鱼鳔胶原肽的制备工艺及功能活性研究进展

董 旭，赵 峡,2, ，刘楚怡,2,

（1.中国海洋大学医学院药学院海洋药物教育部重点实验室，山东青岛 266003；2.青岛海洋生物医药研究院，山东青岛 266000）

中国水产资源丰富，同时也是水产品消费大国，随着生活水平的提高，人们对于水产品的需求也不断增加，同时水产品的加工副产物也在增多。鱼头、鱼骨、鱼皮、鱼鳞、鱼鳔、鱼内脏等占比总质量的40%以上，大部分副产物都会废弃，不仅浪费了资源，还污染了环境，因此高值化利用水产品加工副产物就成为了学者们研究的目标。其中鱼鳔是鱼用于平衡和比重调节的重要器官，用于感压、辅助呼吸等，自古以来就被应用于药物和食品中。通常，鱼鳔胶原蛋白含量与鱼皮中胶原蛋白含量大致接近，却又明显高于鱼骨、鱼鳞、鱼鳍、鱼肉及内脏[1-5]。在水凝胶制备过程中，由于牛皮和鱼皮等胶原纤维形成速度慢且稳定性不佳[6]，而鱼鳔胶原蛋白具有快速的纤维形成能力[7]和较高的变性温度[8]。因此，鱼鳔胶原蛋白较适合作为哺乳动物胶原蛋白替代来源。

新鲜鱼鳔中蛋白质含量很高，如新鲜鲫鳔组织中蛋白质含量高达84.2%，胶原蛋白含量为115.05 mg/g，鳕鱼鱼鳔中蛋白质可达到20%，脂肪却很少。鱼鳔胶原蛋白具有卓越的生物相容性、低免疫原性、可降解性等，易于人体的吸收和利用，并具有明显功效，可有效提高免疫力、抑制癌细胞、活化细胞、防止皮肤老化去除皱纹[9]。但当前国内研究并不完善，其制备分离、功效因子、应用等方面研究关注不足，为此，本研究中系统地综述了鱼鳔胶原蛋白的研究现状并探讨了其应用发展。

1 鱼鳔胶原肽的制备工艺

目前，鱼鳔胶原蛋白研究的原料主要来自于草鱼、鳕鱼、黄姑鱼、鲤鱼、鲈鱼、鲑鱼等[10-11]鱼的加工副产物。此类原料中富含胶原蛋白，对这些原料进行预处理、蛋白提取、分离纯化等操作来得到具有生物活性的胶原蛋白。

1.1 预处理

在鱼鳔胶原制备过程中，前处理非常重要，脂肪、杂蛋白以及钙质的脱除效果会影响之后胶原的提取质量[12]，通常用醇（异丙醇、丁醇等）或碱来脱除脂肪[4]，用酸（盐酸、乙酸、乙二胺四乙酸等）脱钙[13]，除杂蛋白工序主要采用氯化钠或氢氧化钠处理，在处理时可用磁力搅拌器、超声波等提高除杂效果[14]。

1.2 胶原蛋白提取

天然肽主要存在生物体内，所以在制备过程中，提取过程尤为重要，预处理保证了杂质的消除，正式提取则要最大化胶原蛋白的提取量和生物活性。常用的提取方法有酸法、酶法、热水法、盐法、碱法和发酵法[15]。在实验时也可以多种方法结合使用以提高提取率。

1.2.1 酸法 酸法提取胶原蛋白主要在酸性条件下浸渍处理原料，从而破坏分子间的盐键和希夫碱，而引起纤维膨胀、溶解[16]。作为溶剂使用的酸，主要有盐酸或亚硫酸、磷酸、硫酸、醋酸、柠檬酸和甲酸等[15]。酸法是提取胶原蛋白比较常用和有效的方法，用酸法提取的胶原最大程度地保持了其三股螺旋结构。此法处理快速，所得产物的分子是连续的。

