海洋源活性胶原的提取及其应用研究进展

程宽1,易一帆1,王越 1,张敏2,刘学平1,丁翠翠1 *

(1.福建理工大学 生态环境与城市建设学院,福建 福州 350118;2.福建农林大学 材料工程学院,福建福州 350108)

摘 要: 随着人类对海洋资源需求的不断增加,海洋资源的研究与开发受到广泛关注。与传统禽畜源胶原蛋白相比,海洋源活性胶原具有生物资源丰富、致敏性低、抗氧化性强、安全性高、不受宗教信仰限制等优势。该文对近年来国内外不同种类海洋动物活性胶原提取的相关研究进行综述,并介绍其在食品和医学等领域的应用研究进展,旨在为海洋源活性胶原的开发和利用提供参考。

关键词: 海洋;活性胶原;提取方法;食品工业;综合利用

胶原蛋白作为一种大分子材料,在生物、医疗、食品、化妆品、饲料、皮革等领域具有良好的应用潜力,胶原蛋白的全球工业需求量每年超过32 万t[1]。到目前为止,已有28 种蛋白质可归属于胶原的范畴,其按照发现的先后顺序依次用大写罗马数字进行编号。I 型胶原是最常见的胶原,存在于皮肤、骨骼、肌腱、韧带和血管等组织中,具有支撑组织结构的作用;II 型胶原存在于软骨组织中,具有保护和缓冲作用;III 型胶原存在于血管、肌肉和内脏等组织中,起支撑和保护的作用,并参与修复和恢复受损组织;IV 型胶原存在于基底膜中,参与细胞结构支持,如细胞迁移、肾小球滤过和神经元分化等生物过程;V 型胶原存在于皮肤、毛发、胚胎和胎盘等组织中,起结构支撑作用,如维持皮肤弹性、参与毛发和指甲的生长、支持胚胎的发育。传统禽畜源胶原主要来自动物皮肤、肌腱和骨骼等组织,并多被用于食品和饲料加工产业。然而,禽畜源胶原存在疯牛病、口蹄疫、禽流感、猪链球菌感染和炭疽病等常发病的传播隐患[2],使人们对禽畜源胶原蛋白及其制品的安全性产生了质疑。此外,受宗教信仰和文化差异影响,严重限制了禽畜源胶原的应用[3]

我国海洋渔业资源丰富,加工过程中产生约一半的皮、骨、鳞、鳍、内脏等固体废物,其中含有大量的活性胶原,通过合理回收利用可避免资源浪费和环境污染。与禽畜源胶原比,海洋源活性胶原具有生物资源丰富、致敏性低、抗氧化性强、安全性高、不受宗教信仰限制等优点[4]。目前,富含胶原的海产品废料多被制成饲料,产品附加值低。因此,开发海洋源活性胶原可以产生巨大经济价值与社会价值[5]。海洋源活性胶原的具体来源及其主要应用如图1 所示。本文通过对海洋源活性胶原进行分类,并对不同种类的海洋源胶原的提取和应用进行总结和分析,旨在为海洋源胶原的开发和利用提供思路。

图1 海洋源活性胶原的具体来源及其主要应用
Fig.1 Specific sources and main applications of marine-derived active collagen

1 海洋源活性胶原的提取

海洋源活性胶原的主要来源包括鱼类、无脊椎动物类以及哺乳动物三大类。鱼类活性胶原主要分布于鱼皮[6-10]、鱼骨[11-14]、鱼鳞[15-16]及鱼鳔[17-18]等部位。无脊椎动物类如楯手目(Aspidochirotida)、根口水母目(Rhizostomae)和乌贼目(Sepiida)等体内也含有丰富的活性胶原,主要分布于体壁[19-21]、肌肉[22]、外膜[23-27]等组织中。海洋哺乳动物类主要包括鲸偶蹄目(Cetartiodactyla)、鳍脚目(Pinnipedia)和海牛目(Sirenia),鲸偶蹄目类是其中的主要研究对象。

