鱼皮胶原蛋白的提取、特性及其应用研究进展

窦容容，赵春青，李桂敏，颜子恒，亢春雨*

（1.河北农业大学食品科技学院，河北 保定 071000；2.保定开放大学，河北 保定 071001）

胶原蛋白是一种重要的生物高分子物质，是一种白色、不透明、无分支的纤维蛋白。它通常被认为是身体生长发育的重要营养物质。胶原蛋白是人体重要的蛋白质，是骨骼、肌腱、皮肤、毛发、软骨和关节中细胞外基质、结缔组织和纤维结构蛋白的组成部分，在支持器官、保护身体、提高身体免疫力等方面发挥着不可替代的作用[1]。早期，胶原蛋白是从陆地动物的皮肤和骨骼中提取的，如牛和猪。然而，随着牛海绵状脑病、传染性海绵状脑病和口蹄疫爆发，人们担心来自陆地动物的胶原蛋白可能引起人与陆地动物的交叉感染[2]。所以，这一系列因素限制了陆地动物胶原蛋白的广泛应用，有必要寻找一种安全且经济的胶原蛋白来源。水产品的副产品（如皮肤、骨头、鳍和鳞）中富含的胶原蛋白引起了研究人员的注意。这些胶原蛋白具有良好的性能和价格优势，未来可逐渐替代陆地动物胶原蛋白。从胶原蛋白的氨基酸组成方面分析发现，从鱼类中提取的胶原蛋白的氨基酸组成和从传统的畜禽类中提取的胶原蛋白相似，而且鱼类胶原蛋白比畜禽类胶原蛋能够更好地被人体吸收，具有更高的生物利用度[3-4]。

我国渔业产量位居世界第一，是世界第一水产养殖大国和世界第一水产品出口大国。2019年我国水产品总产量为6 480.36万吨，加工总量达2 171.41万吨。鱼的种类不同，鱼皮占鱼总体重的比例则不同，以鱼皮占鱼总重为5%～15%来计，每年鱼皮的产量约为200万吨，在加工过程中这些鱼皮被大量丢弃，造成了严重资源浪费和环境污染。鱼皮具有低脂、无糖等的特点，富含对人体有益的氨基酸和矿物质等[5]，且鱼皮中含有丰富的蛋白质，其中主要为胶原蛋白。提取鱼皮中的胶原蛋白不仅可以提高鱼制品的附加值还可以减少鱼皮的浪费和由此引发的环境污染。

1 鱼皮胶原蛋白的提取

鱼皮胶原蛋白的提取主要分为3个阶段：原料的预处理、胶原蛋白的提取和胶原蛋白的纯化[6]。样品的预处理主要是去除鱼皮上的脂肪、杂蛋白以及脱色，然后将去除干净的鱼皮裁剪成大小相同的形状备用；胶原蛋白的提取阶段主要根据不同的提取方法进行鱼皮中胶原蛋白的溶出；胶原蛋白的纯化是将经过粗提得到的胶原蛋白溶液继续处理使最后得到的胶原蛋白的纯度更高，目前所研究的纯化方法主要有盐析、透析等[7]。当前常用的鱼皮胶原蛋白的提取方法主要有6种：热水法提取、碱法提取、酸法提取、酶法提取、复合法提取、辅助法提取。

1.1 热水法提取

热水法提取是指将预处理的鱼皮直接在热水中提取胶原蛋白的方法，热水法提取的胶原蛋白凝胶稳定性良好，外观为白色，无不良气味且不会造成污染。赵睿等[8]采用热水法提取鱼皮中的胶原蛋白，并用响应面法优化工艺，得到最佳的提取工艺为pH5.0、温度42℃、提取时间25.72h，在此条件下的提取率为83.75%。研究表明，鱼类胶原蛋白的热变性温度较低，且变性是不可逆的。在胶原蛋白分子中，α链间形成的氢键对于三螺旋结构的稳定性有非常重要的作用，在热水法提取过程中会使胶原蛋白的α链断开，破坏胶原蛋白的三级结构，因此目前较少采用热水法提取鱼皮胶原蛋白[9]。

