水產(chǎn)膠原蛋白質(zhì)的基本特性及其在食品加工中的應(yīng)用

徐海菊，蔡 健，陳江萍

(臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318020)

膠原是蛋白質(zhì)中的一種，基本結(jié)構(gòu)為原膠原蛋白，主要存在于動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中，是結(jié)締組織中重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，起著支撐器官、保護(hù)機(jī)體的作用。在魚體中，皮、鱗、鰭、鰾等部位都含有豐富的膠原蛋白。目前，膠原蛋白的研究已引起人們廣泛重視，水產(chǎn)膠原蛋白因其獨(dú)特的生理功能和理化特性而成為研究的熱點(diǎn)。水產(chǎn)品加工后產(chǎn)生大量的廢棄物，而這些廢棄物是制備高蛋白食物的優(yōu)良原料，而且開發(fā)利用廢棄物也有利于提高水產(chǎn)品的附加值。因此，有必要對水產(chǎn)膠原蛋白的基本特性進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)研究，使膠原蛋白更好地應(yīng)用到食品工業(yè)中。本文綜述了水產(chǎn)膠原蛋白的基本特性及在食品加工中的利用，為開發(fā)水產(chǎn)膠原蛋白資源，拓展膠原蛋白的應(yīng)用范圍，充分有效利用生物資源提供理論依據(jù)。

1 基本結(jié)構(gòu)

膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì) (ECM)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，分子中至少有一個結(jié)構(gòu)域具有α鏈組成的三股螺旋構(gòu)象 (即膠原域)，經(jīng)超速離心后可分得3個組分，即 α、β、γ，其中 β和 γ組分分別是 α組分的二聚體和三聚體。α組分又分為 α1、α2、α3和α4，它們在氨基酸組成上有所不同，但是其主要的組成氨基酸均為脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸，其中，約含33%的甘氨酸、20%～30%的脯氨酸和羥脯氨酸，而且羥脯氨酸、羥賴氨酸為其特征氨基酸。膠原蛋白一級結(jié)構(gòu)的特征是含有甘氨酸的三聯(lián)體 (Gly-X-Y)重復(fù)排列，其中X，Y多為脯氨酸和羥脯氨酸，通常由3條多肽鏈構(gòu)成三股螺旋結(jié)構(gòu)，分子量約30萬道爾頓。目前已發(fā)現(xiàn)20種以上類型的膠原蛋白，各型間的不同之處在于三股螺旋中斷形成的多肽片段不同，從而折疊成不同的三維空間結(jié)構(gòu)。在魚肌肉、魚皮和魚鱗中主要含有Ⅰ型和Ⅴ型膠原蛋白，其中Ⅰ型膠原是由3條分子量約10萬道爾頓的a鏈形成的螺旋結(jié)構(gòu)，其中有2條α1(Ⅰ)鏈和 1 條 α2Ⅰ)［1］。

2 基本特性

2.1 粘度

許多研究表明，膠原蛋白的水溶液具有一定的粘度。膠原蛋白的分子在水溶液中比較舒展，如果在外界條件下，膠原蛋白發(fā)生解鏈現(xiàn)象，溶液的粘度就會降低;如果在外界條件下，膠原蛋白內(nèi)鏈與鏈之間相互纏結(jié)和粘連，剛性結(jié)構(gòu)逐漸增大，溶液的粘度將增大。

