膠原蛋白的特性及其應(yīng)用

題目膠原蛋白的特性及其應(yīng)用學(xué)生姓名賴娜桐課程纖維化學(xué)與物理學(xué)號2012141502008專業(yè)輕紡與食品學(xué)院輕化工程二〇一四年十一月十九日膠原蛋白的特性及其應(yīng)用賴娜桐（四川大學(xué)輕紡與食品）[摘要]近年來，隨著膠原提取技術(shù)的發(fā)展以及對膠原蛋白與膠原多肽的功能性質(zhì)認(rèn)識的提高，膠原蛋白的研究與應(yīng)用成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。本文結(jié)合膠原蛋白各方面的性質(zhì)及性能綜述了其在輕工業(yè)、醫(yī)學(xué)材料等非制革領(lǐng)域的應(yīng)用。[關(guān)鍵詞]膠原蛋白；食品；化妝品；醫(yī)學(xué)；應(yīng)用PropertyandApplicationofCollagenProteinLaiNa-tong(SchoolofLightTextileandFoodEngineering,SichuanUniversity)[Abstract]Withthedevelopmentofthemeansofextractingcollagenandthefullrealizationoffunctionalpropertiesofcollagenandcollagenpeptide,theresearchandapplicationofthecollagenhavebecomeahotspot.Thispaperwillintroducestheapplicationofcollagenprotein,combiningwiththepropertyandfunction,inlightindustrial,medical

materialsandotherfieldexceptleathermanufacture.[Keyword]collagenprotein;food;cosmetics;medical;application一、前言膠原蛋白是是細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要成分，約占膠原纖維固體物的85%。膠原蛋白是動(dòng)物體中普遍存在的一種大分子蛋白，主要存在于動(dòng)物的結(jié)締組織（骨、軟骨、皮膚、腱、韌等）中，占哺乳動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)的25%～30%，相當(dāng)于體重的6%。在許多海洋生物，如魚類的皮，占其蛋白質(zhì)含量甚至高達(dá)80%以上[1-3]百度。據(jù)估計(jì),自然界中從低等的無脊椎動(dòng)物到高等的哺乳動(dòng)物,總共大約有500億噸以上的膠原[4]。膠原蛋白主要含有α－氨基酸、脯氨酸、羥氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸等。膠原蛋白是膠原的水解產(chǎn)物，其中三股螺旋結(jié)構(gòu)徹底松開，成為3條自由的肽鏈，且降解成多分散的肽段，每一條α肽鏈在分子結(jié)構(gòu)上都是由重復(fù)出現(xiàn)的Gly-X-Y三肽周期結(jié)構(gòu)組成左手螺旋結(jié)構(gòu)．每種膠原蛋白至少含有一段三螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域，這樣的三股螺旋區(qū)域被稱為膠原區(qū)域，3條肽鏈在氨基酸殘基的相互作用下，以同一軸為中心，以右手螺旋方式形成穩(wěn)定的三股螺旋結(jié)構(gòu)。除了三螺旋結(jié)構(gòu)以外，已大量地應(yīng)用于食品工業(yè),如膠原多肽、水解氨基酸口服液及飲料等保健食品。為保證有效的生理功能,用作保健制品原料的膠原蛋白要有一定程度的降解[28]。2、食品添加劑。肉制品改良劑，由于膠原蛋白超螺旋結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,膠原蛋白分子之間橫向結(jié)合形成膠原纖維而存在于結(jié)締組織,性質(zhì)穩(wěn)定,一般的加工溫度及短時(shí)間都不能使其分解,這類食品食后感覺口感硬,食用品質(zhì)差,且不容易消化吸收。