1.2 碱法提取

碱法提取是将含胶原蛋白的原料浸泡在氢氧化钠或者氢氧化钙中以提取鱼皮中的胶原蛋白。利用氢氧化钙提取碱溶性胶原蛋白，提取工艺简单、温度低、节省时间、不受脂肪的干扰。温慧芳等[10]以氢氧化钙溶液为提取液提取鮰鱼皮中的胶原蛋白，结果表明胶原蛋白的最佳提取工艺为料液比 1∶10（g/mL）、Ca（OH）2添加量1.6%、70℃条件下浸提9 h，所得到胶原蛋白的提取率为79.67%。碱法提取会破坏胶原蛋白的结构，形成多孔状的网络结构，提取的胶原蛋白纯度低，由于这种提取方法对胶原蛋白的生物活性有严重的损害，所以很少有人用这种方法来提取胶原蛋白。Kolodziejska等[11]通过研究碱法提取鱿鱼皮胶原蛋白也证实了碱性提取胶原蛋白的提取率低，且也会破坏胶原蛋白的结构。

1.3 酸法提取

酸法提取鱼皮中胶原蛋白的原理是胶原蛋白分子间的盐键和席夫碱结构在低浓度的酸性条件下不稳定，容易被破坏，使纤维发生膨胀和溶解，使胶原蛋白游离出来。常采用的酸有醋酸、盐酸、柠檬酸、乳酸、草酸等低酸性溶液。在酸法提取过程中胶原蛋白不仅容易被水解甚至还会破坏其氨基酸组分，所以应严格控制所用酸的浓度、浸提温度和浸提时间[12]。Bhuimbar等[13]采用乳酸溶液提取黑鳃鱼皮中的胶原蛋白，得率为45%。户业丽等[14]分别采用乳酸、醋酸、柠檬酸对鲟鱼皮中的胶原蛋白进行提取，结果表明：1.0 mol/L乳酸、固液比 1∶5（g/mL）、温度 20℃、提取时间 72 h，在此条件下提取率最高为86.18%。酸法提取是鱼皮中胶原蛋白比较常用的方法，但相较于酶法提取来说提取率较低。

1.4 酶法提取

酶法提取是在一定条件下利用不同种类的酶对原材料进行酶解以得到酶溶性胶原蛋白的方法。提取原理主要是在有机酸的条件下，运用酶可以切割连接胶原蛋白末端肽链间的赖氨酸或羟赖氨酸相互作用而成的共价键，使得肽链展开，胶原蛋白主体依旧是三螺旋结构[15]。目前在酶法提取过程中经常用的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。利用酶法提取胶原蛋白具有安全性高、反应条件温和、纯度高、产物结构性质稳定、不容易变性等优点。程波等[5]分别采用胃蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶进行单因素试验提取鲟鱼皮中的胶原蛋白，试验结果表明当用胃蛋白酶（以0.5 mol/L乙酸为溶剂）提取鲟鱼皮时，在提取温度37 ℃、提取 6 h、料液比为 1∶4（g/mL）条件下，鲟鱼皮胶原蛋白的提取率最高为70.15%。Faralizadeh等[16]采用含1%胃蛋白酶的0.5 mol/L乙酸溶液反应48 h来提取鲢鱼皮中的胶原蛋白，所得鲢鱼皮胶原蛋白的得率为59%（干重）。

1.5 复合法提取

在实际胶原蛋白的提取过程中，为了保证在胶原蛋白三螺旋结构稳定性的情况下尽可能提高胶原蛋白的提取率，多数研究员在提取过程中往往将不同的提取方法进行结合以达到加快提取速率、提高提取率、降低成本的目的。例如酸法提取的胶原蛋白有无色无味和感官评价好等优点，酶法提取胶原蛋白具有安全性高、反应速率快、理化性质稳定等优点，所以可以利用酶法和酸法进行复合来提取鱼皮中的胶原蛋白。在提取过程中不仅可以酸-酶复合，还可以酶-酶复合和热水-酶复合等。王晴等[17]采用酸-酶复合法提取罗非鱼皮中的胶原蛋白，结果表明最佳提取工艺为酶处理时间 15 h、酶处理温度 50 ℃、固液比 1∶60（g/mL）、pH2时，胶原蛋白提取率最高为90.3%，研究证明该法提取的胶原蛋白溶解性能及保水性能较好，且在酸性条件下溶解性能更好。林丽等[18]研究表明酸法和碱法提取的鱼皮胶原蛋白的紫外吸收峰强度较强，碱法和酶法提取的鱼皮胶原蛋白的紫外吸收峰较杂等，证明复合法提取胶原蛋白不仅可以提高提取率，还可以改善胶原蛋白的理化性质。

1.6 辅助法提取

传统的提取方法往往存在着一些问题，例如成本高、提取时间长、提取率和提取纯度低等问题，所以研究者开始逐渐采用辅助方法进行提取。目前提取天然功能产物研究的辅助方法分别有超声波辅助法、微波辅助法[19-20]。

