骨膠原蛋白的制備及其在食品中應(yīng)用的研究進(jìn)展

武文霞，于同慧，朱 祎，王慶玲，盧士玲，劉成江，董 娟,

（1.石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆石河子 832000）

我國是畜牧業(yè)和漁業(yè)大國，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2019 年我國畜禽肉產(chǎn)量達(dá)7758.78 萬噸，魚類產(chǎn)量達(dá)3746.9 萬噸。骨是動(dòng)物屠宰后的主要副產(chǎn)物，按照畜禽骨占畜禽肉產(chǎn)量的20%[1]，魚骨占魚類產(chǎn)量的10%來計(jì)算[2]，僅2019 年，我國骨副產(chǎn)物產(chǎn)量就達(dá)1900 萬噸，產(chǎn)量巨大。但目前骨主要被加工為動(dòng)物飼料、骨粉等，其深加工利用率與經(jīng)濟(jì)附加值均較低[3]。

骨中膠原蛋白含量豐富，膠原蛋白占骨蛋白的80%～90%[4]。骨膠原蛋白從宏觀到微觀的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，骨膠原蛋白主要為Ⅰ型膠原蛋白[5]，并且具有特殊的三螺旋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使骨膠原蛋白具有良好的生物相容性、生物降解性與較低的免疫原性。從骨中提取、分離、純化的骨膠原蛋白其生物相容性與降解性較好，免疫原性較低，具有極高的開發(fā)利用價(jià)值，可作為功能物質(zhì)與營養(yǎng)成分廣泛應(yīng)用于功能性食品與食品包裝中。在功能性食品中，骨膠原蛋白可用于減少脂肪攝入、補(bǔ)鈣、降血壓、美白抗衰等；在食品包裝方面，可用于制作膠原蛋白腸衣、可食用膜、涂層等。因此，本文從骨膠原蛋白的制備（骨原料的預(yù)處理與骨膠原蛋白的提取、分離、純化）及其在食品中的應(yīng)用等方面展開綜述，以期為高效利用骨膠原蛋白提供研究思路。

圖1 骨膠原蛋白從宏觀到微觀的結(jié)構(gòu)[6]Fig.1 Structure of bone collagen from macro to micro[6]

1 骨膠原蛋白的制備

骨膠原蛋白的制備主要有3 個(gè)步驟：骨原料的預(yù)處理、骨膠原蛋白的提取與骨膠原蛋白的分離純化。

1.1 骨原料的預(yù)處理

動(dòng)物骨中不僅含有膠原蛋白，還含有脂肪、礦物質(zhì)和其他雜質(zhì)。因此在提取膠原蛋白前，要先除去骨中的雜蛋白、脂肪和鈣等物質(zhì)，以確保所提膠原蛋白的品質(zhì)。骨原料中的雜蛋白可以通過氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）等來去除，脂肪可以通過正丁醇、異丙醇、正己烷、乙醚、石油醚等有機(jī)溶劑來去除，鈣可以通過乙二胺四乙酸（EDTA）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）、鹽酸等來去除。吳婷[7]通過研究正己烷、乙醚、正丁醇的脫脂效果和EDTA、鹽酸的脫鈣效果，確定了牦牛骨的最佳預(yù)處理工藝為：先用0.1 mol/L NaOH 溶液震搖6 h 除去雜蛋白，再用10%正己烷震搖3 d 脫脂，最后用0.25 mol/L EDTA震搖3 d 脫鈣。

1.2 骨膠原蛋白的提取

骨膠原蛋白的提取原理是通過物理或化學(xué)方法來改變骨膠原蛋白的存在環(huán)境，從而將骨膠原蛋白從其他成分中分離出來[8]。骨膠原蛋白的提取方法有酸法、酶法、水熱法、熱壓法和堿法等。酸法雖然可以最大限度地保留骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，但酸法得率較低，且酸液會(huì)殘留在所提膠原蛋白中，同時(shí)還會(huì)污染環(huán)境、腐蝕設(shè)備；堿法不僅得率較低，還會(huì)破壞骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)；水熱法易導(dǎo)致膠原蛋白變性；熱壓法需要專業(yè)的加壓設(shè)備；酶法雖然存在酶解不徹底、易產(chǎn)生小分子肽等問題，但酶法不會(huì)破壞骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，并且得率較高，還能有效縮短提取時(shí)間、減少環(huán)境污染，是目前較為常用的提取方法。由于單一提取方法均存在一定的缺陷，因此，在提取過程中也會(huì)將不同提取方法與超聲波、高壓、高壓脈沖電場等結(jié)合使用以獲得更好的提取效果。

