胶原蛋白的研究进展【文献综述】

毕业论文文献综述食品质量与安全胶原蛋白的研究进展摘要：胶原蛋白具有较高的营养价值和经济价值，近年来已经越来越多的被应用到生活的各个领域，如在生物学材料、化妆品，日用品等领域都有应用。于是，人们不断的开发胶原蛋白的来源，并不断优化胶原蛋白的提取方法，以提高胶原蛋白的提取率。本文对胶原蛋白的提取和功能作了论述，希望为将来在胶原蛋白方面的研究提供依据。关键词：胶原蛋白；提取工艺；应用所有的多细胞生物都含有胶原，哺乳动物身上所有蛋白质中约30%是胶原蛋白。胶原是皮肤、骨、腱、软骨、血管和牙齿的主要纤维成分，而细胞骨架的重要成分也是胶原，因此，胶原不同程度地存在于一切器官中，除了在成熟的组织中起结构的作用外，胶原对发育中组织有定向作用。胶原的独特性质是能形成高强度的不溶性纤维，此外，胶原的分子结构可被修饰以适应特定组织的功能需求[1]。1胶原蛋白的结构与分类胶原蛋白实际上是一个非常庞大的家族，到目前为止，人们已发现25种[2]不同类型的胶原，根据它们在体内的分布和功能特点，目前将胶原分成间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子，其主要分布于皮肤、肌腱等组织，其中Ⅱ型胶原蛋白由软骨细胞产生；基底膜胶原蛋白通常是指Ⅳ型胶原蛋白，其主要分布于基底膜；细胞外周胶原蛋白通常中指Ⅴ型胶原蛋白，在结缔组织中大量存在。胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，其分子细胞外基质中聚集为超分子结构，主要含有α-氨基酸、脯氨酸、羟氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸等。尽管各种胶原蛋白的结构差异很大，但它们具有共同的特征：都是由3条α肽链以右手螺旋方式形成蛋白质，这样的三股螺旋区域被称为胶原区域。每一个α肽链在分子结构上都是由重复出现的Gly-X-Y肽段构成左手螺旋，3条链在氨基酸残基的相互作用下，以同一轴为中心，以右手螺旋方式形成稳定的三股螺旋结构。2胶原蛋白的提取根据提取介质的不同，可将胶原蛋白的提取方法简单地划分为：热水提取、盐提取、酸提取、碱提取以及酶提取。其基本原理都是依据胶原蛋白的特性改变蛋白质存在的外部环境，将其从其它蛋白质中分离出来。在实际操作中，往往可以将几种方法结合起来提取胶原蛋白。2.1热水提取热水法提取：原料经过前处理后，在一定条件下用热水浸煮，从而得到水溶性胶原蛋白。刘晓宁等[3]在70℃从鲤鱼鳞中得到了I型胶原蛋白，提取率达到6.95%；刘石生等[4]在100℃、pH6.0的条件下，利用热水法从罗非鱼鱼鳞中提取2h，胶原蛋白得率为265.3mg/g；曾名勇等[5]研究发现，热水法提取鳙鱼、鲈鱼、鲫鱼鱼皮中胶原蛋白的热变性温度分别为30℃、25℃、27℃，得到的鱼胶原蛋白符合标准的Ⅰ型胶原蛋白的氨基酸组成特征；Mizuta等在40℃水浴条件下提取热水溶性胶原蛋白，鲤鱼肉中胶原蛋白提取得率为8.4%，而虾肉中胶原蛋白提取得率非常低，随着温度的升高，可得到不同温度下的热水溶性胶原蛋白，提取率也有所提高[6]。2.2盐法提取盐法提取盐溶性胶原蛋白所使用的盐主要的有氯化钠、氯化钾、乙酸钠等。秦玉青等[7]研究报导了在0℃,15%NaCl的条件下处理鱿鱼皮24h，得其得率(以干物质计,%)为63.8%,产品中羟脯氨酸占干物质含量为5.05%。2.3酸法提取酸法提取即利用酸在一定的外界环境条件下提取胶原蛋白，使用的酸多为乙酸，此外还有盐酸、柠檬酸、乳酸、磷酸等。样品经前处理后，匀浆，在低温下用酸浸提，离心即可得到酸溶性胶原蛋白。王信苏等[8]采用酸法提取草鱼鱼鳞中的胶原蛋白，作者通过对醋酸、柠檬酸、乳酸提取胶原蛋白的效率比较发现，柠檬酸提取胶原蛋白的得率较高，达到74.34%。户业丽等[9]以乳酸作提取剂，采用1:5的固液比从鲟鱼中提取胶原蛋白，在20℃下提取72h,其提取率最高为86.18%。蒋予箭等[10]利用2%的盐酸，在90℃下酸解鱿鱼鱼皮2h，得到了凝胶效果明显的明胶。