1.6.1 超声波辅助法

超声波辅助提取技术作为辅助提取有效成分的一种新技术，近几年有着较好的发展，超声分为高强度和低强度，低强度超声用于展示物质的理化性质，如组成、结构、物理状态、流速等。高强度超声波被用于促进乳化、细胞破坏、化学反应和抑制酶活性，高强度超声具有加热、压缩、膨胀和湍流等特性[21]。超声波辅助提取法的原理：借助超声波的空化作用，提高介质的传质速率，强化提取过程，有利于反应的进行，最终使细胞组织破壁或变形，目标分子充分溶出，达到缩短提取周期、提高纯度及提取率等效果[22]。王金梅等[23]在研究超声波辅助酶法提取草鱼皮胶原蛋白工艺中，对比了经过超声波处理和没有经过处理下酶法提取得到的胶原蛋白的理化性质，结果经聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulface polyacrylamide gel electropheresis，SDS-PAGE）凝胶电泳和傅里叶红外光谱分析证明了超声波处理不会对胶原蛋白的结构产生影响。由于鱼类胶原蛋白变性温度较低，胶原蛋白的三螺旋结构易被破坏而失去生理功能，所以在超声波处理过程中需要控制超声波的工作时间间隔以达到降低温度的目的。

1.6.2 微波辅助法

微波技术的原理：微波技术具有一定的破壁作用，能够产生高压，强局部热处理能够让胶原蛋白的三维螺旋结构变得更加的疏松，可以提供更多的酶解位点，使酶解反应进行更顺利，使胶原蛋白更容易溶出，从而提高提取率[24]。张联英等[25]采用微波技术处理鲫鱼、鲈鱼等的鱼皮提取鱼皮中的胶原蛋白，提高了胶原蛋白的提取率。微波辅助技术也存在着一定的弊端，当微波处理时间过长时会导致部分蛋白质损失，当处理时间过短时，破壁效果达不到最好，所以采用微波辅助时需要合理掌握微波处理时间才能够获得最佳的处理效果。

2 鱼皮胶原蛋白的性质

2.1 结构分析

目前已经发现的胶原蛋白类型有29种，其中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅴ型胶原蛋白呈纤维状[26]。从鱼皮中提取得到的胶原蛋白类型主要是Ⅰ型胶原蛋白，Ⅰ型胶原蛋白分子长度约300 nm，直径约1.5 nm，占生物体胶原蛋白总量的80%～90%，是一种天然高分子水胶体[27]。目前研究者通常采用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳、傅里叶变换红外光谱、紫外可见光谱分析、差示扫描量热法和X射线衍射等方法对从鱼皮中提取的胶原蛋白进行结构表征。廖伟等[28]采用SDS-PAGE凝胶电泳图分析尖吻鲈鱼皮胶原蛋白的结构特征，结果表明尖吻鲈鱼皮胶原蛋白为Ⅰ型胶原蛋白。Wang等[29]采用SDS-PAGE凝胶电泳和红外光谱分析鲟鱼皮胶原蛋白的特征，SDS-PAGE凝胶电泳结果显示胶原蛋白为Ⅰ型胶原蛋白，由2条α1链和1条α2链组成，胶原蛋白的红外吸收光谱证实了胶原蛋白的三螺旋结构的完整性。

2.2 热稳定性

胶原蛋白对温度敏感，当温度过高时会发生蛋白质变性，变性的临界温度为热变性温度。胶原蛋白的变性是指其三螺旋结构发生变化被破坏形成无规则的结构，从而导致胶原蛋白的性质发生变化，从不同鱼类中提取的胶原蛋白的热稳定性不同，与物种所生存的环境、羟脯氨酸和脯氨酸含量密切相关，羟脯氨酸和脯氨酸含量越高，胶原蛋白的热稳定性越好，热变性温度越高，这是因为羟脯氨酸和脯氨酸够促进肽链间氢键的形成，氢键在维持胶原蛋白三螺旋结构的稳定性中发挥着重要的作用[30-32]。羟脯氨酸的含量取决于不同的鱼类物种和其原栖息地的水温，所以从不同的物种中提取得到的胶原蛋白的热变性温度不同。Zhang等[33]研究了从鲟鱼皮中提取的胶原蛋白的热稳定性，得到鲟鱼皮胶原蛋白的热变性温度为28.5℃，最大转变温度为34.4℃。胶原蛋白的热变性温度与肽链的交联作用有着紧密的关系，交联越多，热稳定性越好，热变性温度越高。并且胶原蛋白的热稳定性对其应用与开发有着至关重要的作用。

