水解胶原蛋白的制备方法与应用进展

王瑞瑞（青海师范大学，青海西宁810008）

水解胶原蛋白的制备方法与应用进展

王瑞瑞
（青海师范大学，青海西宁810008）

摘要：水解胶原蛋白具有优异的营养特性和加工特性。介绍了制备水解胶原蛋白的酶法工艺过程及使用的水解酶的种类，详细说明了水解胶原蛋白的食用功能、医用功能、美容功能和工业应用价值。最后，立足青海的丰富资源和产业特点，对水解胶原蛋白的开发前景进行了展望。

关键词：水解胶原蛋白；酶解；制备；应用

胶原蛋白是多细胞动物体内普遍存在的一种蛋白质，是皮肤、肌腱、韧带、血管、骨骼、软骨等组织形成和再生的关键物质。其分子是由三个α-肽链互相拧成的三股螺旋结构，分子结构十分稳定，分子中的每个肽链上约含有1 200个氨基酸，还含有独特的羟脯氨酸，相对分子质量约为290 kDa，进入人体后很难被吸收利用。水解胶原蛋白是胶原蛋白水解的产物。水解使胶原蛋白的多肽键被打断，从而使溶解度差、不易被机体吸收的大分子胶原蛋白转化为水溶性好、易于被机体吸收的小分子多肽（相对分子质量约3 000 Da）。水解胶原蛋白的蛋白质含量高达92%以上，富含人体所需要的18种氨基酸和多种微量元素。其中，丙氨酸、甘氨酸、脯氨酸及羟脯氨酸的含量都很高[1]。水解胶原蛋白还具有胶体保护性、表面活性、保水性、黏结性、乳化性等多种特征，具有广泛的应用价值。

1　水解胶原蛋白的原料

制备水解胶原蛋白的原料一般为动物的皮肤和肌腱组织[2]，主要来源于牛、羊、猪、鸡。近年来研究热点主要集中于以低成本的牲畜杂骨、脏器、水产品的边角料和废铬屑等工业废弃物，如鸡骨、牛骨、鱼骨、鱼皮、鱼鳞、猪皮等为原料生产水解胶原蛋白。利用天然动物材料生产有用的生物化学产品，不但可以变废为宝，提高经济价值，也为废弃物的再利用开辟了新途径。

2　水解胶原蛋白的制备工艺

胶原蛋白是一种多糖蛋白，它含有少量的半乳糖和葡萄糖，具有很强的延伸力和力学强度，不溶于水[3]。生产水解胶原蛋白通常可采用化学降解法和酶降解法。化学降解法是利用酸、碱水解胶原蛋白。在酸的作用下，胶原分子间的盐键和Schiff碱被破坏，从而引起胶原纤维膨胀、溶解，因此，可以采用0.5 mol/L的乙酸、柠檬酸或盐酸在pH 2～3提取胶原[4]。但是，此条件不能使胶原全部水解，胶原蛋白的水解率低。在碱的作用下，胶原肽键极易发生水解，含羟基、巯基的氨基酸会全部被破坏。化学降解法虽然方法简单、廉价，但是由于生产过程中氨基酸的受损严重，如：酸水解法会使色氨酸、丝氨酸受到破坏，而且很难精确控制水解程度；碱水解法往往会引起氨基酸的外消旋作用，产生D、L-型氨基酸消旋混合物，若D-型氨基酸含量大于L-型氨基酸，则会抑制L-型氨基酸的吸收，有些D-型氨基酸甚至有害，因此，化学降解法已逐步被淘汰。酶降解法条件温和，不会破坏氨基酸的成分，氨基酸的构型不会发生改变，并且可以精确控制水解程度。此法能耗低，有极高的经济价值，是目前生产水解胶原蛋白最有效的方法。

酶解法制备水解胶原蛋白的工艺流程如下：

原料→预处理→酶水解→灭酶→脱苦、脱腥→过滤→浓缩、干燥→成品

2.1水解酶的种类

催化胶原蛋白水解的酶种类很多，主要有胶原酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶等。动物胶原酶能在生理pH值及温度条件下水解天然胶原纤维，作用位点在第775与776位氨基酸之间，因为缺少亚氨基，三股螺旋结构较松散，使其在离氨基端3/4处断裂成两部分，使胶原纤维丧失其稳定的三维螺旋结构，从而达到溶解胶原蛋白的最终目的[5]。

