全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第3期
收稿日期:2007-12-10
基金项目:湖南省重大科技专项,湖南省教育厅青年基金
作者简介:谢静(1980-),湘雅医学院临床医学本科毕业,现为营养与食品卫生专业硕士研究生
通讯作者:李宗军,教授,博士生导师,主要研究方向是食品微生物与生物技术,食品安全与控制
骨胶原的品质独特,使它在许多食品中作为功
能物质和营养成分,具有其它替代材料无可比拟的
优越性,骨胶原多肽具有抗高血压、抗氧化和衰老、
预防和治疗骨关节炎和骨质疏松、治疗胃溃疡等疾
病和促进皮肤胶原代谢、促进矿物质吸收等生理功
能。多肽不仅具有良好的加工特性,而且具有比氨
基酸以及蛋白质更佳的营养吸收特性。以猪骨为
例,其中的蛋白质含量为猪肉中蛋白质含量的
68.6%,而脂肪含量是猪肉的 63.5%,因此是一种高
蛋白低脂肪的食物。鲜猪骨中的骨蛋白含量很高,
若直接食用,其中的骨蛋白不能够被很好吸收,但
若利用酶法将骨蛋白水解成多肽,则具有了良好的
吸收性,从而有助于提高营养价值。在全国第二界
功能性生物制品生产与应用技术交流会中就有论
文资料显示,鲜骨中的骨胶原、胶原质钙、软骨素、
磷蛋白、磷脂、铁和氨基酸含量为肉的 3倍,胶原多
肽在鲜骨中大量存在,12t鲜骨可提取 1t多肽产
品,12t鲜骨市价约 9600元人民币,每加工 1t约需
费用 4000元人民币左右,若用鲜骨加工胶原多肽
每吨成本价为 13600元~15000元。目前,胶原多
肽国内售价每吨 6万元左右,如果将胶原多肽开发
成保健产品,其售价会更高,每吨可达 60万元以
上。因此,开发骨胶原多肽,既为过去被丢弃或廉价
利用的大量鲜骨找到了增值利用的新途径,能够带
来显著的经济价值,同时也能够为市场提供一种具
有优异效用的功能多肽。从而,研究骨胶原多肽的
制备工艺,特别是从大量存在的猪骨中提取胶原多
肽的工艺,也就有着非常重要的现实意义。
1 骨胶原的类型与结构
近 30年来,由于生物化学、分子生物学和细胞
骨胶原多肽的制备及功能特性研究进展
谢静 王传花 李珂 李宗军
(湖南农业大学食品科技学院,长沙 410128)
摘 要: 鲜骨含有人体需要的多种营养物质,但不易直接食用,利用酶法将骨胶原蛋白水解成胶原多肽不仅有利
于人体消化吸收,也为鲜骨的增值利用找到新的途径。胶原多肽以其优良的功能特性已经越来越受到人们的青睐。简要
介绍来源于鲜骨中的胶原蛋白及其活性肽的研究现状和利用状况。
关键词: 猪骨 骨胶原 胶原多肽 功能特性
PreparationofColagenPolypeptidefrom BoneandStudy
EvolutionofItsFunctionalProperty
XieJing WangChuanhua LiKe LiZongjun
(ColegeofFoodScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128)
Abstract: Fresh bone containing human body needsa variety ofnutrients,butthey are directhuman
consumption,wiluseenzymatichydrolysisintobonecolagenproteincolagenpeptideisconducivenotonlytohuman
digestionandabsorption,aswelasthevalue-addeduseoffreshbonefindanewapproach.ColagenPeptideitsexcelent
featureshaveatractedmoreandmorepro-Lai.Thispaperintroducesfreshfrom thebonecolagenproteinandits
bioactivepeptidesinquiryStudystatusanduseofthesituation.
