Ⅰ型膠原在食品和生物醫(yī)藥中的應(yīng)用研究進展

李從虎*，陳強，王璐，程旭

安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（安慶 246133）

膠原作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要成分，是一種廣泛分布于動物有機體皮膚、肌腱、軟骨和血管等器官和組織中的天然大分子蛋白質(zhì)[1-2]。膠原含量約占動物機體總蛋白質(zhì)的1/3，對動物的機體和器官起著支撐和保護作用[3-4]。在眾多膠原類型中，Ⅰ型膠原是動物機體內(nèi)含量最多的一類膠原，是脊椎動物結(jié)締組織中最常見且最重要的膠原類型[5]。由于膠原具有良好的生物相容性、生物降解性、低免疫原性和成骨性等性能，從而被廣泛應(yīng)用于食品和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[6]。

主要以Ⅰ型膠原為研究對象，詳細(xì)介紹膠原的結(jié)構(gòu)及其在食品和生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展，以期為膠原的高效應(yīng)用提供理論支撐。

1 膠原結(jié)構(gòu)特性

Ⅰ型膠原分子的相對分子質(zhì)量約30萬 Da，主要由3條α多肽鏈構(gòu)成，2條α多肽鏈形成二聚體則構(gòu)成β鏈，3條α多肽鏈形成三聚體則構(gòu)成原膠原分子，即γ鏈[7]。每條α多肽鏈約含有1 000個氨基酸殘基，這些氨基酸殘基以Gly-X-Y方式周期性的排列，其中，Gly為甘氨酸殘基，X和Y通常為脯氨酸和羥脯氨酸殘基。3條α多肽鏈形成左手螺旋結(jié)構(gòu)并相互纏繞在一起，即可形成膠原典型的右手三股螺旋結(jié)構(gòu)。在這種三股螺旋結(jié)構(gòu)中，Gly-X-Y周期性排列是膠原維持其獨特三股螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其中Gly位于螺旋的內(nèi)部，而X和Y則暴露在螺旋的外部。Gly殘基靠近三股螺旋結(jié)構(gòu)的中心軸并不斷累積，與另外2條鏈上的X和Y殘基相鄰并形成穩(wěn)定三股螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵。同時，膠原蛋白分子中的賴氨酸和羥賴氨酸殘基的共價交聯(lián)也可穩(wěn)定膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)。膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)賦予其獨特的生理作用和生物學(xué)性能，使其在食品和生物醫(yī)藥中具有廣泛應(yīng)用。

2 膠原的應(yīng)用

2.1 膠原在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1.1 在保健食品中的應(yīng)用

膠原是一種由必需氨基酸和非必需氨基酸通過肽鍵結(jié)合組成的一種天然蛋白質(zhì)。因此，膠原的氨基酸含量非常豐富，可作為保健食品的營養(yǎng)成分，從而提高保健食品的產(chǎn)品質(zhì)量。同時，在保健食品中，膠原具有減少脂肪攝入、補鈣、降血壓和美白抗衰的作用[2]。

Yeo等[8]從鴨腳骨中提取明膠（膠原的水解產(chǎn)物），并將其制備成凝膠，按照20%的比例替代香腸中75%的脂肪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該條件下，替代后的香腸仍保持高水分和低蒸煮損失，而且替代后的香腸硬度、彈性、內(nèi)聚性和咀嚼型與普通香腸極為接近，表明將膠原水解后的產(chǎn)物應(yīng)用于食品中，可極大減少脂肪攝入量。

Wang等[9]利用微生物發(fā)酵法制備綿陽骨膠原多肽-鈣螯合物，經(jīng)過響應(yīng)面的工藝優(yōu)化，鈣螯合量可達42.57%。在30～80 ℃范圍內(nèi)，膠原肽-鈣螯合物的耐熱性較好，鈣保留率達80%以上；經(jīng)胃蛋白酶的消化作用后，鈣流失率僅在13%左右，研究結(jié)果表明膠原蛋白可促進鈣的吸收。

