姚行行，郭 妍，莊永亮

（昆明理工大學(xué) 云南省食品安全研究院，云南 昆明 650500）

膠原蛋白是動(dòng)物體內(nèi)含量豐富的蛋白質(zhì)，所有多細(xì)胞動(dòng)物都含有膠原蛋白[1]。膠原蛋白具有良好的生物相容性、生物降解性以及弱抗原性[2]，被廣泛應(yīng)用于皮革工業(yè)、制藥業(yè)、生物醫(yī)學(xué)以及食品工業(yè)等行業(yè)，如制備生物材料和人造皮膚[3-4]、可食性或可生物降解的膠原膜[5]，促進(jìn)肌肉組織愈合的傷口敷料[6]以及降解制備生物活性因子和保健食品等。近年來，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖和加工產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，魚類加工下腳料等為主要組成的產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)品產(chǎn)量越來越大[1]。研究表明，魚加工下腳料，特別是魚皮、魚骨，富含膠原蛋白，是非常豐富的膠原蛋白潛在資源。

膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白，呈纖維狀，在水溶液中的溶解性較差，但易溶于酸性介質(zhì)，因此在制備過程中經(jīng)常使用低溫酸溶液提取法。Chuaychan[7]和Hu Jinhua[8]等以有機(jī)酸為溶劑分別制備了魚源酸溶性膠原蛋白。此外，研究表明，有機(jī)酸低溫提取能夠最大程度上保留膠原三螺旋結(jié)構(gòu)及其生物活性[1]。

云南深水鯛魚養(yǎng)殖是云南高原特色水產(chǎn)養(yǎng)殖的龍頭產(chǎn)業(yè)。云南鯛魚是海水紅鯛與淡水尼羅非魚的雜交品種，一般生活在深淡水中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南省2016年云南鯛魚總產(chǎn)量為24.5萬 t，其中加工處理6.3萬 t。目前，云南鯛魚的加工主要以制作生魚片為主，從而產(chǎn)生了大量的下腳料，主要包括魚頭、尾、骨、皮、鱗、內(nèi)臟及其殘留魚肉[9]。本實(shí)驗(yàn)主要從云南鯛魚加工下腳料魚骨中低溫提取制備酸溶性膠原蛋白（acid-soluble collagen，ASC），并研究分析其理化性質(zhì)，以期為云南鯛魚骨的綜合利用和精深加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

云南鯛魚骨由云南海王水產(chǎn)有限公司提供，用刀剔除殘留魚肉，自來水清洗干凈后切成小塊，－25 ℃存儲(chǔ)備用。

蛋白Marker 大連寶生物工程有限公司；胰蛋白酶上海源葉生物科技有限公司；乙腈（色譜級(jí)） 德國(guó)默克公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TU-1901紫外-可見光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Q Exactive Focus高分辨質(zhì)譜儀 美國(guó)Thermo Fisher公司；L-8900氨基酸分析儀、S-4800型電子顯微鏡 日本日立公司；DYCZ-25E型電泳儀 北京六一生物科技有限公司；DSC 214 Polyma型差示掃描量熱儀 德國(guó)耐馳公司；傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)布魯克光學(xué)公司。

1.3 方法

1.3.1 ASC的制備

魚骨ASC的提取參考文獻(xiàn)[10]并稍作修改。按1∶20（m/V，下同）將鯛魚骨置于0.1 mol/L NaOH溶液中攪拌除去非膠原物質(zhì)（2 d，每隔12 h換液），清洗至中性，按1∶20加入0.5 mol/L 乙二胺四乙酸二鈉鹽（pH 7.5）攪拌進(jìn)行脫鈣處理（5 d，每隔24 h換液），然后按料液比1∶20加入體積分?jǐn)?shù)10%正丁醇溶液攪拌除去魚骨中的脂肪（2 d，每隔24 h換液），最后按1∶40加入0.5 mol/L pH 2.6乙酸溶液攪拌3 d，提取魚骨膠原蛋白，提取結(jié)束后，過濾，按料液比1∶40向殘?jiān)屑尤?.5 mol/L乙酸溶液，攪拌1 d進(jìn)行二次提取，兩次濾液合并，4 ℃、13 000×g離心1 h，上清液用0.9 mol/L NaCl鹽析，攪拌過夜，4 ℃、13 000×g離心15 min，沉淀溶于0.5 mol/L乙酸，轉(zhuǎn)入透析袋用去離子水透析2 d，冷凍干燥，制備鯛魚ASC，稱質(zhì)量，計(jì)算ASC的得率，結(jié)果表示為g/100 g魚骨。

