兔皮膠原蛋白的微觀結構及不同因素對其聚集特性的影響

馬明思 張宇昊 馬 良 王雪蒙 韓 霜 張曉潔

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 西南大學國家食品科學與工程實驗教學中心，重慶 400715)

兔皮膠原蛋白的微觀結構及不同因素對其聚集特性的影響

馬明思1張宇昊1馬 良2王雪蒙2韓 霜2張曉潔2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 西南大學國家食品科學與工程實驗教學中心，重慶 400715)

以兔皮膠原蛋白為原料，通過紫外光譜(UV)、紅外光譜(FTIR)和掃描電鏡(SEM)對兔皮膠原蛋白的微觀結構進行了初步研究，在該基礎上進一步研究了溫度、膠原蛋白濃度、pH值和離子強度對其聚集特性的影響。紫外光譜和紅外光譜的峰型及對應波長均符合Ⅰ型膠原蛋白的特征，電鏡掃描觀察到兔皮膠原蛋白為不規則的致密片狀膜，部分表面褶皺；聚集特性研究表明，膠原蛋白濃度與測定溫度升高，膠原蛋白的聚集速度和聚集程度均增加；在酸性環境中，膠原蛋白聚集時間較長；pH由7增至8的過程中，膠原蛋白的聚集程度先增加后降低，在pH 7.2時，聚集程度和速度均最高；隨著離子濃度的增加，聚集程度和聚集速度先增加后降低，在NaCl濃度為120 mmol/L時聚集速度最快，且自組裝程度最高。

膠原蛋白；紫外光譜；紅外光譜；掃描電鏡；聚集特性

膠原蛋白作為一種纖維蛋白，廣泛分布于結締組織和骨骼等部位[1]，是體內含量最多的蛋白質[2-3]。天然膠原是由三條左手α螺旋結構通過鏈間氫鍵結合成的特殊的三螺旋結構組成[4]。膠原蛋白因其具有一定的營養與功能特性廣泛應用于食品、醫藥和化妝品等行業中[5-7]。而這些應用很大程度上依賴于其聚集特性，聚集特性反映著膠原蛋白微觀結構上發生的變化，這種性質受溫度、濃度、pH值和離子強度等多種因素的影響，在膠原蛋白的應用過程中，必須要考慮這些因素對其性質的影響，在最適合的條件下才能制成性能較高的膠原蛋白產品。

膠原蛋白的微觀結構及其聚集特性是目前該領域的研究熱點。閆鳴艷[8]64-66對狹鱈魚皮膠原蛋白聚集特性進行研究，發現膠原蛋白溶液聚集行為在其質量濃度高于0.6 g/L時表現明顯；離子強度對膠原蛋白的聚集具有一定的延緩作用，在pH=7.2時，膠原蛋白溶液比較容易形成聚集。鐘朝輝[9]、Franz等[10]用原子力顯微鏡對魚鱗膠原蛋白與牛膠原蛋白的聚集行為進行研究，高清晰的原子力顯微鏡圖顯示出了膠原的纖維結構，能夠為自組裝的形成機制提供動態信息，從而為膠原蛋白的加工應用提供一定的理論基礎。

隨著生活水平的提高，人們越來越關注肉的營養品質。兔肉因為具有“三高三低”[11-12](高蛋白質、高礦物質、高消化率，低熱量、低脂肪、低膽固醇)的營養特質擁有廣泛的市場。2005年，中國成為世界兔肉生產第一大國，2013年中國兔肉產量約80萬t，約占世界兔肉總生產量的45%[13]。近年來，由于產能持續擴大以及食品安全監管日益嚴格，西南地區大型兔肉加工企業均開始建設自主的肉兔飼養基地，飼養品種以伊拉兔肉為主。一方面，該模式能夠很好地保證產品的品質和安全，但同時，自己宰殺兔子會產生大量兔皮，肉兔兔皮附加值較低，因此，如何利用副產物兔皮提高整體產業鏈的附加值，已經成為目前兔肉加工企業迫切需要解決的問題[14]。兔皮中膠原蛋白含量高，兔皮膠原蛋白也不存在傳統哺乳動物如豬、牛膠原蛋白在宗教和疫病角度的局限，同時在功能性質等方面，兔皮膠原蛋白性質優于水產膠原蛋白[15]。因此開發兔皮膠原蛋白，有利于增加兔皮的附加值，減少浪費與環境污染，對兔肉加工產業具有重要意義。然而，對于兔皮膠原微觀結構及聚集特性方面的研究目前尚未見報道。