膠原蛋白溶液的粘度受到以下各種因素的影響。(1)各種原材料的不同，從根本上影響著膠原蛋白的粘度。目前研究比較多的陸生動物來源的膠原蛋白比水生動物來源的膠原蛋白的粘度高，而溫水性水生生物膠原蛋白的粘度又比冷水性水生生物膠原蛋白粘度高。(2)膠原蛋白的氨基酸組成影響著膠原蛋白溶液的粘度，當(dāng)膠原蛋白含有較多的疏水性氨基酸時，其粘度較低。研究發(fā)現(xiàn)，鱈魚皮膠氨基酸組成中含有較多的疏水性氨基酸，其粘度較低。說明粘度與疏水性氨基酸之間存在著一定的相關(guān)性。 (3)提取方法對粘度的影響，Motero等［2］研究發(fā)現(xiàn)，酸法提取的過程中，膠原蛋白中疏水性氨基酸的組成發(fā)生了變化，從而影響了膠原的粘度。Johnstone-Banks［3］在研究膠原蛋白的熱水提取時，也發(fā)現(xiàn)由于原料經(jīng)堿前處理，減少了鏈內(nèi)共價(jià)鍵的數(shù)量，導(dǎo)致了粘度的降低。而在用酶法提取膠原蛋白時，膠原蛋白粘度隨著酶用量的增加而降低［4］。 (4)Choi等［5－6］報(bào)道了干燥方法對粘度的影響，常溫干燥造成膠原蛋白的部分分解或者部分變性，從而破壞了膠原的物理特性，使其粘度降低;冷凍干燥能較好地保存膠原蛋白原有的三維螺旋結(jié)構(gòu)，因此膠原的粘度較大。 (5)膠原蛋白溶液的粘度與外界環(huán)境的溫度有很大的關(guān)系，可溶性膠原蛋白加熱至一定溫度后，粘度下降。

2.2 凝膠強(qiáng)度

凝膠性是指蛋白質(zhì)產(chǎn)品在一定的條件下具有形成凝膠的能力。膠原蛋白在一定的條件下可以形成凝膠，形成凝膠后，不但是水的載體，而且還是風(fēng)味劑、糖及其它配合物的載體。凝膠性對火腿、香腸等碎肉食品是非常有利的，可以達(dá)到改善產(chǎn)品的質(zhì)地、口感和提高產(chǎn)品的保水性等目的。凝膠強(qiáng)度是衡量膠原蛋白凝膠性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。而凝膠強(qiáng)度的大小受各種因素的影響，如膠原蛋白的組成、提取工藝、膠原蛋白的濃度、溫度、鹽濃度、酸度、時間等。

Gudmundasson等［6］研究發(fā)現(xiàn)，由常溫干燥得到的鱈魚皮膠原的凝膠強(qiáng)度在110～120 g，而由冷凍干燥得到的膠原在相同條件下的凝膠強(qiáng)度在200 g左右。這是因?yàn)槌馗稍飳?dǎo)致了膠原蛋白的部分變性，使得膠原形成凝膠的能力減弱，凝膠強(qiáng)度較低。而冷凍干燥的膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)保存得較完好，所以凝膠強(qiáng)度較高。研究還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氫氧化鈣溶液的前處理可以提高產(chǎn)物膠原蛋白的凝膠強(qiáng)度。

在膠原蛋白溶液中，由于酸、堿與水的水合作用均會影響膠原中的交聯(lián)鍵，從而影響凝膠的形成。一般認(rèn)為，當(dāng)膠原蛋白溶液的pH較接近于等電點(diǎn)時，具有較高的凝膠強(qiáng)度;而在較強(qiáng)的酸、堿性條件下，膠原蛋白溶液不能形成較好的凝膠。

由于膠原蛋白溶液在濃度較低的情況下不能形成凝膠，只有在濃度很高時才具有形成凝膠的能力，因而膠原蛋白凝膠強(qiáng)度受溶液濃度的影響較大。1948年Ferry［7］經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠原的凝膠強(qiáng)度幾乎與溶液濃度的平方成正比。隨著膠原溶液濃度的增加，凝膠強(qiáng)度明顯增大。

實(shí)驗(yàn)表明，凝膠強(qiáng)度還與形成凝膠的時間有很大的關(guān)系［2，5－6］。在凝膠形成的前 4 h 內(nèi)，凝膠強(qiáng)度迅速增加，若延長凝膠形成的時間，凝膠強(qiáng)度增加較緩慢，到 16～18 h基本達(dá)到穩(wěn)定。Veis［8］在1964年發(fā)現(xiàn)凝膠強(qiáng)度還與凝膠形成時的外界溫度有關(guān)，隨著溫度的升高而呈線性下降，Nijenhuis［9］在1981年的研究中也得到了相同的結(jié)果。