Cheng等[10]通過采用LC/MS/MS 法從雞腿骨膠原多肽中分離鑒定出10個具有較強抑制體內(nèi)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）的活性多肽，研究表明，這些多肽減少大鼠自發(fā)性高血壓和心血管肥大的發(fā)生，表明膠原具有降血壓的有益作用。

Hu等[11]評估超聲輔助處理對綿陽骨膠原結(jié)構(gòu)和功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與胃蛋白酶提取相比，超聲輔助處理膠原蛋白具有優(yōu)越的功能特性（如溶解性、吸水性和吸油能力），以及發(fā)泡和乳液特性，且具有潛在的抗氧化活性、二肽基肽酶4抑制活性和血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制活性，同時還具有抗癌、降壓、抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用。

除此之外，膠原亦可減少黑色素的生成和提高皮膚的持水力，從而實現(xiàn)美容抗衰目的。

2.1.2 在食品添加劑中的應(yīng)用

在肉制品中，膠原經(jīng)過修飾改性后能夠使肉制品更加鮮嫩，同時具有抗氧化和抗菌性能，從而對肉制品起到保鮮的作用。

Ran等[12]以殼聚糖（CS）和大豆分離蛋白（SPI）膠體顆粒為穩(wěn)定劑，吉尼平為交聯(lián)劑，制備肉桂精油基皮克林乳液，修飾膠原蛋白并制備成膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮克林乳劑修飾的膠原蛋白膜表現(xiàn)出增強的熱穩(wěn)定性、紫外線阻隔性能、耐水性、抗氧化活性和抗菌活性，當(dāng)功能化膜用于豬肉保存時，觀察到保質(zhì)期延長4 d，表明皮克林乳劑為膠原蛋白薄膜在豬肉保存中的應(yīng)用提供巨大潛力。

Waszkowiak等[13]對膠原蛋白制劑作為迷迭香提取物載體在臘腸和肝腸生產(chǎn)中的應(yīng)用進行評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過膠原纖維的制備，將迷迭香提取物引入產(chǎn)品中，限制產(chǎn)品的脂質(zhì)氧化，比直接向2種肉制品中添加抗氧化劑的效果更佳，從而實現(xiàn)延長肉制品保質(zhì)期的目的。

Zhao等[14]將Ⅰ型膠原添加到魚糜產(chǎn)品中，因I型膠原具有更高的水溶性和更多的帶電荷氨基酸，能夠與魚糜肌原纖維蛋白更好地纏繞在一起，從而誘導(dǎo)蛋白質(zhì)功能域暴露，導(dǎo)致肌球蛋白構(gòu)象發(fā)生變化的同時使蛋白質(zhì)之間形成更強的化學(xué)作用力，最終加速魚糜產(chǎn)品的凝膠速率，使得魚糜產(chǎn)品穩(wěn)定性更佳。

膠原作為食品添加劑除了在肉制品中的應(yīng)用，還可在面條、啤酒、飲料、糖果等烘焙食品中進行應(yīng)用，如：面條制作過程中加入膠原后吸水能力上升，可以改善面條的質(zhì)地和口感；面包中加入膠原，可以增加保水性，改善面包比容量，減緩老化等；在啤酒的生產(chǎn)過程中，加入明膠可以提高啤酒的清亮度，同時能清除在濾酒過程中會造成原料浪費的大部分帶電微粒。

2.1.3 在食品包材方面的應(yīng)用

膠原在食品包材方面的應(yīng)用，主要是由于膠原具有良好的成膜性能，從而用作制備腸衣和可食用膜和涂層等。

包裹在腸類食品最外層的腸衣，其對腸類食品的主要功能體現(xiàn)在2個方面：一是成型作用，保證腸類食品良好的成型效果；二是能保證腸類食品的品質(zhì)并延長其貨架期，這是因為腸衣將內(nèi)層與外界空氣隔離，從而延緩腸類食品的蛋白氧化和脂肪氧化。在眾多腸衣的制作原料中，膠原腸衣是一種可食性人造腸衣，具有成本低廉、口感俱佳、透明度高、機械強度高、生產(chǎn)易控和適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點之一。