本試驗擬對兔皮膠原蛋白的微觀結構進行研究，在此基礎上研究濃度和溫度對膠原蛋白聚集特性的影響，然后進一步深入研究pH值和離子強度對其聚集特性的影響，以期為兔皮膠原蛋白的后期應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮伊拉兔皮：膠原蛋白含量為13.60%，重慶阿興記食品有限公司；

冰醋酸、NaOH、NaCl、Na2S、Ca(OH)2、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉：分析純，四川成都市科龍化工試劑廠；

胃蛋白酶(1∶10 000)：酶活800～2 500 U/mg，北京索萊寶科技有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

紫外可見光分光光度計：752型，上海菁華科技儀器有限公司；

冷凍離心機：5810R型，德國Eppendorf公司；

真空冷凍干燥機：FD-1-50 型，北京博醫康實驗儀器有限公司；

離子濺射儀：HITACHI E1010型，日本日立公司；

掃描電子顯微鏡：S-3000N，日本日立公司；

磁力攪拌器：85-2，型金壇市科析儀器有限公司；

酶標儀：Bio Tek型，美國Tecan Genios Plus公司；

紅外光譜儀：Spectrun100型，美國PerkinElmer公司。

1.2 方法

1.2.1 兔皮膠原蛋白的制備 兔皮脫毛清洗后剪成小塊，用10 g/100 mL的NaCl溶液去除雜蛋白，采用酸浸和酶解相結合的方式提取膠原蛋白，具體工藝流程參照文獻[15]。

1.2.2 紫外光譜分析 將樣品溶于0.05 mol/L醋酸溶液中，配制0.5 mg/mL的膠原蛋白溶液，以0.05 mol/L的醋酸溶液作空白對照，在190～400 nm的近紫外光區進行掃描[16]。

1.2.3 紅外光譜分析 樣品與溴化鉀(KBr)按照1∶400(g/g)的比例加入瑪瑙研缽中進行研磨，后于40 ℃下烘干12 h，經壓片機壓片后放入紅外光譜儀中檢測，具體參數參照文獻[17]。

1.2.4 掃描電鏡 膠原蛋白冷凍干燥后，選取膠原蛋白小塊固定到清潔的樣品臺上，用專用的雙面膠固定住，用HITACHI E1010離子濺射儀鍍金膜，掃描電子顯微鏡觀察膠原纖維的微觀結構[18]，放大倍數分別為30，100，200，300倍。

1.2.5 膠原蛋白的聚集特性 用0.1 mol/L的醋酸將樣品溶解，配制質量濃度為3 g/L的膠原溶液，取上述膠原蛋白溶液與5 mL磷酸緩沖液(濃度為10 mmol/L)在冰浴中進行混合，向溶液中添加一定量的NaCl，使 NaCl濃度分別為0，30，60，90，120，500，1 000 mmol/L，膠原蛋白質量濃度分別為0.05，0.15，0.30，0.60，1.20 g/L，混合均勻后確定溶液的pH分別為5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，使最終溶液體積為10 mL。立即吸取溶液滴入酶標板的小孔中，設置保溫溫度分別為22，27，32，37 ℃，實時測定膠原溶液在313 nm處吸光值的變化，繪制膠原蛋白溶液的濁度變化曲線并以此計算膠原溶液濁度變化的速率曲線。測定的基本條件為：膠原蛋白溶液濃度0.6 g/L，NaCl濃度60 mmol/L，pH為7.0，保溫溫度37 ℃，在測定其中一個因素對膠原蛋白聚集特性的影響時，其他因素保持在基本測定條件下不變。

