水產膠原蛋白質的基本特性及其在食品加工中的應用

徐海菊，蔡 健，陳江萍

(臺州科技職業學院，浙江 臺州 318020)

膠原是蛋白質中的一種，基本結構為原膠原蛋白，主要存在于動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中，是結締組織中重要的結構蛋白質，起著支撐器官、保護機體的作用。在魚體中，皮、鱗、鰭、鰾等部位都含有豐富的膠原蛋白。目前，膠原蛋白的研究已引起人們廣泛重視，水產膠原蛋白因其獨特的生理功能和理化特性而成為研究的熱點。水產品加工后產生大量的廢棄物，而這些廢棄物是制備高蛋白食物的優良原料，而且開發利用廢棄物也有利于提高水產品的附加值。因此，有必要對水產膠原蛋白的基本特性進行系統的科學研究，使膠原蛋白更好地應用到食品工業中。本文綜述了水產膠原蛋白的基本特性及在食品加工中的利用，為開發水產膠原蛋白資源，拓展膠原蛋白的應用范圍，充分有效利用生物資源提供理論依據。

1 基本結構

膠原蛋白是細胞外基質 (ECM)的結構蛋白質，分子中至少有一個結構域具有α鏈組成的三股螺旋構象 (即膠原域)，經超速離心后可分得3個組分，即 α、β、γ，其中 β和 γ組分分別是 α組分的二聚體和三聚體。α組分又分為 α1、α2、α3和α4，它們在氨基酸組成上有所不同，但是其主要的組成氨基酸均為脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸，其中，約含33%的甘氨酸、20%～30%的脯氨酸和羥脯氨酸，而且羥脯氨酸、羥賴氨酸為其特征氨基酸。膠原蛋白一級結構的特征是含有甘氨酸的三聯體 (Gly-X-Y)重復排列，其中X，Y多為脯氨酸和羥脯氨酸，通常由3條多肽鏈構成三股螺旋結構，分子量約30萬道爾頓。目前已發現20種以上類型的膠原蛋白，各型間的不同之處在于三股螺旋中斷形成的多肽片段不同，從而折疊成不同的三維空間結構。在魚肌肉、魚皮和魚鱗中主要含有Ⅰ型和Ⅴ型膠原蛋白，其中Ⅰ型膠原是由3條分子量約10萬道爾頓的a鏈形成的螺旋結構，其中有2條α1(Ⅰ)鏈和 1 條 α2Ⅰ)［1］。

2 基本特性

2.1 粘度

許多研究表明，膠原蛋白的水溶液具有一定的粘度。膠原蛋白的分子在水溶液中比較舒展，如果在外界條件下，膠原蛋白發生解鏈現象，溶液的粘度就會降低;如果在外界條件下，膠原蛋白內鏈與鏈之間相互纏結和粘連，剛性結構逐漸增大，溶液的粘度將增大。

膠原蛋白溶液的粘度受到以下各種因素的影響。(1)各種原材料的不同，從根本上影響著膠原蛋白的粘度。目前研究比較多的陸生動物來源的膠原蛋白比水生動物來源的膠原蛋白的粘度高，而溫水性水生生物膠原蛋白的粘度又比冷水性水生生物膠原蛋白粘度高。(2)膠原蛋白的氨基酸組成影響著膠原蛋白溶液的粘度，當膠原蛋白含有較多的疏水性氨基酸時，其粘度較低。研究發現，鱈魚皮膠氨基酸組成中含有較多的疏水性氨基酸，其粘度較低。說明粘度與疏水性氨基酸之間存在著一定的相關性。 (3)提取方法對粘度的影響，Motero等［2］研究發現，酸法提取的過程中，膠原蛋白中疏水性氨基酸的組成發生了變化，從而影響了膠原的粘度。Johnstone-Banks［3］在研究膠原蛋白的熱水提取時，也發現由于原料經堿前處理，減少了鏈內共價鍵的數量，導致了粘度的降低。而在用酶法提取膠原蛋白時，膠原蛋白粘度隨著酶用量的增加而降低［4］。 (4)Choi等［5－6］報道了干燥方法對粘度的影響，常溫干燥造成膠原蛋白的部分分解或者部分變性，從而破壞了膠原的物理特性，使其粘度降低;冷凍干燥能較好地保存膠原蛋白原有的三維螺旋結構，因此膠原的粘度較大。 (5)膠原蛋白溶液的粘度與外界環境的溫度有很大的關系，可溶性膠原蛋白加熱至一定溫度后，粘度下降。

