趙改名 茹昂 張桂艷 田瑋 祝超智 賈玉堂

摘 要：為解決畜禽及魚類副產(chǎn)物利用率不高以及膠原凝膠類食品品類單一的問題，本文介紹膠原的概念、來源和結(jié)構(gòu)，簡述膠原的凝膠性質(zhì)，綜述膠原濃度、膠原溶液pH值、加熱溫度等環(huán)境因素對膠原凝膠性質(zhì)的影響和γ-聚谷氨酸、卡拉膠、天然植物多元酚、醇類、鹽、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和聚丙烯酸鈉7 種添加物對膠原凝膠性質(zhì)改良的研究進(jìn)展，指出目前膠原凝膠研究的不足之處和未來研究的可能方向，旨在為利用此類副產(chǎn)物進(jìn)行膠原凝膠類食品研發(fā)以及更好地將膠原凝膠應(yīng)用于食品工業(yè)等領(lǐng)域提供思路和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：膠原;凝膠性質(zhì);性質(zhì)改良

Abstract： Considering that by-products of livestock， poultry and fish have low utilization rate and low added value and there are monotonous collagen gel foods available in the market， this article outlines the concept， source and structure of collagen， summarizes the influence of environmental factors such as collagen concentration， pH value， and heating temperature on the gel properties of collagen， and reviews the current progress in applying seven additives such as γ-polyglutamic acid， carrageenan， natural plant polyphenols， alcohols， salts， glutamine transaminase and sodium polyacrylate to improve the gel properties of collagen. This article points out the shortcomings of the current studies on collagen gels and possible future research directions， in order to provide ideas and evidence for the development of collagen gel foods from livestock， poultry and fish by-products and for improved application of collagen gels in the food industry and other fields.

Keywords： collagen; gel properties; properties improvement

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20200703-167

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2020）10-0070-06

膠原是動物體內(nèi)含量最多、分布最廣的蛋白質(zhì)，是肉中一種重要蛋白質(zhì)，也是動物結(jié)締組織的主要成分。膠原含有一個或幾個由α-鏈組成的三螺旋結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)上既有共同點又有差異的蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱[1]，人們根據(jù)膠原中3 段肽鏈組成的不同及發(fā)現(xiàn)的先后順序，定義了20多種不同類型的膠原[2-3]。膠原三肽結(jié)構(gòu)中重復(fù)性含有豐富的甘氨酸、脯氨酸及羥脯氨酸（甘氨酸-脯氨酸-Y和甘氨酸-X-羥脯氨酸，其中X、Y可以是任何氨基酸）。一般蛋白質(zhì)含有20 種氨基酸，膠原含有18 種氨基酸，主要是甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸，其中羥脯氨酸是膠原的特征氨基酸[4]，不同動物來源的膠原所含羥脯氨酸含量不同，且羥脯氨酸含量會直接影響膠原的三螺旋空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[5]。膠原是動物體含量最高的蛋白質(zhì)，約占動物體總蛋白含量的30%[6]，其來源廣泛，畜禽副產(chǎn)物（皮、骨及筋腱等）及魚類副產(chǎn)物（骨、魚皮及魚鱗等）中含量較高，但目前在畜禽加工及魚類加工中，副產(chǎn)物的利用率并不高[7-8]，造成資源的極大浪費。為避免此類副產(chǎn)物的浪費并且實現(xiàn)高價值化利用，可利用膠原的凝膠特性生產(chǎn)膠原食品，以提高副產(chǎn)物附加值。本文介紹膠原及膠原凝膠性質(zhì)，綜述環(huán)境因素對膠原凝膠特性的影響及現(xiàn)階段在改良膠原凝膠性質(zhì)方面較為重要的幾種添加物的研究情況，初步總結(jié)了膠原凝膠特性改良的研究進(jìn)展。

1 膠原的凝膠性質(zhì)及膠原凝膠影響因素

膠原是高分子化合物，其分子表面有許多極性側(cè)基，如氨基、羧基、羥基和酰胺基等，都可以與水分子以氫鍵結(jié)合，水在膠原分子表面形成水膜，使膠原膨脹，提高溫度可使膠原分子變性伸展，隨后有規(guī)律地排列形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以固定大量的水，形成凝膠[4，9]。