1.3 數據處理與統計分析

紫外光譜分析采用Microsoft excel 2010 和Origin 8.0軟件，每次試驗設置3個平行試驗，數據以平均值±標準偏差表示；對膠原蛋白聚集特性的測定數據采用Microsoft excel 2010和SPSS 17.0軟件分析，每次試驗設置3個平行試驗，計算數據以平均值±標準偏差表示，并通過ANOVA進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 膠原蛋白的紫外光譜分析

由圖1可知，膠原蛋白在235 nm波長處有明顯的最大吸收峰，這是由肽鍵C=O的n→π*躍遷所致[19]，符合Ⅰ型膠原的紫外吸收特征。此外，在259～280 nm時有微弱的吸 收峰，與酪氨酸(278 nm)、苯丙氨酸(259 nm)的存在有關，這與其他哺乳動物或魚類[20-21]膠原的紫外吸收光譜分析結果一致。

圖1 兔皮膠原蛋白的紫外吸收圖譜Figure 1 The UV spectrogram of rabbit-skin collagen

2.2 膠原蛋白的紅外光譜分析

對兔皮膠原蛋白進行紅外光譜掃描，并對其特征峰位進行歸屬，結果見圖2和表1。圖2所示的兔皮膠原蛋白的紅外光譜峰型與豬皮Ⅰ型膠原蛋白的一致[22]，且各酰胺帶的出峰位置均在膠原蛋白特征峰的出峰范圍內(見表1)，進一步說明了兔皮膠原蛋白符合Ⅰ型膠原蛋白的結構特征。

2.3 膠原蛋白的掃描電鏡分析

由圖3可知，膠原是不規則致密片狀的光滑膜，且部分表面褶皺，可能是由于凍干過程中脫水所致[27]，表明膠原蛋白保留了較完整的纖維結構，可以將兔皮膠原蛋白應用于生物醫藥材料的制備，參與膜的形成以及組織支架材料的構建[28]。

圖2 兔皮膠原蛋白的紅外光譜Figure 2 The infrared spectrogram of rabbit-skin collagen

表1 兔皮膠原蛋白的酰胺帶峰位歸屬Table 1 The amide band peak position of rabbit-skin

1～6分別是放大30，100，200，300，300，300倍數的兔皮膠原蛋白微觀結構

圖3 兔皮膠原蛋白的掃描電鏡圖

Figure 3 The scanning electron micrographs of rabbit-skin collagen

2.4 膠原蛋白的聚集特性

2.4.1 溫度對膠原蛋白聚集特性的影響 由圖4可知，膠原蛋白在22～37 ℃時均可發生聚集，隨著時間的延長，膠原蛋白溶液在313 nm波長下測得的吸光度值逐漸增加而后保持相對穩定，溶液達到聚集平衡狀態。由表2可知，隨著溫度的升高，膠原蛋白溶液的聚集速度加快，聚集程度也隨之升高，在22 ℃時，聚集形成時間為35 min，聚集程度為0.020 0±0.001 2，在37 ℃時，聚集時間縮短為25 min，聚集程度增加到0.050 0±0.001 4(聚集速度為吸光度隨時間變化的曲線初始上升段的斜率，溶液的聚集程度為溶液最終達到的平衡吸光度值，即溶液中不溶懸浮粒子的大小和數量)。這可能是溫度升高，分子運動加快，疏水相互作用增強，膠原蛋白的肽鏈間及分子間互相纏結，膠原聚集作用得到增強[11]。姚攀[29]27對鳙魚魚皮Ⅰ型膠原蛋白聚集行為的研究結果表明，鳙魚魚皮膠原蛋白在樣品濃度為1 mg/mL，NaCl濃度為100 mmol/L條件下，23 ℃組裝達到平衡所用時間大概為10 h，而32 ℃下組裝達到平衡時間大概為1 h。這與本研究的結果趨勢一致，說明溫度升高增強了膠原蛋白的聚集作用，促進了其自組裝進程，但兔皮膠原蛋白的聚集速度遠高于鳙魚魚皮膠原蛋白，可能與膠原蛋白的來源以及樣品濃度和離子強度有關。

