明膠和水解膠原多肽的差異性研究

丁凡 ，王全杰 ,2?

（1. 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東煙臺(tái)264005；2. 國(guó)家制革技術(shù)研究推廣中心，山東煙臺(tái)264005）

1 引 言

蛋白質(zhì)是一切生命體必不可少的組分，在生命活動(dòng)中扮演著十分重要的角色，它是由α-氨基酸組成，大部分蛋白質(zhì)中含有碳、氫、氧、氮、硫這五種元素，含有20 種氨基酸。按照其結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)，纖維狀蛋白質(zhì)通常起著各種組織的支撐作用。

2 膠原蛋白的定義及結(jié)構(gòu)

膠原蛋白是纖維狀蛋白質(zhì)的一種，它含有18 種氨基酸，廣泛存在于多細(xì)胞動(dòng)物的骨、腱、韌帶、軟骨、皮膚和其他結(jié)締組織中，約占哺乳動(dòng)物總蛋白的1/3，在骨頭與肌腱中約含有90%以上的膠原蛋白，占皮膚蛋白質(zhì)的1/2 以上[1],是一類(lèi)分布最廣、含量最豐富的蛋白質(zhì)。膠原蛋白是由三條平行的α 肽鏈形成的類(lèi)似于“麻繩”的三股螺旋結(jié)構(gòu)組成，在同一條肽鏈中氨基酸出現(xiàn)（Gly-X-Y）的周期性重復(fù)，即每隔兩個(gè)氨基酸殘基就有一個(gè)甘氨酸，且X 多為脯氨酸，膠原蛋白中極少含有色氨酸、半胱氨酸及芳香族氨基酸，它在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上是一種不完全蛋白質(zhì)，但脯氨酸和羥脯氨酸這兩種環(huán)狀氨基酸含量卻是所有蛋白質(zhì)中最高的，因此其具有一定的彈性和拉伸強(qiáng)度[2]。膠原蛋白分子單位稱(chēng)為原膠原，原膠原分子平行排列成束，通過(guò)共價(jià)鍵交聯(lián)，可形成穩(wěn)定的膠原微纖維，再通過(guò)進(jìn)一步聚集形成膠原纖維[3]。

3 膠原蛋白的提取

膠原蛋白的提取方法主要包括:酸法、堿法、酶法、熱水法及鹽法，其基本原理是依據(jù)膠原蛋白的特性改變外部環(huán)境，從而將膠原蛋白從蛋白質(zhì)中分離出來(lái)。

3.1 酸法提取膠原蛋白

酸法提取的原理是在低離子濃度的酸性條件下使得分子間的鹽鍵和席夫堿遭到破壞，從而使膠原纖維發(fā)生溶脹，釋放出膠原蛋白，酸法提取的膠原蛋白能夠很好地保留其三螺旋結(jié)構(gòu),常用的酸有醋酸、檸檬酸、鹽酸、甲酸等。Jongjareonrak 等[4]使用醋酸提取大眼鱸魚(yú)魚(yú)皮中的膠原蛋白，其提取率為10.94%（以魚(yú)皮質(zhì)量計(jì)）；趙蒼壁等[5]以牛腱為原料，在4℃下使用醋酸提取出了純膠原蛋白溶液；Sadowska 等[6]分別使用檸檬酸和乙酸從鱈魚(yú)皮中提取膠原蛋白，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用乙酸的固液比為1∶6，檸檬酸的固液比為1∶4 時(shí)，提取24 h 后膠原蛋白的得率均在20%左右。

3.2 堿法提取膠原蛋白

堿法提取膠原蛋白是利用氫氧化鈉、氧化鈣等堿在一定的外部條件下提取膠原蛋白。在堿處理的條件下容易造成肽鍵的斷裂，導(dǎo)致產(chǎn)物分子量過(guò)小，過(guò)分水解還會(huì)產(chǎn)生DL- 型氨基酸消旋混合物，若D-型氨基酸含量高于L-型氨基酸，便會(huì)抑制L-型氨基酸的吸收，有些D-型氨基酸還具有導(dǎo)致畸變、致癌等作用[7]；溫慧芳等[8]以 魚(yú)皮為原料，使用1.6%的Ca(OH)2在70℃下水解9 h，得到膠原蛋白的提取率為79.67%；曹健等[9]使用4%CaO 于60℃下水解脫鉻革屑，得到膠原蛋白的產(chǎn)率為55.03%。

