魚鱗膠原蛋白可食性膜研究進展

李巖朧 肖 楓,2 康懷彬,2

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.食品加工與安全國家級實驗教學示范中心，河南 洛陽 471023)

魚鱗占魚體重量的 1%～5%，主要由兩部分組成：外層骨層(缺鈣羥基磷灰石)和內(nèi)層纖維層(Ⅰ型膠原纖維)[1]。魚鱗含有豐富的粗蛋白和灰分，其中蛋白質(主要為膠原蛋白和角蛋白)含量約占魚鱗干物質的 70%[2]，膠原蛋白約占魚鱗干物質的11.59%～38.30%[3]。與哺乳動物膠原蛋白相比，魚鱗膠原蛋白的安全性更高，不受瘋牛病、口蹄疫、禽流感等畜禽疾病的影響[4]。因此，以魚鱗為原料制備膠原蛋白膜，可以實現(xiàn)對魚類資源的綜合利用，具有較高的應用價值和社會意義。

膠原蛋白一般存在于細胞外基質中，是具有三重螺旋超分子結構的蛋白質，是由3條左手螺旋的α鏈經(jīng)氫鍵作用相互纏繞形成的右手螺旋體[5]。肽鏈上有Gly-X-Y重復序列，X和Y是脯氨酸和羥脯氨酸[6]，是膠原蛋白的特征氨基酸。

魚鱗膠原蛋白具有良好的生物相容性和可降解性，符合可食性膜的要求，具有廣闊的應用前景。近年來，眾多學者開展了對魚鱗膠原蛋白提取工藝和理化特性的研究[7-9]，對魚鱗膠原蛋白膜的制備工藝和特性進行了較為深入的闡述[10-12]。文章擬對魚鱗膠原蛋白膜的制備方法、性能指標、改性方式及應用等方面的研究進行綜述，旨在為魚鱗膠原蛋白的開發(fā)利用提供參考。

1 魚鱗膠原蛋白膜的制備

常用方法有：溶劑澆鑄(濕法)和壓塑或擠壓(干法)[13]。濕法是將所有成分溶解或分散后干燥成膜，如成膜液直接涂在食品表面形成涂層，或利用成膜液的液—液相分離或液—固相分離的作用固化成膜，或采用熱誘導相分離法成膜。干法不使用溶劑，利用成膜成分的熱塑性特性，使用高于材料熔點的溫度加熱，使其流動成型[14]，傳統(tǒng)的干法工藝有壓塑、注塑和擠出等，主要缺陷是起皺和撕裂，然而，適宜的含水量(5%～8%)和適當?shù)幕撞牧峡梢詼p輕這些不利影響[13]。近年來，納米技術為可食性膜的制備提供了新的思路，納米可食性膜在機械性能、阻隔性能等方面的優(yōu)勢，使其成為最有前途和最具吸引力的研究方向之一[15]。

2 魚鱗膠原蛋白膜的性能

范德華力、氫鍵和二硫鍵等分子間作用力，可以維持膠原蛋白分子結構穩(wěn)定，影響膠原蛋白膜的性能。表征魚鱗膠原蛋白膜性能的指標有拉伸強度(Tensile strength，TS)、斷裂伸長率(Elongation at break，EAB)等機械性能指標，熱變性溫度(Thermal deformation temperature，Td)等熱學性能指標，以及水蒸氣透過性(Water vapor permeability，WVP)等耐水性指標。

2.1 機械性能

膜的物理結構和化學作用力能影響機械性能。常采用質構儀測定膜材料在受到靜態(tài)或動態(tài)力時產(chǎn)生的壓力或形變力變化，表征為各種機械指標，如TS、EAB、硬度、脆度、彈性等。TS和EAB是膜材料常用的機械性能指標。

Weng等[16]得出羅非魚鱗膠原蛋白膜的TS與EAB分別為48.85 MPa、12.11%，與巨鯰科魚[17](2.3 MPa、2.0%)、軟骨魚[18](25.3 MPa、14.7%)相比，羅非魚鱗膠原蛋白膜的機械性能更高，可能與魚種、魚體部位、生活環(huán)境等的不同有關。此外，TS和EAB值與牛皮膠原蛋白膜[19](49.2 MPa、13.7%)相似，表明魚鱗膠原蛋白膜能替代哺乳動物膠原蛋白膜[20]。而一些機械性能指標達到了聚酯(PET)[21]等塑料薄膜的水平，顯示了其實際應用的潛力。

