鱼明胶替代哺乳动物明胶的研究进展

杨慧娟，赵巧灵，王萍亚，黄朱梁，王海蜂，沈 清*

（1 中国计量大学标准化学院 杭州 310018 2 舟山市食品药品检验检测研究院 浙江舟山 316012 3 海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心 浙江省水产品加工技术联合重点实验室浙江工商大学海洋食品研究院 杭州 310012）

明胶是动物胶原在酸、碱、酶条件下的局部水解产物[1]，具有胶凝性和成膜性好，生物降解性和相容性佳等优点，其化学式为C102H151O39N31[2]，分子质量范围大约3～200 ku[3-4]。胶原是一种生物性高分子物质，是动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白。目前胶原有28 种，按照发现的先、后顺序分别称为Ⅰ型胶原、Ⅱ型胶原、Ⅲ型胶原等，按照胶原的功能可分为两组，一组是成纤维胶原，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅺ、Ⅻ，其另一是组为非成纤维胶原[5]。鱼类和哺乳动物类中均含有丰富的胶原，见表1。

表1 鱼类与哺乳动物类的胶原类型及分布Table 1 Collagen types and distribution in fishes and mammals

通常明胶是以陆上哺乳动物的皮、骨，如猪皮、牛皮、牛骨等为原料制备的[6]。因动物源性病毒及致病菌存在健康、宗教文化、风俗习惯等问题，故水生源鱼明胶近年来备受关注。鱼明胶与哺乳动物明胶相比，在品质、性能上有一定的差异，导致其在各行业的使用受到限制[7]。本文就鱼明胶与哺乳动物明胶的性质差异，综述鱼明胶酶改性、物化改性、复合改性方面的研究进展，为鱼明胶性质的改进提供参考。

1 明胶来源与差异

据报道，世界上46%的明胶来源于猪皮，29.4%来源于牛皮，23.1%来源于猪和牛的骨骼，仅有1.5%的明胶来源于鱼类[8]。由于素食主义、宗教信仰和疯牛病、猪口蹄疫等疾病的困扰，市场上有关猪源和牛源的明胶销量有所降低。随着食品、医药等行业的迅速发展，对明胶的需求急速增长，寻找哺乳动物明胶替代品成为一个研究热点。其中，以水生动物即鱼类为来源的明胶被视为最有可能代替哺乳动物的明胶类型。鱼明胶相较哺乳动物明胶的优点是：鱼源明胶与疯牛病和手足口病无关；鱼明胶不受素食主义约束，且在伊斯兰教中是可以接受的；鱼类是丰富的明胶来源，鱼类加工产业中产生的大量鱼类废物达生物总量的60%以上，从这些鱼类加工副产物中提取明胶，既实现了变废为宝，又解决了明胶的需求问题。

作为胶原的变性产物，明胶品质受胶原的来源和类型的影响[9]。与市场上传统的商业猪源与牛源明胶相比，鱼源明胶的起泡性能或许优于猪明胶，如鱼鳞明胶的起泡性能优于猪骨明胶，而鱼源明胶的凝胶强度、成膜性、乳化等功能特性相对较差。凝胶强度、胶熔温度和黏度是评价明胶品质的3 个重要指标。如表2所示，大多数鱼明胶的凝胶强度值在100～300 g 之间，普遍低于哺乳动物明胶，然而，一些鱼明胶表现出较高的值，如银鱼鱼皮明胶高达660 g[10]。某些鱼明胶的黏度比哺乳动物明胶高，如巨鲶鱼皮明胶，可达112.5 Pa·s[11]，比哺乳动物明胶的黏度高出数倍。另外，研究发现，鱼类的生存环境对其明胶的影响也较大，如温水鱼类如单鱼、罗非鱼、草鱼等的鱼明胶与冷水鱼类如鳕鱼、鲑鱼、鲱鱼、比目鱼的明胶相比，温水鱼类的热稳定性和流变性都高，且温水性鱼皮明胶的理化性质相似于哺乳动物明胶，在部分领域可将其替之[12]。

表2 鱼皮明胶与猪皮明胶的性质差异Table 2 The difference of properties between fish skin gelatin and pig skin gelatin

