魚源膠原蛋白及膠原功能肽的研究進展

蔡路昀,馬 帥,曹愛玲,李秀霞,呂艷芳,于志鵬,鄧尚貴,勵建榮,*

(1.渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121013;2.西南大學食品科學學院,重慶 400715;3.蕭山出入境檢驗檢疫局,浙江杭州 311208;4.浙江海洋學院食品與醫藥學院,浙江舟山 316022)

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魚源膠原蛋白及膠原功能肽的研究進展

蔡路昀1,2,馬 帥1,曹愛玲3,李秀霞1,呂艷芳1,于志鵬1,鄧尚貴4,勵建榮1,2,*

(1.渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121013;2.西南大學食品科學學院,重慶 400715;3.蕭山出入境檢驗檢疫局,浙江杭州 311208;4.浙江海洋學院食品與醫藥學院,浙江舟山 316022)

為解決魚類加工廢棄物綜合利用程度低的問題,提高魚類加工廢棄物的經濟附加值,本文綜述了膠原功能肽的制備方法等方面的最新研究進展,并分析了目前膠原功能肽相關研究存在的問題,同時對其應用前景進行了展望,旨在為魚源膠原功能肽的開發和應用提供科學理論依據。

魚源,膠原蛋白,功能肽

我國是水產品生產和貿易大國,在水產品生產加工過程中會產生大量的廢棄物,造成了環境的污染和資源的嚴重浪費。目前,對魚類加工廢棄物的開發利用僅限于生產魚粉、皮革、調味料等低附加值產品[1-3]。然而隨著水產行業的不斷發展和人們生活水平的提高,這些低附加值的產品已不能滿足人們對生活更高層次的追求,因此,亟待研究者從魚類加工廢棄物中獲取一種或多種高附加值的產品來滿足人們的需求。而研究表明,魚類加工廢棄物中魚鱗、魚皮和魚骨等部位富含膠原蛋白,是一種優質且資源豐富的蛋白質資源[4-5]。近年來,魚膠原蛋白因其來源廣、低抗原性、低過敏性和使用安全等特點深受研究者的廣泛重視。魚膠原蛋白逐漸替代了傳統的膠原蛋白,為魚類加工廢棄物的高值化利用提供了一條新的途徑。本文主要綜述了魚膠原蛋白的來源分布、制備方法及分子結構、魚膠原功能肽的制備方法、魚膠原功能肽等方面的最新研究進展,旨在增強人們對魚膠原蛋白及膠原功能肽的了解,完善我國魚類加工和綜合化利用產業鏈。

1 魚膠原蛋白的來源分布

目前,已分離出來的魚膠原蛋白主要分布在魚鱗、魚皮、魚骨、魚鰾和肌肉等部位。有報道顯示,膠原蛋白占魚鱗總蛋白的10%～40%,更有利于膠原蛋白的提取和分離[6]。錢曼[7]研究表明,鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)魚鱗中蛋白質含量約為78.27%,是提取膠原蛋白的優質原料。Kimura等[8]研究發現鯉魚(Cyprinuscarpio)魚骨膠原蛋白的提取率明顯高于魚鱗膠原蛋白的提取率,分別為20%和7%,且魚骨和魚鱗膠原蛋白均由兩種不同的α-肽鏈構成,而兩者的膠原蛋白在交聯度上有明顯差異。魚皮中也富含膠原蛋白,有研究顯示,魚皮中的膠原蛋白含量占蛋白質總含量的80%左右,比魚體其他部位的膠原蛋白含量高許多[9]。在淡水魚中,傅燕風等[10]研究發現,鰱魚、鳙魚(Aristichthysnobilis)和草魚(Ctenopharyngodonidellus)魚皮的蛋白質含量分別約為25.9%、23.6%和29.8%;在海水魚中,Puwastien P等[11]研究發現,馬鮫魚(Scomberomorusniphonius)、黃笛鯛魚(Plectorhinchusflavomaculatus)、黃鰭金槍魚(Thunnusalbacores)和軍曹魚(Rachycentroncanadum)皮中粗蛋白含量分別為21.50%、32.00%、32.66%和28.53%;其中黃鰭金槍魚和軍曹魚皮中膠原蛋白含量占其魚皮的22.64%和20.09%。與其他部位相比,魚肉中的膠原蛋白含量僅占蛋白質總量的3%[12]。

