水產(chǎn)品膠原蛋白的研究進展

陳麗麗，趙利，*，劉華，鄒勝員

（1.江西科技師范學院生命科學學院，江西 南昌 330013；2.江西省水產(chǎn)技術推廣站，江西 南昌 330046）

隨著我國漁業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，水產(chǎn)品的綜合利用越來越受到人們的重視。水產(chǎn)品加工過程中會產(chǎn)生出占魚體總重約40%～50%的副產(chǎn)物（包括魚頭、魚皮、魚骨及殘留魚肉），這些副產(chǎn)物的加工和利用程度很低。

膠原蛋白在哺乳動物體內(nèi)含量最豐富、分布較廣，占大約動物總蛋白的30%[1]。它具有支撐器官和保護肌體的功能，也是組成細胞間質的最重要功能蛋白質。如能從水產(chǎn)品加工廢棄物中提取膠原蛋白加以利用，既能促進水產(chǎn)品加工廢棄物的綜合利用，開發(fā)新型膠原資源，提高水產(chǎn)品的附加值，又保護了環(huán)境。

近年來，國內(nèi)外許多學者對水產(chǎn)品加工廢棄物（如魚皮、魚骨、魚鱗等）中膠原蛋白的提取進行了研究。研究者大多以魚皮為原料提取水產(chǎn)品膠原蛋白，如鱈魚、魷魚、羅非魚皮[2-4]等。Kimura等[5]研究了鯉魚的魚鱗和魚骨膠原蛋白，Nagai等[6]從日本海鱸的尾鰭提取酸溶性和酶促溶性膠原蛋白。

1 水產(chǎn)品膠原蛋白的結構特征

迄今為止，已發(fā)現(xiàn)27種不同類型的膠原蛋白[7]。從魚類肌肉和皮膚中分離鑒定出至少2種含量較多和較少的膠原蛋白，分別是I型膠原蛋白和V型膠原蛋白。I型膠原蛋白是一種纖維狀膠原，而且是水產(chǎn)品廢棄物，即皮、骨、磷和魚鰭中含量最多的一種蛋白質。

膠原蛋白相對分子質量為300 ku，其最普遍的結構特征是三螺旋結構，由3條α鏈多肽組成，每一條膠原鏈都是左手螺旋構型。3條左手螺旋鏈相互纏繞成右手螺旋結構，即超螺旋結構[8]。

膠原蛋白的氨基酸組成由于來源和膠原蛋白類型不同有一定的差異，但是幾種主要的氨基酸組成大致相同，即含1/3左右的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸，其中羥脯氨酸是膠原蛋白特有的氨基酸[9-10]。羥脯氨酸對維持膠原蛋白三螺旋結構的穩(wěn)定性具有重要的作用。水產(chǎn)品膠原蛋白的氨基酸組成與陸生動物膠原蛋白氨基酸的組成非常相似，其最大的不同在于水產(chǎn)品膠原蛋白羥脯氨酸的含量比陸生動物膠原蛋白少，而蛋氨酸的含量卻比陸生動物膠原蛋白高的多。所以，陸生動物膠原蛋白的變性溫度比水產(chǎn)品膠原蛋白的變性溫度要高（大約10℃左右）。膠原蛋白的氨基酸組成直接關系到其分子的理化性質，如熱穩(wěn)定性、溶解度和交聯(lián)能力等。水產(chǎn)品膠原蛋白中亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）水平在魚類中差別很大，亞氨基酸的含量，特別是羥脯氨酸取決于魚的生存環(huán)境溫度，它影響膠原蛋白的熱穩(wěn)定性[11-15]。相對于溫暖條件下生存的魚類，從生存在較冷環(huán)境魚類中獲得的膠原蛋白中羥脯氨酸含量較低，而且它們的熱穩(wěn)定性也比較低，這是因為羥脯氨酸在膠原蛋白中參與跨鏈氫鍵的形成而使其三螺旋結構穩(wěn)定[16]。

