胶原蛋白的研究现状综述【文献综述】

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毕业论文文献综述食品科学与工程胶原蛋白的研究现状综述摘要本文综述了胶原蛋白的结构、功能特性以及水解胶原蛋白的方法，主要包括及其在食品、化妆品、医药等领域的应用，并对其发展前景做了展望。关键词胶原蛋白；水解；结构；特性；应用1前言胶原蛋白是哺乳动物体内含量最丰富、分布最广泛的蛋白质，占人体内蛋白质总25％，相当于体重的6％,为重要的功能性蛋白质,主要存在于动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中,是结缔组织极重要的结构蛋白质,起着支撑器官、保护机体的功能[1]。胶原蛋白的营养十分丰富。胶原蛋白富含除色氨酸和半胱氨酸外的18种氨基酸，其中维持人体生长所必需的氨基酸有7种，胶原蛋白中的甘氨酸占30％，脯氨酸和羟脯氨酸共占25％，是各种蛋白质中含量最高的，丙氨酸、谷氨酸的含量也比较高，同时还含有在一般蛋白中少见的羟脯氨酸和焦谷氨酸[2]。胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，分子量为300kD，其分子在细胞外基质中聚集为超分子结构。胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构，由3条a链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型，它们交叉相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构，胶原蛋白独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定，并且具有低免疫原性和良好的生物相容性等[3]。结构决定性质，性质决定用途，胶原蛋白的结构的多样性和复杂性决定其在许多领域的重要地位。胶原蛋白产品具有良好的应用前景[2]。2胶原蛋白的功能特性胶原是人类皮肤的主要组成成分。人处于幼年时,皮肤中胶原的含量高,随着年龄的增长,其含量开始逐渐下降,导致皮肤渐渐丧失保湿功能,人体只有不断合成新胶原才能保持皮肤健康且具有弹性[7]。胶原蛋白的阴离子侧链丰富,能吸附大量水分,维持皮肤的湿润、弹性。胶原蛋白含有一种独特的氨基酸———羟脯氨酸(Hyp)[9],合成新胶原蛋白时需要大量的羟脯氨酸。在医药工业领域里,因胶原蛋白具有良好的生物学特性和低免疫原性,它可作为组织的支持物,对细胞、组织乃至器官行使正常功能并对外伤修复具有重要作用[7]。2.1低免疫原性一般认为胶原具有三种类型的抗原因子：第一类是由胶原肽链非螺旋的端肽引起的[25]；第二类是由胶原三螺旋的构象引起的；第三类是由仅链螺旋区的氨基酸顺序引起的。第二类抗原因子仅存在于天然胶原分子中，第三类只出现在变性胶原中，而第一类抗原因子在天然和变性胶原中均存在[6]。4 2.2生物相容性胶原蛋白的生物相容性是指胶原蛋白与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。胶原本身是构成细胞外基质的骨架，其三股螺旋结构及交联所形成的纤维或网络构成了细胞重要组成成分，对细胞起到锚定和支持作用，并为细胞的增值生长提供适当的微环境[6]。因此，胶原无论是在被吸收前作为新组织的骨架还是被吸收同化进入宿主，成为宿主组织的一部分，都与细胞周围的基质有着良好的相互作用，表现出相互影响的协调性，并成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分[11]。2.3可生物降解性[24]胶原具有紧密牢固的螺旋结构，绝大多数蛋白酶只能切断胶原侧链，只有胶原酶、弹性蛋白酶等中性蛋白酶可以降解胶原蛋白，断裂胶原肽键，致使其螺旋结构破坏，而彻底水解小分子多肽或氨基酸，小分子物质可以进入血液循环系统，被机体重新利用或代谢排出[12]。