膠原水解產(chǎn)物生物功能性的研究進(jìn)展

段 煉，杜 崢，張德勝

（西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715）

膠原水解產(chǎn)物生物功能性的研究進(jìn)展

段 煉，杜 崢，張德勝*

（西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715）

膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，其特有的三股螺旋結(jié)構(gòu)以及氨基酸序列使得膠原及其水解產(chǎn)物具有生物相容性、生物功能性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、組織工程、食品保健等領(lǐng)域。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，綜述了膠原水解產(chǎn)物的生物功能性，包括抗菌性能、抗氧化性和降血壓等。指出我國(guó)膠原相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展除了生產(chǎn)傳統(tǒng)的組織工程和醫(yī)藥材料之外，還應(yīng)該根據(jù)其特性，拓展其應(yīng)用范圍，開(kāi)發(fā)出各種具有生物功能性的食品和保健品。

膠原水解產(chǎn)物；抗菌性；抗氧化性；降血壓

膠原是生物體內(nèi)細(xì)胞間質(zhì)的主要組成成分，廣泛存在于動(dòng)物的皮、肌腱、軟骨、血管及各種結(jié)締組織中，起著支撐器官及保護(hù)機(jī)體的作用[1]。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了28 種不同類型的膠原[2]。其中，約9 0%的膠原都是纖維膠原，例如主要分布在皮里的Ⅰ型、主要分布在軟骨和玻璃體里的Ⅱ型和主要分布在血管里的Ⅲ型膠原是屬于纖維膠原[3]。膠原分子是由3 條α多肽鏈組成的，在α多肽鏈中，甘氨酸（Gly）約占氨基酸殘基總量的25%～30%，脯氨酸（Pro）約占12%，羥脯氨酸（Hyp）約占10%。氨基酸殘基按照Gly-X-Y的順序呈周期性排列，其中，X與Y常分別為脯氨酸和羥脯氨酸，且3 條左手螺旋的α多肽鏈相互纏繞，形成一個(gè)右手三股螺旋結(jié)構(gòu)[4]。

提取純化的未變性膠原由于保持了其在動(dòng)物體內(nèi)特有的三股螺旋結(jié)構(gòu)，具有低免疫原性、活化血小板、可生物降解性、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)等特點(diǎn)[5]，使得膠原可以被制成止血海綿、手術(shù)縫合線、人工血管、人工皮膚、護(hù)膚品和藥物載體而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、組織工程和化妝美容等領(lǐng)域[2]。膠原在高溫或酶等作用下可以水解成明膠或水解膠原；水解后膠原特有的三股螺旋結(jié)構(gòu)被破壞了[6]。此外，膠原、明膠或水解膠原還可以進(jìn)一步水解成多肽。新的研究表明[7-8]，膠原水解產(chǎn)物具有抗菌性、抗氧化性以及降血壓等諸多生物功能性，以此為基礎(chǔ)可以開(kāi)發(fā)各種食品、保健品和醫(yī)學(xué)藥品，促進(jìn)我國(guó)膠原產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 抗菌性

作為細(xì)胞間質(zhì)的主要成分，膠原會(huì)被一些細(xì)菌所侵蝕，例如綠膿桿菌可以侵蝕Ⅰ型膠原基質(zhì)[7]。但是研究發(fā)現(xiàn)膠原也具有一定的抗菌性能，例如Jus等[8]將膠原涂覆在羊毛材料外發(fā)現(xiàn)其具有抵抗細(xì)菌和真菌侵蝕的功效。Abdillahi等[9]的研究表明某些特殊類型的膠原具有天然的滅菌性能：細(xì)胞間質(zhì)中的Ⅵ型膠原在生理環(huán)境中可以殺滅革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和陰性細(xì)菌，為組織細(xì)胞提供了先天性的抗菌保護(hù)，其滅菌機(jī)理可能與細(xì)菌的細(xì)胞膜被破壞有關(guān)。

