胶原蛋白的特性及其应用.doc

(完整word)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

Property and Application of Collagen Protein
Lai Na—tong
（School of Light Textile and Food Engineering, Sichuan University)
［Abstract] With the development of the means of extracting collagen and the full realization of functional properties of collagen and collagen peptide， the research and application of the collagen have become a hotspot。 This paper will introduces the application of collagen protein， combining with the property and function, in light industrial, medical materials and other field except leather manufacture。
[Keyword］ collagen protein； 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、糕点等的内包装膜，其不仅具有良好的外观、机械性能，而且可作为一种营养载体，成为食品的一种营养强化剂[36］ 。胶原蛋白还可用于制作复合天然保鲜膜,用于肉类保鲜，效果[37] .用明胶制成的明胶膜又称可食包装膜、生物降解膜，具有良好的抗拉强度、热封性和较高的阻气、阻油、阻湿性能［38] ,可用于水果保鲜、肉类保鲜、食品包装或直接食用。为了保证包装材料的强度，要求水解胶原保持较大的分子量。
4、食品的涂层材料
近年来,人们发现将近年来,人们发现将明胶用于食品涂层上具有很多好处，如:避免食品氧化，抑制褐变反应；防止食品吸潮及僵硬;使食品表面有光泽;作为稳定剂,防止产品干缩变形;具有保鲜作用,明胶溶液可在果蔬表面形成皮膜，能保证食品的新鲜度和天然风味；防止食品腐败,延长食品的保存期;提高挥发性食品成分的保存性;调整溶解性等［39］。
5、在食品行业其它方面的应用。
胶原蛋白粉经调浆、成型、干燥、油炸等工序,可制得胶原小食品;调浆时，可根据口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品。在食品生产中，明胶可作为稳定剂、乳化剂、搅打剂、发泡剂等用于糖果、冷冻食品和乳制品、罐头食品等的生产。
（三)胶原蛋白在化妆品行业的应用
胶原蛋白作为一种有效的化妆品原料，可以滋润肌肤，赋予其平滑感觉，对头发也有很好的调理作用。胶原蛋白应用于化妆品的功效主要有以下几点:（1)营养性；（2）修复性；（3）保湿性；（4）配伍性；（5)亲和性.试验证明,0。01 %的胶原蛋白纯溶液就有良好的抗各种辐射的作用,且能形成很好的保水层，能供给皮肤所需要的全部水分。在美国、德国、日本等国家,许多高档化妆品中添加有胶原蛋白，甚至在人面部注射胶原以改善皮肤，减少皱纹。美国CTFA化妆品原料手册录用的天然物质和《功能性化妆品原料》中，都有胶原蛋白或其水解产物(羟脯氨酸、脯氨酸、丝氨酸) [40-42] .

(四）胶原蛋白作为饲料用蛋白
蒋挺大［43]等在上世纪90 年代初从制革生产中的废弃物铬革渣中提取饲料胶原蛋白粉, 经鉴定是一种新型的饲料蛋白质添加剂， 其主要营养及化学成分分析结果：粗蛋白、粗纤维、粗脂肪总含量70％以上， 总铬含5.29mg/kg（为三价铬, 无六价铬)，氨基酸18种。具有营养价值高, 粗蛋白的体外消化率达91.7%, 高于进口鱼粉和其他动物蛋白；极强的抗病能力, 可使鸡的死亡率从20%以上降低到3%以下，它是除药物以外任何一种饲料添加剂无法比拟的；有一定的粘结性， 适口性好等特点.
（五）胶原蛋白在造纸业的应用
胶原纤维除具有一般纤维相同的机械强度外,还有独特的摩擦性、耐热性、吸音性、吸水性和对其它物质的吸着性能。胶原纤维和植物纤维是两大天然高分子， 都含有许多活性基团和活性部位， 它为两种纤维的再生复合(机械混合或化学处理）提供了良好的条件[44］.付丽红［45]等研究发现植物纤维（纸纤维)和胶原蛋白之间可形成化学键， 使得纸纤维间的结合力增大, 键能提高, 从而显著提高纸张的物理强度， 并使纸张的吸水性和透气性降低.因此再生天然纤维复合可以生产许多不同风格、特点和用途的产品。
(六）胶原蛋白在纺织业的应用
胶原蛋白是一种纤维状蛋白质， 具有独特的棒状螺旋结构, 物理机械性能非常优越, 与一般植物蛋白相比更适合于纺丝生产蛋白纤维［46]。其纤维的强度较高, 可制成纺织面料及服装， 且保湿性优良，与人体皮肤具有较好的亲和性， 穿着舒适。国外有许多利用胶原蛋白进行纺丝的研究报道[47—48].日本研究者采用经收缩处理过的生丝和从生丝中提取的胶原蛋白制取具有永久弹性的真丝［49].胶原蛋白可制备医用可吸收缝合线或与其它高分子制得共混纤维［50]。
（七）胶原蛋白生产特殊材料
胶原复合材料 共混膜。胶原蛋白除同其它高分子材料共混纺丝外, 还具
有良好的成膜性能.其优异的生物性能使胶原蛋白共混膜制品在生物材料、食品包装材料等领域都有广阔的应用前景。但单一胶原蛋白材料力学性能(特别是湿强)和抗水性差， 易降解， 胶原蛋白通过化学修饰或与其它高分子材料(壳聚糖、聚乙烯醇、葡甘聚糖、软骨素、透明质酸、丝素等）共混的方式能有效改善以上不足, 这正是当前国内外研究的热点［51-52］.
胶原纳米材料。无机纳米粒子通过某种反应可与胶原蛋白纤维形成无机相纳米结构的复合材料, 且无机纳米粒子均一地分散在蛋白纤维间隙中, 而蛋白纤维具有控制纳米颗粒直径和防止纳米颗粒团聚的作用。可采用溶胶凝胶法，制备皮胶原-TiO2 纳米复合材料, 纳米TiO2 能均匀渗透到皮胶原纤维中文献[53]。
（八)胶原蛋白在生物发酵中的应用
随着我国生物医药工业的发展， 作为生物发酵培养基的传统的蛋白胨资源， 其供需矛盾将日益突出, 浙江巨化集团［54］ 通过对废革回收提取得到的水解胶原蛋白, 是一种新型的生物发酵培养基, 含氨基酸种类齐全， 具有微生物培养的独特功效, 是细菌学培养、生物发酵培养基的最佳原料之一.可用于青、链霉素、金霉素、螺旋霉素等抗生素药物的生产。实验证明该培养基可有效的促进菌丝的生长， 具有菌丝生长快、菌丝粗壮等特点， 在含氮量和水溶性方面， 优势独特, 价格、性能明显优于常规的骨胨、肉胨等蛋白胨。

