胶原蛋白

胶原蛋白

胶原蛋白是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质, 广泛存在于动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中, 起着支撑器官、保护机体的重要功能, 也

是组成细胞间质的重要功能蛋白质。胶原蛋白在脊椎动物体内含量丰富, 约占

体内蛋白质总量的25%-30%,人体皮肤组分的70% 是胶原蛋白, 大约相当于体重的6% 。

1. 胶原蛋白的氨基酸组成与分类

在组成上, 胶原蛋白富含除色氨酸、半胱氨酸和酪氨酸外的18种氨基酸,

包括7种人体必需的氨基酸。胶原蛋白中甘氨酸( Gly) 、丙氨酸(Ala) 、脯氨酸( Pro)和谷氨酸(Glu) 含量较高,特别是甘氨酸的含量几乎占了1 /3;胶原蛋

白中脯氨酸和羟脯氨酸(Hyp)的含量是各种蛋白质中含量最高的;胶原蛋白中存

在的羟基赖氨酸在其它蛋白质中不存在,羟基脯氨酸和焦谷氨酸在一般蛋白质中也很少见。

胶原蛋白一级结构的特征是含有甘氨酸的三联体(Gly-X-Y) 重复排列，其

中X，Y 多为脯氨酸和羟脯氨酸，通常由3 条多肽链构成三股螺旋结构，分子

量约30 万道尔顿。胶原蛋白独特的三重螺旋结构, 能使其分子结构非常稳定,

并具有独特的纤维状结构以及良好的生物相容性、可降解性和低抗原性等生物

活性。

根据胶原蛋白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,它主要分布于皮肤、肌腱等组织。目前已发现20 种以

上类型的胶原蛋白，各型间的不同之处在于三股螺旋中断形成的多肽片段不同，从而折叠成不同的三维空间结构。在鱼肌肉、鱼皮和鱼鳞中主要含有Ⅰ型和Ⅴ

型胶原蛋白。

2.胶原蛋白的制备

2.1 酸碱法

胶原蛋白的肽链，其端基和侧链含有氨基和羧基，具有较多碱性和酸性基团，它们在溶液中可与酸或碱作用，破坏胶原分子间及肽链间的离子键和氢键，从而导致胶原吸水膨胀。随着作用时间延长，胶原分子中各种次级键和交联键

