Gelatin extraction from lumpfish (Cyclopterus lumpus) skin

Abstract

Klumpfisk (Cyclopterus lumpus) er en naturlig utbredt nordatlantisk fisk som vandrer vidt mellom fôrings- og hekkeplasser, og lever av større plankton som lakselus. Nå er den mye brukt i lakseoppdrettsnæringen som en ren fisk for å undertrykke skaden av lakselus. Vill rognkjeks fanges hovedsakelig for rogn, og resten av fisken kastes ofte. Det er mindre forskning på ressursutnyttelsen til rognkjeks, men skinn og bein med rikt kollagen kan være en god kilde til fiskegelatin. Denne studien hadde som mål å trekke ut gelatin fra rognkjeksskinn ved isoelektrisk utfelling og syrehydrolyse. Den første delen av studien var å trekke ut gelatin fra rognkjeksskinn ved isoelektrisk nedbør. Den lille mengden aske som finnes i fiskeskinn kan påvirke proteinaggregeringen negativt, og sette opp et ekstra demineraliseringstrinn i ekstraksjonsprosedyren. Først ble 0,1 M NaOH (1:10 vekt/volum) brukt for å deproteinisere ved 5°C i 24 timer, og deretter ble 0,1 M HCl (1:10 vekt/volum) eller eddiksyre brukt i forholdet 1:10 å demineralisere ved 5°C i 24 timer. Deretter justeres pH til løsningen til pH med maksimal proteinløselighet, og pH justeres til det isoelektriske punktet med minimal proteinløselighet for å gjenvinne proteinbunnfallet. Den andre delen var å trekke ut gelatin fra rognkjeksskinn ved syrehydrolyse. Tilsvarende ble først 0,1 M NaOH (1:10 vekt/volum) brukt for deproteinisering ved 4°C i 24 timer, og deretter ble 0,1 M HCl, eddiksyre og sitronsyre brukt til å hydrolysere rognkjeksskinn i forskjellige forhold (1:5) , 1:10 eller 1:15 w/v) og for forskjellige tider (6,15,24 timer). Til slutt ble den oppnådde proteinhydrolyseløsningen sendt til frysetørkemaskin for å oppnå frysetørkede gelatinekstrakter. Høyrenhet type I kollagen ble vellykket ekstrahert ved isoelektrisk utfelling, men utbyttet var lavt og storskala proteinutfelling kunne ikke dannes ved det isoelektriske punktet, så det var vanskelig å utføre påfølgende gelatinproduksjon og analyse. I denne delen av resultatene viste løsningen ved pH = 13 maksimal løselighet av rognkjeksskinnkollagen, og pH = 4 og 7 var de isoelektriske punktene med minimum proteinløselighet. I tillegg, ved demineralisering av rognkjeksskinn, er effekten av saltsyre bedre enn effekten av eddiksyre under de samme forholdene. Resultatene av ekstraksjonsprosedyren ved syrehydrolyse viser at strukturen til kollagen i rognkjeksskinn er nesten fullstendig spaltet ved HCl-hydrolyse (pH<2) og delvis spaltet ved eddiksyrehydrolyse (pH<3). HCl-hydrolyse ga nesten ikke noen frysetørkede gelatinekstrakter, og sitronsyre- og eddiksyrehydrolyseekstrakter hadde distinkte teksturer. Det totale ekstraksjonsutbyttet av sitronsyrehydrolyse er høyt, og det øker med økningen av tid og forhold, og det høyeste ekstraksjonsutbyttet vises i "Sitron 1:15 24h", som er 23,8 ± 1,4 %, men innholdet av hydroksyprolin reduseres med økningen av forholdet, og dens høyeste verdi er 20,4 ± 1,7 mg/g i "Citric 1:5 24h". Dette innebærer at renheten ikke er så høy i de sitronsyrehydrolyserte gruppene. Det totale ekstraksjonsutbyttet og hydroksyprolininnholdet i eddiksyrehydrolyse øker med økningen av tid og forhold, men økningen skjedde mellom 15 og 24 timer, som er senere enn for sitronsyrehydrolyse. I alle eddiksyregrupper har "Ediksyre 1:15 24h" det høyeste ekstraksjonsutbyttet ved 5,28 ± 0,00 % og høyeste hydroksyprolininnhold ved 20,4 ± 1,7 mg/g. Hvis eddiksyrehydrolysen ble utført i mer enn 24 timer, bør resultatet være høyere. Type I-kollagenet i gelatinekstraktet oppnådd ved syrehydrolyseekstraksjonsprosedyren hadde også høy renhet, men på grunn av den delvise nedbrytningen av kollagen i sitronsyrehydrolysen og den utilstrekkelige tiden for eddiksyrehydrolyse, ble gelatinen produsert ved frysing tørkede gelatinekstrakter hadde ikke god ytelse på gel- og smeltetemperaturer. Når det gjelder lignende hydroksyprolininnhold i gelatin, hadde "Citric 1:5 24h" gelatin en lavere gelerings- og smeltetemperatur enn "Acetic 1:15 24h" og andre kaldtvannsfiskgelatiner, og lagringsmodulen er 92 Pa etter 2 timer ved 4°C, som var lik annen kaldtvannsfiskgelatin. Lagringsmodulen til "Acetic 1:15 24h" er 2823 Pa etter 2 timer ved 4°C, som var mye høyere enn andre kaldtvannsfiskgelatiner. Resultatene viser at rognkjeksskinngelatinen ekstrahert med sitronsyre er lettere å smelte og har en mykere tekstur enn rognkjeksskinngelatinen ekstrahert med eddiksyre, og rognkjeksskinngelatinen ekstrahert med eddiksyre har en hardhet som er mye høyere enn for annen kulde. -vannfiskgelatiner. Totalt sett ga begge ekstraksjonsprosedyrene i denne studien høyrent gelatin fra rognkjeksskinn, men med lavere utbytte, og mer forskning er nødvendig for å utforske ekstraksjonsforhold med høyere utbytte.