Keywords: Swinebone Bonecolage Colagenpolypeptide Functionalproperties
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
生物技术的发展,人们对细胞外基质,特别是对其
主要成分胶原的兴趣日益浓厚,现已经肯定胶原并
不是某一个蛋白质的名称,而是在结构上既有共同
特点又有差异的蛋白质,组成胶原分子的每种 a-
肽链可以分成若干亚型,如 al(Ⅰ),al(Ⅱ),al(Ⅲ),
a2(Ⅰ),a2(Ⅳ),a3(Ⅳ)等,每条 a-肽链都有一种基
因编码。在组织中,各种基因产物以不同方式组合
形成不同类型胶原,从理论上讲,20多种 a-肽链可
以组合成 1000种以上的胶原,目前已发现的还只
有 27种不同类型胶原[1]。其中Ⅰ型胶原蛋白主要存
在于动物的皮和骨中[2,3]。
骨胶原中含有的主要胶原类型是:普遍存在于
骨组织中Ⅰ型胶原蛋白、及主要存在于透明软骨中
的Ⅱ型胶原蛋白和少量存在于透明软骨Ⅺ型胶原
蛋白成分等。
典型的胶原分子是长且坚韧的三螺旋结构,由
2条 a1链和 1条 a2多肽链组成,3条 a肽链交互缠
绕形成了绳索状的超螺旋结构,每种胶原蛋白至少
含有一段三螺旋结构区域。
骨胶原中主要存在的是 I型胶原蛋白,而 I型
胶原蛋白的前体即 I型原胶原蛋白,比 I型胶原蛋
白在结构上多 2个末端前肽(propeptide)结构(C-前
肽与 N-前肽)。I型原胶原蛋白具有胶原蛋白家族
中所有原胶原蛋白的典型特征:首先含有一段具有
(Gly-X-Y)n重复序列的三聚体结构,在 N端与 C
端的 2个前肽形成非螺旋的结构域 (NC结构域),
位于(Gly-X-Y)n重复序列两侧,NC结构域再进一
步形成球状结构。折叠好的 I型原胶原蛋白是异源
三聚体的结构,即由 2条 a1链与 1条 a2链交互缠
绕所形成。胶原三聚体有很高的抗拉强度。I型原
胶原蛋白分泌到胞外基质中后,经过蛋白酶的剪切
除去 C-前肽与 N-前肽,就形成了成熟的胶原蛋白。
成熟的胶原蛋白能自我组装成高度有序的结构—
胶原纤维[4]。结构决定性质,性质决定用途,I型胶
原蛋白的结构决定它在骨骼与结缔组织中发挥作
用的主要方式是形成和保持骨架的完整性。胶原蛋
白独特的三重螺旋结构,使其分子结构非常稳定,
并且具有低免疫原性和良好的生物相容性。
2 骨胶原多肽的制备
胶原多肽的在医疗以及保健领域的极高应用
价值,其生产制备也就有非常重要的意义。例如,目
前已有从猪皮、牛皮、鱼皮、鱼骨和鱼鳞中提取胶原
多肽的制备工艺。
骨肽是从动物骨中提取的活性多肽物质。胶原
多肽是胶原或者明胶经蛋白酶等降解处理后制得
的低分子量、特别具有较高消化吸收性、分子量约
为 3～20kD的产物,不具有明胶的凝胶性能。表 1
是对用不同的方式水解胶原蛋白进行的比较。
显然,采用酶法得到胶原多肽的方法更可行。
国外采用酶法已较为普遍,Chambers和 Rasmussen
(1988)[5]对骨骼中提取的的胶原蛋白进行了酶解研
究;Surowka和 Fic(1992)[6]采用中性蛋白酶进行了
酶解鸡头骨胶原蛋白的研究,确定了最佳酶解条
件,并测定了酶解物氨基酸成分含量。
就制备工艺而言,我国以往采用酸碱法脱胶工
艺对环境污染较大,现采用高压蒸煮法。其次,生产
胶原多肽除腥味也是个难题。后来有学者利用发酵
新工艺,生物手段脱除腥味,取得满意的效果。再
者,经水解后制的胶原多肽的成品容易产生苦味也
困扰着生产者,经试验比较认为采用中性蛋白酶和
风味酶结合使用的方案,并且严格控制酶解时间、
温度及水解程度,则能使胶原多肽的苦味消除。
目前,采用酶法提取胶原蛋白及其多肽的研究
相对较多,但主要是从动物皮及其加工副产物中提
取,应用酶法从动物骨中提取胶原蛋白及其多肽报
道较少。MasahiroOgawa等利用胃蛋白酶在室温下
