羅非魚膠原蛋白4種制備方法比較研究

韓瑋, 邢瀚文, 施文正,2,3, 李曉暉,2,3

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(上海)，上海 201306)

膠原蛋白是一類生物高分子，是動物結(jié)締組織中的主要成分，它能使腱、骨、軟骨、牙、皮和血管等結(jié)締組織具有機械強度，起著支撐器官和保護機體的作用。目前膠原蛋白的應(yīng)用已經(jīng)涉及食品工業(yè)、生物制藥、醫(yī)療保健、美容化妝、組織工程等領(lǐng)域[1]。中國水產(chǎn)資源豐富，漁業(yè)是中國發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。魚類加工過程中會產(chǎn)生大量的廢物，切片后的魚類加工廢物約占魚總質(zhì)量的75%[2-3]，許多水產(chǎn)品包括其加工后的廢棄物含有豐富的膠原蛋白，可以成為提取膠原蛋白的良好來源。如果將這些廢棄物丟掉，不僅污染環(huán)境，還對資源造成極大的浪費。根據(jù)2017年發(fā)布的《中國羅非魚產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》報道，中國是目前世界上第一大羅非魚的生產(chǎn)國和出口國，受貿(mào)易和消費者習(xí)慣的影響，羅非魚加工企業(yè)生產(chǎn)成本上升、利潤下降，內(nèi)銷市場開拓不足。因此，利用羅非魚皮生產(chǎn)膠原蛋白，不但可以增加產(chǎn)品的附加值，而且能夠減少生產(chǎn)哺乳動物膠原蛋白產(chǎn)生的安全和宗教問題。已經(jīng)報道的魚類膠原蛋白的提取有很多方法，各有優(yōu)劣點。其中，熱水法提取的膠原蛋白凝膠特性好，但是由于提取過程溫度較高，大部分膠原蛋白變?yōu)槊髂z[4]。酸法提取對膠原蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響小，產(chǎn)物凝膠強度好，穩(wěn)定性強，但是生產(chǎn)周期較長，對設(shè)備腐蝕嚴重，容易產(chǎn)生二次污染[5]。堿法提取膠原蛋白降解為多肽，易吸收，缺點是易導(dǎo)致膠原蛋白變性，過程中易產(chǎn)生消旋混合物，危害人體健康，且周期長，污染重，得率低[6]。酶法提取反應(yīng)條件比較溫和，受酶的種類和反應(yīng)條件的影響比較大，產(chǎn)品主要是膠原蛋白肽[7]。而采用微生物發(fā)酵的方法提取膠原蛋白，不同于傳統(tǒng)的方法，將去除雜蛋白和脂肪，提取膠原蛋白通過發(fā)酵一步實現(xiàn)，極大程度地簡化了工藝，節(jié)約了成本，而且不用加入任何化學(xué)試劑，不會帶來環(huán)境污染問題。

本研究以羅非魚加工過程中產(chǎn)生的魚皮為原料，利用實驗室分離得到的一株具有較高膠原蛋白酶活力的芽孢桿菌，通過發(fā)酵法提取制備膠原蛋白，并與常見的熱水提取、酸提取和堿提取方法的得率進行比較，通過紫外吸收峰、紅外光譜和氨基酸測定對發(fā)酵法得到的膠原蛋白進行鑒定，并對發(fā)酵法獲得的膠原蛋白各項理化性質(zhì)進行測定和比較，以期為羅非魚皮來源的膠原蛋白的加工利用提供參考，進一步推動淡水魚皮資源的深加工。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑 羅非魚干魚皮購自市場；其他試劑均為分析純，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供。

1.1.2 培養(yǎng)基 營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基：青島海博生物有限公司；種子培養(yǎng)基：粉碎魚皮1 g·L-1；牛肉膏3 g·L-1；蛋白胨10 g·L-1；NaCl 5 g·L-1；pH 7.2～7.4。

1.1.3 菌株來源Bacillussp. H3，由本實驗室(農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室)分離鑒定，現(xiàn)保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏編號為：CGMCC 15830。

