Ⅰ型胶原在食品和生物医药中的应用研究进展

李从虎*，陈强，王璐，程旭

安庆师范大学生命科学学院（安庆 246133）

胶原作为细胞外基质（ECM）的主要成分，是一种广泛分布于动物有机体皮肤、肌腱、软骨和血管等器官和组织中的天然大分子蛋白质[1-2]。胶原含量约占动物机体总蛋白质的1/3，对动物的机体和器官起着支撑和保护作用[3-4]。在众多胶原类型中，Ⅰ型胶原是动物机体内含量最多的一类胶原，是脊椎动物结缔组织中最常见且最重要的胶原类型[5]。由于胶原具有良好的生物相容性、生物降解性、低免疫原性和成骨性等性能，从而被广泛应用于食品和生物医药等领域[6]。

主要以Ⅰ型胶原为研究对象，详细介绍胶原的结构及其在食品和生物医药领域的应用研究进展，以期为胶原的高效应用提供理论支撑。

1 胶原结构特性

Ⅰ型胶原分子的相对分子质量约30万 Da，主要由3条α多肽链构成，2条α多肽链形成二聚体则构成β链，3条α多肽链形成三聚体则构成原胶原分子，即γ链[7]。每条α多肽链约含有1 000个氨基酸残基，这些氨基酸残基以Gly-X-Y方式周期性的排列，其中，Gly为甘氨酸残基，X和Y通常为脯氨酸和羟脯氨酸残基。3条α多肽链形成左手螺旋结构并相互缠绕在一起，即可形成胶原典型的右手三股螺旋结构。在这种三股螺旋结构中，Gly-X-Y周期性排列是胶原维持其独特三股螺旋结构的基础，其中Gly位于螺旋的内部，而X和Y则暴露在螺旋的外部。Gly残基靠近三股螺旋结构的中心轴并不断累积，与另外2条链上的X和Y残基相邻并形成稳定三股螺旋结构的氢键。同时，胶原蛋白分子中的赖氨酸和羟赖氨酸残基的共价交联也可稳定胶原三股螺旋结构。胶原三股螺旋结构赋予其独特的生理作用和生物学性能，使其在食品和生物医药中具有广泛应用。

2 胶原的应用

2.1 胶原在食品领域中的应用

2.1.1 在保健食品中的应用

胶原是一种由必需氨基酸和非必需氨基酸通过肽键结合组成的一种天然蛋白质。因此，胶原的氨基酸含量非常丰富，可作为保健食品的营养成分，从而提高保健食品的产品质量。同时，在保健食品中，胶原具有减少脂肪摄入、补钙、降血压和美白抗衰的作用[2]。

Yeo等[8]从鸭脚骨中提取明胶（胶原的水解产物），并将其制备成凝胶，按照20%的比例替代香肠中75%的脂肪，结果发现，在该条件下，替代后的香肠仍保持高水分和低蒸煮损失，而且替代后的香肠硬度、弹性、内聚性和咀嚼型与普通香肠极为接近，表明将胶原水解后的产物应用于食品中，可极大减少脂肪摄入量。

Wang等[9]利用微生物发酵法制备绵阳骨胶原多肽-钙螯合物，经过响应面的工艺优化，钙螯合量可达42.57%。在30～80 ℃范围内，胶原肽-钙螯合物的耐热性较好，钙保留率达80%以上；经胃蛋白酶的消化作用后，钙流失率仅在13%左右，研究结果表明胶原蛋白可促进钙的吸收。

Cheng等[10]通过采用LC/MS/MS 法从鸡腿骨胶原多肽中分离鉴定出10个具有较强抑制体内血管紧张素转换酶（ACE）的活性多肽，研究表明，这些多肽减少大鼠自发性高血压和心血管肥大的发生，表明胶原具有降血压的有益作用。

Hu等[11]评估超声辅助处理对绵阳骨胶原结构和功能的影响，结果发现与胃蛋白酶提取相比，超声辅助处理胶原蛋白具有优越的功能特性（如溶解性、吸水性和吸油能力），以及发泡和乳液特性，且具有潜在的抗氧化活性、二肽基肽酶4抑制活性和血管紧张素转化酶抑制活性，同时还具有抗癌、降压、抗炎和免疫调节作用。

