畜禽類骨膠原蛋白及其肽的研究進展

凌嘉陽 曾曉房

仲愷農業工程學院輕工食品學院 廣東廣州 510225

1 概述

膠原蛋白是一種纖維蛋白，是大部分動物體內含量最豐富、分布最廣的功能性蛋白，也是細胞外基質的主要結構蛋白，主要存在于動物的骨、皮、血管、角膜等其中，是人體中結締組織最主要的構成物質[1]。膠原蛋白的生理功能和生物活性十分豐富，其含量和質量對人的身體健康狀況影響極大。通過適宜的條件對大分子的膠原蛋白進行水解，生成小分子的肽，其既含有膠原蛋白全部的氨基酸，又具有比膠原蛋白更好的吸收性和加工特性，更容易被人體吸收利用。近年來，從膠原肽中分離鑒定出多種具有調節生理功能作用的生物活性肽[2]，如抗氧化肽、抗高血壓肽、抑菌肽等。相對于氨基酸以及蛋白質，肽的分子質量較小，細胞透過性較好，易被人體消化吸收，具備良好的溶解性、吸水性、保水性、濕潤性、吸油性及起泡性，同時有著一定的乳化性、較弱的凝膠性和泡沫穩定性[3]，且毒副作用極低，從而在食品、藥品及醫療等領域都有巨大的開發潛力[4～6]。

2 畜禽類骨膠原蛋白肽的提取工藝

當今已有從各種常見畜禽類骨頭如豬骨、羊骨、牛骨、雞骨和鵝骨中提取膠原多肽的制備工藝，常見的水解方法有酸堿法和酶法等。目前主要的提取方法如下。

2.1 化學水解法

化學水解法主要是酸法和堿法。其原理是加入適當濃度的強酸或強堿溶液破壞蛋白質的肽鍵，在水浴條件下反應一定時間后終止反應，分離純化后可得機構較為完整的膠原蛋白?；瘜W水解法操作簡單，成本低，同時亦有如水解程度不好控制、容易損害氨基酸、副產物較多等缺點。酸法主要通過在低溫條件下用濃度較低的酸溶液如醋酸制造酸性環境，破壞分子間的離子鍵和希夫氏鍵，打開含醛胺類交聯鍵，使膠原纖維膨脹和溶解[7，8]，可較好地保留膠原蛋白的天然三股螺旋結構；但其缺點在于會破壞部分氨基酸，且產品得率較低，設備由于腐蝕損壞率較高，存在一定的局限性[9]。何蘭[10](2012)采用醋酸制備牛骨膠原蛋白，粗提物脫脂脫鈣后先以0.1mol/L醋酸透析2d，后以蒸餾水透析1d，其得率為2.34%；王曉軍[11](2018)等采用酸法從牛骨中提取膠原蛋白得率是2.24%，提取的膠原蛋白纖維網狀結構較為完整，且與酶法提取相比，酸法提取的膠原蛋白結構分布相對均勻。

堿法通常使用石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉等處理劑破壞含羥基和巰基的氨基酸令肽鍵水解，產生消旋作用。雖然堿法成本低廉，工藝簡易，但極易引起膠原蛋白的變性，對膠原蛋白的三股螺旋結構造成破壞，如果嚴重水解，會產生消旋作用進而生成有毒物質，有致癌、致畸型、致突變的危害[12]，因此應用并不廣泛。

2.2 酶解法

目前畜禽類骨膠原肽最常用的提取方法為酶解法。酶解法反應條件溫和，易控制，并且安全性高，成本低，可根據所需功能片段選擇相應的酶，在合適酶解條件下水解，利用酶的專一性準確切割到正確的疏水氨基酸處，確保獲得具有所選定功能的肽段。