氨基酸组成是影响明胶理化性质的重要因素。研究表明，鱼明胶与哺乳动物明胶的差异可能主要归因于原料的亚氨基酸含量不同。许多研究者测试了不同鱼类与哺乳动物明胶的氨基酸组成情况，见表3。鱼明胶中的脯氨酸和羟脯氨酸含量约占总含量的17%～25%，而哺乳动物明胶中的脯氨酸和羟脯氨酸含量可达30%。脯氨酸和羟脯氨酸均属亚氨基酸，是一种含有吡咯烷环的刚性基团，与明胶的凝胶强度有紧密联系：脯氨酸和羟脯氨酸的羟基可以和水分子形成氢键，当明胶形成凝胶网络时，脯氨酸和羟脯氨酸具有有序且稳定的构象[21]。当脯氨酸和羟脯氨酸的含量较低时，明胶的凝胶模量、成胶温度和胶熔温度也会变低。许多研究者也认为，与哺乳动物相比，鱼明胶较差的凝胶强度和表面活性可能是疏水性氨基酸（脯氨酸和亮氨酸）和大部分亲水性氨基酸（赖氨酸、丝氨酸、精氨酸、羟脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）的含量较低所致[22]。

表3 某些鱼明胶中的氨基酸含量与哺乳动物明胶的比较（残基/1 000 个氨基酸残基）Table 3 The amino acid content in some fish gelatins compared to mammalian gelatin（residues/ 1 000 total amino acid residues）

2 鱼明胶改性

由于鱼明胶的凝胶性和流变性质都弱于哺乳动物明胶，许多研究者提出诸多改性方法（表4），使鱼明胶可以替代哺乳动明胶（图1）。

图1 改性后的鱼明胶与哺乳动物明胶的对比Table 1 Comparison of modified fish gelatin with mammalian gelatin

表4 鱼明胶改性方法Table 4 Modification of fish gelatin

2.1 酶改性

用于改善鱼明胶性能的酶大致分为两类：外源性蛋白酶和内源性蛋白酶。其中，内源性蛋白酶转谷氨酰胺酶（Microbial transglutaminase，MTGase），被成功运用到鱼明胶改性的技术中[46]。MTGase 浓度增加可以改变鱼明胶的结构，促进高分子质量聚合物的形成，生成致密且均匀的蛋白质网络结构，可用于提高鱼明胶的熔点和凝胶强度。高浓度的MTGase 会发生过度交联，使均匀蛋白质网络结构的形成受到抑制，导致鱼明胶强度降低，刚性结构减弱[47]。如Wangtueai 等[48]发现加入0.5%MTGase 时，狗母鱼鳞明胶的凝胶强度最大，当MTGase 浓度继续增大时，凝胶强度逐渐降低。此外，高浓度的MTGase 可增大黏度，降低水的流动性，提供更大的流动阻力，使产品黏度增大。如Gómez-Guillén 等[29]和Kołodziejska 等[30]的试验结果都表明增大MTGase 的浓度可以增强鱼明胶的黏度。

2.2 化学改性

化学交联剂也能有效改善鱼明胶的功能性能。其中磷酸化、醛类化合物改性及酚类化合物改性是几类比较重要的化学改性方法。

2.2.1 磷酸化改性 磷酸化被证明是一种改善食品蛋白、凝胶和多糖功能特性的有效方法[38，49-50]。常用的磷酸化试剂有三氯氧磷（POCl3）、三偏磷酸钠（Sodium trimetaphosphate，STMP）、三聚磷酸钠（Sodium tripolyphosphate，STP）等。磷酸试剂可通过修饰明胶的活性侧链基团，达到改性目的。如：STP 通过反应进入明胶分子中，可以增强明胶链中的磷酸基团与氨基酸-NH3+之间的离子相互作用，继而可使鱼明胶的凝胶强度得到提高[38]。然而，过量的游离磷酸盐很有可能增加蛋白质分子间的静电排斥力，降低凝胶强度，长时间的磷酸化也可能会使明胶链发生聚合，形成更大的聚集体，从而干扰凝胶网络的形成[28]。如黄涛[28]在试验中发现，3 h 磷酸化后鱼明胶分子的凝胶网络结构变得松弛。