Peng［10］研究表明，當(dāng)膠原蛋白的組成中含有較多的α1亞基時，膠原蛋白的溶液具有較高的凝膠強(qiáng)度。另外在一定的條件下，由于較多短鏈肽的增加，使形成的凝膠強(qiáng)度也會較高。Gudmundasson等［6］還發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)溶液的凝膠強(qiáng)度還受其組成氨基酸的影響，當(dāng)疏水性氨基酸較多時，膠原的凝膠強(qiáng)度會較低，這一特性與疏水性氨基酸較多粘度較低是一致的。

2.3 熱變性溫度

研究表明，來源于哺乳動物的膠原蛋白的熱變性溫度較高，一般在40～41℃，而來源于水生生物的膠原蛋白的熱變性溫度較低，一般不超過30℃。Grossman等［11］指出，魚類膠原蛋白的熱變性溫度較低的原因是它們含有的羥脯氨酸少。鴻巢章二［12］研究表明，膠原的熱穩(wěn)定性與全部的亞氨基酸尤其是羥脯氨酸的含量之間存在正相關(guān)。膠原蛋白中羥脯氨酸和羥賴氨酸的含量與膠原蛋白分子對熱或化學(xué)變性作用的抵抗力密切相關(guān)。Asghar等［13］的研究證明羥脯氨酸的羥基所形成的氫鍵對膠原螺旋體的穩(wěn)定性起著重要的作用。

2.4 乳化性及其乳化穩(wěn)定性

膠原蛋白的乳化性是膠原蛋白應(yīng)用于食品工業(yè)的一個重要指標(biāo)，而國內(nèi)外對于膠原蛋白尤其是淡水魚膠原蛋白的乳化性研究得較少。王碧等［14］研究了水解膠原蛋白的乳化特性，發(fā)現(xiàn)膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性將隨著溶液濃度的增加而增大，在酸、堿性溶液中均有較高的乳化能力和乳化穩(wěn)定性，而且一定濃度的電解質(zhì)可以提高膠原蛋白的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。

2.5 改性

蛋白質(zhì)的改性就是用化學(xué)因素或物理因素，使氨基酸殘基和多肽鏈發(fā)生某種變化，引起蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)改變，從而獲得較好的功能性和營養(yǎng)特性。目前，有關(guān)改性的方法主要是化學(xué)改性?；瘜W(xué)改性就是利用蛋白質(zhì)上各種官能團(tuán)與低分子量或高分子量物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，使膠原蛋白交聯(lián)或接枝。Toledano等［15］把較長的疏水性烷基鏈接到膠原蛋白上，得到了發(fā)泡性和乳化性均較好的改性膠原蛋白。物理改性就是通過改變外界環(huán)境因素，進(jìn)而改善蛋白質(zhì)的某些功能特性。如電解質(zhì)的加入，在一定范圍內(nèi)可以影響溶液的凝膠強(qiáng)度;不同的酸度可以影響溶液的粘度等。另外，隨著生物工程的發(fā)展，也可以采用酶法改性。如Fernández-Díaz等［16］利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，使膠原蛋白間發(fā)生共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)，以改善鱈魚皮膠原的粘度、凝膠性以及熱穩(wěn)定性。

3 在食品加工中的應(yīng)用

食用級膠原通常外觀為白色，口感柔和、味道清淡、易消化，此外，它還有一些獨(dú)特的品質(zhì)，如交聯(lián)的熱穩(wěn)定性、緊密的纖維結(jié)構(gòu)、高的水合特性等，使它在許多食品中用作功能性添加劑和營養(yǎng)成分［17］。膠原蛋白材料具有良好的皮膜形成能力和親水性，這些性能使膠原蛋白在食品應(yīng)用方面有著其它材料不可替代的優(yōu)越性。膠原蛋白在食品中主要有以下方面的應(yīng)用。