由于不同的肽具有不同的特定功能，因此在采用酶解法制備骨膠原肽時，蛋白酶的選擇尤為關鍵。劉麗莉[13](2017)等將前期分離純化得到的具有特異性降解牛骨膠原蛋白的膠原蛋白酶作用于牛骨膠原蛋白，最佳酶解工藝得到的水解度為34.98%；酶解法還可使用多種不同的酶對畜禽類骨頭進行復合水解，以獲得更好的提取效果。王鈺慧[14](2016)等利用復合蛋白酶和風味蛋白酶雙酶以同步水解和順序水解的方式水解羊骨粉，發現2種酶的同步水解效果好于順序水解，雙酶同步的水解度可達29.21%，氨基態氮含量為27.29%，其中多肽生成量和短肽得率極顯著地高于單酶水解。符群[15](2009)選擇堿性蛋白酶及復合風味蛋白酶對雞骨進行雙酶相繼水解，最佳工藝條件為先利用堿性蛋白酶水解3h后，再添加復合風味蛋白酶水解4h，制得的雞骨膠原多肽的水解度為16.68%，羥自由基清除率為58.68%。而Ⅱ型骨膠原蛋白主要是在畜禽動物軟骨組織如胸軟骨、關節軟骨、肋骨里提取，經甲醇氯仿混合脫脂、鹽酸胍去多糖、胃蛋白酶酶解等處理，然后經過鹽析、透析等方法純化后進行凍干，即可得到較純的Ⅱ型膠原蛋白[16～18]。綜上所述，酶法制備骨膠原蛋白得率較高，應用較廣泛。

2.3 水熱抽提和熱壓浸提

在工業生產里，畜禽骨膠原蛋白也能通過水熱抽提、熱壓浸提提取。水熱抽提能將膠原蛋白的三螺旋結構破壞并轉化為無規則卷曲狀態，所得產物稱為明膠，溶解性較高[19]。熱壓浸提技術的特點是不引入酸堿鹽等化學物質，產品得率高。樊曉盼[20](2017)等利用熱壓浸提制備牛骨蛋白，響應面法優化最佳工藝后，提取率可達64.73%。張永秀[21](2006)等以121℃、30min預處理牛脊椎骨后，利用風味蛋白酶水解制備出低分子量的低聚肽，產物氮溶出率高達95%。在實際生產中，往往通過上述化學水解法、酶法、水熱抽提及熱壓浸提法等聯用以提高膠原蛋白及其肽的提取效率，在企業中應用較為廣泛。

3 畜禽類骨膠原蛋白的結構

畜禽骨膠原中主要包括骨組織中的I型膠原蛋白和軟骨組織中的Ⅱ型膠原蛋白，其中含量最多和分布最廣泛的是I型膠原蛋白。膠原蛋白的結構使其具有顯著的生物相容性、低抗原性和高細胞粘附性等特性，是作為醫用生物材料的理想材料之一[22]。

3.1 I型膠原蛋白

I型膠原蛋白主要存在于骨骼、皮膚、韌帶、肌腱和其他器官等，占生物體膠原總量的90%。典型的I型膠原蛋白由2條α1鏈與1條α2鏈交互纏繞所構成異源三聚體的結構，具有重復的三肽Gly-X-Y結構域，即(Gly-X-Y)n重復序列及其兩側各有一個NC結構域，然后NC結構域會進一步形成類似球狀的結構。作為骨有機質的主要成分，I型膠原蛋白的分子結構非常穩定，抗拉強度高，影響著骨的抗拉強度、鈣化后的扭轉剛度、承重等生物力學特性以及骨架的完整性，并具有低免疫原性和良好的生物相容性。I型膠原還是組成膠原纖維的主要成分，當I型膠原蛋白分泌到胞外基質中后，其C-前肽與N-前肽被蛋白酶剪切去除，形成成熟的膠原蛋白，其能自我組裝成高度有序的結構，即膠原纖維[23]。

3.2 Ⅱ型膠原蛋白

目前從畜禽類骨骼提取的Ⅱ型膠原蛋白多來源于畜禽的胸部及關節軟骨，是畜禽類軟骨基質的主要構成成分之一。Ⅱ型膠原蛋白既具有促進軟骨細胞分化的功能，還可通過口服Ⅱ型膠原蛋白誘導自身免疫耐受，抑制關節炎[24～26]。Ⅱ型膠原蛋白的主鏈不含α-螺旋，主要為β-折疊和無規則卷曲結構；甘氨酸殘基的含量是羥脯氨酸的4～5倍，占氨基酸總數的30%左右，且不含有色氨酸，而不同物種、不同來源的Ⅱ型膠原蛋白具有獨特的DNA及mRNA序列，其氨基酸的組成和比例以及物化性質上均存在差異[27]。Ⅱ型膠原蛋白的三螺旋結構極易被破壞，其依靠如氫鍵、范德華力、水合作用及二硫鍵等分子間和分子內各種作用的協同效應共同維持穩定，而分子間作用力則通過疏水作用和離子作用提供。因此，Ⅱ型膠原蛋白的三螺旋結構的熱穩定性會受到如氨基酸的組成和序列、蛋白質來源以及翻譯后修飾等因素的影響；外界環境亦會對其熱穩定性造成一定影響，主要有pH值、離子濃度、溶劑、溫度等，如溫度超過34℃將極易使其變性[28～31]；但不同生長環境的生物源Ⅱ型膠原蛋白的變性溫度有一定差異，推測生物的生活環境可能影響Ⅱ型膠原蛋白的理化性質[32]。