细菌胶原酶可以从肽链的两端逐步把胶原水解至Gly-X-Y的三肽，而且细菌胶原酶的活性可以不受金属蛋白酶组织抑制剂的影响。胰蛋白酶是一种肽链内断酶，作用于由碱性氨基酸残基和羧基组成的肽键；对赖氨酸或精氨酸的羧基所构成的肽链，具有选择性水解作用；对天然胶原的首次水解位置在精氨酸-甘氨酸连接的肽键（即780-781）处，可把天然蛋白、变性蛋白、纤维蛋白和粘蛋白等蛋白质水解为多肽或氨基酸。由于血清中含有非特异性胰蛋白酶抑制剂，使胰蛋白酶不会消化正常组织。糜蛋白酶又叫胰凝乳蛋白酶，是一种肽链内断酶，主要作用于由芳香族氨基酸残基的羧基组成的肽键，选择在酪氨酸和苯丙氨酸羧肽链处作用，比胰蛋白酶的能力强，毒性低，副作用小。胃蛋白酶主要作用于胶原纤维两端非螺旋区的球蛋白结构。胶原纤维内分子间的共价交联是由分子末端赖氨酸或羟赖氨酸形成，用胃蛋白酶切断末端交联结构，使胶原分子的巨形结构被破坏，从而可提取各种类型的胶原。木瓜蛋白酶的切割分解点很多，优先分解精氨酸、苯丙氨酸的肽键。

2.2一步酶解法

一步酶解法是指用一种酶水解或多种酶同时水解的方法。汪涛[6]以扇贝加工废弃物—扇贝边为原料，扇贝边解冻后，去杂质，用高速组织捣碎机捣碎，采用枯草杆菌蛋白酶、胰蛋白酶进行深度水解；酶解完毕立即终止反应和灭菌，冷却至室温，在转速为4 500 r/min下离心10 min，所得清液即为水解液。得到的产品的粗蛋白含量为66.88%，氨基酸态氮含量为6.96%。赖海涛等[7]以烤鳗下脚料（包括鳗头、鳗骨）为原料，取一定数量，剁碎，用组织捣碎机捣成浆状，调固液比及pH值，加2.0%的枯草杆菌中性蛋白酶，50℃，pH7.5，水解5 h，反应完成后用

沸水浴加热10 min，使酶失活，经离心过滤得鱼蛋白水解液。此方法能充分利用水产废弃物。赵胜年[4]以新鲜猪皮为原料，清洗去污后，加热脱脂，然后进行高压蒸煮（0.15 MPa、15 min），之后将熟猪皮和汤移入反应罐内，然后加入0.01～0.02的胰酶，pH 值8～9，水解2～3 h，酶解反应结束后升温将酶灭活，分离去渣，即得反应清液，经浓缩后喷雾干燥制成粉剂，其总蛋白质提取率高于80%。李帆等[8]以牦牛骨为原料，脱脂、脱盐后用木瓜蛋白酶进行水解，最佳的工艺条件为：酶解温度60℃，酶解时间8 h，酶用量3 500 U/g蛋白质，料液比1∶25（g/mL）。该研究结果为青藏高原牦牛骨资源的高值转化利用提供了重要的参考数据。

2.3多步酶解法

袁永俊等[9]以动物肉（市售牛肉、鸡、鱼）为原料，经清洗、去脂肪，肉骨分离后，肉与水的比例为1∶3，用组织匀浆机打浆。料浆加热至80℃，恒温30 min，使蛋白质适度变性，之后用胶体磨处理，再采用胰蛋白酶和中性蛋白酶水解，先用2%的胰酶45℃，pH8.0水解3 h，再用3%的中性蛋白酶50℃，pH7.5水解2 h。水解后，加热至80℃灭酶5 min，然后用沉降式离心机离心沉降10 min（转速为5 000 r/min），沉淀部分与骨头一起水解。上层清液直接经真空浓缩、干燥、粉碎后，得到水解胶原蛋白。

多步酶解法制得的水解液一般有苦味和腥臭味。苦味物质的化学成分主要是水解液的一些短肽，它们具有大体积的疏水侧链。风味酶和羧肽酶A能水解这些侧链，不仅能除去苦味，还能增加游离氨基酸的含量，因而是一种理想的脱苦剂。多步酶解法条件温和、操作简单、设备要求低、生产周期短，可以广泛应用于水产类物质水解胶原蛋白的制造工艺中[10]。