對膠原本身而言，除羥脯氨酸外，如果膠原組成中含有較多的α1亞基[10]或較少的疏水性氨基酸[11]，此類膠原便可形成穩(wěn)定、致密的凝膠。除膠原自身因素外，不同環(huán)境條件及添加物均會影響膠原的凝膠性質(zhì)。目前膠原在食品領(lǐng)域的應(yīng)用主要是膠原食品、功能保健品和食品添加劑，其來源廣泛，營養(yǎng)價值高，且具有良好的生物相容性、低免疫原性和保健功能。膠原的凝膠性質(zhì)可應(yīng)用于膠原凝膠軟糖、膠原果凍和肉凍類等產(chǎn)品的開發(fā)。但是單純的天然膠原易生物降解，且存在熱穩(wěn)定性差、水溶性不良、流動性不好和凝膠強度不佳等缺點，使其應(yīng)用受到一定的限制[12]。因此，本文對影響膠原凝膠性質(zhì)的環(huán)境因素和改良膠原凝膠性質(zhì)的外源添加物相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，使其可以更好應(yīng)用于膠原凝膠食品研發(fā)和生產(chǎn)中。

2 環(huán)境條件對膠原凝膠性質(zhì)的影響

2.1 膠原質(zhì)量濃度對膠原凝膠性質(zhì)的影響

膠原溶液黏彈性與膠原質(zhì)量濃度有關(guān)，隨著膠原質(zhì)量濃度的增加，膠原溶液的彈性模量（G）和黏性模量（G）也會隨之增加，但G增加更為迅速并最終出現(xiàn)G和G曲線的交匯，交匯點的膠原質(zhì)量濃度即為膠原從溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變的臨界點質(zhì)量濃度[13]。1950年，已有學(xué)者經(jīng)大量實驗發(fā)現(xiàn)膠原的凝膠強度幾乎與膠原質(zhì)量濃度的平方成正比[14]。國內(nèi)學(xué)者的實驗研究也印證了這一觀點。張聯(lián)英[15]以鳙魚、鱸魚和鯽魚的魚皮為原料提取膠原，結(jié)果表明，膠原質(zhì)量濃度1～3 g/100 mL時，形成的凝膠強度與膠原質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。刁雪洋[16]研究豬皮膠原凝膠時也有相似發(fā)現(xiàn)，膠原質(zhì)量濃度3.0～12.5 g/100 mL時，膠原凝膠強度隨膠原質(zhì)量濃度上升而增強，且當(dāng)膠原質(zhì)量濃度達(dá)到12.5 g/100 mL后，凝膠強度達(dá)到495.9 g/cm2，上升趨勢減弱。這可能是由于隨著膠原質(zhì)量濃度的增加，膠原疏水作用增強，膠原之間更易交聯(lián)，更容易進(jìn)一步形成聚集體，膠原溶液分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用增強，更易與水結(jié)合形成凝膠。

2.2 膠原溶液pH值對膠原凝膠性質(zhì)的影響

有學(xué)者研究認(rèn)為，pH值通過影響極性殘基和非極性殘基的平衡對熱致膠凝反應(yīng)產(chǎn)生顯著影響[17]。當(dāng)膠原溶液pH值在等電點附近，膠原多聚體對外顯示中性，可形成強度更高的凝膠[15]，當(dāng)溶液pH值偏離等電點，凝膠保水性會有所增加[18]，但凝膠強度有所下降。膠原的來源及提取方式不同，導(dǎo)致其分子中極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)數(shù)量及比例不同，等電點也有所不同[19-22]。張聯(lián)英[15]以鳙魚、鱸魚和鯽魚魚皮膠原為原料，研究發(fā)現(xiàn)，所制得凝膠在pH 6時凝膠強度最大。王艷[23]以草魚魚鱗膠原為原料，研究發(fā)現(xiàn)，所制得凝膠在越接近中性pH值處硬度越高。曾名勇等[24]以鳙魚、鱸魚和鯽魚魚皮膠原為原料，研究發(fā)現(xiàn)，所制得凝膠在pH 6.5時凝膠強度最大?？梢娭苽鋸姸容^高凝膠的最適pH值不同。

2.3 加熱對膠原凝膠性質(zhì)的影響

當(dāng)溶液溫度較低時，膠原分子依靠其三螺旋結(jié)構(gòu)可發(fā)生自聚集行為[25]，可呈凝膠態(tài)，升溫可使膠原分子間氫鍵作用減弱，疏水相互作用明顯增強，使分子聚集成球狀[26]，繼續(xù)升溫可使膠原溶液處于非凝膠態(tài)，此時再經(jīng)冷卻之后形成的膠原凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會更加有序，凝膠品質(zhì)也有所提高。當(dāng)溫度超過變性溫度，溶液中膠原分子三螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生松散，繼續(xù)升溫會使三螺旋結(jié)構(gòu)變得松散，甚至被完全破壞[27-28]，生成明膠凝膠。從整體升溫過程來說，升溫可使所形成的凝膠強度先升高后降低[29-30]。從改善膠原凝膠性質(zhì)方面來說，當(dāng)加熱溫度低于其變性溫度，降溫冷卻會使膠原分子發(fā)生有效重排，形成更有序的凝膠結(jié)構(gòu)，有助于提高膠原凝膠品質(zhì)[13]。

