收明胶，在步骤a)—f)中基本上没除去工业用水。
本发明的方法可适用于不同的含胶原的原料，例如动物的生皮、碎皮、表皮、软骨、肌腱、肠、胃、结缔组织材料以及不同类型的骨原料。
本发明的方法还可包括部分脱矿质处理和/或酶处理以进一步提高产率。这些步骤可以在步骤c)之前进行。但是，没有这些附加处理也可以获得高产率。任选地，研磨之前所用原料可进行脱脂处理。
如果在步骤c)前采取包括pH调节和温度调节的酶处理，则首先需要调节研磨后原料的稀浆的pH值至所用酶的最适pH值，这可以防止由于pH值不恰当引起的酶变性。
本发明的制备明胶的方法可用连续式或半连续式以及分批式的方法来完成。
图1用示意图说明了按照本发明的方法。可用任何含有胶原的原料。首先，将原料研磨成适当大小的颗粒。然后，用颗粒制成稀浆，加入酸使所得稀浆酸化，加热并在高温维持一段特定时间。然后冷却处理后的稀浆，从含有明胶的液体部分分离出固体物质。在搅拌下向液体部分加入碱，升高其pH，然后按照现有技术处理并清洗含有明胶的溶液，从而形成明胶溶液。仅在这一步骤从流程中分离出了工业用水。
酸处理后加碱升高pH的步骤可在分离固体物质之前而不是之后进行。
下面将更详细地阐述本发明的方法。
所用原料得自例如屠宰场、肉类加工厂或鱼类加工厂。“含胶原的原料”在这里是指未混合的以及混合的含胶原的原料。所用原料可以是从各种哺乳动物以及鱼中获得的一种或几种上述材料。
将含胶原的原料研磨成平均粒度不超过1mm的颗粒。可用适当的、常用的设备进行一步或几步研磨，可用湿研磨法或干研磨法。平均粒度最多应约为1mm，优选最多约为300μm。小于100μm的平均粒度特别适合，最优选平均粒度小于40μm。任选地，研磨前可将材料脱脂，如达到脂肪含量不超过3％重量。尽管这一步骤不是必须的，但低脂肪含量会便于随后的处理步骤。
将研磨后的材料与水混合成稀浆，以任选的次序调节pH和温度。pH适于调至2—5，优选3.5—5。适合的温度是60—130℃，优选80—110℃。将稀浆在该温度下维持一段时间，范围是1秒钟至1小时，优选范围是5—40分钟，最优选的范围是10—30分钟。根据研磨程度和对所生产明胶的质量要求确定pH、温度和时间。
减小粒度、降低pH、升高温高和延长滞留时间将相应地提高胶原转化为明胶的量。但是，对材料处理得越充分所得明胶的质量越低。因此，这些参数必须与对所得明胶质量的规定相结合。当然，在某些应用中需要低质量的明胶。
研磨后，可任选地将材料简单地、部分地脱去矿质和/或用酶处理，以提高生产效率、增加明胶的总收率。用酸如磷酸进行部分脱去矿质处理。用一种或几种酶、或酶的混合物进行酶处理。不同的蛋白水解酶对不同的氨基酸序列有不同的特异性以及不同的pH和温度依赖性。适合的酶的例子是碱性的细菌蛋白酶。在酶处理中，根据所用的酶调节稀浆的pH至适当的pH。可选用的酶的特定例子是EsperaseR(NoVo，Denmark)，该酶要求pH约为7。通常，加入的酶不应超过百分之一左右，如0.5％。在室温下使酶于稀浆中反应数小时，然后，如上所述，在升高的温度下从稀浆中提取胶原。
通过加酸调节pH，如盐酸、磷酸、硫酸、硝酸或醋酸。在本发明中选用哪种酸并不很重要，基本上可用任何酸，包括有机酸和无机酸及其混合物。但有些酸比其它酸更有效。选用磷酸降低pH、用氢氧化钙升高pH会更具有优越性，因为这两种酸形成的磷酸钙是骨材料中的天然组份。选用盐酸或硫酸会更低廉，但是分离后所得的最终的明胶溶液中将含有高的盐浓度。
本发明方法的温度调节步骤中，反应速度随温度增加。基本上没有最大温度，但在太高的温度下有机物质会迅速分解。在这样高的温度下，停滞时间需要非常短并且难以控制。
当然，如果低质量的明胶如骨胶是可接受的、或者是目标产物，则可以升高温度以减少停滞时间。