由膠原、水解膠原制成的一些多肽具有較強(qiáng)的抗菌性。Gomez-Guillen等[10]分別用魷魚膠原和金槍魚皮膠原制備了分子質(zhì)量小于1 kD和分子質(zhì)量在1～10 kD的多肽，并用瓊脂擴(kuò)散法研究了其對(duì)常見(jiàn)細(xì)菌的抗菌性能，研究結(jié)果表明這兩種多肽對(duì)革蘭氏陰性和陽(yáng)性細(xì)菌以及乳酸菌等均具有較好的抗菌性。Kempka等[11]發(fā)現(xiàn)將水解膠原和甘露醇溶解并涂覆在草莓表面后有較好的抗菌性能，能延長(zhǎng)草莓的保鮮期；當(dāng)膠原質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%、甘露醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)草莓的保鮮期可達(dá)12 d。然而，迄今為止，這些多肽的抗菌機(jī)理尚未確定。di Bernardini 等[12]認(rèn)為多肽抗菌性可能與其氨基酸組成、序列、分子質(zhì)量以及細(xì)菌種類都有關(guān)系；Wieprecht等[13]的研究表明帶正電荷的抗菌多肽可以通過(guò)靜電吸附與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜接近，多肽中的疏水性氨基酸則有助于其進(jìn)入到細(xì)菌細(xì)胞膜中。Gomez-Guillen等[10]則認(rèn)為當(dāng)膠原或水解膠原降解成多肽之后，其分子質(zhì)量降低，暴露在外的氨基酸殘基和電荷增多了，促進(jìn)了其與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用，從而賦予了多肽抗菌性能。此外，膠原制備的氨基酸還可以用來(lái)合成抗菌化合物：例如Molinero等[14]將膠原水解制得的氨基酸與月桂酰精氨酸合成了具有表面活性效果的二肽，這種二肽由于帶有陽(yáng)電荷，其對(duì)革蘭氏陰性和陽(yáng)性細(xì)菌都有很強(qiáng)的抗菌性。

2 抗氧化性

人與外界環(huán)境的接觸以及人的各種生理活動(dòng)會(huì)使人體內(nèi)積累大量的自由基。這些自由基如果不能及時(shí)清除會(huì)加速機(jī)體的衰老，引發(fā)癌癥及其他疾病。一些研究表明膠原具有清除自由基、抗氧化的功效。李春楠等[15]研究了象皮、豬皮和魚鱗膠原的抗氧化功效，結(jié)果表明魚鱗膠原、象皮膠原和豬皮膠原清除自由基的IC50值分別為0.51、0.42、0.60 g/L，具有一定的抗氧化功效；膠原質(zhì)量濃度越高，其自由基清除效果越好。Jeevithan等[16]研究了Ⅱ型酸溶銀鯊軟骨膠原、Ⅱ型酶溶銀鯊軟骨膠原和Ⅱ型銀鯊明膠的抗氧化功效，結(jié)果表明它們對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的清除率在16%～24%，且Ⅱ型酶溶銀鯊軟骨膠原的抗氧化性最好。

此外，很多蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物、多肽和氨基酸都能與活性氧反應(yīng)并清除自由基，因此它們都具有抗氧化性的功效[17]。其中多肽比氨基酸具有更強(qiáng)的自由基清除能力，因此其抗氧化性比氨基酸更強(qiáng)[18]。相關(guān)研究表明膠原的水解產(chǎn)物也具有抗氧化的功效。Ding Jinfeng等[19]從水母中提取制備了水解膠原并研究了其抗氧化和抗疲勞的功效，結(jié)果表明小鼠服用這種水解膠原后能表現(xiàn)出更好的運(yùn)動(dòng)能力，其血液中的乳酸和尿素氮含量降低了20%～30%，肝糖原和肌糖原含量增加了30%～50%。Mendis[20]及Kim[21]等的研究表明魷魚、魚皮和牛皮制成的明膠均具有抗氧化性的功效。楊芳寧[22]將豬皮膠原降解并制成了多肽，發(fā)現(xiàn)其具有較高的抗脂質(zhì)氧化能力、較強(qiáng)的清除自由基能力和金屬螯合能力，且抗氧化活性隨著底物濃度的增加而增加。Kim等[23-25]的研究表明明膠制備的多肽抗氧化性要好于其他蛋白源制備的多肽，而且由膠原或明膠制備的多肽可以保護(hù)細(xì)胞免受自由基的氧化損害。Mendis等[20]的研究表明由魷魚皮明膠制備的多肽可以強(qiáng)化人類肺部成纖細(xì)胞的細(xì)胞存活能力，使其免受叔丁基氫過(guò)氧化物誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性的損害。此外，他們還發(fā)現(xiàn)從鱈魚皮明膠中提取的多肽可以強(qiáng)化谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶在人肝癌細(xì)胞中的活性[26]。