除此之外，胶原亦可减少黑色素的生成和提高皮肤的持水力，从而实现美容抗衰目的。

2.1.2 在食品添加剂中的应用

在肉制品中，胶原经过修饰改性后能够使肉制品更加鲜嫩，同时具有抗氧化和抗菌性能，从而对肉制品起到保鲜的作用。

Ran等[12]以壳聚糖（CS）和大豆分离蛋白（SPI）胶体颗粒为稳定剂，吉尼平为交联剂，制备肉桂精油基皮克林乳液，修饰胶原蛋白并制备成膜，结果发现皮克林乳剂修饰的胶原蛋白膜表现出增强的热稳定性、紫外线阻隔性能、耐水性、抗氧化活性和抗菌活性，当功能化膜用于猪肉保存时，观察到保质期延长4 d，表明皮克林乳剂为胶原蛋白薄膜在猪肉保存中的应用提供巨大潜力。

Waszkowiak等[13]对胶原蛋白制剂作为迷迭香提取物载体在腊肠和肝肠生产中的应用进行评价，结果发现通过胶原纤维的制备，将迷迭香提取物引入产品中，限制产品的脂质氧化，比直接向2种肉制品中添加抗氧化剂的效果更佳，从而实现延长肉制品保质期的目的。

Zhao等[14]将Ⅰ型胶原添加到鱼糜产品中，因I型胶原具有更高的水溶性和更多的带电荷氨基酸，能够与鱼糜肌原纤维蛋白更好地缠绕在一起，从而诱导蛋白质功能域暴露，导致肌球蛋白构象发生变化的同时使蛋白质之间形成更强的化学作用力，最终加速鱼糜产品的凝胶速率，使得鱼糜产品稳定性更佳。

胶原作为食品添加剂除了在肉制品中的应用，还可在面条、啤酒、饮料、糖果等烘焙食品中进行应用，如：面条制作过程中加入胶原后吸水能力上升，可以改善面条的质地和口感；面包中加入胶原，可以增加保水性，改善面包比容量，减缓老化等；在啤酒的生产过程中，加入明胶可以提高啤酒的清亮度，同时能清除在滤酒过程中会造成原料浪费的大部分带电微粒。

2.1.3 在食品包材方面的应用

胶原在食品包材方面的应用，主要是由于胶原具有良好的成膜性能，从而用作制备肠衣和可食用膜和涂层等。

包裹在肠类食品最外层的肠衣，其对肠类食品的主要功能体现在2个方面：一是成型作用，保证肠类食品良好的成型效果；二是能保证肠类食品的品质并延长其货架期，这是因为肠衣将内层与外界空气隔离，从而延缓肠类食品的蛋白氧化和脂肪氧化。在众多肠衣的制作原料中，胶原肠衣是一种可食性人造肠衣，具有成本低廉、口感俱佳、透明度高、机械强度高、生产易控和适合工业化生产等优点，成为众多学者关注的焦点之一。

如经过戊二醛改性后，胶原蛋白肠衣的杨氏模量和抗拉伸强度明显提升，表明较高机械强度的胶原蛋白肠衣具有适用于工业生产的巨大潜力[15]。Shakila等[16]发现经壳聚糖改性的明胶膜的抗菌性能显著提升，但其水溶性和水蒸气透过率大幅降低，表明其应用于食品的可行性。Xiong等[17]研究发现丁香精油也可以显著提高三文鱼骨明胶膜的抗菌性能。Zheng等[18]将没食子酸修饰的壳聚糖与胶原共混制备成膜（CGC膜），结果发现由于没食子酸的作用，CGC膜具有良好的抗氧化性能，同时具有较高的机械性能、热稳定性及紫外线和水蒸气阻挡能力，表明CGC膜具有作为食品包装膜的潜力。

2.2 胶原在生物医药中的应用

2.2.1 在组织工程方面的应用

优良的组织工程要求人工支架具备相似于天然组织的化学成分和功能基团，而天然支架的主要成分便是三维网络的细胞外基质，包含胶原蛋白、多糖和其他蛋白质。胶原应用于组织工程，其主要优势是能促进细胞的吸附和增殖。He等[19]将胶原有效涂覆到具有亲水性的PLLA-CL电纺纤维的表面，结果发现胶原蛋白可增加细胞活力和附着力，保持内皮细胞的形态，从而加速内皮生长。雷英等[20]将Ⅰ型胶原与聚乳酸乙醇酸共聚物共混制备一种能够促进细胞黏附增殖的组织工程皮肤支架，研究表明胶原可促进细胞在人工支架上粘附且可继续生长。此外，利用戊二醛改性的胶原微纤维，能有效保持胶原微纤维的空间形状达14 d，从而为制造细胞密集的3D肌肉组织提供可行性路径。

