黄海水产研究所 王彩理 李娟 王志勇 朱伯清 滕瑜/ 文
近几年来中国鱼类总产量超过3000 万吨，其中鱼皮占有6% 以上。鱼皮含有高达80% 的蛋白质，其中含量最高的是I 型胶原蛋白，是提取胶原潜在的原料。鱼皮胶原蛋白具有低变性温度、低抗原性、低过敏性、易酶解等特性，用于开发分子量小的活性肽明显优于猪、牛皮胶原蛋白。全世界胶原蛋白的需求量每年以20% 的速度在增加，胶原蛋白及其多肽产业化有着巨大的发展前景。
一、胶原蛋白的特点
胶原蛋白(Collagen) 是人体内含量最多的蛋白质，占人体蛋白质总量的25~30％，占皮肤干重70~80％，相当于人体重量的6％。它是一种细胞外蛋白质，其分子是由三条肽链相互缠绕形成的螺旋形纤维状蛋白质显微结构，在结缔组织与弹性蛋白及多糖蛋白相互交织形成的网状结构，形成具有极大伸展性的不溶性纤维，能使腱、骨、软骨、牙、皮和血管等结缔组织具有足够的机械强度，具有一定的结构与机械力学性质， 如张力强度、拉力、弹力等以达到支撑、保护的功能，是承托人体曲线、体现挺拔体态的物质基础，例如腱胶原蛋白的抗张强度约为20~30kg/mm，相当于12 号冷拉钢丝的拉力。
每个成人体内含有3kg 左右的胶原蛋白，遍及人体组织的各个器官，骨折、腱和软骨损伤都涉及组织中胶原蛋白基质的撕裂或伸张过度。它还具有调节人体新陈代谢、清除体内垃圾、强健脾胃、改善睡眠、延缓衰老的作用。近年来， 随着胶原蛋白在食品、化妆品以及生物医学等诸多领域的应用逐渐普及，充分认识胶原蛋白的结构特征显得日益重要。
二、胶原蛋白的类型和结构
胶原蛋白是糖蛋白、少量糖与5- 羟脯氨酸(Hy1) 残基的8- 碳羟基共价连接，其氨基酸组成特征是含有33％ Gly、13％ Pro、10％的羟脯氨酸和羟赖氨酸，形成3 条α 多肽链( 亚基) 缠绕的三股螺旋(triple helix)，α 胶原蛋白在体内以胶原原纤维(collagen fibril) 或称胶原纤维(collagen fiber)的形式存在， 胶原原纤维的基本结构单位是原胶原(protocollagen) 分子，其相对分子质量为2.85×105，由三股缠绕的多肽链组成， 每股长度约1000 个氨基酸残基。原胶原分子长约300nm，直径约1.5nm。
根据胶原蛋白结构的不同，可分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚定胶原蛋白、六边网状胶原、非纤维胶原蛋白、跨膜胶原蛋白、基膜胶原蛋白以及其它有特殊作用的胶原。
胶原蛋白存在于人体结缔组织、骨骼及软骨中，主要有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、V 型……等26 种不同类型，前5 种胶原容易分离出来且产量比较高。Ⅰ型胶原蛋白主要存在于成人皮肤和骨组织、跟腱、血管壁中， 由两条α1(I) 肽链和一条α2(I) 肽链构成， 即[α1(I)]2α2(I)；II 型胶原蛋白主要存在于软骨组织、椎间盘和玻璃体中；III 型胶原蛋白主要存在于皮肤或血管内膜中，由3 条相同肽链[α1( Ⅲ )]3 组成；Ⅳ型胶原蛋白主要存在于基底膜、胎盘、晶状体中，分子形式有[α1( Ⅳ )]2α2( Ⅳ )、[α1( Ⅳ )]3 和[α2( Ⅳ )] 3；V 型胶原蛋白主要在皮肤和血管壁中， 其三条螺旋链有[α1(V)]2α2(V) 和α1(V)α2(V)α3(V) 的异三体两种形式。
三、胶原蛋白与美容