圖4 溫度對兔皮膠原蛋白聚集特性的影響Figure 4 Effect of temperature on the aggregation behavior of rabbit-skin collagen

表2 不同溫度下膠原蛋白溶液的聚集參數Table 2 Aggregation parameters of collagen solution at different temperatures

2.4.2 膠原蛋白濃度對其聚集特性的影響 由圖5可知，膠原蛋白濃度為0.05 g/L時，膠原溶液的自組裝曲線分為3個階段，即遲滯階段、快速上升階段和平穩階段。膠原蛋白濃度≥0.15 g/L，遲滯階段消失，直接進入快速上升階段并最終達到聚集平衡狀態。這可能是在低濃度的膠原蛋白溶液中，膠原分子之間存在較大的距離，大分子不易發生纏結，主要以棒狀的肽鏈形式存在，溶液濁度增加緩慢，出現滯后期，隨溶液濃度增加，膠原蛋白自發裝配形成膠原纖維，滯后期逐漸縮短至消失。閆鳴艷[8]64對狹鱈魚皮膠原蛋白的聚集特性研究結果表明，狹鱈魚皮膠原蛋白在濃度達到0.3 g/L時才出現聚集狀態，且濃度增加到2 g/L仍具有遲滯現象，說明兔皮膠原蛋白與鱈魚魚皮膠原蛋白相比，所需要的聚集濃度較低，這可能與兔皮和魚皮膠原蛋白的氨基酸組成和氫鍵存在狀態有關[8]61。

由表3可知，聚集所用時間呈現先增加后降低而后繼續增加的趨勢，在聚集遲滯現象消失后，0.6 g/L的膠原蛋白溶液聚集時間最短，原因可能是當膠原蛋白溶液濃度增加至0.6 g/L時，單位體積內膠原分子增多，肽鏈間及分子間易于纏結形成微纖維，微纖維之間通過橫向和縱向組裝形成纖維，使得濁度增加較快；而當膠原蛋白溶液濃度增至1.2 g/L時，溶液中單位體積分子更多，纖維形成所需時間增加，因此溶液聚集達到平衡所用時間增加。綜上，兔皮膠原蛋白在濃度為0.6 g/L時形成聚集體時間最短，且聚集體最易觀察易控制。

圖5 膠原蛋白濃度對其聚集特性的影響Figure 5 Effect of concentration of collagen solution on the aggregation behavior

表3 不同濃度下膠原蛋白溶液的聚集參數Table 3 Aggregation parameters of different concentrations of collagen solution

2.4.3 pH值對膠原蛋白聚集特性的影響 不同pH值下膠原蛋白溶液的聚集曲線見圖6，聚集參數見表4。pH由5增至8的過程中，膠原蛋白的聚集程度總體上由高到低，聚集速度由慢到快， pH值為6時，聚集速度達到最高， pH值為7.5時，聚集速度最慢。從聚集形成時間上看，pH值≤5.5時，其聚集平衡時間均大于1 h，且存在聚集滯后時間，原因可能是在pH值≤5.5的環境中，膠原蛋白的分子構象變化，阻礙膠原分子的聚集[29]26，使聚集緩慢進行，表現出一定的滯后時間；而pH值≥6時，聚集平衡時間較短，說明分子間構象隨pH值發生變化，使分子能迅速聚集，但是在膠原蛋白的應用過程中不易控制其自組裝進程；pH值為7～8時，膠原蛋白的組裝平衡時間由快減慢后又增快。因膠原蛋白在食品、化妝品和醫藥領域的應用中，涉及的溶液中性較多，所以進一步考察pH值7～8時膠原蛋白溶液自組裝曲線的細微變化，結果見圖7和表5。

