膠原蛋白綜述

膠原蛋白研究進展學(xué)院：食品科學(xué)與工程專業(yè)：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏學(xué)號：2009209029姓名：焦坤膠原蛋白應(yīng)用進展摘要：膠原蛋白是細胞外基質(zhì)的主要成分，對維持皮膚、血管彈性，提高軟骨潤滑性等都有重要作用，因其特有的生物特性，所以被廣泛應(yīng)用與醫(yī)療、食品、化妝品等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：膠原蛋白、特性、應(yīng)用Abstract：Collagenisthemaincomponentoftheextracellularmatrix,themaintenanceofskin,bloodvesselflexibilityandimprovethecartilagelubricationandothershaveanimportantrole,becauseoftheiruniquebiologicalcharacteristics,theywerewidelyusedinmedical,food,cosmeticsandotherfields.Keywords:collagen,properties,applications前言：膠原蛋白是一種白色、不透明、無支鏈的纖維蛋白質(zhì)，它主要存在于動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中是結(jié)締組織極重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，起著支撐器官、保護機體的功能。膠原是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)，占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%-30%,相當(dāng)于體重的6%[1]。膠原蛋白是細胞外基質(zhì)（ECM）的主要成分，約占膠原纖維固體物85%,占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%?30%.膠原中含有大量的甘氨酸，約占總氨基酸的27%,其一級結(jié)構(gòu)均為/Gly-XY0重復(fù)序列，其中脯氨酸和羥脯氨酸的含量特高，占膠原氨基酸的14%,這兩種氨基酸是膠原特有，而色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低，因此，膠原屬不完全蛋白質(zhì).膠原呈乳白色的一種多糖蛋白，具有很強的延伸力，不溶于水，在酸中可溶解⑵。膠原蛋白的特性1.1細胞-基質(zhì)間的相互作用膠原蛋白與其他成分以特定的形式排列結(jié)合,形成細胞外間質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對細胞起到錨定和支持作用，并為細胞的增殖生長提供適當(dāng)?shù)奈h(huán)境。在生理或病理機制的調(diào)控下，膠原蛋白有機地參與細胞遷移和代謝，從而使細胞更準(zhǔn)確地發(fā)揮其功能⑶。1.2止血、創(chuàng)傷愈合機能天然的膠原聚集體是良好的止血劑，血小板首先粘附在膠原表面誘導(dǎo)血小板釋放，隨后血小板開始聚集并產(chǎn)生最終止血栓。膠原的天然結(jié)構(gòu),尤其是足夠發(fā)達的四級結(jié)構(gòu)，是膠原具有凝聚能力的基礎(chǔ)⑷。用膠原制備的凝血材料，比如膠原/殼聚糖復(fù)合膜的止血性能比明膠等一般材料好得多。1.3功能保健作用膠原含有其它蛋白質(zhì)所沒有的羥基賴氨酸，因而營養(yǎng)十分豐富。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。膠原多肽的氨基酸種類豐富，蛋白質(zhì)含量高，不含脂肪，符合人們對“低脂高蛋白”的食品需求,已有大量研究表明,膠原多肽可以在腸道直接被吸收,肽類和氨基酸以不同的途徑被吸收，而且肽類比氨基酸具有有速度快、耗能低、不易飽和，且各種肽之間運轉(zhuǎn)無競爭性與抑制性等特點⑸。1.4增強皮膚代謝機能蛋白質(zhì)是生物體中最主要的組成物質(zhì),包括覆蓋人體的皮膚、毛發(fā)都是由蛋白質(zhì)組成。此外，蛋白質(zhì)幾乎主導(dǎo)著生物界全部的生命活動,如:細胞分裂、新陳代謝、傳遞信息，以及對疾病的抵抗能力，都是依賴蛋白質(zhì)來完成的。因此，在化妝品中，以蛋白質(zhì)作為活性物質(zhì)十分自然。