4 畜禽類骨膠原蛋白肽的功能性

4.1 骨質改善

膠原蛋白是骨骼的重要組成部分。而體內雌激素急劇變化、年齡增加、高脂膳食等因素會造成人體骨代謝失衡，骨膠原加速降解，降低骨質量，最終表現為骨的凈丟失，導致骨質疏松癥[33]。研究表明膠原蛋白及膠原肽能夠改善骨質，并對骨質疏松癥具有很好的預防及緩解治療作用。劉俊麗[34](2013)等研究發現0.3mg/mL的牛骨膠原蛋白能顯著促進人成骨細胞的增殖，是一種有效防治骨質疏松的營養補充劑。Lin[35](2018)等研究表明，從雞胸骨軟骨中提取的肽可以提高骨細胞存活率，提高線粒體膜電位，降低骨細胞凋亡率，抵抗cd-誘發的骨質疏松癥，作為預防骨質疏松癥的功能性食品具有一定的應用潛力。

此外，有不少研究通過去卵巢大鼠模型研究膠原肽的骨質改善功能，發現服用畜禽骨膠原肽大鼠的骨密度、骨微結構和骨代謝水平均有一定改善，抑制骨礦物質和骨有機質的丟失，說明畜禽骨膠原蛋白肽能夠有效改善去卵巢大鼠骨質疏松癥狀[36～40]。目前關于畜禽類骨膠原蛋白肽骨質改善的相關研究仍停留在實驗室階段，臨床實驗報道較少，還需研究者進一步探究。

4.2 抗氧化

機體內的多種抗氧化酶與抗氧化劑能夠清除自由基，維持機體的氧化還原平衡。過剩的自由基引起的氧化應激不僅參與機體衰老等生理過程，也與糖尿病、心血管疾病等相關[41～43];但機體清除自由基的能力會隨著年齡的增加及不良環境因素刺激而逐漸下降，因此近年來人們對抗氧化劑的需求以及質量要求日漸增高。目前的抗氧化劑主要是通過化學合成制備，但其對人體具有一定毒副作用，人們更傾向于選擇安全高效的天然抗氧化活性物質。對此，人們十分關注抗氧化劑的開發與利用，近年來從天然植物資源以及海洋資源中挖掘了大量的抗氧化活性成分，廣闊的畜禽類資源亦是發現新型抗氧化物質的研究方向。近年來的研究表明，畜禽骨膠原蛋白及其肽普遍具有抗氧化活性，可以有效清除自由基，抑制不飽和脂肪酸和生物大分子的氧化；其活性與其氨基酸組成、結構、疏水性、分子量等都有關，膠原蛋白肽的螯合和清除自由基能力與其氨基酸組成中的甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、蛋氨酸(Met)、半胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)等氨基酸的含量有關[44]。以DPPH、羥自由基、超氧陰離子與ABTS自由基清除率等作為檢測指標，可有效判斷骨膠原肽的抗氧化活性強度。Ku[45](2014)等發現牛骨膠原蛋白肽DPPH自由基清除率高達72.81%，超氧陰離子自由基清除活性高達(11.88±0.59)SODU/g，具有較強抗氧化能力；而采用不同的蛋白酶進行酶解會影響膠原蛋白肽的抗氧化性[46]。同時亦有研究發現，畜禽骨源膠原蛋白肽如雞骨肽的抗氧化活性比植物源膠原蛋白肽如大豆肽更為明顯[47]。這類天然、毒性低的抗氧化肽能有效清除人體的自由基，一般作為添加劑使用，提高食品、藥品和保健品等產品的價值，延長產品的貨架期。