2 魚膠原蛋白的提取方法

根據采用的提取介質不同,魚膠原蛋白的提取方法可分為熱水提取法、酸法、堿法、酶法和中性鹽提取法。在諸多情況下,往往單一的提取方法達不到預期的效果,因此在實際操作中,通常將多種提取方法互相結合使用。

2.1 熱水提取法

熱水提取法是利用熱水經浸提、回流、高壓蒸煮等手段從動物原料中獲取有效成分的一種方法[13],具有操作快速、簡便、成本低等優點。因在提取過程中不需要添加任何促溶劑,提取溫度在60～75 ℃,所以此法提取的膠原蛋白純度也較高。40 ℃以上的熱處理會使膠原蛋白中的氫鍵和共價鍵斷裂,從而破壞了膠原蛋白的三股螺旋結構,最終得到的產品為易變性的明膠[14]。黃雯等[15]采用熱水法提取斑點叉尾(Ietaluruspunetaus)鮰魚皮膠原蛋白,膠原蛋白的得率為16.98%。林家福等[16]研究了采用熱水法提取羅非魚(Oreochromisspp)皮膠原蛋白的工藝,結果表明,最佳工藝條件為提取溫度為90 ℃、提取時間為2 h、提取pH為6.0、固液比1∶13(g/mL),羅非魚皮膠原蛋白的得率為212 mg/g。

2.2 酸提取法

酸提取法是指原料在酸性環境和低離子濃度條件下破壞其分子間的鹽鍵及Schiff鍵,從而引起膠原纖維溶解,最終將膠原蛋白提取出來。常使用的酸主要有鹽酸、磷酸、乳酸、檸檬酸及乙酸等[17]。該方法作用條件溫和,能夠最大限度保持膠原蛋白的三股螺旋結構[18],使得到的膠原蛋白氨基酸組成、性質與天然膠原蛋白基本相同,但是經酸處理后膠原蛋白的溶解量很少,且膠原蛋白產率較低,設備腐蝕程度比較嚴重。Okazaki E等[19]研究竹莢魚(Trachurusjaponicus)、蜥蜴魚魚鱗酸溶性膠原蛋白的提取方法,發現魚鱗酸溶性膠原蛋白的提取率僅為干重的1.50%和0.43%。

2.3 堿提取法

堿提取法是利用堿性物質將原料中膠原蛋白的肽鍵水解,從而使膠原纖維膨脹、溶解,最終將膠原蛋白提取出來的一種方法[20]。但堿法提取出來的水解產物具有較低的相對分子質量,水解嚴重時,還會產生D-型、L-型氨基酸消旋混合物,且有的D-型氨基酸有毒。因此,很少使用此方法來提取完整結構的膠原蛋白。Sato等[21]采用NaOH溶液從鱒魚(Squaliobarbusourriculus)、鯉魚、鯖魚(Pneumatophorusjaponicus)和鰻魚(Anguillajaponica)魚肉中提取膠原蛋白,膠原蛋白的提取率分別為0.47%、0.60%、0.50%和1.99%(以濕重計)。Yoshimur等[22]研究采用0.5 mol/L的NaOH溶液(含10%氯化鈉),在4 ℃條件下對鯊魚皮浸提20～30 d,得到的鯊魚(Shark)皮堿性膠原蛋白粘度較大且易變性。

2.4 酶提取法

酶提取法是采用不同的蛋白酶在一定的外界環境條件下對膠原蛋白進行限制性降解,從而將末端肽切割下來,最終將膠原蛋白提取出來的一種方法[23]。此法具有反應速度快、提取率高、對膠原蛋白破壞性較小和無污染等優點,且提取的膠原蛋白具有純度高、水溶性好、物理化學性質穩定等特點。常使用的蛋白酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶和胰蛋白酶等[24-25]。Liu等[4]研究分別以鳙魚的皮、鱗、鰭、骨骼和膀胱為實驗對象,采用胃蛋白酶從其中提取和表征膠原蛋白,比較分析從同一魚體不同部位提取出的膠原蛋白結構特征,結果顯示,從這5個部位提取出的酶溶性膠原蛋白(PSC)均有兩條完整的α1和α2肽鏈,且保持了完整的三股螺旋結構。