圖6 pH 5～8條件下膠原蛋白溶液的聚集曲線Figure 6 Aggregation curve of collagen solution at pH 5～8

表4 pH 5～8時膠原蛋白溶液的聚集參數Table 4 Aggregation parameters of collagen solution at pH 5～8

由圖7和表5可知， pH由7增至8的過程中，膠原蛋白的聚集程度先增加后降低，在pH為7.2時，聚集程度達到最高，且聚集速度也高于其他組，由此推測pH 7.2接近兔皮膠原蛋白的等電點，與狹鱈魚皮膠原蛋白的等電點接近[8]66。溶液的pH影響蛋白質表面的電荷性質，通過改變膠原蛋白表面疏水基團，從而改變膠原蛋白的分子構象。在pH=7.2時，膠原蛋白分子凈電荷接近零，分子構象發生變化，能夠促進其相互靠近形成聚集；當pH偏離等電點時，膠原蛋白構象變化導致分子聚集的機會降低，聚集速度和聚集程度均降低。所以，當兔皮膠原蛋白被用來制備生物、醫學材料時，要考慮膠原蛋白溶液的pH，在pH為7.2時，兔皮膠原蛋白溶液更容易形成聚集。

圖7 pH 7～8條件下膠原蛋白溶液的聚集曲線Figure 7 Aggregation curve of collagen solution at pH 7～8

表5 pH 7～8時膠原蛋白溶液的聚集參數Table 5 Aggregation parameters of collagen solution at pH 7～8

2.4.4 離子強度對膠原蛋白聚集特性的影響 不同離子濃度(NaCl濃度)下膠原蛋白溶液的聚集曲線見圖8，隨著膠原蛋白溶液中離子濃度的增加，膠原蛋白溶液的聚集程度呈現先升高后降低的趨勢。由表6可知，在聚集速度方面，在較低NaCl濃度(<30 mmol/L)時，其聚集速度較慢，隨著NaCl濃度的增加，聚集速度增加，當其濃度增加至120 mmol/L時，聚集速度最大。在聚集時間方面，離子濃度過低和過高時，膠原蛋白溶液的聚集存在一定的滯后時間。NaCl濃度為0時，聚集滯后20 min；當濃度增至120 mmol/L，膠原蛋白溶液直接進入快速上升階段并最終達到聚集狀態，不存在聚集滯后期；當濃度由500 mmol/L增至1 000 mmol/L時，聚集滯后時間由10 min增至35 min。Zhang等[30]研究了NaCl濃度對鱘魚魚皮、魚鰾和豬跟腱3種來源的Ⅰ型膠原蛋白的聚集特性的影響，表明隨NaCl濃度由0增加到140 mmol/L的過程中，三者聚集速度和聚集程度都呈現增加趨勢。在Bae等[31]的研究中，紅色黃貂魚魚皮Ⅰ型膠原和鮭魚魚皮Ⅰ型膠原的聚集速率被高NaCl濃度抑制。這與本研究的結果類似，說明適當的離子強度有益于Ⅰ型膠原蛋白聚集的形成，離子強度過高對聚集的形成不利。

這可能是較低離子濃度能夠使膠原蛋白分子鏈展開，更多的基團暴露，從而使膠原蛋白更易形成聚集。當溶液中的NaCl濃度增加到一定程度可能使膠原蛋白發生脫水，甚至出現鹽析時，阻礙了膠原分子與分子之間發生聚集，所以膠原蛋白的聚集速度減緩，自組裝行為受到抑制。