2.2 熱學性能

常用的分析方法主要有示差掃描量熱法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)和熱重法(Thermogravimetric Analysis，TGA)。DSC是確定蛋白質折疊與解折疊躍遷能量的技術，DSC曲線的拐點和熱吸收峰分別代表受測物質的玻璃化溫度(Glass temperature，Tg)和熱變性溫度(Td)。TGA是在程序控溫下，測定質量隨溫度(或時間)的變化關系，可用于蛋白質膜中溶劑殘留的確定及蛋白質熱穩(wěn)定性的評估。

研究表明，羅非魚鱗膠原蛋白膜的Td為116.0 ℃[16]，而羅非魚皮膠原蛋白膜的Td約為90.0 ℃[22]，表明魚鱗膠原蛋白熱穩(wěn)定性更高。與草魚[23](64.1 ℃)、秋刀魚[24](24.5 ℃)、巨鯰科魚[17](37.8 ℃)、鱘魚[25](54.3 ℃)及墨魚[26](74.1 ℃)相比，羅非魚鱗依舊表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性，可能與魚的品種、魚體部位、生活環(huán)境、膠原蛋白的亞氨基酸組成和結構有關。然而，魚鱗膠原蛋白膜與哺乳動物膠原蛋白膜的熱穩(wěn)定性存在較大差距，可使用改性技術進行改善。

2.3 阻隔性能

膜對水蒸氣和氧氣的阻隔能力是影響膜應用的重要指標。膜的阻水性可用水蒸氣透過性和水接觸角(Contact angle，CA)等指標表征。中國常用杯式法[27]檢測WVP，低WVP值表示高疏水性，能有效延長食品的貨架期，還能影響膜內(nèi)外的濕度交換[22]，改變膜的機械性能。一般使用角度測量儀測定水接觸角，小的接觸角(θ<90°)表示膜表面親水，而大的接觸角(θ>90°)表示膜表面疏水[28]，以上兩者是評價膜阻隔性的重要性能指標[29]。

研究表明，不同膠原蛋白膜的WVP有較大的差異，如：羅非魚鱗[16](1.8×10-8)、羅非魚皮[30](8.9×10-13)、鱘魚[25](3.58×10-11)、鱈魚[31](2.2×10-12)、三文魚[32](2.7×10-7)、牛皮[33](4.31×10-8)，可能與蛋白質的親疏水性基團比例、氨基酸種類等因素有關，如羥脯氨酸所占比例越高，親水性越高。Dou等[28]和Hosseini 等[15]的研究表明膠原蛋白膜表面CA<90°，加入疏水物質后，CA增大，疏水性提高。因此，加入疏水性物質可以改善膠原蛋白膜的耐水性能。

氧氣是引起食品劣變的關鍵因素，應用于食品包裝的膜一般應具有較高的氧阻隔能力，常用庫侖計標準方法檢測氧氣透過量[34]，也有學者[35]使用過氧化值來表示氧氣透過量。目前，有關膠原蛋白膜阻氧性能的研究較少，也是未來魚鱗膠原蛋白膜需要加強研究的內(nèi)容之一。

3 魚鱗膠原蛋白膜的改性

魚鱗膠原蛋白分子黏彈性低[22]，成膜后熱穩(wěn)定性差[36]，機械性能存在缺陷等限制了其應用范圍，可采用分子共混、酶法交聯(lián)、物理交聯(lián)、化學交聯(lián)等方法對膠原蛋白分子中的氨基和羧基進行修飾，使其產(chǎn)生分子內(nèi)和分子間交聯(lián)來改善性能，以此擴大應用范圍。

3.1 分子共混

加入小分子或天然分子會引起膜分子間的靜電引力、氫鍵、共價鍵或離子鍵等的變化，改變親疏水作用，從而影響膜的性能。

3.1.1 小分子 相對分子質量500 Da以下的小分子可以作為增塑劑，降低膜網(wǎng)絡結構的內(nèi)部脆性和分子之間的靜電引力[18]，增加膜的流動性、柔韌性及強度[37]。甘油[38-39]、脂肪酸[40]和山梨醇[10,41]等小分子具有可食用、價格低廉、膜相容性較好的優(yōu)點[40]，較為常用。研究[11]表明，巨鯰科魚皮明膠膜經(jīng)過山梨醇改性后，EAB提高了8%～10%，但阻濕性變?nèi)?，可能與山梨醇的親水基較多有關。

3.1.2 天然分子 多糖類、脂類、蛋白類等天然分子在可食性膜中應用廣泛。一般情況下，多糖的醛基、羥基等極性基團可與膠原蛋白中的極性基團產(chǎn)生較強的氫鍵、共價鍵交聯(lián)。研究[11,18]表明，魚類膠原蛋白與殼聚糖交聯(lián)后，膠原蛋白膜的TS提高，但EAB降低，是因為膠原蛋白與殼聚糖分子間吸引力升高使得膠原蛋白膜中的自由空間減少，但也有研究[42]認為是殼聚糖弱化了氫鍵作用，使膜結構中氫鍵數(shù)量降低的結果。

