浅谈水中胶原的制备及应用

浅谈水中胶原的制备及应用

由于其独特的生理功能和特点，它已在食品、饮料、药物和保健等领域得到广泛应用。传统的胶原蛋白主要从陆生动物如猪、牛等的结缔组织中提取,近些年,但因疯牛病、口蹄疫等疾病的爆发,陆生动物来源的胶原蛋白在应用方面受到了极大的限制。另外,由于宗教和习俗等原因,有些地区也不能使用猪等牲畜来源的胶原蛋白制品。因此,寻找提取胶原蛋白原料的新来源就显得非常迫切了。鱼类加工后产生大量的废弃物,如皮、骨、鳞和鳍等含有丰富的胶原蛋白,具有开发和利用的价值。1鱼饲料的制备方法、类型和特点1.1抽提取法胶原的提取方法主要有以下五种:酸法、碱法、盐法、酶法和热水抽提法,其基本原理都是根据胶原蛋白的特性改变蛋白质所在的外界环境,把胶原蛋白从其它蛋白质中分离出来,同时,在实际提取过程中,不同提取方法之间往往相互结合,.以取得较好的提取效果。1.1.1醋酸溶液的提取酶法是目前提取胶原最常用的方法,胶原的三股螺旋结构对蛋白酶(例如链霉蛋白酶、无花果蛋白酶、胃蛋白酶或胰蛋白酶)具有相当的稳定性,利用此特性,在较低温度下加入蛋白酶,可以显著提高胶原的得率。利用蛋白酶处理的优点,就在于蛋白酶可以选择性的切除非螺旋的端肽而溶解出胶原分子。在一定条件下可以将端肽切除,同时保留了胶原的三股螺旋结构,所得胶原被称为原胶原,它具有比较温和的免疫反应特性。一般提取的条件:胃蛋白酶和组织干重比为1∶10,0.5mol/L醋酸溶液。醋酸还可以起到胶原蛋白膨胀和增溶的作用。MasahiroOgawa等人利用酶法从了黑石首鱼和羊头海鲷提取了胶原蛋白,并对其生化特性进行了研究。赵海英等利用胃蛋白酶提取鳕鱼皮胶原蛋白。1.1.2碱盐提取设备剂碱法提取即利用一定浓度的碱在一定的外界条件下提取胶原蛋白,碱处理法中常用的处理剂为氢氧化钙、氢氧化钠、碳酸钠等。由于它容易造成肽键水解,因此得到的水解产物分子量比较低,若比较严重的话,还会产生DL一型氨基酸消旋混合物,有的D型氨基酸有毒,有的甚至有致癌作用,D一型氨基酸还有可能抑制L型氨基酸的吸收,所以,若想保留胶原的三股螺旋结构,用此提取方法是不可行的。强碱盐可以控制胶原的溶涨,并保护胶原天然的三股螺旋结构。必须指出的是与明胶类似,所提取的胶原的等电点也降低,这是因为在提取过程中,天冬酰胺和谷氨酰胺转变为天冬氨酸和谷氨酸。目前,应用碱法提取胶原蛋白的较少,一般是碱法提取和酸法提法结合使用。1.1.3热水处理对胶原蛋白提取率的影响热水抽提法是原料经过各种预处理之后,在一定条件下用热水抽提而得到水溶性胶原蛋白的方法。一般热水抽提法是与碱、酸提取法结合使用,即原料经过一定浓度的碱、酸溶液处理之后,使胶原纤维充分溶涨,再经过热水处理后,可使胶原纤维的溶解性大大提高,随着温度的升高,胶原蛋白在溶液中溶解性提高,也就提高了胶原蛋白的提取率。Gomez-Gulleln等在80℃条件下提取鱿鱼皮中的胶原蛋白,提取率比在45℃条件下大大提高。