3　水解胶原蛋白的功能

3.1食用功能

水解胶原蛋白富含人体所需要的18种氨基酸和多种微量元素，具有丰富的营养价值和实用功能。一方面，水解胶原蛋白具有良好的表面活性，可以作为功能性食品添加剂或调味料，提高食品的营养保健价值。宋永等[11]通过蛋糕焙烤和灌肠加工实验，研究了鱼鳞水解胶原蛋白在蛋糕和灌肠中的应用效果，表明适量添加鱼鳞水解胶原蛋白可以提高蛋糕的成品率和蛋糕的比容，增加灌肠制品的成品率，提高灌肠的持水力，可以使蛋糕内部结构细腻、松软有弹性、口感滋润爽口，从而能获得感官品质良好的蛋糕和灌肠制品。另一方面，水解胶原蛋白还可以作为乳化剂和稳定剂添加到冰激凌和雪糕中，赋予产品优异的稳定效果，使产品在低脂肪下可达到高奶油口感的效果。乳制品富含蛋白质、维他命（包括维他命D）和矿物质，具有改善人体健康状况及降低患病风险的作用。水解胶原蛋白由于分子量低，无脂、无糖、无添加，易溶解，耐高温，适用pH值范围广，配伍性强，再加上独特的生物功能和较高的消化性、吸收性，可广泛用于鲜奶、酸奶、乳饮料、奶粉等乳制品中[12]。在欧美和日本，在乳制品中添加水解胶原蛋白已经成为一项惯用做法。此外，水解胶原蛋白还可用于生物发酵培养基，也可以作为一种高蛋白饲料营养添加剂替代进口鱼粉用于混配饲料生产[13]。

总之，在食品中添加水解胶原蛋白既提高了产品的营养价值，又增强了产品的保健功能。目前，许多企业都以添加水解胶原蛋白来提高产品的营养值及附加值。今后，水解胶原蛋白类保健食品将会有很大的市场发展前景。

3.2医用功能

水解胶原蛋白具有治疗骨质疏松、促进糖尿病恢复、降低血压、降低血液总胆固醇、保护胃粘膜、抗溃疡等营养及生理功能[14]，是医学领域研究的一个新方向。一方面，水解胶原蛋白中富含氨基酸以及肌肉和骨骼成长所必需的物质，人体通过补充水解胶原蛋白，能有效地促进骨的形成，预防骨质疏松症，有助于塑造结实的体格。相关研究证明[15]，水解胶

原蛋白在软骨细胞中会大量产生II型胶原蛋白和蛋白糖，这两种物质是形成新的软骨组织和修复受损软骨组织的关键物质。在软骨承受正常压力的情况下，由于软骨细胞活动的刺激性效果，能够形成由反馈机制控制下的软骨微创自愈过程，在软骨上或者软骨内生成大量的小分子量胶原蛋白片断。因此，可以有效地缓解关节炎的疼痛，改善骨关节的运动灵活性，减少镇痛剂的用量。另一方面，水解胶原蛋白可以用作治疗缺钙症的激活剂，对弥补儿童期、青春期缺钙有显著的疗效，高纯度的水解胶原蛋白能够治疗由于缺钙引起的早期骨质疏松症。

此外，水解胶原蛋白具有抑制血压上升的功能。李娜等[16]以猪全股骨、股骨干、股骨头胶原蛋白水解产物为样品，研究其对自发性高血压大鼠（SHR）血压的影响。结果表明：以猪股骨的各部位为原料酶解制备的胶原多肽具有较强的体外ACE抑制活性，股骨是ACE抑制肽的良好来源，在20～60 mg／mL的范围内，只有较高质量浓度的猪股骨头胶原蛋白水解产物能显著降低SHR的血压。

3.3美容功能

胶原蛋白经酶解后形成水解胶原蛋白，会造成肽键的断裂，导致一些极性亲水基团（如—COOH、—NH2、—OH）数目的增加，大量亲水基团外露，导致水解胶原蛋白的吸水性、水溶性和保水性明显增加。水解胶原蛋白还含有高剂量的甘氨酸、羟脯氨酸、脯氨酸、丙氨酸，导致其吸水性和保水性更强[17]。