1.1.4 主要儀器 YP電子天平，常州市宏衡電子儀器廠；DK-8D型電熱恒溫水槽，上海一恒科技有限公司；FW100型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；MH-1型微量振蕩器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；UV-1800PC型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；IS5紅外光譜儀，Thermo Scientific Nicolet；SW-CJ-2F雙人雙面垂直送風(fēng)潔凈工作臺，上海天恒醫(yī)療器械有限公司；L-8800氨基酸自動分析儀，日本Hitachi公司；立式壓力蒸汽滅菌器，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；MERAEUS PICO 17 Centrifuge，Thermo Scientific；THZ-82(A)氣浴恒溫振蕩器，金壇市科析儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 羅非魚皮預(yù)處理 將干魚皮剪成0.5 cm×0.5 cm左右小塊，用粉碎機進行粉碎。取5 g魚皮粉加入100 mL生理鹽水中，進行攪拌，浸泡1 h，使魚皮軟化，4層紗布過濾，除去鹽溶性雜質(zhì)。用去離子水清洗，瀝干。將清洗后的魚皮浸泡于100 mL乙醇中進行攪拌，并浸泡3 h，4層紗布過濾，去除脂肪[4]。然后用去離子水清洗，瀝干，備用。

1.2.2 膠原蛋白的提取

1.2.2.1 熱水法提取 將5 g魚皮預(yù)處理好后與100 mL去離子水混合，在60 ℃水浴條件下提取6 h[5]。離心后過濾，取上清液，得到膠原蛋白粗提液。將樣品進行真空冷凍干燥，得到熱水法制備膠原蛋白。

1.2.2.2 酸法提取 取5 g魚皮經(jīng)過預(yù)處理，加入100 mL 0.5 mol·L-1的冰乙酸溶液中，提取24 h[6]。離心后過濾，取上清液，調(diào)節(jié)pH至中性，即膠原蛋白粗提液。經(jīng)過真空冷凍干燥，得到酸法制備膠原蛋白。

1.2.2.3 堿法提取 取5 g魚皮預(yù)處理，加入100 mL 1.5%的NaOH溶液[8]，提取24 h，離心后過濾，取上清液，調(diào)節(jié)pH至中性，即膠原蛋白粗提液。經(jīng)過真空冷凍干燥，得到堿法制備膠原蛋白。

1.2.2.4 微生物發(fā)酵法提取 將Bacillussp.H3從甘油保藏管中接入營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中，37 ℃培養(yǎng)24 h進行活化。將活化好的菌種接種于種子培養(yǎng)基中，37 ℃、160 r·min-1搖床培養(yǎng)24 h，制得種子液。將處理好的魚皮5 g與125 mL去離子水混合，滅菌，作為發(fā)酵培養(yǎng)基。在無菌條件下，接入6%的種子液。放置于37 ℃，160 r·min-1搖床培養(yǎng)24 h。離心后過濾，取上清液，得到膠原蛋白粗提液[9]。將樣品進行真空冷凍干燥，得到發(fā)酵法制備膠原蛋白。

1.2.3 得率測定 稱取一定量膠原蛋白樣品，加入6 mol·L-1的HCl 105 ℃水解24 h，采用ISO3496—1978法，稀釋后測吸光度，測定樣品中羥脯氨酸含量[10]。并按照以下公式[11]計算得率：

得率(%)=(m1×11.1×c)/m2×100

式中：m1為測得樣品中羥脯氨酸質(zhì)量(g)；11.1為羥脯氨酸和膠原蛋白換算系數(shù)；c為稀釋倍數(shù)；m2為魚皮質(zhì)量(g)。

1.2.4 膠原蛋白結(jié)構(gòu)間鑒定

1.2.4.1 紫外全波長掃描 分別取適量干燥的4種膠原蛋白樣品溶于0.5 mol·L-1的冰乙酸溶液中，配制成1.0 g·L-1的膠原蛋白溶液，以0.5 mol·L-1的醋酸溶液作空白對照。在200～400 nm近紫外光區(qū)對膠原蛋白溶液進行掃描，分辨率為0.5 nm。

1.2.4.2 傅里葉變換紅外光譜掃描 分別取適量干燥的4種樣品與干燥的KBr于瑪瑙研缽中研磨均勻，裝樣，手動壓片，取出樣品迅速小心放入樣品室，用Thermo Scientific Nicolet iS5紅外光譜儀在4 000～500 cm-1范圍內(nèi)進行檢測，分辨率為0.5 cm-1[12]。

1.2.4.3 氨基酸組成分析 采用GB 5009.124—2016[13]的方法處理膠原蛋白樣品，測定樣品中氨基酸含量。氨基酸自動分析儀條件：色譜柱4.6 mm×60 mm，分離樹脂為陽離子交換樹脂，柱溫度57 ℃，檢測波長為570 nm，1通道緩沖溶液流速0.40 mL·min-1，反應(yīng)液為茚三酮試劑，2通道反應(yīng)液流速0.35 mL·min-1，進樣量為20 μL[14]。