2.2 凝膠強度

凝膠性是指蛋白質產品在一定的條件下具有形成凝膠的能力。膠原蛋白在一定的條件下可以形成凝膠，形成凝膠后，不但是水的載體，而且還是風味劑、糖及其它配合物的載體。凝膠性對火腿、香腸等碎肉食品是非常有利的，可以達到改善產品的質地、口感和提高產品的保水性等目的。凝膠強度是衡量膠原蛋白凝膠性強弱的重要指標之一。而凝膠強度的大小受各種因素的影響，如膠原蛋白的組成、提取工藝、膠原蛋白的濃度、溫度、鹽濃度、酸度、時間等。

Gudmundasson等［6］研究發現，由常溫干燥得到的鱈魚皮膠原的凝膠強度在110～120 g，而由冷凍干燥得到的膠原在相同條件下的凝膠強度在200 g左右。這是因為常溫干燥導致了膠原蛋白的部分變性，使得膠原形成凝膠的能力減弱，凝膠強度較低。而冷凍干燥的膠原蛋白的三螺旋結構保存得較完好，所以凝膠強度較高。研究還發現經過氫氧化鈣溶液的前處理可以提高產物膠原蛋白的凝膠強度。

在膠原蛋白溶液中，由于酸、堿與水的水合作用均會影響膠原中的交聯鍵，從而影響凝膠的形成。一般認為，當膠原蛋白溶液的pH較接近于等電點時，具有較高的凝膠強度;而在較強的酸、堿性條件下，膠原蛋白溶液不能形成較好的凝膠。

由于膠原蛋白溶液在濃度較低的情況下不能形成凝膠，只有在濃度很高時才具有形成凝膠的能力，因而膠原蛋白凝膠強度受溶液濃度的影響較大。1948年Ferry［7］經過大量的實驗發現，膠原的凝膠強度幾乎與溶液濃度的平方成正比。隨著膠原溶液濃度的增加，凝膠強度明顯增大。

實驗表明，凝膠強度還與形成凝膠的時間有很大的關系［2，5－6］。在凝膠形成的前 4 h 內，凝膠強度迅速增加，若延長凝膠形成的時間，凝膠強度增加較緩慢，到 16～18 h基本達到穩定。Veis［8］在1964年發現凝膠強度還與凝膠形成時的外界溫度有關，隨著溫度的升高而呈線性下降，Nijenhuis［9］在1981年的研究中也得到了相同的結果。

Peng［10］研究表明，當膠原蛋白的組成中含有較多的α1亞基時，膠原蛋白的溶液具有較高的凝膠強度。另外在一定的條件下，由于較多短鏈肽的增加，使形成的凝膠強度也會較高。Gudmundasson等［6］還發現，蛋白質溶液的凝膠強度還受其組成氨基酸的影響，當疏水性氨基酸較多時，膠原的凝膠強度會較低，這一特性與疏水性氨基酸較多粘度較低是一致的。

2.3 熱變性溫度

研究表明，來源于哺乳動物的膠原蛋白的熱變性溫度較高，一般在40～41℃，而來源于水生生物的膠原蛋白的熱變性溫度較低，一般不超過30℃。Grossman等［11］指出，魚類膠原蛋白的熱變性溫度較低的原因是它們含有的羥脯氨酸少。鴻巢章二［12］研究表明，膠原的熱穩定性與全部的亞氨基酸尤其是羥脯氨酸的含量之間存在正相關。膠原蛋白中羥脯氨酸和羥賴氨酸的含量與膠原蛋白分子對熱或化學變性作用的抵抗力密切相關。Asghar等［13］的研究證明羥脯氨酸的羥基所形成的氫鍵對膠原螺旋體的穩定性起著重要的作用。

2.4 乳化性及其乳化穩定性

膠原蛋白的乳化性是膠原蛋白應用于食品工業的一個重要指標，而國內外對于膠原蛋白尤其是淡水魚膠原蛋白的乳化性研究得較少。王碧等［14］研究了水解膠原蛋白的乳化特性，發現膠原蛋白的乳化性和乳化穩定性將隨著溶液濃度的增加而增大，在酸、堿性溶液中均有較高的乳化能力和乳化穩定性，而且一定濃度的電解質可以提高膠原蛋白的乳化能力和乳化穩定性。