2.2.2 醛改性 化学交联剂中，醛类交联剂通过在明胶链之间引入稳定共价键（酰胺键），提高明胶的耐热性、机械性能和耐湿性。根据醛类试剂的反应过程可分为两类：修饰过程中成为明胶分子一部分的醛类交联剂，如甲醛、戊二醛、对苯甲醛等，与不成为明胶分子一部分的醛类交联剂，如水溶性碳二亚胺 【（3-dimethylaminopropyl）carbodiimide，EDC】。甲醛分子为低分子质量分子，很容易在明胶链间迁移，并与明胶分子形成新的共价键[51]。戊二醛可与氨基酸侧残基反应形成化学键，增强明胶结构的强度和耐水性[52]。EDC 可以激活明胶链上谷氨酸和天冬氨酸的羧酸残基，活化后的基团可与（其它）明胶分子上的赖氨酸和羟赖氨酸的游离胺基发生反应形成酰胺键，从而改善鱼明胶性质[51]。

2.2.3 酚改性 酚类化合物的羟基可与明胶的羧基发生氢键相互作用，其芳香环可与明胶的疏水侧链间发生疏水相互作用，从而增强明胶凝胶的功能特性[53]，如：没食子酸和芦丁能提高鱼明胶的弹性模量、凝胶强度和热性能[54]。然而，过量酚类化合物的加入会导致凝胶无序结构的生成，影响明胶的胶凝性。氧化后的酚类与明胶中的氨基酸或巯基侧链也会发生反应，形成交联网络。例如：刘洋[40]发现质量分数2%，氧化单宁酸、4%氧化绿原酸和6%氧化咖啡酸对改善马哈鱼鱼皮明胶凝胶能力和性能的效果显著[40]。酚类化合物还可用于提高鱼明胶的抗氧化活性和乳化性能，其原因可能是被氧化的单宁酸与鱼明胶反应生成的鱼明胶-单宁酸复合物在油-水界面上能迅速定位吸附，进而形成稳定的乳液薄膜[55]。

2.3 物理改性

2.3.1 添加电解质或非电解质物质 添加电解质或非电解质是鱼明胶改性中最为常见的方式[56]。盐是最常见的电解质。Sow 等[57]提出通过添加盐改变静电力和盐桥的形成来影响明胶的凝胶特性。鱼明胶具有球形聚集物、环状结构、长短杆结构和连续的纤维网络等非均质纳米结构，向其中掺入NaCl 使球形团聚体的直径增大2 倍以上，降低其凝胶强度[57]。Yang 等[56]研究表明，添加NaH2PO4的量越高，明胶产品的凝胶性能越好。另外，添加海藻酸钠修饰鱼明胶，也是一种很好的选择[58-61]。例如，Sow 等[34]发现鱼明胶质量分数为6%时，添加0.05%～0.4%的海藻酸钠（Sodium alginate，SA），凝胶强度和硬度随SA 添加量的增加而增加；而添加0.60%SA 时，鱼明胶的凝胶强度和硬度下降。

多糖属于非电解质，其与明胶分子间的静电作用和氢键相互作用有助于改善多糖-明胶体系的凝胶性和流变性[62]。研究表明，鱼明胶和卡拉胶可形成大型复合凝聚体，提高鱼明胶的凝胶强度[35]。其中，鱼明胶与卡拉胶间的缔合作用是改性的关键，当鱼明胶和卡拉胶混合比为4∶96 时，缔合作用最大，其流变性能与猪明胶的相当[63]。果胶也是良好的多糖修饰物，然而高含量的果胶会出现“凝胶弱化”现象。黄涛[28]在修饰鱼明胶时发现，用1%，3%的果胶修饰，可改善鱼明胶的胶凝性、黏度，而用5%的果胶修饰时，鱼明胶的凝胶网络结构弱化，硬度也随之降低[28]。另外，低含量的蔗糖、木糖醇和甜叶菊等也可以通过形成配位键的方式来提高鱼明胶的凝胶性能[37，64]。