脂類物質極性弱、疏水性較強，可增加膜的柔韌性，改善膜的阻濕性，一般用作增塑劑；蛋白類是兩性物質，存在親水疏水作用，具有很好的成膜性[43]。研究表明，羅非魚鱗明膠膜中加入大豆分離蛋白共混后，EAB提高了27%，Td提高約10 ℃[16]；而魚皮明膠膜加入玉米醇溶蛋白共混后，機械性能幾乎無變化，但WVP明顯降低[32]。

此外，多糖類的淀粉[44]、纖維素[45]等，蛋白類的面筋蛋白[40]、酪蛋白等，植物精油、多酚、有機酸等也常用來改善膜的性能。天然分子共混對膠原蛋白膜性能影響如表1 所示，可以看出，與天然分子共混可以改善機械功能，還可以與一些功能性物質共混發(fā)揮多種功能，是非常重要的改性方式。雖然共混改性方法已被廣泛應用，但是作用機制還有待進一步研究。

3.2 酶法交聯(lián)

膠原蛋白分子間的共價鍵是由末端肽的賴氨酸或羥賴氨酸相互作用而形成。酶法交聯(lián)可以在不破壞三螺旋結構并保持其特性的前提下，將末端肽切下，使三螺旋主體結構暴露出來與其他物質發(fā)生更穩(wěn)定的交聯(lián)。該法的優(yōu)點是不會造成化學殘留，缺點是交聯(lián)的條件控制較困難，因此在改性研究中應用較少。

研究[16]表明，羅非魚鱗膠原蛋白與大豆分離蛋白交聯(lián)膜經(jīng)轉谷氨酰胺酶(質量分數(shù)2%)處理后，膜強度明顯升高，熱變性溫度由118.4 ℃升高到123.4 ℃；當轉谷氨酰胺酶用量過多(質量分數(shù)>2%)，高濃度酶使膜內(nèi)親水蛋白凝聚，無法形成致密的膜網(wǎng)絡結構，從而降低了改性膜的強度。此外，酶還能引起蛋白結構的降解，也會影響膜的性能[26]。

3.3 化學交聯(lián)

膠原蛋白分子中氨基酸側鏈殘基的空間取向對膠原蛋白膜的交聯(lián)度和物理性質起重要作用[55]。化學交聯(lián)是對膠原蛋白側鏈進行修飾，形成共價交聯(lián)，使結構更穩(wěn)定，但化學交聯(lián)存在潛在毒性危害，多數(shù)膜不可食用、不易降解，在可食性膜中應用受限。

常用的化學交聯(lián)劑有碳二亞胺、環(huán)氧化合物、?；B氮化物和戊二醛等[17,32,55]，如戊二醛，能與膠原蛋白產(chǎn)生共價交聯(lián)[56]，從而改善膠原蛋白膜的機械性能和穩(wěn)定性[12]。草魚鱗膠原蛋白與戊二醛交聯(lián)后，膜的Td由64.1 ℃提高到68.8 ℃[23]，羅非魚鱗膠原蛋白與乙基二甲基碳二亞胺交聯(lián)后，膜的Td提高了14 ℃[57]。此外，合成多聚體的交聯(lián)也屬于化學交聯(lián)，如聚乙烯醇[10]、聚乳酸[30]等。

表1 天然分子共混對膠原蛋白膜性能的影響Table 1 Effect of natural molecular blending on collagen film performance

3.4 物理交聯(lián)

物理交聯(lián)是借助聲波[10]、射線[55]等物理因素進行改性，能有效避免化學物質污染，但是膜交聯(lián)度通常較低，應用較少。

研究表明，超聲波處理45 min后，魚鱗膠原蛋白、山梨酸鉀和聚乙烯醇共混膜的TS顯著升高，WVP略有降低[10]；經(jīng)60 kGy電子束輻照處理，魚明膠、殼聚糖和槲皮素共混膜的槲皮素的初始釋放時間延長了10倍[46]；磁力作用處理對羅非魚鱗膠原蛋白與碳二亞胺共混膜的性能影響很小，但交聯(lián)度顯著提高。綜上所述，物理交聯(lián)對其他改性方法起輔助作用。

4 魚鱗膠原蛋白膜的應用

由于膠原蛋白獨特的理化特性，魚鱗膠原蛋白可食性膜較多應用于食品、生物醫(yī)藥等領域。

4.1 食品領域

在食品領域，常用作食品包裝材料。良好的水分、氣體阻隔性能，適合的機械性能、感官特性和安全性是食品包裝材料的基本要求[57]。魚鱗膠原蛋白膜具有阻隔氧氣和水分滲透的作用[14]，也可以通過改性作用改善其機械性能、感官特性等，符合食用包裝材料要求，常以薄膜或涂層的形式出現(xiàn)。此外，在魚鱗膠原蛋白膜中加入抗氧化劑或抗菌劑，能制成活性食品包裝材料，延長產(chǎn)品的貨架期。