3.3 酶法提取膠原蛋白

酶解法是目前最常用的膠原蛋白提取方法，膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)一些蛋白酶具有比較好的穩(wěn)定性，這些蛋白酶可以選擇性地切除非螺旋端肽，這樣提取出的膠原蛋白基本保持了完整的三螺旋結(jié)構(gòu)。鐘朝輝等人[10]使用胃蛋白酶從草魚(yú)魚(yú)鱗中提取膠原蛋白，通過(guò)紅外光譜和圓二色譜分析表明提取出的膠原蛋白具有典型的三股螺旋結(jié)構(gòu)；宮新統(tǒng)[11]等使用木瓜蛋白酶提取雞蛋殼膜中的膠原蛋白，提取率為0.91%。

3.4 熱水法提取膠原蛋白

膠原蛋白難溶于冷水，但能夠很好地溶于熱水中，熱水抽提破壞了膠原分子內(nèi)和分子間的氫鍵和共價(jià)鍵，同時(shí)使得部分酰胺鍵遭到破壞，膠原不再具備三螺旋結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)則卷曲形態(tài)。用熱水法提取出的膠原分子量處在幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)之間，將其稱(chēng)之為明膠。Arnesen 等[12]使用熱水法分別對(duì)大西洋蛙魚(yú)和鱈魚(yú)進(jìn)行了兩次升溫抽提，大西洋蛙魚(yú)膠原蛋白提取率為39.7%，鱈魚(yú)膠原蛋白提取率為44.8%。

3.5 鹽法提取膠原蛋白

鹽法主要是利用不同的中性鹽，例如:氯化鈉、硫酸銨、氯化鉀等，通過(guò)改變外部環(huán)境進(jìn)而將鹽溶性膠原蛋白提取出來(lái)的方法，但鹽溶液可能會(huì)破壞膠原蛋白的構(gòu)象穩(wěn)定性，因此需要進(jìn)行除鹽處理。Kolodziejska 等[13]使用 5%～15%的 NaCl 溶液對(duì)魷魚(yú)皮進(jìn)行處理，在一定條件下得到了無(wú)色無(wú)味的鹽溶性膠原蛋白。

4 膠粉和水解膠原多肽粉

膠粉是指將“明膠、骨膠、皮膠”等經(jīng)過(guò)粉碎加工后而成的粉狀物質(zhì)，明膠和水解膠原多肽具有同源型，它們都是將膠原蛋白進(jìn)行一定處理后得到的產(chǎn)物，但是其性質(zhì)卻存在顯著的差異。明膠是膠原蛋白經(jīng)過(guò)高溫處理后使得三股螺旋形態(tài)遭到破壞后的產(chǎn)物，它的分子量并不固定，一般處于幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)之間，它具有很好的粘結(jié)性和成膜性，但是在高溫環(huán)境中不便于生產(chǎn)和貯運(yùn)。水解膠原多肽是膠原蛋白經(jīng)過(guò)酸、堿、酶等處理后，使得氨基酸之間的肽鍵被部分打斷，形成的分子量處在一千到幾萬(wàn)范圍內(nèi)的物質(zhì)，將膠原多肽經(jīng)真空冷凍干燥或噴霧干燥即可得到膠原多肽粉，它相較于膠粉具有更好的冷水溶解性，且其生產(chǎn)較少受外部環(huán)境的干擾。

