胶原蛋白的特性及其应用

题目胶原蛋白的特性及其应用学生姓名赖娜桐课程纤维化学与物理学号2012141502008专业轻纺与食品学院轻化工程二〇一四年十一月十九日胶原蛋白的特性及其应用赖娜桐（四川大学轻纺与食品）[摘要]近年来，随着胶原提取技术的发展以及对胶原蛋白与胶原多肽的功能性质认识的提高，胶原蛋白的研究与应用成为一个新的热点。本文结合胶原蛋白各方面的性质及性能综述了其在轻工业、医学材料等非制革领域的应用。[关键词]胶原蛋白；食品；化妆品；医学；应用PropertyandApplicationofCollagenProteinLaiNa-tong(SchoolofLightTextileandFoodEngineering,SichuanUniversity)[Abstract]Withthedevelopmentofthemeansofextractingcollagenandthefullrealizationoffunctionalpropertiesofcollagenandcollagenpeptide,theresearchandapplicationofthecollagenhavebecomeahotspot.Thispaperwillintroducestheapplicationofcollagenprotein,combiningwiththepropertyandfunction,inlightindustrial,medicalmaterialsandotherfieldexceptleathermanufacture.[Keyword]collagenprotein;food;cosmetics;medical;application一、前言胶原蛋白是是细胞外基质（ECM）的主要成分，约占胶原纤维固体物的85%。胶原蛋白是动物体中普遍存在的一种大分子蛋白，主要存在于动物的结缔组织（骨、软骨、皮肤、腱、韧等）中，占哺乳动物体内蛋白质的25%～30%，相当于体重的6%。在许多海洋生物，如鱼类的皮，占其蛋白质含量甚至高达80%以上[1-3]百度。据估计,自然界中从低等的无脊椎动物到高等的哺乳动物,总共大约有500亿吨以上的胶原[4]。胶原蛋白主要含有α－氨基酸、脯氨酸、羟氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸等。胶原蛋白是胶原的水解产物，其中三股螺旋结构彻底松开，成为3条自由的肽链，且降解成多分散的肽段，每一条α肽链在分子结构上都是由重复出现的Gly-X-Y三肽周期结构组成左手螺旋结构．每种胶原蛋白至少含有一段三螺旋结构区域，这样的三股螺旋区域被称为胶原区域，3条肽链在氨基酸残基的相互作用下，以同一轴为中心，以右手螺旋方式形成稳定的三股螺旋结构。除了三螺旋结构以外，胶原蛋白还含有非三螺旋结构的结构域，这些非三螺旋的结构域可成为细胞外基质[5-6].这些结构特征决定了胶原蛋白具有一定的热稳定性和很高的机械韧性和强度，独特的纤维状结构及良好的生物相容性、可降解性和低抗原性等生物活性[7]。胶原蛋白的热稳定性和很高的机械韧性和强度,赋予了它用于食品、医药品、包装材料的独特之处;胶原蛋白具有很强的亲水、保湿性能,这是由于胶原分子链上含有大量的亲水基团,所以与水结合的能力很强,这一特性使其在食品中可用作添加剂,以改善食品的风味、提高食品的保藏稳定期,可用作食品的胶凝剂、稳定剂、乳化剂、增稠剂、发泡剂、粘合剂(粘结剂)、澄清剂等。胶原蛋白作为天然的生物资源,目前在食品、医药、化妆品、生物肥料、生物农药等高附加值工业中的应用越来越广泛,越来越受到人们的重视。胶原蛋白所特有的极低的抗原性、极高的可生物降解性、生物吸收性、止血功能和促进细胞生长的功能,近几年来在医药工业、临床医学和临床治疗中也有广泛的应用。根据临床要求的不同,对胶原进行相应的加工处理,制备成胶原注射液、胶原止血粉剂、止血纤维、止血海绵、手术缝合材料、心脏瓣膜修复材料,或以膜形式的外科敷、皮肤移植材料,以及以管状形式的血管、食管和气管的替代材料等。