王珊珊，劉楠，孫永，周德慶，2，*

（1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島266237）

通常人們所稱的膠原蛋白，一般是指天然三螺旋結(jié)構(gòu)得到最大程度保留的未變性膠原。明膠是膠原在高溫或酸、堿、酶等條件作用下部分水解得到的大分子物質(zhì)。盡管這兩種物質(zhì)具有同源性，在氨基酸組成上具有相似性，但是它們?cè)谥苽涔に?、理化性質(zhì)及應(yīng)用前景上存在很大差異[1]。近年來(lái)全球?qū)γ髂z的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，由于瘋牛病及口蹄疫等人畜共患疾病的傳播，傳統(tǒng)來(lái)源膠原蛋白的安全性受到消費(fèi)者的質(zhì)疑；此外，由于部分地區(qū)的宗教及風(fēng)俗原因，豬、牛來(lái)源的明膠在應(yīng)用上受到巨大限制[2]。因此，越來(lái)越多的研究致力于尋找陸源哺乳動(dòng)物明膠的替代品。

在過(guò)去的十幾年里，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖、遠(yuǎn)洋捕撈及水產(chǎn)加工業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量富含膠原的加工副產(chǎn)物（魚(yú)皮、魚(yú)骨、魚(yú)鱗、魚(yú)鰭等）。這些副產(chǎn)物約占原料總量的50%～80%，在加工結(jié)束后通常被直接丟棄或被制成低值魚(yú)粉充當(dāng)動(dòng)物飼料，不僅是對(duì)環(huán)境的巨大污染，也造成了資源的極大浪費(fèi)[3]。因此，如何促進(jìn)水產(chǎn)加工副產(chǎn)物的高值化開(kāi)發(fā)、降低環(huán)境污染、提高水產(chǎn)蛋白源明膠產(chǎn)量及其品質(zhì)，成為當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn)[4-6]。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)報(bào)道的水產(chǎn)蛋白源明膠的制備、凝膠性質(zhì)、改性及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等工作展開(kāi)綜述，以期為水產(chǎn)加工副產(chǎn)物的高值化利用與尋找更好的陸源哺乳動(dòng)物明膠替代品提供理論基礎(chǔ)。

1 水產(chǎn)蛋白源明膠的制備工藝

明膠的制備通常包括原料預(yù)處理、溶脹、提取和干燥4個(gè)步驟。幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的原料預(yù)處理、溶脹和抽提的主要工藝條件見(jiàn)表1。

表1 幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的制備工藝Table 1 Extraction process of aquatic gelatin

膠原纖維在動(dòng)物組織中緊密交聯(lián)，單純的熱處理無(wú)法有效破壞組織中的氫鍵和共價(jià)鍵，因此需使用酸/堿溶液進(jìn)行溶脹以打開(kāi)端肽區(qū)的共價(jià)交聯(lián)以及蛋白分子內(nèi)與分子間的氫鍵、共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵[6]。此外，還可通過(guò)添加蛋白酶對(duì)端肽區(qū)進(jìn)行酶解，以提高原料的溶脹效率。Norziah等使用0.1 mol/L醋酸溶液（含菠蘿蛋白酶0.3 g/L）對(duì)帶魚(yú)（L.savel）魚(yú)糜加工下腳料溶脹處理1.5 h[8]。Ktari等使用0.1 mol/L甘氨酸-HCl溶液（pH 2.0，含胃蛋白酶 15 U/g）對(duì)鳚魚(yú)（S.basilisca）魚(yú)皮溶脹處理18 h[12]。

熱水抽提是最常見(jiàn)的明膠提取方法，通過(guò)高溫對(duì)蛋白分子間與分子內(nèi)的氫鍵和共價(jià)交聯(lián)、以及初級(jí)結(jié)構(gòu)的酰胺鍵進(jìn)行部分水解，將三螺旋結(jié)構(gòu)破壞為無(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài)，使蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軤顟B(tài)而溶解于熱水中。超高壓處理是在熱水抽提的基礎(chǔ)上，通過(guò)高壓使原料組織結(jié)構(gòu)和蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生松弛和變性，以提高產(chǎn)品得率。Gómez-Guillén等采用超高壓輔助方法提取鰈魚(yú)（S.vulgaris）魚(yú)皮明膠，在 250、400 MPa高壓條件下處理10 min～20 min能夠有效提高明膠的提取率[9]。