1.3.2 氨基酸組成測(cè)定

稱取0.1 g ASC于玻璃水解管中，加入6 mL 6 mol/L鹽酸溶液，110 ℃水解22 h。采用L-8900氨基酸分析儀測(cè)定水解氨基酸組成。

1.3.3 SDS-PAGE分析

參照Laemmli[11]的方法對(duì)ASC進(jìn)行十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfatepolyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）分析。將ASC置于含有1% SDS和3.5 mol/L的磷酸鹽緩沖液（pH 7.5）中，100 ℃加熱5 min使其溶解，離心，取上清液以4∶1（V/V）的比例與緩沖液（0.5 mol/L Tris-HCl、4% SDS、20%甘油、含或不含10% β-巰基乙醇，pH 6.8）混合，沸水浴5 min后上樣。采用7.5%的分離膠和5.0%的濃縮膠。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜測(cè)定

參考Tamilmozhi等[12]的方法對(duì)ASC進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析。準(zhǔn)確稱取1 mg樣品與100 mg KBr混合碾磨，壓片后置于樣品架上進(jìn)行光譜掃描，掃描范圍400～4 000 cm－1。

1.3.5 紫外光譜吸收測(cè)定

取150 mg ASC溶于50 mL 0.5 mol/L乙酸中，用0.5 mol/L的乙酸為對(duì)照進(jìn)行紫外光譜掃描，掃描范圍190～400 nm。

1.3.6 熱特性測(cè)定

稱取一定量ASC于坩堝中，密封，在0～250 ℃范圍內(nèi)測(cè)定其差示掃描量熱圖譜，升溫速率為10 ℃/min，以空坩堝作為參照。

1.3.7 X射線衍射

使用Empyrean型X射線衍射儀對(duì)ASC進(jìn)行X射線衍射圖譜分析。采用Cu靶Kα射線，λ＝0.154 nm。掃描2θ為5°～40°。

1.3.8 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定

S-4800型掃描電子顯微鏡觀察ASC的顯微結(jié)構(gòu)，倍數(shù)分別采用200×、500×和2 000×。

1.3.9 膠原的肽段組成測(cè)定

稱取2 g ASC溶于150 mL磷酸鹽緩沖液中（0.05 mol/L，pH 7.5），按酶與底物質(zhì)量比為1∶25加入胰蛋白酶，37 ℃水解30 min，沸水浴15 min終止反應(yīng)，6 000×g離心20 min，透析脫鹽，冷凍干燥。水解液的肽片段利用Q Exactive Focus質(zhì)譜儀進(jìn)行高分辨質(zhì)譜分析，分析方法同先前研究[13]，從http://www.uniprot.org/網(wǎng)站下載“fish collagen”數(shù)據(jù)庫(kù)，利用MaxQuant Server（Version 1.5.3.28）軟件對(duì)ASC水解肽的質(zhì)譜信息與“fish collagen”數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析。

1.3.10 pH值對(duì)相對(duì)溶解度影響的測(cè)定

將ASC溶解于0.5 mol/L乙酸中，制備3 mg/mL ASC溶液，6 mol/L HCl溶液或6 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH 1～10，4 ℃振蕩30 min，4 ℃、13 000×g離心20 min。用雙縮脲法測(cè)定上清液中蛋白質(zhì)的含量，計(jì)算ASC的相對(duì)溶解度，以pH值為橫坐標(biāo)作溶解性曲線。

1.3.11 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)溶解度影響的測(cè)定

將ASC溶解于0.5 mol/L乙酸中，制備6 mg/mL ASC溶液，加入NaCl溶液，最終ASC溶液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%、2%、3%、4%、5%、6%，4 ℃振蕩30 min，4 ℃、13 000×g離心20 min，測(cè)定上清液蛋白含量，計(jì)算ASC的相對(duì)溶解度，以NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)作溶解性曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及作圖，數(shù)據(jù)為3 次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鯛魚ASC制備及氨基酸組成

