水产蛋白源明胶的研究进展

王珊珊，刘楠，孙永，周德庆，2，*

（1.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛266071；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋药物与生物制品功能实验室，山东青岛266237）

通常人们所称的胶原蛋白，一般是指天然三螺旋结构得到最大程度保留的未变性胶原。明胶是胶原在高温或酸、碱、酶等条件作用下部分水解得到的大分子物质。尽管这两种物质具有同源性，在氨基酸组成上具有相似性，但是它们在制备工艺、理化性质及应用前景上存在很大差异[1]。近年来全球对明胶的需求量持续增长，由于疯牛病及口蹄疫等人畜共患疾病的传播，传统来源胶原蛋白的安全性受到消费者的质疑；此外，由于部分地区的宗教及风俗原因，猪、牛来源的明胶在应用上受到巨大限制[2]。因此，越来越多的研究致力于寻找陆源哺乳动物明胶的替代品。

在过去的十几年里，随着水产养殖、远洋捕捞及水产加工业的迅速发展，产生了大量富含胶原的加工副产物（鱼皮、鱼骨、鱼鳞、鱼鳍等）。这些副产物约占原料总量的50%～80%，在加工结束后通常被直接丢弃或被制成低值鱼粉充当动物饲料，不仅是对环境的巨大污染，也造成了资源的极大浪费[3]。因此，如何促进水产加工副产物的高值化开发、降低环境污染、提高水产蛋白源明胶产量及其品质，成为当前相关领域科研工作者的研究热点[4-6]。本文将对国内外近年来报道的水产蛋白源明胶的制备、凝胶性质、改性及应用开发等工作展开综述，以期为水产加工副产物的高值化利用与寻找更好的陆源哺乳动物明胶替代品提供理论基础。

1 水产蛋白源明胶的制备工艺

明胶的制备通常包括原料预处理、溶胀、提取和干燥4个步骤。几种水产蛋白源明胶的原料预处理、溶胀和抽提的主要工艺条件见表1。

表1 几种水产蛋白源明胶的制备工艺Table 1 Extraction process of aquatic gelatin

胶原纤维在动物组织中紧密交联，单纯的热处理无法有效破坏组织中的氢键和共价键，因此需使用酸/碱溶液进行溶胀以打开端肽区的共价交联以及蛋白分子内与分子间的氢键、共价键和非共价键[6]。此外，还可通过添加蛋白酶对端肽区进行酶解，以提高原料的溶胀效率。Norziah等使用0.1 mol/L醋酸溶液（含菠萝蛋白酶0.3 g/L）对带鱼（L.savel）鱼糜加工下脚料溶胀处理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）对鳚鱼（S.basilisca）鱼皮溶胀处理18 h[12]。

热水抽提是最常见的明胶提取方法，通过高温对蛋白分子间与分子内的氢键和共价交联、以及初级结构的酰胺键进行部分水解，将三螺旋结构破坏为无规则卷曲状态，使蛋白转变为可溶状态而溶解于热水中。超高压处理是在热水抽提的基础上，通过高压使原料组织结构和蛋白结构发生松弛和变性，以提高产品得率。Gómez-Guillén等采用超高压辅助方法提取鲽鱼（S.vulgaris）鱼皮明胶，在 250、400 MPa高压条件下处理10 min～20 min能够有效提高明胶的提取率[9]。

2 水产蛋白源明胶的凝胶特性

从狭鳕等生活在寒冷水域的原料中制备的样品凝胶点大约在4℃至14℃，溶胶点大多低于22℃，凝胶强度数值大多约为100 g或低于100 g。相对于冷水鱼，从热带及温带水域原料中制备的样品凝胶性能相对较好，凝胶点约在17℃至22℃，溶胶点则在23℃至29℃，凝胶强度数值可超过200 g。目前商品化的猪皮或牛皮明胶凝胶强度一般在300 g～400 g，凝胶点大多在20℃至25℃，溶胶点在28℃至31℃[4]。凝胶强度是评价明胶品质的重要指标。不同来源的明胶凝胶强度差异较大，主要与不同物种之间亚氨酸（脯氨酸与羟脯氨酸）含量的差异有关[21]。Leuenberger等研究发现水产蛋白源明胶的凝胶强度普遍低于陆源哺乳动物明胶，但其黏度相对较高[22]。几种水产蛋白源明胶的凝胶特性如表2所示。

