水产源胶原蛋白对光老化皮肤的改善作用

郑雨婷，王睿，张宁宁

（福建农林大学食品科学学院，福建福州350002）

胶原蛋白是动物结缔组织中的主要成分，含量约占动物总蛋白的25%～30%[1]。胶原蛋白种类十分丰富，目前研究发现有至少29种胶原蛋白，主要的胶原蛋白类型为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型，其中Ⅰ型胶原蛋白最为常见[2]，主要来源于水产品，约占所有胶原蛋白的90%[3]。胶原蛋白分子量约为300 kDa，由3条肽链相互缠绕形成三螺旋结构[4]，每条链由1 000个氨基酸残基组成，链的长度为300nm。胶原蛋白含有18种氨基酸，氨基酸序列的基本单位为Gly-X-Y，它也是胶原蛋白中重复最多的氨基酸序列，其中X、Y多为脯氨酸（proline，Pro）和羟脯氨酸（hydroxyproline，Hyp）[5]。且羟脯氨酸为胶原蛋白的特征氨基酸[6]。

除上述胶原蛋白共同的结构以及主要的氨基酸组成，水产源胶原蛋白还具有它自身的特点。水产动物来源的胶原蛋白主要类型为I型（鱼类和软体动物）和V型（虾、蟹和海蜇等）[7]。在具体的氨基酸含量分布上，水产源胶原蛋白的羟脯氨酸含量低于陆生动物来源的胶原蛋白，但蛋氨酸含量高于陆生动物胶原蛋白。较低的羟脯氨酸含量也使水产源胶原蛋白的热变性温度低于一般的哺乳动物胶原蛋白，热稳定性较差。Wang等[8]分别从西班牙鲭鱼的皮肤和骨骼中提取得到酸溶性胶原蛋白和胃蛋白酶溶性胶原蛋白并对其进行变性温度的研究，结果4种胶原蛋白的变性温度均远低于哺乳动物和热带鱼类胶原蛋白。Kimura等[9]则认为水产动物胶原蛋白的热变性温度与动物间的种属差异无关，与水产动物栖息环境的最高温度大致相同。Zhuang等[10]对海参斑鱼皮肤胶原蛋白热变性温度的研究结果进一步证明了胶原蛋白的热稳定性与鱼类生长的环境温度和体温有关。另外水产胶原蛋白在中性盐以及酸溶液中的溶解性较好，这一性质有利于制备可溶性胶原蛋白溶液[11]。

1 水产胶原蛋白提取方法

传统提取胶原蛋白的主要原料为猪、牛等畜禽的皮、骨等加工废弃物。近年来由于禽流感等畜类疾病以及某些宗教信仰的限制[12-13]，陆生动物来源的胶原蛋白提取受到影响，而水产生物则不存在上述因素限制，且各功能特性均优于陆生动物。因此人们开始关注用水产生物作为提取胶原蛋白的原料[14]。

1.1 酸法

酸法提取胶原蛋白的基本原理为利用一定浓度的酸溶液在一定条件下改变蛋白质所处的外在环境，使得分子间盐键被破坏，纤维膨胀及溶解，从而将胶原蛋白与其他成分分离。常用处理剂为乳酸、盐酸、柠檬酸、乙酸、醋酸等[15]，提取出的胶原蛋白常为酸溶性胶原蛋白（acid soluble collagen，ASC）。Minh等[16]成功地利用醋酸从日本和越南的蜥鱼、竹荚鱼，以及来自日本的鲻鱼、飞鱼和黄背海鲷中提取出酸溶性胶原蛋白，并鉴定其为I型胶原蛋白。Hamda等[17]利用酸法和酶法在流苏沙丁鱼废料中提取得到酸溶性胶原蛋白和胃蛋白酶溶性胶原蛋白，二者均表现出与商业胶原蛋白相似的性质，可作为良好的胶原蛋白产品应用于各行业。

1.2 酶法

酶法提取是指利用蛋白酶对原料进一步水解，所得产物为酶溶性胶原蛋白（pepsin soluble collagen，PSC）。酶处理可通过水解胶原纤维蛋白的末端肽，提高胶原蛋白的产率，且在水解过程中不破坏胶原蛋白的三股螺旋结构，从而较好的保持其特性。常用的蛋白酶主要有动物蛋白酶，如胰蛋白酶和胃蛋白酶；植物蛋白酶，如木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶；以及微生物蛋白酶，如碱性蛋白酶和中性蛋白酶等。其中应用最广泛的是胃蛋白酶[18-19]。Iswariya等[20]利用胃蛋白酶从海洋河豚鱼皮中提取出了性质稳定且具有生物活性的胃蛋白酶溶性胶原蛋白，提取率达到了56.6%（干重）。