一方面，水解胶原蛋白能刺激皮肤的纤维细胞生长，显著增加胶原纤维的细胞密度、直径，使皮肤的力学强度增加，柔软度和弹性增加，保湿能力增强，皮肤细小皱纹和深层皱纹得到改善，从而起到抗老化、防皱纹、美容、养颜，增强皮肤细胞再生，回复肌肤弹性的作用。很多临床研究也证实了水解胶原蛋白的美容功效。周建烈等[18]报道了Peptan水解胶原蛋白、纯I型胶原蛋白，相对分子质量在2 000～5 000 Da，含有9种必需氨基酸中的8种，其中甘氨酸、羟脯氨酸／脯氨酸和谷氨酸含量非常高，占氨基酸总量的50%以上。经国际皮肤健康研究组织鉴定和临床研究显示：每日口服Peptan水解胶原蛋白可以有效滋润皮肤，减少因皮肤干燥缺水引起的其他皮肤问题，增加肌肤柔软度、弹性和肌肤明亮度，而且没有发现任何不良反应，Peptan水解胶原蛋白还具有保护关节、骨骼健康和减肥的新功能。

另一方面，水解胶原蛋白不仅可以用来滋养皮肤、毛发、指甲和全身的结缔组织，同时可以帮助受损的肌肤恢复正常外观，如：加速青春痘、痘疤等伤口的愈合。近年来，随着水解胶原蛋白提取技术的逐渐成熟，人们对水解胶原蛋白的结构、性质等做了深入研究，水解胶原蛋白的美容功能已经得到了广泛认同，在“以内养外”美容观念的驱使下，口服水解胶原蛋白液作为新型美容保养品已成为市场热点。

3.4工业价值

我国皮革工业每年产生数量众多的固体废弃物，主要包括废毛、皮屑、削匀革屑、修边料、废二层等，含有优质的天然胶原蛋白资源[19]。这些水解胶原蛋白虽然不能直接食用，但可以作为制备表面活性剂的原料。

秦树法等[20]以皮革工业废弃物中提取的水解胶原蛋白为原料，制备了多肽酰胺表面活性剂，在优化合成条件（V月桂酰氯∶V复合多肽液∶V丙酮= 1∶2∶2，pH值10，常温）下制备的多肽酰胺两性表面活性剂具有良好的生理活性，可应用于护发用品、化妆品、食品、农药等方面。此方法既充分利用了天然胶原蛋白资源，制备了新型的表面活性剂，又减轻了皮革固体废弃物的污染。强涛涛等[21]研究了用戊二醛作为交联剂，以水解胶原蛋白为改性剂，对超细纤维合成革基布进行改性研究，最佳改性工艺条件为：水解胶原蛋白用量为15%，戊二醛用量为8%，改性温度为35℃，改性时间为5 h，体系pH值为7.0。在此改性条件下，超细纤维合成革基布的表面纤维束的松散程度增大，表面的活性基团增加，与染料的结合点增多，从而透水汽性和吸湿性以及上染率得到显著提高，基布颜色明显增深，耐干湿擦

牢度提高。充分利用制革工业废弃物生产低铬或无铬的水解胶原蛋白产品并进行工业应用，符合我国固体废弃物资源化、无害化的政策要求。

4　展望

酶解法制备的水解胶原蛋白既可以作为功能添加剂广泛用于制作各类营养食品、乳制品及各类化妆品的配料，也可以单独作为口服保健产品。这些水解胶原蛋白都是从天然动物材料中提取出来的，一方面，利用天然的动物材料生产有用的生物化学产品，在提高经济价值的同时也为动物资源的深加工开辟了新途径。以青海为例，牦牛作为青海省的特色物种之一，牦牛肉、奶制品的加工是民族地区的特色产业。牦牛生长在高海拔地区，特殊的生态环境使牦牛体内富含高营养、高功能的有机成分。目前，青海以牦牛产业的边角料（牦牛皮、牦牛骨）为原料提取水解胶原蛋白的研究发现，牦牛水解胶原蛋白具有更为优异的补血、活血、抗衰老等功效，已应用于临床[22]。同时，开发利用牦牛水解胶原蛋白，将有利于促进西部民族地区的经济发展。另一方面，水解胶原蛋白通过改性以后作为表面活性剂应用于皮革、纺织、造纸等行业，具有广阔的市场发展前景。总之，水解胶原蛋白的广泛利用，为废弃物的再利用开辟了新的途径，符合绿色无害化的清洁生产理念。

参考文献：

[1]雷前仁，宋涛，陈秋长.水解动物蛋白及其在食品工业中的应用[J].食品工业，2000，（3）：6-7.

[2]李贺，郑庚修，王秋芬，等.生物医学材料胶原蛋白的研究进展[J].中国皮革，2005，34（11）：24-27.