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,選用的天然物質(zhì)中都有膠原蛋白或其水解產(chǎn)物(羥脯氨酸、脯氨酸、絲氨酸)⑹。膠原及其水解物與人皮膚膠原的結(jié)構(gòu)相似，相容性好,存在著離子鍵、氫鍵等相互作用；由其制備的材料，可以擴散到皮膚的深層，對人的皮膚有很好的營養(yǎng)作用；同時由于其分子中含有大量的羥基，因此它有著相當(dāng)好的保濕作用；其分子中的氨基和羧基又賦予它一定的表面活性，這使它與其它材料的相容性很好，且對皮膚無刺激性［7］。1.5免疫能力膠原雖然是大分子物質(zhì)但由于其結(jié)構(gòu)重復(fù)性大，與其它具有免疫性的蛋白質(zhì)相比，膠原的免疫原性非常低，尤其是它以膠原組織和純化膠原形式使用時更為明顯。膠原的主要免疫原性位點是在分子的C、N末端區(qū)域，這兩個區(qū)域是有短的、非螺旋氨基酸序列所組成，又叫“端肽(telopeptides)”，它可在提取膠原時被選擇性的水解或去除而失活，僅在膠原分子三股螺旋內(nèi)保留微弱的免疫原性，不足以引起明顯的排異反應(yīng)。膠原蛋白的應(yīng)用2.1食品領(lǐng)域的應(yīng)用2.1.1功能性食品和保健品經(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⑻。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)焦羌毎倪\載工具，骨細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［9］。2.1.2肉制品改良劑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［10］。2.1.3食品包裝材料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)。膠原蛋白還可以用于制作復(fù)合天然保鮮膜，用于肉類保鮮，效果顯著［11］。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［12］。2.1.4食品涂層材料近年來，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［13］。2.1.5在其它食品領(lǐng)域方面的應(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。2.2在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用在國外，對膠原蛋白在美容方面的作用已進行深入的研究。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。膠原蛋白應(yīng)用于化妝品中的功效總結(jié)起來有如下幾點［14］：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，改善皮膚細胞生存環(huán)境和促進皮膚組織的新陳代謝，增強循環(huán),達到滋潤皮膚、延緩衰老、美容、消皺、養(yǎng)發(fā)的功效。修復(fù)性膠原蛋白和周圍組織的親和性很好，從而具有修復(fù)組織的作用。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，能夠達到保持皮膚潤澤的目的。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。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,膠原蛋白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,達到營養(yǎng)皮膚的作用。相對分子質(zhì)量較大的分子，每個分子結(jié)合位置較多，結(jié)合力增強，親和力增大。在化妝品中，單純用作營養(yǎng)性護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［15］。2.3膠原蛋白在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用由于膠原蛋白是一組結(jié)構(gòu)相似且十分豐富的動物蛋白質(zhì),由于具有較弱的抗原性、優(yōu)越的生物相容性和生物降解安全性，將逐漸成為一種理想的生物材料應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、臨床醫(yī)學(xué)和臨床治療中，這也是目前研究的熱點和重點。膠原蛋白在醫(yī)用生物材料中的應(yīng)用：由于膠原與周圍組織的易融合性可用于制造醫(yī)用創(chuàng)傷敷料膜［16］。