因不同鱼类鱼鳔中胶原蛋白结构组成不同，为得到生物活性更高的胶原蛋白肽，故所用方法和操作流程有所不同。李娜等[17]在研究鳕鱼鱼鳔时用5倍体积的0.5 mol/L的醋酸溶液溶解盐析后的沉淀样品，注入透析袋，用0.1 mol/L醋酸溶液透析1 d，再用去离子水透析2 d得到酸溶胶原蛋白，提取率约为10.23%。Chen等[18]以 0.5 mol/L醋酸，料液比为1:50（m/V），提取时间24 h的条件下提取黄姑鱼鳔的胶原蛋白，最终得率约为11.33%。Pal等[7]用0.5 mol/L水醋酸提取鲤鱼鳔中的胶原蛋白，连续温和搅拌72 h，得率约为22.2%。Sinthusamran等[19]从鲈鱼（Lates calcarifer）的鱼囊中分离出酸溶性胶原蛋白（Acid soluble collagen，ASC），先用 0.5 mol/L乙酸溶解前处理过的样品，随后用0.1 mol/L乙酸透析12 h，鱼鳔ASC的得率约为28.5%。Kaewdang等[20]将黄鳍金枪鱼鱼鳔脱脂后的样品置于搅拌器连续搅拌，浸泡在0.5 mol/L醋酸中，在4 ℃下连续搅拌48 h，经过沉淀离心后，将沉淀溶解在0.5 mol/L的醋酸中，用10倍体积的0.1 mol/L醋酸透析12 h来提取胶原蛋白，但是最终得率仅为1.07%，这一结果与Singh等[21]的观点一致，他们在2011年发现了条纹鲶鱼皮胶原蛋白在0.5 mol/L醋酸中不能被完全水解。酸法提取胶原蛋白得率较少的原因，可能是由于鱼鳔中的胶原蛋白通过端肽区醛基的缩合以及分子间的交联而形成共价键交联，导致胶原在酸性条件下的溶解度下降[21]。

1.2.2 酶法 酶法提取胶原蛋白是利用蛋白酶使胶原溶解，水解条件温和，反应速率快，蛋白纯度高，理化性质稳定，且无环境污染[15]。工艺可选择一步法，即利用酶液直接提取；二步法，即先用酸或者碱进行初步提取，然后再用酶提取。Zhao等[22]选择了猪胃蛋白酶来制备鮸的鱼鳔胶原蛋白，经过单因素实验筛选结果表明猪胃蛋白酶水解最佳条件为水解时间3.5 h，温度 55 ℃，pH9.5，料液比为 1:5（m/V），酶剂量2.5%，将鱼鳔提取物进一步悬浮在10倍体积的0.5 mol/L乙酸中，并加入猪胃蛋白酶（20 U / g）。将混合物在4 ℃连续搅拌2 d，得到了约为鱼鳔重量8.37%的胶原蛋白。Kaewdang等[20]在提取黄鳍金枪鱼鱼鳔胶原蛋白的实验中，用0.5 mol/L含粗胃蛋白酶的乙酸（20单位/g鱼鳔），以1:10的固液比在4 ℃条件下提取48 h，胶原蛋白得率高于12.10%。Hong等[23]用中性酶对鲢鱼鱼鳔蛋白进行水解，酶用量为 1%（w/w，蛋白基），温度为 45 ℃，pH 为 7.0，最终胶原蛋白得率为18.4%±0.4%。Pal等[7]将鲤鱼鱼鳔的脱蛋白和脱脂样品残留物悬浮在0.5 mol/L乙酸中，含有0.2%胃蛋白酶的乙酸，固液比为1:40（w/v），温度为4 ℃的条件下水解72 h，产率为61.3%±2.6%。酶法提取鱼鳔胶原蛋白的得率普遍较高，可能是因为随着胃蛋白酶的进一步消化，胃蛋白酶能够特异性地切割胶原的端肽区，端肽区的交联分子被切割，从而在进一步提取后提高了产量[21]。此外研究观察到不同品种的鱼鳔胶原蛋白提取率差异很大，这种情况可能是由于原料中胶原纤维的不同交联所致。

1.2.3 热水提取法 在一些研究中对于鱼鳔胶原蛋白的提取采用了过程简单、便于操作的热水提取法，热水提取法就是原料经过各种前处理后，设置一定的条件用热水提取其中水溶性胶原蛋白的方法。相较于酸提取法，此方法可获得具有更高亚氨酸含量的胶原蛋白。周沫希等[24]使用饮用水提取胶原蛋白，在黄唇鱼鱼鳔和饮用水比例为1:5的条件下，80 ℃煮沸2 h后离心、冷冻干燥得到鱼鳔胶原蛋白。涂宗财等[25]按料液比1:3加入草鱼鱼鳔和0.15%的NaOH浸提1 h，水洗后再按1:3的料液比加0.15%的硫酸溶液，静置1 h后水洗至中性，最后用80 ℃热水浸提2 h来提取鱼鳔胶原蛋白。此法在提取过程中温度较高，经过热处理能够断裂胶原蛋白中的氢键和一部分共价键[26]，使胶原蛋白内部三螺旋结构破坏，便于提取。