逐渐被破坏，胶原发生溶解，胶原逐步由大肽水解成小肽，并最终水解成氨基酸。

酸法处理中能使水解物最大程度地保持三螺旋结构，从而可得到具有良好

生理活性的胶原分子。叶易春等探究了酸法提取猪皮胶原的工艺条件与水解物

分子量的关系，研究中通过控制热动力学条件对胶原进行不同程度的水解，可

以得到分子量大但分布较窄的胶原蛋白，同时也可得到分子量较小、分布分散

的水解产物。

强碱能破坏胶原肽链间的交联键，产生游离的肽链，并逐步使肽链主链断裂成多肽，进而水解成小肽或氨基酸。此外，碱水解还会使胶原中的酰胺氮受

到损失，并导致氨基酸消旋。

2.2 酶法

酶可通过作用不同类型的肽键，利用其催化专一性水解肽链成肽，进而生

成小肽或氨基酸。可催化水解胶原蛋白的酶种类较多，它们的作用位点不同，

产物区别也较大。如胰凝乳蛋白酶的专一性袋穴相对较宽，且完全由疏水基团

排列而成，因而能接纳体积较大的芳香族氨基侧链，如酪氨酸、色氨酸、苯丙

氨酸，并有助于底物的定向，使之靠近催化基团。

酶催化水解胶原蛋白有其不可比拟的优点，如反应温度低，迅速快，污染小，产物理化性质稳定，同时还可利用固定化酶技术提高酶利用率。由于酶催

化的选择性，酶解产物的分子量分布往往不连续，主要集中在一个较窄的范围内，因此可以根据所用酶的特性，从理论上预测水解产物的分子量大小，这为

胶原蛋白的选择水解和定向应用提供了思路。如贾建萍等以胰酶水解鱼皮胶原，在酶用量0.15%、料液比2.0、55 ℃和pH 7.0条件下，酶解液中寡肽含量达

6.84 g·100mL。

2.3 结合法

结合法基于酸、碱、酶等条件的优化组合，结合法基于酸、碱、酶等条件

的优化组合，可以弥补单一方法水解胶原的不足，目前较成熟的方法有碱酶结

合和酸碱交替法，此外多酶混合交替法也成为研究热点之一。碱酶结合法操作

简便，通过条件控制可得到分子量分布不同的水解产物。多酶协同及混合交替

法可实现胶原的高效定向水解，并能最大程度地保留产物的生物活性，因此该

法是胶原控制水解的一个重要发展方向。李岩等利用枯草杆菌碱性蛋白酶和黑

曲霉酸性蛋白酶处理猪皮，得到了分子量小于1000的胶原寡肽。

2.4鱼皮胶原蛋白提取

我国的水产品加工率不足30%，而发达国家水产品的加工率在80%以上。在鱼类的分割加工过程中会产生出大量下脚料，其质量占鱼体总重的30%～50%，

其中约10%是鱼皮。目前，这些鱼皮并没有被充分利用，大部分作为废弃物被丢弃，造成资源浪费的同时还会严重污染环境。鱼皮中的主要成分为胶原蛋白

（占总质量80%以上），对鱼皮胶原进行局部水解，将其中的胶原蛋白提取出来，可作为一种高档材料广泛应用于医药、食品及化妆品领域。因此，有效利用水

产加工过程中产生的鱼皮废弃物提取胶原蛋白，不仅可以变废为宝，而且可作

为一种新型安全的胶原蛋白资源，从水产品分割加工的下脚料鱼皮中提取高价

值的胶原蛋白，不仅可以充分利用资源、提高鱼类加工的附加值、增加经济效益、促进鱼类加工业的发展，同时对环境保护也具有十分重要的意义。

如下图为从鱼皮中提取胶原蛋白的工艺流程

3 基本特性

3.1 粘度

胶原蛋白的水溶液具有一定的粘度。胶原蛋白溶液的粘度受到以下各种因

素的影响。(1) 各种原材料的不同，从根本上影响着胶原蛋白的粘度。如较多

的陆生动物来源的胶原蛋白比水生动物来源的胶原蛋白的粘度高。(2) 胶原蛋

白的氨基酸组成影响着胶原蛋白溶液的粘度，当胶原蛋白含有较多的疏水性氨

基酸时，其粘度较低。 (3) 提取方法对粘度的影响，Motero等研究发现，酸

法提取的过程中，胶原蛋白中疏水性氨基酸的组成发生了变化，从而影响了胶

原的粘度。 (4) 胶原蛋白溶液的粘度与外界环境的温度有很大的关系，可溶性

胶原蛋白加热至一定温度后，粘度下降。

3.2凝胶性

凝胶性是指蛋白质产品在一定的条件下具有形成凝胶的能力。胶原蛋白在一

定的条件下可以形成凝胶，形成凝胶后，不但是水的载体，而且还是风味剂、

糖及其它配合物的载体。凝胶性对火腿、香肠等碎肉食品是非常有利的，可以

达到改善产品的质地、口感和提高产品的保水性等目的。

凝胶强度是衡量胶原蛋白凝胶性强弱的重要指标之一。而凝胶强度的大小受

各种因素的影响，如胶原蛋白的组成、提取工艺、胶原蛋白的浓度温度、盐浓度、酸度、时间等。研究发现经过氢氧化钙溶液的前处理可以提高产物胶原蛋

白的凝胶强度。实验表明，凝胶强度还与形成凝胶的时间有很大的关系.现凝胶强度还与凝胶形成时的外界温度有关，随着温度的升高而呈线性下降。蛋白质

溶液的凝胶强度还受其组成氨基酸的影响，当疏水性氨基酸较多时，胶原的凝

胶强度会较低，这一特性与疏水性氨基酸较多粘度较低是一致的。

3.3 热变性温度

研究表明，来源于哺乳动物的胶原蛋白的热变性温度较高，一般在40 ～

41 ℃，而来源于水生生物的胶原蛋白的热变性温度较低，一般不超过30 ℃。Grossman 等指出，鱼类胶原蛋白的热变性温度较低的原因是它们含有的羟脯氨

酸少。研究表明，胶原的热稳定性与全部的亚氨基酸尤其是羟脯氨酸的含量之