结缔组织细胞或炎症细胞能吞噬被胶原酶作用所得的大的片段，然后由溶酶体进一步降解为小分子多肤或氨基酸。胶原的可降解性是其作为器官移植材料的基础[16]。2.4止血和修复功能[23]胶原具有止血性能，该性能的发挥通过两方面实现，即促进血小板凝聚和血浆结块。胶原可以与血小板通过粘合、聚集形成血栓起到止血作用。当血管壁的内皮细胞被剥离时，血管中的胶原纤维暴露于血液中，血液中的血小板立刻与胶原纤维吸附在一起，发生凝聚反应，生成纤维蛋白并形成血栓，进而血浆结块阻止血流。胶原的天然结构特别是其足够发达的四级结构，是胶原具有凝聚能力的基础。胶原是参与创伤愈合的主要结构蛋白。胶原蛋白还可促进肉芽组织生成，加速创面的愈合。胶原分子对成纤维细胞的趋化反应，使胶原在伤IZl愈合过程中起重要作用[23]。3胶原蛋白的提取方法[3,5,9,10,12,13]水产品胶原蛋白的传统提取方法大致可以分热水提取法、酸处理法和酶处理法。3.1酸提取法[13]酸提取法常用的酸有：甲酸、乙酸、盐酸、草酸、柠檬酸、乳酸等。低离子浓度酸可以破坏分子间盐键和希夫氏碱，引起胶原纤维膨胀、溶解。林炜等使皮革固体废弃物在pH值为2—3、温度105℃、6moL／LHCI条件下彻底水解8h来提取胶原，得到完全游离的氦基酸。户业丽,吴洁,张瑞[12]等人对人工养殖的鲟鱼皮胶原蛋白的提取工艺进行详细的探讨如下:采用酸法提取胶原蛋白,对提取胶原蛋白过程中酸的种类、酸的浓度、用量、提取时间和提取温度对胶原蛋白提取率的影响进行详细的研究。正交实验表明,酸法提取人工养殖鲟鱼皮中胶原蛋白的最佳工艺为以1.0mol/L的乳酸作为提取剂,采用1∶5的固液比,在20℃下提取72h,其提取率最高为86.18%。3.2酶提取法[9,10,11]4 用蛋白酶处理猪皮，不仅可以水解掉胶原纤维蛋白的末端肽，提高胶原蛋白的产率；而且还不会破坏胶原蛋白的三股螺旋结构，保持其优良的物理和生化特性。通常使用的蛋白酶主要有中性蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶等。影响酶提取的因素有很多，如酶浓度、酶与底物的比例、酶解时间、酶解温度、pH值以及料液比等。在实际操作中，大多数采用酶复合法提取胶原蛋白。Lafargue提及从鱼皮、猪皮或牛皮中，采用蛋白酶酶解法提取制备胶原质，其中蛋白酶可选用木瓜蛋白酶、链霉蛋白酶等，经脱脂脱磷、酸处理后可得到生物相容性好的鱼皮胶原蛋白。陈小娥,方旭波,钟秋琴[3]在以安康鱼皮为原料,采用酶法提取胶原蛋白,用正交实验对安康鱼皮胶原蛋白提取工艺进行优化,并测定了安康鱼皮的基本组成成分和鱼皮胶原蛋白的氨基酸组成。结果表明,胃蛋白酶添加量为1%,料液比为1∶10,酶解时间6h,酶解温度为5℃时鱼皮胶原蛋白提取率最高,提取率为11.01%[3]。3.3热水提取法热水提取法是将原料经过除杂蛋白等前处理之后，直接在热水中提取已经变性了的胶原蛋白或胶原蛋白水解物的方法，使用的温度有100℃沸水浴、6O一70℃、40-42℃、45。钱曼等以草鱼鱼鳞为原料，在料液比1：20(w／v)，121℃条件下提取5min，最后胶原蛋白的提取率为45．57％[16]。目前生产胶原蛋白制品的主要原料是猪、牛等陆生哺乳动物的皮、骨和肌腱,因近年来全球生态环境恶化导致疯牛病、口蹄疫等流行病多次发生,使得从陆生动物皮、骨中提取胶原蛋白的危险性增大。欧美、日本等国家相继出台了不少法规,限制将牛等哺乳动物皮骨中的提取物用于食品、医药等对人体有直接影响的产品中[7]。为此,人们便开始寻求从水产动物中提取胶原蛋白,从鱼体废弃物中提取安全、卫生、无害的胶原蛋白已成为当前国内外业内人士研发的一个热门课题[24]另外，鱼品在加工的过程中,会产生大量的下脚料,如果不进行有效处理,不仅会造成环境的污染,而且会浪费大量的宝贵资源。如能充分利用这些成分,不仅可提高鱼类加工的附加值,同时可减少环境污染,获得良好的经济效益与社会效益。胶原蛋白含量占鱼体总蛋白的25%～30%,主要分布于鱼鳞和鱼皮中,因此,充分、合理地利用废弃物鱼鳞、鱼皮提取胶原蛋白不仅可推动水产加工业的发展,而且能变废为宝,减少环境污染。