除了原料的物种差异性外，在明胶制备过程中酸/碱溶胀条件、提取温度、提取时间等因素均能影响蛋白的分子结构与相对分子量，从而对其凝胶性能造成影响。Nikoo等研究发现，使用0.05 mol/L醋酸溶液对史氏鲟（A.schrenckii）鱼皮溶胀3 h后所制备的样品凝胶强度为141 g；在相同条件下当醋酸溶液浓度提高到0.20 mol/L时，所制备的样品凝胶强度降低至105 g[23]。Kittiphattanabawon等以黑鳍鲨（C.limbatus）鱼皮为原料，发现在45℃下提取6 h时样品凝胶强度高达206 g；在75℃下提取12 h时样品凝胶强度则迅速降低至25 g以下[32]。明胶中α链的含量对凝胶性能影响很大，剧烈的制备条件会使α链过度降解，致使蛋白在凝胶化过程中无法形成有序交联，从而导致凝胶强度的下降。

表2 几种水产蛋白源明胶的凝胶特性Table 2 Gelling properties of aquatic gelatin

3 水产蛋白源明胶的改性

虽然水产蛋白源明胶来源丰富、成本低廉，但相对较低的机械强度导致其不可完全替代陆源哺乳动物明胶，限制了其在食品、医药等领域的应用。因此需要使用物理、化学或共混改性等方法来进行明胶改性，以满足其在实际应用中的需求。

物理改性通常包括紫外辐射、超高压处理等方法，其特点是不引入外源性物质。Montero等研究表明超高压能够显著提高冷水鱼大西洋鳕（G.morhua）鱼皮明胶的凝胶强度，但对温水鱼鲽鱼（L.boscii）鱼皮明胶的凝胶强度无明显改善[41]。Otoni等发现中波紫外线处理能够同时提高鳕鱼与罗非鱼鱼皮明胶的凝胶强度与黏度[42]。Bhat等发现紫外线照射鱼皮明胶60 min能够有效提高该明胶的凝胶强度，但明胶黏度有所降低，样品熔融焓有所改变[43]。

化学交联是目前应用最为广泛的改性方法。其中，醛类物质对明胶性能提升效果十分显著，能够与蛋白中的自由氨基发生快速反应形成Schiff碱结构。其缺点在于经过改性的凝胶在使用过程中一旦发生降解则有可能产生毒性物质，因此在应用方面受到了限制。天然生物交联剂由于具有更好的安全性和细胞相容性受到研究者们的青睐。Chiou等研究表明在较高的pH值条件下，京尼平能够加快狭鳕（T.chalcogramma）与鲑鱼（T.chalcogramma）明胶样品的交联速度[44]。Gómez-Guillén等研究发现添加适量谷氨酰胺转氨酶（TGase）能够有效提高鲽鱼（L.boscii）明胶样品的凝胶强度、溶胶点、弹性和凝聚性；但TGase的过量添加可能会导致凝胶网状结构过快形成，从而降低样品的凝胶强度和硬度[6]。Yan等研究发现没食子酸与芦丁能够明显提高狭鳕（T.chalcogramma）鱼皮明胶的凝胶强度、弹性模量（G’）和黏性模量（G’’），红外光谱分析表明没食子酸与芦丁可能与蛋白分子C-N-C部分发生氢键或疏水相互作用，也可与羧基形成氢键[45]。

此外，多项研究表明一些不与明胶反应的化合物与明胶共混形成多元体系，同样能够改善样品的凝胶性能。Baddi等以 3∶10（质量比）在竹荚鱼（T.trachurus）鱼皮明胶中添加卵清蛋白，样品的凝胶强度得到明显的提高[1]。Pranoto等研究发现κ-卡拉胶与结冷胶的添加能够提高商品化鱼皮明胶的凝胶溶胶点，其中结冷胶的效果更为显著[46]。

4 水产蛋白源明胶的应用

4.1 在食品工业中的应用

水产蛋白源明胶，尤其是从冷水鱼中制备的明胶热量低、溶胶点低于人体的生理温度，易于融化在口中带来类似于脂肪融化的口感，因此可以用于冷冻及冷藏食品的加工（例如冰激凌、酸奶和低脂涂抹食品等），同时能够降低原料的生产成本[4]。水产蛋白源明胶还可作为软胶囊及微胶囊的壁材，用于对食品调味料（例如蒜香味调味粉、苹果味调味粉、黑胡椒粉等）及营养补充剂（例如维生素、鱼油、柠檬油等）的包埋处理[47]。Kaewudom等研究发现，添加商品化罗非鱼皮明胶与TGase能够有效提高金线鱼（N.bleekeri）鱼糜制品的凝胶强度[48]。Souissi等研究发现通过添加乌贼皮明胶能够有效改善章鱼香肠的持水性、硬度、弹性和咀嚼性。同时发现乌贼皮明胶的添加也具有一定的抑菌效果，经过15 d贮藏试验，相比对照组，添加乌贼皮明胶的香肠细菌总数、大肠杆菌群和金黄色葡萄球菌数均有所降低[49]。

