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第34卷第3期明胶科学与技术2014年9月TheScienceandTechnologyofGelatinV01.34.No.3Sept.2014.胶原蛋白肽的性质、应用及发展前景的研究综述梁飞+左红梅北京华达杰瑞生物技术有限公司,北京,100029摘要:胶原蛋白肽过去一直也称作胶原蛋白,1.2结构和性质的变化是胶原完全水解后的产物。它的分子量小,且小分子胶原肽比相同组成的蛋白质和氨基酸吸收利用率更好。胶原蛋白肽不仅具有优良的营养作用,而且还具有很好的生理调节功能。胶原蛋白肽具有许多优异特性,这使其在众多领域中具有巨大的应用潜质并日趋广泛,特别是在生物医学、美容化妆品和保健食品领域中。胶原蛋白肽现已在世界范围内非常受欢迎且需求量快速增长,拥有很好的发展前景。从胶原到胶原蛋白(肽),主要是结构发生了改变,从而导致它们的性能出现差异。胶原分子是由三股仅一肽链通过氢键、范德华力和共价键交联构成的右手三螺旋结构,这种超螺旋结构使得胶原分子十分稳定。一个胶原分子的相对分子量约为300KDa,其具有低免疫原性、生物相容性和可降解性等H。5J。胶原分子能自发组装成宏观上层阶式的组织网络结构,从而形成一种高度有序的且韧性很强的超分子高级结构一胶原原纤维。即胶原分子靠氢键或分子间的范德华力连接并在胶原原纤维中以有规则地1/4互相交错,首尾相随,平行排列而成纤维束。自组装的胶原纤维具有一种纳米级的特征,即空穴区和重叠区的电子密度通过错位排列形成间隔一定的电子密度区,在电子显微镜下呈现条纹或区带。这种特征关键词:胶原;胶原蛋白肽;性质;应用;前景1从胶原到胶原蛋白1.1概述胶原是硬蛋白之一,是人体内含量最多的一种蛋白质,约占总蛋白质含量的25%。它是动物组织细胞外基质(ECM)的一种结构蛋白,主要存在于动物的皮肤、骨、肌腱、韧带及结缔组织等部位中¨。2J。胶原具有生物活性,不溶于冷水和热水,不能被蛋白酶利用。然而,胶原在酸、碱、酶或高温的条件下,其三螺旋结构发生解体而成为3条自由的肽链,并可降解成常见于生物组织中,周期性的空穴/重叠间距值通常是以67nm为中心分布的,且分布宽度约为10nm[6‘9J。在大多数组织中特别是骨骼,胶原纤维提供了强度的保护和结构的组成。胶原的这种结构使其能形成具有较高韧性、弹性和强度的膜和凝胶体等,且仍保持网状纤维结构。值得注意的是由于水产胶原的脯氨酸和羟脯氨酸含量低于陆地哺乳动物胶原,因此其形成的凝胶强度较差,并且凝胶点和溶胶点相对较低。另一方面,胶原纤维持有多肽段甚至小肽,从而形成了相对分子量较高的明胶和相对分子量较低的胶原蛋白(肽)¨,3J。胶原水解后的这些产物之间以及与胶原的性质有所差异。}E-mail:lfei@hdjr.cn万方数据?110?明胶科学与技术2014年9月的纤维内交联和纤维间交联结构,使其在水中只溶胀不溶解。胶原分子及胶原纤维的结构致使胶原很难以被人体消化吸收利用口。4j。胶原的这些特质使其在生物医学领域中具有极大的应用潜质,然而胶原在如保健食品等领域的应用受到了限制。明胶是胶原在高温作用下的变性产物,胶原部分水解而得到的一类蛋白质,与胶原具有同源性。明胶的氨基酸组成与胶原相似,但因预处理的差异,组成成分也可能不同。在胶原部分水解后,其棒状三螺旋结构发生部分分离和断裂,共价键基本被打开只剩次级键,从而明胶丧失了再纤维性。因此,明胶虽能够形成凝胶或膜,但形成的凝胶经加热则液化;形成的薄膜力学性能较差,脆性大,强度比胶原膜差,已不具有纤维结构特征。明胶可划为胶原蛋白且能够被蛋白酶利用,不同规格的明胶分子量一般为15000―250000Da,相对分子质量分布较宽。明胶由于丧失了胶原的天然结构,已不具有生物活性∞’8J。