水产品胶原蛋白的研究进展

陈丽丽，赵利，*，刘华，邹胜员

（1.江西科技师范学院生命科学学院，江西 南昌 330013；2.江西省水产技术推广站，江西 南昌 330046）

随着我国渔业生产的发展，水产品的综合利用越来越受到人们的重视。水产品加工过程中会产生出占鱼体总重约40%～50%的副产物（包括鱼头、鱼皮、鱼骨及残留鱼肉），这些副产物的加工和利用程度很低。

胶原蛋白在哺乳动物体内含量最丰富、分布较广，占大约动物总蛋白的30%[1]。它具有支撑器官和保护肌体的功能，也是组成细胞间质的最重要功能蛋白质。如能从水产品加工废弃物中提取胶原蛋白加以利用，既能促进水产品加工废弃物的综合利用，开发新型胶原资源，提高水产品的附加值，又保护了环境。

近年来，国内外许多学者对水产品加工废弃物（如鱼皮、鱼骨、鱼鳞等）中胶原蛋白的提取进行了研究。研究者大多以鱼皮为原料提取水产品胶原蛋白，如鳕鱼、鱿鱼、罗非鱼皮[2-4]等。Kimura等[5]研究了鲤鱼的鱼鳞和鱼骨胶原蛋白，Nagai等[6]从日本海鲈的尾鳍提取酸溶性和酶促溶性胶原蛋白。

1 水产品胶原蛋白的结构特征

迄今为止，已发现27种不同类型的胶原蛋白[7]。从鱼类肌肉和皮肤中分离鉴定出至少2种含量较多和较少的胶原蛋白，分别是I型胶原蛋白和V型胶原蛋白。I型胶原蛋白是一种纤维状胶原，而且是水产品废弃物，即皮、骨、磷和鱼鳍中含量最多的一种蛋白质。

胶原蛋白相对分子质量为300 ku，其最普遍的结构特征是三螺旋结构，由3条α链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型。3条左手螺旋链相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构[8]。

胶原蛋白的氨基酸组成由于来源和胶原蛋白类型不同有一定的差异，但是几种主要的氨基酸组成大致相同，即含1/3左右的甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，其中羟脯氨酸是胶原蛋白特有的氨基酸[9-10]。羟脯氨酸对维持胶原蛋白三螺旋结构的稳定性具有重要的作用。水产品胶原蛋白的氨基酸组成与陆生动物胶原蛋白氨基酸的组成非常相似，其最大的不同在于水产品胶原蛋白羟脯氨酸的含量比陆生动物胶原蛋白少，而蛋氨酸的含量却比陆生动物胶原蛋白高的多。所以，陆生动物胶原蛋白的变性温度比水产品胶原蛋白的变性温度要高（大约10℃左右）。胶原蛋白的氨基酸组成直接关系到其分子的理化性质，如热稳定性、溶解度和交联能力等。水产品胶原蛋白中亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）水平在鱼类中差别很大，亚氨基酸的含量，特别是羟脯氨酸取决于鱼的生存环境温度，它影响胶原蛋白的热稳定性[11-15]。相对于温暖条件下生存的鱼类，从生存在较冷环境鱼类中获得的胶原蛋白中羟脯氨酸含量较低，而且它们的热稳定性也比较低，这是因为羟脯氨酸在胶原蛋白中参与跨链氢键的形成而使其三螺旋结构稳定[16]。

尼罗河小鲈鱼皮和大鲈鱼皮酸溶性胶原蛋白的氨基酸组成没有明显的差异，表明氨基酸的组成与鱼的生长年龄无关。但是，鲈鱼皮胶原蛋白中的脯氨酸和羟脯氨酸含量却较高，约为20%，接近于猪皮胶原蛋白的22%和牛皮胶原蛋白的21.5%[17-19]。

2 水产品胶原蛋白的提取

根据提取介质的不同，可将胶原蛋白的提取方法简单的划分为：热水浸提、酸提取、碱提取以及酶提取。

2.1 热水法提取

热水法提取就是原料经过前处理后，在一定条件下用热水浸煮，从而得到水溶性胶原蛋白。这种胶原蛋白，已经不具有胶原蛋白的三螺旋空间结构，一般称之为明胶（gelatin），明胶的分子量不规则，大至几百万、小至几十，不具备原有胶原蛋白的功能，不能用作医用生物材料。

刘晓宁等用70℃热水从鲤鱼鳞中得到了I型胶原蛋白，提取率达到6.95%[20]；Arnesen等用两步热抽提法（先56℃提取2 h，再65℃提取2 h）提取了大西洋鲑鱼和鳕鱼胶原蛋白，得率分别为39.7%和44.8%[21]。