4.1 明膠的工業(yè)應(yīng)用

明膠作為一種天然高分子材料，它具有很好的生物相容性以及可降解性，因此廣泛應(yīng)用在很多工業(yè)領(lǐng)域中。

4.1.1 明膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用

明膠是一種低卡高蛋白的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因其具備一定的膠凝性、成膜性等常被應(yīng)用在食品工業(yè)中。宋慧君[14]將明膠與殼聚糖共混制備出了一種可生物降解的復(fù)合膜材料，通過(guò)一系列的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，顯著提高了此種復(fù)合膜的物理機(jī)械性能，并降低了其水溶性和透氣性。高丹丹等[15]將普魯蘭多糖添加到明膠中制備出了具有低氧氣透過(guò)率、高抗拉強(qiáng)度、高溶水時(shí)間、不透油及低水蒸氣透過(guò)率的可食性膜。帥興華[16]等使用明膠和單寧制備出具有吸附性的絮狀沉淀，用來(lái)吸附飲料中的渾濁物，使飲料澄清。Soper 等[17]使用從魚(yú)皮中提取出的明膠成功制備出了各種食品的微膠囊。

4.1.2 明膠在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

明膠保留了膠原的一些優(yōu)良性能，它具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的功能，且與生物組織具有很好的相容性，在醫(yī)藥領(lǐng)域中被廣泛使用。藍(lán)廣芊[18]使用從蠶蛹中提取出的殼聚糖和明膠制備出了一種具有良好止血效果的快速止血材料。李廣州等[19]通過(guò)臨床研究發(fā)現(xiàn)可吸收流體明膠在頸椎前路間盤(pán)切除融合手術(shù)中操作簡(jiǎn)單，是一種止血效果優(yōu)于傳統(tǒng)方式的材料。Kezban Ulubayram 等[20]使用明膠和彈性聚氨酯薄膜制備出的新型高分子雙層創(chuàng)傷敷料具有很好的傷口愈合功效。Elvin 等[21]制備出了具有良好修復(fù)功能和高于100 kPa 粘合強(qiáng)度的醫(yī)用明膠基膠粘劑。

4.1.3 明膠在造紙領(lǐng)域中的應(yīng)用

明膠中的多肽鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)α-氨基酸經(jīng)過(guò)肽鍵連接起來(lái)形成的，每條肽鏈上含有許多—OH、—COOH等側(cè)鏈基團(tuán)，同時(shí)一條肽鏈的兩端分別是氨基和羧基，它們都具備接受或給予質(zhì)子的能力[22]。在紙張纖維中含有大量羥基和少量羧基，可以和明膠以離子鍵及共價(jià)鍵的形式結(jié)合，這使得纖維間的結(jié)合力增大，能夠提高紙張性能。王?；ǖ萚23]以明膠、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯為原料，通過(guò)乳液聚合的方法制備出了紙張表面施膠劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施膠量為1.15 g/m2時(shí)紙張的耐折度、耐破度等物理性能均得到了顯著的提高。

4.1.4 明膠在工業(yè)膠粘劑制備中的應(yīng)用

膠粘劑是一種可以使物料貼合在一起的材料，包括天然膠粘劑和合成膠粘劑，合成類(lèi)膠粘劑難以生物降解，因此目前天然膠粘劑的制備是行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)。邱建輝[24]等采用反相乳液接枝共聚法合成了一種接枝改性明膠膠粘劑，用于修復(fù)受損的古墨文物，經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)探究找到了能夠滿(mǎn)足古墨文物修復(fù)條件的制備工藝。王學(xué)川等[25]以從廢棄革屑中提取的明膠作為原料，經(jīng)過(guò)接枝改性后制備出了膠粘劑，其剪切強(qiáng)度、T-剝離強(qiáng)度、水接觸角等指標(biāo)均優(yōu)于市售膠粘劑。

