從生物體中獲得膠原蛋白的研究進(jìn)展

賈雪婷,孫佳明,張 輝

(長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué),長(zhǎng)春130117)

膠原蛋白(也稱膠原)是蛋白質(zhì)中的一種,膠原蛋白的來(lái)源廣泛,提取一般集中于皮膚和肌鍵等含膠原較為豐富的組織。膠原的提取除傳統(tǒng)的牛、豬、羊等來(lái)源,還拓展到人的胎盤(pán)[1]、海洋生物、植物等其他資源,甚至是利用基因生物技術(shù)從轉(zhuǎn)基因動(dòng)物獲取的重組人膠原[2]。膠原中富含大量的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸,其水解產(chǎn)物中還富含豐富的生理活性肽,這些特性使膠原及其水解產(chǎn)物在醫(yī)療、保健及化妝品等行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景[3]。目前膠原的開(kāi)發(fā)與利用已引起人們廣泛的關(guān)注。

1 膠原蛋白的提取

膠原的提取是將膠原從原料中分離出來(lái)的過(guò)程,其步驟一般為:原料-粉碎-脫脂-提取分離-純化-干燥。膠原是不完全的蛋白,具有蛋白質(zhì)的某些性質(zhì),大多可溶于水及稀鹽、稀酸和稀堿溶液等,因此可根據(jù)需要采用不同的溶劑提取分離膠原蛋白。但在所有這些步驟中必須保證膠原生物大分子的完整性,防止過(guò)酸、過(guò)堿、有機(jī)溶劑、高溫、劇烈機(jī)械作用等破壞膠原的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其生物活性喪失。

1.1 熱水浸提提取法 在膠原的生產(chǎn)中,含脂量要求一般低于2%[4]。含脂量過(guò)高,在提取過(guò)程中會(huì)生成難溶的沉積與骨表面的脂肪酸鈣結(jié)塊,進(jìn)一步影響膠原的色澤、透明度和親水性,嚴(yán)重影響膠原的提取。在一定條件下將經(jīng)過(guò)各種前處理的原料用熱水浸提可得到水溶性膠原,并且膠原在溶液中的溶解性與提取的溫度成正比。但此法常與酸法提取相結(jié)合使用,趙睿等[5]采用此法提取鱈魚(yú)魚(yú)皮膠原,最佳提取條件是pH 5.0,在42℃提取25.72 h,得率為83.75%。林家福等[6]用熱水浸提羅非魚(yú)鱗膠原蛋白在溫度90 ℃,pH 6.0,固液比1∶13,提取2 h效果最優(yōu),蛋白得率為212 mg/g。但此法提取的膠原在高溫下極易變性,不具有膠原的三螺旋結(jié)構(gòu),不能用于醫(yī)用生物材料。

1.2 酸法提取 酸法提取主要利用低離子濃度酸性條件下使分子間的鹽鍵破壞而引起纖維的膨脹及溶解。酸法提取不僅可以使沒(méi)有交聯(lián)的膠原分子溶解出來(lái),也可使含有醛胺類交聯(lián)鍵的膠原纖維溶解。朱秀靈等[7]采用此法以鯽魚(yú)為原料,乙酸質(zhì)量濃度0.41 mol/L,液料比12 mL/g,提取54.81 h,膠原得率為20.68%。陳麗麗等[8]采用此法對(duì)魚(yú)回魚(yú)皮中膠原進(jìn)行提取,最佳工藝固液比1∶50,在15℃下用0.5mol/L的醋酸浸提72 h,提取率達(dá)62.05%。胡建平[9]采用此法提取魚(yú)鱗膠原,乙酸質(zhì)量濃度0.6 mol/L,提取溫度36℃,提取時(shí)間 6 h,料液比1∶30,羥脯氨酸含量為2.752 2 mg/mL,提取率達(dá)73.32%。酸法提取的膠原最大程度的保持了其三螺旋結(jié)構(gòu),更適用于醫(yī)用生物材料及原料的制備。

1.3 堿法提取 堿法提取是利用堿性物質(zhì)為外界環(huán)境的條件下進(jìn)行浸漬處理以提取膠原的方法。郝文芳[10]從黑木耳中提取膠原堿法最優(yōu),最佳條件:NaOH質(zhì)量濃度0.22 mol/L,提取時(shí)間6.46 h,料液比1∶58.82,得率達(dá)0.645%。此法提取的膠原乳化性、吸油性較高。但目前關(guān)于堿法提取膠原的報(bào)道尚少,可能是堿法提取易導(dǎo)致蛋白變性,發(fā)生消旋現(xiàn)象,故一般此法常與酸法提取結(jié)合應(yīng)用。

1.4 鹽法提取 鹽法提取主要是利用膠原在鹽溶液中受鹽溶液離子的影響打開(kāi)離子鍵。所應(yīng)用的鹽主要有NaCl、KCl、CH3COONa等。由于鹽溶液質(zhì)量濃度偏低無(wú)法溶解膠原,故一般選用相對(duì)質(zhì)量濃度較高的鹽溶液,一般鹽溶液質(zhì)量濃度為0.5～2.0M。郝林華等[11]用0.5M乙酸-乙酸鈉緩沖液從多棘海盤(pán)車中成功提取得到膠原。梁權(quán)[12]以豬皮為原料,在65℃下,用NaHSO3和醋酸配置緩沖液、pH值為 3.5,鹽處理1.5 h,酸處理1.5 h為最佳提取工藝,基本保持原蛋白質(zhì)特性,吸水性好。一般采用不同質(zhì)量濃度的氯化鈉溶液對(duì)提取的膠原進(jìn)行鹽析,可沉淀出不同類型的膠原。