于林等[58]發(fā)現(xiàn)白鰱魚鱗膠原蛋白與茶多酚和殼聚糖交聯(lián)膜能夠有效阻礙石斑魚中微生物的滋長，延長其貨架期；甘釗生等[59]用羅非魚鱗膠原蛋白與綠茶提取物制備復合涂膜，能有效減少圣女果的失質量率和腐爛率，延長貯藏保鮮期；單夢圓等[60]發(fā)現(xiàn)含有薄荷、桔子和檸檬精油的魚鱗明膠復合膜能抑制冷藏過程中金槍魚品質的劣變。天然的防腐物質已被廣泛應用于食品的貯藏保鮮，這些物質直接加入到食品基質中可能會影響食品的感官質量，而與可食性膜復合后，可以在幾乎不影響食品感官質量的情況下，將其緩釋到食品表面，達到防腐保鮮目的。可食性膜還可以包埋精油、營養(yǎng)素、益生菌等物質，使其具有更多功能性[61]。此外，納米技術在可食性包裝材料領域的應用已經(jīng)展現(xiàn)出較大的潛力，是可食性膜研究的新方向。

4.2 生物醫(yī)藥領域

在生物醫(yī)藥領域，因為膠原蛋白具有良好的生物相容性、高生物降解性、低免疫原性等優(yōu)點，可應用于組織工程再生、藥物輸送和疾病治療等[62]。

Jana等[9]發(fā)現(xiàn)，將頭孢他啶藥物，經(jīng)離子相互作用與魚鱗膠原蛋白和胺化羧甲基瓜爾膠交聯(lián)制膜，有明顯的抗菌效果，而且有良好的生物和血液相容性，可用于傷口愈合；Wang等[63]采用甲基化修飾和1,4-丁二醇二縮水甘油醚交聯(lián)來改善魚鱗膠原蛋白的機械性能和降解穩(wěn)定性，利用小鼠模型證明了改性魚鱗膠原蛋白能與周圍組織良好結合。此外，魚鱗膠原蛋白還可作為重金屬吸附劑，沉積固化鉛、鎘等重金屬。因此，魚鱗膠原蛋白膜作為一種生物材料在生物醫(yī)藥領域具有廣闊的應用前景。

5 問題與展望

(1) 目前對可食性膜的研究主要集中在不同的材料來源、增塑劑用量和相對濕度等因素對膜性能的影響。然而，可食性膜結構、酸堿濃度、結晶指數(shù)、內(nèi)聚力等因素都會影響膜的性能，影響機制還有待探索。

(2) 工業(yè)化生產(chǎn)所需的膠原蛋白可食性膜性能與生產(chǎn)工藝條件密切相關，為了能夠實現(xiàn)可食性膜的工業(yè)化生產(chǎn)，需要不斷進行生產(chǎn)工藝優(yōu)化的研究，以適應工業(yè)化生產(chǎn)。

(3) 通常用對水蒸氣、氧氣等的抵抗能力來反映可食性膜的阻隔性能，然而食品成分的滲透性，如食品中的揮發(fā)性風味物質和油脂等，對食品包裝的應用也很重要，此方面的研究還有待加強。

(4) 納米復合可食性薄膜的研究尚處于初級階段，需要更多的研究來探索納米材料的應用及其毒理學效應。

(5) 膠原蛋白可食性膜用于食品包裝除了應具備足夠的機械強度，還必須足夠穩(wěn)定，以提供較長的保護作用，然而膜的機械強度在其老化過程中會受到影響，所以，了解老化對其性能的影響，探索其性質隨時間變化的機制至關重要。

(6) 未來的可食性膜將是多功能的，具有防腐、防油、防蟲等多種作用，與現(xiàn)代包裝新技術結合，如：活性食品包裝、智能食品包裝等，將更有利于其在食品領域的應用，此方面還需要進一步研究。此外，了解材料結構、性能和工藝之間的關系對設計多功能的可食性膠原蛋白膜也是非常重要的。

(7) 可食性膜的可食性和生物降解性缺乏明確證據(jù)支撐，成膜材料、添加劑類型、分子排列、結晶度指數(shù)等因素都會影響其消化特性，需要廣泛的研究來評價上述性能。

(8) 對可食性膜的認識、公眾意識和文化問題等都可能影響消費者對可食性膜的接受度。未來食用薄膜的研究也應考慮這些方面，以提高商業(yè)化的成功率。