羅非魚皮膠原基生物醫(yī)用材料的制備與表征

王南平, 何蘭, 郭休玉，顧其勝

上海市水產(chǎn)研究所加工研究室(上海，200433)

羅非魚皮膠原基生物醫(yī)用材料的制備與表征

王南平, 何蘭, 郭休玉，顧其勝

上海市水產(chǎn)研究所加工研究室(上海，200433)

目的取自羅非魚皮制備符合醫(yī)用級(jí)膠原蛋白制品，供人體臨床使用。方法從羅非魚皮中藉分級(jí)分離提取純化獲得高純度膠原蛋白樣品，用 SDS-PAGE電泳，F(xiàn)I-IR紅外光譜，ELASA法以及掃描電鏡對(duì)該樣品進(jìn)行全面表征。羅非魚皮中分離獲得的膠原蛋白屬I型，羥脯氨酸含量為10.09%，膠蛋白蛋含量為98.47%，純度在95%以上，其抗原性低于牛膠原蛋白，其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度在26～28 ℃，熱溶解溫度都在42 ℃。結(jié)論結(jié)果表明，自羅非魚皮制備的膠原蛋白完全符合醫(yī)用級(jí)水平，可以安全地用于人體臨床的止血和修復(fù)。

膠原蛋白；醫(yī)用材料；修復(fù)

0 引言

膠原蛋白是動(dòng)物體內(nèi)含量最多且分布最廣的結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)[1]，由三條肽鏈組成的三螺旋結(jié)構(gòu)，這些都賦予它很多有用的特性，如：高拉伸強(qiáng)度，生物可降解性、低抗原活性、低刺激性和低細(xì)胞毒性以及促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的性能[2]，由于這些優(yōu)良的生物學(xué)性能使之成為一種重要的天然可降解生物醫(yī)用材料而被人體臨床廣泛應(yīng)用。

在低等動(dòng)物和哺乳動(dòng)物中均廣泛存在膠原蛋白。陸生動(dòng)物的豬、牛是主要的膠原蛋白來(lái)源，同樣，在水生動(dòng)物中，如魚、軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、棘皮動(dòng)物等都含有豐富的多重結(jié)構(gòu)類型的膠原蛋白。魚膠原蛋白主要分布在皮和鱗兩個(gè)部分，并主要以I型或I型的亞型結(jié)構(gòu)存在，在魚皮中膠原蛋白含量占粗蛋白含量的80%～90%[3]。

水生動(dòng)物的膠原蛋白與陸生動(dòng)物的膠原蛋白在結(jié)構(gòu)成份上的主要區(qū)別是亞基氨基酸含量。水生動(dòng)物膠原蛋白的亞氨基酸含量低于陸生動(dòng)物膠原蛋白，這可能是溫度條件的變化所致[4]。由該成分所引起肽鏈交聯(lián)度的變化、熱收縮溫度、玻璃化轉(zhuǎn)化溫度的變化，相應(yīng)都會(huì)影響膠原蛋白分離技術(shù)的實(shí)施，膠原的物理和生物學(xué)特征的改變。因此開展研究魚皮膠原的分離提取技術(shù)研究及其表征的研究，對(duì)于推進(jìn)魚膠原蛋白在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用是十分必要的。

1 材料與方法

1.1原料

羅非魚皮(Tilapia)取自廣東湛江遂溪水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，魚個(gè)體450～500 g/條，清洗去鱗取皮，去除附著魚肉和鰭，獲得200 g羅非魚皮，切成2 cm×2 cm小塊，備用。

1.2魚皮前處理

1.2.1 將切成小塊的羅非魚皮，放入0.1 mol/L 的NaOH溶液中，料液比1:10(w/v)連續(xù)攪拌(80 rpm)，水溫控制在4 ℃以下，每隔4 h更換一次堿液，重復(fù)4次，再用去離子水反復(fù)清洗至pH 6.5～7。

1.2.2 將堿處理后的魚皮放入4%濃度的NaCl溶液中，料液比 1:10(w/v)，連續(xù)攪拌(80 rpm)，水溫控制在4 ℃以下，每隔4 h更換一次鹽液，重復(fù)4次，再用去離子水反復(fù)清洗，將NaCl清洗干凈。