三、胶原蛋白在医学上的应用
　 胶原蛋白因其特有的极低的抗原性、可生物降解性、生物吸收性、止血性能和促进细胞生长的功能， 使得其近年来在医药工业和医学临床的研究和应用日益广泛。
（一）胶原蛋白应用于烧伤治疗
烧伤是一种常见的疾病, 胶原蛋白生物敷料具有制备方法简便、灭菌方便、易于加工等优点[55］， 促进了其在烧伤治疗中的应用.
Yannas[56］等人研究了10例使用胶原蛋白敷料的烧伤病人, 无感染、炎症和排异反应。将自体上皮细胞被植入到胶原蛋白基质中, 可完全替代皮［57］。国内王旭等人[58］利用人的真皮组织提取胶原溶液, 冷冻干燥制备成胶原膜后，植入预先培养的纤维母细胞， 形成人真皮类似物.四川大学王坤余［4］等人提出了从皮革废弃物中提取胶原蛋白作为治疗烧伤的敷料的构想.胶原蛋白作为创伤敷料具有黏附性好、适于肉芽组织和上皮细胞形成、能减小伤口的挛缩和抗原反应、止血性能好、易吸收组织溢泌物等[59]特点.
（二）胶原蛋白在创伤外科中的应用
胶原蛋白用于创伤治疗中的特点除了具有抵抗原性、生物相容性的生物特性外, 还具有类似真皮的物理形态结构和可适度交联及被组织吸收的物理化学特点.目前， 胶原蛋白及其改性的产品在国内外被大量的投入生产[60］
胶原蛋白是以纤维或弹性纤维的形式发挥生理作用,对创伤组织的修复有重要意义， 在创伤外科中主要用于外力所致的伤口、腿部溃疡和褥疮等的治疗［61］。
Duun 等人［62］设计出一种含有碳2纤维电极的交联胶原蛋白海绵， 在电刺激作用下该海绵可加速创伤伤口的愈合。戊二醛胶原人工皮, 可用于绿脓杆菌感染、慢性溃疡创面及Ⅲ度切痂创面、且无排异反应， 可望替代异体[63］ 。
（三)胶原蛋白在止血方面的应用
胶原蛋白能够与血小板黏结、聚集起到止血的作用，它的三螺旋结构能够诱导血小板附着［64] ， 产生释放反映，而且能激活血液凝固因子， 粘着在渗血的伤口上, 对损伤的血管起到填塞的作用。国外对胶原止血材料的研究十分活跃， 已经成功地用于肝、脾等富含血管的组织出血的治疗中， 如肝脏吻合术、心脏手术及各种外科、内科手术［65] 。
（四）胶原蛋白用于眼科疾病的治疗
胶原蛋白能够促进角膜上皮细胞的损伤的修复和细胞生长， 在眼科疾病的治疗中应用相当广泛。胶原蛋白溶解于泪液中， 具有引导上皮细胞潜入缺损区的能力， 同时它的降解产物能被新生细胞利用， 合成新的胶原， 起到连接细胞的作用[66]。
(五）胶原蛋白在组织工程中的应用
组织工程是研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后功能和形态的生物替代物的新兴学科,它主要研究四个方面: 种子细胞、支架材料、器官构建、临床使用。随着研究的深入, 组织工程对于生物材料的要求越来越高。目前, 生物可降解的胶原蛋白是组织工程中研究较多的一类材料， 它具有生物相容性好， 植入体内后能在体液、酶、细胞等的作用下发生降解, 变成小分子物质被吸收或通过新陈代谢排出体外等特点［67] 。作为组织工程学方面的应用[68-70]还包括：皮肤代用品、骨代用品、人工血管和瓣膜等。

三、问题与展望
随着科学的发展, 人民生活水平的提高， 生活质量越来越受到重视, 人们追求纯天然, 无污染的绿色食品为大势所趋。胶原蛋白作为天然的生物资源， 其独特的结构与功能, 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、被广泛应用于生物医学、食品工业、化妆品等领域.当今人民越来越关注胶原蛋白的开发和利用, 在生物和科学技术飞速发展的今天，胶原的功能特点将会不断地被发掘, 使胶原蛋白更广泛的造福人类.
但是胶原的耐用性、生物相容性及制备的高成本是其作为生物材料的主要限制因素，在国内，胶原食品的优越性还没有得到消费者的充分认识.另外目前实验所用胶原大多来源于动物, 对临床的研究不利或有所限制。而且如何从富含胶原蛋白的皮革废弃物中提取高价值的胶原蛋白，实现其高值利用， 充分发挥其资源优势， 是目前摆在人们面前的一个难题， 它不仅是有利于胶原蛋白的有效利用， 同时对保护环境也具有十分重要的意义。

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