水產(chǎn)蛋白源明膠的研究進(jìn)展

王珊珊，劉楠，孫永，周德慶，2，*

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島266237）

通常人們所稱的膠原蛋白，一般是指天然三螺旋結(jié)構(gòu)得到最大程度保留的未變性膠原。明膠是膠原在高溫或酸、堿、酶等條件作用下部分水解得到的大分子物質(zhì)。盡管這兩種物質(zhì)具有同源性，在氨基酸組成上具有相似性，但是它們在制備工藝、理化性質(zhì)及應(yīng)用前景上存在很大差異[1]。近年來全球?qū)γ髂z的需求量持續(xù)增長，由于瘋牛病及口蹄疫等人畜共患疾病的傳播，傳統(tǒng)來源膠原蛋白的安全性受到消費(fèi)者的質(zhì)疑；此外，由于部分地區(qū)的宗教及風(fēng)俗原因，豬、牛來源的明膠在應(yīng)用上受到巨大限制[2]。因此，越來越多的研究致力于尋找陸源哺乳動物明膠的替代品。

在過去的十幾年里，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖、遠(yuǎn)洋捕撈及水產(chǎn)加工業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量富含膠原的加工副產(chǎn)物（魚皮、魚骨、魚鱗、魚鰭等）。這些副產(chǎn)物約占原料總量的50%～80%，在加工結(jié)束后通常被直接丟棄或被制成低值魚粉充當(dāng)動物飼料，不僅是對環(huán)境的巨大污染，也造成了資源的極大浪費(fèi)[3]。因此，如何促進(jìn)水產(chǎn)加工副產(chǎn)物的高值化開發(fā)、降低環(huán)境污染、提高水產(chǎn)蛋白源明膠產(chǎn)量及其品質(zhì)，成為當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn)[4-6]。本文將對國內(nèi)外近年來報(bào)道的水產(chǎn)蛋白源明膠的制備、凝膠性質(zhì)、改性及應(yīng)用開發(fā)等工作展開綜述，以期為水產(chǎn)加工副產(chǎn)物的高值化利用與尋找更好的陸源哺乳動物明膠替代品提供理論基礎(chǔ)。

1 水產(chǎn)蛋白源明膠的制備工藝

明膠的制備通常包括原料預(yù)處理、溶脹、提取和干燥4個(gè)步驟。幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的原料預(yù)處理、溶脹和抽提的主要工藝條件見表1。

表1 幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的制備工藝Table 1 Extraction process of aquatic gelatin

膠原纖維在動物組織中緊密交聯(lián)，單純的熱處理無法有效破壞組織中的氫鍵和共價(jià)鍵，因此需使用酸/堿溶液進(jìn)行溶脹以打開端肽區(qū)的共價(jià)交聯(lián)以及蛋白分子內(nèi)與分子間的氫鍵、共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵[6]。此外，還可通過添加蛋白酶對端肽區(qū)進(jìn)行酶解，以提高原料的溶脹效率。Norziah等使用0.1 mol/L醋酸溶液（含菠蘿蛋白酶0.3 g/L）對帶魚（L.savel）魚糜加工下腳料溶脹處理1.5 h[8]。Ktari等使用0.1 mol/L甘氨酸-HCl溶液（pH 2.0，含胃蛋白酶 15 U/g）對鳚魚（S.basilisca）魚皮溶脹處理18 h[12]。

熱水抽提是最常見的明膠提取方法，通過高溫對蛋白分子間與分子內(nèi)的氫鍵和共價(jià)交聯(lián)、以及初級結(jié)構(gòu)的酰胺鍵進(jìn)行部分水解，將三螺旋結(jié)構(gòu)破壞為無規(guī)則卷曲狀態(tài)，使蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軤顟B(tài)而溶解于熱水中。超高壓處理是在熱水抽提的基礎(chǔ)上，通過高壓使原料組織結(jié)構(gòu)和蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生松弛和變性，以提高產(chǎn)品得率。Gómez-Guillén等采用超高壓輔助方法提取鰈魚（S.vulgaris）魚皮明膠，在 250、400 MPa高壓條件下處理10 min～20 min能夠有效提高明膠的提取率[9]。