人們發(fā)現(xiàn)膠原蛋白可以影響肉類的嫩度和肉類蒸煮后肌肉的紋理[29]；通過破壞膠原蛋白分子內(nèi)的氫鍵,使其原有的緊密超螺旋結(jié)構(gòu)破壞,形成分子較小,結(jié)構(gòu)較為松散的明膠,即可改善結(jié)締組織的嫩度,提高其食用價(jià)值[30]；膠原蛋白粉可直接加入肉制品,提高產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量,在適量的范圍內(nèi)添加到肉類灌腸中,能明顯增強(qiáng)肉制品的彈性和切片性,如添加到紅腸中可使其彈性好、粘性好,口感適中,有咬勁[31]；膠原蛋白與其他蛋白質(zhì)一樣具有良好的染色性,根據(jù)制品的需要,用紅曲等食用色素染成近似與肌肉組織的桃紅色,使消費(fèi)者易于接受。飲料、酒類食品澄清劑，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，魚明膠用量最多的是在飲料工業(yè)中作為澄清劑，特別是在作為發(fā)酵后除去酒液中一些膠體懸浮物的最佳澄清劑[32]。乳制品添加劑，膠原多肽可廣泛用于鮮牛奶、酸奶、奶飲料等乳制品中，起到抗乳清析出、乳化穩(wěn)定的作用，也可添加到奶粉中，既可提高奶粉的營養(yǎng)價(jià)值，又可增強(qiáng)奶粉的保健功能，提高機(jī)體的免疫力[32]。其他用途的食品添加劑，膠原多肽也可加入到面包和糕點(diǎn)中，以延長老化時(shí)間，增加體積和松軟度，也可添加到糖果中使軟糖果保持形態(tài)穩(wěn)定，即使承受較大的壓力也不會(huì)變形。此外，有報(bào)道說，日本以動(dòng)物膠原蛋白為原料經(jīng)膠原蛋白水解酶水解，調(diào)制開發(fā)出新型調(diào)味品，這種調(diào)味品因其含有豐富的呈味氨基酸，具有很好的呈味性能，同時(shí)還能補(bǔ)充部分氨基酸[32]。3、食品包裝材料。膠原膜具有阻油、阻氧、阻水、可攜帶抗氧劑及抗菌劑載體、保香等功能，可以廣泛應(yīng)用于食品包裝[33]。膠原蛋白是制作人工腸衣的理想原料,在熱處理過程中,隨著水分和油脂的蒸發(fā)和熔化,膠原幾乎與肉食的收縮率一致,而其它的可食用包裝材料還沒被發(fā)現(xiàn)具有這些品質(zhì)[34]。用戊二醛對膠原蛋白進(jìn)行處理,可使制品的熱穩(wěn)定性大大提高。膠原蛋白制作腸衣,具有口感好、透明度高、制作工藝簡單等特點(diǎn),很受用戶歡迎,在我國具有很好的開發(fā)前景。人工腸衣還有一些天然腸衣不可比擬的優(yōu)點(diǎn),如在人工腸衣中加入某些酶,使腸衣本身具有固化酶的功能,可以改善香腸風(fēng)味和質(zhì)量[35]。以膠原蛋白作為主要原料,輔以甘油、氯化鈣等添加劑,可制成可食性蛋白膜,用于糖果、蜜餞、果脯、糕點(diǎn)等的內(nèi)包裝膜,其不僅具有良好的外觀、機(jī)械性能,而且可作為一種營養(yǎng)載體,成為食品的一種營養(yǎng)強(qiáng)化劑[36]。膠原蛋白還可用于制作復(fù)合天然保鮮膜,用于肉類保鮮,效果[37]。用明膠制成的明膠膜又稱可食包裝膜、生物降解膜,具有良好的抗拉強(qiáng)度、熱封性和較高的阻氣、阻油、阻濕性能[38],可用于水果保鮮、肉類保鮮、食品包裝或直接食用。為了保證包裝材料的強(qiáng)度,要求水解膠原保持較大的分子量。4、食品的涂層材料近年來,人們發(fā)現(xiàn)將近年來,人們發(fā)現(xiàn)將明膠用于食品涂層上具有很多好處,如:避免食品氧化,抑制褐變反應(yīng);防止食品吸潮及僵硬;使食品表面有光澤;作為穩(wěn)定劑,防止產(chǎn)品干縮變形;具有保鮮作用,明膠溶液可在果蔬表面形成皮膜,能保證食品的新鮮度和天然風(fēng)味;防止食品腐敗,延長食品的保存期;提高揮發(fā)性食品成分的保存性;調(diào)整溶解性等[39]。5、在食品行業(yè)其它方面的應(yīng)用。膠原蛋白粉經(jīng)調(diào)漿、成型、干燥、油炸等工序,可制得膠原小食品;調(diào)漿時(shí),可根據(jù)口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品。