綜上，NaCl濃度為120 mmol/L的膠原蛋白形成聚集體的聚集速度最快，且自組裝程度最高。當兔皮膠原蛋白應用于生物、醫藥材料的制備時，可以控制溶液離子濃度為120 mmol/L，保證膠原蛋白快速形成聚集體。

3 結論

對兔皮膠原蛋白進行微觀結構分析，紫外光譜和紅外光譜掃描的吸收峰形及其對應的吸收波長均符合符合Ⅰ型膠原蛋白的特征，電鏡掃描觀察為不規則的致密片狀膜，且部分表面褶皺，能夠應用于膜材料的制備。對兔皮膠原蛋白的聚集特性進行研究，得出隨著溫度的升高，膠原蛋白的聚集速度和聚集程度增加；低濃度的膠原蛋白的自組裝曲線分為三個階段：滯后期、快速上升期和平穩期，高濃度的膠原蛋白溶液從保溫開始即進行聚集，無滯后期，且隨著膠原濃度的增加，聚集速度增快，聚集程度增加；在pH小于7時，膠原蛋白聚集時間較長；pH由7增至8過程中，膠原蛋白聚集程度先增加后降低，在pH 7.2時，聚集程度最高，聚集速度也最高。隨著離子濃度的增加，聚集程度和聚集速度先增加后降低，在NaCl濃度為120 mmol/L的膠原蛋白形成聚集體的速度最快，且聚集程度最高。本試驗對兔皮膠原蛋白的微觀結構和不同因素對其聚集特性的影響進行了研究，為兔皮膠原蛋白在材料領域的應用提供了理論依據，但其在材料領域的應用尚需進一步研究。

圖8 膠原蛋白溶液中不同離子強度對其聚集特性的影響Figure 8 Effect of ionic strength in collagen solution on the aggregation behavior

表6 不同離子強度下膠原蛋白溶液的聚集參數Table 6 Aggregation parameters of collagen solution at different ionic strengths

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Microstructure of rabbit-skin collagen and influences of different factors on its aggregation

MA Ming-si1ZHANGYu-hao1MALiang2WANGXue-meng2HANShuang2ZHANGXiao-jie2

(1.CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.NationalFoodScienceandEngineeringExperimentalTeachingCenter,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

In this study, UV spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, were used to study the microstructure of rabbit-skin collagen, respectively. The effects of temperature, collagen concentration, pH value and ionic strength on aggregation properties of collage were also studied. The results of UV spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy showed that the absorption peak and the corresponding wavelength in accordance with the characteristics of type Ⅰ collagen. Moreover, the results of scanning electron microscopy showed that the collagen was irregular dense sheet film, partially wrinkled on the surface. Furthermore, the results of aggregation properties of rabbit-skin collagen indicated that with the increase of temperature and collagen concentration, the aggregation speed of collagen accelerated and the degree of aggregation increased. In acidic environment, the aggregation time was relatively long. When pH increased from 7 to 8, the degree of self-assembly increased first and then decreased. The degree and the speed of self-assembly were the highest at pH 7.2. With the increase of ion concentration, the aggregation rate first increased and then decreased. The collagen reached the fastest aggregation speed and the highest degree of self-assembly in 120 mmol/L NaCl solution.

collagen; UV spectroscopy; fourier transform infrared spectroscopy (FTIR); scanning electron microscope; aggregation property

國家自然科學基金項目(編號：31301425)；中央高校基本科研業務費重大項目(編號：XDJK2015A015)；中國博士后科學基金面上項目(編號：2014M562267)；中國博士后科學基金特別資助項目(編號：2015T80951)；重慶市基礎科學與前沿技術研究重點項目(編號：cstc2015jcyjBX0116)

馬明思，女，西南大學在讀碩士研究生。

張宇昊(1978—)，男，西南大學教授，博士。 E-mail:Zhy1203@163.com

2016—12—23

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.003