2 水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性

從狹鱈等生活在寒冷水域的原料中制備的樣品凝膠點(diǎn)大約在4℃至14℃，溶膠點(diǎn)大多低于22℃，凝膠強(qiáng)度數(shù)值大多約為100 g或低于100 g。相對于冷水魚，從熱帶及溫帶水域原料中制備的樣品凝膠性能相對較好，凝膠點(diǎn)約在17℃至22℃，溶膠點(diǎn)則在23℃至29℃，凝膠強(qiáng)度數(shù)值可超過200 g。目前商品化的豬皮或牛皮明膠凝膠強(qiáng)度一般在300 g～400 g，凝膠點(diǎn)大多在20℃至25℃，溶膠點(diǎn)在28℃至31℃[4]。凝膠強(qiáng)度是評價(jià)明膠品質(zhì)的重要指標(biāo)。不同來源的明膠凝膠強(qiáng)度差異較大，主要與不同物種之間亞氨酸（脯氨酸與羥脯氨酸）含量的差異有關(guān)[21]。Leuenberger等研究發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠強(qiáng)度普遍低于陸源哺乳動物明膠，但其黏度相對較高[22]。幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性如表2所示。

除了原料的物種差異性外，在明膠制備過程中酸/堿溶脹條件、提取溫度、提取時(shí)間等因素均能影響蛋白的分子結(jié)構(gòu)與相對分子量，從而對其凝膠性能造成影響。Nikoo等研究發(fā)現(xiàn)，使用0.05 mol/L醋酸溶液對史氏鱘（A.schrenckii）魚皮溶脹3 h后所制備的樣品凝膠強(qiáng)度為141 g；在相同條件下當(dāng)醋酸溶液濃度提高到0.20 mol/L時(shí)，所制備的樣品凝膠強(qiáng)度降低至105 g[23]。Kittiphattanabawon等以黑鰭鯊（C.limbatus）魚皮為原料，發(fā)現(xiàn)在45℃下提取6 h時(shí)樣品凝膠強(qiáng)度高達(dá)206 g；在75℃下提取12 h時(shí)樣品凝膠強(qiáng)度則迅速降低至25 g以下[32]。明膠中α鏈的含量對凝膠性能影響很大，劇烈的制備條件會使α鏈過度降解，致使蛋白在凝膠化過程中無法形成有序交聯(lián)，從而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度的下降。

表2 幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性Table 2 Gelling properties of aquatic gelatin

3 水產(chǎn)蛋白源明膠的改性

雖然水產(chǎn)蛋白源明膠來源豐富、成本低廉，但相對較低的機(jī)械強(qiáng)度導(dǎo)致其不可完全替代陸源哺乳動物明膠，限制了其在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此需要使用物理、化學(xué)或共混改性等方法來進(jìn)行明膠改性，以滿足其在實(shí)際應(yīng)用中的需求。

物理改性通常包括紫外輻射、超高壓處理等方法，其特點(diǎn)是不引入外源性物質(zhì)。Montero等研究表明超高壓能夠顯著提高冷水魚大西洋鱈（G.morhua）魚皮明膠的凝膠強(qiáng)度，但對溫水魚鰈魚（L.boscii）魚皮明膠的凝膠強(qiáng)度無明顯改善[41]。Otoni等發(fā)現(xiàn)中波紫外線處理能夠同時(shí)提高鱈魚與羅非魚魚皮明膠的凝膠強(qiáng)度與黏度[42]。Bhat等發(fā)現(xiàn)紫外線照射魚皮明膠60 min能夠有效提高該明膠的凝膠強(qiáng)度，但明膠黏度有所降低，樣品熔融焓有所改變[43]。