1.2.5 膠原蛋白性質(zhì)測定

1.2.5.1 溶解度 取一定量的膠原蛋白溶于0.5 mol·L-1乙酸溶液中，配制成3 g·L-1的膠原蛋白溶液。取5 mL膠原蛋白溶液，加入5 mL不同質(zhì)量濃度的NaCl溶液，使最終膠原蛋白溶液中NaCl質(zhì)量濃度分別為0、10、20、30、40、50、60、80、100 g·L-1。將膠原蛋白溶液攪拌1 h，10 000 r·min-1離心20 min，取上清液，采用福林酚法測定膠原蛋白含量[15]。相對溶解度為上清液中蛋白含量與上清液中最高蛋白含量之比。

1.2.5.2 膠原蛋白的吸水性和吸油性[16]稱取0.25 g樣品與4 mL水于10 mL離心管中，渦旋快速混合30 s后，室溫靜置30 min，以5 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心30 min。按下列公式計算吸水性：

吸水性(mL·g-1)=(4-VW)/0.25

式中：VW指上清液體積。

稱取0.25 g樣品與4 mL大豆油于10 mL離心管中，渦旋快速混合30 s后，室溫靜置30 min，以5 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心30 min，記錄上清液體積V0。按下列公式計算吸油性：

吸油性(mL·g-1)=(4-V0)/0.25

式中：V0指上清液體積。

1.2.5.3 膠原蛋白的持水性 持水性是指蛋白質(zhì)保持水分的能力。取10 mL 10 g·L-1膠原蛋白溶液于培養(yǎng)皿中，置于37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中溫浴，在120 min內(nèi)每隔20 min測量一次保留水與最初水分的比例。持水性按下式計算：

持水性(%)=(m1/m0)×100

式中:m1為膠原蛋白保留水量(g)；m0為最初水分質(zhì)量(g)。

1.2.5.4 膠原蛋白的乳化性[16]稱取1 g樣品溶于50 mL蒸餾水中，調(diào)節(jié)pH值為7。再加入50 mL大豆油，均質(zhì)2 min，取50 mL混合液轉(zhuǎn)移到50 mL刻度離心管，將離心管中樣品溶液在1 500 r·min-1的速度下離心5 min，以乳化層體積占總體積的比例計算乳化性。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 每次試驗均重復(fù)3次，采用Excel 2003作圖，采用SPSS statistics 16.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同制備方法得到的膠原蛋白得率的比較

羥脯氨酸是膠原蛋白的特征氨基酸，所以通過測定羥脯氨酸含量計算膠原蛋白得率。羥脯氨酸質(zhì)量分數(shù)作為橫坐標，吸光度設(shè)置成縱坐標繪制標準曲線。得到標準曲線的回歸方程為y=0.170 8x-0.004 8，R2=0.998 4。根據(jù)得率計算公式計算各提取方法中膠原蛋白的含量。圖1顯示了發(fā)酵法、酸法、熱水法、堿法制備的膠原蛋白得率，依次分別為(87.13±5.94)% >(79.62±4.45)% >(71.95±7.62)% >(54.88±5.80)%。發(fā)酵法和酸法得率較高，且發(fā)酵法顯著高于熱水法和堿法(P<0.05)。

2.2 不同制備方法得到的膠原蛋白的紫外光譜分析

4種膠原蛋白樣品的紫外光譜如圖2所示，4種膠原蛋白均在230 nm波長處有明顯的吸收峰，酸法、熱水法、發(fā)酵法制備的膠原蛋白吸收峰形態(tài)比較均一，而堿法制得的膠原蛋白在280 nm左右存在一個比較明顯的吸收峰。

注：不同的小寫字母表示存在顯著性差異，P<0.05。

圖2 不同方法制備的膠原蛋白的紫外光譜

2.3 不同制備方法得到的膠原蛋白的傅里葉變換紅外光譜掃描結(jié)果

由圖3所示，熱水法、堿法、酸法和發(fā)酵法膠原蛋白樣品分別在3 324 cm-1、3 305 cm-1、3 318 cm-1和3 306 cm-1處有強吸收，符合酰胺A的特征吸收。熱水法、酸法、發(fā)酵法膠原蛋白樣品的酰胺B吸收峰均位于2 937 cm-1處，堿溶性膠原蛋白的吸收峰位于2 961 cm-1。酸法和發(fā)酵法提取的膠原蛋白的酰胺Ⅰ的吸收峰均位于1 656 cm-1處，堿溶性膠原蛋白的酰胺Ⅰ的吸收峰位于1 655 cm-1，水溶性膠原蛋白的酰胺Ⅰ的吸收峰位于1 651 cm-1。熱水法、堿法、酸法和發(fā)酵法樣品酰胺Ⅱ帶的吸收峰分別位于1 536 cm-1、1 542 cm-1、1 539 cm-1和1 540 cm-1。熱水法、酸法和發(fā)酵法三者的酰胺III帶均于1 239 cm-1存在明顯的吸收峰，堿法于1 241 cm-1存在明顯的吸收峰。