尼羅河小鱸魚皮和大鱸魚皮酸溶性膠原蛋白的氨基酸組成沒有明顯的差異，表明氨基酸的組成與魚的生長年齡無關。但是，鱸魚皮膠原蛋白中的脯氨酸和羥脯氨酸含量卻較高，約為20%，接近于豬皮膠原蛋白的22%和牛皮膠原蛋白的21.5%[17-19]。

2 水產(chǎn)品膠原蛋白的提取

根據(jù)提取介質的不同，可將膠原蛋白的提取方法簡單的劃分為：熱水浸提、酸提取、堿提取以及酶提取。

2.1 熱水法提取

熱水法提取就是原料經(jīng)過前處理后，在一定條件下用熱水浸煮，從而得到水溶性膠原蛋白。這種膠原蛋白，已經(jīng)不具有膠原蛋白的三螺旋空間結構，一般稱之為明膠（gelatin），明膠的分子量不規(guī)則，大至幾百萬、小至幾十，不具備原有膠原蛋白的功能，不能用作醫(yī)用生物材料。

劉曉寧等用70℃熱水從鯉魚鱗中得到了I型膠原蛋白，提取率達到6.95%[20]；Arnesen等用兩步熱抽提法（先56℃提取2 h，再65℃提取2 h）提取了大西洋鮭魚和鱈魚膠原蛋白，得率分別為39.7%和44.8%[21]。

2.2 酸法提取

使用的酸多為乙酸、檸檬酸、乳酸等。魚皮膠原蛋白的酸提取過程均在低于10℃的條件下進行。

對于不同的魚皮，酸溶性膠原蛋白（ASP）的提取率不同。戶業(yè)麗等[22]用1.0 mol/L的乳酸作為提取劑從鱘魚魚皮中提取膠原蛋白，在25℃下提取72 h，提取率達到86.18%。在年幼和成熟尼羅河鱸魚皮中得到的ASP的提取率分別是63.1%和58.7%[17]。而日本的海鱸魚，白鮭魚和虎鯊皮的ASP提取率分別是51.4%、49.8%和50.1%[6]。林琳等利用有機酸（醋酸、乳酸、檸檬酸）提取草魚皮中膠原蛋白，采用0.5 mol/L的檸檬酸，料液比為1∶10，溶脹時間為24 h時，提取率可達92.88%[23]。

2.3 堿法提取

常用的處理劑主要為石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉等。在堿性條件下處理，易造成膠原蛋白的肽鍵水解。如果水解嚴重，則會產(chǎn)生DL-型氨基酸消旋混合物，其中D-型氨基酸若高過L-型氨基酸，則會抑制L-型氨基酸的吸收，有些D-型氨基酸有毒，有的甚至有致癌，致畸和致突變作用。因此，迄今為止，有關使用該法提取膠原蛋白的報道較少。Sato等用0.1mol/L的NaOH溶液從鱒魚、鯖魚、鯉魚和鰻魚的魚肉中分離得到了堿溶性膠原蛋白，其提取率分別為0.47%、0.50%、0.60%和1.99%（以濕重計）[24]。

2.4 酶法提取

酶法提取膠原蛋白稱為酶促溶性膠原蛋白（PSC）。通常使用的酶有中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶等。酶法具有反應速度快、時間短、無環(huán)境污染，提取的膠原蛋白純度高、水溶性好、理化性質穩(wěn)定等特點[25]。

隨著動物年齡的增長，膠原蛋白分子間及與其他成分之間會形成共價鍵架橋，從而阻礙膠原蛋白的提取。這些共價鍵架橋大多位于膠原分子N及C端的非膠原（端肽）部分，易被膠原酶或蛋白酶切斷。如果在酸性條件下，用胃蛋白酶處理膠原，胃蛋白酶不僅能催化膠原蛋白α肽鏈非螺旋區(qū)的端肽，而且可使被切斷部分端肽的膠原分子（無端肽膠原）變?yōu)榭扇?。胃蛋白酶對螺旋區(qū)沒有作用，但引起α1和α2鏈展開，這樣提取得到的膠原蛋白仍保持完整的三螺旋結構，不過膠原蛋白的抗原性降低了，這樣更適合作為醫(yī)用生物材料及原料。因此，這是一種理想的膠原蛋白提取方式。