2.5 改性

蛋白質的改性就是用化學因素或物理因素，使氨基酸殘基和多肽鏈發生某種變化，引起蛋白質分子空間結構和理化性質改變，從而獲得較好的功能性和營養特性。目前，有關改性的方法主要是化學改性。化學改性就是利用蛋白質上各種官能團與低分子量或高分子量物質進行反應，使膠原蛋白交聯或接枝。Toledano等［15］把較長的疏水性烷基鏈接到膠原蛋白上，得到了發泡性和乳化性均較好的改性膠原蛋白。物理改性就是通過改變外界環境因素，進而改善蛋白質的某些功能特性。如電解質的加入，在一定范圍內可以影響溶液的凝膠強度;不同的酸度可以影響溶液的粘度等。另外，隨著生物工程的發展，也可以采用酶法改性。如Fernández-Díaz等［16］利用轉谷氨酰胺酶催化酰基轉移反應，使膠原蛋白間發生共價交聯反應，以改善鱈魚皮膠原的粘度、凝膠性以及熱穩定性。

3 在食品加工中的應用

食用級膠原通常外觀為白色，口感柔和、味道清淡、易消化，此外，它還有一些獨特的品質，如交聯的熱穩定性、緊密的纖維結構、高的水合特性等，使它在許多食品中用作功能性添加劑和營養成分［17］。膠原蛋白材料具有良好的皮膜形成能力和親水性，這些性能使膠原蛋白在食品應用方面有著其它材料不可替代的優越性。膠原蛋白在食品中主要有以下方面的應用。

3.1 食用膜，膠囊

膠原蛋白用作制造香腸、火腿腸衣和凍肉、熏雞肉、油炸肉等的包裝膜，用作肉類、魚類等的包裝紙，具有抗氧化性，防水，保持肉食品的顏色鮮亮，保香等功能。膠原蛋白還可用于生產藥用膠囊和微膠囊，近年來研究在明膠溶液中加入一定量的殼聚糖溶液制成藥用膠囊，具有可消化吸收，易于生產、產品質量好的優點［18－19］。

3.2 食品添加劑

魚明膠在食品工業中可以做為增稠劑、乳化劑、穩定劑、澄清劑等廣泛應用于罐頭、飲料、乳品加工、肉制品加工、果酒釀造等方面。魚皮膠原應用在啤酒工業中，作為澄清劑，它不僅可以結合啤酒中的一些物質，而且能促進啤酒的后成熟陳化。

3.3 保健功能

通過改變膠原多肽原料和分解條件，還可使之具有美容保健等功效。日本一些企業已經開始在我國魚制品加工廠大規模的收購魚鱗，作為高附加值產品的原料。膠原蛋白在水解過程中產生具有特定功能的生理活性肽。魚鱗膠原蛋白水解液具有抗氧化和降低血壓、降低血液總膽固醇、抗衰老等功效。膠原蛋白還是一種增智物質，可顯著增加細胞活力，加快腦運算速度，使人思維敏捷。膠原蛋白與膠原多肽的生理功能、藥用和保健功能正在逐漸被人們認識。

3.4 其它用途

作固定化酶載體，膠原蛋白分子肽鏈上具有羥基和氨基等多種反應基團，易于吸收和結合多種酶和細胞，實現固定化，它具有與酶和細胞親合性好、適應性強的特點。另外膠原是一種成膜性好的物質，并具有生物相容性，在體內可被逐步吸收，適于用作人工應用材料固定化酶載體［20］。

4 發展趨勢

目前以利用來自陸生豬、牛皮及哺乳動物骨等原料生產膠原蛋白為主，但陸生哺乳動物在信仰伊斯蘭教、回教等人群的食品中，來源于牲畜的膠原蛋白的應用受到限制，由于近年來瘋牛病、口蹄疫等傳染性疾病的發生和流行，使人們對來源于牲畜的膠原蛋白的安全性產生了懷疑。這些因素有力地促進了對水產動物膠原蛋白的研究和開發，同時來源于水產動物的膠原蛋白有著特殊的生理功能和理化特性，比如低抗原性、低過敏性、分子結構較脆弱，易于酶解等。

從水產品中提取膠原蛋白，用之于食品和醫藥，以部分取代陸生來源的膠原蛋白，以確保食用安全性并擴大應用人群范圍;同時充分利用水產膠原蛋白的諸多特點，采用先進的現代生物技術，對水產膠原蛋白進行精深加工，開發水產膠原多肽，生產具有各種生理功能的活性肽和其它保健功能食品，將是水產膠原蛋白發展的方向。水產膠原蛋白的開發利用，將使水產加工原料得到充分利用，同時提高水產加工企業的經濟效益，為水產加工業的發展開拓新的應用領域。

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