目前膠原及其水解產(chǎn)物抗氧化功效的生物活性機(jī)理還有待系統(tǒng)的研究。很多研究表明多肽的抗氧化性能與其氨基酸序列、疏水性和分子質(zhì)量有關(guān)。

2.1 氨基酸序列

明膠和膠原的水解產(chǎn)物的氨基酸組成與膠原類似，富含Gly、Ala、Pro、Hyp、Glu和Asp，但是Met、Cys、His和Tyr含量很少[20,27]。根據(jù)Dávalos等[28]的研究，單個(gè)氨基酸中抗氧化活性最強(qiáng)的是Trp、Tyr和Met，然后是Cys、His和Phe，其余的氨基酸沒(méi)有任何的抗氧化活性。然而，很多多肽雖然并不含有上述具有抗氧化活性功能的氨基酸，卻依然具有抗氧化功能。例如Kim等[24]從鱈魚皮中提取了兩種具有抗氧化功效的多肽，它們分別由13 個(gè)和16 個(gè)氨基酸組成，含有Gly-Pro-Hyp的氨基酸序列，且在碳端含有甘氨酸。Li Bo等[29]發(fā)現(xiàn)由豬皮膠原水解物制備的多肽中，具有Gln-Gly-Ala-Arg氨基酸序列的抗氧化活性最強(qiáng)。此外，Mendis等[20]的研究表明氨基酸序列為Asn-Gly-Pro-Leu-Gln-Ala-Gly-Gln-Pro-Gly-Glu-Arg的多肽具有抑制自由基的功能。

2.2 疏水性

有的學(xué)者則認(rèn)為由膠原制備的多肽具有抗氧化功能的原因可能與其含有較多的疏水性氨基酸有關(guān)，這些疏水性氨基酸可以增加多肽在脂類物質(zhì)中的溶解度而強(qiáng)化其抗氧化功效[20,24]。Rajapakse等[30]認(rèn)為由皮膠原制備的多肽比肉類蛋白制得的多肽具有更好的抗氧化性是因?yàn)槠浜懈嗟氖杷缘腉ly和Pro。

2.3 分子質(zhì)量

Gomez-Guillen等[10]發(fā)現(xiàn)從魷魚皮水解物制備的多肽都具有抗氧化性，但其抗氧化能力和多肽分子質(zhì)量有很大的關(guān)系：分子質(zhì)量越低的多肽其抗氧化性越強(qiáng)。Yang[31]和Yang Hongshun[32]等的研究則表明在魚皮明膠的水解產(chǎn)物中，分子質(zhì)量低于700 D的多肽的自由基清除能力要比其他的強(qiáng)20%左右。Li Zongrui等[33]研究了分子質(zhì)量與水解膠原抗氧化功效的關(guān)系，結(jié)果表明，在研究的39 種海洋魚類水解膠原中（分子質(zhì)量大于0.64 kD，小于257 kD），其分子質(zhì)量越小，水解膠原清除自由基的功效越強(qiáng)。類似地，Chi Changfeng等[34]在研究魚膠原水解產(chǎn)物抗氧化功效時(shí)也發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量越小的水解產(chǎn)物抗氧化性越強(qiáng)。水解制備多肽時(shí)所用蛋白酶的種類也決定著水解產(chǎn)物的大小和氨基酸序列，因此也會(huì)影響多肽的抗氧化功能。有研究表明，由堿性蛋白酶水解明膠（或膠原）制備的多肽的抗氧化功能要比用膠原酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或中性蛋白酶等水解明膠制備的多肽要好[27,35]。

