胶原凝胶性质影响因素的研究进展

赵改名 茹昂 张桂艳 田玮 祝超智 贾玉堂

摘 要：为解决畜禽及鱼类副产物利用率不高以及胶原凝胶类食品品类单一的问题，本文介绍胶原的概念、来源和结构，简述胶原的凝胶性质，综述胶原浓度、胶原溶液pH值、加热温度等环境因素对胶原凝胶性质的影响和γ-聚谷氨酸、卡拉胶、天然植物多元酚、醇类、盐、谷氨酰胺转氨酶和聚丙烯酸钠7 种添加物对胶原凝胶性质改良的研究进展，指出目前胶原凝胶研究的不足之处和未来研究的可能方向，旨在为利用此类副产物进行胶原凝胶类食品研发以及更好地将胶原凝胶应用于食品工业等领域提供思路和依据。

关键词：胶原;凝胶性质;性质改良

Abstract： Considering that by-products of livestock， poultry and fish have low utilization rate and low added value and there are monotonous collagen gel foods available in the market， this article outlines the concept， source and structure of collagen， summarizes the influence of environmental factors such as collagen concentration， pH value， and heating temperature on the gel properties of collagen， and reviews the current progress in applying seven additives such as γ-polyglutamic acid， carrageenan， natural plant polyphenols， alcohols， salts， glutamine transaminase and sodium polyacrylate to improve the gel properties of collagen. This article points out the shortcomings of the current studies on collagen gels and possible future research directions， in order to provide ideas and evidence for the development of collagen gel foods from livestock， poultry and fish by-products and for improved application of collagen gels in the food industry and other fields.

Keywords： collagen; gel properties; properties improvement

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20200703-167

中圖分类号：TS251.1                                       文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2020）10-0070-06

胶原是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质，是肉中一种重要蛋白质，也是动物结缔组织的主要成分。胶原含有一个或几个由α-链组成的三螺旋结构，是结构上既有共同点又有差异的蛋白质的统称[1]，人们根据胶原中3 段肽链组成的不同及发现的先后顺序，定义了20多种不同类型的胶原[2-3]。胶原三肽结构中重复性含有丰富的甘氨酸、脯氨酸及羟脯氨酸（甘氨酸-脯氨酸-Y和甘氨酸-X-羟脯氨酸，其中X、Y可以是任何氨基酸）。一般蛋白质含有20 种氨基酸，胶原含有18 种氨基酸，主要是甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，其中羟脯氨酸是胶原的特征氨基酸[4]，不同动物来源的胶原所含羟脯氨酸含量不同，且羟脯氨酸含量会直接影响胶原的三螺旋空间结构稳定性[5]。胶原是动物体含量最高的蛋白质，约占动物体总蛋白含量的30%[6]，其来源广泛，畜禽副产物（皮、骨及筋腱等）及鱼类副产物（骨、鱼皮及鱼鳞等）中含量较高，但目前在畜禽加工及鱼类加工中，副产物的利用率并不高[7-8]，造成资源的极大浪费。为避免此类副产物的浪费并且实现高价值化利用，可利用胶原的凝胶特性生产胶原食品，以提高副产物附加值。本文介绍胶原及胶原凝胶性质，综述环境因素对胶原凝胶特性的影响及现阶段在改良胶原凝胶性质方面较为重要的几种添加物的研究情况，初步总结了胶原凝胶特性改良的研究进展。

1 胶原的凝胶性质及胶原凝胶影响因素

胶原是高分子化合物，其分子表面有许多极性侧基，如氨基、羧基、羟基和酰胺基等，都可以与水分子以氢键结合，水在胶原分子表面形成水膜，使胶原膨胀，提高温度可使胶原分子变性伸展，随后有规律地排列形成三维网状结构，可以固定大量的水，形成凝胶[4，9]。