不同膠原根據(jù)其來源和提取方法等的不同，變性溫度會有所不同，一般情況下畜禽膠原的變性溫度在40 ℃左右[16，31-33]，魚皮及魚鱗膠原的變性溫度在30 ℃左右[15，34-36]，也有研究發(fā)現(xiàn)以牛骨為原料提取的膠原，其變性溫度可達(dá)70.3 ℃[37]，所以在相同溫度下，不同膠原所形成的凝膠強度不盡相同。

2.4 凝膠形成時間對膠原凝膠性質(zhì)的影響

凝膠形成時間可影響膠原凝膠的形成。張聯(lián)英[15]發(fā)現(xiàn)，膠原凝膠強度也與凝膠形成時間有關(guān)，在凝膠形成的前4 h內(nèi)，隨著時間的延長，凝膠強度逐漸增大，當(dāng)凝膠形成時間超過18 h后，凝膠強度不再隨形成時間變化而明顯變化。焦坤[38]也有類似發(fā)現(xiàn)，在凝膠形成的前8 h內(nèi)，羊肩胛軟骨Ⅱ型膠原的凝膠強度隨時間的延長增幅較大，8～12 h后增幅逐漸變緩，16 h之后趨于穩(wěn)定?？梢娔z原凝膠強度會隨凝膠形成時間的延長而逐漸增強，達(dá)到最高點后隨時間延長凝膠強度不再增強并趨于穩(wěn)定。原因可能是隨時間延長膠原分子肽鏈之間的交聯(lián)程度增加，或者殘基之間形成了新的交聯(lián)，使得多個肽鏈之間由無序變得有序，從而使凝膠強度增加，之后由于膠原分子基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，凝膠強度不再增加。

3 不同添加物對膠原凝膠的影響

添加物可作為改性劑與膠原發(fā)生交聯(lián)、接枝或?qū)ζ鋫?cè)鏈進(jìn)行修飾等，對膠原進(jìn)行改性，以提高膠原的水溶性、膠原纖維強度，以及改善膠原的凝膠強度和熱穩(wěn)定性等[39]。常見的添加物包括γ-聚谷氨酸、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和鹽類等。

3.1 γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸能夠影響膠原纖維的致密度，可作為膳食纖維、食品增稠劑應(yīng)用于食品生產(chǎn)中[40]，也可以通過促進(jìn)唾液分泌來刺激味覺、改善口感、增進(jìn)食欲，并可以結(jié)合食物中的鞣質(zhì)，去除澀味，是一種很好的食品矯味劑，也有延緩食品變質(zhì)的作用[41]。閆鳴艷等[42]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)γ-聚谷氨酸添加量為膠原含量的80%時，膠原凝膠網(wǎng)絡(luò)致密度表現(xiàn)出增加趨勢，當(dāng)添加量進(jìn)一步增加到100%時，網(wǎng)絡(luò)致密度顯著下降，相對應(yīng)的膠原凝膠強度也表現(xiàn)出先增加后減弱的趨勢。但γ-聚谷氨酸并不能顯著提高膠原凝膠的耐酶性和熱穩(wěn)定性。目前γ-聚谷氨酸對膠原凝膠性質(zhì)影響方面的研究較少，是未來的一個研究方向。

3.2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶

酶法交聯(lián)原理是蛋白質(zhì)酶催化蛋白質(zhì)形成分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，從而改善蛋白質(zhì)的功能特性[43]。目前用于蛋白質(zhì)酶法交聯(lián)的酶主要包括谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、過氧化酶及多酚氧化酶等[44]。2005年，Chau等[45]證明谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶可以作為Ⅰ型膠原的交聯(lián)劑，后來有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在凝膠化過程中，由于膠原三螺旋結(jié)構(gòu)的破壞，水分子得以進(jìn)入膠原三螺旋結(jié)構(gòu)中形成溶液，為谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶交聯(lián)提供交聯(lián)位點[46-47]。到目前為止，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶在改良膠原凝膠性質(zhì)中研究較多。

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶可以有效提高膠原溶液的黏度[48]，有助于提高膠原膜的機(jī)械強度[49-50]，也有助于膠原凝膠的形成與穩(wěn)定。

