膠原的提取與應(yīng)用

明膠是一種由動物細(xì)胞合成的生物性高血壓。廣泛分布于動物骨骼、肌腱、軟骨、皮膚等組織中，它可以支撐器官，保護(hù)身體。膠原是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì),約占動物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的三分之一。近年來,隨著膠原提取技術(shù)的發(fā)展,對其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面研究的深入,以及對膠原蛋白與膠原多肽的生物功能等性能認(rèn)識的提高,膠原蛋白的研究及應(yīng)用成為一個熱點。1膠原1.1蛋白質(zhì)的氨基酸成分在組成上,膠原蛋白中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)和谷氨酸(Glu)含量較高,特別是甘氨酸的含量幾乎占了1/3;膠原蛋白中脯氨酸和羥脯氨酸(Hyp)的含量是各種蛋白質(zhì)中含量最高的;膠原蛋白中存在的羥基賴氨酸(Hyl)在其它蛋白質(zhì)中不存在,羥基脯氨酸和焦谷氨酸在一般蛋白質(zhì)中也很少見。1.2膠原蛋白的分類膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)中的主要分子化合物。隨著分子生物學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展,人類對膠原蛋白的認(rèn)識逐漸提高,現(xiàn)在已經(jīng)肯定膠原蛋白并不是一個蛋白質(zhì)的總稱,而是和免疫球蛋白一樣,富有多樣性和組織分布的特異性,是與各組織、器官機能有關(guān)的功能性蛋白。根據(jù)它們在體內(nèi)的分布和功能特點,可將膠原分成間質(zhì)膠原、基膜膠原和細(xì)胞外周膠原。第2期李昀:膠原蛋白在食品和化妝品中的應(yīng)用·55·1.3分子中酸競爭對膠原分子局部致敏性的影響膠原蛋白的分子量為30萬道爾頓,它是由3條肽鏈結(jié)合而成的3股螺旋結(jié)構(gòu)。除次級鍵外,膠原分子內(nèi)和分子間存在醇醛縮合交聯(lián)、醛胺縮合交聯(lián)、醛醇組氨酸交聯(lián),這些交聯(lián)使得2~3條肽鏈牢固地連接起來,從而使膠原分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,并且免疫原性和致敏性極低。膠原蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能特點的多樣性和復(fù)雜性,決定了其在許多領(lǐng)域的重要地位,以及良好的應(yīng)用前景。2使用類固醇2.1明膠復(fù)合飲料膠原具有適用于食品的一些屬性:食用級膠原通常外觀為白色,口感柔和,味道清淡,易消化。明膠和膠原多肽作為膠原蛋白的降解產(chǎn)物,同樣具有很多優(yōu)良的性能。近年研究表明,膠原多肽可以在腸道直接被吸收,而且比氨基酸具有更大的吸收量;明膠是強有力的保護(hù)膠體,乳化力強,進(jìn)入胃后能抑制牛奶、豆?jié){等蛋白質(zhì)因胃酸作用而引起的凝聚作用,從而有利于食品的消化。此外,膠原的一些獨特的品質(zhì)使得它在許多食品中用作功能物質(zhì)和營養(yǎng)成分具有其它替代材料無可比擬的優(yōu)越性:(1)膠原大分子的螺旋結(jié)構(gòu)和存在結(jié)晶區(qū)使其具有一定的熱穩(wěn)定性;(2)膠原天然的緊密的纖維結(jié)構(gòu)使膠原材料顯示出很強的韌性和強度,適用于薄膜材料的制備;(3)由于膠原分子鏈上含有大量的親水基團,所以與水結(jié)合的能力很強,這一性質(zhì)使膠原在食品中可以用作填充劑和凝膠;(4)膠原在酸性和堿性介質(zhì)中膨脹,這一性質(zhì)也應(yīng)用于制備膠原基材料的處理工藝中。膠原蛋白在食品行業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾類。2.1.1膠原蛋白護(hù)膚功效經(jīng)常食用含膠原蛋白豐富的食品,能有效地增加皮膚組織細(xì)胞的儲水能力,增強和維持肌膚良好的彈性,強化肌膚的韌性,延緩肌體的衰老。