2.3 溶解性

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。胶原蛋白的溶解度指的是所提取的胶原蛋白在某种指定的溶液中能够溶解的最大程度，而且溶解性还在胶原蛋白的制备过程中起着不可替代作用。胶原蛋白的溶解性和其等电点有关，溶解性随着pH值的变化而变化，当处于等电点时，其溶解性最低，远离等电点时，溶解性逐渐升高[34]。王晴等[17]用不同的pH值来研究从罗非鱼皮中提取得到的酶溶性胶原蛋白的溶解度，当pH值低于3，胶原蛋白溶解度达70%以上，当pH值超过3，溶解性能开始迅速下降，在中性条件时，溶解性能最低，大约为25%，因为在等电点时溶解度最低，所以罗非鱼皮胶原蛋白的等电点为pH7左右。

3 鱼皮胶原蛋白的应用

鱼皮胶原蛋白类型多为I型胶原蛋白，具有独特的氨基酸序列、结构和功能。在胶原蛋白类型中I型胶原蛋白最具有市场前景，因为它具有稳定的三螺旋结构和特殊的功能特性和理化性质，因此，广泛应用于食品、生物医学、化妆品等行业。

3.1 在食品中的应用

由于鱼皮胶原蛋白具有乳化性、发泡性、凝胶特性、抗氧化性、抗高血糖、抗高血压等特性，使得鱼皮胶原蛋白在食品工业中应用广泛。

3.1.1 保健品

鱼皮胶原蛋白产品含丰富的氨基酸，并且能够很好地被人体消化吸收，广泛应用于保健食品中。胶原蛋白能降低甘油三酯和胆固醇，按照一定比例配制的胶原蛋白添加到食品中不仅可以降低人体体重和血脂，还可以补充大量的微量元素，提高人体免疫力[35]。Lu等[36]研究了用酶水解得到胶原蛋白之后，发现胶原蛋白具有较高的与钙结合的能力，主要是因为氨基上的氮和羧基上的氧是Ca2+的主要结合位点。羟脯氨酸是胶原蛋白的特征氨基酸，羟脯氨酸可以将血浆中的钙运输到骨细胞中产生作用，并且羟脯氨酸的含量越高，钙的补充速度越快，所以保健品中含有大量的胶原蛋白不仅可以补钙还可以增强钙吸收能力。祝德义等[37]通过试验研究了胶原蛋白水解物胶原蛋白多肽与钙的结合效果，证明胶原多肽更容易吸收，所以胶原蛋白及其水解物均可制成对人体健康有益的口服液。

3.1.2 食品包装材料

基于胶原蛋白的可食用薄膜和涂层已经被提出用于延长食品的货架期。能够食用并且可以自动降解的食品包装材料已经成为新的研究趋势。胶原蛋白分子因其独特的三螺旋结构，能够形成具有抗拉强度很大的纤维束，因此利用胶原蛋白制备的可食性膜不仅具备优良的膜机械性能、阻氧、阻水、阻油及保香、保鲜等功能，还有较高的营养价值。利用胶原蛋白可以制成肠衣用来包装香肠等食物，还可用于制作胶囊、热敏物质的微胶囊化等[38]。Fadini等[39]用水解胶原蛋白和可可油在蔗糖塑化条件下制备的可食性膜，可以替代虫胶涂抹在巧克力上，起到良好的包装作用。曲文娟等[40]研究胶原蛋白-壳聚糖膜对猪肉的保鲜作用，得出膜包裹处理可以显著降低碱性含氮物质和细菌产生的数量以及减缓颜色的变化。

3.1.3 食品添加剂

人体内胶原蛋白的生成能力会随着年龄的逐渐增加、不健康的饮食习惯和生活作息而降低，因此胶原蛋白已经被添加到各种食品中[41]。胶原蛋白作为食品添加剂加到食品中，可以改善肠的流变性和减少脂肪消耗。胶原蛋白水解物作为食品调味剂添加到食品中，不仅能提高食品中氨基酸的含量，还能改善食品的口感。王碧等[42]研究了胶原蛋白在羊乳中的作用，研究结果表明胶原蛋白添加到羊乳中，不仅提高了羊乳的乳化稳定效果，还促进了人体对羊乳中钙的吸收，增强了人体的免疫功能。

3.2 在生物医学中的应用

鱼皮胶原蛋白具有优良的理化性能、生物相容性、低抗原性、高生物降解性、良好的机械性能、止血性能和细胞结合性能，作为一种越来越有价值的生物材料，在生物医学领域受到了广泛的关注[43]。

