胶原蛋白膜改性技术研究进展

徐 晶，程文健，金 红，陈丽娇，梁 鹏

（福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002）

0 引言

胶原蛋白是细胞外基质的一种结构蛋白，广泛存在于动物的皮、软骨，肌腱、韧带和其他结缔组织中。天然胶原蛋白由于其不溶于水，因此难以用于制备胶原蛋白膜，制备胶原蛋白膜的通常是天然胶原的酸溶、碱溶或酶提取的可溶胶原蛋白[1]。与许多生物大分子一样，胶原蛋白具有良好的成膜能力，所形成的胶原蛋白膜因为具有良好的生物相容性、低抗原性、易降解性、较好的机械性能和一定阻隔性等功能特性而广泛应用于食品、医药、日用化妆品等领域[2]。如在食品行业可用作香肠肠衣和各种食品的可食用包装袋，在医药行业则可作为敷料，促进伤口愈合，也可以用作药物的载体等。此外，还可以作为重要的保湿成分添加到各种化妆品中[3]。与利用石化产品的人工合成膜相比，胶原蛋白膜也存在一定的缺陷，如抗拉强度低等，其中最突出的问题是其热稳定性差、亲水性强，容易因为环境温度、湿度的变化导致膜的机械性能、阻湿性和透气性发生改变。导致膜的物理化学和生物学功能特性变差，这成为限制胶原蛋白膜应用的最大障碍[1，4]。

对胶原蛋白膜改性是提高胶原蛋白膜性能的最主要手段，通过改性可以增强胶原蛋白膜材料某些特定性能，使其满足不同应用的需要，拓宽其应用范围。综合国内外近年来在胶原蛋白膜材料性能改善的研究报道，针对主要的物理改性、化学改性和酶法改性方法及其效果手段进行阐述。

1 物理改性

胶原蛋白膜的物理改性方法主要有热处理、紫外线照射和γ-射线辐照处理等。

1.1 热处理

胶原成膜溶液进行一定程度的热处理可以改善胶原蛋白膜的性能。郭兴凤等人[5]用酶法制备的胶原配制成铸膜液，考查了热处理温度对胶原蛋白膜力学性能的影响，发现在30～50℃时，随着温度的升高，所得胶原蛋白膜的抗张强度不断升高，断裂伸长率也有所提高。当温度超过50℃，由于胶原蛋白变性不利于形成均匀的网络结构，胶原蛋白膜的抗张强度开始下降。张琳琳等人[6]在42℃条件下对罗非鱼皮酸溶性胶原溶液进行热处理。结果表明，随着热处理时间的延长，胶原蛋白膜的抗拉伸强度从30.81 MPa增加至41.33 MPa，断裂延伸率从8.95%增加至11.59%，透明度值从2.42增加至3.33，这可能是由于天然胶原受热变性后，胶原的三螺旋结构转变为无规则线圈状，在成膜时更容易缠绕在一起形成致密的网络结构的缘故。从以上研究可以看出热处理虽然提高了膜的机械强度，但也导致胶原蛋白的变性和二级结构的改变，因此可能导致某些功能的丧失，如生物相容性。

1.2 紫外线照射

紫外线照射是胶原改性的一种常用方法，紫外线可以被蛋白质的芳香族氨基酸残基（主要是色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）所吸收，导致这些氨基酸残基被光电离产生溶剂化电子，溶剂化电子可以与游离的巯基和具有双键的基团反应，形成分子内与分子间的共价交联[7]。梁志红等人[8]将质量浓度为0.4 g/L的I型胶原蛋白溶液铺展成膜，用波长为254 nm的紫外线照射处理3 h后用原子力显微镜观察了胶原蛋白液膜中胶原分子的形貌，发现在此质量浓度下，胶原分子自组装形成的胶原纤维交联度明显增加，形成更粗的胶原纤维且互相交织成网状结构，表明了紫外线照射确实可以导致胶原分子之间的相互交联。Wenhang Wang等人[9]分析了紫外照射处理胶原蛋白膜的物理特性，发现用波长为365 nm的紫外光照射处理后，胶原蛋白膜的抗拉强度、抗溶胀性和热稳定性均有所提高，但膜的断裂伸长率降低。紫外照射处理可以一定程度提高胶原蛋白膜的力学性能，降低其溶胀性，提高热稳定性，拓展其应用范围。值得注意的是，也有研究报道发现[10-11]，紫外照射处理可以破坏维持胶原分子三股螺旋结构的氢键，导致二级结构改变，反而使得胶原蛋白膜的力学性能出现一定程度的降低。可能与接受紫外照射处理的胶原来源、紫外线波长、照射剂量、照射时间等因素有关。因此，合适的紫外照射处理条件对获得具有特定性能的胶原蛋白膜具有重要意义。