1.3 碱法

碱法提取即利用一定浓度的碱在一定的外界条件下提取胶原蛋白，常用的处理剂为石灰、氢氧化钠、碳酸钠等。温慧芳等[21]利用碱法从鮰鱼皮中提取得到典型的Ⅰ型胶原蛋白多肽。但由于碱法提取胶原蛋白得率较低，且出于安全性考虑，一般情况下不单独使用碱法提取胶原蛋白，而是利用碱法配合酸法对胶原蛋白进行提取。

1.4 热水法

热水法是将原料经过除杂蛋白等前处理后，在一定条件下用热水直接浸提已变性的胶原蛋白或胶原蛋白水解物，常用的温度有100℃沸水浴、60℃～70℃、40℃～45℃[22]。黄雯[23]通过响应面法对热水抽提斑点叉尾鱼皮胶原蛋白的工艺进行了优化，最终将胶原蛋白得率提高到16.98%。

1.5 盐法

盐法提取是利用各种不同的盐在不同的浓度条件下提取盐溶性胶原蛋白的方法，常用的处理剂有酸-三羟甲基胺基甲烷（Tris-HCl）、氯化钠、柠檬酸盐等[24]，提取后得到的胶原蛋白为盐溶性胶原蛋白。温慧芳等[25]分别利用盐法、酸法、酶法、碱法、热水法提取鮰鱼皮胶原蛋白，并对不同方法所得胶原蛋白的理化性质进行比较，其中盐法提取得到的胶原蛋白产物为胶原蛋白多肽。

1.6 其他用于辅助/优化胶原蛋白提取的方法

单一的提取方法难以满足工业生产的需要，因此更多的采用多种方法复合或利用超声波等技术对胶原蛋白的提取方法进行优化。陈丽丽等[26]利用乙酸和胃蛋白酶对鳗鱼骨胶原蛋白进行酸法加酶法复合提取，对鳗鱼骨胶原蛋白提取工艺进行了优化，最终胶原蛋白提取率达到80.80%。另有研究者利用超声波的手段来辅助提取胶原蛋白，从而实现胶原蛋白提取工艺的优化[27-28]。胶原蛋白提取方法及其优缺点见表1。

表1 胶原蛋白提取方法及其优缺点Table 1 The extraction methods of collagen and its advantages and disadvantages

续表1 胶原蛋白提取方法及其优缺点Contimue table 1 The extraction methods of collagen and its advantages and disadvantages

2 水产胶原蛋白与光老化

2.1 皮肤老化与光老化

皮肤老化是由基因和环境因素共同造成，其中由基因引起的老化称为内源性老化，环境因素所造成的老化称为外源性老化。外源性老化中最主要的一种为光老化，是由于紫外线反复照射所引起的一系列功能退化性变化[30]。造成皮肤老化和光老化的分子机制主要包括氧化、DNA损伤、炎症反应、抗氧化剂产生减少以及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的生成。光老化对皮肤的影响主要表现在皮肤松弛、暗黄、皱纹、色素沉着等，严重者甚至可导致皮肤的恶性肿瘤[31]。

2.2 胶原蛋白与皮肤光老化

胶原蛋白是一种生物活性大分子，除一般蛋白质的营养作用外，还具有一些特殊的生理功能，如抗氧化活性、血管紧张素转化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）抑制活性、抗癌活性、抑菌活性[32]、皮肤抗皱纹、金属离子螯合活性、免疫调节活性、增加骨密度[33]等。胶原蛋白在动物体的各组织和器官中起着功能性作用，如组织形成、成熟、细胞间信息的传递等，另外与关节润滑、伤口愈合、钙化作用和衰老等也有密切的关系。这些特殊的生理功能以及良好的生物相容性、可生物降解性、低抗原性等使得胶原蛋白在食品、医疗、美容等行业应用广泛。近几年来，胶原蛋白对皮肤的改善作用，尤其是对光老化皮肤的改善作用引起了广泛关注。以下简要介绍几种水产来源的胶原蛋白对光老化皮肤起改善作用的途径。