对胶原本身而言，除羟脯氨酸外，如果胶原组成中含有较多的α1亚基[10]或较少的疏水性氨基酸[11]，此类胶原便可形成稳定、致密的凝胶。除胶原自身因素外，不同环境条件及添加物均会影响胶原的凝胶性质。目前胶原在食品领域的应用主要是胶原食品、功能保健品和食品添加剂，其来源广泛，营养价值高，且具有良好的生物相容性、低免疫原性和保健功能。胶原的凝胶性质可应用于胶原凝胶软糖、胶原果冻和肉冻类等产品的开发。但是单纯的天然胶原易生物降解，且存在热稳定性差、水溶性不良、流动性不好和凝胶强度不佳等缺点，使其应用受到一定的限制[12]。因此，本文对影响胶原凝胶性质的环境因素和改良胶原凝胶性质的外源添加物相关研究进展进行总结，使其可以更好应用于胶原凝胶食品研发和生产中。

2 环境条件对胶原凝胶性质的影响

2.1 胶原质量浓度对胶原凝胶性质的影响

胶原溶液黏弹性与胶原质量浓度有关，随着胶原质量浓度的增加，胶原溶液的弹性模量（G）和黏性模量（G）也会随之增加，但G增加更为迅速并最终出现G和G曲线的交汇，交汇点的胶原质量浓度即为胶原从溶胶向凝胶转变的临界点质量浓度[13]。1950年，已有学者经大量实验发现胶原的凝胶强度几乎与胶原质量浓度的平方成正比[14]。国内学者的实验研究也印证了这一观点。张联英[15]以鳙鱼、鲈鱼和鲫鱼的鱼皮为原料提取胶原，结果表明，胶原质量浓度1～3 g/100 mL时，形成的凝胶强度与胶原质量浓度呈正相关。刁雪洋[16]研究猪皮胶原凝胶时也有相似发现，胶原质量浓度3.0～12.5 g/100 mL时，胶原凝胶强度随胶原质量浓度上升而增强，且当胶原质量浓度达到12.5 g/100 mL后，凝胶强度达到495.9 g/cm2，上升趋势减弱。这可能是由于随着胶原质量浓度的增加，胶原疏水作用增强，胶原之间更易交联，更容易进一步形成聚集体，胶原溶液分子内和分子间的氢键作用增强，更易与水结合形成凝胶。

2.2 胶原溶液pH值对胶原凝胶性质的影响

有学者研究认为，pH值通过影响极性残基和非极性残基的平衡对热致胶凝反应产生显著影响[17]。当胶原溶液pH值在等电点附近，胶原多聚体对外显示中性，可形成强度更高的凝胶[15]，当溶液pH值偏离等电点，凝胶保水性会有所增加[18]，但凝胶强度有所下降。胶原的来源及提取方式不同，导致其分子中极性基团与非极性基团数量及比例不同，等电点也有所不同[19-22]。张联英[15]以鳙鱼、鲈鱼和鲫鱼鱼皮胶原为原料，研究发现，所制得凝胶在pH 6时凝胶强度最大。王艳[23]以草鱼鱼鳞胶原为原料，研究发现，所制得凝胶在越接近中性pH值处硬度越高。曾名勇等[24]以鳙鱼、鲈鱼和鲫鱼鱼皮胶原为原料，研究发现，所制得凝胶在pH 6.5时凝胶强度最大。可见制备强度较高凝胶的最适pH值不同。

2.3 加热对胶原凝胶性质的影响

当溶液温度较低时，胶原分子依靠其三螺旋结构可发生自聚集行为[25]，可呈凝胶态，升温可使胶原分子间氢键作用减弱，疏水相互作用明显增强，使分子聚集成球状[26]，继续升温可使膠原溶液处于非凝胶态，此时再经冷却之后形成的胶原凝胶网络结构会更加有序，凝胶品质也有所提高。当温度超过变性温度，溶液中胶原分子三螺旋结构发生松散，继续升温会使三螺旋结构变得松散，甚至被完全破坏[27-28]，生成明胶凝胶。从整体升温过程来说，升温可使所形成的凝胶强度先升高后降低[29-30]。从改善胶原凝胶性质方面来说，当加热温度低于其变性温度，降温冷却会使胶原分子发生有效重排，形成更有序的凝胶结构，有助于提高胶原凝胶品质[13]。