同時,膠原蛋白可以作為補鈣成分用于保健食品,因為血漿中來自膠原蛋白的羥基脯氨酸是將血漿中的鈣運輸?shù)焦羌?xì)胞的運載工具,骨細(xì)胞中的骨膠原則是羥基磷灰石的黏合劑,它與羥基磷灰石共同構(gòu)成了骨骼的主體。此外,膠原蛋白還能降低血甘油三酯和膽固醇,用于制作減肥降血脂食品。有研究表明,鋁對人體有害,老年癡呆癥可能與攝入過量的鋁有關(guān),而膠原蛋白在排出體內(nèi)的鋁方面也具有獨到之處。因此,膠原蛋白是生產(chǎn)補鈣及減肥、美容護(hù)膚、延緩衰老類保健食品的理想原料。在我國,有一種傳統(tǒng)的膠原保健品——“阿膠”,它主要是以灰驢皮為原料,經(jīng)特殊的工藝生產(chǎn)出來的,具有較高的滋補保健作用。在日本,膠原食品被厚生省作為“健康食品”推向市場,膠原蛋白及其降解產(chǎn)物被作為眾多功能性食品的原料,已大量地應(yīng)用于食品工業(yè),如膠原多肽、水解氨基酸口服液及飲料等保健食品。為保證有效的生理功能,用作保健制品原料的膠原蛋白要有一定程度的降解。2.1.2膠原蛋白的添加研究發(fā)現(xiàn),膠原蛋白可以影響肉類的嫩度和肉類蒸煮后肌肉的紋理,其含量和存在狀態(tài)與肉制品的嫩度密切相關(guān):通過破壞膠原蛋白分子內(nèi)的氫鍵,使其原有的緊密超螺旋結(jié)構(gòu)破壞,形成分子較小、結(jié)構(gòu)較為松散的明膠,即可改善結(jié)締組織的嫩度,提高其食用價值。研究表明:將酸法制得的膠原蛋白粉添加到肉制品中,不僅能改善產(chǎn)品品質(zhì)(如口感好、多汁),提高產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量,而且無不良?xì)馕?。Meullenet等人的研究顯示,添加膠原量2%、水20%左右時,臘腸的感觀、質(zhì)地和口感最好。膠原蛋白與其他蛋白質(zhì)一樣具有良好的染色性,根據(jù)制品的需要,可以用紅曲等食用色素將其染成近似于肌肉組織的桃紅色,使消費者易于接受。2.1.3人工腸衣的營養(yǎng)膠原蛋白是制作人工腸衣的理想原料,在熱處理過程中,隨著水分和油脂的蒸發(fā)和熔化,膠原幾乎與肉食的收縮率一致,而其它的可食用包裝材料還沒被發(fā)現(xiàn)具有這些品質(zhì)。用戊二醛對膠原蛋白進(jìn)行處理,可使制品的熱穩(wěn)定性大大提高。膠原蛋白制作腸衣,具有口感好、透明度高、制作工藝簡單等特點,很受用戶歡迎,在我國具有很好的開發(fā)前景。人工腸衣還有一些天然腸衣不可比擬的優(yōu)點,如在人工腸衣中加入某些酶,使腸衣本身具有固化酶的功能,可以改善香腸風(fēng)味和質(zhì)量。以膠原蛋白作為主要原料,輔以甘油、氯化鈣等添加劑,可制成可食性蛋白膜,用于糖果、蜜餞、果脯、糕點等的內(nèi)包裝膜,其不僅具有良好的外觀、機械性能,而且可作為一種營養(yǎng)載體,成為食品的一種營養(yǎng)強化劑。膠原蛋·56·天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報第12卷白還可用于制作復(fù)合天然保鮮膜,用于肉類保鮮,效果顯著。用明膠制成的明膠膜又稱可食包裝膜、生物降解膜,具有良好的抗拉強度、熱封性和較高的阻氣、阻油、阻濕性能,可用于水果保鮮、肉類保鮮、食品包裝或直接食用。為了保證包裝材料的強度,要求水解膠原保持較大的分子量。2.1.4復(fù)合涂膜保鮮近年來,人們發(fā)現(xiàn)將明膠用于食品涂層上具有很多好處,如:避免食品氧化,抑制褐變反應(yīng);防止食品吸潮及僵硬;使食品表面有光澤;作為穩(wěn)定劑,防止產(chǎn)品干縮變形;具有保鮮作用,明膠溶液可在果蔬表面形成皮膜,能保證食品的新鮮度和天然風(fēng)味;防止食品腐敗,延長食品的保存期;提高揮發(fā)性食品成分的保存性;調(diào)整溶解性等。2.1.5明膠在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用膠原蛋白的水解產(chǎn)品明膠可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的魚膠作為啤酒、果酒、果汁、黃酒和白酒等的澄清劑。利用膠原的成膜性,可將其用作固化酶的膜材料和肉食品標(biāo)簽,后者已經(jīng)在歐洲實際應(yīng)用。膠原蛋白粉經(jīng)調(diào)漿、成型、干燥、油炸等工序,可制得膠原小食品;調(diào)漿時,可根據(jù)口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品。