但经过热水处理的所提取的胶原蛋白,已经不具有胶原蛋白的三螺旋空间结构,得到的产物我们一般称之为明胶(gelatin),明胶的分子量不规则,大至几百万、小至几十,不具备原有胶原蛋白的功能,不能用于医用生物材料。许庆陵等人探索了热水法从鱿鱼皮中提取胶原蛋白的制备技术,结果发现此方法提取胶原蛋白最佳工艺的温度为80℃。1.1.4成为酸溶性胶原蛋白酸法提取是利用一定浓度的酸溶液在一定的条件下提取胶原蛋白,主要低离子浓度酸性条件破坏分子间的盐键和希夫碱,而引起纤维膨胀、溶解,溶剂使用的酸,主要有醋酸、盐酸、柠檬酸等,采用酸法提取的胶原通常成为酸溶性胶原蛋白(acid-solubilizedcollagenASC)。酸溶解法可将交联的胶原分子溶解出来,也可溶解含有醛胺类交联键的胶原,但不适合从酮亚胺交联键较为丰富的组织提取胶原,例如骨、软骨或来自于年代较老动物的组织等。酸法是提取胶原蛋白比较常用和有效的方法,用酸法提胶原最大程度的保持了其三螺旋结构,适用于医用生物材料及原料的制备。TakeshiNagai等人利用0.5Mol/L的醋酸从金枪鱼、海鲈鱼、鲷等鱼皮、鱼骨及鱼翅中提取胶原蛋白,并对其胶原蛋白的性质进行了研究。张培丽等研究了乙酸和柠檬酸提取罗非鱼、鳙鱼、草鱼和鲫鱼鱼皮胶原蛋白的工艺。1.1.5中性盐对胶原蛋白溶液稳定性的影响盐法提取是利用各种不同的盐在不同的浓度条件下提取盐溶性胶原蛋白的方法。常使用的盐主要有氯化钠、氯化钾等。在中性条件下,当盐的浓度达到一定量时,胶原就会溶解在其中,但是胶原的溶解和分级受中性盐效应影响,有的盐可提高胶原的稳定性,而有的则可降低其构象稳定性,从而对提取天然胶原蛋白很不利。Montero等用不同浓度的氯化钠从欧洲无须鳕、鲑鱼的肌肉及鱼皮中提取盐溶性胶原蛋白,鱼皮中胶原蛋白含量分别为34.2%和48.8%。1.2鱼类胶原蛋白的组成和功能胶原蛋白的类型目前已增加至27种。而已从鱼类中分离鉴定出的胶原类型为广泛分布在真皮、骨、鳞、鳔、肌肉等处的Ⅰ型、软骨和脊索的Ⅱ型和Ⅺ型以及肌肉的V型。鱼类含有的胶原蛋白与陆生哺乳动物体内含有的胶原蛋白具有相同的特点,都是由三条多肽链构成的三股螺旋结构,氨基酸的主要组成也是甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸,但是,鱼类胶原蛋白也具有一些自身的特点和作用。绝大多数的真骨鱼类的胶原含有其他脊椎动物所没有的第三条α链,即其由3条异种α链所形成的单一型杂分子α1(Ⅰ)α2(Ⅰ)α3(Ⅰ)组成,而非[α1(Ⅰ)]2α2(Ⅰ),并且在鱼类胶原蛋白中羟脯氨酸的含量比陆地动物胶原蛋白低的多,而蛋氨酸的含量却比陆地动物胶原高得多。研究表明,羟脯氨酸起着连接多肽和稳定胶原的三螺旋结构的作用,羟脯氨酸含量越低,其螺旋结构被破坏的温度就越低,这一特点使水产胶原的热变性温度比哺乳动物胶原低,热稳定性较哺乳动物胶原差。同时,鱼类胶原蛋白热稳定性呈现鱼种特异性,即暖水性鱼类的胶原蛋白较冷水性鱼类的胶原蛋白的热稳定性高,这也与羟脯氨酸含量因鱼种不同有关。但鱼皮胶原蛋白与鱼肉胶原蛋白相比,其真皮的热变性温度要比肌肉的低1℃左右,这与肌肉胶原中脯氨酸的羟基化率较真皮胶原高有关。