2.4碱法提取碱法提取胶原蛋白的报道相对较少，杨萍等[11]以青鳞鱼下脚料为原料，采用碱萃取(pH9)、蛋白酶水解、浓缩、喷雾干燥等手段，制得水解鱼胶原蛋白，萃取率达90%以上。陈武勇等对[12]CaO提取铬鞣革屑中的胶原蛋白,提胶率达到50%以上，胶原蛋白产品颜色为淡黄色，灰分低于2%，铬含量低于10mg/kg。据王杏珠[13]报道，日本曾以蛙鱼皮为原料经碱液处理后，用中性热水抽提出明胶。碱法提取由于工艺生产较为复杂，且水解过程使氨基酸大多螺旋，还产生有毒物质，无生物利用价值，因此不宜采用[14]。2.5酶法提取酶法提取，即利用各种不同的酶在一定的外界环境条件下提取胶原蛋白，通常使用的酶有中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶等。原料采用不同的前处理后，加入不同的酶提取得到酶促溶性胶原蛋白。影响酶解效果的因素主要有[15]：酶的种类、加酶量、酶解温度、酶解时间、pH值及料水比，研究者大多从这几个方面来研究胶原蛋白的酶解工艺。目前酶解胶原蛋白的工艺主要分为单酶水解法和多酶水解法,多酶水解法又分为混合酶水解法和分步酶水解法，一般多采用多酶水解法。王川等[16]用几种酶（胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰酶）从猪皮中提取胶原蛋白，并对其提取效果做了对比研究发现，胰酶的得率最高达55.9%，可操作性强；胃蛋白酶与木瓜蛋白酶得率比较接近，分别为36.2%和38.3%。傅玉莹等[17]研究了从东海海参中提取胶原蛋白的工艺以及胶原蛋白酶解的条件优化。结果表明：木瓜蛋白酶最适条件：底物含量30g/g酶，温度40℃，pH7.5；风味蛋白酶最适条件：底物含量40g/g酶，温度40℃，pH7.5；胰蛋白酶最适条件：底物含量40g/g酶，温度55℃，pH9.0；复合酶水解的最佳工艺：风味蛋白酶与木瓜蛋白酶的质量比1:1，木瓜蛋白酶与胰蛋白酶的质量比3:1，风味蛋白酶与胰蛋白酶的质量比l:1。秦玉青等[18]采用酶法促溶的方法对鱿鱼皮中胶原蛋白进行回收利用,得出5℃时胃蛋白酶酶解(pH2)和50℃胰酶酶解胶原蛋白回收率最高,达到95%,但是,50℃胰酶酶解液颜色深,苦味重,故选定最佳酶解条件为5℃时胃蛋白酶酶解72h。3胶原蛋白的应用胶原蛋白具有独特的纤维状结构及良好的生物相容性、可降解性和低抗原性等生物活性，将其改性处理后，可用于制作美容化妆品、生物医学材料、保健品、食品涂层包装材料等。3.1胶原蛋白在化妆品中的应用胶原蛋白与人体皮肤胶原的结构相似，分子中富含大量氨基酸和亲水基，具有一定的表面活性和很好的相容性，将其作为活性物质用于化妆品中时，后者可以扩散到皮肤的深层，补充人体皮肤所需的氨基酸，使皮肤中的胶原蛋白活性增强，保持角质层水分以及纤维结构的完整性，促进皮肤组织的新陈代谢，对皮肤产生良好的滋润保湿、消皱美容作用[19]。刘克海等[20]实验测定了从鱿鱼中提取的胶原蛋白的吸湿率和保湿率，发现其吸湿率可达到16.06%，而保湿率则可达到104.26%，用其制备的保湿乳无刺激性、膏体细腻、香气宜人。3.2胶原蛋白在生物医学材料上的应用胶原蛋白是一种性能优良的生物材料，在医学领域已经得到广泛的应用。改性后的胶原蛋白制成的止血粉用于临床止血，止血效果非常好，且对于创伤部的愈合和恢复也是十分有利的[21]。明胶是重要的医用包装材料，软胶囊、硬胶囊都以明胶为基本原料，用明胶改性材料作为微囊包衣材料是重要的控释药物的聚合材料，明胶也可以作为人类的代血浆。胶原蛋白制剂用于临床上软组织修复，不仅可以填补软组织的缺损，并且植入人体后仍然具有其生物学活性，能促进宿主胶原的沉积和组织再生[22]。Wakitani等[23]用嵌入软骨细胞的胶原蛋白凝胶来修复软骨缺陷，Orwin等[24]尝试用上皮、内皮和角膜细胞附在胶原蛋白海绵以适应角膜组织。Award等[25]混合自体同源的间叶细胞中的茎状细胞和胶原蛋白凝胶制作肌腱用于腱后修复。3.3胶原蛋白在食品中的应用胶原蛋白通常外观为白色，口感柔和，味清淡，易消化。胶原独特品质使它在许多食品中作为功能物质和营养成分[26]，具有其它替代材料无可比拟的优越性。