这些材料被广泛用于创伤和烧伤的修复、整形和美容,皮肤及神经生长,以及血管、瓣膜手术等,展现出良好的应用前景[4]。我国是肉类消费大国,在生产肉类的同时会产生大量的副产品,动物皮就是其中主要之一,胶原蛋白是动物皮的主要组成成分,是动物体内含量最高的蛋白,占皮、筋腱、软骨等组织干重的70%以上[8]。由于我国大部分的皮资源均以制革等形式加以利用，利用率极低，而产生的皮革固体废弃物。如不加以回收利用，则不仅会占用场地、污染环境，而且也是对胶原蛋白资源的极大浪费。由于世界制革的重心由70年代欧美目前已转移到我国,使得动物皮大量用于制革,而制革工业中只有25%左右的原料皮变成革,其余都在制作过程作为边角废料扔掉。据资料统计我国年投产1.7亿张皮,约有140万t固体废料产生[9-10],这些含80%胶原蛋白的废料又分为含铬废料和不含铬废料两大类,其中含铬的有毒废料占了70%左右[11-12],不含铬的胶原蛋白废料由于成分简单,没有经过铬的交联,容易提取高纯度、高质量的胶原蛋白产品,其利用技术也已较为完善。而含铬废弃物中由于铬与胶原以共价键牢固结合并在胶原肽链间形成交联,很难将其分离提纯。如此多的废料弃之不用既占用场地,也会带来严重的环境污染和生态破坏,又是资源的极大浪费。因此,各国纷纷对皮革下角料制取胶原蛋白,回收铬盐的工艺进行研究,以进一步高价值转化皮革废弃物,充分有效利用资源。美国在九十年代便开始研究从铬革屑中提取胶原蛋白应用于饲料添加剂、农业化肥等领域;罗马尼亚从制革下角料中提取胶原蛋白将其用于皮肤医学、药物和兽医等的生物材料;日本除上述利用外,还将其加工成照相底片;我国四川大学皮革工程系张铭让教授等研究从制革废弃物中提取胶原蛋白应用于食品和化妆品行业,并建成了年产100t胶原蛋白粉的中试基地[13]。二、胶原蛋白在轻工业的应用（一）改性胶原蛋白作为化工材料在皮革工业的应用胶原蛋白类皮革复鞣填充材料。胶原蛋白质是天然的两性大分子化合物，与皮纤维具有相似的结构，相容性很好，亲和力强，能稳定地沉积于皮革纤维网状结构之中，不仅起到良好的复鞣填充作用，而且有助于皮革染色，能降低废水处理中的COD和BOD值，有利于节能减排[14]。胶原多肽分子量一般较小，直接用于皮革加工，不能形成选择性填充和使成革丰满的复鞣填充效果。因此，需对胶原多肽进行必要的化学改性，增大其相对分子质量，并引入更多能与革纤维和铬离子形成稳定结合的活性基团，增强改性蛋白复鞣填充剂与革纤维的结合程度[15-18]。改性胶原蛋白涂饰材料。利用制革固体废弃物提取的大分子水解胶原－明胶作为原料，通过化学改性研制蛋白类皮革涂饰剂，既为实现铬革废弃物的高值转化找到一条可行的新途径，从而为制革循环经济的构建提供一些具体的方法，又能为研制蛋白类涂饰剂提供了新的原料和途径，可以部分代替酪素，缓解酪素改性产品生产成本不断提高的压力，实现了资源的最大化和高值转化[19-20]．胶原蛋白改善合成革卫生性能。超细纤维合成革由于物理化学性能优异、机械化程度高、无部位差等优点，成为替代天然皮革较为理想的仿革材料．但是，和天然皮革相比，超细纤维合成革基布纤维上的活性基团很少，透气性和透水汽性较小，卫生性能较差，这也成为了这一产品向高端市场迈进的技术瓶颈．采用胶原蛋白对超细纤维合成革进行改性，胶原蛋白上大量的活性基团增加了合成革基布上的亲水基团含量，提高了超细纤维合成革基布透水汽性，改善了其卫生性能[21-23]。（二）胶原蛋白在食品中的应用胶原蛋白富含19种氨基酸,其组成为甘氨酸占30%，脯氨酸和羟脯氨酸共占约25%，脯氨酸和羟脯氨酸的含量是各种蛋白质中含量最高的,羟基赖氨酸是其它蛋白质不存在的,营养十分丰富。明胶和胶原多肽作为胶原蛋白的降解产物,同样具有很多优良的性能。近年研究表明,胶原多肽可以在肠道直接被吸收,肽类和氨基酸以不同的途径被吸收,而且多肽类比氨基酸具有更大的吸收量;明胶是强有力的保护胶体,乳化力强,进入胃后能抑制牛奶、豆浆等蛋白质因胃酸作用而引起的凝聚作用,从而有利于食品的消化。