在骨组织工程中，尽管已开发出通过自体移植物、同种异体移植物、骨形态发生蛋白（BMP）-2等实现骨再生的干预疗法，但骨缺损的内源性再生仍是一个临床挑战。为克服内源性骨再生的局限性，Cho等[22]制备具有双重生长因子（BMP-2和FGF-2）和各种水凝胶模式（阳性、边缘和放射状模式）的聚己内酯/纳米羟基磷灰石/胶原支架生长因子，结果发现体外释放的BMP-2和FGF-2的浓度不受聚己内酯/纳米羟基磷灰石支架中胶原模式的影响，证明在3D打印支架中加载双重生长因子的胶原蛋白可影响内源性骨再生与血管生成。

2.2.2 在药物缓释方面的应用

给药系统一种药物传递载体，其目的是将药物输送给病人以达到治疗效果。在人类历史的进程中，通过剂量滴定、药物控释、缓释和靶向释放被证明可达到治疗事半功倍的效果。然而，通过大尺寸材料进行给药存在一定挑战，如不稳定性、体内生物利用度差、溶解度差、吸收差和潜在的不良反应等。Barbaresso等[23]利用戊二醛交联胶原蛋白并研究对尼氟酸的缓释行为，结果发现未添加戊二醛的样品其药物释放率高达96.05%，比添加0.5%和0.75%的戊二醛的药物释放率分别高1.15倍和1.2倍。研究利用通过低温压制方法，将鱼鳞胶原以及葡萄糖酸亚铁制备水凝胶微针，其在24 h内的药物释放量减少了34.5%[24]。

随着生物医学的发展，微乳作为药物载体受到众多学者的广泛关注。通常，微乳可作为定点靶向药物的载体，也可维持血液中的药物浓度，还可在某一区域内维持药物的高浓度而对其他区域不产生副作用。用作制备微乳的原料大多是天然大分子蛋白质。Cortesi等[25]制备明胶衍生物微乳并研究其对抗癌药物TAPP-Br的缓释作用，结果发现70 h，TAPP-Br释放70%左右。天然胶原由于具有低免疫原性、生物降解性和生物相容性，因而是制备微乳的最佳原材料之一。胶原海绵作为药物载体，可以阻止组织的乱向性以及控制药物的释放。Cochran等[26]将人骨形态蛋白2（rhBMP-2）吸附于胶原海绵，结果发现其可以稳定牙齿的移植物并且在恢复后没有并发症。胶原海绵吸附抗生素后应用于伤口处不会产生任何不良反应，且胶原可被完好的吸收。Vaneerdeweg等[27]将吸附庆大霉素的胶原海绵置于脓包处，结果发现庆大霉素在脓包的局部区域内保持较高的浓度，而血清则维持较低的浓度。

2.2.3 在创伤敷料方面的应用

胶原具有很好的生物相容性、可吸收性、促进细胞生长、止血等多种优点，是创伤敷料极佳的制备原材料。

Pal等[28]从印度鲮鱼鳞中制备得到胶原蛋白海绵，体外试验发现胶原蛋白海绵能够提高细胞的生长和增殖力，能够促进表皮层的分化；体内试验发现胶原蛋白海绵可促进创面愈合、再生上皮和体内真皮重建，表明胶原蛋白海绵有希望作为皮肤替代物。Pathan等[29]制备得到一种姜黄素胶原纳米凝胶，应用于皮肤组织中，研究发现姜黄素胶原纳米凝胶的伤口收缩值更高，表明姜黄素胶原纳米凝胶在皮肤创面愈合方面具有良好的应用前景和安全性。

电纺纳米纤维垫由于类似于细胞外基质而被认为是皮肤组织再生的巨大潜力。因此，Khalilimofrad等[30]使用体积比90+10的明胶/壳聚糖（CS）共混物制备电纺垫，Ⅰ型胶原与CS交联以改善其生物特性，结果表明胶原Ⅰ型改性明胶/CS的纳米纤维直径达302±150 nm，Ⅰ型胶原的存在显著增加细胞活力，并在3 d后迁移达89%，为皮肤组织的再生提供一种新的解决方案。

3 结语与展望

天然胶原作为一种未变性的高分子蛋白质，保持3条多肽链构成的三股螺旋结构，具有良好的生物降解性、生物相容性及低免疫原性等生物学特性，因此被广泛应用于食品和生物医学等领域。近年来，胶原蛋白的营养价值、保健功能和生物医学功能已受到越来越多的关注，然而，当前研究重点仍停留在实验室阶段。如果能将实验室的研发尽快拓展到工业化生产中，可使胶原蛋白更好地发挥资源优势并实现自身价值，从而为人类健康贡献最大力量。