3.2.1 伤口愈合的应用

人真皮中的蛋白质中有70%～80%是胶原蛋白，所以它在皮肤伤口愈合中有着不可替代的作用。胶原蛋白为成纤维细胞增殖提供了一个良好的细胞外基质环境，可以诱导血小板凝固，影响细胞分化，有助于皮肤创伤部分的愈合[44]。近年来，许多研究报道了鱼类胶原蛋白在生物医学上的应用，研究证明鱼类胶原蛋白有作为全层创面愈合皮肤替代品的潜力[45]。鱼皮胶原蛋白膜由胶原蛋白添加其他天然功能性产物制成，胶原蛋白膜结构呈现多孔网状结构且孔结构之间相互连通，其生物稳定性高、免疫反应少，因此在临床应用中显示出很大的潜力[46]。

3.2.2 手术材料的应用

在外科手术或者外伤处置当中，需要对创面或者血管进行缝合，用于缝合的手术线分为可吸收线和不可吸收线。不可吸收线就是不能够被人体组织所吸收的手术线，需要在伤口愈合时进行拆线，有一定的弊端，可吸收线就是能够被人体直接吸收的手术线，可吸收线是由胶原蛋白制成的手术缝合线，具有和天然材料制成的缝合线一样的强度和弹性，不仅便于吸收而且还有止血的作用。尤其是在面部整形美容手术中，除了正确的缝合方法以外还需要合适的缝线，传统的缝合线是涤纶带针线，涤纶线的优点是有良好的强度张力、较小排异性，缺点是在拆线时肿胀的部位没有办法消退完全，常常使患者感到疼痛和恐惧，但是用胶原蛋白线缝合伤口，缝线几天后会自动脱落，可以有效减轻患者的疼痛感[47]。

3.2.3 组织工程的应用

胶原蛋白因其具有良好的生物相容性、低抗原性、高生物降解性、良好的机械性能、止血性能和细胞结合性能，所以是组织工程应用的理想材料[48]。赵君[49]将从鳗鲡鱼皮中提取的I型胶原蛋白作为原材料，通过交联作构建组织工程角膜载体支架，评价角膜载体支架的理化性质，研究结果表明鳗鲡鱼皮胶原蛋白所制备的组织工程角膜支架具有较好的理化性质，有望用于组织工程角膜的构建。然而鱼皮胶原蛋白也存在着一定的缺点，例如机械强度低、降解速度快。为了改善鱼皮胶原蛋白存在的缺点，研究者们将鱼皮胶原蛋白与其他天然和合成材料进行改性和混合来提高降解速度、生物稳定性和机械性能，例如，壳聚糖颗粒加入使支架的降解速率得到了延长，改善了支架的力学性能[50]。

3.3 在化妆品中的应用

人体成纤维细胞的合成能力随着机体年龄的增长逐渐下降，皮肤中的胶原蛋白也越来越少，胶原纤维发生联固化，皮肤开始慢慢萎缩、汗腺分泌能力减弱、胶原纤维开始断裂，最后导致皮肤变老，出现色斑、皱纹等。胶原蛋白具有特殊的三螺旋结构，可以有效地锁住水分，并且胶原蛋白外侧存在大量亲水基团，因此具有比其他物质更高的保湿作用。所以将胶原蛋白作为活性物质用于化妆品中，不仅能够良好地滋润皮肤，并且还有一定的抗皱效果，这是由于该物质中含有的酪氨酸与皮肤中的酪氨酸有一定的竞争，使得人体内的酪氨酸酶与该物质中的酪氨酸结合，抑制了酪氨酸酶与人体内的酪氨酸结合，减少了黑色素的产生，与此同时增强了皮肤里面胶原蛋白的活性。蔡阳伦等[51]对提取的I型胶原蛋白的功能特性进行研究，结果表明，I型胶原蛋白的吸水性、保湿性等特性良好，可以应用于化妆品领域。

4 结语

我国拥有丰富的鱼类资源，从鱼皮中提取的胶原蛋白有较高的价值，不仅减少了在加工过程中的资源浪费和环境污染，而且大大提高了鱼类产品的加工附加值，还可以根据鱼胶原蛋白的不同理化特性将其应用于不同的行业，使鱼类胶原蛋白具有良好的开发前景。但是鱼皮胶原蛋白的热稳定性较差，容易发生变性，从而改变其结构和性质，而且部分新型提取胶原蛋白的应用技术尚不完善，无法实现工业化生产，探索鱼皮胶原蛋白的工业化生产技术和胶原蛋白的分离纯化技术依然是今后研究的重要内容。