可将稀浆通过管道系统汲送维持滞留时间，或者将稀浆在罐中放置一段时间。但是，后一种方案意味着稀浆的不同部分停滞时间不同，因此，在停滞时间相当短的情况下不适于用这种方案。
这种处理之后，调节温度以完成反应。通常，温度最高调至100℃，例如60℃。
调节温度之后，将稀浆分离成液体部分和固体残渣部分。液体中含有从胶原中回收的明胶。根据所用的原料，固体残渣中含有未溶解的骨、盐、难溶解的蛋白质等。优选洗涤固体残渣以尽可能多地回收明胶。可在通常的倾析器中进行分离，当然，也可用其它常用设备。
如果需要也应调节pH。这可在将稀浆分离成液体部分和固体残渣部分之前或之后进行。适合的pH为5.5—6.0，例如5.5。在这一步骤中可用各种碱性试剂调节pH。如前面所提到的，最好选用氢氧化钙。通常，选用能与酸反应生成难溶性物质的碱将更具优越性。从而，所得明胶溶液的盐浓度将比试剂之间不发生反应的溶液的盐浓度低。在这一步骤中所设计进行的温度与pH调节应在分解与微生物活性之间权衡轻重。由于明胶约在30℃凝胶，因此在该方法的其余步骤中温度必须保持在该温度之上，这是很重要的。
可将制成的明胶溶液以所得产率和质量直接应用，但也可将溶液进行进一步处理和清洗。如果将固体再与水混合，搅拌均匀，再将pH调至pH2—5，并将温度调至60—130℃，放置一段时间，范围是1秒钟至1小时，然后再进行冷却等步骤，那么产率会进一步提高。当然，这种处理可重复多次。将这些步骤中的固体残渣分别干燥。
可进一步处理含有明胶的液体部分，从而回收干明胶。根据所要求的明胶质量，可对明胶溶液进行不同过滤步骤和/或其它清洗步骤。不同的过滤和清洗步骤还取决于所用的原料。下面介绍一些过滤和清洗步骤的例子。
将从不同的倾析步骤中得到的溶液混合并过滤，例如，用两种不同的滤器，以除去颗粒和粗料。例如，50—μm和25—μm的滤器是适用的。为了生产高质量明胶，应该除去盐和肽，最好用超滤法去除，超滤法还能浓缩溶液。通常，超滤法不能除去所有的盐，但可用离子交换法达到相当低的盐浓度。这些步骤之后，溶液可能还是混浊的并有某种味道。如果溶液中含有脂肪，可用特定的脂肪—吸附滤器除去。可用活性炭过滤脱色，并且通过微孔滤器过滤可得到最终的澄清液。
作为常规设计，这里将不再阐述本发明的不同步骤中所用的设备。显然，对于本领域熟练技术人员来说，适当设备的选择也是衡量可行性的尺度。
本发明可生产高质量的明胶，其Bloom值通常大于250，并且与前面所术的现有技术相比消耗少、流程时间短、流程体积小。因此，本发明制备明胶的方法成本低并且不污染环境。与前面所述的从骨原料制备明胶的现有技术相比，本发明方法省去了完全脱矿质的分步骤和碱处理的漫长的停滞时间。另外，直到将稀浆分离成含胶原的液体部分和固体残渣部分以及调节完pH之后，流程中没有或几乎没有工业用水排出。在按照本发明的方法中，胶原分子是以不同的形式暴露出来的。
按照本发明的方法可以在一个步骤中完成，即连续处理，这对于现有技术的方法是不可能的(由于滞留时间太长)。另外，在本发明方法中分离步骤之后所得的明胶溶液从产率以及质量考虑是完全可以接受的。另一方面，大部分现有技术的方法需要多至6或7个提取步骤以得到相同的产率。本发明还有一个相当大的优越性在于，无论所用原料的来源以及所用的原料是混合的或未混合的，均可使用同一种方法来完成。
本发明另一个大的优越性在于，与现有技术相比从流程中排出的工业用水很少。当然，这自然会使成本降低。
下面将用非限制性实施例对本发明进行更详细的说明。实施例1