3 降低血壓

高血壓會(huì)損傷血管，使身體的重要器官發(fā)生缺血和功能受損，甚至危及生命。因此，高血壓的防治對(duì)于保護(hù)人們生命安全具有十分重要的意義。血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）會(huì)使無(wú)活性的血管緊張素Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)槭寡苁湛s的血管緊張素Ⅱ，引發(fā)高血壓。因此，抑制ACE的活性可以有效地治療高血壓[36-37]。相關(guān)研究表明攝入一些功能性的多肽后，可以抑制ACE的活性，進(jìn)而減少血管緊張素Ⅱ的產(chǎn)生，達(dá)到降低血壓的功效[37]。在從蛇毒中提取了具有抑制ACE活性的多肽后，人們嘗試人工合成具有這種功能的多肽。但人工合成的這種多肽會(huì)引發(fā)咳嗽、味覺(jué)失調(diào)、皮疹等副作用[38]。因此，人們?cè)噲D從蛋白質(zhì)等天然產(chǎn)物中提取具有抑制ACE活性功能且副作用較小的多肽。具有抑制血管緊張素轉(zhuǎn)化酶活性功能多肽可以從牛奶、血蛋白、玉米、鷹嘴豆、大豆以及牛、雞、豬、魚的肌肉蛋白中提取[39-40]。

有研究表明膠原和明膠經(jīng)酶解后也能制備具有降血壓功效的多肽[41-43]，例如從脊椎動(dòng)物的皮、骨、鱗片以及軟體動(dòng)物的魷魚鞘、海參中提取的膠原都可以制備具有抑制ACE活性功能的多肽和水解產(chǎn)物。此類多肽的降血壓功能一般是在大鼠體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試的[44]。許多由膠原制備的抑制ACE活性多肽已經(jīng)進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)并獲得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果。例如大鼠分別口服雞腿骨膠原水解物和Gly-Ala-Hyp-Gly-Leu-Hyp-Gly-Pro八肽都可以明顯地降低其血壓[43,45]。Faria等[46]發(fā)現(xiàn)大鼠口服豬皮和牛皮膠原水解物后，其血壓也明顯降低了。由豬皮膠原水解制備的兩種多肽（Gly-Pro和Gly-Phe-Hyp-Gly-Pro）也可以降低大鼠的血壓[41]。

多肽的ACE抑制功能與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚不清楚，但具有這種功效的多肽都有相似的特點(diǎn)：由于ACE的活性位點(diǎn)不能容納大分子的多肽[47]，因此這些多肽肽段較短，分子質(zhì)量較小。Murray等[48]發(fā)現(xiàn)在碳端含有疏水氨基酸的多肽更容易抑制ACE的活性。此外，碳端含有Arg或者Lys也會(huì)強(qiáng)烈抑制ACE的活性。膠原和明膠水解物具有抑制ACE的功能則可能是因?yàn)槠浜写罅康氖杷被幔鏟ro。Pro可能是抑制ACE活性效果最好的氨基酸，很多具有ACE抑制功能的氨基酸中都含有Pro[49-50]。表1列出了一些由膠原及其水解產(chǎn)物制備的具有抑制ACE活性功效的多肽的結(jié)構(gòu)及ACE活性被抑制一半時(shí)所需多肽的濃度（IC50）。

表1 由膠原及其水解產(chǎn)物制備的具有抑制ACE活性功效的多肽結(jié)構(gòu)[51]Table 1 ACE inhibitory peptides derived from collagenous sources[51]