如經(jīng)過戊二醛改性后，膠原蛋白腸衣的楊氏模量和抗拉伸強度明顯提升，表明較高機械強度的膠原蛋白腸衣具有適用于工業(yè)生產(chǎn)的巨大潛力[15]。Shakila等[16]發(fā)現(xiàn)經(jīng)殼聚糖改性的明膠膜的抗菌性能顯著提升，但其水溶性和水蒸氣透過率大幅降低，表明其應(yīng)用于食品的可行性。Xiong等[17]研究發(fā)現(xiàn)丁香精油也可以顯著提高三文魚骨明膠膜的抗菌性能。Zheng等[18]將沒食子酸修飾的殼聚糖與膠原共混制備成膜（CGC膜），結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于沒食子酸的作用，CGC膜具有良好的抗氧化性能，同時具有較高的機械性能、熱穩(wěn)定性及紫外線和水蒸氣阻擋能力，表明CGC膜具有作為食品包裝膜的潛力。

2.2 膠原在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用

2.2.1 在組織工程方面的應(yīng)用

優(yōu)良的組織工程要求人工支架具備相似于天然組織的化學(xué)成分和功能基團，而天然支架的主要成分便是三維網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞外基質(zhì)，包含膠原蛋白、多糖和其他蛋白質(zhì)。膠原應(yīng)用于組織工程，其主要優(yōu)勢是能促進細(xì)胞的吸附和增殖。He等[19]將膠原有效涂覆到具有親水性的PLLA-CL電紡纖維的表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠原蛋白可增加細(xì)胞活力和附著力，保持內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)，從而加速內(nèi)皮生長。雷英等[20]將Ⅰ型膠原與聚乳酸乙醇酸共聚物共混制備一種能夠促進細(xì)胞黏附增殖的組織工程皮膚支架，研究表明膠原可促進細(xì)胞在人工支架上粘附且可繼續(xù)生長。此外，利用戊二醛改性的膠原微纖維，能有效保持膠原微纖維的空間形狀達14 d，從而為制造細(xì)胞密集的3D肌肉組織提供可行性路徑。

在骨組織工程中，盡管已開發(fā)出通過自體移植物、同種異體移植物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）-2等實現(xiàn)骨再生的干預(yù)療法，但骨缺損的內(nèi)源性再生仍是一個臨床挑戰(zhàn)。為克服內(nèi)源性骨再生的局限性，Cho等[22]制備具有雙重生長因子（BMP-2和FGF-2）和各種水凝膠模式（陽性、邊緣和放射狀模式）的聚己內(nèi)酯/納米羥基磷灰石/膠原支架生長因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體外釋放的BMP-2和FGF-2的濃度不受聚己內(nèi)酯/納米羥基磷灰石支架中膠原模式的影響，證明在3D打印支架中加載雙重生長因子的膠原蛋白可影響內(nèi)源性骨再生與血管生成。

2.2.2 在藥物緩釋方面的應(yīng)用

給藥系統(tǒng)一種藥物傳遞載體，其目的是將藥物輸送給病人以達到治療效果。在人類歷史的進程中，通過劑量滴定、藥物控釋、緩釋和靶向釋放被證明可達到治療事半功倍的效果。然而，通過大尺寸材料進行給藥存在一定挑戰(zhàn)，如不穩(wěn)定性、體內(nèi)生物利用度差、溶解度差、吸收差和潛在的不良反應(yīng)等。Barbaresso等[23]利用戊二醛交聯(lián)膠原蛋白并研究對尼氟酸的緩釋行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)未添加戊二醛的樣品其藥物釋放率高達96.05%，比添加0.5%和0.75%的戊二醛的藥物釋放率分別高1.15倍和1.2倍。研究利用通過低溫壓制方法，將魚鱗膠原以及葡萄糖酸亞鐵制備水凝膠微針，其在24 h內(nèi)的藥物釋放量減少了34.5%[24]。