该实施例是一个连续式的方法。将从屠宰场得到的食品质量的骨在Alfa Laval Centribone处理中脱脂，然后用湿研磨法研成平均粒度为80μm的颗粒，加入适量水，使所得稀浆中固体的含量为20％重量。用磷酸调节稀浆的pH值至3.5。然后，在Alfa Laval-ConthermR刮板式热交换器中将稀浆加热至110℃，在管道系统中将稀浆在此温度下保持15分钟。15分钟后，加入氢氧化钙调节pH至5.5。
然后，在Alfa Laval—ConthermR中调节温度至60℃。然后将稀浆转移至NX409型Alfa Laval倾析器中，从水中分离出固体。在约为60℃的温度下将固体与新鲜的水混合成均匀稀浆，再转移到另一个倾析器中。将该处理中所得的液体部分与前一次处理所得的液体部分混合。在这种处理中约有75％的胶原转化为明胶。通过使用两个倾析器，约有80％的明胶回收到了液体部分。将含有混合液体部分的溶液过滤以除去颗粒和其它粗料。先将溶液通过50μm的滤器过滤然后再通过25μm的滤器。随后，将溶液用Alfa Laval的HSK131型超滤设备处理，用Koch的滤膜，截留值为5000U。在该设备中浓缩了溶液，并除去了盐和肽。超滤后，溶液中干固体含量为20％，再将溶液进行离子交换处理以除去残余的盐。然后，将溶液在三个步骤中过滤。
在第一个步骤中，过滤溶液以除去任何残余的脂肪。在第二个步骤中，用活性炭过滤溶液以脱色并改进味道和气味。在第三个步骤中，用洁净滤器过滤溶液以达到最后的澄清度。随后，冷却溶液使明胶凝固，然后在刮板式热交换器，例如Alfa Laval ConthermR中形成被称作“面条”的物质，并进行干燥。所得明胶的Bloom值为290，粘度为42.3mPs，澄清度为21NTU，用Hach比浊计测定。NTU是表示澄清度的量度，代表比浊单位。等电点IEP为7.3。实施例2
将从屠宰场得到的食品质量的骨在Alfa Laval Centribone处理中脱脂。用水力旋流器将骨材料分成两部分，一部分含有大部分骨，另一部分主要是软材。本实施例中用的是骨的部分。
将骨和水混合成干固体含量为20％的稀浆，并用Simo工业用研磨机研磨成粒度约为1—2mm。然后，将稀浆转移到配有锥体研磨装置的Dorr—Oliver Supraton研磨器中。处理后，平均粒度约为200μm。将梯浆在Sussmeyer颗粒研磨器中进一步处理，至最后的平均粒度约为20μm。用磷酸调节稀浆的pH值至4。然后，在Alfa Laval—ConthermR中调节温度至100℃。停滞时间为5分钟。用氢氧化钙调节pH至5.5，再将温度调至60℃。然后，按上述实施例1中的方法进行处理。
在本实施例中，85％的胶原转化成明胶，明胶的Bloom值为310，粘度为46.3mPs。实施例3
本实施例是在实验室范围内试验本发明的方法。试验中用或者不用酶进行处理，用或者不用超滤法处理明胶溶液。星号代表附加的酶处理步骤。
1)将2kg骨粉(粒度为40—125μm)与6kg冰水混合成稀浆。
2)用浓磷酸在pH3下将骨粉部分脱矿质。
3)*调节pH至约为7。
4)*加入EsperaseR(0.5％)，将稀浆搅拌过夜。
5)调节pH至3.5。
6)用批量法(2L)在微波炉中加热至90℃(约15分钟)进行提取。
7)用Ca(OH)2中和溶液，离心，用过滤器设备经纤维素膜过滤。
8)将一部分溶液立刻干燥，将另一部分溶液超滤。。
9)测定产率、Bloom值、粘度、澄清度和灰分。
这些试验的结果示于下表中。
表 用或不用酶处理，以及用或不用超滤(UF)法制备明胶的试验结果 Bloom 粘度 澄清度 灰分 产率 值 (mPs) (NTU) (％) (％)试验不用酶 302** - - 18.8不用酶 +UF300 37 150 3.9 73用酶 182 29 - 12.2用酶 +UF 256 35 249 6.8 87*两次提取步骤后的总产率。**测定一半量的Bloom值。