鱼类加工副产物中胶原提取技术与性质分析

胡　杨， 朱士臣， 熊善柏， 刘友明， 尤　娟， 尹　涛

(1 华中农业大学食品科学技术学院，国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心，湖北 武汉 430070；2 水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南 常德 415000)



鱼类加工副产物中胶原提取技术与性质分析

胡杨1，2， 朱士臣1， 熊善柏1，2， 刘友明1， 尤娟1，2， 尹涛1

(1 华中农业大学食品科学技术学院，国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心，湖北 武汉 430070；2 水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南 常德 415000)

鱼类加工产业发展的同时，不可避免地产生大量鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔等不同鱼类加工副产物，如何对这些副产物进行高值加工利用引起广泛关注。目前，鱼类加工副产物的利用途径主要包括制作休闲食品、饲料鱼粉、胶原等。其中，因胶原产品的附加值空间大，以鱼类加工副产物为原料提取胶原成为当前研究的热点之一。在介绍不同鱼类加工副产物组成特点的基础上，阐述了近年来国内外以不同鱼类加工副产物为原料提取胶原的研究现状，总结分析了从不同鱼类加工副产物中提取胶原的提取率、产物纯度及性质，展望了以鱼类加工副产物为原料提取胶原的发展前景和方向，分析认为酸-酶结合法更适用于鱼胶原的提取，并具有广阔前景。

鱼胶原；鱼类加工副产物；综合利用；研究现状

胶原是细胞外基质的主要组成成分，是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质。胶原具有良好的生物学特性和理化性质，被广泛用于生物医用材料、化妆品和食品等领域[1-3]。然而，胶原又具有非常明显的组织特异性，不同物种来源的胶原性质不同，同一物种不同组织来源的胶原，其性质也有差异。

长期以来，科研和生产上多采用猪、牛和家禽等的组织进行胶原提取，但是畜禽来源的胶原存在潜在的口蹄疫、疯牛病、禽流感等传染性病源，同时有些国家和地区由于风俗习惯等问题，对使用畜禽来源的胶原有所顾虑，因此寻找胶原新的来源显得尤为迫切。

鱼类加工过程中产生大量的副产物(鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔等)不仅富含胶原成分，而且在一定程度上规避了传染性病源和风俗习惯问题，可以作为潜在的胶原来源。目前这些副产物大多用于生产饲料鱼粉、休闲食品，仍然不能很好地体现出其潜在的经济价值，如果从中提取胶原用于高附加值产品的生产，对于鱼类加工副产物的资源化与高值化利用大有裨益[4-7]。

1　胶原在鱼类加工副产物中的分布

在鱼类消费和加工过程中会产生大量副产物，根据组织来源的不同，主要有鱼头、鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔和其他鱼内脏等，胶原在这些副产物中的含量也不相同，鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍和鱼鳔中相对较高。此外，胶原的含量还与鱼种、鱼龄等有关[8]。

不同鱼类加工副产物中胶原的含量相差较大(表1)，鱼皮、鱼鳔中胶原含量较高，最高可达到70 %以上[8-9]，鱼鳞、鱼骨和鱼鳍中也含有一定量的胶原，均可作为不同应用领域潜在的胶原来源。

需要指出的是，鱼鳞、鱼骨、鱼鳍等硬组织经过钙化，无机盐含量高，从中制备胶原相比从鱼皮、鱼鳔等软组织中提取胶原多了脱钙工序，而鱼鳔来源有限，因此，从鱼皮中提取胶原具有更为广阔的工业化应用前景。

表1　 胶原在不同鱼类加工副产物中的分布

注：含量均以干重计。

2　鱼类加工副产物中胶原的提取技术

胶原在不同鱼类加工副产物中的分布不同，因此，选择富含所需胶原类型的原料至关重要。同时，针对不同原料的成分组成不同，采取相应的前处理方法除去原料中的非胶原成分(如脂肪以及各类杂蛋白、钙质等)尤为必要。此外，在动物组织内部，胶原常与多糖等结合在一起以不溶性大分子的形式存在，采用某种提取介质使胶原变成可溶性的大分子从组织中溶解出来，并通过一定手段对目标胶原进行分离、纯化是胶原提取的关键所在(图1)。