1.1 鱼类活性胶原

鱼类是海洋中最古老的脊椎动物之一,几乎分布在全球所有海洋环境中。鱼类肌肉部位常作为人类的主要食物来源,但其它部位往往被视为废弃物。由于这些废弃物中富含大量的活性胶原,提取其中的活性胶原并提高其附加价值逐渐成为新的研究热点。例如,Bisht 等[7]使用尿素和乳酸混合液以及乙酸这两种不同的提取溶剂从大西洋鳕鱼(Gadus morhua)鱼皮中提取了活性胶原,结果表明,尿素和乳酸混合溶液提取活性胶原的提取率和纯度都远远超过了乙酸的提取效果,这使得活性胶原提取过程更加高效和环保,同时也更具成本效益。Adamiano 等[12]利用磷酸盐溶液和碳酸盐溶液从大西洋鲑鱼(Salmo salar)和大西洋鲷鱼(Sparus aurata)鱼骨中同时提取了Ⅰ型活性胶原和羟基磷灰石,解决了酸法和酶法等方法在提取鱼骨胶原时鱼骨中磷酸钙溶解而无法回收的难题。陈思谨[15]利用亲水超滤技术辅助提取美国红鼓鱼(Sciaenops ocellatus)鱼鳞中活性胶原,该技术可以缩短提取时间,同时极大提高活性胶原的纯度。李航婷等[18]通过响应面法优化海鳗(Muraenesox cinereus)鱼鳔活性胶原提取工艺,确定的最佳提取条件为醋酸浓度0.42 mol/L、酸解时间21 h、料液比为1∶58 (g/mL),此时活性胶原提取率为65.32%。

1.2 无脊椎动物活性胶原

海洋无脊椎动物是海洋生态系统中数量最多的物种,是动物界的原始形态,考古学表明,早在中石器时代人类就开始在海边捕食贝类[28]。但部分海洋无脊椎动物因数量过多、繁殖过快、常被污损、食用价值低等问题,对海洋渔业、临港工业及旅游业造成了负面影响[29]。现阶段,越来越多研究人员将研究目标锁定到海洋无脊椎动物活性胶原中,其提取率虽普遍低于海洋鱼类,但其原料成本较低,可变废为宝,从而具备了重要研究意义。Khong 等[30]用超声辅助酸酶法从哈登堡水母(Acromitus hardenbergi)口腕中提取出含有半胱氨酸的Ⅲ型活性胶原,经超声辅助将活性胶原的提取率从0.39% 提高到40.20%。Pallela 等[31]从暗棕羊海绵(Ircinia fusca)中提取出了纤维状结构的Ⅰ型活性胶原和网状结构的Ⅳ型活性胶原,提取率为0.17%。王越等[2]研究比较了真海鞘(Halocynthia roretzi)体内活性胶原和牛跟腱Ⅰ型胶原的差异,该活性胶原具有与牛跟腱胶原类似的结构,且该活性胶原的呈味氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸及甘氨酸)含量比牛跟腱胶原更加丰富,约占氨基酸总量的43.07%,明显高于牛跟腱胶原(34.35%)。总之,大多数无脊椎动物体内活性胶原相对鱼类较少,不同的无脊椎动物体内活性胶原的理化性质也大不相同,加速开发和利用海洋无脊椎动物有助于推动活性胶原提取过程中新原料的发现,同时也有望为医学和食品等领域提供丰富的资源。

1.3 海洋哺乳动物类活性胶原

海洋哺乳动物体型远大于陆生哺乳动物,其体内富含活性胶原,但由于其多为保护动物,因此,目前存在的海洋源哺乳动物活性胶原研究较少[32]。Nagai等[33]通过酸酶法从小鳁鲸(Balaenoptera acutorostrata)的腹部和尾部肌肉提取出的活性胶原具有与猪皮活性胶原相似的理化性质。虽然开发海洋哺乳类动物资源存在争议,但对于自然死亡或意外死亡的海洋哺乳动物,依然可通过合理的方式进行资源的开发和利用。

综上所述,研究人员已通过多种方式从不同种类的海洋生物中提取出活性胶原,包括酸法(acid method,A)、酶法(pepsin method,P)、超声辅助酸法(ultrasound-assisted acid method,UA)和超声辅助酶法(ultrasound-assisted pepsin method,UP)等技术。这些提取技术针对不同的海洋生物组织和胶原类型,可最大限度地提取出海洋源活性胶原,并控制胶原的质量和纯度。表1 总结了从不同海洋生物中提取胶原的具体方法、提取部位、所提取胶原的类型以及提取率。