表1 鯛魚ASC的氨基酸組成Table1 Amino acid composition of ASC

采用低溫乙酸提取鯛魚ASC，鯛魚骨中ASC的得率為3.15 g/100 g魚骨。由表1可知，鯛魚骨ASC具有天然膠原蛋白氨基酸組成的基本特征，即以甘氨酸為主要組成氨基酸，占總數(shù)的35.04%；其次是丙氨酸和脯氨酸含量較高，分別占12.26%和11.66%。羥脯氨酸是膠原蛋白中的特征氨基酸，它由脯氨酸經(jīng)脯氨酸羥化酶催化氧化而成，具有穩(wěn)定膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的作用[14]，結(jié)果表明ASC中的羥脯氨酸含量為6.90%，羥化率為37.18%。這一結(jié)果與深海紅魚骨膠原蛋白的結(jié)果相似[15]。此外，ASC中蛋氨酸，異亮氨酸，酪氨酸和組氨酸含量較低，而半胱氨酸未檢測(cè)到。

2.2 鯛魚ASC的SDS-PAGE分析

膠原蛋白分子呈三螺旋結(jié)構(gòu)，由3條α多肽鏈相互纏繞而成。由圖1的電泳結(jié)果顯示，ASC中含有1條β鏈和至少2條α鏈，即α1和α2鏈。α1鏈含量較高，分子質(zhì)量約為130 kDa，由于α1和α3在單相垂直電泳中無法分離，因此，α1鏈中可能含有；α2鏈含量較少，分子質(zhì)量約為110 kDa。魚骨ASC中還含有大量β鏈，分子質(zhì)量約為200 kDa。在β鏈的上方還檢測(cè)到一些相對(duì)分子質(zhì)量較高的電泳帶，可能是ASC的γ成分，γ鏈應(yīng)是α鏈通過架橋結(jié)合而形成的高分子質(zhì)量成分。此外，是否添加β-巰基乙醇，ASC電泳圖譜未見差異，表明ASC分子中不含二硫鍵，這與氨基酸組成中不含半胱氨酸結(jié)果相吻合。云南鯛魚骨ASC的電泳圖譜與鯉魚[17]、鮰魚[18]以及虹鱒魚皮[19]等多種水產(chǎn)動(dòng)物膠原蛋白的電泳圖譜相似。綜上結(jié)果可推斷ASC為Ⅰ型膠原蛋白。

2.3 鯛魚ASC的傅里葉變換紅外光譜特征

圖1 鯛魚ASC的SDS-PAGE圖譜Fig. 1 SDS-PAGE patterns of ASC

圖2 鯛魚ASC的傅里葉變換紅外光譜Fig. 2 Fourier transform infrared spectrum of ASC

傅里葉變換紅外光譜是研究膠原蛋白結(jié)構(gòu)的重要方法之一。如圖2所示，ASC具有典型的膠原蛋白傅里葉變換紅外光譜特征吸收峰，即含有酰胺A、B及Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ帶。酰胺A帶與N—H基團(tuán)的伸縮振動(dòng)有關(guān)，游離酰胺A帶的吸收峰出現(xiàn)在3 400～3 440 cm－1，當(dāng)含有N—H基團(tuán)的分子肽段參與氫鍵鍵合時(shí)，其吸收峰將發(fā)生藍(lán)移。鯛魚ASC的吸收峰為3 442 cm－1，這一結(jié)果表明ASC中沒有或僅有很少的N—H基團(tuán)參與了氫鍵的鍵合。酰胺B帶是由于—CH2不對(duì)稱的伸縮振動(dòng)引起的，由圖2可知，鯛魚骨ASC的酰胺B帶的吸收峰為2 915 cm－1。

酰胺Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ帶與膠原蛋白分子的結(jié)構(gòu)相關(guān)，是反映蛋白質(zhì)肽鏈骨架結(jié)構(gòu)的最重要吸收峰。其中，酰胺Ⅰ帶歸屬于多肽鏈上—C＝O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，為蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化的敏感區(qū)，常被用來分析蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)；酰胺Ⅱ帶歸屬于α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)峰；酰胺Ⅲ帶歸屬于甘氨酸和脯氨酸殘基的—CH2特征振動(dòng)峰，它的存在可以說明ASC三維螺旋結(jié)構(gòu)的完整性。由圖2中可知，ASC含有酰胺Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ帶的特征吸收峰，分別在1 631、1 540、1 240 cm－1處。以上結(jié)果表明，低溫酸法提取云南鯛魚骨ASC較好的保持了其三維結(jié)構(gòu)的完整性。