2.2 酸法提取

使用的酸多为乙酸、柠檬酸、乳酸等。鱼皮胶原蛋白的酸提取过程均在低于10℃的条件下进行。

对于不同的鱼皮，酸溶性胶原蛋白（ASP）的提取率不同。户业丽等[22]用1.0 mol/L的乳酸作为提取剂从鲟鱼鱼皮中提取胶原蛋白，在25℃下提取72 h，提取率达到86.18%。在年幼和成熟尼罗河鲈鱼皮中得到的ASP的提取率分别是63.1%和58.7%[17]。而日本的海鲈鱼，白鲑鱼和虎鲨皮的ASP提取率分别是51.4%、49.8%和50.1%[6]。林琳等利用有机酸（醋酸、乳酸、柠檬酸）提取草鱼皮中胶原蛋白，采用0.5 mol/L的柠檬酸，料液比为1∶10，溶胀时间为24 h时，提取率可达92.88%[23]。

2.3 碱法提取

常用的处理剂主要为石灰、氢氧化钠、碳酸钠等。在碱性条件下处理，易造成胶原蛋白的肽键水解。如果水解严重，则会产生DL-型氨基酸消旋混合物，其中D-型氨基酸若高过L-型氨基酸，则会抑制L-型氨基酸的吸收，有些D-型氨基酸有毒，有的甚至有致癌，致畸和致突变作用。因此，迄今为止，有关使用该法提取胶原蛋白的报道较少。Sato等用0.1mol/L的NaOH溶液从鳟鱼、鲭鱼、鲤鱼和鳗鱼的鱼肉中分离得到了碱溶性胶原蛋白，其提取率分别为0.47%、0.50%、0.60%和1.99%（以湿重计）[24]。

2.4 酶法提取

酶法提取胶原蛋白称为酶促溶性胶原蛋白（PSC）。通常使用的酶有中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶等。酶法具有反应速度快、时间短、无环境污染，提取的胶原蛋白纯度高、水溶性好、理化性质稳定等特点[25]。

随着动物年龄的增长，胶原蛋白分子间及与其他成分之间会形成共价键架桥，从而阻碍胶原蛋白的提取。这些共价键架桥大多位于胶原分子N及C端的非胶原（端肽）部分，易被胶原酶或蛋白酶切断。如果在酸性条件下，用胃蛋白酶处理胶原，胃蛋白酶不仅能催化胶原蛋白α肽链非螺旋区的端肽，而且可使被切断部分端肽的胶原分子（无端肽胶原）变为可溶。胃蛋白酶对螺旋区没有作用，但引起α1和α2链展开，这样提取得到的胶原蛋白仍保持完整的三螺旋结构，不过胶原蛋白的抗原性降低了，这样更适合作为医用生物材料及原料。因此，这是一种理想的胶原蛋白提取方式。

国内外关于胃蛋白酶促溶法提取胶原蛋白的报道很多。Nagai等从单眼河豚和墨鱼鱼皮中提取的胃蛋白酶促溶性胶原蛋白（PSC）的提取率分别为44.7%和35%（以干基计）[26]。Ogawa等从多须石首鱼和羊鲷鱼皮中提取的PSC的提取率分别为15.8%和29.3%（以湿基计）[27]。Takeshi Nagai用胃蛋白酶从斑点触鱼皮提取得到PSC[28]；Akkasit Jongjareonrak从褐红梅鲷中提取得到了PSC[29]。钟朝辉[28]等用胃蛋白酶法提取了草鱼鱼鳞胶原蛋白，并对其基本特性进行了研究。

3 水产品胶原蛋白的性质

3.1 胶原蛋白的热稳定性

胶原蛋白氨基酸组成的差异导致胶原蛋白的性质有所不同。胶原蛋白中亚氨基酸的含量比较高时，其热稳定性也比较高[30]。胶原蛋白的热稳定性通常是用胶原蛋白溶液的热变性温度（Td）和胶原纤维的热收缩温度（Ts）表示。研究表明，来源于哺乳动物的胶原蛋白的热变性温度较高，猪皮胶原蛋白的热变性温度为37℃，而来源于水生生物的胶原蛋白的热变性温度较低。日本鲈鱼皮胶原蛋白的变性温度为30℃，金枪鱼皮胶原蛋白的变性温度为29.7℃[6]，尼罗罗非鱼鱼皮胶原蛋白的变性温度为28℃[18]。这是因为它们的亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）含量不同。胶原蛋白的热稳定性可能与动物的生活温度密切相关。

3.2 胶原蛋白的溶解性

作为化妆品的添加成分必须是可溶的，才有利于组织的吸收，因此，胶原蛋白用作化妆品原料的一个重要问题就是可溶性的问题。胶原蛋白的溶解性主要取决于胶原蛋白与水的相互作用以及水合作用程度，而水合程度又与蛋白质大分子中可电离的基团和亲水基团的多少有关。