近年来胶原蛋白在食品中的应用出现了新的发展方向[27]。在功能保健食品方面，由于胶原有加速血红蛋白和红细胞生成、改善血液循环的功能，胶原可应用于预防疾病（如冠心病、动脉硬化、老年痴呆等）的食品。骨细胞中的骨胶原是羟基磷灰石的黏合剂，与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体，而羟脯氨酸是血浆中运输钙到骨细胞的运载工具，因此摄入足够的胶原蛋白，就能在一定程度上保证正常的钙质需要量。因而，胶原又可应用于补钙的食品。同时，胶原还在美容类保健食品及减肥降血脂食品中也有广泛应用。另外，胶原蛋白在食品中还常常以添加剂的身份得到应用[28]，如胶原常用作肉制品和冷冻食品的改良剂、饮料食品的澄清剂、乳制品的稳定剂、糕点糖果的防老化等。在食品包装材料方面，可用于各类食品保鲜、人造肠衣和涂层材料等。3.4胶原蛋白在其它工业上的应用近年来，随着科研技术的不断发展和进步，对胶原蛋白的研究得到进一步的深入，胶原蛋白的应用也越来越广泛，已经涉入到了很多工业领域，如制革工业、造纸工业、日用化工业等，进一步促进了社会经济的发展。4展望新鲜海蜇含水量约为96%，蛋白质含量约2.92%，脂肪含量小于0.01%。除水外，蛋白质成为海蜇的主要成分，以胶原蛋白为主。有研究表明，从海蜇中提取的胶原蛋白可用于治疗风湿性关节炎[29]。我国食用海蜇资源丰富，每年在海蜇的加工过程中都将出现大量的资源浪费，更严重的是直接导致环境的污染。近几年来，组合生物技术等高新技术的发展，使具有生物功能的低分子活性肽的开发成为水产品高值化利用领域的研究热点。而且海蜇胶原蛋白在低抗原性、低过敏性、分子结构脆弱导致酶解较容易等方面具有一定的优势[30]。如今，人们崇尚绿色、环保、回归自然意识的加强，开发利用海蜇及其废弃物提取胶原蛋白，生产具有各种生理功能的活性肽将越来越受到市场和广大消费者的欢迎，为水产业的发展提供广阔的前景。参考文献[1]崔福斋，冯庆玲．生物材料学[M]．第二版．北京：清华大学出版社，2004：25-33.[2]LiST.Biologicalbiomaterial:tissue-derivedbiomaterials(collagen).In:ParkJBandBronginoJ.Biomaterialsprinciplesandapplications[J].MarcelDekker.2003,117-140.[3]刘晓宁，刘安军，曹东旭等．鱼鳞胶原蛋白的提取鉴定初探[J]．食品研究与开发，2007，28（1）：56-60.[4]刘石生，易美化，黄文燕．热水提取罗非鱼鱼鳞胶原蛋白的研究[J]．现代食品科技，2006，22（4）：139-141.[5]曾名勇，张联英，刘尊英等．几种鱼皮胶原蛋白的理化特性及其影响因素[J]．中国海洋大学学报，2005，35（4）：608-612.[6]连喜军，鲁晓翔，刘勤生．鱼类胶原蛋白研究进展[J]．应用研究，2007，1：46-49.[7]秦玉青，刘承初，王鑿．鱿鱼皮胶原蛋白的测定与回收[J]．上海水产大学学报，2002，11（2）：138-144.[8]王信苏，汪之和．草鱼鱼鳞胶原蛋白的提取[J]．现代食品科技，2006，22（4）：148-150.[9]户业丽，吴洁，张瑞等．酸法提取人工养殖鲟鱼皮中胶原蛋白工艺的研究[J]．食品科技，2008，2：209-212.[10]蒋予箭，蒋家新．鱼皮胶酸法水解工艺的研究[J]．食品研究与开发，22(2)：32-34.[11]杨萍，邓尚贵，夏杏洲等．青鳞鱼下脚料水解蛋白的制取及其营养评价[J]．海洋科学，2002，26(7)：54-58.[12]陈武勇，黄瓒，林亮等．废革屑提取胶原蛋白的研究[J]．中国皮革，2002，31（23）：1-5.[13]王杏珠．日本水产品综合利用研究的概况[J]．现代渔业信息，1995，10（10）：13-15.[14]胡立新，陈骄，占稳等．鱼下角料中胶原蛋白的提取与应用[J]．化学与生物工程，2009，26（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