胶原蛋白具有美白、保湿、防皱、修复、营养等作用，外部补充胶原可加强细胞与胶原的作用，引起细胞形态及生理发生改变，达到美容效果，其主要机制是促进表皮和真皮新陈代谢，恢复皮肤正常结构和功能，维持皮肤水分含量和电解质代谢，滋润皮肤组织，促进皮肤组织不断形成新的毛细血管。儿童皮肤以Ⅲ型胶原蛋白为主，成人皮肤以Ⅰ型胶原蛋白为主。胶原蛋白中的酪氨酸残基能阻止皮肤中黑色素的形成，达到美白效果；胶原蛋白、胶原多肽中甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸、丝氨酸等保湿因子的含量都比较丰富，亲水基团( 氨基、羟基、羧基等) 富足，对皮肤具有良好的保湿性，起到类似天然保湿因子的作用；胶原蛋白与皮肤角质层结构相似，能填充在皮肤基质之间形成膜层，使皮肤丰满、皱纹舒展，达到滋润皮肤的目的；胶原蛋白可提供良好的营养，有利于上皮细胞增生修复，促进愈合，软化疤痕，更新肌肤；胶原蛋白、胶原多肽能促进皮肤组织的新陈代谢， 增加微循环，滋润皮肤、美容、消皱。
四、胶原蛋白与衰老
胶原蛋白的作用是促进表皮修复和愈合，促进皮肤伤口愈合和功能再生， 增强皮肤弹性，减少瘢痕形成，延缓皮肤衰老。胶原蛋白与机体的生长、衰老和疾病有密切关系，不但支撑器官、保护机体，而且更是皮肤、骨骼、肌腱、软骨、血管的构成材料，能调控和延缓皮肤老化，所以补充胶原蛋白能使肌肤保持年轻。皮肤衰老时胶原蛋白明显、丧失功能而不断老化、干燥，皮肤失去柔软、弹性、润滑感，皱纹增多。年轻时皮肤光滑、柔韧有弹性，主要原因在于胶原蛋白充足，皮肤角质层含水量较高。随着年龄增长，胶原蛋白流失的速度加快，每年平均将以约1％的速度递减，由螺旋型可溶性Ⅳ胶原蛋白转变成互相交织的不可溶胶原蛋白，导致胶原纤维交联固化，皮肤失去弹性并变薄老化，加上紫外线照射、生活习惯等不利因素的影响，使皮肤出现色斑、皱纹及松垮等一系列老化现象。
五、鱼皮胶原蛋白及小肽的提取
常用的鱼皮胶原蛋白提取方法有热水法、酸碱提取法、酶法提取、盐法提取以及混合提取等，鱼皮制取胶原蛋白的工艺大同小异，都是先加盐去除非胶原蛋白，经离心、水洗得到胶原蛋白粗品；加酸溶胀，再均质、真空抽滤后得到胶原蛋白溶液。根据不同提取方法， 鱼皮胶原蛋白提取率从10~20% 不等。
鱼皮经蛋白酶降解后，通过酶灭活、杀菌、干燥，可进一步获得胶原蛋白肽。胶原多肽作为胶原蛋白的进一步水解产物，具有很多独特点：氨基酸种类丰富，蛋白质含量高，不含脂肪，可以在肠道直接被吸收，肽类比氨基酸有更大的吸收量。在日本，胶原蛋白及其水解产物作为众多功能性食品和蛋白饮料的原料，已普遍地应用于食品工业； 在化妆品中，胶原多肽的功效主要有营养性、修复性、保湿性、配伍性、亲和性这几方面。鱼皮胶原蛋白肽的提取率一般为10~20%。
六、胶原蛋白及多肽的产业化前景
本团队长期以来致力于鱼皮胶原蛋白及多肽的研究与开发，通过一年时间中试运作，可将鱼皮胶原蛋白及其胶原多肽产业化，通过优化鱼皮生产胶原蛋白工艺，建成年产100 吨鱼胶原蛋白及其胶原多肽加工厂，实现年销售收入1000 万元，年盈利超过500 万元。由于胶原蛋白来源和应用相当广泛，有着广阔的经济前景和开发前景，可以有目的地选择富含所需胶原蛋白分子类型以获取高纯度胶原蛋白，进一步开展胶原蛋白及其多肽结构的研究，对于高效率提取、高附加值利用胶原蛋白资源，打开胶原蛋白这座生物质资源宝库，造福人类，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。