2.5 中性鹽提取法

中性鹽提取法的原理是在低濃度及中性環境的鹽溶液中,膠原蛋白不能溶解,當鹽濃度達到一定程度時,膠原蛋白就會發生溶解,最終得到鹽溶性膠原蛋白。常使用的中性鹽有Tris-HCl、氯化鉀、氯化鈉、乙酸鈉、檸檬酸鹽等。Montero等[26]研究以鮭魚(Oncorhynchus)和歐洲無須鱈(hake)的肌肉和魚皮為研究對象,采用不同濃度的NaCl溶液從其中提取鹽溶性膠原蛋白,魚皮中膠原蛋白提取量分別為48.8%和34.2%。Nishimoto等[27]研究用硫酸銨溶液分級沉淀日本琥珀魚(S.dumerili)和日本鰈魚(Pleuronichthyscornutus)膠原蛋白,結果顯示,最終得到了V型和I型膠原蛋白。

3 魚膠原蛋白的組成及結構特征

魚膠原蛋白富含7種人體必需的氨基酸[28],其中,脯氨酸和羥脯氨酸約占總氨基酸含量的25%,甘氨酸占總氨基酸含量的三分之一左右,此外,丙氨酸和谷氨酸的含量也相對較多。

表1 來源于魚類膠原蛋白的抗氧化肽

Zhang等[29]比較分析了草魚皮、河豚魚(Tetraodontidae)皮、大眼鯛魚(Priacanthustayenus)皮及豬皮、牛皮中膠原蛋白的氨基酸組成,結果表明,這幾種魚皮中的亞氨基酸含量較接近(186殘基/1000殘基),但均低于豬皮和牛皮中的亞氨基酸含量(220殘基/1000殘基)。魚膠原蛋白主要含有Ⅰ型和Ⅴ型膠原蛋白,主要分布在魚皮、魚鱗和魚骨等處,由3條相同或不同的α-肽鏈相互纏繞而形成的螺旋結構的纖維狀蛋白。魚膠原蛋白含有大多數動物膠原蛋白所沒有的第3條α-肽鏈,即魚膠原蛋白是由3條不同種類的α-肽鏈形成的單一型雜分子α1(Ⅰ)α2(Ⅰ)α3(Ⅰ)組成,而非[α1(Ⅰ)]2α2(Ⅰ)雜分子使其水解物可能暴露更多的活性中心而使魚膠原蛋白擁有多種生物活性[30]。

4 魚膠原蛋白肽的制備

膠原多肽又稱水解明膠,是膠原蛋白或明膠經過蛋白酶等降解處理使膠原蛋白的三股螺旋結構徹底打開,肽鏈被降解成為短的肽鏈,得到的相對分子質量約為3～20 ku的具有特殊生理活性的生物活性肽[31]。目前,魚膠原蛋白肽的制備方法有化學或重組DNA合成法、體外蛋白酶水解法和從天然生物中提取法[32]?；瘜W法合成的膠原蛋白肽一般成本較高,且副產物可能對人體有害,同時在生產過程中還會產生一些污染環境的排出物[33];重組DNA法合成的膠原蛋白肽一般為長肽,而魚膠原蛋白功能肽普遍為短肽,因此此法不適合制備魚類膠原蛋白肽;從天然產物中提取的膠原蛋白肽含量較少,不適宜在工業中生產;而體外蛋白酶水解法制備膠原蛋白肽具有降解所需的時間短、產品營養流失較少和無污染等優點,因此一般采用蛋白酶水解膠原蛋白的方法提取膠原蛋白肽[34]。Mendis等[35]研究以巨型魷魚(Architeuthisdux)皮為原料,采用三步酶解法制備了具有較好抗氧化活性的魚皮膠原活性肽,同時又從其中制得了酶解產物,并測定其氨基酸序列。