不同胶原根据其来源和提取方法等的不同，变性温度会有所不同，一般情况下畜禽胶原的变性温度在40 ℃左右[16，31-33]，鱼皮及鱼鳞胶原的变性温度在30 ℃左右[15，34-36]，也有研究发现以牛骨为原料提取的胶原，其变性温度可达70.3 ℃[37]，所以在相同温度下，不同胶原所形成的凝胶强度不尽相同。

2.4 凝胶形成时间对胶原凝胶性质的影响

凝胶形成时间可影响胶原凝胶的形成。张联英[15]发现，胶原凝胶强度也与凝胶形成时间有关，在凝胶形成的前4 h内，随着时间的延长，凝胶强度逐渐增大，当凝胶形成时间超过18 h后，凝胶强度不再随形成时间变化而明显变化。焦坤[38]也有类似发现，在凝胶形成的前8 h内，羊肩胛软骨Ⅱ型胶原的凝胶强度随时间的延长增幅较大，8～12 h后增幅逐渐变缓，16 h之后趋于稳定。可见胶原凝胶强度会随凝胶形成时间的延长而逐渐增强，达到最高点后随时间延长凝胶强度不再增强并趋于稳定。原因可能是随时间延长胶原分子肽链之间的交联程度增加，或者残基之间形成了新的交联，使得多个肽链之间由无序变得有序，从而使凝胶强度增加，之后由于胶原分子基本处于稳定状态，凝胶强度不再增加。

3 不同添加物对胶原凝胶的影响

添加物可作为改性剂与胶原发生交联、接枝或对其侧链进行修饰等，对胶原进行改性，以提高胶原的水溶性、胶原纤维强度，以及改善胶原的凝胶强度和热稳定性等[39]。常见的添加物包括γ-聚谷氨酸、谷氨酰胺转氨酶和盐类等。

3.1 γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸能够影响胶原纤维的致密度，可作为膳食纤维、食品增稠剂应用于食品生产中[40]，也可以通过促进唾液分泌来刺激味觉、改善口感、增进食欲，并可以结合食物中的鞣质，去除涩味，是一种很好的食品矫味剂，也有延缓食品变质的作用[41]。闫鸣艳等[42]研究发现，当γ-聚谷氨酸添加量为胶原含量的80%时，胶原凝胶网络致密度表现出增加趋势，当添加量进一步增加到100%时，网络致密度显著下降，相对应的胶原凝胶强度也表现出先增加后减弱的趋势。但γ-聚谷氨酸并不能显著提高胶原凝胶的耐酶性和热稳定性。目前γ-聚谷氨酸对胶原凝胶性质影响方面的研究较少，是未来的一个研究方向。

3.2 谷氨酰胺转氨酶

酶法交联原理是蛋白质酶催化蛋白质形成分子内或分子间交联，从而改善蛋白质的功能特性[43]。目前用于蛋白质酶法交联的酶主要包括谷氨酰胺转氨酶、过氧化酶及多酚氧化酶等[44]。2005年，Chau等[45]证明谷氨酰胺转氨酶可以作为Ⅰ型胶原的交联剂，后来有学者研究发现，在凝胶化过程中，由于胶原三螺旋结构的破坏，水分子得以进入胶原三螺旋结构中形成溶液，为谷氨酰胺转氨酶交联提供交联位点[46-47]。到目前为止，谷氨酰胺转氨酶在改良胶原凝胶性质中研究较多。