1.3 γ-射线辐照

γ-射线辐照是利用高能射线产生大量的自由基，引发聚合物分子一系列的化学反应，使得高分子聚合物的内部形成交联网络结构，用以增强材料的性能。胶原蛋白分子中的苯丙氨酸、酪氨酸、组氨酸等氨基酸被自由基氧化，氧化产物与临近的氨基酸可形成稳定的共价交联[12]。林晓艳等人[13]将新鲜小牛皮和牛跟腱胃蛋白酶酶解的胶原成膜后在冷冻条件下，分别接受15，25，35 kGy的60Co源γ-射线辐照处理，红外光谱分析表明，辐照处理使胶原蛋白膜发生交联反应，膜结构更加有序化，膜的溶胀度显著减少，抗酶解能力显著增加。但同时也发现牛皮胶原蛋白膜接受35 kGy辐照处理后，出现了部分有序的胶原螺旋结构向无序化或无规线团结构转变的现象。Magda J等人[14]的研究也表明适当剂量的γ-射线辐照可以显著提高湿态胶原蛋白膜的交联度，对结构的破坏很少，但是对干态样品，则会引起胶原蛋白的变性和有序结构的破坏。

2 化学改性

胶原蛋白膜的化学改性是在胶原分子中引入功能性基团，使其与胶原蛋白分子侧链中的活性基团如氨基、羧基和羟基或胶原分子中的酰胺键作用，通过在胶原分子内和分子间形成氢键、离子键、疏水作用等次级键和共价键改变膜结构，从而改善胶原蛋白膜的机械性能、热稳定性、溶胀性等物理化学特性。

2.1 传统化学改性方法

传统的胶原蛋白膜化学改性方法是使用醛类（如甲醛和戊二醛等）、碳化二亚胺类、环氧类等有机化学交联剂剂，其中广泛使用的是醛类交联剂。醛类交联剂可与蛋白质侧链基团中的氨基之间交联形成Schiff碱，形成稳定的化学结构。在所有醛类中戊二醛与胶原蛋白的交联效果最好，其交联作用是不可逆的，形成的胶原蛋白膜有很好的力学性能、物理化学稳定性和抗酶解能力[1，15]。虽然这些化学交联剂的交联效果明显，可以显著改善胶原蛋白膜的性能，但一般的化学交联剂有一定的毒性[16]，因此这些化学交联剂改性的胶原蛋白膜材料在医药行业，特别是在食品包装领域的应用受到了极大的限制。

2.2 新型化学改性方法

近年来，许多研究者致力于寻找毒性更低或无毒的交联剂用于胶原蛋白膜改性，其中双醛淀粉、氧化海藻酸钠等天然高分子化合物的衍生物和来源于植物的天然多酚类化合物等毒性很低或基本无毒，可以作为食品或药品的原辅料应用于医药制造和食品加工领域，而且这些化合物存在可与蛋白质交联的活性基团。因此，近年来，研究者开始尝试将这些交联剂应用于胶原蛋白膜的改性。

双醛淀粉是由高碘酸盐与淀粉反应制得[17]。双醛淀粉中由于活泼的醛基官能团含量丰富，因此具有许多优秀的物化生化特性，如碱溶性、易糊化性、易交联性等，被广泛应用于造纸、食品、医药、皮革、日用化工等领域[18-19]。与传统的醛类交联剂如戊二醛类似，双醛淀粉由于含有大量活性醛基，它可与胶原蛋白分子中的赖氨酸和羟赖氨酸等氨基酸侧链上的ε-氨基反应生成Schiff碱的稳定化学结构从而实现胶原蛋白的相互交联[20]。众多研究表明，在胶原或胶原水解物明胶中添加一定量的双醛淀粉，可以显著提高胶原蛋白膜的机械强度、耐热性、阻湿性和耐水性，很好地改善胶原蛋白膜材料在各种应用环境中的性能稳定性[21]。胶原与双醛淀粉的交联作用提高了胶原蛋白膜材料强度和稳定性，扩大了材料的应用范围。