本文以乌贼皮为例，对其中的胶原蛋白进行了酸和酶同时提取的工艺研究。4胶原蛋白发展前景胶原蛋白是一种天然蛋白质资源，目前对它的研究开发利用的进展速度很快，主要是因为它重要的作用。胶原蛋白具有紧密的螺旋结构从而显示出很强的韧性和强度；氨基酸组成又使共具有优良的成膜能力，它不仅可以作为保健食品、美容产品、包装材料，还可以作为食品添加剂应用在肉制品改良、冷冻食品、饮料、糕点以及乳制品等中[19]4 。在医学领域中，胶原蛋白由于具有低免疫原性、纤维的再形成性、强的机械性能和生物可降解性等优点，作为生物材料广泛的应用。在生物医用材料领域中，胶原蛋白可制成胶原海绵、胶原膜、人工皮肤、固定化美酶载体和胶囊等。胶原蛋白作为一种新型的材料，是一个正待开发的宝藏，随着研究的不断深入，将会有更广阔的应用前景。主要参考文献[1]张虹，卓素珍，戴志远.鮟鱇鱼皮中胶原蛋白的提取及性质研究[J].中国食品学报，2009，9（6），.[2]张俊杰,段蕊,许晓静等.鱿鱼鱼皮酶溶性胶原蛋白部分生化性质研究[J].食品与发酵工业，2009，35（12）57—59[3]陈小娥,方旭波,钟秋琴.安康鱼皮中胶原蛋白的提取工艺研究[J].2007,3,131—133.[4]王学川，任龙芳，强涛涛，等.胶原蛋白的研究进展及其在化妆品中的应用[J].日用化学工业，2005，35（6）388-391[5]张培丽，爱梅，刘欣等.淡水鱼皮胶原蛋白提取工艺研究(Ⅰ)[J].食品与发酵工业,2006,32（12）150-153.[6][J]周爱梅,张培丽,刘欣等.淡水鱼皮胶原蛋白提取优化工艺研究(Ⅱ)食品与发酵工业,2007,33（1），113—117.[7]丁卓平，刘振华，李仁冬等.罗非鱼鱼皮胶原蛋白提取条件的研究[J].水产科技情报　2006,33(4),190—192.[8][J].[8]程波，吴洁，张玉蓉等。酶法提取人工养殖鲟鱼皮中胶原蛋白的工艺研究[J].食品研究与开发，2009,30（3）1—4.[9]郭恒斌,曾庆祝.酶法提取鱿鱼皮胶原蛋白工艺条件的研究[J].南方水产,2004,2，(1),58—63.[10]郭文宇,边清泉,刘家琴等.木瓜蛋白酶提取草鱼皮胶原蛋白的工艺研究[J].皮革与化工,2009,26(1),34-36.[11]唐文婷.木瓜蛋白酶提取鱿鱼皮胶原蛋白的工艺研究[J].四川食品与发酵，2008，44（5），32-34.[12]户业丽,吴洁2,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，2008,209-212.[13]秦玉青,王慥,刘承初.鱿鱼皮胶原蛋白的提取利用实验研究[J].　中医研究　2002，15（1），20-21..[14]许庆陵,郭恒斌,曾庆祝.鱿鱼皮胶原蛋白制备技术研究[J].食品研究与开发，2008，9，29，（9），59-64.[15]胡建平，吴琦，陈惠.鲢鱼鳞胶原蛋白的制备及性质研究[J].食品科技,2010,35(1)230-238.[16]钟朝辉,李春美,顾海峰等.草鱼鱼鳞酶溶性胶原蛋白的提取及基本特性[J].水产科学,2007年,26(2),91-94.[17]刘艳，刘章武，唐婧苗.淡水鱼鳞水解胶原蛋白的酶法制备[J].食品研究与开发,2009,30(6)99-103[18]张海彬,王军玲.鲢鱼鳞片胶原蛋白的提取[J].水　利　渔　业,2008,28(2)43-45.[19]黄焕，王欣，刘宝林等.木瓜蛋白酶水解鱼鳞胶原蛋白的工艺研究[J].食品科学，2009,30（24）23-25.[20]曾嵘,杨忠华,王玉等.水产废弃物胶原蛋白的提取[J].生物加工过程,2008,6(5)27-30.[21]王吰,刘剑虹,李可伟.胃蛋白酶法提取草鱼鳞胶原蛋白的工艺研究[J].食品研究与开发,2007,28(4)134-136.4 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