2 水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性

從狹鱈等生活在寒冷水域的原料中制備的樣品凝膠點(diǎn)大約在4℃至14℃，溶膠點(diǎn)大多低于22℃，凝膠強(qiáng)度數(shù)值大多約為100 g或低于100 g。相對(duì)于冷水魚(yú)，從熱帶及溫帶水域原料中制備的樣品凝膠性能相對(duì)較好，凝膠點(diǎn)約在17℃至22℃，溶膠點(diǎn)則在23℃至29℃，凝膠強(qiáng)度數(shù)值可超過(guò)200 g。目前商品化的豬皮或牛皮明膠凝膠強(qiáng)度一般在300 g～400 g，凝膠點(diǎn)大多在20℃至25℃，溶膠點(diǎn)在28℃至31℃[4]。凝膠強(qiáng)度是評(píng)價(jià)明膠品質(zhì)的重要指標(biāo)。不同來(lái)源的明膠凝膠強(qiáng)度差異較大，主要與不同物種之間亞氨酸（脯氨酸與羥脯氨酸）含量的差異有關(guān)[21]。Leuenberger等研究發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠強(qiáng)度普遍低于陸源哺乳動(dòng)物明膠，但其黏度相對(duì)較高[22]。幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性如表2所示。

除了原料的物種差異性外，在明膠制備過(guò)程中酸/堿溶脹條件、提取溫度、提取時(shí)間等因素均能影響蛋白的分子結(jié)構(gòu)與相對(duì)分子量，從而對(duì)其凝膠性能造成影響。Nikoo等研究發(fā)現(xiàn)，使用0.05 mol/L醋酸溶液對(duì)史氏鱘（A.schrenckii）魚(yú)皮溶脹3 h后所制備的樣品凝膠強(qiáng)度為141 g；在相同條件下當(dāng)醋酸溶液濃度提高到0.20 mol/L時(shí)，所制備的樣品凝膠強(qiáng)度降低至105 g[23]。Kittiphattanabawon等以黑鰭鯊（C.limbatus）魚(yú)皮為原料，發(fā)現(xiàn)在45℃下提取6 h時(shí)樣品凝膠強(qiáng)度高達(dá)206 g；在75℃下提取12 h時(shí)樣品凝膠強(qiáng)度則迅速降低至25 g以下[32]。明膠中α鏈的含量對(duì)凝膠性能影響很大，劇烈的制備條件會(huì)使α鏈過(guò)度降解，致使蛋白在凝膠化過(guò)程中無(wú)法形成有序交聯(lián)，從而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度的下降。

表2 幾種水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性Table 2 Gelling properties of aquatic gelatin

3 水產(chǎn)蛋白源明膠的改性

雖然水產(chǎn)蛋白源明膠來(lái)源豐富、成本低廉，但相對(duì)較低的機(jī)械強(qiáng)度導(dǎo)致其不可完全替代陸源哺乳動(dòng)物明膠，限制了其在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此需要使用物理、化學(xué)或共混改性等方法來(lái)進(jìn)行明膠改性，以滿足其在實(shí)際應(yīng)用中的需求。

物理改性通常包括紫外輻射、超高壓處理等方法，其特點(diǎn)是不引入外源性物質(zhì)。Montero等研究表明超高壓能夠顯著提高冷水魚(yú)大西洋鱈（G.morhua）魚(yú)皮明膠的凝膠強(qiáng)度，但對(duì)溫水魚(yú)鰈魚(yú)（L.boscii）魚(yú)皮明膠的凝膠強(qiáng)度無(wú)明顯改善[41]。Otoni等發(fā)現(xiàn)中波紫外線處理能夠同時(shí)提高鱈魚(yú)與羅非魚(yú)魚(yú)皮明膠的凝膠強(qiáng)度與黏度[42]。Bhat等發(fā)現(xiàn)紫外線照射魚(yú)皮明膠60 min能夠有效提高該明膠的凝膠強(qiáng)度，但明膠黏度有所降低，樣品熔融焓有所改變[43]。