和双醛淀粉相似，氧化海藻酸钠是另一种由天然生物大分子——海藻酸钠，与高碘酸盐反应生成的一种新型低毒性交联剂，由于其分子中含有活性醛基，因此其与胶原等蛋白质分子的交联原理和双醛淀粉是一样的，胶原蛋白与氧化海藻酸钠交联后，并不改变胶原分子中的三螺旋结构，交联后的胶原蛋白能够形成更为致密的网状结构，显著提高胶原蛋白膜的机械强度、热稳定性和亲水性，同时形成的胶原蛋白膜具有很好的细胞相容性[22-23]。另有研究表明，氧化海藻酸钠的分子量对胶原的理化特性有着决定性作用，小分子量的氧化海藻酸钠更有利于提高胶原的热稳定等性能[24]。此外，还有研究将氧化海藻酸钠用于提高胶原-壳聚糖共混膜和明胶膜的材料性能，也取得了很好的效果[25-26]。

多酚类化合物是指植物成分中分子结构上有若干个酚羟基的化学物质的总称，包括黄酮类、单宁类、酚酸类、花色苷类等。由于多酚类物质含有带负电荷的活性酚羟基，且该羟基可被氧化成醌或半醌，因此多酚与蛋白质之间可以通过非共价作用（如氢键、疏水作用力、离子键等）或共价作用形成蛋白质-多酚复合物[27-28]。因此，利用多酚的这种特性，有研究者尝试将多酚类化合物应用于胶原蛋白膜的改性，取得了较好的效果。邓依等人[29]用不同浓度单宁酸对胶原蛋白膜进行改性研究，结果表明在一定浓度范围内，随着单宁酸浓度的增加，膜的机械强度显著改善，膜的耐酶解性能增强，热稳定也有所提高。红外光谱显示单宁酸的酚羟基与胶原分子发生了多点氢键结合，胶原蛋白的三股螺旋结构保持完整。Lirong He等人[30]用另一种多酚类化合物——原花青素，对胶原蛋白膜进行改性也取得了类似的效果。

3 胶原蛋白膜的酶法改性

酶法交联具有催化效率高、反应条件温和的特点，一类蛋白酶可以催化蛋白质分子侧链基团的脱除、转移和键和，从而发生共价交联，实现胶原改性，这类蛋白酶的代表是谷氨酰胺转氨酶（Transglutaminase，TG）。而一类蛋白酶则可以催化小分子交联剂形成易于与蛋白质分子的侧链基团交联的活性基团，从而通过小分子交联剂的桥接实现蛋白质的分子间和分子内交联，这类蛋白酶的主要是多酚氧化酶类（polyphenol oxidase，PPO）。

3.1 谷氨酰胺转氨酶催化改性

TGase可通过氨基的导入、交联及脱氨基3种途径促进蛋白交联用来改善成膜性能。如TGase能催化转酰胺基反应，形成ε-（γ-谷氨酰胺基） 赖氨酸结构，从而蛋白质分子内和分子间发生共价交联形成聚合物，有利于形成致密的的网状结构[1]。Ray-Neng Chen等人[31]用TGase作为交联剂用于猪皮胶原蛋白的交联。结果显示，经过TGase交联反应后，胶原溶液的黏度增加，该胶原溶液浇铸成膜后膜的抗拉强度显著增加，热稳定性提高，同时通过MTT检测，该胶原蛋白膜没有细胞毒性，具有很好的生物相容性。结果表明，TGase在pH值3～4的酸性条件下进行交联反应所得到胶原蛋白膜的性能更好。

3.2 多酚氧化酶催化改性

多酚氧化酶是一类含铜的氧化还原酶。PPO可以催化蛋白质分子中的酪氨酸残基，与蛋白质通过非肽键相连的酚类化合物氧化，引起蛋白质交联。因此，多酚氧化酶也可以用来改变蛋白膜的材料性能。SJus等人[32]的研究表明漆酶和酪氨酸酶可以催化儿茶素的氧化产物与胶原分子交联，显著提高胶原蛋白膜的抗拉强度和抗胶原蛋白水解酶的酶解能力。

4 结语

从近十几年的研究报道可以看出，不同的改性方法均可一定程度改善胶原蛋白膜材料性能，其中物理改性方法交联作用弱，不均匀且不易控制，因此其通常是作为改性辅助手段使用。传统的化学改性方法由于所使用的交联剂存在毒性问题也逐渐被淘汰。而绿色、天然、高效、安全和可控的化学改性剂和改性酶制剂的开发和应用则成为现在及将来改善胶原蛋白膜材料性能研究热点，该领域的研究将对推动胶原蛋白膜在医药、食品、日用化工产品中的应用及扩大其应用范围产生积极而深远的影响。

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