化學(xué)交聯(lián)是目前應(yīng)用最為廣泛的改性方法。其中，醛類物質(zhì)對明膠性能提升效果十分顯著，能夠與蛋白中的自由氨基發(fā)生快速反應(yīng)形成Schiff堿結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)在于經(jīng)過改性的凝膠在使用過程中一旦發(fā)生降解則有可能產(chǎn)生毒性物質(zhì)，因此在應(yīng)用方面受到了限制。天然生物交聯(lián)劑由于具有更好的安全性和細(xì)胞相容性受到研究者們的青睞。Chiou等研究表明在較高的pH值條件下，京尼平能夠加快狹鱈（T.chalcogramma）與鮭魚（T.chalcogramma）明膠樣品的交聯(lián)速度[44]。Gómez-Guillén等研究發(fā)現(xiàn)添加適量谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TGase）能夠有效提高鰈魚（L.boscii）明膠樣品的凝膠強(qiáng)度、溶膠點(diǎn)、彈性和凝聚性；但TGase的過量添加可能會導(dǎo)致凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過快形成，從而降低樣品的凝膠強(qiáng)度和硬度[6]。Yan等研究發(fā)現(xiàn)沒食子酸與蘆丁能夠明顯提高狹鱈（T.chalcogramma）魚皮明膠的凝膠強(qiáng)度、彈性模量（G’）和黏性模量（G’’），紅外光譜分析表明沒食子酸與蘆丁可能與蛋白分子C-N-C部分發(fā)生氫鍵或疏水相互作用，也可與羧基形成氫鍵[45]。

此外，多項(xiàng)研究表明一些不與明膠反應(yīng)的化合物與明膠共混形成多元體系，同樣能夠改善樣品的凝膠性能。Baddi等以 3∶10（質(zhì)量比）在竹莢魚（T.trachurus）魚皮明膠中添加卵清蛋白，樣品的凝膠強(qiáng)度得到明顯的提高[1]。Pranoto等研究發(fā)現(xiàn)κ-卡拉膠與結(jié)冷膠的添加能夠提高商品化魚皮明膠的凝膠溶膠點(diǎn)，其中結(jié)冷膠的效果更為顯著[46]。

4 水產(chǎn)蛋白源明膠的應(yīng)用

4.1 在食品工業(yè)中的應(yīng)用

水產(chǎn)蛋白源明膠，尤其是從冷水魚中制備的明膠熱量低、溶膠點(diǎn)低于人體的生理溫度，易于融化在口中帶來類似于脂肪融化的口感，因此可以用于冷凍及冷藏食品的加工（例如冰激凌、酸奶和低脂涂抹食品等），同時(shí)能夠降低原料的生產(chǎn)成本[4]。水產(chǎn)蛋白源明膠還可作為軟膠囊及微膠囊的壁材，用于對食品調(diào)味料（例如蒜香味調(diào)味粉、蘋果味調(diào)味粉、黑胡椒粉等）及營養(yǎng)補(bǔ)充劑（例如維生素、魚油、檸檬油等）的包埋處理[47]。Kaewudom等研究發(fā)現(xiàn)，添加商品化羅非魚皮明膠與TGase能夠有效提高金線魚（N.bleekeri）魚糜制品的凝膠強(qiáng)度[48]。Souissi等研究發(fā)現(xiàn)通過添加烏賊皮明膠能夠有效改善章魚香腸的持水性、硬度、彈性和咀嚼性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)烏賊皮明膠的添加也具有一定的抑菌效果，經(jīng)過15 d貯藏試驗(yàn)，相比對照組，添加烏賊皮明膠的香腸細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌群和金黃色葡萄球菌數(shù)均有所降低[49]。

此外，水產(chǎn)蛋白源明膠具有良好的安全性、延展性、成膜特性和可降解性，因此被廣泛應(yīng)用于可食性保鮮膜的研發(fā)。鄭雅爻等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性的鰱魚皮明膠膜具有更為致密均勻的表面結(jié)構(gòu)，且改性能夠顯著增加明膠膜的韌性、延展性和阻隔性，其膜性能可達(dá)到或超過豬皮明膠膜[50]。周偉等探究不同羥基（-OH）數(shù)的黃酮對羅非魚鱗明膠膜性能的優(yōu)化作用，結(jié)果表明黃酮-OH數(shù)越多，黃酮-魚鱗明膠復(fù)合膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密、膜的拉伸強(qiáng)度越大[51]。Wu等在銀鯉魚皮明膠中添加肉桂精油納米脂質(zhì)體混合，不僅改善了明膠膜的斷裂伸長率，還賦予了明膠膜良好的抑菌性能[52]。官愛艷等在秘魯魷魚皮明膠中添加一定濃度的殼聚糖，結(jié)果顯示魷魚皮明膠與殼聚糖之間具有良好相容性，所制備復(fù)合膜的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、透光性能和水分阻隔能力均得到顯著改善[53]。