这些变化使得明胶的应用较之胶原发生了一定的改变。胶原蛋白是胶原完全水解后产物,其三螺旋结构完全分离和断裂,且不可逆,故亦丧失了再纤维性。胶原蛋白基本上为完全脱离共价键和次级键束缚的仅一肽链。不同于胶原和明胶,由于交联结构的丧失,胶原蛋白不能形成膜或凝胶。胶原蛋白的分子量比明胶小,一般约为几千至几万道尔顿不等,相对分子质量分布很宽。与明胶相同,胶原蛋白不再具有生物活性∞’8J。同样,胶原蛋白结构和性能上的改变使其应用与胶原和明胶均产生了一定的差异。2胶原蛋白肽2.1肽的概述肽是由两个或两个以上至数百个氨基酸分子通过肽键联结而成的化合物,是构成蛋白质结构的片段。它主要分为:由2~10个氨基酸组成的直链的,分子量范围在180―1000Da之间的小肽、寡肽、低聚肽,也称为小分子活性万方数据肽;由10个以上氨基酸组成的,分子量范围在180~5000Da之间的多肽;分子范围在1000Da以上至5000Da之间的大肽。基于氨基酸残基的种类不同或者是数量不同,其构成的肽的化学性质与功能均有所不同,有的甚至有很大的差别。肽可达成千上万种,其功能具有多样性。大量实验表明,人体吸收蛋白质的主要途径不是仅以氨基酸的形式吸收,而更多的是以2~6个氨基酸组成的寡肽形式直接吸收。而且,小分子肽(e.g.二肽和三肽)在胃肠运转和吸收率方面均比相同组成的氨基酸好,生物利用度高。与原蛋白质及其对应的氨基酸不同,一些低分子肽类即能够提供人体生长发育所需的营养物质,发挥显著的营养功能;还具有防病、冶病,调节人体生理机能的作用[1’m。17]。2.2胶原蛋白肽的特性胶原蛋白肽归属于胶原蛋白,过去一直被称为胶原蛋白,即是以胶原或明胶为原料经多种蛋白酶定向梯度水解后的产物。有研究表明,胶原蛋白(肽)的缺乏或分子缺陷会导致人体机能的改变,从而造成许多疾病的发生,例如软骨发育异常、成骨不全症、奥尔波特综合症、皮肤弹性过度症及大疱性表皮松懈症等。另外,骨关节炎和骨质疏松症等的发病过程和胶原蛋白(肽)的降解和异常代谢密切相关㈨]。多肽是涉及生物体内各种细胞功能的生物活性物质,是介于氨基酸和蛋白质之间的一类生物聚合物。原蛋白质和其对应的多肽主链的原子是相同的,但侧链可存在差异。胶原蛋白肽和胶原蛋白只有肽链长短之别,二者问没有严格的区分.也没有特别明显的分子量界限。然而,胶原蛋白的功能实际上是它中间的各个肽在起作用,而小分子肽通常发挥更重要的作用。胶原蛋白肽易溶于水,在冷水、高温(200℃)以及酸或碱的情况下均无沉淀,水溶液粘度低,即使在高浓度下也有流动性。胶原蛋白肽在如保健食品等应用方面可比大分子蛋白和小分子氨基酸更优秀。胶原蛋白肽具第34卷第3期梁飞等:胶原蛋白肽的性质、应用及发展前景的研究综述。1ll?有许多优异的特性,包括携带信息;能引起各种各样不同的生理活动和生化反应调节;活性等,使其可用于心脏瓣膜、角膜、生物传感器/反应器的单体膜、人造血管、人工胆管、管状器官、眼外科用胶原罩、创伤和烧伤修复材料(胶原海绵)、止血剂、过滤剂、血液透析膜、人工肺高;分子量小,一般在5kDa以下,易于改造,易于化学合成;高效吸收利用率,比蛋白质吸收率高,比小分子氨基酸吸收快速;免消化,可以完整形式被直接吸收入血,吸收率可达到100%;相较于氨基酸,其属主动吸收,能量消膜、人工皮肤、人工肌腱或韧带等软组织替代物、人造血浆、药物或固定化酶载体、基因递送纳米粒、提取胶囊、牙齿和骨骼填充或修复材耗低或为零;种类繁多,可达成千上万种;无过敏反应;可有助于其它蛋白质的吸收料、人工骨、骨水泥、生物支架材料和手术缝线中等¨’3。5’”'18j2|。总之,胶原蛋白肽在医学领域中的应用潜质十分巨大。3.2保健食品领域胶原蛋白肽分子大小为纳米级,口服后的等¨,3,4,17-25]。