2.2.1 抗氧化活性

皮肤暴露于紫外线中，导致真皮纤维原细胞的氧化压力增强，产生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）等自由基，影响胶原蛋白等皮肤中主要蛋白质的合成，从而使皮肤产生皱纹等一系列衰老的现象。胶原蛋白具有良好的抗氧化活性，可通过清除自由基改善受损皮肤[34]，对光老化皮肤也有一定的保护作用。Zhang等[35]通过研究证明摄入抗氧化胶原蛋白肽能够减轻紫外线照射引起的皮肤成分异常改变。另外，胶原蛋白的抗氧化特性能够有效减缓由紫外线引起的体内抗氧化指标的异常变化[36]。Hou等[37]对鳕鱼皮胶原蛋白的研究表明，胶原蛋白肽可通过增强超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px），过氧化氢酶（catalase，CAT） 的活性以及增加谷胱甘肽（glutathione，GSH）和羟脯氨酸（hydroxyproline，HYP）含量、降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，达到减少皮肤光损伤的目的，且鳕鱼皮胶原蛋白多肽可以保护皮肤中的肌原纤维。

2.2.2 抑制黑色素合成

皮肤光老化的表征之一即为黑色素沉着，酪氨酸酶是机体内合成黑色素的关键因素[38]。研究表明胶原蛋白可通过抑制酪氨酸酶活力来减少黑色素合成。肖枫对不同相对分子质量组分的黄河鲤鱼鳞明胶消化产物进行研究，证明了鱼鳞明胶肽能够抑制酪氨酸酶的二酚酶活性[39]；王静凤等[40]通过小鼠B16黑素瘤细胞实验，证明不同分子量的鱿鱼皮胶原蛋白肽都具有降低小鼠B16黑素瘤细胞黑素含量、酪氨酸酶活性及抑制酪氨酸酶基因表达的作用。

2.2.3 保持皮肤水分

长期的紫外线照射引起皮肤保水能力下降，水分急剧流失，进而导致皮肤干燥，甚至因皮肤老化而产生皱纹。胶原蛋白可抑制皮肤水分散失，甚至增加皮肤水分含量，从而改善皮肤受损。孔惠等[41]通过体外实验以及皮肤测试结果表明，鲑鱼皮胶原蛋白肽可以提高皮肤水分含量和降低经表皮失水率。初鑫等[42]通过动物实验结果表明，喂食中、高剂量的胶原蛋白肽饮料可显著抑制由光老化引起的皮肤水分散失。Song等[43]研究了源于鲢鱼皮的胶原蛋白水解物（collagen hydrolysates，CHs）对小鼠光老化的影响，其中证明了每千克体重摄入50、100、200 mg的CHs可使皮肤水分含量呈剂量依赖性增加。

2.2.4 促进胶原蛋白合成

紫外线辐射会导致皮肤胶原蛋白含量下降，使得皮肤失去弹性和光泽。有研究表明，可以通过外界摄取胶原蛋白肽促进皮肤的胶原蛋白合成。韩凤杰等[44]通过对小鼠投喂和涂抹胶原蛋白肽的动物实验证明比目鱼皮肤胶原蛋白寡肽能都促进皮肤胶原合成。Jian等[45]通过组织学分析表明，水母胶原蛋白和水母胶原蛋白水解物可修复内源性胶原蛋白和弹性蛋白纤维，并可维持I型与III型胶原的天然比例，而这可能是保护皮肤免受紫外线损伤的关键机制之一。

2.2.5 抑制炎症反应

长期的紫外线照射会导致皮肤产生炎症反应，引起皮肤红斑、水肿和增生反应等炎症症状。有报道说明由紫外线辐射引起的皮肤炎症是光老化或肿瘤的前期征兆[46]。有研究证明羟脯氨酸对于炎症反应有一定的抵抗效果[47]，羟脯氨酸则主要存在于胶原蛋白中。Chen等[48]研究发现，口服胶原蛋白水解物可通过抑制内源性抗氧化酶活性的消耗，抑制核因子-κB（nuclear factor-κb，NF-κB）的表达以及 NF-κB 介导的促炎细胞因子的表达来抑制紫外线照射对皮肤的损伤。

3 展望

随着现代食品工业的不断进步，胶原蛋白的提取、分离和纯化技术的不断研究，以及其功能机理的深入研究，胶原蛋白将会被越来越多的应用到各种保健食品的开发中，作为人们抵抗皮肤衰老的选择之一。因此，如何从原材料中获得高得率、高纯度并且在人体内能够发挥相应生理功能的胶原蛋白具有重要的现实意义。