表1 海洋源活性胶原的提取
Table 1 Extraction of active collagen from marine sources

类型鱼类无脊椎类哺乳类学名大西洋鲑鱼赤魟绿鳍马面鲀海鳗黄鮟鱇鱼麦奇钩吻鲑尖吻鲈鱼双斑东方鲀太平洋鳕鱼鰧头鲉暗棕羊海绵方格星虫哈登堡水母黑赤星海参马氏珠母贝洪堡鱿鱼波罗的海海星枪乌贼华贵栉孔扇贝沙海蜇小鳁鲸提取方法APPAPU PPAAPAPU APPAPPPPP提取部位鱼皮鱼皮鱼皮鱼鳔鱼骨鱼皮鱼皮鱼皮鱼鳞鱼皮细胞体壁口腕体壁外膜外皮体壁外皮外膜下脚料肌肉胶原类型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅱ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ/Ⅳ型Ⅰ型Ⅲ型Ⅰ型V 型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型Ⅰ型提取率/%22.60 37.18 27.60 65.32 36.43 23.80 47.30 49.83 42.15 58.30 0.17 0.50 40.20 72.20 22.00 31.76 4.01 56.80 37.41 1.96 28.40参考文献[34][35][36][18][14][37][10][38][39][40][31][19][30][21][26][25][41][23][27][42][33]

2 海洋源活性胶原的应用

2.1 食品领域

2.1.1 食品保鲜

传统食品保鲜材料通常是由石化工业制成的聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料,长期接触具有致癌风险,且难以降解,随意丢弃会造成白色污染;而以活性胶原为基材制备的食品保鲜材料不仅没有安全隐患,且可生物降解。目前将海洋源活性胶原应用于食品保鲜的研究主要集中于食品包装膜和可食用涂层两个方面。在包装膜方面,海洋源活性胶原基材料具有良好的成膜性,可减少外界气体、水分和微生物的侵入,从而防止外界因素对食品品质带来的不利影响。例如,Bhuimbar 等[43]利用黑鲹(Centrolophus niger)鱼皮活性胶原、壳聚糖、石榴皮提取物和甘油制备食品保鲜薄膜,该薄膜具有良好的机械性能,同时对枯草芽孢杆菌、伤寒沙门氏菌等食源性病原体有着良好的抗菌效果。可食用涂层方面,海洋源活性胶原基材料作为可食用涂层时,不仅具有食品包装膜的隔绝外界污染和柔韧性等特性,还具有保水性、附着性及生物安全性,可以防止食品水分流失和氧化。例如,刘津延[44]将大青鲨(Prionace glauca)鱼皮活性胶原和壳聚糖共混溶液涂抹在冷冻贮藏的鱼片表面上,检测鱼片的蛋白质指标变化,发现涂层可以减缓鱼片的氧化,抑制鱼片蛋白质降解,从而达到延长贮藏时间的目的。

2.1.2 食品添加剂

食品添加剂通常用于改善食品品质、延长保质期、提高营养价值等方面。海洋源活性胶原是天然蛋白质材料,营养丰富,通过改性手段可赋予其良好的乳化性和发泡性。例如,叶童等[34]发现大西洋鲑鱼活性胶原溶液的乳化特性优于牛、大鲵的活性胶原,发泡特性优于酪蛋白和米糠浓缩蛋白。Gao 等[38]研究表明双斑东方飩鱼(Takifugu bimaculatus)鱼皮活性胶原溶液的保水能力、吸油能力、乳化特性及发泡特性等均优于陆生动物活性胶原类食品添加剂和酸樱桃浓缩蛋白、大豆分离蛋白等其它蛋白质类食品添加剂。

随着对海洋资源研究的深入,海洋源活性胶原有望在食品工业中得到更为广泛的推广和应用,为人们提供更加安全、健康、营养的食品选择。

2.2 医学领域

2.2.1 伤口敷料

在意外伤害和手术等情况下,临床上常用纱布作为伤口敷料来解决伤口失血和创面感染问题,而纱布仅能通过压迫的方式进行物理止血且无法促进伤口愈合。胶原不仅可通过参与凝血过程和激活血小板的方式进行止血,且具有良好的生物相容性、生物降解性及促进肉芽组织生长等特性,有望替代纱布成为理想的伤口敷料。Ding 等[45]利用尿素和氯化钠从污损生物真海鞘肌肉层快速提取活性胶原,并通过冷冻干燥制备了具有毛细效应的高效止血海绵,实现了从原料提取到制备过程的双重环保。仇雷雷[46]利用越前水母(Nemopilema nomurai)伞盖活性胶原与壳聚糖制备伤口敷料在大鼠海水浸伤模型中使得创面在第3 天就生成大量的肉芽组织和血管,而纱布在第5 天才刚刚显示出肉芽组织。伍乐等[47]以甲基丙烯酸化海星(Asteroidea)体壁活性胶原、甲基丙烯酸化透明质酸和海洋源小球藻生长因子为原料,通过紫外照射光交联的方式制备水凝胶,其具有良好的形状记忆特性和黏附性能,作伤口敷料时,具有良好的贴合性和一定的抗外力能力,能够有效地保护伤口。