图1　鱼胶原制备流程

2.1原料前处理

在对原料前处理的过程中，脂肪、杂蛋白以及钙质的脱除直接影响着后期胶原的提取效果和产物特性。由于鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍和鱼鳔等在基本组成方面有所不同，前处理过程应根据原料的不同而有所侧重，具体体现在脱脂、脱钙及除杂蛋白的工艺上。脂肪的脱除效果直接影响胶原的分离、纯化，并对胶原的感官性能有所影响。鱼皮脂肪含量高，因此，在前处理中应严格控制脱脂过程。而鱼鳞、鱼骨和鱼鳍的灰分含量比鱼皮高，因此，在前处理中应重视对钙质的脱除，否则会使最终得到的胶原因含有过量的金属离子而影响其使用。

目前，脱脂工序主要采用异丙醇、表面活性剂、丁醇或氢氧化钠进行处理，通常采用10 %的丁醇；脱钙工序主要采用盐酸、乙酸、柠檬酸、乳酸或乙二胺四乙酸(EDTA)进行处理，多使用0.5 mol/L的EDTA；除杂蛋白工序主要采用氯化钠或氢氧化钠处理，通常采用0.1 mol/L的氢氧化钠。

普遍采用的前处理工艺如下[8]：

鱼皮/鱼鳔：鱼皮/鱼鳔→氢氧化钠脱除杂蛋白或色素→丁醇(异丙醇)脱脂→洗净、备用。

鱼鳞：鱼鳞→碳酸钠疏松鱼鳞结构→氢氧化钠脱脂和除杂蛋白→EDTA(盐酸)脱钙→洗净、备用。

鱼骨/鱼鳍：鱼骨/鱼鳍→粉碎→氢氧化钠(氯化钠)脱除杂蛋白→EDTA脱钙→丁醇(异丙醇)脱脂→洗净、备用。

2.2胶原提取

胶原提取的基本原理是利用不同介质溶液中离子向胶原分子结构中内渗，使得胶原分子结构内外存在一定渗透压差，并得到进一步溶胀或溶解，再用盐溶液(氯化钠或硫酸铵)对其进行盐析、沉淀、透析纯化，进而达到分离的目的[17]。

从鱼类加工副产物中提取胶原的技术发展很快，包括酸法、碱法、酶法和结合法。酸法一般采用0.05～0.5 mol/L的乙酸溶液或0.15 mol/L的柠檬酸溶液，将胶原溶解出来[4]。用酸法提取的胶原，胶原分子的端肽成分得到了较好保留，但提取时间较长，且存在溶剂残留，因此不利于提取物的加工利用。碱法因为容易造成胶原水解为小分子片段，破坏了胶原的螺旋结构，因此在提取具有较高螺旋完整度的胶原产物时不推荐使用。酶法采用的蛋白酶有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶等，通常是0.5%～2.0 %的胃蛋白酶。酶法的提取效果较酸法好，主要在于其可以限制性的切除胶原分子的端肽，而对胶原的三股螺旋结构没有影响，并且酶法操作简单，耗时较短，已被普遍采用。

表2是对已报道的鱼胶原提取方法的简要归纳。尽管方法思路一致，但效果不同，在实际应用过程中，不同的提取方法往往是相互结合的。除此之外，为了最大程度保证胶原的三股螺旋结构不被破坏，整个提取过程的温度多控制在4 ℃左右。同时，提取时间对胶原的提取效果也有一定影响。

表2　鱼胶原提取方法

3　鱼类加工副产物中胶原的提取效果

尽管鱼皮、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔等不同鱼类加工副产物均可作为胶原提取的原料，但提取效果存在较大差异。对鱼胶原的提取工艺研究多是以提取率为评价指标，部分还考察了胶原的纯度。提取率是指提取到的产物中胶原占原料中胶原的百分比；纯度多表示提取到的产物中胶原占产物的百分比。

表3为已报道的从不同鱼类加工副产物中提取胶原的提取条件及效果。可以看出，鱼皮和鱼

鳔胶原的提取率较高，鱼鳞、鱼骨和鱼鳍的较低。相比鱼皮和鱼鳔，鱼鳞、鱼骨和鱼鳍中的胶原较难溶出，这与它们的特殊结构有关，因此在提取时可加大原料的粉碎处理，以此增大溶剂与原料的接触面积，提高胶原提取率。此外，从鱼皮和鱼鳔中提取到的胶原，其纯度显著高于从鱼鳞、鱼骨和鱼鳍中提取到的胶原，主要在于后者中含有更多的灰分、杂蛋白等非胶原成分，因此在制备胶原时，必须重视对后者的前处理，以最大程度去除原料中的非胶原成分。通过紫外光谱分析也得出了相一致的结论[18]。