在食品生產(chǎn)中,明膠可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、攪打劑、發(fā)泡劑等用于糖果、冷凍食品和乳制品、罐頭食品等的生產(chǎn)。（三）膠原蛋白在化妝品行業(yè)的應(yīng)用膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料,可以滋潤肌膚,賦予其平滑感覺,對頭發(fā)也有很好的調(diào)理作用。膠原蛋白應(yīng)用于化妝品的功效主要有以下幾點(diǎn)：（1）營養(yǎng)性；（2）修復(fù)性；（3）保濕性；（4）配伍性；（5）親和性。試驗(yàn)證明，0.01%的膠原蛋白純?nèi)芤壕陀辛己玫目垢鞣N輻射的作用,且能形成很好的保水層,能供給皮膚所需要的全部水分。在美國、德國、日本等國家,許多高檔化妝品中添加有膠原蛋白,甚至在人面部注射膠原以改善皮膚,減少皺紋。美國CTFA化妝品原料手冊錄用的天然物質(zhì)和《功能性化妝品原料》中，都有膠原蛋白或其水解產(chǎn)物(羥脯氨酸、脯氨酸、絲氨酸)[40-42]。（四）膠原蛋白作為飼料用蛋白蔣挺大[43]等在上世紀(jì)90年代初從制革生產(chǎn)中的廢棄物鉻革渣中提取飼料膠原蛋白粉,經(jīng)鑒定是一種新型的飼料蛋白質(zhì)添加劑,其主要營養(yǎng)及化學(xué)成分分析結(jié)果:粗蛋白、粗纖維、粗脂肪總含量70%以上,總鉻含5.29mg/kg(為三價(jià)鉻,無六價(jià)鉻),氨基酸18種。具有營養(yǎng)價(jià)值高,粗蛋白的體外消化率達(dá)91.7%,高于進(jìn)口魚粉和其他動(dòng)物蛋白;極強(qiáng)的抗病能力,可使雞的死亡率從20%以上降低到3%以下,它是除藥物以外任何一種飼料添加劑無法比擬的；有一定的粘結(jié)性,適口性好等特點(diǎn)。（五）膠原蛋白在造紙業(yè)的應(yīng)用膠原纖維除具有一般纖維相同的機(jī)械強(qiáng)度外,還有獨(dú)特的摩擦性、耐熱性、吸音性、吸水性和對其它物質(zhì)的吸著性能。膠原纖維和植物纖維是兩大天然高分子,都含有許多活性基團(tuán)和活性部位,它為兩種纖維的再生復(fù)合(機(jī)械混合或化學(xué)處理)提供了良好的條件[44]。付麗紅[45]等研究發(fā)現(xiàn)植物纖維(紙纖維)和膠原蛋白之間可形成化學(xué)鍵,使得紙纖維間的結(jié)合力增大,鍵能提高,從而顯著提高紙張的物理強(qiáng)度,并使紙張的吸水性和透氣性降低。因此再生天然纖維復(fù)合可以生產(chǎn)許多不同風(fēng)格、特點(diǎn)和用途的產(chǎn)品。（六）膠原蛋白在紡織業(yè)的應(yīng)用膠原蛋白是一種纖維狀蛋白質(zhì),具有獨(dú)特的棒狀螺旋結(jié)構(gòu),物理機(jī)械性能非常優(yōu)越,與一般植物蛋白相比更適合于紡絲生產(chǎn)蛋白纖維[46]。其纖維的強(qiáng)度較高,可制成紡織面料及服裝,且保濕性優(yōu)良,與人體皮膚具有較好的親和性,穿著舒適。國外有許多利用膠原蛋白進(jìn)行紡絲的研究報(bào)道[47-48]。日本研究者采用經(jīng)收縮處理過的生絲和從生絲中提取的膠原蛋白制取具有永久彈性的真絲[49]。膠原蛋白可制備醫(yī)用可吸收縫合線或與其它高分子制得共混纖維[50]。（七）膠原蛋白生產(chǎn)特殊材料膠原復(fù)合材料共混膜。膠原蛋白除同其它高分子材料共混紡絲外,還具有良好的成膜性能。其優(yōu)異的生物性能使膠原蛋白共混膜制品在生物材料、食品包裝材料等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。但單一膠原蛋白材料力學(xué)性能(特別是濕強(qiáng))和抗水性差,易降解,膠原蛋白通過化學(xué)修飾或與其它高分子材料(殼聚糖、聚乙烯醇、葡甘聚糖、軟骨素、透明質(zhì)酸、絲素等)共混的方式能有效改善以上不足,這正是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[51-52].膠原納米材料。無機(jī)納米粒子通過某種反應(yīng)可與膠原蛋白纖維形成無機(jī)相納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,且無機(jī)納米粒子均一地分散在蛋白纖維間隙中,而蛋白纖維具有控制納米顆粒直徑和防止納米顆粒團(tuán)聚的作用。