圖3 不同方法制備的膠原蛋白的紅外光譜

酰胺A表明魚皮膠原蛋白肽鏈間存在氫鍵，且發(fā)酵法和堿法提取物有更多的N-H基團參與氫鍵的形成；酰胺B吸收峰體現(xiàn)膠原蛋白分子與其他一般蛋白質(zhì)分子的特異性；酰胺Ⅰ帶是膠原蛋白分子二級結(jié)構(gòu)的特征吸收；酰胺Ⅱ帶是C-N伸縮振動與膠原蛋白N-H彎曲振動的反映，也說明發(fā)酵法和堿法提取的膠原蛋白的3條α-肽鏈結(jié)合得更緊密。酰胺Ⅲ吸收峰的存在可以表明膠原蛋白的三維螺旋結(jié)構(gòu)能夠保持完整[17-18]。因此，紅外圖譜說明了這4種方法制備的膠原蛋白具有完整的三螺旋結(jié)構(gòu)，且在二級結(jié)構(gòu)上不存在較大差異。

2.4 不同制備方法得到的膠原蛋白氨基酸組成分析

氨基酸組成方面，膠原蛋白均富含甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸，這是由于膠原蛋白多肽鏈很長的區(qū)段序列是由(-Gly-X-Y-)氨基酸序列重復(fù)而成。其中，羥脯氨酸作為膠原蛋白中的特征氨基酸，可促進膠原蛋白α鏈間氫鍵的形成，它在膠原蛋白分子3級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性中起到非常重要作用[19]。

由表1可知，4種方法制備的樣品均具有天然膠原蛋白的特征組成氨基酸，檢測得到的17種氨基酸中甘氨酸含量最高，亞氨基酸脯氨酸和羥脯氨酸的含量20%左右，它們是組成膠原蛋白的特征氨基酸。在其他氨基酸中，酪氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸的含量相對較低。而堿法制備的膠原蛋白氨基酸組成與其他3種樣品在氨基酸組成上存在較大差異。其中甘氨酸、精氨酸含量低于其他3種樣品，而芳香族氨基酸酪氨酸和苯丙氨酸含量較高。

2.5 不同制備方法得到的膠原蛋白的溶解性

由圖4可知，4種方法制備的膠原蛋白的溶解性在NaCl質(zhì)量濃度由20 g·L-1升高到40 g·L-1時，溶解性顯著降低(P<0.05)。當NaCl的質(zhì)量質(zhì)量濃度相同時，樣品溶解性從大到小排序為：發(fā)酵法>堿法>酸法>熱水法。其中，發(fā)酵法樣品在40 g·L-1到100 g·L-1范圍時，溶解性均大于40%。

表1 不同方法制備的膠原蛋白氨基酸組成Table 1 Amino acid composition of collagen extracted by different methods %

圖4 NaCl質(zhì)量濃度對膠原蛋白溶解性的影響

2.6 不同制備方法得到的膠原蛋白的吸水性和吸油性

4種方法提取的膠原蛋白吸水性和吸油性結(jié)果如圖5所示。4種方法制備的膠原蛋白均具有一定的吸水性和吸油性。其中，堿法提取得到的膠原蛋白的具有最高的吸油性，酸法提取制備的膠原蛋白吸水性顯著低于其他3種(P<0.05)。

2.7 不同制備方法得到的膠原蛋白的持水性

由圖6可知，隨著時間的延長，膠原蛋白持水性均有所下降。140 min時，發(fā)酵法提取所得膠原蛋白持水性最好，仍可以達到(62.71±5.14)%，其次是堿法、酸法。熱水法制備的膠原蛋白持水性最差，只有(51.94±4.78)%。

注：不同的小寫字母表示吸水性/吸油性之間存在顯著性差異，P<0.05

圖6 不同方法制備的膠原蛋白的持水性比較

2.8 不同制備方法得到的膠原蛋白的乳化性

4種方法提取的膠原蛋白均具有一定的乳化性。由圖7可以看出，乳化性從大到小依次分別是發(fā)酵法、熱水法、堿法和酸法提取的膠原蛋白，分別為(66.25±3.31)%、(60.38±3.44)%、(55.83±3.15)%和(55.14±8.68)%。其中發(fā)酵法乳化性最強，且與酸法和堿法比較存在顯著性差異(P<0.05)。