4.3 抗高血壓和血管緊張素(ACE)抑制活性

血管緊張素轉化酶(Angiotensin-converting enzyme, ACE)能夠催化無活性的血管緊張素I轉化為有強血管收縮活性的血管緊張素Ⅱ，引起血管收縮，導致血壓升高，是高血壓的主要發病原理。因此血管緊張素轉化酶(ACE)是臨床治療高血壓的靶點之一[48]，ACE酶抑制劑對高血壓、心力衰竭等疾病有顯著的治療作用。目前臨床上使用的ACE特異性抑制降壓藥屬于化學合成類ACE抑制劑，具有一定副作用，會使人體產生不良反應；研究表明，利用酶解、化學水解或微生物發酵手段能夠從肉源物料中提取包括ACE-I，腎素和DPP-IV抑制劑在內的安全有效的生物活性肽[49]，并且不會產生副作用。有研究發現，骨膠原肽如雞骨肽對ACE可產生可逆抑制中的競爭性抑制，其可通過與ACE結合，從而減少ACE酶催化ACE-I轉化為ACE-Ⅱ，由此起到降壓作用[47]；Zhang[50](2013)等研究表明，在適當的前處理和酶處理條件下，豬骨等富含膠原的食品材料是有效的ACE抑制肽釋放的良好底物；Lafarga[51](2014)等以牛骨膠原蛋白為原料，通過模擬預測及驗證后，發現脯氨酸含量豐富的膠原蛋白具備較高的ACE抑制活性，是ACE抑制肽的良好制備來源，并說明牛骨膠原蛋白肽具有降低血壓的作用。此外，畜禽骨源性ACE抑制活性肽雖然在療效上弱于化學合成類降壓藥物，但因其可長期服用而無副作用產生，具備較佳的安全性，在醫藥領域具有十分廣闊的應用前景。

4.4 皮膚改善

人體皮膚內膠原蛋白的合成量會隨著年齡增長而減少，引起結構與功能衰退，導致皮膚變薄以及皺紋增多，因此膠原蛋白減少被認為是皮膚衰老的特征之一[52]。此外，紫外線輻射等環境因素也會損傷膠原蛋白，加速皮膚衰老過程[53]。

畜禽骨膠原及其肽具有大量親水性氨基酸殘基，可以添加在營養美容產品中作為生物活性成分[54]，改善皮膚的構造和屏障功能，通過促進膠原蛋白和透明質酸的合成以及成纖維細胞生長和遷移，增加皮膚的持水量與彈性以及修復紫外線UV對皮膚的傷害；因其含有豐富的酪氨酸殘基，可與酪氨酸競爭，抑制酪氨酸酶的活性，減少黑色素的形成，具有美白效果。邵茜[55](2017)等發現牛骨膠原肽能顯著提高光老化皮膚成纖維細胞的增殖活性，提高細胞內抗氧化酶系的活力；目前對于畜禽骨源膠原蛋白肽改善皮膚活性功能的深入研究報道較少，大多集中于魚源膠原蛋白肽，在后續研究中可嘗試進一步探究畜禽骨源膠原蛋白肽對皮膚的改善作用，開拓畜禽骨膠原蛋白肽在美容及醫療行業的市場。

4.5 免疫調節

人體的免疫系統由免疫器官、免疫細胞、細胞因子以及免疫相關信號等共同組成。畜禽骨膠原蛋白肽增強人體免疫力的功能受到了學術界和工業界的廣泛關注，在食品開發及醫藥研發領域具有廣闊的前景[56]。一些研究表明畜禽骨膠原蛋白肽具有免疫調節功能。張慧琴[57](2021)等發現羊骨膠原肽可通過Toll樣受體信號通路對炎癥反應發揮雙向調節作用，劑量為10～104μg/mL時可增強巨噬細胞的免疫能力，105μg/mL時可誘導巨噬細胞釋放大量炎性介質，引起炎癥反應。而對脂多糖誘導的炎癥反應，羊骨膠原肽亦具有一定的抗炎效果。

研究發現畜禽骨膠原肽可通過誘導免疫耐受對類風濕性關節炎等自身免疫性疾病起到一定的預防及治療作用。由于Ⅱ型膠原蛋白是類風濕性關節炎最主要的自身抗原之一[58，59]，以一定濃度的畜禽骨源Ⅱ型膠原蛋白誘導人體免疫耐受，可有效改善及預防類風濕性關節炎癥狀。Lugo[60](2016)等發現未變性的雞Ⅱ型膠原蛋白可明顯改善膝關節炎患者癥狀，且耐受性良好；劉安軍[26](2014)等發現口服豬軟骨源Ⅱ型膠原蛋白具有一定的抗類風濕性關節炎效果，但膠原肽不具備抗關節炎作用，推測可能由于Ⅱ型膠原蛋白進一步水解后三螺旋結構被破壞，Ⅱ型膠原蛋白與膠原肽的結構差異使膠原肽不具有免疫調節功能。