2.3.2 机械处理 与其它修饰方法相比，机械处理鱼明胶的方法既经济又实用，且无需添加任何外源物质。高压提取鱼明胶使稳定胶原的非共价键紊乱，从而提高明胶的产量，且作用压力和时间对明胶结构也有影响。在适当的压力和时间条件下，高压作用诱导蛋白质聚集，提高明胶中高分子肽的含量，从而提高明胶的品质[65]。Gómez-Guillén等[33]将鱼明胶在400 MPa 条件下加压处理10 min，发现显著改善了鱼明胶的黏度、胶凝和胶熔温度。超声波处理使明胶结构中疏水残基的微环境发生变化，改变明胶的二级结构，从而影响明胶的品质[65]。Yu 等[66]和Tu 等[31]的试验结果显示：在提取鱼明胶时，超声波处理有助于提高产量，其原因是提取过程中超声波的机械和空化效应使水分更多地渗透到原料基质中，并提供更多的搅动来破坏基质，导致更多的胶原转化成可溶性明胶。辐照是一种低成本的、物理的、非热能的处理技术，其中的紫外UV 辐射和γ 辐射处理均影响鱼明胶的性能[67]。另外，耿胜荣等[32]发现60Coγ 射线也影响鱼明胶的凝胶强度、胶凝温度、分子质量、大分子蛋白组分含量，且呈负相关。

2.4 复合改性

物理和化学改性虽可改善鱼明胶的某些性质，但存在修饰效率不高的问题，而酶法改性虽然专一性强，无副作用，但是易使明胶形成热不可逆凝胶[47]。针对以上改性方法存在的问题，复合修饰在鱼明胶改性的应用中使用更多。

复合修饰采用两种或两种以上的方法修饰鱼明胶。有关鱼明胶的复合修饰大多基于鱼明胶-多糖复合体系。其原因是：该复合体系高度不稳定，需借力来稳定它们，如使用酶法、多酚法、辐射处理等辅助交联[62]。黄壁成等[68]用蔗糖与MTGase 混合制作添加剂，以提高鱼明胶的凝胶强度；Chen等[69]用MTGase 和酪氨酸酶共同修饰，以增加明胶-壳聚糖溶液的黏度。Anvari 等[70]比较了氧化和非氧化单宁酸（分别为Oxidized tannic，OX-TA和Non-oxidized tannic acid，NO-TA） 处理的鱼明胶-阿拉伯胶体系，结果表明：两种形式的单宁酸均能提高复合体系的胶凝能力和凝胶强度。鲍士宝[41]发现添加茶多酚/壳聚糖纳米获得的鮰鱼明胶复合膜的抗氧化能力显著。辐射处理的辅助交联中，Aliste 等[71]尝试将γ 射线应用于水凝胶-卡拉胶（97.5∶1.0∶1.5）体系，结果表明，当剂量增到5 kGy 时，混合体系的黏度下降，剂量进一步增加，黏度呈上升趋势。复合修饰制得的鱼明胶特性与哺乳动物明胶相似。Sow 等[36]采用0.1 g/100 mL 的结冷胶、20 mmol/L 的CaCl2、6.67 g/100 mL 的复合鱼明胶体系制得的产物的强度、硬度、粘结性、咀嚼性、胶凝温度和融化温度均与商品牛明胶相当。MTGase 和果胶的复合修饰体系可以克服明胶中高含量的添加物导致的“凝胶弱化”现象[44]。黄涛[28]采用0.06%MTGase 和0.8%果胶共同修饰鱼明胶后，其凝胶强度、胶熔温度和凝胶温度也与哺乳动物明胶的相近。

3 结语

明胶以其独特的胶凝性和流变性，被广泛应用于食品、医药、化妆品等领域。为了满足需求，研究人员探索用鱼明胶代替哺乳动物明胶。鱼的加工副产品，如鱼皮、鱼骨、鱼鳞和鱼鳍均是制备明胶的优良原料。然而，与哺乳动物明胶相比，鱼明胶的不良理化性质，如熔点低、凝胶强度低、成本高等，严重限制了大规模生产和使用。近年来，研究人员在改善鱼明胶的功能特性方面取得了重要进展。通过如酶法、物理化学法、复合修饰法改性使其部分替代动物源明胶产品。