Zhang Yuhao等[52]用酶處理牛皮膠原并制備了具有抑制ACE活性功能的多肽，結(jié)果表明使用堿性蛋白酶和膠原酶水解膠原，不需預(yù)處理就能制備具有抑制ACE功能的多肽；在酶水解前如果高溫高壓預(yù)處理5 min則可以得到分子質(zhì)量更小且ACE抑制能力更強(qiáng)的多肽。Kong Qing等[53]則研究了由膠原生產(chǎn)具有降血壓功效多肽的生產(chǎn)工藝，比對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，pH 2、質(zhì)量濃度為8.23 g/100 mL的膠原溶液在37 ℃條件下用酶酶解3.82 h所得到的產(chǎn)物降血壓功效最好；同時(shí)使用胃蛋白酶和胰蛋白酶水解的產(chǎn)物抑制ACE活性能力最好（88.25%），其IC50值也最低（141.64 μg/mL）。Zhuang Yongliang等[54]從水母膠原中制備了具有降血壓功效的多肽并優(yōu)化了其制備條件，結(jié)果表明，在52.7 ℃、pH 8.63、酶用量為3.46%時(shí)，具有降血壓功效的多肽產(chǎn)量最高，達(dá)到81.7%。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)的畜牧業(yè)和漁業(yè)都非常發(fā)達(dá)，每年的豬、牛、羊以及魚類的產(chǎn)量都位居世界前列，有著非常豐富的膠原原料。但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的膠原產(chǎn)業(yè)才剛起步，存在著知識(shí)普及不足、生產(chǎn)方式較落后、產(chǎn)品附加值較低等缺陷。我們?cè)谘芯块_(kāi)發(fā)膠原相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，除了生產(chǎn)常用的人工皮膚、支架材料等生物醫(yī)學(xué)和組織工程材料之外，還可以結(jié)合膠原及其水解產(chǎn)物的抗菌性、抗氧化性及降血壓等功效生產(chǎn)各種具有生物功效的食品、保健品及醫(yī)藥用品。例如在生產(chǎn)膠原腸衣時(shí)可以添加具有抗菌功效的膠原水解產(chǎn)物，使腸衣在保鮮的同時(shí)又能抗菌，食用時(shí)更加衛(wèi)生安全；在生產(chǎn)保健口服液時(shí)，可以適當(dāng)?shù)靥砑泳哂锌寡趸πУ哪z原水解產(chǎn)物，提升產(chǎn)品的保健功效。這樣在滿足人們不同需要的同時(shí)，引入各種前沿的科研成果，提高產(chǎn)品的附加值，促進(jìn)了膠原相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)能帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Bioactive Functions of Collagen Hydrolysates

DUAN Lian, DU Zheng, ZHANG Desheng*(College of Textiles and Garments, Southwest University, Chongqing 400715, China)

As the most abundant protein in animals, collagen and its hydrolysates are biocompatible and biofunctional due to the unique triple-helix and amino acid sequence, and have been widely used in many fi elds. In this article, we have summarized the bioactive functions of collagen hydrolysates according to the latest investigations at home and abroad, including antimicrobial propertie s, antioxidant activity and antihypertensive activity. The development of collagen industry should not be limited to medicinal materials and tissue engineering. Food and health products based on collagen and its hydrolysates should also be developed.

collagen hydrolysates; antimicrobial properties; antioxidant activity; antihypertensive activity

TS209

A

1002-6630（2015）19-0292-05

10.7506/spkx1002-6630-201519053

2014-12-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金一般項(xiàng)目（2120130635）；西南大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目（SWU114092）

段煉（1985-），男，講師，博士，研究方向?yàn)榈鞍踪|(zhì)化學(xué)及資源化利用。E-mail：duan19850420@163.com

*通信作者：張德勝（1986-），男，助教，碩士，研究方向?yàn)榈鞍踪|(zhì)化學(xué)及資源化利用。E-mail：2695117804@qq.com