1.2.4 其他方法 此外还有盐提取法、碱提取法、发酵法提取鱼鳔胶原蛋白，前两者在在实际应用中较少，容易引入杂质[27]、提取率和提取纯度都不尽人意[28]。微生物发酵法的原理是利用微生物产生的蛋白酶水解鱼鳔蛋白，此法可以通过控制发酵时间来获得不同目的蛋白[29]，其优点是提取成本低、效率高，并且比较其他方法提取得率高[30]，得到的胶原蛋白抗氧化力更强, 使鱼鳔产品的营养和功效更加显著[31]。

1.3 胶原蛋白肽的制备

目前，鱼鳔胶原蛋白寡肽的研究相对较少，制备寡肽的原料也是鱼的加工副产物，不过为了制备胶原蛋白寡肽，需要采用一系列方法破坏蛋白质的多级结构。当前，鱼鳔胶原蛋白寡肽主要采用酶解法制备，因为每种酶都有其固定的酶切位点，针对不同的研究方向可以选择不同的酶和酶解条件，单一酶解法提取胶原蛋白寡肽可以更好的保留寡肽的活性位点，但其得到的肽段通常比较大。复合酶解法可以得到更小的肽段，从而研究具体发挥作用的小肽段或氨基酸[32]。

研究中常用的蛋白质水解酶包括碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶等。为了达到酶的最高活性，制备过程中会提供给酶制剂最适的条件。郑婷婷[14]设置了底物浓度为3.09%、温度为50 ℃和pH6.0的条件，加胰蛋白酶酶解草鱼鱼鳔混合液79.34 min制备鱼鳔胶原寡肽粉。李娜等[17]将预处理后的鳕鱼鱼鳔加入蒸馏水进行匀浆，在pH7.0的条件下按照100 U/mL的酶添加量加入复合蛋白酶，于55 ℃水浴条件下酶解4 h，将酶灭活后，真空旋转蒸发浓缩后冷冻干燥得到鳕鱼鱼鳔胶原蛋白寡肽。Zheng等[33]考察了3种不同的蛋白酶在最适条件下水解黄姑鱼鱼鳔胶原的效果，酶的用量为1000 U/g，料液比为1:4的混合，酶解4 h。其中中性蛋白酶酶解产物小于1 kDa的胶原蛋白肽具有最好的抗氧化活性。此外，在制备过程中借助超声波、微波辅助水解可以提高水解效果，分离出更高活性的小肽段[15]。

1.4 胶原蛋白肽的分离纯化

胶原蛋白经蛋白酶水解后得到具有不同分子质量的肽段混合物，可通过分离纯化技术制备具有特定分子质量区间以及功能活性的寡肽组分。文献报道常用的分离纯化方法有利用透析、盐析、层析、离心、色谱等方法除去相关杂质，如超滤膜过滤[34]、葡聚糖凝胶色谱柱分离[35]、高效液相色谱分离[36]等。

Ramasamy等[37]将所得的罗虎鱼鳔组织进一步用胃蛋白酶处理后，胃蛋白酶溶解的鱼胶原蛋白通过盐析（氯化钠含量为2.5 mol/L）沉淀法进一步纯化。Wu等[38]为比较酸提胶原蛋白和酶提胶原蛋白产物特性，将初产物用0.1 mol/L乙酸透析48 h得到提纯产物。Chen等[18]为研究黄姑鱼鱼鳔中胶原蛋白理化特性，采用了酸提取和酶提取两种方法，并将初产物用0.57～0.68 mol/L NaCl浸泡后离心，紧接用0.08～0.12 mol/L乙酸和蒸馏水透析1.5～2.3 h得到提纯产物。Zheng等[33]以10、5和1 kDa截留膜纯化中性蛋白酶水解后的黄姑鱼鳔多肽，并进行抗氧化活性评价，结果显示，小于1 kDa的肽组分具有最高的DPPH自由基清除率。由于鱼鳔胶原蛋白肽的研究相对较少，我们可借鉴其他原料提取的胶原肽分离纯化方法。Cai等[39]用碱性蛋白酶对草鱼皮进行酶解，并通过G-25葡聚糖凝胶色谱柱和反相高效液相色谱对酶解物进行分离纯化，得到3种抗氧化活性较高的组分，通过Tof-MS分析确定其氨基酸序列分别为 Val-Gly-Gly-Arg-Pro、Gly-Phe-Gly-Pro-Glu-Leu和 Pro-Tyr-Ser-Phe-Lys，分子质量在 480～640 Da之间。Gu等[40]采用超滤膜过滤（截留分子量为10和1 kDa）和反相高效液相色谱来纯化从大西洋鲑鱼皮酶解产物中分离出的两种二肽，分别为Ala-Pro和Val-Arg。