Fortunati等[51]對比天然膠原凝膠和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶交聯(lián)Ⅰ型膠原凝膠的剪切模量和黏性模量，結(jié)果表明，交聯(lián)凝膠的剪切模量最大為1.6 kPa，相比之下，天然膠原最大剪切模量為1 kPa，表明交聯(lián)可以得到硬度更高的凝膠。Zhao Leilei等[52]以類人膠原為原材料，研究谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶對膠原水凝膠膠凝時間、吸水性、凝膠強度和凝膠結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，在酶活力20～60 U/g范圍內(nèi)，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶可縮短膠原膠凝時間，提高其吸水性，增強凝膠強度，使凝膠結(jié)構(gòu)變得致密有序。黃雨琳等[53]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶活力達(dá)到0.04 U/mL時，改性后膠原凝膠的性能最優(yōu)，經(jīng)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，改性后的凝膠膠原三螺旋結(jié)構(gòu)未被破壞，且與未改性膠原相比，改性后的膠原耐熱分解能力、抗體外酶降解能力、凝膠強度及吸水膨脹率提高，熱變性溫度略有增加。

3.3 卡拉膠

卡拉膠作為一種增稠劑和膠凝劑已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[54]，且卡拉膠在膠原食品研發(fā)中已有較多應(yīng)用[55-58]，卡拉膠添加量0.0%～0.4%時，膠原產(chǎn)品感官評分與卡拉膠添加量呈正相關(guān)[55]。目前有關(guān)卡拉膠對膠原凝膠性質(zhì)影響的報道較少，但卡拉膠對明膠凝膠體系凝膠特性的研究比較深入，可為其在改良膠原凝膠特性研究方面提供參考。例如，關(guān)于明膠與卡拉膠交互作用機(jī)理有學(xué)者推測：當(dāng)卡拉膠與明膠混合后，除氫鍵、疏水相互作用、范德華力、靜電相互作用之外，還可能有2 種作用機(jī)理，一種為當(dāng)體系pH值低于明膠等電點時，明膠帶正電荷，這時明膠分子可與卡拉膠分子上的硫酸基發(fā)生靜電相互作用，形成靜電絡(luò)合體，并形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);另一種是在體系pH值大于明膠等電點時，雖然明膠帶負(fù)電荷，但從局部某一段分子來看，仍有正電荷的存在，因此明膠與卡拉膠的鏈段之間可通過局部靜電相互作用相互搭結(jié)形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[59]。且有研究證明，明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和凝膠強度隨體系中卡拉膠添加量增加而增加[60-62]。

3.4 天然植物多元酚

天然植物多元酚可作為抗氧化劑和防腐劑應(yīng)用在肉制品中[63]，多元酚由于分子中羥基含量較高，可與膠原發(fā)生氫鍵交聯(lián)，對膠原進(jìn)行化學(xué)改性[39]?；ㄇ嗨赜兄谔岣吣z原的機(jī)械性能和熱變性溫度[64-65]。但目前花青素對膠原凝膠特性影響的研究也較少，僅有部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)，低添加量原花青素有助于明膠凝膠的形成，高添加量原花青素可與明膠形成沉淀，其可能原因是低添加量原花青素與明膠可形成具有多分枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠，但該凝膠體系熱穩(wěn)定性較差，其結(jié)合力較弱，高添加量原花青素與明膠之間形成氫鍵，故原花青素-明膠沉淀的熱穩(wěn)定性較明膠有很大提高[66]。這部分研究可為花青素等天然植物多元酚在膠原凝膠中的研究與應(yīng)用提供參考。

3.5 醇類

醇類，如丙三醇可以結(jié)合到膠原分子表面，與膠原競爭水分子，促進(jìn)膠原分子聚集體溶解，穩(wěn)定膠原分子，提高其變性溫度[67]。Li Jiheng[68]、楊維[69]、劉文濤[70]等也有相似的結(jié)論，醇類可以提高膠原的熱穩(wěn)定性和膠原溶液黏彈性。添加醇類對膠原凝膠強度的影響總體呈先下降后增高的趨勢。在低添加量下（一般為6%）凝膠強度會下降，而隨著添加量繼續(xù)增大，膠原凝膠強度會有所上升，其中當(dāng)醇類添加量大于10%后，膠原凝膠強度較未添加醇類時有所上升[71-72]。原因可能是剛開始添加醇類時，醇類會提升膠原的熱穩(wěn)定性，使膠原分子無法充分展開，膠原分子間的交聯(lián)程度較低，故凝膠強度會有所下降[73]，隨著添加量的增大，醇類中的羥基會與膠原分子形成氫鍵，從而提升膠原凝膠強度[74]。