化學(xué)交聯(lián)是目前應(yīng)用最為廣泛的改性方法。其中，醛類(lèi)物質(zhì)對(duì)明膠性能提升效果十分顯著，能夠與蛋白中的自由氨基發(fā)生快速反應(yīng)形成Schiff堿結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)在于經(jīng)過(guò)改性的凝膠在使用過(guò)程中一旦發(fā)生降解則有可能產(chǎn)生毒性物質(zhì)，因此在應(yīng)用方面受到了限制。天然生物交聯(lián)劑由于具有更好的安全性和細(xì)胞相容性受到研究者們的青睞。Chiou等研究表明在較高的pH值條件下，京尼平能夠加快狹鱈（T.chalcogramma）與鮭魚(yú)（T.chalcogramma）明膠樣品的交聯(lián)速度[44]。Gómez-Guillén等研究發(fā)現(xiàn)添加適量谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TGase）能夠有效提高鰈魚(yú)（L.boscii）明膠樣品的凝膠強(qiáng)度、溶膠點(diǎn)、彈性和凝聚性；但TGase的過(guò)量添加可能會(huì)導(dǎo)致凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)快形成，從而降低樣品的凝膠強(qiáng)度和硬度[6]。Yan等研究發(fā)現(xiàn)沒(méi)食子酸與蘆丁能夠明顯提高狹鱈（T.chalcogramma）魚(yú)皮明膠的凝膠強(qiáng)度、彈性模量（G’）和黏性模量（G’’），紅外光譜分析表明沒(méi)食子酸與蘆丁可能與蛋白分子C-N-C部分發(fā)生氫鍵或疏水相互作用，也可與羧基形成氫鍵[45]。

此外，多項(xiàng)研究表明一些不與明膠反應(yīng)的化合物與明膠共混形成多元體系，同樣能夠改善樣品的凝膠性能。Baddi等以 3∶10（質(zhì)量比）在竹莢魚(yú)（T.trachurus）魚(yú)皮明膠中添加卵清蛋白，樣品的凝膠強(qiáng)度得到明顯的提高[1]。Pranoto等研究發(fā)現(xiàn)κ-卡拉膠與結(jié)冷膠的添加能夠提高商品化魚(yú)皮明膠的凝膠溶膠點(diǎn)，其中結(jié)冷膠的效果更為顯著[46]。

4 水產(chǎn)蛋白源明膠的應(yīng)用

4.1 在食品工業(yè)中的應(yīng)用

水產(chǎn)蛋白源明膠，尤其是從冷水魚(yú)中制備的明膠熱量低、溶膠點(diǎn)低于人體的生理溫度，易于融化在口中帶來(lái)類(lèi)似于脂肪融化的口感，因此可以用于冷凍及冷藏食品的加工（例如冰激凌、酸奶和低脂涂抹食品等），同時(shí)能夠降低原料的生產(chǎn)成本[4]。水產(chǎn)蛋白源明膠還可作為軟膠囊及微膠囊的壁材，用于對(duì)食品調(diào)味料（例如蒜香味調(diào)味粉、蘋(píng)果味調(diào)味粉、黑胡椒粉等）及營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑（例如維生素、魚(yú)油、檸檬油等）的包埋處理[47]。Kaewudom等研究發(fā)現(xiàn)，添加商品化羅非魚(yú)皮明膠與TGase能夠有效提高金線魚(yú)（N.bleekeri）魚(yú)糜制品的凝膠強(qiáng)度[48]。Souissi等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加烏賊皮明膠能夠有效改善章魚(yú)香腸的持水性、硬度、彈性和咀嚼性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)烏賊皮明膠的添加也具有一定的抑菌效果，經(jīng)過(guò)15 d貯藏試驗(yàn)，相比對(duì)照組，添加烏賊皮明膠的香腸細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌群和金黃色葡萄球菌數(shù)均有所降低[49]。

此外，水產(chǎn)蛋白源明膠具有良好的安全性、延展性、成膜特性和可降解性，因此被廣泛應(yīng)用于可食性保鮮膜的研發(fā)。鄭雅爻等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性的鰱魚(yú)皮明膠膜具有更為致密均勻的表面結(jié)構(gòu)，且改性能夠顯著增加明膠膜的韌性、延展性和阻隔性，其膜性能可達(dá)到或超過(guò)豬皮明膠膜[50]。周偉等探究不同羥基（-OH）數(shù)的黃酮對(duì)羅非魚(yú)鱗明膠膜性能的優(yōu)化作用，結(jié)果表明黃酮-OH數(shù)越多，黃酮-魚(yú)鱗明膠復(fù)合膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密、膜的拉伸強(qiáng)度越大[51]。Wu等在銀鯉魚(yú)皮明膠中添加肉桂精油納米脂質(zhì)體混合，不僅改善了明膠膜的斷裂伸長(zhǎng)率，還賦予了明膠膜良好的抑菌性能[52]。官愛(ài)艷等在秘魯魷魚(yú)皮明膠中添加一定濃度的殼聚糖，結(jié)果顯示魷魚(yú)皮明膠與殼聚糖之間具有良好相容性，所制備復(fù)合膜的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、透光性能和水分阻隔能力均得到顯著改善[53]。