除此之外,鱼类胶原即使在低温下也可溶于中性盐溶液或酸性溶液,比较容易制备得到可溶性胶原溶液,这为其利用提供了有利条件。2不同酸方法的提取明胶关于鱼类胶原蛋白的研究从20世纪七、八十年代就开始了。至目前,国内外对鱼类胶原蛋白的提取工艺、理化性质及改性等方面进行了大量、深入的研究,如Kolodzeijksa等以鱿鱼皮为原料,综合考虑提取所用的NaCl浓度、提取温度、料水比等条件,确定了提取鱿鱼皮胶原蛋白的最佳工艺条件;Guundssnon等人以鳕鱼皮为原料,采用不同的有机酸在不同组合和浓度的条件下,制备明胶,比较所得产物的理化性质的不同;C.S.Cheow等人利用热水法分别从黄花鱼和竹荚鱼提取胶原蛋白,并对其理化性质进行了研究;RuiDuan等人利用酸法从鲤鱼皮、骨和鳞中提取了胶原蛋白,对其变性温度、氨基酸组成等性质进行了研究;杨忠丽等人对鮰鱼皮明胶的提取工艺进行了研究,探讨盐酸浓度、料液比、提取温度和提取时间对鱼皮明胶得率的影响;王信苏等人对利用酸法提取草鱼鱼鳞的工艺进行了探索;Femnadez一Diaz等分别采用0.1mol/L和0.5mol/L的MgSO4,15%(w/v)的甘油和10mg/kg转谷氨酰胺酶对所提取的鳕鱼皮明胶进行改性处理,改性后的明胶凝胶强度大大提高,并且使鳕鱼皮明胶的凝胶化作用的温度和熔点提高,使鳕鱼皮凝胶的理化性质更接近于哺乳动物明胶,使水产动物明胶来源明胶替代哺乳动物来源明胶成为可能。除了大量的理论研究,胶原蛋白产品的工业化生产技术也比较成熟,大量的胶原蛋白产品纷纷上市,如德国的维恩生物科技集团的胶原蛋白,东方海洋科技股份有限公司生产的鱼胶原蛋白肽等。3其它抗衰老活性化合物胶原多肽是胶原或明胶经蛋白酶等降解后制得的相对分子质量为2000～30000的产物。研究表明,胶原多肽具有多方面的生理功能,蛋白质消化吸收率几乎达100%,能保护胃黏膜以及抗溃疡,促进皮肤胶原代谢,抑制血压上升,促进Ca吸收和降低血清中胆固醇含量等。国内外对于鱼类胶原多肽进行了大量研究,主要有ACEI抑制肽、抗氧化活性肽、抗肿瘤活性肽以及免疫调节肽等。林琳分别从鳕鱼、鱿鱼、鲤鱼皮胶原蛋白酶解液中分离了具有降血压、抗衰老、抑制血管紧张素转化酶的蛋白肽。Hee—Guk等水解阿拉斯加青鳕的鱼皮,从水解物中分离出相对分子质量介于(900～1900)×103的肽片段,具有显著的ACEI抑制因子活性,并纯化出氨基酸组成分别为Gly—Pro—Leu、Gly—Pro—Met的肽片段,其IC50值分别为2.6μmol/L和17.13μmol/L。王静凤等人研究不同分子量鱿鱼皮胶原蛋白多肽对B16黑素瘤细胞黑素合成的影响,结果发现不同分子量鱿鱼皮胶原蛋白多肽均具有明显抑制B16黑素瘤细胞黑素合成的作用。刘小玲等人研究发现利用酶法制得的罗非鱼胶原蛋白肽对由Fe引发的卵磷脂脂质体过氧化有一定抑制作用,同时对.OH具备一定的清除作用。Rozenn等从鳕鱼胃蛋白酶水解产物中得到酸性肽,相对分子质量为(500～3000)×103,具有刺激免疫的活性。