1.5 酶法提取 酶法提取即利用不同的酶在一定的外界環(huán)境條件下進(jìn)行提取而得到酶溶性的膠原。膠原對(duì)膠原酶以外的蛋白酶有抵抗作用,故較少有關(guān)于單獨(dú)使用酶提取的研究,大多與酸等物質(zhì)相結(jié)合使用[13-14],此法近幾年來(lái)在醫(yī)學(xué)和藥物合成方面也是被關(guān)注的新途徑[15]。張鶴等[16]應(yīng)用此法從鹿筋中提取制備膠原蛋白,采用醋酸體積分?jǐn)?shù)5.5%、料液比1∶7(mL/g)、浸提時(shí)間14 h,胃蛋白酶與底物比 1∶1 000(g/g)、酶解時(shí)間 24 h,得率達(dá) 74.56%。李志洲[17]采用胰蛋白酶在超聲條件下提取鱔魚(yú)皮中膠原蛋白,酶加入量125 U/g,pH值7.2,溫度35℃,超聲波輔助提取時(shí)間3 min,酶解時(shí)間7 h,得率達(dá)92.4%。酶法提取膠原蛋白含量高,雜蛋白含量低,具有反應(yīng)速度快、時(shí)間短、條件溫和、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[18-20]。

2 膠原蛋白的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外對(duì)膠原蛋白的利用主要分為2大類:一是著眼于膠原獨(dú)特的宏觀物理性能(纖維性能),主要用于相紙底片、紡織、造紙等;二是著眼于其內(nèi)在性能(膠原的生物功能),主要用于食品保健、美容化妝品、醫(yī)用材料等。

2.1 作為功能食品和保健食品的應(yīng)用 膠原與體內(nèi)鈣的關(guān)系密切,羥基脯氨酸構(gòu)成血漿中的膠原并將血漿中的鈣運(yùn)送到骨細(xì)胞;而骨細(xì)胞中的膠原(骨膠原)將羥基磷灰石粘合到一起,并與之共同構(gòu)成骨骼的主體。由此只要攝入足夠的可與鈣結(jié)合的膠原蛋白,促使鈣在體內(nèi)被較快消化吸收,且能較快的達(dá)到骨骼部位而沉積。因此膠原蛋白可制成一種補(bǔ)鈣的保健食品[21]。有相關(guān)報(bào)道[22]指出如果沒(méi)有足夠的膠原蛋白,單純的通過(guò)補(bǔ)鈣無(wú)法防治骨質(zhì)疏松。

2.2 膠原在化妝品中的應(yīng)用 膠原及其水解物與人皮膚膠原的結(jié)構(gòu)相似,相容性好,可擴(kuò)散到皮膚的深層,對(duì)皮膚不僅具有很好的營(yíng)養(yǎng)作用、修復(fù)性、保濕性而且還有很強(qiáng)的抗輻射等作用,被廣泛應(yīng)用于化妝品行業(yè)?，F(xiàn)如今有很多含有膠原成分的面膜、眼霜等化妝品得到了廣大消費(fèi)者們的青睞。劉群[23]研制的以純植物為原料的膠原蛋白護(hù)膚品,對(duì)改善皮膚松弛、老化、干燥缺水等癥狀療效顯著,6 000例有效受試者中總有效率高達(dá)97%。

2.3 膠原在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 膠原具有力學(xué)性能高、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、止血、生物相容性和生物降解性等重要的生物學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療方面。有報(bào)道由檸檬酸緩沖液溶解膠原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮制得膠原蛋白-PVP聚合物(C-PVP)在應(yīng)用于加固受傷的骨骼方面,較傳統(tǒng)的效果更好,安全性更高。在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)中均未表現(xiàn)出淋巴腫大、DNA損傷,未引起肝、腎的代謝紊亂和誘發(fā)人體產(chǎn)生其抗體,亦有用于治療尿不盡等方面的相關(guān)報(bào)道[24]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)畜牧業(yè)和制革工業(yè)的迅猛發(fā)展,每年都有大量富含膠原的加工后廢棄物沒(méi)有得到充分的利用,造成了資源的極大浪費(fèi)。近年來(lái),科學(xué)工作者們利用不同的酶解方法進(jìn)行處理得到膠原多肽并對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究,為資源的合理利用以及其功能特性的開(kāi)發(fā)利用奠定了良好基礎(chǔ)。此外,由于動(dòng)物膠原本身具有病原性,科學(xué)工作者們把目光投向了海洋生物、植物等其他產(chǎn)品來(lái)源,同時(shí)此類膠原自身具有良好的溶解性以及較低的抗原性等特點(diǎn),使其擁有更大的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)價(jià)值。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高,膠原的加工工藝也將日趨成熟,必將使膠原在醫(yī)藥衛(wèi)生、保健品、化妝品等行業(yè)中擁有更大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

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