谷氨酰胺转氨酶可以有效提高胶原溶液的黏度[48]，有助于提高胶原膜的机械强度[49-50]，也有助于胶原凝胶的形成与稳定。

Fortunati等[51]对比天然胶原凝胶和谷氨酰胺转氨酶交联Ⅰ型胶原凝胶的剪切模量和黏性模量，结果表明，交联凝胶的剪切模量最大为1.6 kPa，相比之下，天然胶原最大剪切模量为1 kPa，表明交联可以得到硬度更高的凝膠。Zhao Leilei等[52]以类人胶原为原材料，研究谷氨酰胺转氨酶对胶原水凝胶胶凝时间、吸水性、凝胶强度和凝胶结构的影响，结果表明，在酶活力20～60 U/g范围内，谷氨酰胺转氨酶可缩短胶原胶凝时间，提高其吸水性，增强凝胶强度，使凝胶结构变得致密有序。黄雨琳等[53]发现，当谷氨酰胺转氨酶活力达到0.04 U/mL时，改性后胶原凝胶的性能最优，经红外光谱分析发现，改性后的凝胶胶原三螺旋结构未被破坏，且与未改性胶原相比，改性后的胶原耐热分解能力、抗体外酶降解能力、凝胶强度及吸水膨胀率提高，热变性温度略有增加。

3.3 卡拉胶

卡拉胶作为一种增稠剂和胶凝剂已广泛应用于食品工业[54]，且卡拉胶在胶原食品研发中已有较多应用[55-58]，卡拉胶添加量0.0%～0.4%时，胶原产品感官评分与卡拉胶添加量呈正相关[55]。目前有关卡拉胶对胶原凝胶性质影响的报道较少，但卡拉胶对明胶凝胶体系凝胶特性的研究比较深入，可为其在改良胶原凝胶特性研究方面提供参考。例如，关于明胶与卡拉胶交互作用机理有学者推测：当卡拉胶与明胶混合后，除氢键、疏水相互作用、范德华力、静电相互作用之外，还可能有2 种作用机理，一种为当体系pH值低于明胶等电点时，明胶带正电荷，这时明胶分子可与卡拉胶分子上的硫酸基发生静电相互作用，形成静电络合体，并形成网络结构;另一种是在体系pH值大于明胶等电点时，虽然明胶带负电荷，但从局部某一段分子来看，仍有正电荷的存在，因此明胶与卡拉胶的链段之间可通过局部静电相互作用相互搭结形成一定的网络结构[59]。且有研究证明，明胶凝胶网络结构和凝胶强度随体系中卡拉胶添加量增加而增加[60-62]。

3.4 天然植物多元酚

天然植物多元酚可作为抗氧化剂和防腐剂应用在肉制品中[63]，多元酚由于分子中羟基含量较高，可与胶原发生氢键交联，对胶原进行化学改性[39]。花青素有助于提高胶原的机械性能和热变性温度[64-65]。但目前花青素对胶原凝胶特性影响的研究也较少，仅有部分学者发现，低添加量原花青素有助于明胶凝胶的形成，高添加量原花青素可与明胶形成沉淀，其可能原因是低添加量原花青素与明胶可形成具有多分枝网状结构的水凝胶，但该凝胶体系热稳定性较差，其结合力较弱，高添加量原花青素与明胶之间形成氢键，故原花青素-明胶沉淀的热稳定性较明胶有很大提高[66]。这部分研究可为花青素等天然植物多元酚在胶原凝胶中的研究与应用提供参考。

3.5 醇类

醇类，如丙三醇可以结合到胶原分子表面，与胶原竞争水分子，促进胶原分子聚集体溶解，稳定胶原分子，提高其变性温度[67]。Li Jiheng[68]、杨维[69]、刘文涛[70]等也有相似的结论，醇类可以提高胶原的热稳定性和胶原溶液黏弹性。添加醇类对胶原凝胶强度的影响总体呈先下降后增高的趋势。在低添加量下（一般为6%）凝胶强度会下降，而随着添加量继续增大，胶原凝胶强度会有所上升，其中当醇类添加量大于10%后，胶原凝胶强度较未添加醇类时有所上升[71-72]。原因可能是刚开始添加醇类时，醇类会提升胶原的热稳定性，使胶原分子无法充分展开，胶原分子间的交联程度较低，故凝胶强度会有所下降[73]，随着添加量的增大，醇类中的羟基会与胶原分子形成氢键，从而提升胶原凝胶强度[74]。