2.4 鯛魚ASC紫外吸收特征

圖3 鯛魚ASC紫外掃描圖譜Fig. 3 UV spectrum of ASC

由于羰基、羧基和酰胺基等發(fā)色基團(tuán)的存在，膠原蛋白分子能夠吸收一定波長(zhǎng)的紫外光線。如圖3所示，ASC的最大吸收峰出現(xiàn)在230 nm，而在260～280 nm范圍內(nèi)沒有明顯的光吸收，這是因?yàn)锳SC中芳香族氨基酸，如酪氨酸和苯丙氨酸等含量較低產(chǎn)生的[18]。鯛魚骨ASC的紫外吸收?qǐng)D譜與文獻(xiàn)[20-21]報(bào)道的水產(chǎn)動(dòng)物膠原蛋白結(jié)果一致，符合Ⅰ型膠原蛋白紫外吸收特征。

2.5 鯛魚ASC熱穩(wěn)定性分析

差示掃描量熱法是一種熱分析技術(shù)，通過測(cè)定樣品熱焓的變化來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，被大量應(yīng)用于蛋白質(zhì)熱變性研究領(lǐng)域[22]。鯛魚骨ASC的差示掃描量熱圖譜如圖4所示，在0～250 ℃范圍內(nèi)，ASC有2 個(gè)熱吸收峰（T1和T2）。T1與釋放束縛在膠原分子的水以及膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的降解有關(guān)；T2指的是膠原蛋白交聯(lián)部分的熔融溫度[23]。鯛魚骨ASC的熱變性溫度T1和T2分別為86.5 ℃和226.2 ℃，略高于北梭魚膠原的熱變性溫度（T1＝80.1 ℃、T2＝203.1 ℃）[24]，表明ASC有較好的熱穩(wěn)定性。膠原蛋白的熱轉(zhuǎn)變或變性溫度不同主要是由于膠原間蛋白水分含量、氨基酸組成、膠原蛋白提取方法以及棲息地的溫度差異引起的[24]。

圖4 鯛魚ASC的差示掃描量熱圖譜Fig. 4 Differential scanning calorimetry thermogram of ASC

2.6 鯛魚ASC的X射線衍射特征

圖5 鯛魚ASC的X射線衍射圖譜Fig. 5 X-ray diffraction diagram of ASC

如圖5所示，ASC有3 個(gè)衍射峰。峰1出現(xiàn)在5°～10°之間，該峰峰型尖銳，反映了膠原纖維分子鏈之間的距離；峰2出現(xiàn)在20°附近，為一個(gè)寬且大的衍射峰，是由ASC分子內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層次引起的漫散射產(chǎn)生的；峰3出現(xiàn)在30°～35°之間，峰型小而尖銳，該峰反映了膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)上相鄰氨基酸殘基之間的距離[25]。

根據(jù)布拉格方程2dsin θ＝λ，計(jì)算ASC中各個(gè)衍射峰的d值（X射線的波長(zhǎng)為0.154 nm）。計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 鯛魚ASC X射線衍射峰對(duì)應(yīng)d值Table2 d values for X-ray diffraction peaks of ASC

由表2可知，鯛魚骨膠原纖維分子鏈之間的距離為1.15 nm，略小于比目魚皮膠原纖維分子鏈之間的距離[26]，說明鯛魚骨膠原分子排列較為整齊緊湊，分子鏈間的距離較小。峰2衍射峰對(duì)應(yīng)的d值比羅非魚鱗膠原的略大[25]。在膠原蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)中，每圈螺旋含有3.3 個(gè)氨基酸殘基，螺距為0.96 nm，沿著螺旋中心軸，相鄰氨基酸殘基間的距離為0.29 nm，這與研究結(jié)果峰3的d值一致。以上結(jié)果表明，低溫酸法提取后鯛魚骨ASC很好地保持了其原有的結(jié)構(gòu)。

2.7 鯛魚ASC的顯微結(jié)構(gòu)

膠原蛋白的顯微結(jié)構(gòu)是膠原實(shí)際應(yīng)用的重要參數(shù)之一[27]。由圖6a、b可知，ASC經(jīng)放大后呈三維立體的空間結(jié)構(gòu)，由絲狀和薄片狀的纖維相互交聯(lián)而成，分布規(guī)則且均勻；由圖6c可知，ASC表面細(xì)膩光滑，無折疊褶皺現(xiàn)象，這與Li Zhongrui等[10]研究的馬鮫魚骨膠原顯微結(jié)構(gòu)類似，說明ASC在提取過程中基本保持了其原有的纖維結(jié)構(gòu)，比較適合作為食品、藥品、化妝品、保健品以及生物醫(yī)學(xué)材料的基料。