2.2.2 组织工程

组织移植可有效解决组织功能失常、无法自我修复等问题,然而在自体移植不能满足需求的情况下,异体移植常常导致排异反应,因此开发和设计人工组织以替代或修复人体的组织功能具有重要意义。海洋源活性胶原由于其自身特性不仅可以作为组织工程支架,还可作为组织移植时的辅助工具。Rigogliuso 等[48]将褐色根口水母(Rhizostoma pulmo)口腕和伞部的Ⅰ型和Ⅱ型活性胶原与对羟基苯基丙酸改性的明胶共混,通过辣根过氧化物酶和过氧化氢进行酶促交联,设计出一种可以包裹自体软骨细胞的可注射水凝胶,从而达到解决自体软骨细胞在体外保持分化状态的目的,以确保软骨的再生能力。袁晓龙等[49]设计了一种基于大西洋鳕鱼鱼皮活性胶原的角膜载体支架,该支架具有极高的透明度,同时具有均匀孔隙的网格状结构,在接种人角膜基质细胞后体外培养3 h,大量荧光标记的细胞迁移到支架内部,并且多附着在胶原纤维上。基于海洋源活性胶原开发和设计的组织工程材料有着广阔的应用前景,通过将其与其它生物材料进行复合,可制备出具有理想物理化学性质和生物相容性的材料,以满足不同组织再生和修复的需求。

随着对海洋资源的深入挖掘,海洋源活性胶原在生物医学领域的应用逐渐显现潜力。它为研究者和医生提供了一种更加安全、健康且具有生物相容性的原料,用以开发新型治疗方法和医疗产品。

2.3 其它领域

2.3.1 化妆品

随着年龄的增长,皮肤中的活性胶原逐渐减少,导致出现皮肤松弛、皱纹等肌肤老化问题。在化妆品领域,胶原也可以作为产品原料,例如在护肤品中添加胶原成分,可以改善皮肤的水分含量、提高皮肤弹性。杨辉等[50]研究了从黄鮟鱇鱼(Lophius litulon)鱼肠中提取的活性胶原在人体皮肤上的保湿性,结果表明活性胶原具有比透明质酸、丙三醇更好的吸湿和保湿性能。靳书杰[51]发现日本黄姑鱼(Argyrosomus japonicus)鱼皮提取的活性胶原与甘油相比,具有更好的吸湿和保湿性能,其砷、铅、汞等重金属含量远低于国家标准,同时对鼠胚胎成纤维细胞无毒性和致敏性,适用于各类化妆品中。杜崇[52]分析了仙后水母(Cassiopea xamachana)和鞭腕水母(Acromitus flagellatus)伞部活性胶原与人永生化表皮细胞之间的相互作用,结果表明两种水母的活性胶原都具有良好的抗氧化活性,且对人永生化表皮细胞的形态不会产生影响。

2.3.2 保健品

保健品通常包括维生素、矿物质、膳食纤维、蛋白质、鱼油等成分,可作为日常饮食的辅助品,帮助人们维持健康状态。王丰雷等[53]将棘头梅童鱼(Callichthys lucidus)鱼鳔中提取的活性胶原按照4 种不同浓度灌入大鼠胃中,4 周后对其进行力竭游泳实验,结果表明活性胶原会延长大鼠游泳时间,且浓度更高的活性胶原会提高大鼠体内糖原的储备、减少血清中尿素氮含量,从而提高其抗疲劳活性,有望制备出运动员可服用的抗疲劳保健品。牛慧娜等[54]研究了海鳗鱼皮活性胶原对大鼠缺铁性贫血的效用,结果表明,该活性胶原含有多种与机体造血功能相关的矿物质元素(Fe、Cu、Zn和Mn),可以提高血液中红细胞数量和血清铁浓度,同时还可缓解骨髓异常增生,对缺铁性贫血有一定改善作用。