近几年来中国鱼类总产量超过3000 万吨，其中鱼皮占有6% 以上。鱼皮含有高达80% 的蛋白质，其中含量最高的是I 型胶原蛋白，是提取胶原潜在的原料。鱼皮胶原蛋白具有低变性温度、低抗原性、低过敏性、易酶解等特性，用于开发分子量小的活性肽明显优于猪、牛皮胶原蛋白。全世界胶原蛋白的需求量每年以20% 的速度在增加，胶原蛋白及其多肽产业化有着巨大的发展前景。
一、胶原蛋白的特点
胶原蛋白(Collagen) 是人体内含量最多的蛋白质，占人体蛋白质总量的25~30％，占皮肤干重70~80％，相当于人体重量的6％。它是一种细胞外蛋白质，其分子是由三条肽链相互缠绕形成的螺旋形纤维状蛋白质显微结构，在结缔组织与弹性蛋白及多糖蛋白相互交织形成的网状结构，形成具有极大伸展性的不溶性纤维，能使腱、骨、软骨、牙、皮和血管等结缔组织具有足够的机械强度，具有一定的结构与机械力学性质， 如张力强度、拉力、弹力等以达到支撑、保护的功能，是承托人体曲线、体现挺拔体态的物质基础，例如腱胶原蛋白的抗张强度约为20~30kg/mm，相当于12 号冷拉钢丝的拉力。
每个成人体内含有3kg 左右的胶原蛋白，遍及人体组织的各个器官，骨折、腱和软骨损伤都涉及组织中胶原蛋白基质的撕裂或伸张过度。它还具有调节人体新陈代谢、清除体内垃圾、强健脾胃、改善睡眠、延缓衰老的作用。近年来， 随着胶原蛋白在食品、化妆品以及生物医学等诸多领域的应用逐渐普及，充分认识胶原蛋白的结构特征显得日益重要。
二、胶原蛋白的类型和结构
胶原蛋白是糖蛋白、少量糖与5- 羟脯氨酸(Hy1) 残基的8- 碳羟基共价连接，其氨基酸组成特征是含有33％ Gly、13％ Pro、10％的羟脯氨酸和羟赖氨酸，形成3 条α 多肽链( 亚基) 缠绕的三股螺旋(triple helix)，α 胶原蛋白在体内以胶原原纤维(collagen fibril) 或称胶原纤维(collagen fiber)的形式存在， 胶原原纤维的基本结构单位是原胶原(protocollagen) 分子，其相对分子质量为2.85×105，由三股缠绕的多肽链组成， 每股长度约1000 个氨基酸残基。原胶原分子长约300nm，直径约1.5nm。
根据胶原蛋白结构的不同，可分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚定胶原蛋白、六边网状胶原、非纤维胶原蛋白、跨膜胶原蛋白、基膜胶原蛋白以及其它有特殊作用的胶原。
胶原蛋白存在于人体结缔组织、骨骼及软骨中，主要有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、V 型……等26 种不同类型，前5 种胶原容易分离出来且产量比较高。Ⅰ型胶原蛋白主要存在于成人皮肤和骨组织、跟腱、血管壁中， 由两条α1(I) 肽链和一条α2(I) 肽链构成， 即[α1(I)]2α2(I)；II 型胶原蛋白主要存在于软骨组织、椎间盘和玻璃体中；III 型胶原蛋白主要存在于皮肤或血管内膜中，由3 条相同肽链[α1( Ⅲ )]3 组成；Ⅳ型胶原蛋白主要存在于基底膜、胎盘、晶状体中，分子形式有[α1( Ⅳ )]2α2( Ⅳ )、[α1( Ⅳ )]3 和[α2( Ⅳ )] 3；V 型胶原蛋白主要在皮肤和血管壁中， 其三条螺旋链有[α1(V)]2α2(V) 和α1(V)α2(V)α3(V) 的异三体两种形式。
三、胶原蛋白与美容