1.2.1 酸法 酸法主要是利用低濃度的酸破壞鹽鍵和Schiff 鍵，從而使膠原纖維溶解[9]。常用的酸有鹽酸（HCl）[6]、乙酸（CH3COOH）[10]和檸檬酸（C6H8O7）[11]等。吳緹等[11]將斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨以1:30（w/v）的料液比溶于0.1 mol/L 檸檬酸溶液中以提取魚骨膠原蛋白，并對(duì)提取到的蛋白進(jìn)行SDS-PAGE 電泳分析，結(jié)果表明：所提蛋白有α1、α2、β三條鏈，是典型的Ⅰ型膠原蛋白，此時(shí)斑點(diǎn)叉尾鮰魚骨膠原蛋白的得率為11.87%。不同來源骨膠原蛋白酸法提取介質(zhì)與得率見表1。酸法可以最大程度地保留骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，但會(huì)破壞部分氨基酸（如色氨酸、絲氨酸和酪氨酸）的結(jié)構(gòu)，同時(shí)酸液會(huì)腐蝕設(shè)備，而且產(chǎn)品的得率較低，具有一定的局限性[12]。

表1 不同來源骨膠原蛋白酸法提取介質(zhì)與得率Table 1 Acid extraction medium and yield of bone collagen from different sources

1.2.2 酶法 酶法提取是在膠原蛋白的非螺旋區(qū)域添加特定的蛋白酶，以促進(jìn)肽鍵的降解[19]。常用的酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶和胰蛋白酶等，其中，胃蛋白酶能在N 端的3/4 處將骨膠原蛋白切斷，與其他蛋白酶相比，胃蛋白酶能更為完整地保留骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)和生物活性，因此更常用于骨膠原蛋白的提取[20]。但由于骨膠原蛋白對(duì)膠原蛋白酶以外的蛋白酶有抵抗作用，因此酶法大多與酸法結(jié)合使用，以促進(jìn)骨膠原蛋白的溶解。王曉軍等[21]分別采用酸法（0.5 mol/L 乙酸）和酶法（1.6%胃蛋白酶-0.5 mol/L 乙酸溶液）提取牦牛骨膠原蛋白并對(duì)其進(jìn)行理化性質(zhì)分析。結(jié)果表明酸法得率是2.24%，酶法得率是3.32%。這兩種骨膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)完整，均在230 nm 波長左右出現(xiàn)最大紫外吸收峰，均保留了較為完整的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，都為典型的Ⅰ型膠原蛋白。綜合來看，這兩種方法所提膠原蛋白在理化特性上并無太大差別，但酶法提取的膠原蛋白得率較高。葉韜等[22]用胃蛋白酶-乳酸溶液提取羅非魚骨膠原蛋白，獲得的最佳工藝條件為：pH2.6、溫度30 ℃、料液比為1:30（g/mL）、加酶量200 U/g、提取時(shí)間24 h，此時(shí)羅非魚骨膠原蛋白的得率為12.76%。HIDAYAT 等[23]研究了木瓜蛋白酶濃度與磷酸濃度對(duì)羅非魚骨明膠成膠特性的影響，發(fā)現(xiàn)用1.5%木瓜蛋白酶-6%磷酸提取的骨膠原蛋白在70 ℃水浴4 h 后可獲得凝膠強(qiáng)度與粘度較好的明膠。不同來源骨膠原蛋白酶法提取介質(zhì)與得率見表2。酶法不會(huì)破壞骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，能獲得生物活性較好的骨膠原蛋白，并且還能有效縮短提取時(shí)間、減少環(huán)境污染、降低能耗，是目前較為常用的骨膠原蛋白提取方法。

表2 不同來源骨膠原蛋白酶法提取介質(zhì)與得率Table 2 Enzymatic extraction medium and yield of bone collagen from different sources