这些优异特性使胶原蛋白肽在众多领域的应用潜质无限,特别是在食品保健、美容塑形和医疗领域有着广阔的发展。前景。吸收利用率高,肠胃、血管及肌肤皆极容易吸收。另外,胶原蛋白肽在人体吸收循环后能够在软骨中积累,对关节类疾病可有很好的缓解2.3胶原蛋白肽的功效胶原蛋白肽具有许多生理调节功能,包括调解人体免疫力[26-28]、抗氧化旧。¨、抗肿瘤∞2埘]、降血压口5‘381(即血管紧张素转换酶一ACE活性抑制)、抑制血小板凝集””40J、降胆固醇‘41-42]、减肥降血脂m-45]、健脑‘46j、促进Ca等矿物质吸收【47-49]、预防和治疗骨质疏松症Ⅲ-51],以及止血、抗菌性、缓解关节疼痛、防止贫血、易消化吸收、美容、抗衰老、协助母乳分泌、保护胃黏膜、抗溃疡,促进皮肤胶原代谢等口’4,10'16。181。随着科学技术的不断发展和进甚至治疗作用。再者,其无过敏性并具有多种生理调节功能使其在保健食品领域中的应用十分广泛。其现已普遍用于功能食品和蛋白质饮品中,例如美容饮料,降压、减肥和关节保健食品等。胶原蛋白肽由于可直接被吸收入血,而其含有的羟脯氨酸可将血浆中的钙运输至骨细胞,因此它还可用作很好的补钙保健食品¨’51’53J。皮胶原蛋白(肽)对于改善肤质,滋润肌肤等发挥着很好的功效;骨胶原蛋白(肽)步,通过对胶原蛋白肽的研究和改性可使其功效和应用进一步的扩大,更加满足市场或临床治疗等的需求。3应用3.1对于神经复原、骨质疏松等有很好的营养保健作用㈣J。口服胶原蛋白肽,可使机体更直接有效地吸收摄人有效成分,提高效率,迅速补充人体组织缔结所需要的物质;可助人体摄取足量的羟脯氨酸和羟赖氨酸,促进体内胶原的生物医学领域胶原及其水解产物的许多优异特性使其在生物医学领域,特别是生物医用材料方面的合成,从而有效避免胶原蛋白缺失所引起的各种疾病。胶原蛋白肽作为机体合成胶原的原应用日趋瞩目。例如它们优良的生物可降解性、亲和性、低抗原性、组织融合性、止血性、优料同时还可携带甚至直接传递信息。再者,其免消化,故能减轻胃肠道的消化负担,有益于消化功能不好的人群。另外,对于氨基酸运输越的生物相容性、可抗毒性、特定官能团可修饰性(以改性优化其性能或赋予特殊功能)、可减缓生物分解速率、促进伤口愈合、很好的预系统功能出现障碍的人群,摄人胶原寡肽可以获得很好的吸收效果¨’4’3’怕’23’55J。胶原及其水防及治疗胶原病(如关节症)功效、支撑填充性、细胞及毛细血管诱导作用、与宿主细胞及组织之间的协调作用、优秀的延展性和粘合力万方数据解产物还可用于食品填充剂、胶冻剂、制造肠衣/缶/肉类等可食用包装材料、冷冻食品改良剂、肉制品添加剂、饮料澄清剂、乳制品添加剂?112?明胶科学与技术2014年9月及胶原小食品等¨8'52J。3.3美容化妆品领域功效;能够抗氧化,可抑制MMP2(基质金属蛋白酶),防止胶原的破坏和降解,保护皮肤,延缓衰老;经济有效等‘4’5’17,23'52灏坷]。因此,胶原蛋白(肽)在美容化妆品领域中的应用前景十分光明。3.4其他领域由于胶原蛋白(肽)近似于人类皮肤内的天然胶原组分,具有优异的保湿、锁水、美白、滋养、护肤和抗辐射以及润泽头发等功效。而且,它具有较强的亲和力和良好的渗透性,能耐漂洗处理,可具有良好的组织修复性。另外,胶原蛋白(肽)与其它原料具有良好的配伍性,并可调节和稳定pH值,降低化妆品中的刺激物质对皮肤和毛发的损害等。因此,胶原蛋白(肽)在化妆品方面的应用及开发日渐广泛。它已作为化妆品原料被广泛添加于面膜、护肤胶原及其水解产物在其它领域中也具有很好的发展前景并日趋广泛,包括纺织业、饲料业、造纸业、制革业、日化用品业和发酵业等工农业。例如,在纺织业中,胶原蛋白经改性加工后可制成高性能又环保的“绿色纤维”,日化用品中的表面活性剂,发酵工业中的微生物发酵培养基,还有香烟业中的香烟滤嘴等‘3'”,18】。