在食品生產(chǎn)中,明膠可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、攪打劑、發(fā)泡劑等用于糖果、冷凍食品和乳制品、罐頭食品等的生產(chǎn)。明膠還可用于制作蛋糕和各種糖衣,由于明膠的穩(wěn)定性,即使在熱天,當(dāng)液相增加時,這種糖衣也不致滲入糕餅中,而且還能控制糖晶體的大小。在膠原蛋白用于食品工業(yè)的研究方面,國外的研究更為成熟。在國內(nèi),膠原食品的優(yōu)越性還沒有得到消費者的充分認(rèn)識,隨著人們生活水平的提高及對綠色食品需求的增加,膠原蛋白這種低脂高蛋白食品會越來越得到消費者的青睞。2.2膠原蛋白護(hù)膚功效膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料,可以滋潤肌膚,賦予其平滑感覺,對頭發(fā)也有很好的調(diào)理作用。試驗證明,0.01%的膠原蛋白純?nèi)芤壕陀辛己玫目垢鞣N輻射的作用,且能形成很好的保水層,能供給皮膚所需要的全部水分。在美國、德國、日本等國家,許多高檔化妝品中添加有膠原蛋白,甚至在人面部注射膠原以改善皮膚,減少皺紋。美國CTFA化妝品原料手冊錄用的天然物質(zhì)和《功能性化妝品原料》中,都有膠原蛋白或其水解產(chǎn)物(羥脯氨酸、脯氨酸、絲氨酸)。在國外,對膠原蛋白在美容方面的作用已進(jìn)行深入的研究,其應(yīng)用于化妝品中的功效總結(jié)起來有如下幾點。(1)營養(yǎng)性:可以給予含有膠原蛋白的皮膚層所必需的養(yǎng)分,補充17種對人體有益的氨基酸,使皮膚中的膠原蛋白活性加強,保持角質(zhì)層水分以及纖維結(jié)構(gòu)的完整性,改善皮膚細(xì)胞生存環(huán)境和促進(jìn)皮膚組織的新陳代謝,增強循環(huán),達(dá)到滋潤皮膚、延緩衰老、消皺、養(yǎng)發(fā)的功效。(2)修復(fù)性:膠原蛋白與周圍組織的親和性好,具有修復(fù)組織的作用。動物實驗表明,用含有膠原蛋白的膏體涂布皮膚后能有效改善表皮和真皮的結(jié)構(gòu),促進(jìn)皮膚內(nèi)部膠原的合成,活化真皮組織等。(3)保濕性:由于膠原蛋白分子中含有大量的親水基,使之具有良好的保濕功效,能夠達(dá)到保持皮膚潤澤的目的,在相對濕度70%時,仍可保持其自身重量45%的水分?；瘖y品中添加的膠原蛋白濃度達(dá)到0.01%時,即能供給皮膚所需的全面水分。(4)配伍性:膠原蛋白具有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定pH值、穩(wěn)定泡沫、乳化膠體的作用。同時,作為一種功能性成分,在化妝品中可以減輕各種表面活性劑、酸、堿等刺激性物質(zhì)對皮膚、毛發(fā)的損害。(5)親和性:膠原蛋白對皮膚和頭發(fā)表面的蛋白質(zhì)分子有較大的親和力,主要通過物理吸附與皮膚和頭發(fā)結(jié)合,能耐漂洗處理。親和作用隨相對分子質(zhì)量的增大而增強。相對分子質(zhì)量小的分子可以滲入皮膚和頭發(fā)的表皮,有時還可以透過皮質(zhì)層,達(dá)到營養(yǎng)皮膚的作用。另外,張銘讓等人認(rèn)為,將膠原蛋白添加入化妝品,其含有的酪氨酸與皮膚中的酪氨酸競爭,而與酪氨酸酶的催化中心結(jié)合,從而抑制黑色素的產(chǎn)生,對皮膚起到美白作用。在化妝品中,單純用作營養(yǎng)性護(hù)膚類原料通常要求分子量在2KD以下,以讓水解膠原能滲透入皮膚內(nèi)。而護(hù)發(fā)類化妝品除要求水解膠原具有保濕性以外,通常還應(yīng)具有一定的成膜性,因此,水解膠原的分子量一般要求更高。膠原蛋白類產(chǎn)品性能溫和、功能多、使用安全,符合當(dāng)代化妝品的潮流,近幾年來發(fā)展很快。隨著生命科學(xué)的發(fā)展,生物原料將越來越多地被應(yīng)用于化妝品中,而膠原蛋白必將作為一種功能性的生物原料成為化妝品原料中的重要一員,為人類保持青春發(fā)揮巨大作用。第2期李昀:膠原蛋白在食品和化妝品中的應(yīng)用·57·3其它非織造材料近年來,膠原蛋白領(lǐng)域的研究十分活躍,進(jìn)展很快。在對膠原蛋白的利用方面,新的用途不斷被開發(fā),主要分為兩大類:一是著眼于膠原蛋白獨特的宏觀物理性能,即纖維性能,用于相紙底片、紡織、造紙、包裝材料等;二是著眼于其內(nèi)在性能,即膠原的生物功能,用于添加劑