Lumpfish (Cyclopterus lumpus) is a naturally distributed North Atlantic fish that migrates widely between feeding and breeding grounds, feeding on larger plankton such as sea lice. Now it is widely used in the salmon farming industry as a clean fish to suppress the harm of sea lice. Wild lumpfishs are mainly caught for their roes and rest of fish is often discarded. There is less research on the resource utilization of lumpfish, but its skin and bones with rich collagen can be a good source of fish gelatin. This study aimed to extract gelatin from lumpfish skin by isoelectric precipitation and acid hydrolysis. The first part of the study was to extract gelatin of lumpfish skin by isoelectric precipitation. The small amount of ash contained in fish skin can adversely affect protein aggregation, setting up an additional demineralization step in the extraction procedure. First, 0.1M NaOH (1:10 w/v) was used to deproteinize at 5°C for 24 hours, and then 0.1M HCl (1:10 w/v) or acetic acid was used at a ratio of 1:10 to demineralize at 5°C for 24 hours. Next, the pH of the solution is adjusted to the pH with maximum protein solubility, and the pH is adjusted to the isoelectric point with minimum protein solubility to recover the protein precipitate. The second part was to extract gelatin of lumpfish skin by acid hydrolysis. Similarly, first 0.1M NaOH (1:10 w/v) was used for deproteinization at 4°C for 24 hours, and then 0.1M HCl, acetic acid and citric acid were used to hydrolyze lumpfish skins at different ratios (1:5, 1:10 or 1:15 w/v) and for different times (6,15,24 hours). Finally, the obtained protein hydrolysis solution was sent to freeze drying machine to obtain freeze dried gelatin extracts. High purity type I collagen was successfully extracted by isoelectric precipitation, but the yield was low and large-scale protein precipitation could not be formed at the isoelectric point, so it was difficult to carry out subsequent gelatin production and analysis. In this part of the results, the solution at pH = 13 exhibited the maximum solubility of lumpfish skin collagen, and pH = 4 and 7 were the isoelectric points with the minimum protein solubility. In addition, in the demineralization of lumpfish skin, the effect of hydrochloric acid is better than that of acetic acid under the same conditions. The results of the extraction procedure by acid hydrolysis show that the structure of collagen in lumpfish skin is almost completely decomposed in HCl hydrolysis (pH<2) and partly decomposed in acetic acid hydrolysis (pH<3). HCl hydrolysis almost did not yield any freeze dried gelatin extracts, and citric acid and acetic acid acid hydrolysis extracts had distinct textures. The total extraction yield of citric acid acid hydrolysis is high, and it increases with the increase of time and ratio, and the highest extraction yield appears in "Citric 1:15 24h", which is 23.8 ± 1.4 %, but the content of hydroxyproline decrease with the increase of the ratio, and its highest value is 20.4 ± 1.7 mg/g in "Citric 1:5 24h". This implies that the purity is not so high in the citric acid hydrolyzed groups. The total extraction yield and hydroxyproline content of acetic acid acid hydrolysis increase with the increase of time and ratio, but the increase occurred between 15 and 24 hours, which is later than that of citric acid acid hydrolysis. In all acetic acid groups, "Acetic 1:15 24h" has the highest extraction yield at 5.28 ± 0.00 % and highest hydroxyproline content at 20.4 ± 1.7 mg/g. If the acetic acid hydrolysis was performed for more than 24 hours, the result should be higher. The type I collagen in the gelatin extract obtained by the acid hydrolysis extraction procedure was also high purity, but due to the partial decomposition of collagen in the citric acid acid hydrolysis and the insufficient time of acetic acid acid hydrolysis, the gelatin produced by the freeze dried gelatin extracts did not have a good performance on gel and melting temperatures. In the case of similar hydroxyproline content in gelatin, "Citric 1:5 24h" gelatin had a lower gelling and melting temperature than "Acetic 1:15 24h" and other cold-water fish gelatins, and its storage modulus is 92 Pa after 2h at 4°C, which was similar to other cold water fish gelatin. The storage modulus of "Acetic 1:15 24h" is 2823 Pa after 2h at 4°C, which was much higher than other cold-water fish gelatins. The results show that the lumpfish skin gelatin extracted with citric acid is easier to melt and has a softer texture than the lumpfish skin gelatin extracted with acetic acid, and the lumpfish skin gelatin extracted with acetic acid has a hardness much higher than that of other cold-water fish gelatins. Overall, both extraction procedures in this study yielded high-purity gelatin from lumpfish skin, but at lower yields, and more research is needed to explore extraction conditions with higher yield.