膠原膜可為表皮細胞的遷移、增殖鋪墊了支架，并提供了良好的營養(yǎng)基礎(chǔ)，有利于上皮細胞的增殖修復(fù)，因此適合于創(chuàng)面的愈合和燒傷的修復(fù)、整形、皮膚及神經(jīng)生長，以及血管瓣膜手術(shù)[17],如:膠原線可用于手術(shù)縫線、膠原管可用于神經(jīng)修復(fù)、膠原膜可用作人工皮等;膠原蛋白是機體自然蛋白，能與宿主纖維和骨組織相結(jié)合，可降解吸收，粘著力好，可制成一定形態(tài)，如膠原止血粉劑、止血纖維手術(shù)縫合材料或以膜形式地外科敷料、皮膚移植材料等，在臨床上可單用或與其它材料合用于軟硬組織的修補、植入可作止血劑,粘接劑等。膠原作為藥物遞送組織系統(tǒng)的主要應(yīng)用有:眼外科的膠原罩、創(chuàng)傷和灼傷中的膠原海綿、蛋白質(zhì)傳遞的微丸和片劑、控釋凝膠處方、透皮給藥的控釋材料、基因遞送的納米粒及細胞培養(yǎng)基質(zhì)。作為組織工程學(xué)方面的應(yīng)用包括：皮膚代用品、骨代用品、人工血管和瓣膜等，其中人工皮膚是膠原蛋白在組織工程中應(yīng)用最為古老最為成功地范例，而人皮膚代用品的成功應(yīng)用必將導(dǎo)致生物工程組織的發(fā)展，自身組織工程為異源性組織移植提供了新的選擇。膠原蛋白的潛在新應(yīng)用隨著我國科學(xué)技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和生活質(zhì)量的普遍提高，人們崇尚綠色、回歸自然的意識的加強，以膠原蛋白為原料和添加劑的化妝品以及生物醫(yī)用材料將會受到人們的歡迎，這是因為膠原蛋白具有特殊的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)，天然蛋白具有合成高分子材料不可比擬的生物相容性和生物降解性.隨著對膠原的進一步研究，人們的生活中將會越來越多地接觸到含有膠原蛋白的產(chǎn)品，膠原蛋白產(chǎn)品將會越來越廣泛地被應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、生物材料等方面.膠原雖以其優(yōu)良的性質(zhì)得到重視，但不可避免的弱點也限制了它的應(yīng)用.例如經(jīng)過制備后的膠原蛋白產(chǎn)品，拉伸強度較弱；純膠原蛋白在體內(nèi)降解較快，以及存在潛在的抗原性等.此外，由于膠原蛋白粉的來源、加工工藝和原料配比的差異，產(chǎn)品的營養(yǎng)成分及飼用價值也不相同，且皮料在加工過程中不僅要接觸許多化學(xué)物質(zhì)，且易受到細菌的感染。所以，如何用強避弱是現(xiàn)今研究的熱門。參考文獻：蔣挺大，張春萍.膠原蛋白.北京化學(xué)工業(yè)出版社,2001劉成海.肝臟膠原蛋白檢測進展與評析[J].世界華人雜志,2003,(6):679-692.劉白玲.膠原在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.皮革科學(xué)與工程.1999(3):35-42.劉秉慈.大有可為的膠原蛋白醫(yī)用生物材料.百科知識，1995(5):37-39.張心如.膠原蛋白食品倍受青睞.中國保健營養(yǎng),2003(7):32張銘讓，林煒.皮膠原蛋白在化妝品與蛋白飲料中的應(yīng)用.北京皮革,2000(10):42聶林彬.皮革固體廢棄物處理的進展.環(huán)境污染與防治,2001(5):268-270LiX,AgrawalCM,WangX.AgeDependenceofInSituTermostabilityofCollageninHumanBone[J].CalcifiedTis-sueInternationa2003,72(4):513-518.MillerAT.Currentandfutureusesoflimedhidecollageninthefoodindustry[J].JAmLeatherChemAssqc1996,(91):183T89.SchillingMW,MinkLE,GochenourPS,etal.Utilizationofporkcollagenforfunctionalityimprovementofbonelesscuredhammanufacturedfrompale,soft,andexudativepork[J].MeatScience,2003,65(1):547-553.羅愛平，朱秋勁，鄭虹，等.綜合保鮮技術(shù)對冷卻牛肉的保質(zhì)研究[J].食品科學(xué),2004,25(2):174-179.陳潔,吳海芳.生物可降解包裝膜[J].無錫輕工大學(xué)學(xué)報,2000,19(4):