4.2 在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用

明膠因具有良好的生物相容性和生物可降解性、在體內(nèi)降解后不產(chǎn)生其它副產(chǎn)物，因此廣泛應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)、組織工程和傷口敷料開發(fā)。Gomes等以冷水魚明膠、聚己內(nèi)酯和殼聚糖為基料通過靜電紡絲制備皮膚組織工程支架，試驗(yàn)結(jié)果表明4種不同支架中殼聚糖/聚己內(nèi)酯/明膠支架具有較好的物理性質(zhì)，HFFF2細(xì)胞黏附率試驗(yàn)結(jié)果表明：聚己內(nèi)酯/明膠支架＞殼聚糖/明膠支架＞殼聚糖/聚己內(nèi)酯/明膠支架＞殼聚糖//聚己內(nèi)酯支架[54]。Manikandan等使用酚酸類化合物對魚鱗明膠進(jìn)行改性，然后添加酪氨酸酶催化制備水凝膠。相對于對照組，該水凝膠能夠顯著加快犬類傷口愈合，還可降低炎癥反應(yīng)從而避免傷口過度瘙癢[55]。Enrione等以大西洋鮭魚皮明膠為基料制備明膠/殼聚糖/瓊脂糖復(fù)合敷料，該敷料具有良好的生物相容性，能夠有效促進(jìn)兔子傷口處肉芽組織的增生、成熟和上皮化，加快肉芽組織轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)締組織、形成正常皮膚[56]。

由于水產(chǎn)蛋白源明膠在體內(nèi)消化降解后能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)多樣的寡肽，其在功能食品及化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也被不斷發(fā)掘，相關(guān)產(chǎn)品受到消費(fèi)者的廣泛認(rèn)可。陳鐵軍等研究發(fā)現(xiàn)大馬哈魚皮明膠可顯著抑制光老化小鼠皮膚中羥脯氨酸含量的降低，作用途徑可能是通過提高光老化小鼠皮膚中抗氧化酶的活力，例如總超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，TSOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px），從而降低自由基對皮膚中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化損傷，緩解紫外線照射對皮膚的光老化損傷[57]。Han等對去卵巢大鼠進(jìn)行90 d的鱈魚骨明膠灌胃（劑量分別為0.375、0.75、1.5、3、6 g/kg體質(zhì)量），結(jié)果發(fā)現(xiàn)各劑量組大鼠皮質(zhì)骨的骨密度值無顯著性差異，但3 g/kg劑量組大鼠股骨頸處的骨密度值、脛骨近端骨小梁數(shù)均顯著高于陰性對照組，說明鱈魚骨明膠能夠有效抑制松質(zhì)骨的骨量流失。PCR數(shù)據(jù)表明鱈魚骨明膠可有效降低大鼠體內(nèi)核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）mRNA的表達(dá)水平，從而抑制破骨細(xì)胞的增殖和分化[58]。

5 展望

水產(chǎn)蛋白源明膠可避免人畜共患病與宗教等因素的限制，能夠作為哺乳動物明膠的優(yōu)良替代品應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化妝品及功能食品等領(lǐng)域。目前，科研工作者在水產(chǎn)蛋白源明膠的制備、改性與應(yīng)用研究方面已取得了大量研究成果，但仍有以下問題亟待解決：在制備工藝上，如何運(yùn)用現(xiàn)代食品加工技術(shù)提高制備效率，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)蛋白源明膠的綠色規(guī)?；a(chǎn)。在開發(fā)應(yīng)用上，如何運(yùn)用多種改性方法來提高水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。同時(shí)，相應(yīng)科研成果的后續(xù)轉(zhuǎn)化及新產(chǎn)品的研發(fā)推廣亟待加強(qiáng)，產(chǎn)、學(xué)、研各方應(yīng)面向消費(fèi)市場發(fā)展需求，加快推進(jìn)合作，促使水產(chǎn)蛋白源明膠的應(yīng)用走向更寬廣的領(lǐng)域。