1.2.3 水熱法 水熱法可分解膠原蛋白的共價(jià)交聯(lián)鍵和酰胺鍵，其產(chǎn)物具有較高的溶解性，也可稱其為明膠[28]。AL-KAHTANI 等[29]通過響應(yīng)面法優(yōu)化出駱駝骨明膠的最佳制備工藝為溫度72 ℃、pH5.3、時(shí)間2.5 h，此時(shí)駱駝骨明膠的得率最高為21.33%，并測定出駱駝骨明膠的凝膠強(qiáng)度為205.74 g，符合食品用明膠凝膠強(qiáng)度為125～250 g 的要求，是一種較為理想的明膠。TAHERI 等[30]向多齒蛇鯔骨中加入其質(zhì)量3 倍的蒸餾水，然后將其在60 ℃下抽提12 h 獲得多齒蛇鯔骨明膠，此時(shí)骨明膠的得率為8.95%，凝膠強(qiáng)度為（135±7.9）g。水熱法雖然可以提取骨膠原蛋白，但由于骨膠原蛋白耐熱性較差，當(dāng)提取溫度過高時(shí)，可能會(huì)破壞骨膠原蛋的結(jié)構(gòu)。

1.2.4 熱壓法 熱壓法不引入酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)，產(chǎn)品得率較高。樊曉盼等[31]采用高溫高壓浸提技術(shù)從牛骨中提取骨膠原蛋白，研究了在0.2 MPa 下料液比、浸提溫度和浸提時(shí)間對(duì)骨膠原蛋白提取率的影響，并優(yōu)化出最佳工藝條件為料液比1:4（g/mL），溫度133 ℃，時(shí)間4 h，此時(shí)提取率可達(dá)64.73%。熱壓法需要專業(yè)加壓設(shè)備，在企業(yè)中應(yīng)用更為廣泛。

1.2.5 堿法 肽鍵在堿性環(huán)境中極易水解，從而使膠原纖維溶解、膨脹[32]。常用的堿有氧化鈣、氫氧化鈉和碳酸鈉等。MORIMURA 等[33]發(fā)現(xiàn)pH12 的NaOH 溶液能有效提取黃尾魚骨膠原蛋白。堿法提取工藝簡單、成本低，但容易引起膠原蛋白變性。當(dāng)肽鍵水解嚴(yán)重時(shí)，會(huì)發(fā)生氨基酸消旋現(xiàn)象，產(chǎn)生D 型和L 型氨基酸消旋混合物，其中，大多數(shù)D 型氨基酸有毒，甚至有致突變、致畸、致癌的風(fēng)險(xiǎn)[34]，因此用堿法提取骨膠原蛋白時(shí)，一定要控制好肽鍵的水解程度。

酸法、酶法、水熱法、熱壓法和堿法等的提取效果有差異，所以研究人員在實(shí)際研究或生產(chǎn)過程中，會(huì)將不同的提取方法與超聲波、高壓、高壓脈沖電場等結(jié)合以獲得更好的提取效果。高壓脈沖電場通過對(duì)食品施加高電壓的短脈沖而對(duì)食品進(jìn)行處理，具有處理時(shí)間短、能耗低、連續(xù)可操作性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[35]。HE 等[36]利用高壓脈沖電場協(xié)同酶法提取鰱魚骨膠原蛋白，確定出最佳工藝條件為胃蛋白酶添加量1%、料液比1:10（g/mL）、電場強(qiáng)度20 kV/cm、脈沖數(shù)8，此時(shí)得率為16.13 mg/mL，并發(fā)現(xiàn)高壓脈沖技術(shù)能使膠原蛋白的α螺旋和β轉(zhuǎn)角部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣抡郫B與無規(guī)卷曲，使樣品顆粒由分散、無序變得均勻、有序。李紅霞等[37]利用超高壓生物反應(yīng)器，采用超高壓協(xié)同酶法提取豬腿骨膠原蛋白，研究了在150 MPa 下，木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶對(duì)豬骨膠原蛋白得率的影響，結(jié)果表明，木瓜蛋白酶在溫度45 ℃、pH5.0、酶添加量0.3%、料液比1:7（g/mL）的條件下，豬骨膠原蛋白得率最佳為8.98%。超聲波能促進(jìn)浸提物向提取劑的擴(kuò)散，嚴(yán)秋萍等[38]采用超聲波輔助檸檬酸法提取齊口裂腹魚骨膠原蛋白，并對(duì)提取到的蛋白進(jìn)行紫外光譜掃描、SDS-PAGE 電泳等分析，結(jié)果顯示最佳工藝條件為：超聲波預(yù)處理時(shí)間20 min，料液比1:75（g/mL），提取溫度30 ℃，提取時(shí)間48 h，此時(shí)膠原蛋白得率為6.91%；提取到的蛋白在220～232 nm 范圍內(nèi)有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，有α1、α2和β三條鏈，是典型的Ⅰ型膠原蛋白。