1.2.3 將鹽洗后的魚皮放入無(wú)水乙醇浸泡，料液比1:5，4 h后，更換無(wú)水乙醇，再用去離子水將乙醇反復(fù)清洗干凈。

1.3酸溶性膠原的分離

將魚皮搗碎放入0.5 mol/L的乙酸溶液中，料液比1:20(w/v)，攪拌(60 rpm)6 h后，用40目紗網(wǎng)過濾，去除殘?jiān)?。取濾液用冷凍高速離心機(jī)(HITACHI centrifuge CR20B2)離心，4 ℃，8 000 g，20 min。取上清液獲得酸溶性分離膠原ASC(acid-soluble collagen)。

將ASC膠液加入NaOH，將膠液調(diào)pH至5.5，再加入0.3%的胃蛋白酶，在4 ℃條件下連續(xù)攪拌48 h，再用NaOH調(diào)至pH值6.5，即獲得胃蛋白酶水解膠原PSC(pepsine-soluble collagen)，在PSC溶液里加入NaCl至終端濃度為4%，靜置4 h，然后低溫4 ℃條件下離心10 000 g，30 min，取沉淀的膠原。

1.4膠原的純化

將鹽析膠原加入純水，料液比1:4，攪拌(80 rpm)，將膠原重新溶解，裝入透析袋中透析，透析袋截留分子量為100 KD，透析外液為磷酸鹽緩沖液(85% 1/15 M Na2HPO4，15% 1/15 M KH2PO4，pH 7.5)，在4 ℃條件下透析3天，每12 h換透析外液一次，將經(jīng)透析純化的膠液用-60 ℃冷凍干燥機(jī)凍干。

1.5氨基酸測(cè)定

取一定量膠原蛋白樣品,在減壓充氮條件下用6 mol/L HC1 于110 ℃水解24 h。采用Agilent1100高效液相色譜儀對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

1.6SDS-PAGE電泳測(cè)定

參照Laemmli的電泳方法，將冷凍干燥的膠原蛋白溶于Tris-HCl緩沖液(50 m mol/L, pH 7.4, 25 ℃)，取400 μg/mL的膠原蛋白制品10 μL，加入10 μL 2×SDS樣品緩沖液。配制5%濃縮膠、8%分離膠，每孔加10 μL樣品液。在25 mA下電泳。電泳后考馬斯亮藍(lán)染色，脫色后掃描記錄。

1.7FT-IR紅外光譜測(cè)定

將一定量干燥的KBr和膠原蛋白凍干品置于瑪瑙研缽中，研磨均勻，成粉末狀，裝樣，手動(dòng)壓片，取出樣品小心放入樣品室。采用Nicolet-SX-170傅立葉紅外光譜儀對(duì)樣品在400～4 000/cm掃描，掃描信號(hào)累加200次，分辨率為4/cm。

1.8等電點(diǎn)測(cè)定

根據(jù)《中國(guó)藥典》2010第三部附錄IV等電聚焦電泳法測(cè)定膠原蛋白等電點(diǎn)。

1.9變性溫度測(cè)定

冷凍干燥的膠原蛋白樣品緊密裝入160 μL DSC測(cè)定用鋁盒，另一空鋁盒為對(duì)照，DSC掃描溫度范圍10～85 ℃，升溫速率2 ℃/min。

1.10酶聯(lián)免疫法檢測(cè)蛋白抗原性

取成年實(shí)驗(yàn)大鼠，按照7.2 mg/kg量進(jìn)行膠原蛋白腹部注射，培養(yǎng)1周時(shí)間，斷尾取血200 μL，自然凝固離心取上清，根據(jù)大鼠Ⅰ型膠原蛋白(COL-Ⅰ)酶聯(lián)免疫分析試劑盒說明書操作，測(cè)定大鼠血清、樣本中I 型膠原蛋白(COL-I)含量。