此外，水产蛋白源明胶具有良好的安全性、延展性、成膜特性和可降解性，因此被广泛应用于可食性保鲜膜的研发。郑雅爻等研究发现经过谷氨酰胺转氨酶改性的鲢鱼皮明胶膜具有更为致密均匀的表面结构，且改性能够显著增加明胶膜的韧性、延展性和阻隔性，其膜性能可达到或超过猪皮明胶膜[50]。周伟等探究不同羟基（-OH）数的黄酮对罗非鱼鳞明胶膜性能的优化作用，结果表明黄酮-OH数越多，黄酮-鱼鳞明胶复合膜的内部结构越致密、膜的拉伸强度越大[51]。Wu等在银鲤鱼皮明胶中添加肉桂精油纳米脂质体混合，不仅改善了明胶膜的断裂伸长率，还赋予了明胶膜良好的抑菌性能[52]。官爱艳等在秘鲁鱿鱼皮明胶中添加一定浓度的壳聚糖，结果显示鱿鱼皮明胶与壳聚糖之间具有良好相容性，所制备复合膜的机械性能、热稳定性、透光性能和水分阻隔能力均得到显著改善[53]。

4.2 在其它领域中的应用

明胶因具有良好的生物相容性和生物可降解性、在体内降解后不产生其它副产物，因此广泛应用于药物递送系统、组织工程和伤口敷料开发。Gomes等以冷水鱼明胶、聚己内酯和壳聚糖为基料通过静电纺丝制备皮肤组织工程支架，试验结果表明4种不同支架中壳聚糖/聚己内酯/明胶支架具有较好的物理性质，HFFF2细胞黏附率试验结果表明：聚己内酯/明胶支架＞壳聚糖/明胶支架＞壳聚糖/聚己内酯/明胶支架＞壳聚糖//聚己内酯支架[54]。Manikandan等使用酚酸类化合物对鱼鳞明胶进行改性，然后添加酪氨酸酶催化制备水凝胶。相对于对照组，该水凝胶能够显著加快犬类伤口愈合，还可降低炎症反应从而避免伤口过度瘙痒[55]。Enrione等以大西洋鲑鱼皮明胶为基料制备明胶/壳聚糖/琼脂糖复合敷料，该敷料具有良好的生物相容性，能够有效促进兔子伤口处肉芽组织的增生、成熟和上皮化，加快肉芽组织转变为结缔组织、形成正常皮肤[56]。

由于水产蛋白源明胶在体内消化降解后能够产生结构多样的寡肽，其在功能食品及化妆品领域的应用价值也被不断发掘，相关产品受到消费者的广泛认可。陈铁军等研究发现大马哈鱼皮明胶可显著抑制光老化小鼠皮肤中羟脯氨酸含量的降低，作用途径可能是通过提高光老化小鼠皮肤中抗氧化酶的活力，例如总超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，TSOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px），从而降低自由基对皮肤中蛋白质和脂质的氧化损伤，缓解紫外线照射对皮肤的光老化损伤[57]。Han等对去卵巢大鼠进行90 d的鳕鱼骨明胶灌胃（剂量分别为0.375、0.75、1.5、3、6 g/kg体质量），结果发现各剂量组大鼠皮质骨的骨密度值无显著性差异，但3 g/kg剂量组大鼠股骨颈处的骨密度值、胫骨近端骨小梁数均显著高于阴性对照组，说明鳕鱼骨明胶能够有效抑制松质骨的骨量流失。PCR数据表明鳕鱼骨明胶可有效降低大鼠体内核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）mRNA的表达水平，从而抑制破骨细胞的增殖和分化[58]。

5 展望

水产蛋白源明胶可避免人畜共患病与宗教等因素的限制，能够作为哺乳动物明胶的优良替代品应用于生物医学、化妆品及功能食品等领域。目前，科研工作者在水产蛋白源明胶的制备、改性与应用研究方面已取得了大量研究成果，但仍有以下问题亟待解决：在制备工艺上，如何运用现代食品加工技术提高制备效率，实现水产蛋白源明胶的绿色规模化生产。在开发应用上，如何运用多种改性方法来提高水产蛋白源明胶的凝胶特性，扩大其应用范围。同时，相应科研成果的后续转化及新产品的研发推广亟待加强，产、学、研各方应面向消费市场发展需求，加快推进合作，促使水产蛋白源明胶的应用走向更宽广的领域。