1.3 骨膠原蛋白的分離純化

骨膠原蛋白粗提液除含有膠原蛋白外，還含有剩余的溶劑和蛋白裂解的肽。因此想要得到高純度的骨膠原蛋白，就需要對(duì)粗提液進(jìn)行純化。純化的方法有鹽析法、透析法、離心法、色譜法、電泳法等。傳統(tǒng)情況下，骨膠原蛋白的純化是將鹽析、離心和透析相結(jié)合。GAO 等[39]向羊骨膠原蛋白粗提液中先添加氯化鈉進(jìn)行鹽析，然后將鹽析懸濁液10000 r/min離心30 min，再將沉淀用0.5 mol/L 乙酸復(fù)溶，最后將復(fù)溶液用0.1 mol/L 冰醋酸透析1 d，蒸餾水透析2 d，以純化羊骨膠原蛋白。上述為骨膠原蛋白分離純化比較常用的步驟，但由于時(shí)間過長、速度過慢、操作復(fù)雜、會(huì)產(chǎn)生大量的廢水等原因，無法滿足較大規(guī)模的生產(chǎn)。

近年來，超濾分離技術(shù)因其操作條件溫和、不會(huì)破壞熱敏性膠原蛋白的結(jié)構(gòu)而吸引了眾多研究者的目光。超濾分離技術(shù)以壓力為動(dòng)力，可有效截留大分子，而小分子可以自由通過。超濾可以縮短純化的操作和步驟，骨膠原蛋白粗提液在一定壓力下會(huì)循環(huán)通過超濾膜，小分子物質(zhì)會(huì)從超濾膜的空隙中流出，骨膠原蛋白相對(duì)分子量較大，會(huì)一直保留在超濾膜內(nèi)，從而達(dá)到純化骨膠原蛋白粗提液的目的，純化原理如圖2 所示。SHEN 等[40]以合成聚丙烯腈和親水改性聚丙烯腈為原料，采用經(jīng)典的水相轉(zhuǎn)化工藝制備了親水性好、污染度低的超濾膜，該膜可以有效地純化和濃縮膠原蛋白。陳思謹(jǐn)[41]將親水超濾技術(shù)應(yīng)用于膠原蛋白的純化，使純化時(shí)間由原來的1～3 d 縮短到3 h 以內(nèi)，純化量從不足1 L 提高到一次可處理45 L，這為骨膠原蛋白提取的產(chǎn)業(yè)化提供了新思路。與傳統(tǒng)分離純化工藝相比，超濾工藝可以大大縮短分離純化時(shí)間，減少廢水排放，具有設(shè)備簡單、占地面積小、操作簡便、選擇性高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[42]。并且由于其工藝條件溫和，在處理過程中不添加任何化學(xué)試劑、不加熱，因此不會(huì)引起溫度、pH 的變化，更不會(huì)造成膠原蛋白變性，更便于后續(xù)膠原蛋白的應(yīng)用。

圖2 超濾分離純化示意圖[43]Fig.2 Schematic diagram of ultra-filteration isolation and purification[43]

2 骨膠原蛋白在食品中的應(yīng)用

骨膠原蛋白營養(yǎng)價(jià)值高，有良好的生物相容性、生物降解性[44]，在許多食品中可作為功能物質(zhì)和營養(yǎng)成分，在功能性食品中，骨膠原蛋白可用于減少脂肪攝入、補(bǔ)鈣、降血壓、美白抗衰；在食品包裝方面，骨膠原蛋白可用于制作膠原蛋白腸衣、可食用膜、涂層等。

