水产胶原蛋白的制备、性能及应用综述

江洪有+谷峰等

摘要：胶原蛋白普遍存在于生物组织中，是一类重要的功能性大分子蛋白质。根据近年来国内外水产胶原蛋白研究进展，围绕水产胶原蛋白提取、纯化方法、基本结构及性质，以及其在食品加工、医疗保健和化妆品等行业的应用概况进行了综述。

关键词：胶原蛋白；提取纯化；溶解度；热稳定性

中图分类号：TS254.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3329-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.001

Review on the Preparation，Performance and Application of Aquatic Collagen

JIANG Hong-you，GU Feng，ZU Xiao-yan，XIONG Guang-quan，GENG Sheng-rong，

LI Xin，YU Wei，XIA He-zhou，LIAO Tao

（Institute of Agro-Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology， Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Engineering Research Center for Farm Products Irradiation， Wuhan 430064， China）

Abstract： Collagen is an important functional protein and exists in almost all organizations. This article reviewed the research progress of aquatic collagen and summarized the extraction and purification methods，basic structure and properties in recent years. And its application in food processing，medical care and cosmetic industry are reviewed in this article.

Key words： collagen； extraction and purification； solubility；thermal stability

中国是世界上最大的淡水鱼养殖国，2010年全国水产品产量达5 373万t，占世界总产量的30%以上，其中养殖水产品产量约占世界总量的70%[1]。随着中国水产养殖业的发展，水产品加工副产物的综合利用越来越受到人们的重视。加工过程中产生的大量鱼皮、鱼头、鱼骨等副产物，约占鱼体总重的40%～50%，但是这些副产物的深加工利用程度却很低[2]。鱼皮作为水产品加工的主要副产物，其蛋白质含量比鱼肌肉蛋白质还要高，其中胶原蛋白含量占其蛋白质总量的80%以上[3]。

胶原蛋白（Collagen）是一种白色、不透明、无支链的不溶性纤维蛋白质，几乎存在于所有组织中，是生物体内重要的功能性蛋白质，起着支撑器官、保护机体的功能，同时还具有信号转导、生长因子与细胞因子转运等功能。由于胶原蛋白的特殊功能，胶原蛋白已成为生物科技产业最具关键性的原材料之一，在医学材料、化妆品、食品工业、生物合成等领域均有着广泛的应用。目前工业中胶原蛋白的主要来源是猪、牛等陆生动物的皮、骨骼等。但近年来全球疯牛病、口蹄疫及禽流感等流行病的蔓延，使得从陆生动物的皮、骨骼中提取胶原蛋白的危险性增大。而鱼类等水产品的鱼皮、鱼鳞含有丰富的胶原蛋白，因此近年来国内外研究者越来越关注渔业加工副产物的综合利用，针对水产品中胶原蛋白的提取分离纯化方法、结构及性能特征、应用及发展前景做了大量的研究。本文将介绍近年来国内外有关水产胶原蛋白的研究进展。

1 提取及纯化方法

1.1 提取方法

国内外对水产品中的胶原蛋白提取已进行了较为广泛的研究，常用的提取方法有热水抽提法、酸法、碱法、盐法及酶提法（表1）。

1.1.1 热提取法 热提取法就是原料经过漂洗、切碎、脱脂、脱钙等前处理工艺后，用一定温度的热水提取，获得水溶性胶原蛋白（ASC）。Liu等[4]用氢氧化钙溶液处理斑点叉尾鮰鱼皮后，在43.2 ℃的热水浴中浸提5.78 h，制得具有较大强度的明胶。Jamilah等[5]用酸、碱预处理黑、红罗非鱼皮，45 ℃热水提取制备胶原蛋白12 h，其得率分别为5.39%、7.81%（w/w）。

1.1.2 酸提取法 酸提取法就是利用原料中有效成分在酸性溶剂中的溶解度不同，而将胶原蛋白从原料组织中提取出来的方法。酸提取中使用的酸有甲酸、乙酸、乳酸和柠檬酸等，其中最常使用的为乙酸。Zhang等[6]用乙酸提取的草鱼皮中酸溶性胶原蛋白占其湿重的5.1%，Li等[7]同样用乙酸提取了马加鱼皮及鱼骨中的酸溶性胶原蛋白，其得率分别为13.68%、12.54%。Skierka等[8]分别用盐酸、柠檬酸、乙酸、乳酸提取了大西洋鳕鱼皮中的酸溶液胶原蛋白，24 h内提取率乙酸>乳酸>柠檬酸>盐酸。