表3　不同鱼类加工副产物中胶原的提取条件及效果

(续表)

注：*表示提取率(以湿重计)；+表示纯度；#表示提取率(以干重计)。

4　胶原性质分析

胶原作为脊椎动物体内最丰富的蛋白质，除了具有一般蛋白质的物理化学性质外，还因其特有的三股螺旋结构而被赋予特殊的性质[30-32]。鱼胶原具有其他来源胶原相似的沉淀性、胶体性、易变性和凝固性等特性。然而，鱼类属于变温动物，胶原性质上具有若干特异性：即使在低温下胶原也易溶于稀酸；鱼胶原的热稳定性较低，并呈现鱼种和组织特异性。

表4简要描述了从不同鱼类加工副产物中提取到的胶原的性质异同。可以发现，从不同鱼类加工副产物中提取得到的胶原均为I型胶原，其相对分子质量、紫外吸收特性和红外光谱分析结果与I型胶原一致。但是，不同来源鱼胶原的性质也有些差异，主要表现在氨基酸组成和热稳定性方面，如来源于体内组织(鱼骨、鱼鳔)胶原的亚氨基酸含量和热稳定性高于体表组织(鱼皮、鱼鳞、鱼鳍)的胶原。有关文献[4,33-34]表明，亚氨基酸在维持胶原三股螺旋结构的稳定性方面发挥着重要作用，这是由于亚氨基酸中的吡咯环有助于形成使三股螺旋结构稳定的非共价键，这可能也是不同来源鱼胶原物化性能(如热稳定性)存在差异的原因所在。对此，可根据胶原产品的使用要求选择从不同鱼类加工副产物中进行提取。

表4　不同来源鱼胶原性质分析

5　展望

我国鱼类加工市场潜力巨大，已形成较为庞大的以冷冻冷藏品为主，鱼糜制品、腌制品、干制品、熏制品、罐头制品、调味品、调味休闲食品等多个门类为辅的较为完善的加工体系，这为我国鱼类加工副产物的综合利用提供了质优价廉、源源不断的原料。然而，我国对于鱼类加工副产物的综合利用目前仍处于起步阶段，尚缺乏有效的处理手段。加强对鱼类加工副产物的深度开发，尤其是开发高科技含量、高附加值的胶原产品，不仅对于鱼类加工产业的升级和环境保护具有重要意义，而且也能支持和促进相关捕捞和养殖生产的发展。同时，随着现代科学技术的进步，超声波、微波、超高压等辅助技术逐步应用到鱼胶原的提取过程之中。随着人们对于食品安全性的日益重视，鱼胶原将逐步替代畜禽胶原，并将在某些领域得到快速发展，从鱼类加工副产物中提取胶原将具有十分广阔的工业化应用前景。

[1]淑英,敖冉,宋佳,等.响应面法优化鳕鱼皮酸溶性胶原蛋白的提取工艺[J].食品工业科技,2015,36(24):269-272.[2]HU Y, LIU L, GU Z P,etal. Modification of collagen with a natural derived cross-linker, alginate dialdehyde[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 102(1): 324-332.

[3]HU Y, LIU L, DAN W H,etal. Evaluation of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate-based ionic liquid systems as a suitable solvent for collagen[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 130(4): 2245-2256.

[4]DUAN R, ZHANG J J, DU X P,etal. Properties of collagen from skin, scale and bone of carp (cyprinuscarpio)[J]. Food Chemistry, 2009, 112(3): 702-706.

[5]ZHANG J J, DUAN R, YE C,etal. Isolation and characterization of collagens from scale of silver carp (hypophthalmichthysmolitrix)[J]. Journal of Food Biochemistry, 2011, 34(6): 1343-1354.

[6]王宝周,张萌,陈俊,等.鲨鱼皮胶原与罗非鱼皮胶原的理化性质及酶解特性研究[J].食品工业科技,2014,35(16):140-144.