4前景乳液、润肤营养水、洗发护发产品、胶原医用注射剂和丰胸中等,日益受到广大消费者的喜爱。特别是,胶原蛋白(肽)经由皮下注射等方法可以达到显著的美容、除疤、祛皱和塑形等效果,并安全无毒副作用¨,3’5J。例如,使用医用胶原肽在凹陷性皮肤缺损处进行注射,其会发挥其支撑填充功效,同时对机体自身的组织重建进行诱导,使逐渐生成的新生组织与周围皮肤共同协调,有效发挥其矫形作用H灏J。然而,介于皮肤的屏障作用,胶原蛋白(肽)经由外用增加皮肤胶原含量或转化、参与合成肌肤胶原的功效受到影响。这限制了胶原蛋白(肽)单以外用形式来达到显著的美容和塑形等功效,因此还需要配合口服胶原蛋白(肽)来提升美容效果。大量的研究表明,口服胶原蛋白(肽)的吸综上所述,胶原蛋白肽的众多优良特性和广泛的应用使其日趋瞩目。随着科学技术的不断进步,社会的持续向前发展,胶原蛋白(肽)的需求量正在高速增长。在例如欧美和日本等发达国家,胶原蛋白(肽)已成为日常必需品,深受消费者的喜爱。据统计在2001年,世界胶原蛋白肽的市场需求量达到1400万吨,销售额100―500亿美元。其中,欧洲和美国的市场最大(分别占31.2%和28.0%)畔】。另外,由于其种类繁多,易于加工改性,物美价廉和安全环保等使其在众多领域中具有巨大的开发潜质和更为广阔的发展前景。参考文献收利用率好,很容易被吸收扩散到皮肤的深层和表层;可补充有益氨基酸,增强皮肤胶原活[1]张小燕.胶原蛋白肽生物功能材料的研究与开发[D].西安:西北工业大学,2006.性,保持胶原纤维的完整性,促进新陈代谢;能提供合成胶原所需的数量充足、比例合理的氨基酸和肽,可促进皮肤胶原纤维和透明质酸的合成;负有蛋白质特异性方式;对真皮和表皮都有改善作用,能保持角质层水分并提高皮肤的含水量,促进真皮层细胞的增殖,提高表皮细胞活性,有效提升皮肤肤质;胶原蛋白中含[2]蒋挺大.胶原与胶原蛋白[M].北京:化学工业出版社,2006,10―20.[3]王志聪.鳕鱼皮胶原蛋白肽对大鼠胃黏膜的保护作用研究[D].青岛:中国海洋大学,2013.[4]王珊珊.鳕鱼骨胶原肽与活性钙的制备及其抗骨质疏松活性研究:[D].青岛:中国海洋大学,2013.酪氨酸残基,能够与皮肤中的酪氨酸酶活性中心结合,抑制黑色素的产生,达到美白皮肤的万方数据第34卷第3期梁飞等:胶原蛋白肽的性质、应用及发展前景的研究综述?113?[5]杨婷婷,胡建恩,杨帆,等.水产胶原蛋白及其生物活性肽的研究和应用[J].精细与专用化学品,2011,19(5):5~10.[6]FerreiraA.M.,GentileP.,ChionoV.,eta1.Collagenforbonetissueregeneration[J].‘ActaBiomaterialia,2012,8:3191~3200.[7]张达江,王亮.I型胶原蛋白的结构、功能及其应用研究的现状与前景[J].生物技术通讯,2006,17(2):265~269.[8]李国英,张忠楷,雷苏,等.胶原、明胶和水解胶原蛋白的性能差异[J].四川大学学报(工程科学版),2005,37(4):54~58.[9]FangM.,GoldsteinE.L.,MafichE.K.,eta1.TypeICollagenSelf―Assembly:TheRolesofSubstrateandConcentration[J].Langmuir,2013,29(7)‘:2330~2338.[10]陈胜军,曾名勇,董士远.水产胶原蛋白及其活性肽的研究进展[J].水产科学,2004,6(23):44~46.[11]StuppS.L..Intenliseiplinarymacromolecu―larscienceandengineering.MaterialsTo―day,1998,(4):8一10.