5 魚膠原蛋白活性肽的功能特性

魚膠原蛋白活性肽具有ACE抑制、免疫調節、抗氧化和抗腫瘤等多種活性功能[36]。

5.1 魚膠原蛋白肽的抗氧化活性

國內外對魚膠原蛋白肽的抗氧化活性和其氨基酸序列進行了大量研究(表1)。

5.2 魚膠原蛋白肽的降血壓活性

目前,高血壓已經成為影響人們生活質量水平的主要疾病。目前,對高血壓的治療集中在腎素-血管緊張素方面,主要是通過抑制血管緊張素轉化酶(ACE)和腎素這兩種關鍵酶來實現的。據報道,Fahmi等[40]發現堿性蛋白酶水解鲆類骨骼所得膠原蛋白肽對ACE抑制活性較強,其IC50為0.57 mg/mL。此外,在魚類加工廢棄物的水解液中也存在具有抑制ACE活性的膠原蛋白肽(見表2)。

5.3 魚膠原蛋白肽的其他功能特性

除具有抗氧化活性和ACE抑制活性以外,魚膠原蛋白肽還具調節人體免疫力、促進鈣離子的吸收和抗腫瘤等活性功能[48]。Kato等[49]研究在三維人體皮膚組織模型中,得出含非洲鯽魚皮膠原蛋白的飲料通過皮下吸收后可減弱由紫外光線引起的組織以及DNA損傷。Saito等[50]證實,鮭魚和鱒魚皮膠原多肽可影響脂質的吸收代謝,具有降脂作用。Okawa等[51]研究通過小鼠實驗,結果顯示,膠原三肽可有效改善由丙酮引起的皮膚瘙癢及干燥問題。此外研究者還發現魚膠原蛋白酶解物具有抑制血小板凝集等多種生物活性[52]。

6 討論

近年來,關于魚膠原蛋白及膠原功能肽的研究逐漸增多,但還存在以下3個方面的問題:a:目前,在實際生產過程中魚膠原蛋白及膠原功能肽的提取工藝仍需進一步優化完善,需要結合新型的生物技術尋求一種綠色高效的方法提取魚膠原蛋白及膠原功能肽;b:目前,在生物醫學和功能食品領域,魚膠原蛋白及膠原功能肽的開發利用程度較低,下一步應該加強該方面的研究開發利用;c:現階段,魚膠原蛋白及膠原功能肽的研究基本上都是處于實驗室研究階段,并未真正的做到工業化,這其中的關鍵問題就是魚膠原蛋白及膠原功能肽的提取技術還不夠純熟完善,需要科研工作者和相關部門進一步加強完善該方面的研究和探討。

表2 魚類廢棄物中膠原蛋白源ACE抑制肽

從魚類加工廢棄物中提取膠原蛋白及膠原功能肽,不僅解決了魚類加工廢棄物的污染和資源的浪費問題,而且還能達到“低投入,高產出”的生產模式,促進魚類加工行業的可持續發展,同時又消弱了對陸源膠原蛋白的依賴需求。隨著科學技術的不斷提高,魚類加工廢棄物將會得到越來越充分的開發利用,其發展前景將十分廣闊。

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Research progress of fish collagen and functional polypeptides from fish collagen

CAI Lu-yun1,2,MA Shuai1,CAO Ai-ling3,LI Xiu-xia1,LV Yan-fang1, YU Zhi-peng1,DENG Shang-gui4,LI Jian-rong1,2,*

(1.College of Food Science and Engineering of Bohai University,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products, Food Safety Key Lab of Liaoning Province,Jinzhou 121013,China; 2.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China; 3.Xiaoshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Hangzhou 311208,China; 4.Zhejiang Ocean University,Food and Medicine College,Zhoushan 316022,China)

In order to solve the problem of low comprehensive utilization of fish processing wastes and improve the economic additional value of fish processing wastes,this article provided a brief introduction of the extraction methods of the functional polypeptides from fish collagen,the new study progress of functional polypeptides from fish collagen,and analyzed the existing problems of functional polypeptides from fish collagen. Additionally,the application prospects of functional polypeptides from fish collagen were proposed.

fish-derived;collagen;functional polypeptides

2016-03-30

蔡路昀(1981-),男，博士，副教授，主要從事水產品加工方面的研究,E-mail：clyun2007@163.com。

*通訊作者:勵建榮(1964-)，男，博士，教授，主要從事水產品和果蔬貯藏加工、食品安全方面的研究,E-mail：li34008@126.com。

國家自然科學基金(31401478,31471639)；中國博士后基金面上項目(2015M570760)；“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD29B06)；遼寧省科技攻關項目(2015103020)；重慶市博士后特別資助項目(Xm2015021)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)22-0384-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.066