2.1 在功能性食品中的應(yīng)用

骨膠原蛋白及其水解物致敏性低、可吸收性好，近年來在功能性食品中應(yīng)用普遍。骨膠原蛋白通過模擬脂肪的口感來替代部分脂肪，以降低脂肪攝入量；同時(shí)骨膠原多肽通過與鈣螯合來促進(jìn)鈣吸收，以高效補(bǔ)鈣；通過抑制體內(nèi)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）的活性，來降低機(jī)體血壓；通過提高皮膚的持水力、減少黑色素的生成來實(shí)現(xiàn)皮膚的美容抗衰。

2.1.1 減少脂肪攝入 脂肪是三大營養(yǎng)素之一，能提供人體所需的熱量與必需脂肪酸；同時(shí)它也是食品的重要組成部分，能賦予食品良好的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味與口感。但過量攝入脂肪會(huì)引發(fā)糖尿病、高血壓、心腦血管等疾病[45]，然而直接降低食品中的脂肪含量會(huì)使食品品質(zhì)變差。研究表明骨膠原蛋白經(jīng)過熱處理后，分子中的疏水基團(tuán)會(huì)暴露在分子表面，能夠模擬脂肪的疏水特性；骨膠原蛋白經(jīng)過微?；幚砗?，其粒徑可以小于10 μm，能夠模擬脂肪潤滑、奶油狀的感官特征[46]。經(jīng)過熱處理與微粒化處理的骨膠原蛋白能在降低食品中脂肪用量的前提下，不破壞食品原有的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味與口感，已成為近些年低脂食品開發(fā)的研究熱點(diǎn)。ATAIE 等[47]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鳙魚骨明膠替代40%蛋黃醬中的脂肪時(shí)，蛋黃醬的熱量值、白度最低，硬度、粘附性、彈性、乳液穩(wěn)定性均最佳。YEO 等[48]研究了20%鴨腳骨明膠凝膠（w/w）替代不同比例（50%、62.5%、75%）法蘭克福香腸中的脂肪，對(duì)香腸的成分、蒸煮損失、色澤、質(zhì)構(gòu)、感官評(píng)價(jià)的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)20%鴨腳骨明膠凝膠（w/w）替代75%法蘭克福香腸中的脂肪時(shí)，香腸的水分含量最高、蒸煮損失最低，硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性最佳，總體可接受度與普通法蘭克福香腸最為相近。

2.1.2 補(bǔ)鈣 鈣是人體必需的一種微量元素，在細(xì)胞代謝、骨骼生長、神經(jīng)傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要的作用[49]。缺鈣會(huì)引發(fā)骨質(zhì)疏松、高血壓、腎結(jié)石等疾病[50]。營養(yǎng)調(diào)查顯示，我國人均每日鈣攝入量僅為推薦攝入量的50%左右，因此補(bǔ)鈣就成為了人們的研究焦點(diǎn)之一?，F(xiàn)在市面上的補(bǔ)鈣產(chǎn)品主要有無機(jī)鹽鈣（碳酸鈣）、有機(jī)鹽鈣（葡萄糖酸鈣）與有機(jī)酸鈣（甘氨酸鈣），但這三種補(bǔ)鈣劑均存在著一定程度的毒副作用[51]。骨膠原多肽的羧基氧原子和氨基氮原子可以螯合鈣[52]，形成骨膠原多肽-鈣螯合物，其結(jié)構(gòu)式如圖3 所示。該螯合物克服了現(xiàn)有補(bǔ)鈣劑吸收率低、存在副作用的缺點(diǎn)，具有溶解度好、吸收率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為補(bǔ)鈣劑的最佳選擇。WU 等[53]通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)確定了豬骨膠原多肽螯合鈣的最佳制備條件為肽鈣質(zhì)量比4.5:1，溫度50 ℃，時(shí)間40 min，此時(shí)鈣螯合率達(dá)到78.38%，并發(fā)現(xiàn)該螯合物的鈣保留率會(huì)隨著溫度的升高而下降，但仍保持在85%以上，熱穩(wěn)定性較好，還用Caco-2 細(xì)胞單層模型研究了肽-鈣螯合物對(duì)鈣吸收的影響，結(jié)果表明，肽-鈣螯合物與CaCl2對(duì)照組相比，通過增加鈣運(yùn)輸量、逆轉(zhuǎn)磷酸鹽和植酸鹽對(duì)鈣吸收的抑制作用，可以顯著改善Caco-2 細(xì)胞單層中鈣的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)人體對(duì)鈣的吸收。WANG 等[54]采用胃蛋白酶、木瓜蛋白酶酶解-保加利亞乳桿菌發(fā)酵法制備了游離鈣含量較高的綿羊骨膠原多肽，然后向膠原多肽中添加無水乙醇來制備肽鈣螯合物。首先通過響應(yīng)面法確定了酶解液發(fā)酵的最佳條件為：葡萄糖添加量3%，接種量6%，發(fā)酵時(shí)間24.5 h，溫度37 ℃，pH6.5，此時(shí)游離鈣含量為2212.58 mg/100 g，鈣螯合量為（42.57%±0.09%）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，肽-鈣螯合物的鈣保留率在30～80 ℃范圍內(nèi)均保持在80%以上，耐熱性較好；在體外模擬胃腸道消化過程中，肽-鈣螯合物經(jīng)過胃蛋白酶消化后，鈣含量仍在87.3%以上，這表明綿羊骨膠原多肽-鈣螯合物在模擬胃腸道環(huán)境中穩(wěn)定，可以促進(jìn)鈣的吸收。