[7]温慧芳,赵利,陈丽丽,等.碱法提取鮰鱼皮胶原蛋白工艺优化的研究[J].食品工业科技,2015,36(19):233-242.

[8]夏文水,罗永康,熊善柏,等.大宗淡水鱼贮运保鲜与加工技术[M].北京:中国农业出版社,2014:210-237.

[9]陈红连.鳙鱼鱼皮、鱼鳔胶原蛋白提取工艺及其性质的研究[D].武汉:武汉工业学院,2011.

[10]MAHBOOB S, HAIDER S, SULTANA S,etal. Isolation and characterisation of collagen from the waste material of two important freshwater fish species[J]. The Journal of Animal and Plant Sciences, 2014, 24(6): 1802-1810.

[11]JUN K L, SANG I K, YONG J K,etal. Comparison of collagen characteristics of sea and freshwater rainbow trout skin[J]. Food Science and Biotechnology, 2016, 25(1): 131-136.

[12]卢昭.草鱼鱼鳞胶原蛋白提取分离工艺的研究[D].合肥:安徽农业大学,2013.

[13]苑德顺,彭英海,黄海,等.罗非鱼鱼骨胶原提取工艺研究[J].齐鲁渔业,2010,27(6):14-16.

[14]ZELECHOWSKA E, SADOWSKA M, TURK M. Isolation and some properties of collagen from the backbone of baltic cod (gadusmorhua)[J]. Food Hydrocolloids, 2010, 24(4): 325-329.

[15]叶韬,林琳,张晓霞,等.罗非鱼骨胶原蛋白质的提取及其性质[J].食品与生物技术学报,2015,34(3):302-310.

[16]詹永献.草鱼鱼鳔胶原蛋白理化性质及结构特点的研究[D].洛阳:河南科技大学,2012.

[17]胡杨.“三明治”型胶原基复合硬脑膜的构建及其评价[D].成都:四川大学,2014.

[18]黄石溪.草鱼不同部位胶原蛋白的提取及特性研究[D].长沙:湖南农业大学,2013.

[19]BENJAKUL S, THIANSILAKUL Y, VISESSANGUAN W,etal. Extraction and characterization of pepsin-solubilised collagens from the skin of bigeye snapper (priacanthustayenusandpriacanthusmacracanthus)[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2010, 90: 132-138.

[20]ZHANG Y, LIU W T, LI G Y,etal. Isolation and partial characterization of pepsin-soluble collagen from the skin of grass carp (ctenopharyngodonidella)[J]. Food Chemistry, 2007, 103: 906-912.

[21]KIEW P L, MASHITAH M D, AHMAD Z. Kinetics and modeling of pepsin soluble collagen (PSC) extraction from the skin of alaysian catfish (hybridclariassp)[J]. Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry, 2014, 57: 53-66.

[22]WU G P, WANG X M, LIN L P,etal. Isolation and characterization of pepsin solubilized collagen from the skin of black carp (mylopharyngdonpiceus)[J]. Advances in Bioscience and Biotechnology, 2014, 5: 642-650.

[23]YAN M Y, QIN S, LI J. Study on the self-assembly property of type I collagen prepared from tilapia (oreochromisniloticus) skin by different extraction methods[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2015, 50: 2088-2096.

[24]黄亚冬,刑克智,刘海学,等.点带石斑鱼皮和鳞片胶原蛋白的提取及理化性质的研究[J].天津师范大学学报：自然科学版,2013,33(2):64-69.

[25]MAHBOOB S. Isolation and characterization of collagen from fish waste material-skin, scales and fins of catla and cirrhinus mrigala[J]. Journal of Food Science and Technology, 2015, 52(7): 4296-4305.

[26]SINTHUSAMRAN S, BENJAKUL S, KISHIMURA H. Comparative study on molecular characteristic of acid soluble collagens from skin and swim bladder of seabass (latescalcarifer)[J]. Food Chemistry, 2013, 138: 2435-2441.

[27]LI Z R, WANG B, CHI C F,etal. Isolation and characterization of acid soluble collagens and pepsin soluble collagens from the skin and bone of Spanish mackerel (scomberomorousniphonius)[J]. Food Hydrocolloids, 2013, 31: 103-113.