國內(nèi)外關于胃蛋白酶促溶法提取膠原蛋白的報道很多。Nagai等從單眼河豚和墨魚魚皮中提取的胃蛋白酶促溶性膠原蛋白（PSC）的提取率分別為44.7%和35%（以干基計）[26]。Ogawa等從多須石首魚和羊鯛魚皮中提取的PSC的提取率分別為15.8%和29.3%（以濕基計）[27]。Takeshi Nagai用胃蛋白酶從斑點觸魚皮提取得到PSC[28]；Akkasit Jongjareonrak從褐紅梅鯛中提取得到了PSC[29]。鐘朝輝[28]等用胃蛋白酶法提取了草魚魚鱗膠原蛋白，并對其基本特性進行了研究。

3 水產(chǎn)品膠原蛋白的性質

3.1 膠原蛋白的熱穩(wěn)定性

膠原蛋白氨基酸組成的差異導致膠原蛋白的性質有所不同。膠原蛋白中亞氨基酸的含量比較高時，其熱穩(wěn)定性也比較高[30]。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性通常是用膠原蛋白溶液的熱變性溫度（Td）和膠原纖維的熱收縮溫度（Ts）表示。研究表明，來源于哺乳動物的膠原蛋白的熱變性溫度較高，豬皮膠原蛋白的熱變性溫度為37℃，而來源于水生生物的膠原蛋白的熱變性溫度較低。日本鱸魚皮膠原蛋白的變性溫度為30℃，金槍魚皮膠原蛋白的變性溫度為29.7℃[6]，尼羅羅非魚魚皮膠原蛋白的變性溫度為28℃[18]。這是因為它們的亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）含量不同。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性可能與動物的生活溫度密切相關。

3.2 膠原蛋白的溶解性

作為化妝品的添加成分必須是可溶的，才有利于組織的吸收，因此，膠原蛋白用作化妝品原料的一個重要問題就是可溶性的問題。膠原蛋白的溶解性主要取決于膠原蛋白與水的相互作用以及水合作用程度，而水合程度又與蛋白質大分子中可電離的基團和親水基團的多少有關。

3.3 膠原蛋白的乳化性

膠原蛋白的乳化性是膠原蛋白應用于食品工業(yè)的一個重要指標。王碧等研究了水解膠原蛋白的乳化性，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、堿溶液中均有較高的乳化性和乳化穩(wěn)定性[31]。Toledano等研究了改性后的膠原蛋白的乳化性，發(fā)現(xiàn)在膠原蛋白鏈上接入芳香基團，可以提高膠原蛋白的乳化性[32]。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的很少。所以水產(chǎn)品膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性有待于進一步研究。

3.4 膠原蛋白的凝膠特性

膠原蛋白在一定條件下可以形成凝膠，這是膠原蛋白之間及膠原蛋白與溶劑之間相互作用的結果。凝膠強度的大小受各種因素的影響，如膠原蛋白的濃度、提取工藝、加熱溫度和時間、鹽濃度等。水解膠原蛋白因為分子質量較低，只具有較弱的凝膠能力，表現(xiàn)在膠原蛋白濃度較低的情況下不能形成凝膠，只有在高濃度時才具有形成凝膠的能力。因而膠原蛋白凝膠強度受溶液濃度的影響較大。近年來發(fā)現(xiàn)它們是制備互聯(lián)網(wǎng)絡聚合物的理想材料，將在新材料的研制開發(fā)方面具有特殊的作用。