圖6 鯛魚ASC的掃描電子顯微鏡圖像Fig. 6 Scanning electron microscopic images of ASC

2.8 鯛魚ASC多肽片段分析

表3 鯛魚ASC胰蛋白酶水解肽段及氨基酸組成Table3 Amino acid composition of peptide fragments from ASC digested by trypsin

鯛魚骨ASC的胰蛋白酶水解產(chǎn)物用高分辨質(zhì)譜進(jìn)行分析，結(jié)合MaxQuant軟件對(duì)比蛋白肽氨基酸序列組成。對(duì)照UNIPROT中“fish collagen”數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)到ASC肽段可信度高于80%的有92 條，高于90%的有29 條多肽鏈（表3）。由表3可知，ASC肽段中C端主要的氨基酸為賴氨酸和精氨酸，這符合胰蛋白酶的水解特征。多肽片段的氨基酸構(gòu)成主要為Gly-X-Y，符合膠原蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[28]。該結(jié)果為進(jìn)一步研究鯛魚骨ASC的一級(jí)結(jié)構(gòu)和生理活性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.9 鯛魚ASC的溶解性質(zhì)

2.9.1 pH值對(duì)ASC相對(duì)溶解度的影響

圖7 pH值對(duì)云南鯛魚ASC相對(duì)溶解度的影響Fig. 7 Effect of pH on the relative solubility of ASC

如圖7所示，隨著pH值的升高，ASC的相對(duì)溶解度呈先升高后下降再略有回升的趨勢(shì)。在酸性條件下，膠原溶解度較大，在pH 4時(shí)達(dá)到最大值。ASC為典型的兩性聚電解質(zhì)溶解性，它的溶解性與等電點(diǎn)密切相關(guān)。在等電點(diǎn)附近，膠原蛋白靜電荷較小，因而溶解度較??；偏離等電點(diǎn)，膠原蛋白靜電荷較大，分子分散性較好，溶解度較大[29]。由圖7可知，鯛魚ASC等電點(diǎn)在pH 7附近，這與Li Zhongrui等[10]報(bào)道的膠原蛋白的等電點(diǎn)為pH 6～9的結(jié)果一致。上述膠原蛋白溶解性特點(diǎn)在許多水產(chǎn)動(dòng)物的膠原中都有報(bào)道[14,30]。

2.9.2 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)ASC相對(duì)溶解度的影響

圖8 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鯛魚ASC相對(duì)溶解度的影響Fig. 8 Effect of NaCl concentration on the relative solubility of ASC

如圖8所示，ASC的相對(duì)溶解度在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～4%之間相對(duì)穩(wěn)定，僅有微小的波動(dòng)，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%以后，相對(duì)溶解度隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而劇烈下降。鹽離子通常以兩種方式影響蛋白質(zhì)的溶解性。在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，鹽離子能和膠原蛋白結(jié)合，使膠原蛋白所帶正電荷增加，分子間相互排斥，因而分散性好，相對(duì)溶解度也越大；在鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，鹽離子可與周圍水分子結(jié)合形成水化膜，使蛋白質(zhì)脫水而鹽析，導(dǎo)致溶解度的降低[31]。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)云南鯛魚ASC進(jìn)行提取并分析了其理化性質(zhì)。測(cè)定了ASC的得率及氨基酸組成，SDS-PAGE測(cè)定了其分子質(zhì)量的大小及膠原蛋白類型，傅里葉變換紅外光譜、紫外光譜和X射線衍射分析其膠原分子的結(jié)構(gòu)特征，差示熱量掃描法分析其熱變性溫度，肽段序列分析其酶解特性和一級(jí)結(jié)構(gòu)，掃描電子顯微鏡顯示ASC分子分布及立體結(jié)構(gòu)。ASC溶解性研究顯示其在pH 4以及NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)達(dá)到最大溶解度。綜上結(jié)果表明，ASC適合于食品、藥品和保健品等行業(yè)的需求，本實(shí)驗(yàn)為云南鯛魚骨綜合利用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。