Asbjorm等研究发现,4种来源于鲑鱼的酸性肽有类似于刺激产生白细胞超氧阴离子的作用,它们通过增加活性氧代谢产物,如产生超氧阴离子,或通过增加巨噬细胞的吞噬活性和胞饮作用来提高非特异性免疫系统的防御功能。Fahmi等通过酶解获得的海鲷鱼鳞胶原蛋白水解混合物具有ACE抑制活性,其IC50为0.57mg/mL,原发性高血压大鼠每天口服300mg/kg体重这种混合肽后,血压显著降低(P<0.05)。4鱼类和虾的使用4.1胶原蛋白食品胶原蛋白及其多肽因含有多种氨基酸,易消化,一直受到食品领域的关注,食用明胶和可食性肠衣是两个主要产品。胶原天然紧密的纤维结构使其具有很强的韧性和强度,适用于薄膜材料的制备。有研究表明,用胶原膜包装肉食具有抗氧化性,能使肉食品的颜色保持鲜亮。还有的直接将胶原加入到发酵饼和蛋糕。胶原蛋白由于具有较高的粘度、乳化性等特性,可以作为食品添加剂加入到食品中。据文献报道,鱼明胶用量最多的是在饮料工业中作为澄清剂,特别是作为发酵后除去酒液中一些胶体悬浮物的最佳澄清剂。在20世纪80年代初,仅英国、美国、德国所用作啤酒澄清剂的鱼明胶约为500t。目前我国一些啤酒厂家也开始用鱼明胶作为啤酒的澄清剂。胶原蛋白及多肽由于其独特的生理功能及特点,可用于开发多种健康食品。可以开发出美容饮料和补钙的食品。在日本,胶原食品已被作为健康食品推向市场,已经有胶原多肽、氨基酸口服液等保健性食品上市。目前,我国也有些胶原蛋白及其多肽产品纷纷上市。此外,胶原蛋白及其降解产物还可用于冷冻食品改良剂、肉制品添加剂、饮料澄清剂、乳制品添加剂及胶原小食品等。4.2胶原的临床应用由于胶原具有弱的抗原性、生物可降解性,并对血小板有凝聚作用等,因此胶原可作为生物材料用作心脏瓣膜、创伤和烧伤修复材料、止血剂、人工皮肤、固定化酶和提取胶囊等。用鱼鳞胶与其他明胶混合使用,用于制造胶囊,例如鱼肝油胶囊和维生素胶囊,在胃中几分钟即可溶解,保质期较长,大大优于片剂。胶原多肽对关节症等胶原病具有很好的预防及治疗作用,另外对伤口愈合也有很好的促进作用。在美容、矫形方面,胶原蛋白可用于小型皮肤缺损修复及组织缺损修复,是理想的医用材料。胶原不仅具有支撑填充作用,还能诱导宿主细胞和毛细血管向注射胶原内迁移,合成宿主自身的胶原及其它细胞外间质成分。中国预防医学科学院刘秉慈教授研制的人胶原医用注射剂,用于包括鱼尾纹、抬头纹、鼻唇沟、口周纹等皱纹及浅部疤痕的治疗,不引起免疫反应,比国外牛胶原制剂有了质的进步,进一步认为胶原注射方法安全、有效,在美容中值得推广应用。国外已将胶原羟基磷灰石用于临床来增高牙槽峭,扩大下颌骨和矫正鼻鞍骨等,国内也有人将胶原轻磷灰石联合植入家兔皮下组织,作有关方面的研究。可见,胶原无论在美容、矫形还是组织修复上都显示出其独特的优越性,特别是胶原羟基磷灰石人工骨在塑形上比磷灰石微粒完美,而将成为有良好应用前景的医用材料。4.3湿法纺丝生产多样化纤维在纺织中的应用在纺织行业中,胶原蛋白经改性后可制备具有合适分子量和稳定性的纺丝液,再经湿法纺丝和后处理得到具有很多优异性能的胶原蛋白纤维