1.1.3 盐提取法 盐提取法主要使用氯化钠、氯化钾、醋酸钠等。Kolodziejska等[9]用9% NaCl从鱿鱼皮成功提取出盐溶性胶原蛋白，其得率为7.0%。Fernández-Díaz等[10]用不同浓度的氯化钠从无须鳕及鲑鱼鱼皮中提取盐溶性胶原蛋白，其胶原蛋白含量分别为34.2%、48.8%（以干基计）。

1.1.4 碱提取法 使用碱可以提取到胶原蛋白，但是其相关报道较少。Kolodziejska等[9]用pH=11.5 NaOH溶液从鱿鱼皮中提取碱溶性胶原蛋白，其得率为7.1%，但是碱法提取的胶原蛋白水溶性较低，其黏度更只有盐法提取的1/4。endprint

1.1.5 酶提取法 酶法提取的胶原蛋白称为酶溶性胶原蛋白（PSC）。酶提法是目前提取胶原蛋白最常用的方法，常用的酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶和复合蛋白酶等[11]。酶解胶原蛋白的工艺主要分为单酶水解法和复合酶水解法。复合酶水解法又分为混合酶水解法（例如牛胰蛋白酶、链霉菌蛋白酶、芽孢杆菌蛋白酶混合）和分步酶水解法。刘培勇等[12]利用木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶分步水解法提取了鲟鱼皮中胶原蛋白，得到的水解液多肽相对分子质量低，同时含量较高。

蛋白酶可选择性切除非螺旋的端肽而溶解出胶原分子，而胶原蛋白的三股螺旋结构在酶解时具有较高的稳定性，可以显著提高胶原的得率。酶法提取胶原蛋白，具有提取时间短，得率高，且对环境污染较小等特点，同时酶法提取对胶原蛋白损伤小，能获得具有良好生物活性的胶原蛋白。目前，酶提法已成为胶原蛋白提取研究的热点。

1.1.6 复合提取方法 尽管研究者不断优化了各种提取方法的条件，但单一提取法仍然存在着一定的不足。其中热水法提取温度较高，得到的胶原蛋白大多变性为明胶；碱法迅速且彻底，但易造成胶原肽键被水解，且含羟基和巯基的氨基酸易被破坏而产生消旋作用（结构变异），使得到的胶原蛋白失去其营养价值；酸法提取能较好地保持胶原蛋白三股螺旋结构，但产品得率较低，且提取时间较长，同时色氨酸、丝氨酸和络氨酸等都极易被破坏；酶法提取反应条件温和，溶出率高并且能降低胶原的抗原性，但水解不够彻底。在实际的提取过程常采用酸-酶结合或碱-酶结合等复合提取方法。Singh等[13]利用乙酸-猪胃蛋白酶结合提取鲶鱼皮中胶原蛋白，其得率达7.7%。Ahmad等[14]分别利用乙酸-长鳍金枪鱼胃蛋白酶、乙酸-黄鳍金枪鱼胃蛋白酶、乙酸-猪胃蛋白酶提取河豚胶原蛋白，其得率分别达到8.48%、8.40%、7.56%。Gómez-Guillén等[15]用高压辅助提取鱼皮明胶，结果显示高压处理可以大幅降低处理时间，在几分钟之内得到高凝胶强度的鱼皮明胶。由表1可知，热水提取法、酸提取法、盐提取法、碱提取法等所得胶原蛋白含量相对较低，而采用酸酶结合提取法所得胶原蛋白含量较高。

1.2 胶原蛋白纯化及精制

水产品水解得到的胶原蛋白水解液中常常含有大量的杂质及盐分等，并伴随一定的腥苦味，因此，除杂、脱盐、脱腥和脱苦成为工业生产中胶原蛋白纯化和精制的必要步骤。水解液中的杂质一般为水产品水解残渣以及未被水解掉的部分，通过离心、过滤即可基本去除。