注：不同的小寫字母表示存在顯著性差異，P<0.05。

3 結(jié)論與討論

目前制備膠原蛋白的原料主要是陸生哺乳動物，如牛、豬的骨和皮，但是由于瘋牛病、口蹄疫等疾病的爆發(fā)，人們對這些陸生哺乳動物制成的膠原蛋白的安全性產(chǎn)生了疑慮；同時，由于宗教方面的原因，一部分人排斥或拒絕使用從豬身上獲得的膠原產(chǎn)品，這使得傳統(tǒng)來源膠原蛋白的應(yīng)用受到限制。魚類膠原蛋白以Ⅰ型膠原蛋白為主，具有較高的分散性、凝膠性、黏度、吸水性、持水性以及乳化性等特點，具有較高的抗壓強度，可以作為一種安全的美容護膚材料和食品功能配料[20]。

本研究分別采用酸法、堿法、微生物發(fā)酵法和熱水法提取羅非魚魚皮膠原蛋白，并比較了各方法提取的膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特性。紫外光譜表明4種提取方法得到的膠原蛋白在230 nm波長處有明顯的吸收峰，這與膠原蛋白的紫外吸收特征一致。酸法和發(fā)酵法提取對膠原蛋白螺旋結(jié)構(gòu)影響最小，因此膠原蛋白得率高；堿法提取膠原蛋白時會破壞氨基酸，堿法得到的膠原蛋白在240～280 nm處有明顯的吸收峰，說明提取的膠原蛋白純度低，氨基酸測定的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿法提取的酪氨酸和苯丙氨酸含量最高，與文中紫外吸收測定情況相符合。微生物發(fā)酵法提取成本低、效率高，而且得率高，具有一定優(yōu)勢，曹夢霞等[21]利用混合微生物發(fā)酵，對鱈魚皮膠原蛋白進行水解制備魚皮多肽，同時祛除魚腥味，大大提高了原料魚的利用率。馬麗杰等[22]采用微生物發(fā)酵法制備魚皮膠原蛋白，并進行復(fù)合發(fā)酵以研究脫腥工藝，以水解度和感官腥味為指標，得到了最佳發(fā)酵菌種組合及發(fā)酵條件，但缺少了對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的測定。而本研究采用的發(fā)酵工藝得率較高，膠原蛋白結(jié)構(gòu)完整，性質(zhì)優(yōu)良，可以為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

由于存在鹽析效應(yīng)，NaCl的質(zhì)量濃度對膠原蛋白的溶解性有較大影響。4種提取方法得到的溶解性變化趨勢比較一致，這與陳麗麗等[19]的研究結(jié)論一致。相比其他3種方法，發(fā)酵法制得的膠原蛋白具有較高的溶解性，這可能與經(jīng)過發(fā)酵后膠原蛋白的相對分子質(zhì)量降低有關(guān)，后續(xù)將對制備的膠原蛋白的相對分子質(zhì)量分布情況和相關(guān)的活性功能進行進一步的研究。

蛋白質(zhì)對油脂的吸附有一定作用。4種方法制備的膠原蛋白吸油性均大于吸水性，說明膠原蛋白的疏水基團含量高于親水基團含量[23]，而吸油性強的膠原蛋白可用于需要保留油脂的奶制品、肉制品等食品中[24]。蛋白質(zhì)的持水能力受蛋白濃度、離子強度、相對濕度與溫度等環(huán)境因素的影響很大。持水性測定結(jié)果表明，發(fā)酵法制備的膠原蛋白具有較好的持水性和乳化性，可以應(yīng)用于化妝品保濕、乳化劑制作人造奶油，也可以作為穩(wěn)定劑加入酸奶和乳酪中，降低脫水收縮作用等。

本研究發(fā)現(xiàn)微生物發(fā)酵法制備膠原蛋白的得率最高，4種方法制備的膠原蛋白均具有完整的三螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)酵法、酸法和熱水法膠原蛋白樣品純度較高，氨基酸組成相似，且發(fā)酵法制備的膠原蛋白吸油性大于吸水性，并具有較高的溶解性、持水性和乳化性。微生物發(fā)酵法作為一種較為新穎的膠原蛋白提取技術(shù)，值得大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和多領(lǐng)域應(yīng)用。