隨著生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，微乳作為藥物載體受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。通常，微乳可作為定點靶向藥物的載體，也可維持血液中的藥物濃度，還可在某一區(qū)域內(nèi)維持藥物的高濃度而對其他區(qū)域不產(chǎn)生副作用。用作制備微乳的原料大多是天然大分子蛋白質(zhì)。Cortesi等[25]制備明膠衍生物微乳并研究其對抗癌藥物TAPP-Br的緩釋作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)70 h，TAPP-Br釋放70%左右。天然膠原由于具有低免疫原性、生物降解性和生物相容性，因而是制備微乳的最佳原材料之一。膠原海綿作為藥物載體，可以阻止組織的亂向性以及控制藥物的釋放。Cochran等[26]將人骨形態(tài)蛋白2（rhBMP-2）吸附于膠原海綿，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可以穩(wěn)定牙齒的移植物并且在恢復(fù)后沒有并發(fā)癥。膠原海綿吸附抗生素后應(yīng)用于傷口處不會產(chǎn)生任何不良反應(yīng)，且膠原可被完好的吸收。Vaneerdeweg等[27]將吸附慶大霉素的膠原海綿置于膿包處，結(jié)果發(fā)現(xiàn)慶大霉素在膿包的局部區(qū)域內(nèi)保持較高的濃度，而血清則維持較低的濃度。

2.2.3 在創(chuàng)傷敷料方面的應(yīng)用

膠原具有很好的生物相容性、可吸收性、促進細(xì)胞生長、止血等多種優(yōu)點，是創(chuàng)傷敷料極佳的制備原材料。

Pal等[28]從印度鯪魚鱗中制備得到膠原蛋白海綿，體外試驗發(fā)現(xiàn)膠原蛋白海綿能夠提高細(xì)胞的生長和增殖力，能夠促進表皮層的分化；體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)膠原蛋白海綿可促進創(chuàng)面愈合、再生上皮和體內(nèi)真皮重建，表明膠原蛋白海綿有希望作為皮膚替代物。Pathan等[29]制備得到一種姜黃素膠原納米凝膠，應(yīng)用于皮膚組織中，研究發(fā)現(xiàn)姜黃素膠原納米凝膠的傷口收縮值更高，表明姜黃素膠原納米凝膠在皮膚創(chuàng)面愈合方面具有良好的應(yīng)用前景和安全性。

電紡納米纖維墊由于類似于細(xì)胞外基質(zhì)而被認(rèn)為是皮膚組織再生的巨大潛力。因此，Khalilimofrad等[30]使用體積比90+10的明膠/殼聚糖（CS）共混物制備電紡墊，Ⅰ型膠原與CS交聯(lián)以改善其生物特性，結(jié)果表明膠原Ⅰ型改性明膠/CS的納米纖維直徑達302±150 nm，Ⅰ型膠原的存在顯著增加細(xì)胞活力，并在3 d后遷移達89%，為皮膚組織的再生提供一種新的解決方案。

3 結(jié)語與展望

天然膠原作為一種未變性的高分子蛋白質(zhì)，保持3條多肽鏈構(gòu)成的三股螺旋結(jié)構(gòu)，具有良好的生物降解性、生物相容性及低免疫原性等生物學(xué)特性，因此被廣泛應(yīng)用于食品和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。近年來，膠原蛋白的營養(yǎng)價值、保健功能和生物醫(yī)學(xué)功能已受到越來越多的關(guān)注，然而，當(dāng)前研究重點仍停留在實驗室階段。如果能將實驗室的研發(fā)盡快拓展到工業(yè)化生產(chǎn)中，可使膠原蛋白更好地發(fā)揮資源優(yōu)勢并實現(xiàn)自身價值，從而為人類健康貢獻最大力量。