3.6 盐

盐的种类繁多，对胶原凝胶性质的影响也有所不同，有些盐可促进胶原凝胶的形成，提高胶原凝胶强度，而有些盐却会产生相反的影响，且同一种盐在不同浓度下对胶原凝胶的影响也是不同的。

不同阳离子对胶原分子的聚集性和溶解度有不同影响。胶原发生自聚集后溶解度降低，较难形成凝胶，且凝胶强度降低。邢建宇等[75]研究发现，不同金属离子对胶原自聚集作用影响不同，影响能力大小为Cu2+>Fe3+>Zn2+>K+。王志炜[76]研究K+、Na+、Mg2+和Ca2+ 4 种阳离子基团在胶原自聚集过程中的特殊离子效应，结果发现，K+会降低胶原的溶解度，而Na+和Mg2+会提高胶原的溶解度，在中低浓度的Ca2+溶液中，胶原溶解度较大。除了对胶原溶解度的影响外，一些金属阳离子还可提高胶原的热稳定性[77]和抗氧化活性[78]。目前，关于胶原与阴离子相互作用的研究较少。Collins[79]发现，对水合能力较强的阴离子，如硫酸盐、磷酸盐主要与蛋白质通过中间水分子产生间接相互作用，且高浓度强水合阴离子可使蛋白质结构稳定。在盐溶液离子浓度较高时，胶原自聚集结构受阴离子影响明显，例如高浓度的SO42-会促使胶原分子凝集稳定，对胶原自聚集影响较强，而CH3COO-对于胶原蛋白自聚集结构的影响较弱[80]。

高金龙[81]的研究结果与此相符，他发现与未添加CaCl2、MgSO4的胶原溶液相比，CaCl2和MgSO4的添加会使胶原凝胶强度下降。

盐与胶原分子间的作用主要是静电相互作用，静电相互作用可调节胶原构象，随着离子强度增强，胶原热稳定性会有所提高[82]，且胶原热变性温度也会呈先降低后增高的趋势[83]。盐的添加也会使胶原凝胶强度发生改变，例如NaCl添加量0%～1%时，在NaCl添加量0.5%条件下，胶原蛋白凝胶强度最高，而在NaCl添加量1%条件下，由于盐离子可以直接破坏胶原溶液中的水合键和氢键，改变凝胶形成区域周围水的状态，破坏胶原交联部位的稳定性，从而导致胶原溶液凝胶强度降低[29-30，38]。

3.7 聚丙烯酸钠

聚丙烯酸钠是我国批准使用的食品添加剂，可用作增塑剂、乳化剂、赋形剂及膨化剂等。聚丙烯酸钠是一类带有阴性电荷的电解质，而胶原蛋白在酸性条件下带有正电荷[84]，因此在一定条件下，聚丙烯酸钠与胶原分子之间可以产生静电相互作用，但是目前聚丙烯酸钠在胶原凝胶方面的研究很少，其改善肌原纤维蛋白凝胶特性方面有一些研究[85-86]。王亚斌[87]研究发现，在制备胶原膜时加入聚丙烯酸钠，复合膜的拉伸强度逐渐增大，最高达到纯胶原膜的1.49 倍，且复合膜降解温度提高、膜更致密。这说明聚丙烯酸钠可以使胶原形成更紧密的结构，可能有助于提高胶原凝胶的强度及稳定性。

4 结 语

现阶段畜禽、鱼类副产物用于胶原凝胶类食品研发有望成为未来食品企业研发的一个新方向。但当前对胶原凝胶的研究仍有不足，有以下问题待解决：部分食品添加剂（如卡拉胶和γ-聚谷氨酸）在胶原类食品研发及生产中有所应用，但其改良胶原凝胶特性机理方面的研究很少;部分添加物（如聚丙烯酸钠和酚类）在胶原性质改良方面有所研究，但并未应用于胶原凝胶产品的研发及胶原凝胶性质改良研究。因此以上几类添加物对胶原凝胶性质改良的机理研究可作为未来的研究方向。

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