从两种亚热带鱼骨中提取出胃蛋白酶溶性的胶原
蛋白;SMorimura等用 16种不同的蛋白酶对鱼骨
胶原蛋白进行提取后发现,6种蛋白酶可用于鱼骨
中胶原蛋白的提取[7,8]。很多学者也对畜骨蛋白质
酶水解的工艺作了研究。如白恩侠,张卫柱[9]利用
表 1 胶原蛋白质水解物的方式分为化学降解法和
酶降解法
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牛骨为原料,采用酶水解方法来制备易被人吸收的
小肽及氨基酸,确定了工艺流程及最佳途径,其工
艺简单,成本低廉,易于推广应用。张永秀等[10]用
Flavourzyme蛋白酶酶解牛骨制备低聚肽的处理条
件研究,采用胰酶进行水解反应,确定了最适酶解
条件。王朝旭等[11]采用了胰蛋白酶对鲜猪骨进行了
酶法水解的研究,确定了酶解最佳工艺条件。综上
所述,在采用酶解方法制备骨胶原多肽时,要注意
不是所有的肽都具有特定的功能,必须根据所需功
能片段精选好酶,筛选好酶解决温度、pH值和酶解
时间,使酶解能准确的切割到疏水氨基酸处,才能
确保所选定的功能最佳。
胶原蛋白是构成人体中结缔组织的重要结构
蛋白质,具有很强的生物活性和生理功能,其含量
和质量直接影响人的健康状况。因此,适量补充胶
原蛋白对于保持身体健康有着非常重要的意义。但
作为大分子蛋白质,胶原蛋白并不能被人体直接吸
收。通过对胶原蛋白进行酶法水解形成的胶原多
肽,含有胶原蛋白全部的氨基酸,同时又具有胶原
蛋白不可比拟的良好的吸收性、溶解性、吸水性和
保湿性等。
3 骨胶原多肽的功能特性
目前的研究表明:利用畜骨蛋白质酶水解得到
的水解产物胶原多肽具有很多活性功能,例如抗高
血压、预防与治疗骨关节炎和骨质疏松、治疗胃溃
疡等疾病、抗衰老和抗氧化等[12~15]。此外,可促进矿
物质的吸收,减肥等功能。
贾东英等[16]对胶原蛋白多肽的功能特性进行
了研究测定,结果表明胶原蛋白多肽具有良好溶解
性、吸水性、保水性、湿润性、吸油性和起泡性,一定
的乳化性和较弱的凝胶性和泡沫稳定性。由于胶原
多肽具有保护胃粘膜抗溃疡、抑制血压上升、提高
骨骼强度、促进皮肤胶原代谢等功能。同时酶解胶
原蛋白制备的胶原多肽具有更小的相对分子质量,
并且更易降解,故将胶原蛋白水解为胶原多肽则其
在消化吸收、营养、功能特性等方面都会得到显著
的提高。
骨胶原多肽在抑制血管紧张素转化酶活性、抑
制血小板凝集活性、抗氧化活性、抗肿瘤活性方面
均有较好的作用,耿秀芳 等人(2001)就从猪骨胶
原蛋白中提取小肽作为血管紧张素转化酶的抑制
剂,得到一种 9肽,氨基酸为:Ine—Ser—His—
Gly—Ala—Pro—Tyr—Leu—Asp,半抑制浓度 IC50
值为 26umol/L,将含此肽 0.01%的混合物作静脉注
射试验,对肾性高血压大鼠(RHR)和自发性高血压
大鼠(SHR)均有明显降压作用。近年来有学者对猪
骨胶原多肽的抗氧化功能研究采用 HZ氏为氧化
剂检测胶原多肽的抗氧化能力,结果表明:胶原多
肽具有较强的抗氧化能力,其抗氧化能力仅次于二
丁基经基甲苯(BHT),大于谷胱甘肽(GHS)和抗坏
血酸 (Vc),而且抗氧化能力随着浓度的增大而增
强。
美国 FDA经过研究得出结论[15]:水解胶原蛋白
对骨关节炎和骨质疏松症有着潜在的治疗作用,
长期服用是非常安全有效的。2002年,Oesserand
Seifer报道[17],胶原多肽能够刺激软骨细胞合成胶
原蛋白Ⅱ(胶原蛋白Ⅱ为骨关节的主要基础),并能
影响胶原在骨关节中的转化。MsokowitzRW [15]报
道,胶原多肽对骨关节炎和骨质疏松是一种潜在治
疗物质。临床研究证实,每天摄入 10g胶原多肽,骨
关节炎疼痛有明显降低。胶原多肽属于功能肽,从
现今的研究不难看出,胶原蛋白中蕴藏着多种生物
活性肽,如抑制血管紧张素转化酶活性、抑制血小