1.11電鏡

將干燥的膠原蛋白樣品用導(dǎo)電性好的粘合劑粘在金屬樣品臺(tái)上，然后放在真空蒸發(fā)器中噴鍍一層50～300 A°厚的金屬膜，用JSM-5610掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1羅非魚皮的基本成分

羅非魚皮主要化學(xué)成分是：水分67.4%，灰分1.3%(濕基)，蛋白質(zhì)28.4%(濕基)，脂肪1.1%(濕基)，這些基本成分與葉小燕(2008)所測(cè)得的數(shù)據(jù)基本相似。

2.2羅非魚皮膠原蛋白氨基酸組成

羅非魚皮膠原蛋白氨基酸組成如表1所示，其含量以每1 000個(gè)總氨基酸殘基中的殘基數(shù)表示。

表1 魚膠原蛋白的氨基酸組成Tab.1 Composition of amino acid in collagen of fish

表1的數(shù)據(jù)表明，膠原蛋白中不含有色氨酸和胱氨酸，甘氨酸約占氨基酸總量的1/3，符合膠原分子一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸G-X-Y的肽鏈組合特征，甘氨酸含量為33.4%，羥脯氨酸與脯氨酸之比為0.77，并且羥脯氨酸高于羥賴氨酸，具有I型膠原的氨基酸組成特點(diǎn)[1]。

表征膠原純度的氨基酸分析結(jié)果表明：羥脯氨酸10.03%≥9% ，色氨酸未檢出，符合醫(yī)用級(jí)膠原的技術(shù)要求。

羅非魚皮的亞基氨基酸含量為190殘基。由于淡水魚生活的水溫環(huán)境相似，鯉魚皮的亞基氨基酸186[6]結(jié)果基本一致。動(dòng)物之間的亞基氨基酸含量的差異與它們的生活環(huán)境差異有關(guān)，特別與棲息地的溫度有關(guān)。

2.3SDS-PAGE電泳分析

羅非魚皮膠原蛋白電泳如圖1所示。

圖1 羅非魚皮膠原蛋白SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE map of tilapia skin collagen

電泳如圖1所示4條肽鏈，分別為330.30 KD，263.64 KD，118.47 KD與109.64 KD。第一條帶顯示未解螺旋的膠原，即[α1]2[α2]，第二條帶顯示膠原蛋白的二聚體，第三條帶和第四條帶分別是α1、α2肽鏈，α1的分子量略大于α2，α1和α2肽鏈的分子量，與參考文獻(xiàn)[8-9](Huang Y, 2011)一致。

四條帶的純度分別為4.84%、48.37%、35.21%與10.05%，膠原含量為98.47%，符合醫(yī)用材料要求純度大于95%的要求。

2.4傅里葉紅外光譜

羅非魚皮膠原傅里葉變換紅外光譜圖見圖2、圖3。

圖2 羅非魚皮膠原傅里葉變換紅外光譜400～4000波數(shù) Fig.2 FTIR map of tilapia skin collagen (wave 400～4000)

圖3羅非魚皮膠原傅里葉變換紅外光譜1600～1700波數(shù)
Fig.3FTIRmapoftilapiaskincollagen(wave1600～1700)

酰胺A波峰數(shù)出現(xiàn)在3 416.19cm-1處，顯示N-H伸縮振動(dòng)，證明氫鍵的存在 。酰胺B波峰數(shù)出現(xiàn)在2 932.31cm-1處，表示CH2非對(duì)稱性振動(dòng)，是表述膠原蛋白與其它蛋白的特征。酰胺I波峰數(shù)出現(xiàn)在1 656.11cm-1處，表示C-O伸縮振動(dòng)。 酰胺II波峰數(shù)出現(xiàn)在1 553.27cm-1處，表示C-N伸縮振動(dòng)和N-H彎曲振動(dòng)。所示結(jié)果與(J.H.Muyonga 2004)所報(bào)告的結(jié)果相似。

因?yàn)轷０稩出現(xiàn)在1 600～1 690 cm-1波數(shù)帶，其對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化敏感，吸收強(qiáng)大，酰胺I帶為C=O伸縮振動(dòng)及其與N-H彎曲振動(dòng)、C-N伸縮振動(dòng)的結(jié)合，酰胺I帶和蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，可敏銳反應(yīng)膠原蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。