目前,海洋源活性胶原的应用主要涉及食品、医学等领域。在食品领域,海洋源活性胶原可用于制备保鲜材料,保护食品免受氧化和细菌污染,且可作为食品添加剂,丰富食品口感;在医学领域,海洋源活性胶原可用于制备伤口敷料,具有促进伤口愈合和止血等功效;在组织工程方面,为人体组织修复与再生提供支撑作用。此外,在化妆品方面,可用于改善皮肤状态、减少皱纹等;在保健品方面,可延缓疲劳、增强人体免疫力。海洋源活性胶原的具体应用总结见表2。

表2 海洋源活性胶原的应用
Table 2 Application of marine-derived active collagen

类型鱼类无脊椎类哺乳类学名黑长鲳赤魟鱼金枪鱼大青鲨大西洋鲑鱼双斑东方飩鱼鳗鱼鰧头鲉鳗鱼蓝尖尾无须鳕大西洋鳕鱼大西洋鳕鱼黄鮟鱇鱼日本黄姑鱼棘头梅童鱼海鳗真海鞘真海鞘越前水母海星褐色根口水母鞭腕水母黑赤星海参小鳁鲸提取部位鱼皮鱼皮鱼皮鱼皮鱼皮鱼皮鱼鳔鱼皮鱼皮鱼皮鱼皮鱼皮鱼肠鱼皮鱼鳔鱼皮肌肉层肌肉层伞部体壁口腕伞部体壁暂无应用领域食品医学其它食品医学其它具体应用食品保鲜食品保鲜食品保鲜食品保鲜食品添加剂食品添加剂伤口敷料伤口敷料组织工程组织工程组织工程组织工程化妆品化妆品保健品保健品食品保鲜止血材料伤口敷料伤口敷料组织工程化妆品化妆品参考文献[43][35][55][44][34][38][56][40][57][58][59][49][50][52][53][54][60][45][46][47][48][52][21][33]

3 展望

海洋源活性胶原具有成本低、安全性高、无宗教和风俗限制等禽畜源胶原不具备的优势。目前常见的活性胶原的提取以酸、酶法为主,未来针对海洋源活性胶原提取的研究重点可以集中在以下几个方面:1)如何最大限度提高提取效率、降低提取成本;2)在提取海洋源胶原的过程中,更加注重环境保护,探索环境友好型提取方法,尽可能减少对自然环境的影响;3)进一步探索活性胶原的生理功能和生物活性,以拓宽海洋源活性胶原的应用领域。海洋源活性胶原具有广阔的发展潜力和研究空间,未来仍需加强其与其它学科的交叉和合作,推动其在生物医学、生命科学、材料科学等领域的应用和发展,以便充分发挥海洋源活性胶原的价值,为后续更加有效地利用海洋资源作出贡献。

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Research Progress on the Extraction and Application of Active Collagen from Marine Sources

CHENG Kuan1,YI Yifan1,WANG Yue 1,ZHANG Min2,LIU Xueping1,DING Cuicui1 *
(1. College of Ecological Environment and Urban Construction,Fujian University of Technology,Fuzhou 350118,Fujian,China;2. College of Material Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350108,Fujian,China)

Abstract: With the continuously increasing human demand for marine resources,the research and development of marine-derived resources have garnered extensive attention. In comparison to collagen derived from livestock and poultry,active collagen sourced from marine animals possesses several advantages,including rich biological resources,low allergenicity,strong antioxidant properties,high safety,and no religious restrictions. This review summarized recent domestic and foreign research on the extraction of active collagen from various marine animals and introduces its research progress in the fields of food and medicine The aim was to provide a reference for the development and utilization of marine-derived active collagen.

Key words: marine;active collagen;extraction method;food industry;comprehensive utilization

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2024.16.025

基金项目:国家自然科学基金面上项目(22078060);福建理工大学校科研启动基金(GY-Z160002)

作者简介:程宽(1999—),男(汉),硕士研究生,研究方向:海洋源生物质资源化利用、天然高分子材料改性与应用。

*通信作者:丁翠翠(1987—),女(汉),副教授,博士,研究方向:海洋源生物质资源化利用、天然高分子材料改性与应用。

引文格式:

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CHENG Kuan,YI Yifan,WANG Yue ,et al. Research Progress on the Extraction and Application of Active Collagen from Marine Sources[J]. Food Research and Development,2024,45(16):198-204.

加工编辑:张昱

收稿日期:2023-08-01