4.2 水解膠原多肽的應(yīng)用

水解膠原多肽的分子量一般處在3 萬(wàn)以下，具有較強(qiáng)的生物活性，并且比較容易被生物體吸收。

4.2.1 水解膠原多肽在食品工業(yè)中的應(yīng)用

閆征等[26]將從魚(yú)皮中水解出的膠原多肽添加到面包粉中，可以降低面包的硬度同時(shí)增加其彈性，當(dāng)添加量為0.5%～1%時(shí)面包的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)。王海燕等[27]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在蛋糕烘焙和灌腸加工的過(guò)程中適當(dāng)添加魚(yú)鱗水解膠原多肽，可以提高蛋糕的比容和成品率，以及提升灌腸的成品率和持水率，同時(shí)極大優(yōu)化二者的感官品質(zhì)。Morimura 等[28]發(fā)現(xiàn)使用商業(yè)酶從鯡魚(yú)骨和豬皮中提取的膠原多肽具有很強(qiáng)的自由基清除能力和很好的降壓能力，因此可以將其添加到食品中。

4.2.2 水解膠原多肽在化妝品工業(yè)中的應(yīng)用

Chai 等[29]發(fā)現(xiàn)從羅非魚(yú)魚(yú)鱗中水解出的膠原多肽，通過(guò)涂抹能夠顯著提高皮膚含水量和彈性。馬慧敏等[30]通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水解膠原多肽具有保濕抗皺功效，可以作為原料添加到化妝品中。

4.2.3 水解膠原多肽在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

強(qiáng)濤濤等[31]利用水解膠原多肽為改性原料，戊二醛作為交聯(lián)劑，對(duì)超細(xì)纖維合成革基布進(jìn)行改性研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性后基布表面顏色增強(qiáng)，且耐干濕擦強(qiáng)度提高。呂秀娟等[32]采用乙烯基類(lèi)單體對(duì)水解膠原多肽進(jìn)行接枝改性，用于綿羊服裝革的復(fù)鞣填充，發(fā)現(xiàn)經(jīng)復(fù)鞣后的坯革具有良好的柔軟性，同時(shí)各項(xiàng)物理機(jī)械性能均達(dá)到服裝用革行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。鐘正澤[33]等經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)肥育豬的日糧中水解膠原蛋白粉可部分或全部替代魚(yú)粉或豆粕的使用，但添加比例不得超過(guò)6%，當(dāng)添加量增大時(shí)會(huì)降低日糧消化率及提高飼養(yǎng)成本。

5 前景與展望

5.1 明膠的應(yīng)用前景

膩?zhàn)邮且环N用于平整墻體表面的建筑材料，它是一種厚漿狀的涂料，其主要成分是滑石粉和膠粘劑。目前建筑業(yè)中采用的“膩?zhàn)幽z水”有很大部分是使用丙烯酰胺經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單聚合得到的，質(zhì)量非常低劣。明膠本身具有一定的膠粘性，通過(guò)一定的交聯(lián)改性處理，提升其膠粘強(qiáng)度，有望作為環(huán)保型膩?zhàn)幽z代替劣質(zhì)“膠水”應(yīng)用在建筑工業(yè)中。

5.2 水解膠原多肽的應(yīng)用前景

由于多肽鏈中含有大量羧基、羥基等具有金屬鰲合作用的官能團(tuán)，經(jīng)過(guò)一定處理使其暴露出更多的鰲合官能團(tuán)，同時(shí)加以改性增大其穩(wěn)定性，可以用作水體中金屬離子的絮凝劑。

5.3 明膠與水解膠原多肽相互替代的可行性分析

明膠和水解膠原多肽雖然都來(lái)源于膠原蛋白，但其很多性質(zhì)卻截然不同，在一些領(lǐng)域中，例如:紙張施膠劑的制備、表面活性劑的制備等具有相通性。在更多領(lǐng)域中二者的性能側(cè)重點(diǎn)不同，明膠的膠粘性、抗拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)是水解膠原多肽很難達(dá)到的，而水解膠原多肽的可吸收性、起泡性、鰲合性等指標(biāo)也是明膠所無(wú)法比擬的，即便是大分子量膠原多肽其分子量也要低于一般的明膠。因此認(rèn)為，在少數(shù)情況下，明膠與水解膠原多肽可視為同一種物質(zhì)使用，但在絕大多數(shù)情況下，二者不具備相互替代性。