3.3 胶原蛋白的乳化性

胶原蛋白的乳化性是胶原蛋白应用于食品工业的一个重要指标。王碧等研究了水解胶原蛋白的乳化性，发现胶原蛋白的乳化性和乳化稳定性将随着溶液浓度的增加而增大，在酸、碱溶液中均有较高的乳化性和乳化稳定性[31]。Toledano等研究了改性后的胶原蛋白的乳化性，发现在胶原蛋白链上接入芳香基团，可以提高胶原蛋白的乳化性[32]。而国内外对于胶原蛋白尤其是淡水鱼胶原蛋白的乳化性研究的很少。所以水产品胶原蛋白的乳化性和乳化稳定性有待于进一步研究。

3.4 胶原蛋白的凝胶特性

胶原蛋白在一定条件下可以形成凝胶，这是胶原蛋白之间及胶原蛋白与溶剂之间相互作用的结果。凝胶强度的大小受各种因素的影响，如胶原蛋白的浓度、提取工艺、加热温度和时间、盐浓度等。水解胶原蛋白因为分子质量较低，只具有较弱的凝胶能力，表现在胶原蛋白浓度较低的情况下不能形成凝胶，只有在高浓度时才具有形成凝胶的能力。因而胶原蛋白凝胶强度受溶液浓度的影响较大。近年来发现它们是制备互联网络聚合物的理想材料，将在新材料的研制开发方面具有特殊的作用。

4 胶原蛋白的应用

4.1 胶原蛋白在食品工业中的应用

在食品工业领域，胶原蛋白主要应用于功能食品、食品添加剂、食品包装材料等方面。胶原的水解产物—明胶可用作肉制品改良剂，加入肉制品中可以改善结缔组织的嫩度，使其具有良好的品质，增加蛋白质含量。鱼明胶已广泛用作罐头、饮料、乳品、果酒中的增稠剂、乳化剂、稳定剂、澄清剂等。鱼胶原蛋白有其独特的性质，是一种可以口服的蛋白，从深海鱼类中精炼的鱼胶原蛋白提取物，含有大量的黏多糖及丰富的胶原蛋白，被称为“吃的化妆品”，穆源浦等[33]研究了鱼胶原蛋白具有保持皮肤水分的作用。鱼皮胶原蛋白应用于食品中，其污染少、安全性好、品质优良、功效好。另外，胶原蛋白经水解生成的胶原多肽具有低分子量的特性，可用作功能性食品添加剂。

4.2 胶原蛋白在医药工业中的应用

胶原作为生物医学材料，具有低免疫源性、与宿主细胞及组织之间的协调作用、可生物降解性、止血作用等优势，可以作为组织的支持物，对细胞、组织乃至器官行使正常功能并对外伤修复具有重要作用。近年来，科学技术的迅速发展，加速并扩展了胶原蛋白在医学上的新应用。如在治疗骨折中，将胶原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮溶在柠檬酸缓冲液里制的胶原蛋白-PVP聚合物（C-PVP），用于受伤骨骼的加固不仅效果好，安全性也高，不会引起肝和肾的代谢紊乱，也不诱发人体产生抗C-PVP的抗体，还可用于治疗尿不尽等方面的治疗[34]。鱼皮胶原蛋白有利于上皮细胞的增生修复，促进创面愈合，可广泛用于烧伤和创伤的治疗。

4.3 胶原蛋白在化妆品中的应用

哺乳动物皮肤胶原的溶解性较低，经稀酸处理后得到的酸溶性胶原蛋白含量低。而鱼皮经稀酸处理后，得到的酸溶性胶原蛋白含量占总胶原的比例相当高。所以，较之哺乳动物，从鱼皮中提取可溶性胶原蛋白用于生产化妆品可简化工艺，节约成本[35]。由于胶原及其水解物与人体皮肤胶原的结构相似，相容性好，存在着离子键、氢键等相互作用，用它制备的材料可以扩散到皮肤的深层，对人的皮肤有很好的营养作用；同时因其分子中含有大量的羟基，故有着相当好的保湿作用；其分子中的氨基和羧基又赋予它一定的表面活性，这使得它与其它材料的相容性很好，且对皮肤无刺激性[36]。利用鱼皮胶原蛋白的高度可溶性、亲水性、乳化性等性质可以生产美容护肤品，如保湿乳液、保湿霜、洗面奶等。

5 前景展望

水产品胶原蛋白的来源广泛，可由水产品加工企业每年产生大量的鱼类副产物制得，如鱼骨、鱼皮、鱼鳍和鱼鳞，这些副产物的综合利用越来越受到关注。江西省水产加工品总量从有统计记录的1987年的0.54万t增加至2008年的19.84万t，年均增长12.76%。其中，烤鳗与冻熏鳗5300 t、鮰鱼片2100 t。对水产加工业产生的废弃物进行高附加值利用，并实现工业化转化，不仅能产生可观的社会效益和经济效益，充分利用生物资源，“变废为宝”，且对保护环境具有重大意义。

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