1.2.1 脱盐 水解液中常存在大量盐分，这不仅影响了产品的口感风味，甚至危害人体健康。目前常用的脱盐方法有透析、凝胶过滤、超滤、反渗透、离子交换等。离子交换法、反渗透以及超滤能基本去除蛋白质水解液中的盐分，是工业化生产中较常用的脱盐方法，现已大量应用于食品加工行业；透析法和凝胶过滤虽然具有较好的脱盐效果，但主要用于实验室研究，不适宜工业生产中推广应用。刘培勇等[12]采用离子交换法对鲟鱼皮胶原蛋白酶解液进行脱盐，脱盐率在90%左右，蛋白质回收率在80%左右。同时，其比较研究了纳滤的脱盐效果，脱盐率最高达97.8%，蛋白质回收率为96.2%。Hwang等[16]利用盐析-磷酸纤维素柱层析法获得了较纯净的斑鳐鱼皮胶原蛋白。

1.2.2 脱腥脱苦 胶原蛋白在水解过程中，部分未水解的残渣以及大量有色、带苦味的疏水氨基酸的释放，导致水解液伴有一定苦味和腥味。脱苦脱腥方法可分为物理法，例如吸附剂吸附法、选择性分离法、共沸异丁醇提取、利用疏水性层析柱处理、掩盖法（β-CD包埋法）、膜分离法等；化学方法，例如酶法、抗氧化剂法、改造蛋白法等；以及微生物发酵法[17-19]。鉏晓艳等[20]研究了纳滤-β环糊精（β-CD）包埋法去除草鱼鳞酶溶性胶原蛋白，结果发现，酶解液经过800～1 000 u纳滤膜除杂，再以4.0%环糊精，70 ℃水浴40 min，可获得无腥苦味、口感好的终产品。裘迪红等[21]比较研究了活性炭吸附法、β-CD包埋法、乙醚萃取法、酵母发酵法对鲐鱼蛋白水解液脱腥脱苦效果，结果显示酵母发酵法效果最佳。35 ℃时，在水解液中加入2%酵母粉发酵1 h，能基本去除腥苦味。胡文婷等[22]在比较研究了粉末活性炭吸附、酵母发酵和环状糊精包埋法对鳕鱼碎肉酶解液脱腥脱苦的效果，结果表明酵母粉-活性炭结合法能得到无腥无苦无色的胶原蛋白酶解液，且回收率达91.81%。

2 性能表征

2.1 结构特点

胶原蛋白是生物体内常见的结构性蛋白质，目前已发现的胶原蛋白链编码基因达30余种，可以翻译合成几十种胶原蛋白。根据它们的组织分布和功能特点，可分为Ⅰ、Ⅱ等。Ⅰ型胶原蛋白主要分布于骨、皮肤、肌腱等组织，由2条α肽链和1条β肽链构成。从水产品加工副产物（皮、骨和鳞）中提取的多为Ⅰ型胶原蛋白，占全部胶原蛋白含量的80%～90%，其在医学上的应用也最为广泛[23]。Ⅱ型胶原蛋白由软骨细胞产生，主要存在于血管、骨骼、关节、肌腱及新生皮肤中，由3条相同的α肽链构成。

胶原蛋白氨基酸的组成及含量对其结构和功能有着重要影响，因此测定其氨基酸组成及含量是研究胶原蛋白性质表征中的重要组成部分。部分文献中报道的畜禽、水产品中胶原蛋白氨基酸组成及含量见表2。不同来源的胶原蛋白其氨基酸组成及含量存在一定的差异。例如Cys只在鳗鱼、草鱼等部分胶原蛋白中检测到，鲟鱼皮胶原蛋白中脯氨酸及羟脯氨酸的含量高达234‰[24]，而红鲑鱼仅为165‰[25]。胶原蛋白氨基酸组成及含量的差异，特别是脯氨酸及羟脯氨酸等特征氨基酸含量的显著差异可能直接影响胶原蛋白的溶解度、热稳定性等性质及其营养价值。

2.2 溶解度

蛋白质的溶解性是其重要的功能特性之一，蛋白质产品的水溶性取决于蛋白质-水的相互作用。研究发现，由于水产品胶原蛋白之间交联性较低，其酸溶性明显高于陆地脊椎动物胶原蛋白。Li等[7]研究的马鲛鱼皮酸溶性胶原蛋白（ASC）在pH为1～4时溶解度接近100%，在pH为7时溶解度最低，仅为21.8%，而后在pH从7升到11的过程中，溶解度逐渐增加。同时在pH大于2的水溶液中，酶溶性胶原蛋白（PSC）的溶解度稍大于ASC。他们认为酶解得到的相对分子质量更小，其分子之间的交联作用较弱。endprint