可采用溶膠凝膠法,制備皮膠原—TiO2納米復(fù)合材料,納米TiO2能均勻滲透到皮膠原纖維中文獻(xiàn)[53]。（八）膠原蛋白在生物發(fā)酵中的應(yīng)用隨著我國生物醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展,作為生物發(fā)酵培養(yǎng)基的傳統(tǒng)的蛋白胨資源,其供需矛盾將日益突出,浙江巨化集團(tuán)[54]通過對廢革回收提取得到的水解膠原蛋白,是一種新型的生物發(fā)酵培養(yǎng)基,含氨基酸種類齊全,具有微生物培養(yǎng)的獨(dú)特功效,是細(xì)菌學(xué)培養(yǎng)、生物發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳原料之一。可用于青、鏈霉素、金霉素、螺旋霉素等抗生素藥物的生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)證明該培養(yǎng)基可有效的促進(jìn)菌絲的生長,具有菌絲生長快、菌絲粗壯等特點(diǎn),在含氮量和水溶性方面,優(yōu)勢獨(dú)特,價(jià)格、性能明顯優(yōu)于常規(guī)的骨胨、肉胨等蛋白胨。三、膠原蛋白在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用膠原蛋白因其特有的極低的抗原性、可生物降解性、生物吸收性、止血性能和促進(jìn)細(xì)胞生長的功能,使得其近年來在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)學(xué)臨床的研究和應(yīng)用日益廣泛。（一）膠原蛋白應(yīng)用于燒傷治療燒傷是一種常見的疾病,膠原蛋白生物敷料具有制備方法簡便、滅菌方便、易于加工等優(yōu)點(diǎn)[55],促進(jìn)了其在燒傷治療中的應(yīng)用。Yannas[56]等人研究了10例使用膠原蛋白敷料的燒傷病人,無感染、炎癥和排異反應(yīng)。將自體上皮細(xì)胞被植入到膠原蛋白基質(zhì)中,可完全替代皮[57]。國內(nèi)王旭等人[58]利用人的真皮組織提取膠原溶液,冷凍干燥制備成膠原膜后,植入預(yù)先培養(yǎng)的纖維母細(xì)胞,形成人真皮類似物。四川大學(xué)王坤余[4]等人提出了從皮革廢棄物中提取膠原蛋白作為治療燒傷的敷料的構(gòu)想。膠原蛋白作為創(chuàng)傷敷料具有黏附性好、適于肉芽組織和上皮細(xì)胞形成、能減小傷口的攣縮和抗原反應(yīng)、止血性能好、易吸收組織溢泌物等[59]特點(diǎn)。（二）膠原蛋白在創(chuàng)傷外科中的應(yīng)用膠原蛋白用于創(chuàng)傷治療中的特點(diǎn)除了具有抵抗原性、生物相容性的生物特性外,還具有類似真皮的物理形態(tài)結(jié)構(gòu)和可適度交聯(lián)及被組織吸收的物理化學(xué)特點(diǎn)。目前,膠原蛋白及其改性的產(chǎn)品在國內(nèi)外被大量的投入生產(chǎn)[60]膠原蛋白是以纖維或彈性纖維的形式發(fā)揮生理作用,對創(chuàng)傷組織的修復(fù)有重要意義,在創(chuàng)傷外科中主要用于外力所致的傷口、腿部潰瘍和褥瘡等的治療[61]。Duun等人[62]設(shè)計(jì)出一種含有碳2纖維電極的交聯(lián)膠原蛋白海綿,在電刺激作用下該海綿可加速創(chuàng)傷傷口的愈合。戊二醛膠原人工皮,可用于綠膿桿菌感染、慢性潰瘍創(chuàng)面及Ⅲ度切痂創(chuàng)面、且無排異反應(yīng),可望替代異體[63]。（三）膠原蛋白在止血方面的應(yīng)用膠原蛋白能夠與血小板黏結(jié)、聚集起到止血的作用,它的三螺旋結(jié)構(gòu)能夠誘導(dǎo)血小板附著[64],產(chǎn)生釋放反映,而且能激活血液凝固因子,粘著在滲血的傷口上,對損傷的血管起到填塞的作用。國外對膠原止血材料的研究十分活躍,已經(jīng)成功地用于肝、脾等富含血管的組織出血的治療中,如肝臟吻合術(shù)、心臟手術(shù)及各種外科、內(nèi)科手術(shù)[65]。