鱼皮胶原蛋白的提取、特性及其应用研究进展.docx

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1、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

2、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。2022年我国水产品总产量为6480.36万吨，加工总量达217

3、1.41万吨。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

4、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42七、提取时间25.72h,在此条件下的提取率为83.75%。研究

5、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，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a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9o1.2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蒯鱼皮中的胶原蛋白，结果表明胶原蛋白的最佳提取工艺为料液比1：10(gmL).Ca(OH)2添加量L6%、70条件下浸提9h,所得到胶原蛋白的提取率为79

6、.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通过研究碱法提取鲸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

7、、浸提温度和浸提时间12。Bhuimbar等13采用乳酸溶液提取黑鲤鱼皮中的胶原蛋白，得率为45机户业丽等14分别采用乳酸、醋酸、柠檬酸对鲍鱼皮中的胶原蛋白进行提取，结果表明：1.0molL乳酸、固液比1：5（gmL）,温度20、提取时间72h,在此条件下提取率最高为86.18%o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

8、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冕鱼皮中的胶原蛋白,试验结果表明当用胃蛋白酶（以0.5molL乙酸为溶剂）提取鲍鱼皮时，在提取温度37（、提取6h、料液比为l：4（g/mL）条件下，鲍鱼皮胶原蛋白的提取率最高为70.15%。FaraliZadeh等16采用含现胃蛋白酶的0.5mol/L乙酸溶液反应48h来提取鲤鱼皮中的胶原蛋白，所得鲤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

9、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15h、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

10、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。1.7 .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

11、，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(SOdiUmdodecylsulfacepolyacrylamidegele1ec

12、tropheresis,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、妒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

13、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、In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300nm,直径约1.5nm,占生物体胶原蛋白总量的8O%9O96,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

14、结构表征。廖伟等28采用SDS-PAGE凝胶电泳图分析尖吻鲸鱼皮胶原蛋白的结构特征，结果表明尖吻鲸鱼皮胶原蛋白为I型胶原蛋白。Wang等29采用SDS-PAGE凝胶电泳和红外光谱分析冕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1链和1条。2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

15、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研究了从鲍鱼皮中提取的胶原蛋白的热稳定性，得到鲍鱼皮胶原蛋白的热变性温度为28.5,最大转变温度为34.4oCo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

16、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2596,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