胶原蛋白具有美白、保湿、防皱、修复、营养等作用，外部补充胶原可加强细胞与胶原的作用，引起细胞形态及生理发生改变，达到美容效果，其主要机制是促进表皮和真皮新陈代谢，恢复皮肤正常结构和功能，维持皮肤水分含量和电解质代谢，滋润皮肤组织，促进皮肤组织不断形成新的毛细血管。儿童皮肤以Ⅲ型胶原蛋白为主，成人皮肤以Ⅰ型胶原蛋白为主。胶原蛋白中的酪氨酸残基能阻止皮肤中黑色素的形成，达到美白效果；胶原蛋白、胶原多肽中甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸、丝氨酸等保湿因子的含量都比较丰富，亲水基团( 氨基、羟基、羧基等) 富足，对皮肤具有良好的保湿性，起到类似天然保湿因子的作用；胶原蛋白与皮肤角质层结构相似，能填充在皮肤基质之间形成膜层，使皮肤丰满、皱纹舒展，达到滋润皮肤的目的；胶原蛋白可提供良好的营养，有利于上皮细胞增生修复，促进愈合，软化疤痕，更新肌肤；胶原蛋白、胶原多肽能促进皮肤组织的新陈代谢， 增加微循环，滋润皮肤、美容、消皱。
四、胶原蛋白与衰老
胶原蛋白的作用是促进表皮修复和愈合，促进皮肤伤口愈合和功能再生， 增强皮肤弹性，减少瘢痕形成，延缓皮肤衰老。胶原蛋白与机体的生长、衰老和疾病有密切关系，不但支撑器官、保护机体，而且更是皮肤、骨骼、肌腱、软骨、血管的构成材料，能调控和延缓皮肤老化，所以补充胶原蛋白能使肌肤保持年轻。皮肤衰老时胶原蛋白明显、丧失功能而不断老化、干燥，皮肤失去柔软、弹性、润滑感，皱纹增多。年轻时皮肤光滑、柔韧有弹性，主要原因在于胶原蛋白充足，皮肤角质层含水量较高。随着年龄增长，胶原蛋白流失的速度加快，每年平均将以约1％的速度递减，由螺旋型可溶性Ⅳ胶原蛋白转变成互相交织的不可溶胶原蛋白，导致胶原纤维交联固化，皮肤失去弹性并变薄老化，加上紫外线照射、生活习惯等不利因素的影响，使皮肤出现色斑、皱纹及松垮等一系列老化现象。
五、鱼皮胶原蛋白及小肽的提取
常用的鱼皮胶原蛋白提取方法有热水法、酸碱提取法、酶法提取、盐法提取以及混合提取等，鱼皮制取胶原蛋白的工艺大同小异，都是先加盐去除非胶原蛋白，经离心、水洗得到胶原蛋白粗品；加酸溶胀，再均质、真空抽滤后得到胶原蛋白溶液。根据不同提取方法， 鱼皮胶原蛋白提取率从10~20% 不等。
鱼皮经蛋白酶降解后，通过酶灭活、杀菌、干燥，可进一步获得胶原蛋白肽。胶原多肽作为胶原蛋白的进一步水解产物，具有很多独特点：氨基酸种类丰富，蛋白质含量高，不含脂肪，可以在肠道直接被吸收，肽类比氨基酸有更大的吸收量。在日本，胶原蛋白及其水解产物作为众多功能性食品和蛋白饮料的原料，已普遍地应用于食品工业； 在化妆品中，胶原多肽的功效主要有营养性、修复性、保湿性、配伍性、亲和性这几方面。鱼皮胶原蛋白肽的提取率一般为10~20%。
六、胶原蛋白及多肽的产业化前景
本团队长期以来致力于鱼皮胶原蛋白及多肽的研究与开发，通过一年时间中试运作，可将鱼皮胶原蛋白及其胶原多肽产业化，通过优化鱼皮生产胶原蛋白工艺，建成年产100 吨鱼胶原蛋白及其胶原多肽加工厂，实现年销售收入1000 万元，年盈利超过500 万元。由于胶原蛋白来源和应用相当广泛，有着广阔的经济前景和开发前景，可以有目的地选择富含所需胶原蛋白分子类型以获取高纯度胶原蛋白，进一步开展胶原蛋白及其多肽结构的研究，对于高效率提取、高附加值利用胶原蛋白资源，打开胶原蛋白这座生物质资源宝库，造福人类，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。