圖3應(yīng)用二階導(dǎo)數(shù)譜結(jié)合去卷積和曲線擬合處理方法，定量計(jì)算出膠原蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)。并且利用已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)對(duì)各個(gè)子峰進(jìn)行歸屬，結(jié)果見表2。

表2 羅非魚皮膠原蛋白二級(jí)導(dǎo)數(shù)擬合圖譜Tab.2 Secondary derivatve fitting map of Tilapia skin collagen

在分離純化魚皮膠原蛋白的工藝過程中，由于溫度波動(dòng)，化學(xué)試劑的影響會(huì)使膠原蛋白的三股肽鏈之間的氫鍵減弱，逐漸解螺旋，整個(gè)蛋白的無(wú)序結(jié)構(gòu)增加[1]。歸屬分析所表征的魚膠原二級(jí)結(jié)構(gòu)證明魚膠原和其它動(dòng)物膠原一樣由[α1]和[α2]肽鏈組成的三維螺旋結(jié)構(gòu)，α、β螺旋，折疊及由3個(gè)氨基酸構(gòu)成一個(gè)氫鍵閉合的螺旋環(huán)，并且未發(fā)現(xiàn)混亂結(jié)結(jié)構(gòu)，證明合理的分離方法可以保持魚皮膠原結(jié)構(gòu)完整性。

2.5膠原蛋白的變性溫度

由圖4、圖5可以看出，羅非魚皮膠原ASC玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為26.80 ℃，熱溶解溫度(Tm)為42.98 ℃；PSC玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為28.20 ℃，熱溶解溫度(Tm)為42.21 ℃。魚膠原蛋白的熱變性溫度多數(shù)低于30 ℃，(Senaratne 等, 2006)測(cè)定蟾魚皮膠原熱變性溫度為28 ℃。(Kimura Ohno,1987)測(cè)定冷水性魚如;阿拉斯加鱈魚皮膠原熱變性溫度為16.8 ℃。而哺乳動(dòng)物的豬皮膠原變性溫度是37 ℃(Nagai 等, 2008)。也同樣說明熱變性溫度與動(dòng)物體溫和環(huán)境溫度有關(guān)。

圖4 羅非魚皮膠原蛋白ASC DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 DSC result of tilapia skin ASC (acid-soluble collagen)

圖5 羅非魚皮膠原蛋白PSC DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 DSC result of tilapia skin ASC (pepsine-soluble collagens)

2.6膠原蛋白的等電點(diǎn)

等電點(diǎn)圖譜顯示羅非魚膠原PSC的等電點(diǎn)在6.8～7.01范圍，ASC在6.9～7.03范圍，ASC和PSC膠原等電點(diǎn)的變化估計(jì)是由于胃蛋白酶去除膠原端肽而引起的[14]。從膠原氨基酸的酸性和堿性情況分析，也可得出等電點(diǎn)應(yīng)該呈弱酸性。

圖6 膠原蛋白等電點(diǎn)圖譜 Fig.6 Isoelectric point map of Tilapia skin collagen

2.7魚膠原抗原性

用羅非魚膠原誘導(dǎo)大鼠產(chǎn)生抗體，用酶聯(lián)免疫分析計(jì)算得到大鼠血清中Ⅰ型膠原含量，結(jié)果見表3。

表3 酶聯(lián)免疫法測(cè)大鼠血清中Ⅰ型膠原含量的結(jié)果Tab.3 Result of collagen content in rat serum by Elisa

大鼠1型膠原酶聯(lián)免疫分析結(jié)果表明，用酶切除膠原蛋白端肽的酶溶性膠原(PSC)，在大鼠血清1型膠原的含量比酸溶性膠原低46.5%。證明膠原端肽是影響機(jī)體抗原的重要因素。表3的結(jié)果也顯示魚膠原比牛膠原具有更低的抗原性。