NaCl对胶原蛋白溶解度的影响主要是由于高浓度的NaCl会导致胶原蛋白的盐析作用加强。大量研究表明，NaCl浓度在2%以下时，胶原蛋白溶解度几乎不变。Li等[7]发现在NaCl浓度大于3%时，马鲛鱼胶原蛋白溶解度急剧降低，并维持在一个较低的稳定水平。然而Singh等[13]发现在NaCl浓度大于3%时，鲶鱼胶原蛋白溶解度只有轻微降低，但是当NaCl浓度大于4%时溶解度明显降低。Singh等[13]还发现，NaCl对PSC及ASC溶解度的影响同样存在这种差异，在NaCl浓度大于2%时，PSC的溶解度明显大于ASC。分析认为酶解法所得到的PSC相对分子质量较大，因而存在一定的水解作用，同时，PSC及ASC氨基酸组成及结构的差异可能也是造成这种现象的原因之一。

2.3 热稳定性

胶原蛋白的热变性过程是三螺旋结构连续发生变化的过程，随着温度的升高，三螺旋会发生解旋，并最终形成无规则的单条多肽链。在这个过程中，稳定的三螺旋结构的氢键作用力逐渐被破坏，造成三螺旋构象的改变，并且该过程是不可逆的。胶原蛋白热稳定性与物种所处的环境温度和体温等相关，由表2可知，从牛、羊等动物皮中提取的胶原蛋白其热稳定性相对高于从水产品中提取的胶原蛋白[26，27]，而热带水产品中提取的胶原蛋白热稳定性高于从寒温带水产品中提取的胶原蛋白。Wang等[25]从深海蛙鱼皮、鱼鳞及鱼骨中提取的胶原蛋白热变性温度分别为16.1 ℃、17.7 ℃、17.5 ℃，而Singh等[13]测得热带鲶鱼皮胶原蛋白热变性温度为39.3 ℃。Kimura等[28]认为鱼皮胶原蛋白的热变性温度还与脯氨酸和赖氨酸的羟基化程度有关，亚氨基酸的吡咯环和羟脯氨酸的羟基所形成的氢键对胶原结构的稳定起着重要作用。相似氨基酸组成但羟基化程度更高的胶原蛋白，其变性温度更高[7，13]。但也有研究指出，鱼皮胶原蛋白的热变性温度可能更取决于亚氨基酸的含量。研究发现深海蛙鱼与尼罗河鲈鱼皮胶原蛋白中脯氨酸和赖氨酸总羟基化程度相似，但其亚氨基含量分别为165‰和201‰，因而其热变性温度分别为16.1 ℃、36.5 ℃[25，29]；Singh等[13]发现热带鲶鱼皮胶原蛋白中脯氨酸及羟脯氨酸的含量为217‰，其热变性温度为39.3 ℃；Zhang等[6]从草鱼皮提取的胶原蛋白中脯氨酸及羟脯氨酸的含量为186‰，其热变性温度为24.6 ℃。因此亚氨基酸尤其是羟脯氨酸含量越高，胶原蛋白就越稳定。

2.4 其他特性

胶原蛋白的吸油性、乳化性、吸水性、保水性、起泡性及泡沫稳定性等是其工业使用中常衡量的一些指标特性。例如胶原蛋白被用作罐头、饮料、啤酒等的添加剂时，常需要考虑其乳化性能及泡沫稳定性等。而被用在化妆品行业时，则需要其具备较强的吸水及保水性能。

曾庆祝等[31]分别用热水提取法、酸提取法、酶提取法提取了鱿鱼皮胶原蛋白，并比较研究了其吸油性能。研究发现，3种方法提取的胶原蛋白均具有很好的油吸附能力，PSC的吸油性最强，达到3.3 mL/g，这可能是由于酶法提取条件温和，较好地保留了胶原蛋白中的疏水性基团。康乐[32]研究的罗非鱼鱼鳞胶原蛋白泡沫膨胀能力为65%，泡沫稳定性为60%，均比猪骨胶原蛋白的泡沫膨胀能力（32%）和泡沫稳定性（10%）大很多，可作为起泡剂，无毒、安全。王碧等[33]研究表明胶原蛋白在酸、碱性溶液中都有较高乳化能力和乳化稳定性，并且随其浓度增加而增大，是一种理想的乳化剂。这可能是由于酸法提取破坏了胶原蛋白大量的疏水基团。刘培勇等[12]比较研究了鲟鱼皮胶原蛋白、纯水及甘油的保水性能，结果表明胶原蛋白具有较好的保水性，但略低于甘油；陈日春等[34]也发现鲢鱼鱼鳞胶原蛋白在吸水性及保水性方面都明显优于甘油，表明胶原蛋白是一种良好的保水及吸水物质。