圖3 膠原多肽螯合鈣的結(jié)構(gòu)式[55]Fig.3 The structure of collagen peptide chelate calcium[55]

2.1.3 降血壓 血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）能使血管收縮、機(jī)體血壓升高[56]。ACE 抑制物能使機(jī)體血壓維持穩(wěn)定，避免血壓升高。研究表明，含有脯氨酸、羥脯氨酸、亮氨酸、賴氨酸的多肽具有較高的ACE抑制活性[57]。膠原蛋白中的脯氨酸、羥脯氨酸總含量約為25%，精氨酸、賴氨酸總含量接近8%[58]，因此膠原多肽具有顯著的ACE 抑制作用。牛膠原多肽（VGPV）通過與ACE 的Tyr62、Arg124、Tyr360和Ser517 形成氫鍵來發(fā)揮作用，膠原多肽（VGPV）與ACE 的分子對(duì)接如圖4 所示。CHENG 等[59]先用堿性蛋白酶酶解雞腿骨獲得雞腿骨膠原多肽——一種非競爭性混合抑制劑，然后用LC/MS/MS 法從雞腿骨膠原多肽中鑒定出10 個(gè)具有較強(qiáng)ACE 抑制活性的多肽，這些多肽減少了自發(fā)性高血壓大鼠的高血壓和心血管肥大的發(fā)生。魏庭浩[60]確定了胰蛋白酶酶解豬骨膠原蛋白的最佳條件為溫度50 ℃、pH7.5、底物濃度6%、酶底比8000 U/g、水解時(shí)間6 h，此時(shí)水解度為10.34%，ACE 抑制率為65.92%，并且也發(fā)現(xiàn)分子量較小的豬骨膠原多肽經(jīng)過胃腸道消化酶處理后活性仍然較高，更容易通過胃腸道吸收進(jìn)入血液循環(huán)，更可能在體內(nèi)發(fā)揮降血壓的作用。

圖4 膠原多肽（VGPV）與ACE 的分子對(duì)接[61]Fig.4 Molecular docking between ACE and collagen peptide[61]