2.8電鏡分析

魚皮膠原蛋白掃描電鏡如圖7所示。

圖7 魚皮膠原蛋白掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM picture of Tilapia skin collagen

圖7所顯示的4幅掃描電鏡圖分別為2萬(wàn)，5萬(wàn)和10萬(wàn)倍，右上角圖清楚顯示膠原纖維的明暗交替排列，首尾相隨，平行排列。膠原分子為右手螺旋，3股肽鏈為左螺旋[15]，左上角圖呈現(xiàn)不同層膠原纖維的排列方向。

3 結(jié)論

本文從羅非魚皮中經(jīng)過嚴(yán)格的提取和純化工藝，獲得了高純度膠原蛋白樣品，這為制備醫(yī)用級(jí)水平的生物醫(yī)用材料奠定了十分重要的工藝基礎(chǔ)。該產(chǎn)品再通過上述全面的表征，進(jìn)一步了解和掌握了羅非魚皮膠原蛋白作為人體臨床用的醫(yī)療產(chǎn)品所必需具備的特性?，F(xiàn)簡(jiǎn)單歸總?cè)缦拢?/p>

(1)羅非魚魚皮膠原蛋白是I型膠原類型，表征的結(jié)果顯示未見與其它類型膠原之共存。

(2)形成膠原蛋白3股肽鏈之間穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)主要的作用力是氫鍵，由于羥脯氨酸的羥基參與肽鏈間氫鍵的形成，所以亞基氨基酸的含量影響膠原纖維的強(qiáng)度，水生動(dòng)物的亞基氨基酸含量低于陸生動(dòng)物，水生動(dòng)物的熱變性溫度也要低于陸生動(dòng)物。

(3) 影響動(dòng)物亞基氨基酸的主要因素是動(dòng)物的體溫與動(dòng)物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度。水生動(dòng)物不僅種類多樣性，而且生活環(huán)境多樣性，所以，暖水性魚和冷水性魚的亞基氨基酸也有較大差異。這就提示我們，在選擇水生動(dòng)物來(lái)源十分重要，且后需進(jìn)一步提升其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，接近與人體。

(4)魚膠原是能夠滿足生物醫(yī)用材料所要求的各項(xiàng)技術(shù)要求，在純度、雜蛋白含量、羥脯氨酸含量與氨基酸成分等方面度均能達(dá)到或超過相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并且在抗原性和安全性方面均優(yōu)于牛和豬膠原。作為一種新的優(yōu)良的醫(yī)用生物膠原材料，魚膠原蛋白確實(shí)值得大家重視與開發(fā)。

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ExtractingandCharacterizingMedicalGradedCollagenBasedBiomaterialUsingTilapiaMossambicaFishSkin

Wang Nanping, He Lan, Guo Xiuyu, Gu Qisheng

Shanghai Fisheries Research Institute Aquatic Prodncts Processing Lab(Shanghai,200433)

ObjectiveExtract medical grade collagen from Tilapia Mossambica fish skin for human clinical use.MethodsHigh purified collagens were obtained from Tilapia Mossambica fish skin through extraction fractionation and purification. SDS-PAGE, FI-IR, ELASA and Electrical Microscopy were used to characterize the extracted collagens.ResultsCollagen extracted from Tilapia Mossambica are type I collagen with purity being higher than 95%. The collagen contains 10.09% hydroxyproline and 98.47% collagen.Results show that antigenicity of the collagen is lower than bovine based collagen. Its glass transition point is at 26-28 ℃ and melting point 42 ℃, respectively.ConclusionFrom the testing results, it can be concluded that collagen extracted from Tilapia Mossambica fish skin meets the requirements of medical grade biomaterial. Collagen based material can be used in human clinical as bleed stop and repair material.

collagen, medical materials, remediation

10.3969/j.issn.1674-1242.2014.03.005

上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目滬農(nóng)科攻字(2012)

第 4-4 號(hào)

王南平，教授級(jí)高工，主要從事水產(chǎn)品精深加工研究，E-mail：yujiash@hotmail.com

R318.08

A

1674-1242(2014)03-0146-06

2014-06-23)