3.1 食用膜，膠囊

膠原蛋白用作制造香腸、火腿腸衣和凍肉、熏雞肉、油炸肉等的包裝膜，用作肉類、魚類等的包裝紙，具有抗氧化性，防水，保持肉食品的顏色鮮亮，保香等功能。膠原蛋白還可用于生產(chǎn)藥用膠囊和微膠囊，近年來研究在明膠溶液中加入一定量的殼聚糖溶液制成藥用膠囊，具有可消化吸收，易于生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)［18－19］。

3.2 食品添加劑

魚明膠在食品工業(yè)中可以做為增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、澄清劑等廣泛應(yīng)用于罐頭、飲料、乳品加工、肉制品加工、果酒釀造等方面。魚皮膠原應(yīng)用在啤酒工業(yè)中，作為澄清劑，它不僅可以結(jié)合啤酒中的一些物質(zhì)，而且能促進(jìn)啤酒的后成熟陳化。

3.3 保健功能

通過改變膠原多肽原料和分解條件，還可使之具有美容保健等功效。日本一些企業(yè)已經(jīng)開始在我國魚制品加工廠大規(guī)模的收購魚鱗，作為高附加值產(chǎn)品的原料。膠原蛋白在水解過程中產(chǎn)生具有特定功能的生理活性肽。魚鱗膠原蛋白水解液具有抗氧化和降低血壓、降低血液總膽固醇、抗衰老等功效。膠原蛋白還是一種增智物質(zhì)，可顯著增加細(xì)胞活力，加快腦運(yùn)算速度，使人思維敏捷。膠原蛋白與膠原多肽的生理功能、藥用和保健功能正在逐漸被人們認(rèn)識。

3.4 其它用途

作固定化酶載體，膠原蛋白分子肽鏈上具有羥基和氨基等多種反應(yīng)基團(tuán)，易于吸收和結(jié)合多種酶和細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)固定化，它具有與酶和細(xì)胞親合性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。另外膠原是一種成膜性好的物質(zhì)，并具有生物相容性，在體內(nèi)可被逐步吸收，適于用作人工應(yīng)用材料固定化酶載體［20］。

4 發(fā)展趨勢

目前以利用來自陸生豬、牛皮及哺乳動物骨等原料生產(chǎn)膠原蛋白為主，但陸生哺乳動物在信仰伊斯蘭教、回教等人群的食品中，來源于牲畜的膠原蛋白的應(yīng)用受到限制，由于近年來瘋牛病、口蹄疫等傳染性疾病的發(fā)生和流行，使人們對來源于牲畜的膠原蛋白的安全性產(chǎn)生了懷疑。這些因素有力地促進(jìn)了對水產(chǎn)動物膠原蛋白的研究和開發(fā)，同時來源于水產(chǎn)動物的膠原蛋白有著特殊的生理功能和理化特性，比如低抗原性、低過敏性、分子結(jié)構(gòu)較脆弱，易于酶解等。

從水產(chǎn)品中提取膠原蛋白，用之于食品和醫(yī)藥，以部分取代陸生來源的膠原蛋白，以確保食用安全性并擴(kuò)大應(yīng)用人群范圍;同時充分利用水產(chǎn)膠原蛋白的諸多特點(diǎn)，采用先進(jìn)的現(xiàn)代生物技術(shù)，對水產(chǎn)膠原蛋白進(jìn)行精深加工，開發(fā)水產(chǎn)膠原多肽，生產(chǎn)具有各種生理功能的活性肽和其它保健功能食品，將是水產(chǎn)膠原蛋白發(fā)展的方向。水產(chǎn)膠原蛋白的開發(fā)利用，將使水產(chǎn)加工原料得到充分利用，同時提高水產(chǎn)加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為水產(chǎn)加工業(yè)的發(fā)展開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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