文献报道表明，现有各种分离纯化方法可以实现高活性目标组分的富集，但也存在过程时间较长、效率较低且不易得到单组分产物等问题。从开发高附加值产品的角度出发，如何利用新兴技术提高分离纯化环节的效率、建立具有经济技术可行性的规模化生产工艺，还应作为今后研究的重点内容。

2 鱼鳔胶原肽的功能特性

来源于水产品的胶原蛋白的基本结构为三股螺旋结构，在鱼类副产品中发现的主要胶原蛋白是I型胶原蛋白，通常由3条左手螺旋构型α多肽链互相缠绕或者两条α多肽链和一条β链形成右手螺旋结构，即超螺旋结构，性质比较稳定[41]。当胶原蛋白被降解为分子质量较低的寡肽以后，更易透过肠道被人体吸收，发挥生理功能[42]。

2.1 抗氧化特性

含有不成对电子的自由基在生命活动中发挥着重要的作用。由于自由基非常活跃，其可通过夺取电子（氧化过程）引发一系列有害健康的反应。研究表明，过量的自由基会对生物体造成破坏，如细胞破坏[43]、脏器损伤[44]、皮肤老化[45]等，并导致多种疾病的发生。因此，开发和利用高效无毒的天然抗氧化剂——自由基清除剂对维护人体健康、预防疾病意义重大。

根据以上的研究，验证了鱼鳔胶原肽具有抗氧化活性，并且抗氧化胶原肽的相对分子质量为0.2～1.0 kDa，大多数抗氧化肽都具有低分子量分布，但抗氧化活性有待进一步提高，构效关系有待进一步明确研究。

2.2 抗衰老活性

衰老是生命体必然发生的现象。随着年龄的增长，生命体的器官或组织的形态结构和生理功能会出现生理性衰退。以皮肤为例，皮肤衰老作为机体整体衰老的一部分具有特殊意义。由于皮肤中纤维蛋白阳性结构的缺失，同时皮肤Ⅰ型胶原蛋白和VII型胶原蛋白含量下降，导致皮肤表皮和真皮之间连接松散，使皮肤变得不规则且无组织[47]。在机体进行正常的生命活动时，自由基和活性氧（ROS）会在新陈代谢过程中通过一些相互关联的反应生成[48]。在众多的关于衰老的学说或理论中，自由基和活性氧（ROS）的过量产生被认为是衰老的主要原因，因为它们可以导致DNA、蛋白质和脂质的累积损伤，致使大量的细胞凋亡和细胞坏死。

通过研究发现，从鱼鳔中提取的胶原蛋白寡肽具有一定的抗衰老活性。李娜等[17]研究了鳕鱼鱼鳔提取的生物活性肽的抗衰老活性，通过建立氧化诱导的细胞衰老模型，通过细胞存活率、ROS含量、SA-β-GAL染色和细胞凋亡率的分析，评价其对细胞衰老的影响[49]。实验水解产物利用G-15葡聚糖凝胶色谱柱纯化得到了胶原蛋白寡肽，并且主要由天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸组成，同时有较高含量的酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸。作者用不同浓度（100和400 μg/mL）的寡肽培养细胞，随后用0.2 mmol/L H2O2诱导（过氧化氢诱导的细胞会过早衰老）[50]。结果显示与正常细胞相比模型组活性有所下降，但实验组分的细胞活性均高于70%，细胞内ROS含量下降30%以上，高浓度的寡肽可使细胞衰老率和凋亡率降低50%以上。Zheng等[33]研究了日本黄姑鱼鱼鳔制备的胶原蛋白肽SNNH-1对人脐静脉内皮细胞ROS水平的影响；H2O2处理后，人脐静脉内皮细胞的荧光强度明显高于对照组；而SNNH-1处理可有效降低人脐静脉内皮细胞的ROS水平；另外，ROS水平随着SNNH-1浓度的增加而降低；此研究显示出天然的生物活性肽对过氧化氢诱导的氧化应激的细胞具有保护作用。