2.1.4 美白抗衰 骨膠原多肽具有良好的生物相容性，能滲透到皮膚中，被皮膚充分吸收。骨膠原多肽富含甘氨酸、絲氨酸等保濕因子和羧基、羥基等親水基團(tuán)，可以有效減少皮膚的水化損失，使皮膚保濕；骨膠原多肽的酪氨酸殘基通過與皮膚中的酪氨酸競爭酪氨酸酶結(jié)合位點(diǎn)，來抑制黑色素的生成，使皮膚美白[62]；骨膠原多肽會(huì)在皮膚表面形成一層極薄的膜層，從而使皺紋舒展[63]。SONG 等[64]發(fā)現(xiàn)口服牛骨膠原多肽通過修復(fù)膠原纖維，能夠提高膠原含量和抗氧化酶的活性，從而改善皮膚松弛，延緩皮膚衰老。PHIPPS 等[65]的研究顯示，當(dāng)皮膚受到紫外線輻射后，雞胸軟骨膠原多肽能提高皮膚的彈性，減少皮膚水化損失，收緊皮膚皺紋，有效延緩皮膚衰老。

2.2 食品包裝

骨膠原蛋白有良好的成膜性、生物降解性與生物相容性[66]，可用于制備膠原蛋白腸衣、可食用膜與涂層等食品包裝材料。

2.2.1 膠原蛋白腸衣 腸衣不僅能使腸類食品成型，也能延緩腸類食品的蛋白氧化、脂肪氧化等，從而保證腸類食品的品質(zhì)、延長腸類食品的貨架期，已成為目前市場上需求量最大的食品包裝材料之一。腸衣可分為天然腸衣與人造腸衣。天然腸衣因來源受限、成本高、生產(chǎn)不易控制等原因，已不適用于標(biāo)準(zhǔn)化與機(jī)械化生產(chǎn)，于是研究者們開始研發(fā)人造腸衣。人造腸衣發(fā)展至今可分為塑料腸衣、纖維素腸衣和膠原蛋白腸衣等。其中，膠原蛋白腸衣成本低、口感好、抗拉伸強(qiáng)度高、透氣性好、透明度高、生產(chǎn)易控、適合工業(yè)化生產(chǎn)[67]，已成為應(yīng)用最廣的可食性人造腸衣。然而，膠原蛋白腸衣在肉餡填充過程中會(huì)破裂、在熏蒸過程中會(huì)變形[68]。向膠原蛋白腸衣中添加醛類[69]、金屬離子[70]、角蛋白[71]、碳二亞胺[72]、單寧酸[73]、京尼平[74]等物質(zhì)，可有效改善膠原蛋白腸衣的機(jī)械性能，解決膠原蛋白腸衣在加工過程中的破裂及變形。其中，戊二醛交聯(lián)效果好、成本低，已成為一種廣泛使用的交聯(lián)劑。戊二醛的醛基能與膠原蛋白的ε-氨基發(fā)生反應(yīng)，從而交聯(lián)膠原蛋白腸衣，其反應(yīng)機(jī)理如圖5 所示。CHEN 等[69]用戊二醛交聯(lián)膠原蛋白腸衣，發(fā)現(xiàn)戊二醛提高了膠原蛋白腸衣的楊氏模量與抗拉伸強(qiáng)度，使腸衣具有更好的機(jī)械強(qiáng)度與抗變形能力。