3.6 鹽

鹽的種類繁多，對膠原凝膠性質(zhì)的影響也有所不同，有些鹽可促進(jìn)膠原凝膠的形成，提高膠原凝膠強度，而有些鹽卻會產(chǎn)生相反的影響，且同一種鹽在不同濃度下對膠原凝膠的影響也是不同的。

不同陽離子對膠原分子的聚集性和溶解度有不同影響。膠原發(fā)生自聚集后溶解度降低，較難形成凝膠，且凝膠強度降低。邢建宇等[75]研究發(fā)現(xiàn)，不同金屬離子對膠原自聚集作用影響不同，影響能力大小為Cu2+>Fe3+>Zn2+>K+。王志煒[76]研究K+、Na+、Mg2+和Ca2+ 4 種陽離子基團(tuán)在膠原自聚集過程中的特殊離子效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，K+會降低膠原的溶解度，而Na+和Mg2+會提高膠原的溶解度，在中低濃度的Ca2+溶液中，膠原溶解度較大。除了對膠原溶解度的影響外，一些金屬陽離子還可提高膠原的熱穩(wěn)定性[77]和抗氧化活性[78]。目前，關(guān)于膠原與陰離子相互作用的研究較少。Collins[79]發(fā)現(xiàn)，對水合能力較強的陰離子，如硫酸鹽、磷酸鹽主要與蛋白質(zhì)通過中間水分子產(chǎn)生間接相互作用，且高濃度強水合陰離子可使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在鹽溶液離子濃度較高時，膠原自聚集結(jié)構(gòu)受陰離子影響明顯，例如高濃度的SO42-會促使膠原分子凝集穩(wěn)定，對膠原自聚集影響較強，而CH3COO-對于膠原蛋白自聚集結(jié)構(gòu)的影響較弱[80]。

高金龍[81]的研究結(jié)果與此相符，他發(fā)現(xiàn)與未添加CaCl2、MgSO4的膠原溶液相比，CaCl2和MgSO4的添加會使膠原凝膠強度下降。

鹽與膠原分子間的作用主要是靜電相互作用，靜電相互作用可調(diào)節(jié)膠原構(gòu)象，隨著離子強度增強，膠原熱穩(wěn)定性會有所提高[82]，且膠原熱變性溫度也會呈先降低后增高的趨勢[83]。鹽的添加也會使膠原凝膠強度發(fā)生改變，例如NaCl添加量0%～1%時，在NaCl添加量0.5%條件下，膠原蛋白凝膠強度最高，而在NaCl添加量1%條件下，由于鹽離子可以直接破壞膠原溶液中的水合鍵和氫鍵，改變凝膠形成區(qū)域周圍水的狀態(tài)，破壞膠原交聯(lián)部位的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致膠原溶液凝膠強度降低[29-30，38]。

3.7 聚丙烯酸鈉

聚丙烯酸鈉是我國批準(zhǔn)使用的食品添加劑，可用作增塑劑、乳化劑、賦形劑及膨化劑等。聚丙烯酸鈉是一類帶有陰性電荷的電解質(zhì)，而膠原蛋白在酸性條件下帶有正電荷[84]，因此在一定條件下，聚丙烯酸鈉與膠原分子之間可以產(chǎn)生靜電相互作用，但是目前聚丙烯酸鈉在膠原凝膠方面的研究很少，其改善肌原纖維蛋白凝膠特性方面有一些研究[85-86]。王亞斌[87]研究發(fā)現(xiàn)，在制備膠原膜時加入聚丙烯酸鈉，復(fù)合膜的拉伸強度逐漸增大，最高達(dá)到純膠原膜的1.49 倍，且復(fù)合膜降解溫度提高、膜更致密。這說明聚丙烯酸鈉可以使膠原形成更緊密的結(jié)構(gòu)，可能有助于提高膠原凝膠的強度及穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段畜禽、魚類副產(chǎn)物用于膠原凝膠類食品研發(fā)有望成為未來食品企業(yè)研發(fā)的一個新方向。但當(dāng)前對膠原凝膠的研究仍有不足，有以下問題待解決：部分食品添加劑（如卡拉膠和γ-聚谷氨酸）在膠原類食品研發(fā)及生產(chǎn)中有所應(yīng)用，但其改良膠原凝膠特性機(jī)理方面的研究很少;部分添加物（如聚丙烯酸鈉和酚類）在膠原性質(zhì)改良方面有所研究，但并未應(yīng)用于膠原凝膠產(chǎn)品的研發(fā)及膠原凝膠性質(zhì)改良研究。因此以上幾類添加物對膠原凝膠性質(zhì)改良的機(jī)理研究可作為未來的研究方向。

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