2.3 抗疲劳活性

鱼鳔胶原蛋白具有较好的抗疲劳活性。疲劳是身体剧烈运动时产生的一种综合性生理过程，持续的运动过程使肌肉的耗氧量增加、血糖下降及蛋白质消耗，疲劳最主要的表现是运动耐力的下降，这是反映机体疲劳程度最直接和最客观的指标。王丰雷等[51]将提取梅鱼鱼鳔胶原蛋白进行小鼠体内抗疲劳活性实验，将小鼠按高剂量（200 mg·kg-1.d-1）灌胃鱼鳔胶原蛋白4周后，对小鼠负重游泳时间、血清尿素氮、肝糖原和肌糖原的含量进行测定；结果表明，灌胃鱼鳔胶原蛋白后的小鼠负重游泳时间延长了91.69%，血清尿素氮含量减少了24.07%，肝糖原和肌糖原的含量分别增加了114.38%和123.81%，均有显著性提高。周沫希等[24]采用小鼠负重游泳实验评价墨西哥黄唇鱼鱼鳔胶的抗疲劳效果，测定其负重游泳时间、血乳酸、肝糖原和肌糖原的含量。结果显示，相比空白对照组，采用高剂量（2.66 g/kg）的墨西哥黄唇鱼鱼鳔胶连续灌胃40 d的小白鼠负重游泳时间延长了70.68%，血乳酸含量降低了34.58%，肝糖原和肌糖原的含量分别增加了50.29%和50.63%。

从以上研究结果来看，鱼鳔胶原蛋白具有显著的抗疲劳效果，在抗疲劳食品、保健品或药品方面具有研究价值，但还需要通过后续大量实验验证其具体作用方式和副作用，以达到安全有效的抗疲劳目的。

2.4 其他功能

2.4.1 促进创伤愈合 胶原蛋白具有重要的生物医学应用，参与骨修复、关节软骨再生、伤口愈合和止血。特别是促进伤口愈合方面，Chen等[18]通过用NIH-3T3成纤维细胞进行划痕试验评估体外伤口愈合率，评价从日本黄姑鱼膀胱胶原蛋白中提取的胶原对创面愈合率的影响；与对照组相比，在PSC存在下，伤口划痕面积显著减少，并呈剂量依赖性；在PSC 12.5、25和50 μg/mL浓度下的划痕闭合率明显高于对照组，而在50 μg/mL的PSC浓度下的划痕闭合率与50 μg/mL的牛Ⅰ型胶原相似，24 h愈合率达到90%，划痕几乎完全闭合；体外伤口闭合实验结果支持了鱼鳔PSC诱导NIH-3T3细胞迁移的结论；在伤口愈合过程中，成纤维细胞的增殖和迁移加速了再上皮化过程，促进了伤口闭合。

2.4.2 预防溃疡性结肠炎（UC） Lu等[52]采用过氧化氢诱导的肠上皮细胞（IEC-6）氧化应激模型和脂多糖（LPS）诱导的IEC-6细胞炎症模型评估鲫鱼鱼鳔胃蛋白酶和胰蛋白酶先后水解的水解液（HCSB）的抗氧化和抗炎活性。经50、100和150 μg/mL HCSB孵育后，细胞存活率分别恢复到61.3%、72%和83.8%。经H2O2刺激后，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性分别下降了31%、45.5%和39.8%。经50、100、150 μg/mL HCSB预处理后，超氧化物歧化酶活性恢复到正常细胞的77.5%、86.3%和92.6%，过氧化氢酶活性恢复到61.1%、72.4%和89.4%，谷胱甘肽过氧化物酶活性恢复到71%、78.7%和86.3%。这些结果表明，HCSB预处理可显著提高细胞存活率。HCSB不仅可以浓度依赖的方式抑制H2O2诱导的IEC-6细胞活力下降，还能有效缓解氧化应激引起的细胞内抗氧化酶活性下降，且这种作用也具有剂量依赖性。

2.4.3 糖尿病的治疗 二肽基肽酶IV（DPP-IV）在血糖代谢中起重要作用， Hong[23]在实验中采用中性酶对鲢鱼鳔蛋白进行水解，肽段WGDEHIPGSPYH及其水解产物IPGSPY被完整地转运到Caco-2细胞单层。这两个肽对Caco-2和INS-1细胞的作用均表现出良好的抑制可溶性DPP-IV和促进胰岛素分泌的作用。

3 结语

水产养殖及加工业在我国有着巨大的规模和市场，在产业转型，提倡绿色环保的背景下，水产品的加工副产物如何有效利用是一个关键问题。目前，对鱼鳔来源的胶原蛋白、生物活性肽的研究尚有不足，虽然取得一定的研究成果，但是在功能性寡肽的构效关系与定向制备、目标产物的高效分离纯化、潜在生理功能的挖掘以及应用新兴技术提高生产效率等方面还存在广阔的研究开发空间。