4 膠原蛋白的應用

4.1 膠原蛋白在食品工業(yè)中的應用

在食品工業(yè)領域，膠原蛋白主要應用于功能食品、食品添加劑、食品包裝材料等方面。膠原的水解產(chǎn)物—明膠可用作肉制品改良劑，加入肉制品中可以改善結締組織的嫩度，使其具有良好的品質，增加蛋白質含量。魚明膠已廣泛用作罐頭、飲料、乳品、果酒中的增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、澄清劑等。魚膠原蛋白有其獨特的性質，是一種可以口服的蛋白，從深海魚類中精煉的魚膠原蛋白提取物，含有大量的黏多糖及豐富的膠原蛋白，被稱為“吃的化妝品”，穆源浦等[33]研究了魚膠原蛋白具有保持皮膚水分的作用。魚皮膠原蛋白應用于食品中，其污染少、安全性好、品質優(yōu)良、功效好。另外，膠原蛋白經(jīng)水解生成的膠原多肽具有低分子量的特性，可用作功能性食品添加劑。

4.2 膠原蛋白在醫(yī)藥工業(yè)中的應用

膠原作為生物醫(yī)學材料，具有低免疫源性、與宿主細胞及組織之間的協(xié)調作用、可生物降解性、止血作用等優(yōu)勢，可以作為組織的支持物，對細胞、組織乃至器官行使正常功能并對外傷修復具有重要作用。近年來，科學技術的迅速發(fā)展，加速并擴展了膠原蛋白在醫(yī)學上的新應用。如在治療骨折中，將膠原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮溶在檸檬酸緩沖液里制的膠原蛋白-PVP聚合物（C-PVP），用于受傷骨骼的加固不僅效果好，安全性也高，不會引起肝和腎的代謝紊亂，也不誘發(fā)人體產(chǎn)生抗C-PVP的抗體，還可用于治療尿不盡等方面的治療[34]。魚皮膠原蛋白有利于上皮細胞的增生修復，促進創(chuàng)面愈合，可廣泛用于燒傷和創(chuàng)傷的治療。

4.3 膠原蛋白在化妝品中的應用

哺乳動物皮膚膠原的溶解性較低，經(jīng)稀酸處理后得到的酸溶性膠原蛋白含量低。而魚皮經(jīng)稀酸處理后，得到的酸溶性膠原蛋白含量占總膠原的比例相當高。所以，較之哺乳動物，從魚皮中提取可溶性膠原蛋白用于生產(chǎn)化妝品可簡化工藝，節(jié)約成本[35]。由于膠原及其水解物與人體皮膚膠原的結構相似，相容性好，存在著離子鍵、氫鍵等相互作用，用它制備的材料可以擴散到皮膚的深層，對人的皮膚有很好的營養(yǎng)作用；同時因其分子中含有大量的羥基，故有著相當好的保濕作用；其分子中的氨基和羧基又賦予它一定的表面活性，這使得它與其它材料的相容性很好，且對皮膚無刺激性[36]。利用魚皮膠原蛋白的高度可溶性、親水性、乳化性等性質可以生產(chǎn)美容護膚品，如保濕乳液、保濕霜、洗面奶等。

5 前景展望

水產(chǎn)品膠原蛋白的來源廣泛，可由水產(chǎn)品加工企業(yè)每年產(chǎn)生大量的魚類副產(chǎn)物制得，如魚骨、魚皮、魚鰭和魚鱗，這些副產(chǎn)物的綜合利用越來越受到關注。江西省水產(chǎn)加工品總量從有統(tǒng)計記錄的1987年的0.54萬t增加至2008年的19.84萬t，年均增長12.76%。其中，烤鰻與凍熏鰻5300 t、鮰魚片2100 t。對水產(chǎn)加工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物進行高附加值利用，并實現(xiàn)工業(yè)化轉化，不僅能產(chǎn)生可觀的社會效益和經(jīng)濟效益，充分利用生物資源，“變廢為寶”，且對保護環(huán)境具有重大意義。

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