另外,经常食用含胶原蛋白丰富的食品能有效地增加皮肤组织细胞的储水能力,增强和维持肌肤良好的弹性,强化肌肤的韧性,延缓肌体的衰老,同时还可强筋健骨,增强体质[8]。因此,胶原蛋白还是一种维持青春与健美的良好营养来源,这类食品将愈来愈受到人们的青睐。胶原蛋白在食品行业中的应用主要包括以下几类。1、功能性食品和保健品。经常食用含胶原蛋白丰富的食品,能有效地增加皮肤组织细胞的储水能力,增强和维持肌肤良好的弹性,强化肌肤的韧性,延缓肌体的衰老[24-26]。同时,胶原蛋白可以作为补钙成分用于保健食品,因为血浆中来自胶原蛋白的羟基脯氨酸是将血浆中的钙运输到骨细胞的运载工具,骨细胞中的骨胶原则是羟基磷灰石的黏合剂,它与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体。此外,胶原蛋白还能降低血甘三酯和胆固醇,用于制作减肥降血脂食品。有研究表明,铝对人体有害,老年痴呆可能与摄入过量的铝有关,而胶原蛋白在排出体内的铝方面也具有独到之处[27]。因此,胶原蛋白是生产补钙及减肥、美容护肤、延缓衰老类保健食品的理想原料。在我国,有一种传统的胶原保健品———“阿胶”,它主要是以灰驴皮为原料,经特殊的工艺生产出来的,具有较高的滋补保健作用。在日本,胶原食品被厚生省作为“健康食品”推向市场,胶原蛋白及其降解产物被作为众多功能性食品的原料,已大量地应用于食品工业,如胶原多肽、水解氨基酸口服液及饮料等保健食品。为保证有效的生理功能,用作保健制品原料的胶原蛋白要有一定程度的降解[28]。2、食品添加剂。肉制品改良剂，由于胶原蛋白超螺旋结构十分稳定,胶原蛋白分子之间横向结合形成胶原纤维而存在于结缔组织,性质稳定,一般的加工温度及短时间都不能使其分解,这类食品食后感觉口感硬,食用品质差,且不容易消化吸收。人们发现胶原蛋白可以影响肉类的嫩度和肉类蒸煮后肌肉的纹理[29]；通过破坏胶原蛋白分子内的氢键,使其原有的紧密超螺旋结构破坏,形成分子较小,结构较为松散的明胶,即可改善结缔组织的嫩度,提高其食用价值[30]；胶原蛋白粉可直接加入肉制品,提高产品的蛋白质含量,在适量的范围内添加到肉类灌肠中,能明显增强肉制品的弹性和切片性,如添加到红肠中可使其弹性好、粘性好,口感适中,有咬劲[31]；胶原蛋白与其他蛋白质一样具有良好的染色性,根据制品的需要,用红曲等食用色素染成近似与肌肉组织的桃红色,使消费者易于接受。饮料、酒类食品澄清剂，据文献报道，鱼明胶用量最多的是在饮料工业中作为澄清剂，特别是在作为发酵后除去酒液中一些胶体悬浮物的最佳澄清剂[32]。乳制品添加剂，胶原多肽可广泛用于鲜牛奶、酸奶、奶饮料等乳制品中，起到抗乳清析出、乳化稳定的作用，也可添加到奶粉中，既可提高奶粉的营养价值，又可增强奶粉的保健功能，提高机体的免疫力[32]。其他用途的食品添加剂，胶原多肽也可加入到面包和糕点中，以延长老化时间，增加体积和松软度，也可添加到糖果中使软糖果保持形态稳定，即使承受较大的压力也不会变形。此外，有报道说，日本以动物胶原蛋白为原料经胶原蛋白水解酶水解，调制开发出新型调味品，这种调味品因其含有丰富的呈味氨基酸，具有很好的呈味性能，同时还能补充部分氨基酸[32]。3、食品包装材料。胶原膜具有阻油、阻氧、阻水、可携带抗氧剂及抗菌剂载体、保香等功能，可以广泛应用于食品包装[33]。胶原蛋白是制作人工肠衣的理想原料,在热处理过程中,随着水分和油脂的蒸发和熔化,胶原几乎与肉食的收缩率一致,而其它的可食用包装材料还没被发现具有这些品质[34]。用戊二醛对胶原蛋白进行处理,可使制品的热稳定性大大提高。胶原蛋白制作肠衣,具有口感好、透明度高、制作工艺简单等特点,很受用户欢迎,在我国具有很好的开发前景。人工肠衣还有一些天然肠衣不可比拟的优点,如在人工肠衣中加入某些酶,使肠衣本身具有固化酶的功能,可以改善香肠风味和质量[35]。以胶原蛋白作为主要原料,辅以甘油、氯化钙等添加剂,可制成可食性蛋白膜,用于糖果、蜜饯、果脯、