3 应用

胶原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性、低过敏性以及生物活性，例如低抗原性，在体内易被人体吸收，能促进细胞成活与生长，促进血小板凝结等，而在食品加工、医药保健、化妆品等领域获得广泛的应用。

3.1 在食品领域的应用

胶原蛋白主要在功能食品、食品添加剂、食品包装材料等方面广泛应用。水产品鱼皮、鱼鳞等胶原蛋白经水解后所产生的多肽是一种相对分子质量低，易被吸收的有效成分，常被用来生产氨基酸口服液和蛋白饮料等功能食品[35]。武建新等[36]用鲜牛奶和鳕鱼皮胶原蛋白发酵，生产出营养丰富且具有保健功能的胶原蛋白酸奶。鱼类胶原蛋白由于具备良好的乳化性、起泡性及泡沫稳定性等，常添加在食品中起乳化、稳定、起泡和澄清等作用。如被添加进啤酒和葡萄酒中，能够维持产品质量的长期稳定。常被用作肉制品改良剂的明胶是胶原蛋白的水解产物，加入肉制品中能明显改善结缔组织的嫩度，并增加蛋白质含量。胶原蛋白具有固定化酶的作用，可用于改善食品的品质和风味。胶原蛋白是营养丰富的高蛋白，因而作为胶原肠衣的主要原料被广泛应用。并作为一种营养载体和包装材料，辅加以CaCl2、甘油等添加剂，被用于果脯蜜饯等内包装膜。

3.2 在生物医药领域的应用

胶原蛋白作为天然的组织支架材料，是一种重要的生物医学材料。其具有低免疫源性、与宿主细胞及组织之间的相容性、可生物降解性、凝血性等优势，常被用在血浆代用品、人造皮肤、人工血管、人工骨、支气管架以及固定化酶载体等[37-39]。Wakitani等[40]利用嵌入软骨细胞的胶原蛋白凝胶来修复软骨缺陷；Orwin等[41]利用上皮、内皮和角膜细胞附在胶原蛋白海绵上，以适应角膜组织。另外，鱼皮胶原蛋白可有效促进上皮细胞的增生修复，因此在烧伤和创伤的治疗中被广泛应用[42]。同时，胶原蛋白的特征氨基酸——羟脯氨酸对血浆中钙的运输起着重要作用，能促进钙在体内的消化吸收，使其更快地到达骨骼部位而沉积[43]。胶原蛋白可以降低血液中胆固醇和甘油三酯，加速体内血红蛋白和红细胞的合成，具有显著的减肥降血脂作用，对预防冠心病、缺血性脑病也有重要作用。endprint

3.3 在化妆品行业的应用

胶原蛋白由于含有大量的亲水基及极性基团等重要的保湿因子，能有效阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素，是纯天然的保湿、美白、防皱、祛斑材料，可广泛用于各种美容化妆品[44，45]。李彦春等[46]研究了鱼胶原蛋白对人体皮肤水分、油分具有调节作用，证明鱼胶原蛋白对皮肤具有良好的保水作用。张铭让等[47]认为，化妆品中添加的胶原蛋白多肽含有丰富的酪氨酸，其能与皮肤中的酪氨酸竞争，而与酪氨酸酶的活性中心结合，从而抑制体内黑色素的产生，对皮肤起到美白作用[47]。另外，胶原蛋白在化妆品中作为一种功效成分可有效缓解各种酸、碱和表面活性剂等外源性物质对毛发、皮肤等的刺激。

4 展望

水产胶原蛋白的研究和应用已经深入到多个行业和领域，并成为工业生产中最重要的胶原蛋白来源。但还需在以下方面进行强化和完善：

1）水产胶原蛋白的酸和碱前处理工艺影响行业健康持续发展，积极发展酶法复合提取及精制工艺可有效提升行业整体水平。

2）尚需对水产胶原蛋白流变学特性、功能性、材料学特性、免疫原性和改性等方面进行深入的研究，为水产胶原蛋白在食品和医学等领域的拓展应用提供理论基础。

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