4.2 在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用

明膠因具有良好的生物相容性和生物可降解性、在體內(nèi)降解后不產(chǎn)生其它副產(chǎn)物，因此廣泛應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)、組織工程和傷口敷料開(kāi)發(fā)。Gomes等以冷水魚(yú)明膠、聚己內(nèi)酯和殼聚糖為基料通過(guò)靜電紡絲制備皮膚組織工程支架，試驗(yàn)結(jié)果表明4種不同支架中殼聚糖/聚己內(nèi)酯/明膠支架具有較好的物理性質(zhì)，HFFF2細(xì)胞黏附率試驗(yàn)結(jié)果表明：聚己內(nèi)酯/明膠支架＞殼聚糖/明膠支架＞殼聚糖/聚己內(nèi)酯/明膠支架＞殼聚糖//聚己內(nèi)酯支架[54]。Manikandan等使用酚酸類(lèi)化合物對(duì)魚(yú)鱗明膠進(jìn)行改性，然后添加酪氨酸酶催化制備水凝膠。相對(duì)于對(duì)照組，該水凝膠能夠顯著加快犬類(lèi)傷口愈合，還可降低炎癥反應(yīng)從而避免傷口過(guò)度瘙癢[55]。Enrione等以大西洋鮭魚(yú)皮明膠為基料制備明膠/殼聚糖/瓊脂糖復(fù)合敷料，該敷料具有良好的生物相容性，能夠有效促進(jìn)兔子傷口處肉芽組織的增生、成熟和上皮化，加快肉芽組織轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)締組織、形成正常皮膚[56]。

由于水產(chǎn)蛋白源明膠在體內(nèi)消化降解后能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)多樣的寡肽，其在功能食品及化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也被不斷發(fā)掘，相關(guān)產(chǎn)品受到消費(fèi)者的廣泛認(rèn)可。陳鐵軍等研究發(fā)現(xiàn)大馬哈魚(yú)皮明膠可顯著抑制光老化小鼠皮膚中羥脯氨酸含量的降低，作用途徑可能是通過(guò)提高光老化小鼠皮膚中抗氧化酶的活力，例如總超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，TSOD）、過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px），從而降低自由基對(duì)皮膚中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化損傷，緩解紫外線照射對(duì)皮膚的光老化損傷[57]。Han等對(duì)去卵巢大鼠進(jìn)行90 d的鱈魚(yú)骨明膠灌胃（劑量分別為0.375、0.75、1.5、3、6 g/kg體質(zhì)量），結(jié)果發(fā)現(xiàn)各劑量組大鼠皮質(zhì)骨的骨密度值無(wú)顯著性差異，但3 g/kg劑量組大鼠股骨頸處的骨密度值、脛骨近端骨小梁數(shù)均顯著高于陰性對(duì)照組，說(shuō)明鱈魚(yú)骨明膠能夠有效抑制松質(zhì)骨的骨量流失。PCR數(shù)據(jù)表明鱈魚(yú)骨明膠可有效降低大鼠體內(nèi)核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）mRNA的表達(dá)水平，從而抑制破骨細(xì)胞的增殖和分化[58]。

5 展望

水產(chǎn)蛋白源明膠可避免人畜共患病與宗教等因素的限制，能夠作為哺乳動(dòng)物明膠的優(yōu)良替代品應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化妝品及功能食品等領(lǐng)域。目前，科研工作者在水產(chǎn)蛋白源明膠的制備、改性與應(yīng)用研究方面已取得了大量研究成果，但仍有以下問(wèn)題亟待解決：在制備工藝上，如何運(yùn)用現(xiàn)代食品加工技術(shù)提高制備效率，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)蛋白源明膠的綠色規(guī)?；a(chǎn)。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用上，如何運(yùn)用多種改性方法來(lái)提高水產(chǎn)蛋白源明膠的凝膠特性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。同時(shí)，相應(yīng)科研成果的后續(xù)轉(zhuǎn)化及新產(chǎn)品的研發(fā)推廣亟待加強(qiáng)，產(chǎn)、學(xué)、研各方應(yīng)面向消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展需求，加快推進(jìn)合作，促使水產(chǎn)蛋白源明膠的應(yīng)用走向更寬廣的領(lǐng)域。