板凝集活性、抗氧化活性、抗肿瘤活性等。胶原多肽
也具有较多的生理功能:胃粘膜抗溃疡、抑制血压
上升、提高骨骼强度、促进皮肤胶原代谢、促进矿物
质的吸收作用等。胶原多肽还参与人体大部分生理
功能调节。例如,神经、消化、吸收、免疫、代谢和生
长等方面,但有些作用机理仍还待进一步研究明
确。毋庸置疑,在针对骨质疏松方面、胶原多肽对关
节炎等胶原病均具有很好的预防及治疗作用[18]。现
今国内,从猪骨里面直接提取胶原蛋白水解成胶原
多肽形式用于治疗与预防骨质疏松仍然是一个很
值得深入研究的课题。
4 展望
我国是一个畜牧业大国,猪的生产总量居世界
前列。改革开放以来,在党和政府一系列加速农牧
业发展的政策推动下,我国畜牧业连续 20年平均
年递增 9.9%,产值增长近 5倍,达到 4000亿元,
占到农业总产值的 1/3。2004年生猪存栏 4.82亿
谢静等:骨胶原多肽的制备及功能特性研究进展 15
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
头,出栏 6.18亿头,猪肉产量 4701.61万 t,均居世
界第一[19]。
骨食品开发研究在国外较为广泛,瑞典、美国、
俄罗斯、日本、丹麦、英国等起步较早,成绩较为显
著,瑞典将骨加工成骨泥、骨肉蛋白粉等,几乎将骨
100%利用;美国连珠分司开发出 Lin-prol(林谱诺)
可溶性蛋白;俄罗斯从骨中提取食用蛋白干品;日
本从 20世纪 80年代开始成立 “有效利用委员会”
采用超微粉碎技术生产骨糊、骨浆、骨胶、骨提取物
和食用骨粉等;英国用屠宰场的新鲜骨研制生产高
质量蛋白质、骨质磷酸盐和脂肪的方法并应用于食
品中,所开发的食品营养价值超过鲜肉,但价格只
相当于鲜肉的一半;丹麦已开始用酶处理骨骼生产
食用蛋白粉和明胶。在过去,我国偏向于集中于畜
禽肉类的消费,大量的畜禽骨骼得不到利用,既浪
费了这种营养成分丰富且比例合理的资源,又在骨
处理的问题上污染了环境,带来一定的环境压力。
现今,骨胶原多肽的功能特性价值已被越来越多的
国内专家学者肯定和关注。
胶原多肽源于动物蛋白,其分子结构和植物蛋
白相比更适合人体吸收,它不仅具有一般蛋白质的
营养作用,还具有不可替代的调节功能和良好的营
养特征,生理功能、加工特性、可溶解、不沉淀、人体
吸收率达 100%。胶原多肽在预防与治疗骨关节炎
和骨质疏松、抑制血管紧张素转化酶活性、抑制血
小板凝集活性、抗氧化活性、抗肿瘤活性等多方面
皆具良好作用。骨胶原多肽是将骨胶原水解而得到
的具有特殊生理功能的一系列多肽的总称,我国的
鲜骨资源相当丰富,几大牧区每年的鲜骨产量都在
几万 t以上,全国大中城市每年所产的屠宰鲜骨在
2000t左右。例如,猪骨头成分是胶原蛋白,将其变
废为宝,高值转化,具有十分重要的经济效益和环
境效益。如果将一个城市所产鲜骨的 50%用于加工
提取多肽产品,即可生产 100t左右的胶原多肽,按
最低价计算,年产值也在 5000万左右。骨细胞中
的骨胶原是羟基磷灰石的黏合剂,它与羟基磷灰石
共同构成了骨骼的主体。那么,只要摄入足够的胶
原蛋白,就能保证机体钙质的正常摄入量。且胶原
蛋白的特征氨基酸一羟脯氨酸是血浆中运输钙到
骨细胞的运载工具,但过多的动物蛋白的摄入,也
造成含硫氨基酸摄入过多,这样可加速骨骼中钙的
丢失,易产生骨质疏松,那么将胶原蛋白酶解成胶
原多肽用来制作补钙的保健食品,不单因为胶原蛋
白以多肽形式能更利人体消化吸收,而且能更稳固
把钙沉积在骨组织内。骨胶原多肽的制备不仅让动
物的废料得到高值转化,更使其优异功能特性得到
有效发挥和利用。无论从胶原多肽食用的安全性,
有效性,开发多肽产品的效益观,价值观,对创建节
约型,环保型社会等多方面综述,均可以看到制备
骨胶原多肽产品的显著意义。
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