4.6 其他作用

從現今的研究不難看出，畜禽類骨膠原蛋白肽中新的生物活性仍在不斷被發掘。張順亮[61](2013)等利用中性蛋白酶酶解牛骨膠原蛋白，超濾分離后得到分子質量小于10kD，且具有較好抑菌活性的膠原肽，在20mg/mL的濃度下對大腸桿菌抑菌率為93.61%；研究發現骨膠原蛋白肽能夠明顯減少火雞制品中的菌落數，說明骨膠原蛋白肽具有抑菌作用，可延長產品貨架期[62]。冀霞[63](2021)等發現羊骨膠原肽鈣螯合物可抑制去卵巢大鼠的氧化應激水平，可能通過JAK/STAT通路改善腎組織病變?？姼？64](2011)等發現驢骨蛋白多肽能增加小鼠體內肝糖原含量，降低血乳酸含量，明顯延長小鼠的負重游泳時間，且小鼠體重無明顯增長，具有抗疲勞的作用。畜禽骨膠原蛋白及其肽還參與調節人體諸多生理功能，如神經、消化、吸收和代謝等，但其中有些作用機理仍有待明確。

5 畜禽類骨膠原蛋白肽的應用

由于畜禽骨膠原蛋白肽擁有多種生物活性，并且多肽可以通過胃腸道直接吸收，與膠原蛋白相比更利于人體消化吸收，因此被廣泛用于食品領域，用于改善各種因缺乏膠原蛋白而引起的亞健康狀態；畜禽骨膠原蛋白肽的抗氧化活性及抑菌活性使其可作為抗氧化劑和抗菌防腐劑用于食品工業中。

畜禽骨膠原蛋白肽一般作為補充劑添加到保健品及美容產品中，提升產品的營養特性與質感。畜禽骨膠原蛋白肽可作為補鈣功能食品的添加劑，提高人體對鈣的吸收率和生物利用度，通過在兒童保健品或飲品中添加牛骨膠原蛋白肽，能夠穩固地把鈣沉積在兒童的骨組織內，有效預防和改善骨質疏松，提高骨骼韌性，防止鈣流失，提高鈣吸收率[65]；畜禽骨膠原肽產品不僅能夠全面提升人體免疫力，保持皮膚彈性和預防皺紋，而且有利于皮膚的修復，改善皮膚質量[66]；此外，畜禽骨膠原蛋白肽較好的乳化性及穩定性，使得其可作為乳化劑、增稠劑應用于飲料及其他食品等。

在醫藥方面，畜禽骨膠原蛋白肽可通過促進膠原蛋白的合成有助于骨骼和關節疾病的治療，增強骨密度，預防骨質疏松和關節炎，促進軟骨再生；其較好的生物相容性與低抗原性使其作為載體應用于藥物遞送系統?？诜蚪洷墙o藥畜禽骨源Ⅱ型膠原蛋白，誘導人體免疫耐受，可明顯改善患者的關節炎癥狀[67]。

6 結論與展望

在畜禽類加工產業快速發展的同時，對其生產加工過程中產生的大量富含膠原蛋白廢棄骨頭的綜合利用，無疑具有重大的經濟價值與社會意義。隨著畜禽類制品在國內消費市場的需求日漸上升和居民保健意識的增強，畜禽類骨頭的再利用愈發重要，用畜禽骨來制備膠原蛋白及其肽能夠有效提高畜禽骨的利用率。

近年來，隨著畜禽骨膠原蛋白肽酶解與分離純化技術日益成熟，且具有良好的溶解度、吸收性及保濕性等物理特性與諸多生物活性，其在食品、保健品、美容產品及生物醫藥等領域中的應用愈加廣泛。作為一類具有安全性和多種生理活性的生物源制品，畜禽骨膠原蛋白肽的市場化備受關注，但還存在如提取方法不夠高效、儲存穩定性不足以及臨床實驗不足等問題與挑戰。由于畜禽骨物料堅硬且含有較多礦物質，選擇高效安全且環保的提取工藝是制備優質骨膠原肽產品的關鍵。骨膠原蛋白肽的穩定性對于其生理活性影響極大，因此儲存方法亦至關重要[68，69]。同時，骨膠原肽的構效關系、生物利用率及其作用機制需要進一步闡明，將有助于畜禽骨高值化利用和畜禽骨膠原蛋白肽的產業化升級，為其更廣泛的應用提供理論依據。