（四）膠原蛋白用于眼科疾病的治療膠原蛋白能夠促進(jìn)角膜上皮細(xì)胞的損傷的修復(fù)和細(xì)胞生長,在眼科疾病的治療中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。膠原蛋白溶解于淚液中,具有引導(dǎo)上皮細(xì)胞潛入缺損區(qū)的能力,同時(shí)它的降解產(chǎn)物能被新生細(xì)胞利用,合成新的膠原,起到連接細(xì)胞的作用[66]。（五）膠原蛋白在組織工程中的應(yīng)用組織工程是研究、開發(fā)用于修復(fù)、維護(hù)、促進(jìn)人體各種組織或器官損傷后功能和形態(tài)的生物替代物的新興學(xué)科,它主要研究四個(gè)方面:種子細(xì)胞、支架材料、器官構(gòu)建、臨床使用。隨著研究的深入,組織工程對于生物材料的要求越來越高。目前,生物可降解的膠原蛋白是組織工程中研究較多的一類材料,它具有生物相容性好,植入體內(nèi)后能在體液、酶、細(xì)胞等的作用下發(fā)生降解,變成小分子物質(zhì)被吸收或通過新陳代謝排出體外等特點(diǎn)[67]。作為組織工程學(xué)方面的應(yīng)用[68-70]還包括:皮膚代用品、骨代用品、人工血管和瓣膜等。三、問題與展望隨著科學(xué)的發(fā)展,人民生活水平的提高,生活質(zhì)量越來越受到重視,人們追求純天然,無污染的綠色食品為大勢所趨。膠原蛋白作為天然的生物資源，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能,具有良好的生物相溶性和生物可降解性,以及其天然的低毒性、低免疫性、被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、化妝品等領(lǐng)域。當(dāng)今人民越來越關(guān)注膠原蛋白的開發(fā)和利用,在生物和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，膠原的功能特點(diǎn)將會(huì)不斷地被發(fā)掘,使膠原蛋白更廣泛的造福人類。但是膠原的耐用性、生物相容性及制備的高成本是其作為生物材料的主要限制因素，在國內(nèi)，膠原食品的優(yōu)越性還沒有得到消費(fèi)者的充分認(rèn)識。另外目前實(shí)驗(yàn)所用膠原大多來源于動(dòng)物,對臨床的研究不利或有所限制。而且如何從富含膠原蛋白的皮革廢棄物中提取高價(jià)值的膠原蛋白，實(shí)現(xiàn)其高值利用，充分發(fā)揮其資源優(yōu)勢,是目前擺在人們面前的一個(gè)難題,它不僅是有利于膠原蛋白的有效利用,同時(shí)對保護(hù)環(huán)境也具有十分重要的意義。參考文獻(xiàn)[1].HulmesDJ.Buildingcollagenmolecules，fibril，andsuprafibrillarstructures.JStructBiol，2002，37（1-2）:2-10[2].JeromeAW，JohnAMRl.Immunologyofcollagen-basedbiomaterials.In:DonaldLW.Biomaterialsandbioengineeringhandbook.MarcelDekker.Inc.USA，2000.739-760.[3].FrederickHS，DavidLC.Collagenscaffoldsfortissueregeneration.In:DonaldLW.Biomaterialsandbioengineeringhandbook.MarcelDekker.Inc.USA，2000.761-772.[4]王坤余,潘志娟,陳家麗.膠原蛋白在醫(yī)用創(chuàng)傷敷料中的應(yīng)用[J].皮革科學(xué)與工程.2002,12(1):46-49.[5]蔣挺大．膠原與膠原蛋白[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006:4-14.[6]李衛(wèi)林,曹健,湯克勇,等．膠原蛋白結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性關(guān)系研究[J]．中國皮革,2005,34(23):14-16.[7]Berisio

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