2.2.2 可食用膜 天然骨膠原蛋白呈卷曲狀，酸、堿或熱處理會(huì)使肽鏈?zhǔn)嬲?、疏水基團(tuán)和巰基暴露，從而形成新的二硫鍵，最終形成具有均勻立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，骨膠原蛋白的成膜原理簡圖如圖6 所示。骨膠原蛋白可食用膜阻水、阻氧及阻油脂特性良好，可以較大程度地維持食品原有的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味，從而確保食品品質(zhì)、延長食品貨架期。但是，單一骨膠原蛋白膜由于抗拉伸強(qiáng)度低、水蒸氣透過量大、水蒸氣透過系數(shù)高、抗菌和抗氧化性能較差等原因[76]，難以廣泛用于食品包裝，因此需要對(duì)其進(jìn)行改性處理。膠原蛋白膜的改性方法主要有物理改性（如熱處理[77]、紫外線照射[78]、γ-射線輻照[79]）、化學(xué)改性（如醛[80]、亞胺[81]、酯[82]）、酶法改性（如谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶[83]、酪氨酸酶[84]）和天然高分子改性等（如殼聚糖[85]、雙醛淀粉[86]、海藻酸鈉[87]）。由于物理改性交聯(lián)效果較差、酶法改性成本較高、化學(xué)交聯(lián)劑存在一定毒性，因此安全性好、價(jià)格低廉且交聯(lián)效果明顯的天然化合物，如殼聚糖、雙醛淀粉、海藻酸鈉等，已成為骨膠原蛋白膜改性的研究熱點(diǎn)。改性后，骨膠原蛋白膜的力學(xué)性能、阻擋性能、抗菌性能和抗氧化性能會(huì)有所改善，用其包裝食品能延緩食品的脂質(zhì)氧化、蛋白氧化與微生物生長，從而延長食品保質(zhì)期。SHAKILA 等[88]用殼聚糖與丁香精油分別交聯(lián)石斑魚骨明膠膜，發(fā)現(xiàn)與單一石斑魚骨明膠膜相比，殼聚糖與丁香精油均顯著提高了明膠膜的抗菌性能，降低了明膠膜的水溶性與水蒸氣透過率，使其更適合應(yīng)用于食品。XIONG等[89]的研究指出殼聚糖與沒食子酸能顯著提高三文魚骨明膠膜的抗氧化性能，而丁香精油則能顯著提高三文魚骨明膠膜的抗菌性能。改性后的骨膠原蛋白膜可用于食品的保鮮。吳京蔚等[90]用牛骨膠原蛋白膜包裹醬牛肉，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合膜能有效延緩醬牛肉的脂質(zhì)氧化，延長其保質(zhì)期。

圖6 骨膠原蛋白的成膜原理簡圖[91]Fig.6 Schematic diagram of bone collagen film-forming mechanism [91]

2.2.3 涂層材料 將骨膠原蛋白溶液涂于食品表面，能抑制食品發(fā)生蛋白質(zhì)氧化、脂質(zhì)氧化，從而延長食品貨架期。SHAKILA 等[88]發(fā)現(xiàn)丁香精油-石斑魚骨明膠涂層能使沙丁魚排在4 ℃下的保質(zhì)期從4 d 延長到8 d。XIONG 等[89]的研究指出三文魚骨明膠/殼聚糖/沒食子酸/丁香油涂層可有效抑制三文魚魚片的變色、pH 變化、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化以及微生物的生長，從而達(dá)到保鮮三文魚魚片的目的。

3 結(jié)語

本文首先綜述了骨膠原蛋白的制備過程，骨原料經(jīng)過除雜蛋白、除脂、除鈣后，才可用于骨膠原蛋白的提取，提取方法有酸法、酶法、水熱法、熱壓法和堿法等，其中，酶法不會(huì)破壞骨膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，且得率較高，提取時(shí)間較短，已成為目前較為常用的骨膠原蛋白提取方法。提取得到的骨膠原蛋白溶液中除含膠原蛋白外還含有溶劑和肽等雜質(zhì)，因此要經(jīng)過鹽析、透析、離心、超濾等分離純化過程，才可獲得純度較高的骨膠原蛋白。骨膠原蛋白具有良好的生物相容性、生物降解性，較低的致敏性，可應(yīng)用在功能性食品與食品包裝中，在功能性食品中，骨膠原蛋白可用于減少脂肪攝入、補(bǔ)鈣、降血壓、美白抗衰；在食品包裝方面，骨膠原蛋白可用于制作膠原蛋白腸衣、可食用膜、涂層。

近年來，瘋牛病、口蹄疫和禽流感的暴發(fā)使骨膠原蛋白的提取原料從常見的牛、羊、豬等動(dòng)物逐漸轉(zhuǎn)為安全指數(shù)較高的水生動(dòng)物和高原條件下生長的動(dòng)物。從骨中提取的膠原蛋白營養(yǎng)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值極高，然而，骨膠原蛋白由于提取率低、提取工藝復(fù)雜、分離純化效率不高等原因，目前的工業(yè)化程度仍然較低，因此，改進(jìn)提取工藝、提高分離純化效率，將是今后骨膠原蛋白制備的重要研究方向。另外，目前的應(yīng)用研究也大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)與市場化開發(fā)，這就需要研究人員將實(shí)驗(yàn)室研發(fā)與工業(yè)化生產(chǎn)相結(jié)合，只有這樣，骨膠原蛋白才能更好地發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值、減少環(huán)境污染，為國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。