[28]LIU D S, LIANG L, REGENSTEIN J M,etal. Extraction and characterization of pepsin-solubilised collagen from fins, scales, skins, bones and swim bladders of bighead carp (hypophthamichthysnobilis)[J]. Food Chemistry, 2012, 133: 1441-1448.

[29]TSUKAMOTO H, YOKOYAMA Y, SUZUKI T,etal. Isolation of collagen from tiger pufferfish parts and its solubiity in dilute acetic acid[J]. Food Science and Technology, 2013, 79: 857-864.

[30]HU Y, LIU L, DAN W H,etal. Synergistic effect of carbodiimide and dehydrothermal crosslinking on acellular dermal matrix[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2013, 55(2): 221-230.

[31]YU X Y, TANG C E, XIONG S B,etal. Modification of collagen for biomedical applications: a review of physical and chemical methods[J]. Current Organic Chemistry, 2016, 20: 1797-1812.

[32]ZHU S C, GU Z P, HU Y,etal. Evaluation of alginate dialdehyde as a suitable crosslinker on modifying porcine acellular dermal matrix: the aggregation of collagenous fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2016, 133(25): 43550-43562.

[33]LIU W T, LI G Y, MIAO Y Q,etal. Preparation and characterization of pepsin-solubilized type I collagen from the scales of snakehead (ophiocephalus argus)[J]. Journal of Food Biochemistry, 2009, 33(1): 20-37.

[34]杨玲,赵燕,鲁亮,等.鲟鱼鱼皮胶原蛋白的提取及理化性能分析[J].食品科学,2013,34(23):41-46.

[35]LIU Y K, LIU D C. Comparison of physical-chemical properties of type I collagen from different species[J]. Food Chemistry, 2006, 99(2): 244-251.

[36]LIU D, ZHANG X, LI T,etal. Extraction and characterization of acid and pepsin-soluble collagens from the scales, skins and swim-bladders of grass carp (ctenopharyngodonidella)[J]. Food Bioscience, 2014,9(1): 68-74.

[37]翟朝霞,刘焱,罗灿,等.草鱼鱼鳞、鱼皮和鱼骨酸溶性胶原蛋白特性对比研究[J].中国酿造,2014,33(5):116-119.

[38]CHEN S J, CHEN H, XIE Q N,etal. Rapid isolation of high purity pepsin-soluble type I collagen from scales of red drum fish (sciaenopsocellatus)[J]. Food Hydrocolloids, 2016, 52: 468-477.

Extraction and characterization of collagen from different fish processing by-products

HU Yang1，2, ZHU Shichen1, XIONG Shanbai1，2, LIU Youming1, YOU Juan1，2, YIN Tao1

(1TheSubCenterofNationalTechnologyandR&DofStapleFreshwaterFishProcessing,CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China;2CollaborativeInnovationCenterforEfficientandHealthProductionofFisheriesinHunanProvince,Changde415000,China)

A large amount of fish processing by-products such as fish skins, fish scales, fish bones, fins and swim bladders are generated along with the development of fish processing industry, and high value utilization of these kinds of by-products has attracted the attention of scientists. Currently, these fish processing by-products are usually made into snack foods, fish meals or collagen products, and due to the higher added-value of collagen products, the extraction of collagen has become a research hotspot. Based on the above background, this work firstly introduced the distribution of collagen in different fish processing by-products, and reviewed the latest developments on the main extraction methods. Furthermore, the extraction rate, purity and physicochemical properties of collagen from different fish processing by-products were also compared and analyzed in this work. Finally, it looked into the prospects and development trends of collagen production using fish by-products as raw materials, proposed that acid swelling-pepsin digestion method was more suitable for fish collagen extraction and had promising prospects especially for fish skin collagen extraction.

fish collagen; fish processing by-products; utilization; research situation

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.009

2016-05-05

2016-07-29

华中农业大学自主科技创新基金(2662015QC014)；湖北省自然科学基金青年科学基金(2015CFB391)；华中农业大学新进博士科研启动专项(2662014BQ053)；国家自然科学基金青年科学基金(21506070)

胡杨(1987—)，男，讲师，博士，研究方向：水产品加工与贮藏。E-mail：huyang@mail.hzau.edu.cn

熊善柏(1963—)，男，教授，博士，研究方向：水产品加工与贮藏。E-mail：xiongsb@mail.hzau.edu.cn

TS254.9

A

1007-9580(2016)04-044-07