[12]MorwetH.Polymer:Theoriginsandgrowthofascience[M】.NewYork:John耽妨andSons,1985,33~41.[13]MolyneuxR.J..Reseacrhopportunitiesforbioactivenaturalconsfituentsinagricultureandfood[J].JounralofAgricultureandFoodChemistry,2002,50:6936―6942.[14]罗琛.生物工程与生命[M].北京:高等教育出版社,2003,l一5.[15]冯秀燕,计成.寡肽在蛋白质营养中的作用.动物营养学报,2001,13(3):8~13.[16]赵利,苏伟,胡火根,等.胶原蛋白生物活性肤的研究进展[J].食品科学,2005,26(9):578~582.[17]林琳.鱼皮胶原蛋白的制备及胶原蛋白多肽的活性研究:[D].青岛:中国海洋大学,2006.万方数据[18]郭玉华,刘扬瑞,李钰金.鱼类胶原蛋白及胶原活性多肽的研究进展[J].中国食品添加剂,2010,(3):175―179.[19]郭恒斌,曾庆祝.鱼皮胶原蛋白及胶原活性多肽的研究进展[J].食品与药品,2007,9(8):43~46.[20]夏其昌,曾蝾.蛋白质组学[M].科学出版社,2004,233―240.[21]AieherL.,WahlD.,AreeA.,eta1..Newinsightintocyclosporine:anephrotox―icitybyproteomeanalysis[J].Electropho―resis,1998,19(11):1998―2003.[22]郭瑶,曾名勇,崔文萱.水产胶原蛋白及胶原多肽的研究进展[J].水产科学,2006,25(2):103―104.[23]许德田,齐显龙.口服胶原蛋白水解产物对皮肤的作用[J].中国美容医学,22(3):410~413.[24]张伟,廖益平.寡肽营养研究进展[J].畜禽业,2001,4:12~14.[25]GrimlbeG.K.,SilkD.B.A..Peptidesinhumannutrition[J].Nutr.Res.Rev.,1989,(2):87~108.[26]RozennR.P.,AlalnV.W.Seeretagogueactivitiesincod(Cadusmorhua)andshrimp(Penaeusazteeus)extractsandal-calasehydrolysatesdeterminedinAR4―_2Jpancreatictumourcens[J].Comp.BiochemPhysiolpartB,2003,134:669~679.[27]DengC.,TangL.H.,ChenW.,WangQ.,LinD.EffectsofeoHagenpeptidefromeyaneanozakiionmouseimmunefunction[J].Agr/.Sci.&Tech.,2009,10(2):118~121.[28]侯虎.鳕鱼免疫活性肽的可控制备及其免疫活性研究[D].青岛:中国海洋大学,2011.[29]MendisE.,RajpakaesN.,KimS.K..Antioxidantpropertiesofaradical..scaven.-三亿文库包含各类专业文献、生活休闲娱乐、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、各类资格考试、外语学习资料、高等教育、97胶原蛋白肽的性质、应用及发展前景的研究综述等内容。 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