[3]王沥浩，王文慧，郭咏昕，等，胶原蛋白功能概述[J].黑龙江农业科学2014，（3）：150-156.

[4]赵胜年.酶解鲜猪皮提取水解胶原蛋白的研究[J].食品工业科技，1998，（5）：16-17.

[5]Barbara Brodsky, John AMRamshaw.The collagen Triple-Helix Structure[J].Matrix Biology, 1997, 4: 545-554.

[6]汪涛，曾庆祝.利用贝类废弃物制造水解动物蛋白[J].青岛海洋大学学报，2003，33（3）：361-365.

[7]赖海涛，黄志勇，涂开生，等.酶法提取烤鳗下脚料水解动物蛋白的研究[J].食品科学，2002，23（10）：76-78.

[8]李帆，贾冬英，姚开，等.牦牛骨蛋白的酶解条件研究[J].氨基酸和生物资源，2006，28（4）：7-10.

[9]袁永俊，王志民，张艳萍，等.水解动物蛋白（HAP）的制备及应用[J].四川工业学院学报，2000，19（1）：93-94.

[10]邓尚贵，章超桦.双酶法在水产品水解动物蛋白制作工艺中的应用研究[J].水产学报，1998，4（22）：352-356.

[11]宋永，王海燕，李秀凉，等.鱼鳞水解胶原蛋白在蛋糕和灌肠中的应用[J].食品科学，2010，12（31）：293-296.

[12]刘爱青，王海燕，丁凤娟.水解胶原蛋白在乳制品中的应用[J].农业工程2012，2（9）：38-40.

[13]李国英，张忠楷，雷苏，等.胶原、明胶和水解胶原蛋白的性能差异[J].四川大学学报（工程科学版）2005，37（4）：54-58. [14]王海燕，刘爱青.水解胶原蛋白在皮肤中作用的研究进展[J].中国食品添加剂，2012（S1）：240-243.

[15]郭兆锋，刘爱青.水解胶原蛋白在保健食品和化妆品中的应用进展[J].中国生物美容，2009，（4）：70-73.

[16]李娜，李诚木，陈硕.猪股骨不同部位胶原蛋白水解产物降血压作用[J].食品科学2013，34（13）：289-292.

[17]李卫林，赵升云.胶原蛋白水解物在化妆品中的功能特性[J].氨基酸和生物资源，2008，30（4）：10-12.

[18]周建烈，林子豪.水解胶原蛋白Peptan的营养美容新概念[J].中国美容医学，2011，20（5）：878-879.

[19]穆畅道，林炜，王坤余，等.皮革固体废弃物的高值转化[J].化学通报，2002，（1）：29-35.

[20]秦树法，王芳，汤克勇.利用水解胶原蛋白制备多肽酰胺表面活性剂[J].中国皮革，2013，42（9）：13-15.

[21]强涛涛，王晓芹，王学川，等.水解胶原蛋白对超细纤维合成革基布染色性能影响的研究[J].功能材料，2014，14 （45）：14066-14071.

[22]朱洪梅，魏立新，杜玉枝.牦牛皮胶氨基酸类成分的高效液相色谱指纹图谱[J].中成药，2012，34（2）：195-198.

更正启事

发表在我刊2015年18期39页《制革污泥处理及资源化利用研究进展》一文的基金项目应为：国家自然科学基金（21376258），特此更正。

Progress in Preparation Methods and Application of Hydrolyzed Collagen Protein

WANG Rui-rui
(Department of Chemistry, Qinghai normal university, Xining 810008, China)

Abstract:Hydrolyzed collagen protein has good nutritional property and processing property. It was introduced that the process using hydrolytic enzyme for preparing hydrolyzed collagen protein and the types of utilizing hydrolytic enzymes. Then edibility, medicine and grooming functions and industrial application value of hydrolyzed collagen protein was described in detail. Finally, on the basis of productive resources and industrial characteristics in Qinghai, the application prospect of hydrolyzed collagen protein was looked forward to.

Key words:hydrolyzed collagen; enzymolysis; preparation; application

作者简介：王瑞瑞（1980-）女，甘肃白银人，硕士，青海师范大学化学系副教授，主要从事皮革化学品方面的研究。E -mail：wangruirui206@163.com。

收稿日期：2015-09-08

中图分类号：TS 512

文献标识码：A

文章编号：1671-1602（2015）20-0021-05